Research on Co-combustion of Gas and Oil Fuels

W dzisiejszych czasach gaz ziemny oraz ropa naftowa (mazut) są paliwami powszechnie wykorzystywanymi w kotłowniach przemysłowo-grzewczych małej i średniej mocy. Obecnie większość rafinerii doskonali procesy technologii przeróbki ropy naftowej. Każda przeróbka surowca tj. ropa naftowa powoduje zmiany szeregu fizyko-chemicznych właściwości mazutu. Wskutek tego podczas spalania mazutu następuje m.in. naruszenie wskaźników przewidywanych w karcie pracy kotła, zwiększenie jego niezupełności spalania, powstawanie na powierzchniach wymiany ciepła osadów z cząsteczek koksu oraz obniżenie stabilności spalania aż do zerwania płomienia. Aby móc zwiększyć szybkość i zupełność procesu spalania oraz efektywne wykorzystanie powierzchni ekranowych należy zapewnić jak najwyższy stopień dyspergowania paliwa. Jednak istniejące wtryskiwacze palników kotłów przeznaczonych do spalania mazutu nie są w stanie zapewnić jego rozpylania na poziomie poniżej 100 μm. Dlatego też rzadko stosowane wspólne spalanie paliwa gazowego i mazutu okazuje się tutaj doskonałym rozwiązaniem posiadającym kilka atutów. Prowadzi ono, bowiem do zwiększenie współczynnika emisyjności, zwiększenia sprawności kotła a także zapobiega osadzaniu się i koksowaniu się resztek mazutu na powierzchniach kotła Uzyskane wyniki badań wykorzystano w praktyce w celu zmniejszenia emisji tlenków azotu do atmosfery oraz poprawy sprawności cieplnej kotła typu DKVR 10-13. Opracowanie wykonane zostało na przykładzie jednego z trzech kotłów zainstalowanych w Ósmej Rejonowej Kotłowni Wyborskiego Rejonu Sankt-Petersburga. W przypadku niniejszego kotła analiza metod zmniejszenia emisji tlenków azotu i doświadczenia autorów wykazują istotne zalety metody wtrysku wilgoci do strefy spalania. Metoda ta wymaga jednak określenia optymalnych charakterystyk parametrów jej zastosowania. Dlatego też w celu wtrysku dodatkowej wilgoci, która jest potrzebna do rozpryskiwania mazutu należy odpowiednio zmodyfikować zawirowywacze głowicy rozpryskującej (rysunek 1). Powyższe działania pozwoliły założyć poziom zmniejszenia emisji NOx o 30% przy spalaniu paliwa gazowego oraz o 20% przy wspólnym spalaniu paliwa gazowego i mazutu. Emisję NOx podaje się w przeliczeniu na masową emisję tlenków azotu, ponieważ właśnie ten wskaźniki charakteryzuje bezwzględny wpływ emisji szkodliwych składników spalin na zanieczyszczenie atmosfery (rysunek 3 i 4). W trakcie przeprowadzonej analizy uwzględniane zostały trzy poziomy ewentualnego wpływu emisji ze spalinami kotłów na zanieczyszczenie atmosfery zarówno przy spalaniu paliwa gazowego jak i wspólnym spalaniu paliwa gazowego i mazutu. Powyższe autorskie rozwiązania towarzyszyły ogólnemu usprawnieniu pracy kotła i zwiększeniu efektywności wykorzystania paliwa przy wspólnym spalaniu gazu i mazutu.Nowadays natural gas and fuel oil (mazut) are fuels commonly used in low and medium power industrial boiler houses. Currently majority of refineries improves technological processes of crude oil processing. Each processing of the resource, i.e. crude oil, changes many physio-chemical properties of fuel oil. As a result, while fuel oil combustion, indicators provided in boiler’s manual are violated, incomplete combustion is increased, sediments made of coke are created on heat exchange surfaces and combustion stability decreases until flameout, among others. Increasing speed and completeness of the combustion process as well as effective use of screen surfaces requires the highest possible level of fuel dispersing. However, available boilers’ burner injectors intended for fuel oil combustion are not capable of spraying it at level lower than 100 μm. That is why rarely used co-combustion of gas fuel and fuel oil turns out to be a great solution in this situation. It leads to increased emission rate and boiler’s proficiency, as well as prevents deposition and coking of fuel oil leftovers on boiler’s surfaces. Achieved research results were used in practice in order to decrease emission of nitric oxides into the atmosphere and increasing thermal efficiency of type DKVR 10-10 boiler. The study was conducted on an example of three boilers installed in the Wyborsky’s Eighth Regional Industrial Boiler House of Sankt Petersburg Region. In the case of this boiler, the analysis of methods aimed at decreasing emission of nitric oxides and author’s experiences, indicate important advantages of method based on injection of moisture into the combustion area. However, this method requires setting optimal parameters in order to use it. That is why in order to inject additional moisture, which is needed for pulverizing fuel oil, mixer of pulverizing head needs to be modified (Fig. 1). The abovementioned actions allowed to assume lowering NOx emission by 30% with gas fuel combustion and 20% with gas fuel and fuel oil co-combustion. Emission of NOx is provided in conversion to mass emission of nitric oxides, because this indicator characterizes absolute impact of harmful parts of combustion gases on atmosphere pollution (Fig. 3 and 4). Three levels of potential impact of emission with boiler’s combustion gases on atmosphere pollution with gas fuel combustion as well as co-combustion of gas fuel and fuel oil were taken into consideration while conducting the analysis. The abovementioned solutions provided general improvement in boiler’s operation and increased efficiency of fuel use during co-combustion of gas and fuel oil