Prevention of boiler cold end corrosion using water-fuel emulsions

Abstract

The objective of this study is to enhance the energy efficiency and environmental safety of boiler plants and engines equipped with waste heat recovery boilers. This objective is achieved by utilizing water-fuel emulsions as fuel for these boilers and engines. Using an experimental setup configured for the preparation and combustion of both standard fuels and water-fuel emulsions, the influence of the quality and composition of these emulsions on corrosion processes affecting heat exchange surfaces was investigated. The studies were conducted using emulsions with a water content ranging from 2% to 30%, fuels with a sulfur content of 0.98% to 2%, and an excess air ratio of 1.01 to 1.5, covering a tube wall temperature range of 70°C to 150°C. The most significant outcome of this study is the data demonstrating the absence of a corrosion peak and a substantial reduction in the corrosion penetration rate to acceptable levels (0.2...0.3 mm/year) when using emulsions with a 30% water content across a broad range of excess air ratios (1.01-1.15). Under these operating conditions, a passivation effect was also observed on the surfaces of the carbon steel boiler tubes. The significance of this research lies in the fact that the technology prevents or mitigates low-temperature corrosion on heat exchange surfaces, thereby enabling increased heat recovery from flue gases in boiler systems. For waste heat boilers in marine diesel engines, the heat recovery efficiency increases by 10-15%, as the exhaust gas temperature decreases from the design range of 160-180°C to values of 130-150°C.

Obiectivul acestui studiu este de a îmbunătăți eficiența energetică și siguranța mediului înconjurător a centralelor termice și a motoarelor echipate cu cazane de recuperare a căldurii reziduale. Acest obiectiv este atins prin utilizarea emulsiilor apă-combustibil drept combustibil pentru aceste cazane și motoare. Folosind o configurație experimentală configurată pentru prepararea și arderea atât a combustibililor standard, cât și a emulsiilor apă-combustibil, a fost investigată influența calității și compoziției acestor emulsii asupra proceselor de coroziune care afectează suprafețele de schimbde căldură. Studiile au fost efectuate utilizând emulsii cu un conținut de apă cuprins între 2% și 30%, combustibili cu un conținut de sulf cuprins între 0.98% și 2% și un raport de exces de aer de 1,01 până la 1,5, acoperind un interval de temperatură alpereților tubului de la 70°C la 150°C. Cel mai semnificativ rezultat al acestui studiu îl reprezintă datele care demonstrează absența unui vârf de coroziune și o reducere substanțială a ratei de penetrare a coroziunii la niveluri acceptabile (0.2...0.3 mm/an) atunci când se utilizează emulsii cu un conținut de apă de 30% pe o gamă largă de rapoarte de exces de aer (1.01–1.15). În aceste condiții de funcționare, s-a observat și un efect de pasivizare pe suprafețele tuburilor din oțel carbon ale cazanelor. Semnificația acestei cercetări constă în faptul că tehnologia previne sau atenuează coroziunea la temperatură scăzută pe suprafețele de schimb de căldură, permițând astfel o recuperare crescută a căldurii din gazele de ardere din sistemele de cazane. Pentrucazanele de căldură reziduală din motoarele diesel marine, eficiența recuperării căldurii crește cu 10-15%, pe măsură ce temperatura gazelor de evacuare scade de la intervalul de proiectare de 160-180°C la valori de 130-150°C.

Целью работы является повышение энергетической эффективности и экологической безопасности котельных установок и двигателей, оборудованных утилизационными котлами. Поставленная цель достигается применением в качестве топлива котлов и двигателей водотопливных эмульсий. На экспериментальном стенде, оборудованном для приготовления и сжигания стандартных топлив и водотопливных эмульсий, изучено влияние качества и состава водотопливных эмульсий на коррозионные процессы поверхностей теплообмена. Исследования выполнены при использовании эмульсий водосодержанием 2...30%, степени сернистости топлива 0.98...2%, и коэффициенте избытка воздуха 1.01...1.5 в широком диапазоне температур стенок труб от 70 до 150°С, включая и конденсационный режим процесса ниже температуры точки росы. Наиболее важным результатом работы являются полученные данные об отсутствии пика коррозии и существенном снижении скорости проникновения коррозии до допустимых значений 0.2...0.3 мм/год при водосодержании эмульсии 30% в широком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха 1.01...1.15. На этих режимах также наблюдался эффект пассивации поверхностей котельных труб, выполненных из углеродистой стали, конденсатом серной кислоты при низких температурах стенок. Значимость выполненного исследования состоит в том, что технология применения водотопливных эмульсий, основанная на жесткой кавитационной обработке опресненной воды и стандартного судового топлива в гидродинамическом гомогенизаторе, предотвращает или снижает низкотемпературную коррозию на поверхностях нагрева и позволяет повысить глубину утилизации теплоты дымовых газов в котлах. Для утилизационных котлов современных судовых энергетических установок с малооборотными дизелями при сжигании водотопливных эмульсий коэффициент утилизации теплоты повышается на 10...15% при снижении температуры отходящих газов от расчетных 160...180°С до значений 130...150°С.