Influence sur les imbrûlés solides de composés métalliques particuliers et du taux de dispersion des asphaltènes dans les fuels lourds
Influence of Unburned Solids Made of Unusual Metal Compounds and of the Asphaltene Dispersion Rate in Heavy Fuel Oils
Institut Français du Pétrole
La diversité croissante des origines de bruts a conduit, en combustion, a prendre en considération dans les modèles la teneur en métaux en plus du carbone Conradson ou des asphaltènes au C7 dans les fuels lourds. De tels modèles ont été développés par Exxon (1979) et Shell (1981) notamment. Des travaux récents faits à l'Institut Français du Pétrole (IFP) sur une chaudière de 2 MW ont montré l'influence de composés métalliques particuliers présents dans le fuel oil sous forme de sulfures imprégnant des particules de carbone poreux. Ces microparticules peuvent être générées lorsque l'on applique des conditions opératoires sévères à la viscoréduction de fuels résiduaires en présence d'hydrogène et d'un catalyseur approprié. Ces microparticules se sont révélées très actives en combustion et ont montré que la concentration du métal n'était pas le seul facteur à prendre en considération mais que la manière dont il était combiné pouvait être prépondérante. Pour étendre le domaine d'application des modèles, d'autres paramètres comme les conditions de fonctionnement de la chaudière et l'atomisation du fuel ont été pris en compte en plus des paramètres d'influence propres au fuel (travaux du Laboratoire Énergie du MIT publications 1986). En ce qui concerne la prédiction d'émissions particulaires une méthode complémentaire aux tests de résidu de Conradson et d'insolubilité à l'heptane normal a été appliquée à I'IFP dans le cadre d'un programme de valorisation des huiles lourdes en association avec les compagnies pétrolières Elf et Total France. Cette méthode consiste à évaluer à la microscopie électronique par transmission le taux de dispersion des asphaltènes, selon une méthode développée par Total France (M. Peyrot). Il existe une relation entre ce taux de dispersion et l'émission particulaire. Ce phénomène a été nettement observé dans le cas de fuels lourds constitués par des asphaltes précipités au pentane dilués avec un gaz oil aromatique de raffinerie. Il a été notamment mis en évidence le rôle joué par les résines dans les dispersions des agglomérats d'asphaltènes et par voie de conséquence dans l'émission d'imbrûlés solides. L'ensemble des observations faites permet de mieux comprendre certains mécanismes intervenant en combustion de fuels lourds. Si l'on se situe sur le plan des émissions particulaires, celles-ci peuvent être largement réduites par l'utilisation de taux suffisants de vapeur auxiliaire au niveau de l'injection.
Abstract
The growing diversity of the origins of crude oils has led to giving consideration to the metal content in combustion models in addition of Conradson carbon or C7 asphaltenes in heavy fuel oils. Such models have been developed by Exxon (1979) and Shell (1981) in particular. Recent research done at Institut Français du Pétrole (IFP) on a 2 MW package boiler has shown the influence of unusual metal compounds present in fuel oil in the form of sulfides impregnating porous carbon particles. These microparticles may be formed when severe operating conditions are applied to the visbreaking of residual fuel oils in the presence of hydrogen and a suitable catalyst. These microparticles have proved to be very active in combustion and have shown that the metal concentration is not the only factor to be taken into consideration but that the way in which it is combined may be preponderant. To widen the field of application of models, other parameters, such as the operating conditions of the boiler and the spraying of the fuel oil, have been taken into consideration together with the actual parameters of the influence of the fuel oil (research by the MIT Energy Laboratory, publications in 1986). Concerning the predicting of particulate emissions, a method in addition to tests for Conradson residue and n-heptane insolubility has been applied at IFP as part of a project to upgrade heavy oils in association with the French oil companies Elf and Total France. This method consists in using transmission electron microscopy to assess the rate of asphaltene dispersion according to a method developed by Total France (M. Peyrot). There is a relationship between this dispersion rate and particulate emissions. This phenomenon has been seen clearly with heavy fuel oils made up of asphalts precipitated by pentane diluted by a refinery aromatic gas oil. In particular, the role played by resins has been highlighted in dispersions of asphaltene agglomerates and hence in the emission of unburned solids. All the observations made result in a better understanding of some mechanisms occurring in the combustion of heavy fuel oils. With regard to particulate emissions, they can be greatly reduced by using sufficient amounts of auxiliary steam at the level of injection.
© IFP, 1989