Obecnym trendem w przemyśle petrochemicznym jest zwiększający się popyt na lekkie produkty naftowe. Aby sprostać zapotrzebowaniu rynkowemu, rafinerie przekształcają część swoich olejów resztkowych w lekkie frakcje. W wyniku tego przetwarzania współcześnie produkuje się ciężkie paliwa które zwierają większą ilość siarki, wanadu i asfaltenów.

Uważa się, że asfalteny są częścią najbardziej resztkową tzw."z dna beczki". Stanowią nielotną, ciężką, wysokocząsteczkową frakcję ropy naftowej. Dodatkowo, oceniając ich klasę rozpuszczalności według standardowych metod, są one nierozpuszczalne w heptanie (ASTM D3279 lub IP 143). W konsekwencji pozostają one w paliwie w formie stałej. Chociaż ich dokładna struktura cząsteczkowa jest trudna do określenia, hipotetycznie przyjmuje się, że asfalteny składają się z zagęszczonych wielordzeniowych aromatycznych pierścieni mających w sobie alkilowe łańcuchy boczne (Zob Rys.1 – hipotetyczna struktura asfaltenu).

Zagęszczone (skondensowane) pierścienie aromatyczne istnieją w formie płaskiego arkusza , który nie jest jednorodny (Zob Rys. 2). W paliwie asfaltenowe arkusze pozostają rozproszone. Jednakże w sytuacji gdy jest ograniczona ilość płynu, wykazują tendencję wzajemnego przyciągania się, co w rezultacie prowadzi do tworzenia się aglomeratów. Struktura aglomeratów jest podobna do struktury książki: zbity stos cienkich arkuszy (Zob Rys. 3).

Asfalteny istnieją w paliwie w stanie rozproszonym i utrzymywane są w tym stanie dzięki żywicom. Maja 3 cechy, które powodują problemy w procesie spalania:

1. stanowią największą aromatyczną frakcję w ropie naftowej a także są składnikiem o największym ciężarze cząsteczkowym
2. nie maja określonego punktu topnienia i dlatego pozostają w formie stałej mając tym samym wpływ na ilość pozostałości węglowych w gazach wylotowych
3. zbrylają się formując struktury podobne do książki

Paliwo płynne nie spala się stanie płynnym lecz w stanie gazowym. Aby spalić paliwo płynne koniecznym jest rozpylenie paliwa do stanu mgiełki składającej się z bardzo małych kropel. W czasie gdy te małe krople przesuwają się do strefy płomienia, temperatura gwałtownie wzrasta, w rezultacie czego lekkie frakcje kropel ulegają odparowaniu. Asfalteny w formie stałej, które tworzą ciężkie frakcje kropel, łączą (aglomerują) się w zbite, podobne do książki struktury w czasie spalania części lotnych (Zob Rys. 3 i Rys. 4).

Te duże, podobne do książki, stałe formy węglowodorów bardzo trudno się spalają ponieważ ich spalanie musi zachodzić w fazie stałej. Mechanizm dzięki któremu zachodzi spalanie w fazie stałej to mechanizm dyfuzji tlenowej poprzez pory struktury stałej. Dyfuzja w stałej strukturze jest ogólnie mówiąc procesem powolnym i tym samym ograniczona jest prędkość całkowitego spalania. Dodatkowo, ponieważ czas całkowitego spalania stałej struktury jest proporcjonalny do kwadratu jej średnicy, aglomeracja stałych form asfaltenów stwarza większą trudność w ich spalaniu gdyż znacząco wzrasta czas wypalenia. Typowy czas pobytu takiej formy w strefie płomienia to 0,1 sek. i jest to niewystarczający czas aby nastąpiło pełne spalanie. Tworzą się wówczas nie spalone pozostałości węglowe, które zazwyczaj stanowią od 40% do 80% emisji wszystkich cząstek zawieszonych w gazach emisyjnych.

Niektóre z tych cząstek osadzą się w kotle tworząc izolacyjna powłokę na rurach, zmniejszając tym samym wydajność wymiany ciepła. W rezultacie nastąpi zmniejszenie wydajności operacyjnej kotła (Zob Rys. 5 – wydajność wymiany ciepła w czasie) ponieważ temperatura wylotowa spalin będzie stopniowo wzrastać w czasie.

Nie spalone pozostałości węglowe działają również jako nośnik dla cząstek niepalnych takich jak wanad. Transportowane w spalinach, niektóre z tych cząstek osiądą na rurach przegrzewacza pary. Środowisko w okolicy przegrzewacza jest bardzo utleniające (oksydacyjne) z powodu wysokich temperatur i szczątkowej obecności tlenu.

W tym środowisku węglowodór zawarty w osadzonych resztkach powoli będzie się utleniał do formy gazowej CO2 i H2O, które to formy zostaną usunięte wraz ze spalinami. Równocześnie jednak wanad będzie się utleniał do trójtlenku wanadu (V2O3), który jest popiołem w formie stałej z temperaturą topnienia 1970 °C. Powoli trójtlenek wanadu (V2O3) będzie dalej utleniał się do czterotlenku wanadu (V2O4) z temperaturą topnienia 1967 °C a następnie do pięciotlenku wanadu (V2O5) z temperaturą topnienia w zakresie od 550 °C do 700 °C w obecności tlenków sodu (Zob Rys. 6 – oksydacja pozostałości na rurze przegrzewacza). Jeżeli temperatura spalin jest większa niż temperatura topnienia tego popiołu, osad zostanie stopiony i pokryje rury przegrzewacza. To ta właśnie stopiona forma osadzonego popiołu jest głównie odpowiedzialna za korozję wysokotemperaturową wewnątrz kotłów.

Dodatkowo, ograniczając wydajność wymiany ciepła i powodując częstą obsługę, nie spalone pozostałości węglowe osadzające się w podgrzewaczach powietrza będą działać jak węglowy filtr-nośnik absorbując tlenki siarki ze spalin. Kiedy temperatura ściany podgrzewacza powietrza spadnie poniżej punktu rosy, para wodna (H2O) skropli się na powierzchniach ściany i zareaguje z trójtlenkiem siarki (SO3) obecnym w osadzie resztkowym. Powstanie wówczas kwas siarkowy (H2SO4) będący ostatecznie przyczyną korozji niskotemperaturowej.

Ostatecznie te nie spalone pozostałości węglowe są przenoszone przez komin tworząc widoczny czarny pióropusz dymu. Stwierdzono, że z powodu ich w ysokiego współczynnika pochłaniania lekkich cząstek, nie spalone cząstki węglowe mogą się skutecznie przyczyniać aż do 75% zarastania komina.

Do góry