Промтов
М.А., д.т.н., профессор
Зав. каф. «Машины и аппараты химических производств»
Тамбовского государственного технического университета.
Россия, 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, Тамбовский государственный технический университет, тел.
В настоящее
время актуальны задачи энергосбережения и экологической
безопасности при работе энергетических топливных установок.
Для решения этих задач интерес представляют водотопливные
эмульсии: вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода –
бензин, вода – мазут – угольная пыль.
В высоковязких мазутах наблюдается повышенное содержание
воды в виде отдельных местных скоплений, обусловленное процессами
перевозки, перекачки, хранения и подогрева топлива. Использование
в качестве топлива специально приготовленных водомазутных
эмульсий является одним из эффективных методов, позволяющих
устранить негативные последствия этого явления [1-22]. К
проблемам, осложняющим экологическую обстановку, относится
и непрерывное накопление сотен тысяч тонн балластных вод,
содержащих нефтепродукты. Их источником являются промышленные
предприятия, морской и речной флот.
Содержание воды в топочном мазуте во многих случаях существенно
превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5% по
норме обводненность доходит до 12-16%, а в отдельных случаях
– до 20 – 35%). Из-за того, что плотности мазута и воды
мало отличаются, вода не оседает на дне емкости, а располагается
неравномерно слоями в массе топлива. Это приводит к срыву
факела и затуханию форсунок, а иногда вообще не удается
зажечь форсунку. Попытки вторичного пуска котлоагрегатов
сопровождаются сильными хлопками и разрушением топок вследствие
накопления в них горючих газов.
Согласно нормативным документам водность подаваемого на сжигание мазута не должна превышать 0,3% - 1% . В традиционном плане подготовка мазута к сжиганию сводится в основном к двум операциям: обезвоживанию и нагреву [21, 22].
Мероприятия по осушению мазута испарением воды энергоемки и ведут к потере летучих компонентов топлива. Обезвоживание выполняется в основном путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует достаточно большого времени и малоэффективно из-за близости плотностей мазута и воды. Проблема утилизации или очистки таких вод не решается химическими и биологическими методами, т.к. они требуют больших дополнительных площадей, капитальных и эксплуатационных затрат [3].
При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 3-5% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.
Кавитационная обработка водо-мазутной эмульсии с добавлением кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, концентрацию сернистого ангидрида в 2-3 раза, оксида углерода в 2-2,5 раза. Происходят глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций [1-22].
Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%.
Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания воды в эмульсии свыше 20% по объему, качественные показатели процесса горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива.
Однако если учесть, что процесс сгорания ВТЭ достаточно стабилен при более высоком содержании воды (до 40-50%) в зависимости от вида топлива, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства.
При этом стоки, даже если они не содержат горючих веществ, можно использовать в качестве водной фазы в мазутных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса [4].
Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOx и COx в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю мазута, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливо-воздушной смеси [21].
В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива. В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке; повышению светимости факела благодаря увеличению поверхности излучения; существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери [4].
Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива.
Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтенновые структуры.
Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30-35оС. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива.
Находящаяся в составе ВТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива [22].
Гомогенизированная водно-мазутная смесь имеет заметно меньшую вязкость чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива [21]. При температурах выше 80оС вязкость водо-мазутной эмульсии влажностью 6% мало отличается от эмульсии с влажностью 40% [20].
Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 30%-35%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований.
Одной из серьезных проблем, возникающих при сжигании топочных мазутов, является большое содержание в них серы. Соединения серы уносятся с поточными газами, загрязняя атмосферу, а при использовании высокосернистых мазутов в металлургии частично переходят в расплав.
Для предотвращения этого используют присадки, позволяющие связывать серу. Ввод этих присадок осуществляют в дымовые газы или в мазут. В металлургических процессах введение присадок в мазут при использовании высокосернистых мазутов обязательно. Поскольку большая часть присадок водорастворима, то добавление в эмульгируемую воду недорогих компонентов в количестве 1кг/1т мазута позволяет наиболее простым путем связывать серу и использовать низкокачественные мазуты [4].
Расширение дополнительных продуктов сгорания ВТЭ увеличивает работу газов в цилиндре дизельного двигателя. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали цилиндро-поршневой группы, газовыпуского тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу. Повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в турбулентных вихрях способствует ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива [22].
Источники информации:
Промтов
М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика.
Монография. – М.: Машиностроение -1, 2001. – 260 с.
Волков А.Н, Сжигание газов и жидкого топлива в котлах малой
мощности. – Л.: Недра, 1989. –160 с.
Павлов Б.П., Батуев С.П., Щевелев К.В. Подготовка водомазутных
эмульсий для сжигания в топочных устройствах. В кн.: Повышение
эффективности использования газообразного и жидкого топлива
в печах и отопительных котлах. - Л.: Недра, 1983 –216 с.
http://www.is.svitonline.com
Селиверстов В.М., Браславский М.И. Экономия топлива на речном
флоте. - М.: Транспорт, 1983. –231 с.
Зубрилов С.П., Селиверстов В.М., Браславский М.И. Ультразвуковая
кавитационная обработка топлив на судах. – Л.: Судостроение,
1988. –80 с.
Зимин А.И. Влияние состава топливных эмульсий на концентрацию
оксидов азота и серы в выбросах промышленных котельных//
Экологическая защита городов: Тез. докл. научно-техн. конф.-
Москва, 1996. - с. 77-79.
Зимин А.И., Юдаев В.Ф. Применение аппаратов с прерывистым
режимом течения в процессе производства топливных эмульсий//
Экологическая защита городов: Тез. докл. научно-техн. конф.-
Москва, 1996. – с.80.
Зимин А.И., Старцев В.Н., Балабышко А.М. О влиянии стехеометрического
соотношения Са/S в топливной дисперсии на степень очистки
дымовых газов// Повышение эффективности теплофозических
исследований технологических процессов промышленного производства
и их метрологического обеспечения: Тез. докл. Второй Межунородн.
теплофиз. школы. – Тамбов, 1995. – с. 110-111.
Зимин А.И., Старцев В.Н. Получение топливных дисперсий на
основе жидкого топлива, ингибитора и поглотителя оксидов//
Повышение эффективности теплофизических исследований технологических
процессов промышленного производства и их метрологического
обеспечения: Тез. докл. Второй Межунородн. теплофиз. школы.
– Тамбов, 1995. – с. 112.
Зимин А.И., Старцев В.Н., Балабышко А.М. Влияние стехиометричесокго
соотношения Са/S в топливной эмульсии на степень очистки
дымовых газов от оксидов серы и азота// Проблемы безопасности
труда на предприятиях с взрывопожароопасным производством:
Тез. докл. Международн. науч. – техн. сем. – Минск, 1995.
– с. 78-80.
Экспериментальная и промышленная практика применения роторных
аппаратов с прерыванием потока в процессах приготовления
топливно-дисперсных смесей для промышленных котельных //В.И.
Биглер, А.И. Зимин, А.И. Сопин, В.Ф. Юдаев /Актуальные проблемы
теории, практики и создания роторных аппаратов //Мат-лы
Межресп. научно-практ. совещания (Москва, 1999). – СПб.:
ИТИ–Центр, 1999. – с. 21-22.
Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое
диспергирование. – М.: Наука, 1998. – 331 с.
Кавитационная технология / В.М. Ивченко, В.А. Кулагин, А.Ф.
Немчин; Под ред. Г.В. Логвиновича. Красноярск: Изд-во КГУ,
1990. – 200 с.
Кулагин В.А. Суперкавитация в энергетике и гидротехнике.
– Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. – 107 с.
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Подготовка
мазута к сжиганию для улучшения технико-экономических и
экологических характеристик котельных установок. / Новости
теплоснабжения, 2000, №4. - с.19-21.
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Комплексная
экосовместимая технология сжигания водо-мазутной эмульсии
и природного газа с добавкой сбросных вод . / Теплоэнергетика,
1996, №9. - с. 13-17.
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Влияние добавки
влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена. /
Теплоэнергетика , 1992, №1. - с. 41-44.
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Ромакин С.С., Рудаков В.П.,
Шмырков О.В. Повышение экономичности сжигания топлива в
паровых котлах изменением характеристик топливного факела
в топке. / Энергосбережение и водоподготовка , 1997. №1.
- с. 46-52.
http://www.samara.sibintek.ru
http://www.nwmtc.ac.ru.
http://www.energy-saving-technology.com/page-ru
2006 г.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Примечание - Промтов М.А., д.т.н., профессор
- один из наиболее серьезных исследователей кавитационных
технологий в РФ, специализация - роторно-импульсные аппараты.
Известен глубокими системными работами в области исследования
конструкций различных кавитационных аппаратов, анализу их
достоинств и недостатков и комплексными идеями их модернизаций,
часть которых интуитивно легла в основу наших кострукций,
а частью я благодарен автору и мне было очень приятно получить
от него такую оценку -
"> С удовольствием
> ознакомился с Вашими последними материалами в интернете.
> Предполагаю, что Вы вкладываете очень много сил и времени,
и
> результат Вашей работы впечатляющий."
