Водотопливные эмульсии (ВТЭ) - Тамбовский государственный

Водотопливные эмульсии (ВТЭ)
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. (007-4752)-63-20-24, -63-27-28, , e-mail: [email protected]
http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3
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%). Изза 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 накопителяхотстойниках 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 топливовоздушной 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:
1. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и
практика. Монография. – М.: Машиностроение -1, 2001. – 260 с.
2. Волков А.Н, Сжигание газов и жидкого топлива в котлах малой
мощности. – Л.: Недра, 1989. –160 с.
3. 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.
4. http://www.is.svitonline.com
5. Селиверстов В.М., Браславский М.И. Экономия топлива на речном
флоте. - М.: Транспорт, 1983. –231 с.
6. Зубрилов С.П., Селиверстов В.М., Браславский М.И. Ультразвуковая
кавитационная обработка топлив на судах. – Л.: Судостроение, 1988. –80 с.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10.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.
11.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.
12.Экспериментальная и промышленная практика применения роторных
аппаратов с прерыванием потока в процессах приготовления топливнодисперсных 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.
13.Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое
диспергирование. – М.: Наука, 1998. – 331 с.
14.Кавитационная технология / В.М. Ивченко, В.А. Кулагин, А.Ф.
Немчин; Под ред. Г.В. Логвиновича. Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. – 200 с.
15.Кулагин В.А. Суперкавитация в энергетике и гидротехнике. –
Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. – 107 с.
16.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.
17.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.
18.Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Влияние добавки
влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена. / Теплоэнергетика ,
1992, №1. - с. 41-44.
19.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.
20.http://www.samara.sibintek.ru
21.http://www.nwmtc.ac.ru.
22.http://www.energy-saving-technology.com/page-ru
2006 г.