V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Исследования по повышению экономичности и экологической чистоты тепловых установок на жидком топливе чрезвычайно актуальны. Действенным средством достижения этих требований служат топливные эмульсии (ТЭ): вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода - мазут - угольная пыль. Изучение водотопливных и, в частности, водомазутных эмульсий (ВМЭ), началось в СССР в 60-х годах прошлого века. Было проведено много теоретических и прикладных исследований. Расчеты и экспериментальные данные однозначно говорят о том, что перевод котлов на сжигание ВТЭ является целесообразным.

Цель исследований - рассмотреть технологию получения водомазутных эмульсий, выявить преимущества и недостатки, провести оценку экономической и экологической эффективности их использования.

Основные проблемы мазутного хозяйства предприятий

При сжигании мазута на котельных и ТЭЦ приходится сталкиваться с проблемами, которые влияют на надежность работы энергетического оборудования и приводят к неоправданным затратам топлива и загрязнению атмосферы. Следует отметить следующие проблемы [2]:

• Обводнение мазута при разгрузке, транспортировке, хранении и поддержании в горячем резерве неизбежно при используемых технологиях. После того, как вода отстоится, она может быть слита из емкости, но лишь частично. Значительная ее доля неравномерно распределяется по объему мазута, что и является причиной проблем, возникающих при горении топлива.

• Ухудшение качества поставляемого в настоящее время мазута вследствие интенсификации переработки нефти (с целью получения большего количества светлых продуктов), приводит к повышению вязкости и температуры вспышки мазута. Использование вязких и тяжелых мазутов сопряжено со значительными трудностями как при хранении, так и при сжигании.

• Старение мазута в процессе длительного хранения. Из мазута испаряются легкие фракции, что приводит к повышению его вязкости и температуры вспышки. Как правило, после 2-3 лет хранения сжигание такого мазута становится проблематичным, и его приходится заменять более свежим, со всеми неизбежными затратами.

• Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания мазута (оксиды азота, сажа, бенз (а) пирен) и сбросными водами, содержащими нефтепродукты.

• Отложения сажи, копоти и кокса из-за неполного сгорания топлива, что вынуждает останавливать котлы для профилактических работ каждые 20-25 дней.

• Удаление воды из объема мазута сопряжено с потерями времени и дополнительными денежными затратами.

Приготовление водомазутных эмульсий посредством волновой диспергации.

Указанные ранее проблемы снимаются путем приготовления водотопливных эмульсий (ВМЭ) с помощью описанной ниже технологии гидродинамической волновой обработки жидких сред.

Волновой диспергатор – устройство принципиально нового типа – позволил получить сверхстойкие водотопливные эмульсии. Он позволяет получать и сжигать в котлах ВТЭ на основе жидких углеводородов[1]. Эмульсии не теряют качества при длительном (много месяцев) хранении и отлично горят, с высокой тепловой эффективностью и пониженным содержанием вредных отходящих газов. Такие свойства топлива стало возможным экономично получать на комплексе оборудовании, ядром которого является волновой диспергатор.

Исходные продукты поступают из насоса в центральный патрубок диспергатора. Конструкция диспергатора полностью исключает засорение проточной части в процессе эксплуатации и заклинивание роторов. Переналадка этого аппарата при поступлении топлива из другой партии поставки не требуется (в отличие от кавитаторов статического типа). Падение давления на диспергаторе крайне незначительно, что также выгодно отличает его от диспергаторов статического типа [2.]

Обводнённые нефтепродукты (содержание воды 20% и выше) прокачиваются через диспергатор. Внутри него достигается разрыв сплошности топлива под действием мощных сдвиговых напряжений, что порождает пустоты – т.н. каверны. Внутри каверн пары жидкости и газы (последние всегда присутствуют в жидкости). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах каверн, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического. Эти явления вызывают вторичные эффекты в жидкости, которые способствуют интенсивному смешению, дроблению и диспергированию компонентов эмульсии. Кавитационный процесс реализован таким образом, что все ударно-волновые явления происходят непосредственно в потоке жидкости, не затрагивая материала корпуса и элементов конструкции, чем обеспечивается долговечность диспергатора (рис.1).

Рис.1. Конструкция аппарата волновой обработки и схема врезки в систему мазутного хозяйства

В процессе прямых гидроударов высокой амплитуды (генерируются, когда внутренний ротор циклически перекрывает каналы вихревых камер внешнего ротора) происходят структурные и молекулярные изменения агломератов, изначально присутствующих в мазуте, разрушение органических и минеральных примесей. Обеспечивается интенсивное перемешивание и диспергирование даже многокомпонентных несмешиваемых жидкостей (с наличием твердых включений). В результате получается однородная ВТЭ (эмульсия под микроскопом, цена деления 65микрон). Это подтверждает качество ВТЭ и практическую эффективность волнового диспергатора (в котором объединены сразу четыре метода физического воздействия на жидкости: интенсивная турбулизация, кавитационное воздействие, гидроудары высокой амплитуды прямого типа.

Структура и механизм сгорания водомазутной эмульсии

Углеводороды обычного мазута находится в агрегатированном (связанном) состоянии. При поджигании распылённых горелкой капель такого топлива процесс горения начнется на активной стороне каждого большого, «слипшегося» полимерного звена - кластера. При этом сгорание парафинов или серы будет неполным (что приводит к токсичным выбросам). Несгоревший мазут откладывается на поверхностях теплообменников и снижает КПД котла. Простое перемешивание смеси мазута и воды (даже интенсивное) не приводит к созданию мелкодисперсной эмульсии. Вода по-прежнему будет находится в смеси в виде слишком крупных фрагментов, препятствующих эффективному горению топлива [1].

Правильное диспергирование обводнённого мазута влечёт целый ряд положительных последствий:

• рвутся кластеры тяжёлого топлива, при этом образуется большое количество активных сторон молекул, которые вступают в процесс сгорании значительно быстрее;

• происходит разрыв слабых молекулярных связей, с образованием углеводородов более лёгкого состава;

• вода переходит в мелкодисперсное состояние (что не тормозит горение так, как крупные вкрапления воды) с образованием в топке котла свободных радикалов H и OH, которые участвуют в процессе горения как катализаторы. В ВТЭ, полученной на волновом диспергаторе, вода разбивается на капли размером 4-15 мкм, капли воды равномерно распределяются по всему объему топлива и получают электрический заряд. На них происходит налипание углеводородного топлива с образованием мицеллы - капли воды внутри топливной оболочки. Капли воды не соединяются в более крупные из - за наличия углеводородной оболочки, а оболочка топлива крепко держится на капле (из - за наличия в капле заряда).

Дисперсная структура ВМЭ обеспечивает вторичный распыл топлива в пламени (Рис.2, 3). Мицелла, попавшая в зону горения, начинает нагреваться. Температуры кипения воды и мазута существенно отличаются (примерно на 200 град. С). Вода резко вскипает, а мазут в это время остается пока еще в жидком состоянии и препятствует испарению капель воды.

При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (перегретый водяной пар разрывает топливную оболочку и распыляет ее). Происходит многократное увеличение площади соприкосновения топлива с кислородом воздуха, что равнозначно распылению топлива при давлении на форсунках в 150-300 кг/см². Экономия происходит за счет более полного сгорания исходного мазута.

Рис 2. Микрофотографии структуры мазута до (а) и после (б) диспергирования

Рис. 3. Процесс горения капли водо-мазутной эмульсии

Экспериментальные данные по использованию ВМЭ в котле ДКВР-20/13

Промышленные испытания проведенные на Нижнеднепровской нефтебазе ОАО «Днепронефтепродукт» (г. Днепропетровск), Селещанском сахзаводе (Черкаская обл.) и Новоийском горно-металлургическом комбинате, г. Зарафшан (Узбекистан) показали высокую экономическую эффективность от использования водо-мазутной эмульсии (ВМЭ). Результаты испытаний 25% водо-мазутной эмульсии объемом 200м³, по сравнению с исходным мазутом марки М100, полученные при сжигании в течение 87 часов в котле типа ДКВР-20/13 приведены в табл.1[2].

Таблица1. Результаты испытаний котла ДКВР-20/13

Номер опыта					1		2
Контрольный показатель			Размерн.
1	2		3		4		5
					Мазут		ВМЭ
1	Барометрическое давление		мм. рт. ст.		730		730
2	Температура холодного воздуха		оС		30		30
Пар и вода
3	Расход пара (действительный)		т/ч		11,4		11,4
4	Давление пара в барабане (абсолютное)		кгс/см2		12,5		12,5
5	Температура насыщенного пара		оС		188,9		188,9
6	Энтальпия насыщенного пара		ккал/кг		665		665
7	Удельный объем насыщенного пара		м3/кг		0,160		0,160
8	Энтальпия воды на границе насыщения		кДж/кг		802,7		802,7
9	Давление питательной воды до экономайзера		кгс/см2		18,0		18,0
10	Температура пит. воды до экономайзера		оС		103		103
11	Энтальпия пит. воды до экономайзера		кДж/кг		433,0		433,0
12	Расход пара (приведенный)		т/ч		11,4		11,4
13	Коэффициент непрерывной продувки		%		10,0		10,0
14	Величина непрерывной продувки		т/ч		1,14		1,14
15	Тепло-производительность котла		Гкал/ч ГДж/ч МВт		6,48 27,1 7,54		6,48 27,1 7,54
Уходящие газы и воздух (балансовая точка)
16	Температура уходящих газов	оС		203			175
17	Содержание О2 в дымовых газах	%		11,3			11,2
18	Содержание RО2 в уходящих газах	%		7,1			7,2
1	2	3		4			5
19	Содержание СО в уходящих газах	мг/м3		61			39
20	Содержание NОх в уходящих газах	мг/м3		298			272
21	Присосы воздуха по экономайзеру	%		43			56
22	Давление воздуха перед грелками	кгс/см2		40,79			20,39
Топливно-топочный мазут
23	Температура мазута	оС		120		98
24	Давление мазуту перед грелками	кгс/см2		5,0		5,5
25	Давление пара на распыление мазута	кгс/см2		4,0		-
26	Низшая теплота сгорания мазута	ккал/кг		9924		7443
Технико-экономические показатели работы котла
27	Потери тепла с уходящими газами	%		13,65		11,32
28	Теплота сгорания горючих компонентов	ккал/нм3		0,3		0,19
29	Потери тепла с химическим недожогом	%		0,07		0,04
30	Потери тепла в окружающую среду	%		2,45		2,45
31	Суммарные потери тепла	%		16,17		13,81
32	КПД котла брутто	%		83,83		86,19

Использование водо-мазутной эмульсии, образованной по соответствующей технологии с применением генератора кавитации ГК-50, обуславливает в среднем 20% - 25% экономию мазута (в зависимости от состояния котлоагрегатов) и снижение в среднем на 40% - 45% выбросов в атмосферу канцерогенных веществ. Экономический эффект от применения ВМЭ может быть увеличен за счет использования подтоварной воды для образования ВМЭ, что полностью снимает вопрос ее утилизации.

Оценка экологической и экономической эффективности ВМЭ.

Применение эмульгирования мазута позволяет повысить эффективность сжигания топлива и добиться прироста КПД котлоагрегата за счет следующих эффектов[3]:

- наличие в сжигаемом мазуте воды при обычном гнездовом неравномерном ее распределении в виде крупных капель, линз и др. обязательно влечет за собой падение КПД котлоагрегата из-за неравномерности горения, помимо дополнительного расхода топлива на испарение воды. Даже при сжигании мазута с кондиционным содержанием воды (до 5%) среднеэксплуатационный коэффициент избытка воздуха оказывается выше оптимального на 5,5 % и среднеэксплуатационный КПД котлоагрегата падает на 0,5–1,1 %. При обводненности мазута на уровне 10%-15% КПД котлоагрегата уменьшается по меньшей мере на 2,0–3,5%. Таким образом, эффективное использование обводненных мазутов возможно лишь при условии равномерного распределения воды в мелкодисперсном виде по всему объему;

- как правило, сжигание мазутов ведется при заметных избытках воздуха ( = 1,2 и более), что ведет к росту потерь тепла с уходящими газами. Обычно причиной повышенных избытков воздуха является недостаточное качество распыла топлива и смешения топлива с дутьевым воздухом. Применение водомазутных эмульсий позволяет повысить качество сжигания за счет внутритопочного дробления и вести сжигание на пониженном дутье без увеличения недожога, вплоть до значений  близких к единице; - поддержание близких к номинальному значений КПД теплоагрегата при работе на режимах, меньших номинального, что достигается за счет эффекта вторичного дробления

капель эмульсии в топке;

- перевод котлоагрегата на режимы сжигания с малыми избытками воздуха позволяет понизить температуру точки росы уходящих газов ориентировочно до 100^оС. Это, в свою очередь, существенно уменьшает степень сернокислотной коррозии оборудования и позволяет увеличить КПД теплоагрегата за счет рекуперации тепла уходящих газов;

- уменьшение штрафных санкций за счет снижения объемов вредных выбросов в окружающую среду. Применение водомазутных эмульсий позволяет уменьшить содержание вредных веществ в дымовых газах, при этом СО, NO_x, SO_х в среднем в два раза, сажистых частиц в 3-4 раза;

- использование в качестве топлива горючих отходов различных производств (например, коксохимических, нефтеперерабатывающих и т.д.), стоимость которых существенно ниже стоимости мазута. В эмульгированном виде эти отходы можно сжигать без ущерба для экологии;

- утилизация в составе водомазутной эмульсии обмазученных вод, отработанных масел;

- гомогенизация подаваемого на сжигание мазута, обеспечивающая разрушение отдельных агрегатов и кластеров длинноцепных молекул, и эмульгирование не удаляемой доли воды в свою очередь повышает полноту и качество сжигания;

- увеличение количества отдаваемого теплоносителю тепла за счет меньшего загрязнения поверхностей нагрева, что позволяет поднять средний за время кампании КПД теплоагрегата.

Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования водотопливных эмульсий в котельно-топочных процессах, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым зарубежным данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 30%-35%. При сжигании эмульсии часть капель последней 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[4].

Ориентировочные данные об эффективности перечисленных факторов при использовании водомазутных эмульсий применительно к котлоагрегатам представлены в таблице [5].

Таблица 2. Эффективность использования водомазутной эмульсии в котлах

Перечень эффектов, связанных с применением водомазутных эмульсий	Возможная экономия сжигаемого топлива
Перевод имеющейся в подаваемом на сжигание мазуте воды в мелкодисперсное состояние путем эмульгирования.	до 2%
Уменьшение коэффициента избытка воздуха в топке на 0,1	0,7%
Уменьшение температуры уходящих газов на 10°С	0,6%
Подогрев питательной воды в водяном экономайзере на 10°С	1,6%
Уменьшение температуры питательной воды на входе в водяной экономайзер на 10°С	0,24%
Снижение выброса сажистых частиц	0,2%
Поддержание чистоты теплообменных поверхностей котла.	до 2%
Уменьшение температуры подогрева мазута на 30°С	до 1%
Замена форсунок парового распыла на механические форсунки	до 1%
Поддержание номинального КПД теплоагрегата при работе на режиме, составляющем 75% от номинального	0,7%
Потери топлива на испарение воды в составе эмульсии	0,8%
Возможная суммарная экономия топлива (с учетом потерь топлива на испарение воды в составе эмульсии).	до 10 %

Заключение

Таким образом, совокупная реализация всех рассмотренных положительных моментов, связанных с использованием в качестве жидкого котельного топлива тонкодисперсных ВМЭ, может обеспечить существенное уменьшение удельных расходов топлива на выработку единицы тепловой энергии в отопительных и производственных котельных (тепловой и электрической энергии для тепло- электростанций - ТЭС), технологических печах и снижение экологической нагрузки на окружающую природную среду. Результаты исследований позволяют рекомендовать ВМЭ, как многоцелевую, экосовместимую технологию по охране биосферы путем снижения вредных выбросов и сажи в атмосферу, а также полным пресечением сбросов в водоемы сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, путем их огневого обезвреживания в топках котлов.

Список литературы.

1. Иванов В. М. Топливные эмульсии. - М.: Изд-во АН СССР.- 1962г.

2. Геллер C.В. Приготовление водомазутных эмульсий посредством волновой диспергации // Журнал "Новости теплоснабжения" (Москва). - 2010, № 4 (апрель).

С 21-23.

1. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. - СПб.: Недра, 1995.

2. Корягин В.А., Шевелев К.В., Батуев С.П. Исследование содержания вредных веществ в продуктах сгорания водотопливных эмульсий //Промышленная энергетика. -1988. № 4.- С. 45-48.

3. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках.- М.: Наука.- 1991.

Код для цитирования: Скопировать