Энерго-ресурсосберегающая технология для приготовления водомазутной эмульсии с целью снижения вредных выбросов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энерго-ресурсосберегающая технология для приготовления водомазутной эмульсии с целью снижения вредных выбросов

Промтов Максим Александрович, доктор технических наук, профессор Тамбовский государственный технический университет

Гатапова Наталья Цибиковна, доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет,

Борщев Вячеслав Яковлевич доктор технических наук, профессор, Тамбовский государственный технический университет

SUMMARY

ENERGY-SAVING TECHNOLOGY FOR PREPARING WATER-OIL EMULSIONS WITH THE AIM OF REDUCING HARMFUL EMISSIONS

При использовании мазута на котельных и тепловых электрических станциях существуют проблемы обводнения и «старения» мазута, низкотемпературной сернокислотной коррозии металлических поверхностей дымовых трактов, загрязнения окружающей среды продуктами сгорания (оксиды азота, сажа, бензапирен) и сбросными водами, содержащими нефтепродукты [1-3]. Одним из эффективных и малозатратных методов решения указанных проблем является предварительная обработка исходного мазута с целью получения водомазутной эмульсии (ВМЭ) и использование ее в качестве топлива [4, 5].

Использование ВМЭ позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, увеличить на 3.. .5% КПД топливных установок и уменьшить вредные выбросы СО, СО2, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в атмосферу при их сжигании. Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВМЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. Перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами составляет 30...35%. При сжигании ВМЭ 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.

Одним из перспективных методов получения мелкодисперсных эмульсий является способ, основанный на использовании явлений гидродинамической кавитации и ударных волн в двухфазных жидких средах. В процессе кавитационной обработки топлива происходит частичный разрыв химических связей с образованием высокоактивных радикалов и углеводородов меньшей молекулярной массы. Гидроимпульсная, кавитационная обработка ВМЭ обеспечивает средний размер частиц эмульсии 3...10 мкм.

При распыливании ВМЭ в камере сгорания размер образующихся капелек эмульсии меньше на 30.50% по сравнению с распылом чистого топлива. Капля эмульсии содержит мелкие капли воды, что в процессе нагрева капель приводит к их «взрывному» дроблению за счет мгновенного испарения воды. Благодаря этому, значительно интенсифицируется массообмен между топливом и окислителем.

Роторные импульсные аппараты (РИА) являются эффективным оборудованием для многофакторного импульсного воздействия на гетерогенную жидкость с целью получения стабильных, высокодисперсных эмульсий и суспензий, интенсификации процессов растворения и экстрагирования веществ, изменения физико-химических параметров жидкости, деструкции молекулярных соединений [6]. Концентрация значительного количества энергии и ее рациональное использование в рабочем объеме РИА, через который протекает поток обрабатываемой среды, высокая гомогенизирующая способность являются основными достоинствами РИА, а недостатками - большие энергозатраты.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Получение ВМЭ производилось методом циклического смешивания в РИА, схема которого показана на рис.1. Принципиальная технологическая схема стенда на базе РИА представлена на рис. 2.

Принцип работы РИА заключается в следующем. Обрабатываемая жидкость подается под давлением через входной патрубок 7 в полость ротора 1, проходит через каналы ротора 2 и каналы статора 4, попадает в рабочую камеру 5 и выходит из аппарата через выходной патрубок 8 (рис. 1). При вращении ротора его каналы периодически совмещаются с каналами статора. Выходя из каналов статора, жидкость собирается в рабочей камере и выводится через выходной патрубок. В период времени, когда каналы ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении канала ротора с каналом статора давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в канал статора распространяется импульс давления.

Объем жидкости, вошедший в канал статора, стремится к выходу из канала, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. Кавитационные пузырьки растут при понижении давления до давления насыщенных паров обрабатываемой жидкости при данной температуре, и схлопываются или пульсируют при увеличении давления в канале статора.

В связи с тем, что скорость потока жидкости в канале статора велика и имеет флуктуации, поток имеет развитую турбулентность. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникают большие сдвиговые напряжения. Рабочие поверхности ротора и статора воздействуют на жидкую гетерогенную среду за счет механического контакта, создавая большие срезывающие и сдвиговые усилия.

Компоненты ВМЭ (рис. 2) подаются через краны 1, 2 в емкость 3. При закрытых кранах 1, 2, 5, 7, 10, 13, 14 и включённом шестеренном насосе 8 производится предварительное перемешивание компонентов и удаление из эмульсии воздуха через воздухоотводчик 4.

Рис. 1. Схема роторного импульсного аппарата: 1 - ротор; 2 - каналы ротора; 3 - статор; 4 - каналы статора; 5 - корпус; 6 - крышка; 7 - входной патрубок; 8 - выходной патрубок.

Рис. 2. Технологическая схема установки для приготовления эмульсии на базе роторного импульсного аппарата: 1, 2, 5, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14 - краны шаровые; 3- емкость; 4 - воздухоотводчик; 8 - насос; 11 - роторный импульсный аппарат; 15 - манометр; 16 - датчик температуры; 17 - счетчик жидкости.

ВМЭ при открытых кранах 6, 10,13 (остальные краны при этом закрыты) с помощью насоса 8 подается в РИА 11, где происходит основная обработка компонентов. Обработка компонентов может осуществляться в циклическом режиме по замкнутому контуру перекачиванием их из емкости 3 насосом 8 через РИА 11 обратно в емкость 3.

После прохождения эмульсии необходимого для обработки числа циклов производится удаление суспензии через кран 12. Через кран 14 может производиться отбор проб. С помощью приборов 15-17 производится измерение давления, температуры и расхода компонентов во время технологического процесса обработки эмульсии или других вспомогательных операций.

Акустическое воздействие включает в себя макропульсации давления в потоке жидкости и ударные сферические волны при пульсациях кавитационных пузырьков. Хаотические турбулентные флуктуации скорости различных слоев жидкости создают большие сдвиговые усилия на поверхности частицы, что способствует ее дроблению. Пульсационное воздействие на частицы воды в мазуте при пульсациях близлежащих кавитационных пузырьков заключается в создании высокоскоростных потоков жидкости у поверхности частицы. Тепловое воздействие на эмульсию происходит в локальном объеме зазора между ротором и статором за счет сдвиговых течений.

Дискретное, сконцентрированное и локализованное многофакторное воздействие существенно интенсифицирует процесс диспергирования эмульсии за счет большой удельной диссипации энергии в малом объеме за малый интервал времени. После необходимого количества циклов обработки в РИА готовая эмульсия сливается в емкость.

Среднее давление на входе в РИА составляло 0,5 МПа, средний расход ВМЭ через РИА - 15 м³/ч, средняя температура ВМЭ в начале обработки - 60^оС, средняя температура ВМЭ после 10 циклов обработки - 68^оС.

В экспериментальных исследованиях изучались характеристики ВМЭ с различным содержанием воды по объему после обработке в РИА.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты анализов ВМЭ после обработки в РИА представлены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-химические характеристики мазута и ВМЭ

Вязкость и плотность чистого мазута и мазута с добавлением воды практически одинакова. Разница значений вязкости и плотности ВМЭ и чистого мазута мала и находится в пределах погрешности измерений.

Повышение температуры вспышки в закрытом тигле для 2%-ой ВМЭ и 5%-ой ВМЭ объясняется тем, что к парам топлива подмешиваются пары воды, которые препятствуют контакту паров топлива с воздухом и их окислению (вспышке). Чем больше концентрация воды в мазуте, тем больше паров воды в тигле. Высокая температура вспышки снижает пожароопасность ВМЭ как топлива.

С повышением концентрации воды в ВМЭ уменьшилось содержание серы и ванадия. Предположительно эти химические элементы образовали соединения, которые не активны. При сжигании ВМЭ можно прогнозировать уменьшение выбросов

SO₂.Кроме снижения выбросов вредных веществ, при уменьшении содержания серы и ванадия в топливе, уменьшается его коррозионная активность. При работе на топливе с низким содержанием ванадия и серы топливное оборудование будет меньше изнашиваться и подвергаться коррозии.

Наличие ванадия приводит к образованию золы с высокой температурой плавления, которая вызывает интенсивную высокотемпературную коррозию выпускных клапанов и седел двигателей, а

также труб пароперегревателей котлов. Топливо даже с небольшим содержанием солей ванадия и натрия при сгорании образует соли и соединения (например, Na2V6O?), имеющие температуру плавления, близкую к значению температуры уходящих газов, что приводит к быстрому износу топливного оборудования. Возникающие при сгорании окислы ванадия вместе с соединениями железа играют роль катализаторов при окислении сернистого газа SO₂в

SO₃.Последний компонент, соединяясь с парами воды, образует серную кислоту.

Сульфиты, дисульфиты, тиофены и другие сернистые соединения, находящиеся в нефти, менее агрессивны. Все соединения серы являются коррозионноактивными по отношению к металлу деталей оборудования, поскольку в процессе сгорания топлива они превращаются в окислы SO2 и SO3, обусловливающие электрохимическую коррозию. Кроме того, окислы серы ускоряют процесс полимеризации углеводородов топлива и смазочного масла, вызывая, по мере возрастания содержания в топливе, пропорциональное увеличение нагаро- и лакоотложения.

Уменьшение параметра коксуемости ВМЭ, при увеличении концентрации воды, позволяет предполагать, что при работе топливного оборудования на ВМЭ уменьшится образование нагара. Увеличение зольности и осадка горячего фильтрования можно объяснить попаданием механических частиц из оборудования при обработке ВМЭ и выпадением солей ванадия и серы.

Анализ образцов ВМЭ под микроскопом с 125- кратным увеличением позволяет сделать вывод, что смолистые молекулы мазута инкапсулируют глобулы воды, образуя развитую межфазную поверхность. Толщина смолистой оболочки соизмерима с размером водных глобул. Смолистые пленки асфальто-смолистых и твердо-смолистых структур также образуют оболочку вокруг водных глобул и механических частиц (твердых частиц).

Наиболее однородная и мелкодисперсная эмульсионная структура получена в 5%-ой ВМЭ и 10%-ой ВМЭ. Средний размер частиц воды составлял 1 мкм в 5% -ой ВМЭ и 3 мкм в 10% -ой ВМЭ. Средний размер частиц воды в 15%-ой и 20% -ой ВМЭ был больше и составлял соответственно 3 и 5 мкм.

В двух последних образцах эмульсии наблюдаются неравномерно распределенные водные глобулы. В 15%-ой ВМЭ и 20%-ой ВМЭ размер частиц был еще больше и составлял 12 и 13 мкм соответственно.

При использовании ВМЭ в качестве топлива находящаяся в составе ВМЭ 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.

ВЫВОДЫ

1. Анализ характеристик водамазутной эмульсии показал, что вязкость и плотность чистого мазута ИФО-380 и ВМЭ практически одинакова. При использовании ВМЭ не потребуется дополнительная энергия на перекачку топлива.

2. С повышением концентрации воды в ВМЭ уменьшается содержание серы и ванадия. При сжигании ВМЭ можно прогнозировать существенное уменьшение выбросов SО2. Кроме снижения выбросов вредных веществ, при уменьшении содержания серы и ванадия в топливе, уменьшается его коррозионная активность.

3. Температура вспышки в закрытом тигле с увеличением концентрации воды в ВМЭ увеличивается. Высокая температура вспышки снижает пожароопасность ВМЭ как топлива.

4. Уменьшение параметра коксуемости ВМЭ, при увеличении концентрации воды, позволяет предполагать, что при работе на ВМЭ уменьшится образование нагара при сжигании. Использование ВМЭ позволит уменьшить вредные выбросы в атмосферу при сгорании топлива.

5. Наиболее однородная и мелкодисперсная структура эмульсии наблюдается в 5%-ой и 10%-ой ВМЭ. Средний размер частиц воды, равный 1 мкм и 3 мкм, был получен в 5 %- ой и 10 %-ой ВМЭ, соответственно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Митягин, В.Г., Окунев В.Н., Мартьянов В.В. Проблемы эксплуатации судовых дизелей на различных видах топлива // Журнал Университета водных коммуникаций. 2011, вып. 3. С. 49-53.

2. 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.

3. Патров, Ф.В., Вахромеев, О.С. Использование водотопливной эмульсии в эксплуатации судовых ДВС // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология. 2009, №1. С. 223 -225.

4. Пигарев Е.С., Промтов М.А., Киташов Ю.Н., Пигарев С.Е. Улучшение характеристик водомазутной эмульсии для судовых двигателей // Технология нефти и газа. 2014. №4. С. 25-28.

5. Promtov, M., Pigarev S. TechnologyforImprovingWater-FuelOilEmulsionsPropertiesUsingPolycarboxylicAcids // AdvancedMaterials&Technologies. No. 3,2016. PP. 69-80. DOI:10.17277/amt.2016.03.pp.069-080.

6. Промтов, М.А., Степанов А.Ю., Алешин А.В. Методы расчета характеристик роторного импуьсного аппарата: монография // Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. - 148 с.

Размещено на Allbest.ru