Водо-топливные эмульсии

ВОДОТОПЛИВНЫЕ ЭМУЛЬСИИ (ВТЭ)

В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Для решения этих задач интерес представляют топливные эмульсии мазут-вода, дизельное топливо-вода, масло-вода.

При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 2-3% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.

Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 15-20% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 30%. Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении воды в эмульсии свыше 20% по объему, качественные показатели процесса горения снижаются. Однако если учесть , что процесс сгорания ВТЭ стабилен, 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 топливных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса.

      Использование гомогенизированной водно-топливной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить топливо и уменьшить вредные выбросы NO и СО в Атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Топливо поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды (с дисперсностью около от 1-7 мкм), то при нагревании происходит вскипании таких капель с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливо-воздушной смеси. В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива.
В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивает 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. Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущих к уменьшению вредных газовых выбросов. 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. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и в следствии возникновении полярного эффекта существенного улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.

Еще одним важным фактором , характеризующим эффективность использование ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности оборудования. Перерасход топлива из-за загрязнения поверхности нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 10-25%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхности нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке от старых сажистых образований.

Кроме того, одним из факторов , определяющих эффективность использования ВТЭ в котельно-топочных процессах, является возможность на их основе решать ряд экологических проблем. Сжигание ВТЭ сокращает выход в газовых выбросах NOх (примерно на 90%),примерно в3-4 раза снижает сажистых отложений, уменьшает выход СО в среднем на 70%, бенз(а)пирена в 2-3 раза ит.д. Кавитационная обработка обработка водо-топливных эмульсий с добавлением кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концетрацию NOx в 2-5раз, концетрация сернистого ангидрида в 2-3 раза. В результате обработки топлива в эмульсионной установке, длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы дистилятных топливных фракций.

ОБРАБОТКА ДТ

Гидродинамическая кавитационная обработка жидких топлив была, есть и будет наиболее эффективным способом безреагентной модификации топлива и основная борьба идет за способы создания таких устройств и процесов

Гидродинамическая кавитационная обработка жидких углеводородов (как процесс сопровождающийся концентрацией энергии, повышением температуры в локальном объеме до 1500-1800оС, а давления до 200 кг/см2.) эффективнее чем параметры крекинг-процесса.

Такая энергия изменяет физические свойства топлива (снижает зольность, коксуемость, размер механических примесей, плотность, температуру застывания и коэффициент фильтрации), его химические свойства (происходит деполимеризация, увеличивается содержание легких фракций, цетанового числа). Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций. Все исследования , проведенные после процесса кавитационной гомогенизации, подтвердили глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Даже простая деполимеризация любого жидкого топлива уже приравнивается к его активированию, что существенно улучшает полноту сгорания топлива, снижает вредные выбросы, увеличивает экономичность ДВС и длину его межремонтного пробега. Простая деполимеризация топлива эквивалентна превращению бревна в равную массу коротких и тонких деревянных лучинок.
Кроме этого, кавитация сопровождается и частичным разрушением самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые еще больше инициируют процессы сгорания. Таким образом облегченный фракционный состав (при том же типе воздушного потока) не только облегчает зимний пуск ДВС - двигатель внутреннего сгорания, но делает сгорание топлива равномерным и экономичным. Мало того, так как производство А95 из А76, в основном не меняет его фракционный состав а только изменяет октановое число, то кавитационная обработка топлива, «дотягивает» фракционный состав «смесевого бензина» до стандартного.

 Установки циклонного типа широко применяются на флоте для приготовления ВТЭ для судовых дизельных двигателей.

ОБРАБОТКА ДТ ИМЕЕТ НЕКОТОРЫЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
• зольность снижается в 1,5-2 раза;
• содержание механических примесей снижается на 90%;
• улучшается коэффициент фильтруемости на 20%;
• снижается предельная температура фильтруемости на холодном фильтре и температура застывания ДТ
• увеличивается цетановое число
• увеличивается межремонтный период эксплуатации двигателя и топливной системы ;
• снизить температуру замерзания летнего ДТ ;
• снижается расход топлива

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭМУЛЬГИРОВАННОГО ТОПЛИВА
В вопросе определения величины экономии топлива при сжигании водомазутной эмульсии (ВМЭ) нет единого мнения ни у практиков, ни у исследователей. Это, по всей видимости, связано с рядом трудно сопоставимых и сложно контролируемых параметров, относящихся к конкретным котлоагрегатам и собственно эмульсиям.

Параметры эти можно разбить на две группы.

 К первой группе параметров относится качество топлива, качество сжигания, конструктивные особенности и состояние конкретного котлоагрегата, возможность и точность измерения текущего расхода мазута, истинный уровень водности подаваемого на сжигание мазута, состав и температура дымовых газов, газоплотность топки, значение коэффициента избытка воздуха, точность управления дутьем, нагрузка котлоагрегата и т.п. При этом известно, что поступающие к потребителю мазуты обводняются при использовании острого пара в операциях разгрузки (зачистки) цистерн, а также в хранилищах из-за течей из паровых подогревателей и фильтрации грунтовых вод в случае подземных хранилищ. В таких мазутах вода содержится в виде линз и крупных капель. Распределение воды в хранилище, по сечениям и по высоте, известно весьма приблизительно.

 Вторая группа параметров описывает качество подаваемой на сжигание эмульсии, т.е. уровень водности эмульсии и степень дисперсности водной фазы. При этом на промышленных агрегатах, сжигающих ВТЭ, отсутствует поточный контроль уровня водности и информация о степени дисперсности дисперсной фазы подаваемой на сжигание эмульсии, хотя известны оптимальные значения этих параметров с точки зрения экологических требований и экономики процесса сжигания. Установлено, что оптимальный уровень водности в среднем близок к 20% при диаметре микрокапель воды порядка 10 мкм. При превышении этих значений по тому или иному параметру происходит излишнее обводнение единицы объема топки, что балластирует зону горения. Известно также, что при снижении диаметров микрокапель воды в эмульсии до субмикронного размера эффект микровзрыва сменяется более плавным выгоранием по схеме безводного топлива.
Определяемая расчетным путем в соответствии с формулой Менделеева теплотворная способность водотопливной эмульсии по сравнению с безводным топливом уменьшается пропорционально увеличению доли воды. При таком подходе не могут быть учтены особенности процесса сжигания эмульсии, отличающие ее горение от горения условно безводного топлива. Ориентироваться в этом смысле следует на величину КПД теплоагрегата.

Применение эмульгирования топлива позволяет повысить эффективность сжигания топлива и добиться прироста КПД котлоагрегата за счет следующих эффектов:
1. 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% %. Таким образом, эффективное использование обводненных мазутов возможно лишь при условии равномерного распределения воды в мелкодисперсном виде по всему объему.
2. Как правило, сжигание жидкого топлива, в том числе мазутов, ведется при заметных избытках = 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 водотопливных эмульсий позволяет повысить качество сжигания за счет внутритопочного дробления и вести сжигание нa пониженном дутье без увеличения недожога, вплоть до значений близких единице.
3. Поддержание близких к номинальному значений КПД теплоагрегата при работе на режимах, меньших номинального, что достигается за счет эффекта вторичного дробления капель эмульсии в топке.
4. Перевод котлоагрегата на режимы сжигания с малыми избытками воздуха позволяет понизить температуру точки росы уходящих газов ориентировочно до 100оС. Это, в свою очередь, существенно уменьшает степень сернокислотной коррозии оборудования и позволяет увеличить КПД теплоагрегата за счет рекуперации тепла уходящих газов на водо- и воздухоподогревателях.
5. Уменьшение штрафных санкций за счет снижения объемов вредных выбросов в окружающую среду. Применение водотопливных эмульсий позволяет уменьшить содержание вредных веществ в дымовых газах, при этом СО, NOx, SOх более чем на 50%.
6. 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.
7. Использование более дешевых высокосернистых мазутов, поскольку технология эмульгирования позволяет одновременно вводить в мазут водорастворимые обессеривающие присадки, например MgCl2 (бишофит).
8. Утилизация в составе водотопливной эмульсии отработанных масел и др.
9. Переход от паромеханических форсунок к механическим, что снижает расход пара на собственные нужды.
10. Гомогенизация подаваемого на сжигание топлива, обеспечивающая разрушение отдельных кластеров длинноцепных молекул, и эмульгирование не удаляемой доли воды в свою очередь повышает полноту и качество сжигания.
11. Увеличение количества отдаваемого теплоносителю тепла за счет меньшего загрязнения поверхностей нагрева, что позволяет поднять средний КПД теплоагрегата.
Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования водотопливных эмульсий в котельнотопочных 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. Суммарно перечисленный комплекс эффектов позволяет экономить до 20% условного топлива. Но для того, чтобы эти эффекты уловить и зафиксировать, необходимо достаточно точно контролировать и управлять рядом параметров, к которым относится:
• текущий расход топлива,
• водность подаваемого на сжигание топлива,
• степень дисперсности водной фазы,
• состав и температура дымовых газов,
• расход и температура дутьевого воздуха,
• коэффициент избытка воздуха на форсунке,
• расход пара подаваемого на распыл
Вместе с тем, те или иные пункты таблицы могут быть не выполнены или выполнены не в полном объеме, что приведет к уменьшению суммы экономического эффекта.
В таблицу не включены оценки экономического эффекта, связанного со снижением токсичных выбросов (например, содержания NOx и SO3 в уходящих газах), которые могут быть сделаны на основании утвержденных нормативов для конкретного котлоагрегата и региона.
При сжигании ВТЭ интенсивность подвода окислителя в реакционную зону возрастает. В результате увеличивается скорость выгорания и объем факела. Температурное поле топки выравнивается с уменьшением max локальных температур и одновременным увеличением средней температуры в топке, играющей решающую роль в лучистом теплообмене.
Установлено, что излучательную способность факела определяют температура (ее средняя величина при использовании ВТЭ больше), количество сажистых частиц и дисперсный состав — т.е. удельная плотность излучающей поверхности (сажевого облака), при применении ВТЭ она резко растет.
Чем крупнее частица, тем дольше она горит, тем меньше площадь излучения и излучаемый тепловой поток.
При сжигании ВТЭ средний размер частиц сажи снижается в 1,5-2,5 раза. Во столько же раз растет излучающая поверхность.