В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Для решения этих задач особый интерес представляют топливные эмульсии мазут-вода. Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы в атмосферу [1; 2].
При наличии в капле топлива более мелких включений воды, при нагревании и вскипании воды образуется водяной пар, который разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в топку топлива и поверхность контакта топлива с воздухом. В результате топливо более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температуры в топке и снижению локальных максимальных температур. При этом существенно снижается недожог топлива; появляется возможность снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери. Часть капель долетают до стенок и взрываются на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке от старых сажистых образований.
При сжигании водно-топливных эмульсий (ВТЭ) сокращается выход в газовых выбросах NOх (примерно на 90%), примерно в 3-4 раза снижаются сажистые отложения, примерно на 70% уменьшается выход СО [3].
Цель работы
Целями работы являлись разработка установки для смешения обводненных нефтесодержащих отходов, исследование режимов ее работы и полученных ВТЭ на стабильность и применимость в качестве печного топлива.
Решение поставленной задачи
На кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки» Института ядерной энергетики и технической физики НГТУ им. Р.Е. Алексеева была создана экспериментальная установка для получения жидкого котельного топлива на основе обводненных нефтесодержащих отходов, защищенная патентом [4-6].
Схема устройства представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства по переработке нефтеотходов:
АК - аппарат кавитационный, НВ – насос вихревой, БПС – бак подготовки смеси, НШ – насос шестеренный, Р – манометр.
Устройство по переработке отходов работает следующим образом.
Исходное сырье и вода поступают в узел подготовки сырьевой смеси и затем через регулятор поддержания постоянства расхода сырьевой смеси на всасывающий патрубок вихревого насоса. Интенсивное вихреобразование в рабочем объеме вихревого насоса обеспечивает дробление сырьевой смеси. На дополнительное диспергирование смесь поступает через напорный патрубок и далее через регулятор в струйный кавитационный аппарат. Полученная эмульсия поступает в резервуар готовой смеси. Нормальная работа устройства обеспечивается регулятором поддержания постоянства расхода сырьевой смеси. Установка оснащена электрообогревателем для обеспечения необходимой температуры мазута во избежание его остывания и затвердевания. В связи с необходимостью поддержания температуры мазута работы на данной установке рекомендуется проводить в обогреваемом помещении, при температуре в помещении не ниже 5 °С. Стенд состоит из двух контуров для циркуляции среды. Малый контур предназначен для предварительного перемешивания исследуемой среды и достижения температурного режима [3].
Проводились испытания представленной установки по смешению воды с модельной жидкостью. Модельная жидкость представляет собой машинное масло, при определенных условиях имеющее такую же плотность, что и мазут. На рисунке 2 представлена зависимость плотности мазута и машинного масла от температуры.
Рис. 2. Зависимость плотности мазута и машинного масла от температуры.
Из представленной зависимости можно видеть, что вязкости модельных жидкостей (машинных масел) и мазутов, используемых в промышленности, при определенных температурах имеют одинаковые значения. При этих параметрах и проводились исследования по смешению разноплотностных жидкостей.
Исследования проводились по каждому из контуров в отдельности и со всеми контурами одновременно по следующей схеме: в определенных пропорциях смешивались исследуемая жидкость и вода, полученная смесь определенное время циркулировала по рассматриваемому контуру, после чего брались пробы полученной смеси и через равные промежутки времени пробы фотографировались. В результате исследования полученных фотографий были сделаны выводы о расслоении полученных проб и в итоге о стабильности полученных смесей. Также полученные пробы рассматривались под микроскопом с целью изучения размеров капель воды в смеси. В результате изучения размеров капель жидкости в смеси делались выводы об эффективности каждого из контуров и о возможности их использовании для подготовки жидкого котельного топлива из нефтеотходов. Эксперименты проводились с 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50% содержания воды. Время циркуляции по контуру 5 минут.
На рисунке 3 представлена зависимость высоты столба масла от времени с вышеуказанными содержаниями воды.
Рис. 3. Зависимость высоты столба масла от времени.
Из рисунка 3 можно сделать вывод, что при 20-25% смесь имеет наибольшую скорость расслоения в течение 120 ч, после 120 ч приращение столба масла достигает своего минимального значения по сравнению с другими исследуемыми концентрациями воды. Замедление расслоения при указанных концентрациях воды указывает на выход смеси в стабильное состояние и означает почти полное прекращение дальнейшего расслоения, чего не наблюдается при других рассматриваемых концентрациях воды. При 5-10% замедление скорости расслоения не означает достижения стабильного состояния, расслоение продолжается при медленных скоростях, а при содержании 30% и более воды время достижения стабильного состояния не зафиксировано, в течении всего времени наблюдения расслоение длится при небольших скоростях.
Ниже представлены результаты по изучению размеров капель воды в масле при 5%- и 10%-ном содержании воды при циркулировании по первому, второму и обоим контурам.
а)
б)
в)
Рис. 4. Размеры капель воды в масле при содержании воды 5%: а) первый контур (шестеренный насос), б) второй контур (два насоса без кавитатора), в) третий контур (два насоса с кавитатором).
При использовании для перемешивания смеси только шестеренного насоса перемешивание масла и воды практически отсутствует. Масло и вода циркулируют отдельными потоками, перемешивание носит случайный характер. На фотографии показана одна-единственная капля воды, случайно попавшая в объектив микроскопа при исследовании взятой пробы.
а)
б)
в)
Рис. 5. Размеры капель воды в масле при содержании воды 10%: а) первый контур (шестеренный насос), б) второй контур (два насоса без кавитатора), в) третий контур (два насоса с кавитатором).
Можно заметить, что при циркулировании смеси по полному контуру с 10%-ным содержанием воды включения воды в смеси имеют гораздо меньший размер, чем при циркулировании по другим рассматриваемым контурам. Кроме того, при 10%-ном содержании воды плотность капель воды в смеси выше, чем при 5%-ном. Можно предположить, что при 15-25% воды размеры капель будут удовлетворять требуемым для ВМЭ, а плотность капель будет еще выше. Следовательно, дисперсность капель топлива в топке будет увеличиваться и еще лучше будут выражены эффекты, перечисленные в начале статьи.
Вывод
Разработано и создано оригинальное новое устройство для создания жидкого котельного топлива из отходов нефтепродуктов. Котельное топливо получается в результате смешивания с водой отходов производства нефтяной промышленности. Устройство исследовано на модельных жидкостях. В качестве модельной жидкости принималось масло с вязкостью мазута. Смесь «модельная жидкость – вода» проверена на расслаивание. Установлено что при 15-25% воды процесс расслоения смеси имеет максимальную скорость, после достижения этого максимума скорость постепенно снижается и процесс расслоения затухает, смесь становится стабильной. При содержании воды более 30% стабильное состояние смеси не зафиксировано, на протяжении всего времени проведения эксперимента расслаивание продолжалось с небольшими скоростями. Таким образом, ярко выраженное стабильное состояние топлива возможно только при 15-25% содержания воды. При любых других концентрациях воды за то же время отстаивания топливо будет не стабильным.
В результате исследований установлено, что наилучшее смешение модельной жидкости и воды достигается при прохождении смеси через полный контур циркуляции, включающий в себя все единицы оборудования, входящие в состав установки. Размеры включений воды в среднем составляют 10-13 мкм при том условии, что допустимые значения включений воды в водно-мазутном топливе составляют 15 мкм.
Рецензенты:
Беляков В.В., д.т.н., профессор, начальник УНИР и ИР, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г.Н.Новгород;
Радионов А.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Кафедра общей и ядерной физики», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева», г.Н.Новгород.