Обзор существующих диспергаторов для приготовления водотопливных эмульсий.
Экономичность и экологическая безопасность работы жидкотопливных тепловых установок очень актуальны. Эффективным средством решения этих задач служат топливные эмульсии (ТЭ): вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода - мазут - угольная пыль.
Содержание воды в топочном мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5% по ГОСТу, фактическая обводненность мазута при зимних поставках доходит до 35%!). Из-за 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. Способ осушения мазута испарением воды энергоемок и влечёт потерю летучих компонентов топлива. Вот почему обезвоживание выполняется преимущественно путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует длительного времени и малоэффективно (плотности мазута и воды близки). Проблема утилизации или очистки таких вод сопряжена с большими затратами.
При сжигании ТЭ достигается существенный экономический эффект, повышение КПД котла и снижение вредных выбросов в атмосферу. Особенно это актуально для водомазутных эмульсий (ВМЭ).
Наибольший экономический эффект и снижение выбросов обеспечивает добавление в топливо 15…20% воды, а наибольший эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%. Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и сильно обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания воды в эмульсии свыше 25 объёмных %, качественные показатели горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива. Однако если учесть, что процесс сгорания ТЭ 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.
Использование водно- мазутной эмульсии позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы сажи, NОи СО в атмосферу. Механизм этого эффекта объясняется следующим. 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 капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в зону горения топлива. В результате:
- увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом. В высокотемпературной зоне котла капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива. Возникают очаги турбулентных пульсаций. Увеличивается число мелких капель топлива, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке;
- повышается светимость факела (благодаря увеличению поверхности излучения);
- существенно снижается недожог топлива при предельно малом коэффициенте избытка воздуха, что позволяет уменьшить теплопотери с отходящими газами .
- в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов.
Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в топке 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 образованием очень малого количества сажи (разрушаются смолисто-асфальтенновые включения в топливе). Факел горящего эмульгированного топлива сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30-35°С. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива. Находящаяся в составе ТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива. 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 активных радикалов топлива.
Качественно приготовленная водно-топливная эмульсия имеет заметно меньшую вязкость, чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ТЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах частицами сажи и кокса 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 отложений сажи.
Важным фактором, определяющим эффективность использования ТЭ, является возможность решить ряд экологических проблем. Сжигание ТЭ сокращает выход в газовых выбросах NОх (примерно на 50%), примерно в 3-4 раза снижает выброс сажистых отложений, уменьшает выход СО в среднем на 50%, бенз(а)пирена в 2-3 раза и т.д. Длинные молекулярные цепи в топливе становятся более короткими. Приготовление водотопливной эмульсии с добавлением солей 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, уменьшение размеров асфальтенов, карбенов, карбоидов до 2-3 мкм.
Приготовление ТЭ и, в частности, ВМЭ, осуществляется путём диспергирования топлива с посмощью специальных аппаратов – диспергаторов.
Существующие диспергаторы можно отнести к следующим основным типам.
I «Пассивные» струйные диспергаторы
Являются устройствами статического типа (не имеют движущихся частей). Созданы в восьмидесятых годах прошлого века и являются морально устаревшим оборудованием. Однако их ещё и сейчас рекламирует ряд фирм из Московской областей, Украины и Белоруссии . Подразделяются на две группы – 1)На основе струйных эжекторов и 2)Прочие.
Пример кавитатора первой группы, производства Украины (http://intrek.com.ua/products/emulsification_device/ ):
Кавитатор – эжектор малоэффективен и требует многократной прокачки среды (более пяти раз) для получения хорошего диспергирования.
Примеры кавитаторов второй группы:
2.1 «Гомогенизатор - диспергатор «КЭМ» (Россия) (http://www.stroymat21.ru/arch.php?file_=./2004-06/newtxt.htm )
Представляет собой пакет арматурных стержней, закреплённых внутри коробчатого корпуса . Кавитация возникает при обтекании стержней с сопутствующим их разрушением. Эффективность не превышает ранее рассмотренного украинского «кавитатора».
2.2 «Кавитатор» марки «TRGA», Украина
«Кавитатор» имеет, пожалуй, наиболее примитивную конструкцию и самую низкую эффективность из всех известных (впрочем, это не мешает назначить цену за него $2500).В рекламе продавцов TRGA (http://aaa.uaprom.net/p123677-gomogenizatory-trga.html ) приводятся цифры достигаемой экономии мазута 3%, что ставит под сомнение полезность «кавитатора». Действительно, величина декларируемой экономии лежит в пределах погрешности измерения расхода в котельной (причём находится ниже величины верхнего предела этой погрешности!). Технический уровень «кавитатора» TRGA можно представить себе из следующего фото http://waste.com.ua/temp/ad_e220327f4d44a717036b1e760368d746.jpg :
Кроме того, данный диспергатор поразительно похож на одну старую российскую разработку(http://valer.ru/product,30282 ), на фото внизу российский аналог показан прикреплённым к фланцу центробежного насоса:
II Роторно – пульсационные аппараты (РПА)
Представляют собой один или несколько перфорированных роторов, жёстко посаженных на валы, кинематически связанными с электодвигателем.
Самым типичным и старым из продаваемых на российском рынке отечественных диспергаторов такого типа, являетя «Сирена гидродинамическая низконапорная СГД-3Г» производства Златоустовского машиностроительного завода(фото с сайта http://www.zlatmash.ru/?cat=products&page=dispergator&id=141 )
Разработанный свыше двадцати лет назад и не совершенствовавшийся с тех пор, данный РПА, устарел морально. Но хуже всего то, что он имеет не только малую производительность, но и низкую эксплуатационную надёжность. Малая производительность обусловлена ограничениями на диаметр ротора в связи с необходимостью динамической их балансировки (вал расположен горизонтально!). Низкая экплуатационная надёжность обусловлена непреодолимыми органическими пороками конструкции – не выдерживают сальники, а ротор и статор должны иметь очень небольшие зазоры между собой (иначе ни один РПА эффективно не работает!). А мазут на практике содержит твёрдые загрязнения, что часто заклинивает ротор и влечёт выход из строя сальников и поломку электродвигателя при заклинивании роторов.
Сирена гидродинамическая низконапорная СГД-3Г
Этот же аппарат продаётся также одной фирмой из города Миасс Челябинской области под маркой РАФ.
На Дальнем Востоке продаётся очень похожий аппарат(http://www.sdtechno.ru/catalog/41?idnews=7), см. фото внизу:
III Диспергатор принципиально нового ( ВОЛНОВОГО) типа .
Фото и принципиальная конструктивная схема приведены ниже. Данная конструкция (защищённая патентами РФ на изобретения и промышленный образец) лишена недостатков перечисленных выше аналогов. Волновой диспергатор является промежуточным типом между «кавитаторами» статического типа и РПА.
В работе волнового диспергатора используются сразу четыре метода физического воздействия на жидкости - интенсивная турбулизация, кавитационное воздействие, гидроудары высокой амплитуды прямого типа, а также трибостатический эффект.
Фото1
Волновой диспергатор
Схема конструктивного устройства
Данная защищённая многими патентами РФ на изобретения и промышленный образец Конструкция лишена недостатков перечисленных выше аналогов. Волновой диспергатор является промежуточным типом между «кавитаторами» статического типа и РПА.
Диспергация осуществляется за счет энергии потока жидкости, принудительно прокачиваемой насосом через аппарат. В аппарате на неподвижной оси установлены два ротора - турбины (активатор и генератор). Ось расположена вертикально, роторы стабилизируются за счёт гироскопического эффекта, поэтому не требуются малые зазоры между осью и ступицами роторов, отпадает необходимость в радиальных подвижных уплотнениях – сальниках, являющимися бичами всех РПА. Турбина - генератор выполнен по принципу Сегнерова колеса. Прокачиваемая жидкость обеспечивает вращение роторов во встречных направлениях. При этом генерируются циклические гидроудары (путем перекрытия генератором выходов вихревых камер активатора). В камерах ротора - активатора возникает и поддерживается процесс образования кавитационных пузырьков, которые в дальнейшем (при повышении гидростатического давления) схлопываются. Схлопывание пузырьков сопровождается интенсивными ударными волновыми процессами с возникновением локальных зон сверхвысоких давлений и температур и кумулятивного (остронаправленного) ударного воздействия на участки жидкости, окружающей зону схлопывания кавитационного пузырька.
Кавитационный процесс реализован таким образом, что все ударно-волновые явления происходят непосредственно в потоке жидкости, не затрагивая материала корпуса и элементов конструкции, чем обеспечивается отсутствие кавитационной эрозии и долговечность диспергатора.
В процессе прямых гидроударов высокой амплитуды (которые генерируются при перекрытии генератором камер активатора) 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) с образованием стойких к расслоению (не менее трёх месяцев) топливных эмульсий.
Обводнённые нефтепродукты (содержание воды 20% и выше) прокачиваются через диспергатор. В результате получается однородная СВТЭ (фото2 – эмульсия под микроскопом, цена деления 65микрон), ВОДА НЕ ОТДЕЛЯЕТСЯ даже через 10 минут обработки эмульсии на центрифуге EPPENDORF (фото3)при частоте 13 000 оборотов/мин
ФОТО 2
ФОТО 3
Это подтверждает качество СВТЭ и практическую эффективность волнового диспергатора При этом удельное энергопотребление на создание СВТЭ не превышает 0,2 кВт/т топлива.