Приготування водомазутних емульсій за допомогою хвильової диспергації

С.В.Геллер, генеральний директор, ЗАТ «БРАВО Технолоджиз», м. Москва

Правильна підготовка палива – ключ до вирішення проблем мазутного господарства

При спалюванні мазуту на котельнях та ТЕЦ доводиться стикатися з проблемами, які впливають на надійність роботи енергетичного обладнання та призводять до невиправданих витрат палива та забруднення атмосфери. Слід зазначити такі проблеми:

1. Обводнення мазуту при розвантаженні, транспортуванні, зберіганні та підтримці в гарячому резерві неминуче при технологіях, що використовуються. Після того, як вода відстоиться, вона може бути злита з ємності, але лише частково. Значна її частка нерівномірно розподіляється за обсягом мазуту, що є причиною проблем, що виникають при горінні палива.

2. Погіршення якості мазуту, що поставляється в даний час внаслідок інтенсифікації переробки нафти (з метою отримання більшої кількості світлих продуктів), призводить до підвищення в'язкості і температури спалаху мазуту. Використання в'язких та важких мазутів пов'язане із значними труднощами як при зберіганні, так і при спалюванні.

3. Старіння мазуту у процесі тривалого зберігання. З мазуту випаровуються легкі фракції, що призводить до підвищення його в'язкості та температури спалаху. Як правило, після 2-3 років зберігання спалювання такого мазуту стає проблематичним, і його доводиться замінювати свіжішим, з усіма неминучими витратами.

4. Забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння мазуту (оксиди азоту, сажа, бенз(а)пірен) та скидними водами, що містять нафтопродукти.

5. Відкладення сажі, кіптяви та коксу через неповне згоряння палива, що змушує зупиняти котли для профілактичних робіт кожні 20-25 днів.

6. Видалення води з об'єму мазуту пов'язане звтратами часу та додатковими грошовими витратами.

Зазначені проблеми знімаються шляхом приготування водопаливних емульсій (ВМЕ) за допомогою описаної нижче технології гідродинамічної хвильової обробки рідких середовищ.

Пристрій для отримання ВМЕ

Процес здійснюється в Бі-Роторному Апараті Хвильової Обробки (скорочено - БРАВО) за рахунок енергії потоку рідини, що примусово прокачується насосом через апарат. Цей апарат (рис. 1) за своїм призначенням є диспергатором - гомогенізатором.

В апараті (рис. 2, 3) на нерухомій осі встановлено дві турбіни - активатор та генератор. Генератор виконаний за принципом Сегнерового колеса. Рідина, що прокачується, забезпечує обертання роторів у зустрічних напрямках, при цьому генеруються циклічні «гідроудари» (шляхом перекриття генератором виходів вихрових камер активатора). У камерах ротора виникає і підтримується процес утворення кавітаційних бульбашок (каверн), які в подальшому при підвищенні місцевого гідростатичного тиску рідини схлопуються. Закриття кавітаційних бульбашок супроводжується інтенсивними ударними хвильовими процесами з виникненням локальних зон надвисоких тисків і температур і кумулятивного (гостронаправленого) точкового ударного впливу на прилеглі ділянки рідини, що оточує зону схлопування кавітаційної бульбашки.

Кавітаційний процес реалізований таким чином, що всі ударно-хвильові явища відбуваються безпосередньо в потоці рідини, не торкаючись корпусу та роторів, чим забезпечується відсутність кавітаційної ерозії та довговічність конструкції диспергатора.

У процесі прямих гідроударів високої амплітуди (яким супроводжує кавітація) відбуваються структурні та молекулярнізміни складних молекул і агломератів, що спочатку присутні в перекачуваній рідині, руйнування органічних та мінеральних домішок. Забезпечується інтенсивне перемішування і диспергування багатокомпонентних рідин, що не змішуються, і твердих включень з утворенням гомогенних і стійких у часі до розшарування тонкодисперсних емульсій і суспензій.

Як ілюстрації описуваних ефектів кавітаційного на вихідну гетерогенну систему із взаємно нерозчинних і несмешиваемых рідин типу «мазут - вода» на рис. 4 наведено фотографії досліджень під мікроскопом крапель проб зразків вихідної водомазутної суміші та одержуваної після її обробки водомазутної емульсії (ВМЕ).

На фотографії обробленого мазуту розмір водяних включень у мазуті не перевищує 5 мкм. Вкраплення води у загальному обсязі мазуту мають рівномірний розподіл. Розмірність крапель диспергованої в мазуті води практично однакова по всьому об'єму паливосховища. Тобто, в результаті хвильової обробки вихідної водомазутної суміші відбувається її перетворення на гомогенну тонкодисперсну ВМЕ. Причому, зважаючи на наявність у мазуті, як продукті переробки сирої нафти, достатньої кількості природних поверхнево-активних речовин - емульгаторів (їх роль у нафті виконують важкі асфальто-смолисті фракції), тонко диспергована вода покрита мазутною оболонкою, що перешкоджає прямому контакту. сусідніх крапель води. Таким чином, виходять суперстійкі емульсії, що зберігають свою структуру та властивості тривалий час після обробки (від кількох місяців до кількох років).

Після такої обробки мазут (має у вихідному стані неоднорідну «грудкувату» структуру, характерну для мазутів тривалого зберігання, іпогані здібності до перекачування, фільтрації, тонкого розпилювання форсунками і надійного горіння) перетворюється на однорідну тонкодисперговану субстанцію, у якої зазначені вище властивості відповідають нормативним вимогам.

Техніко-економічні переваги використання ВМЕ

Хвильова диспергація мазутів може бути здійснена безпосередньо на паливоспалюючих об'єктах (виробничих та опалювальних котельнях, ТЕС, технологічних печах) з повним використанням штатного обладнання систем циркуляції та нагнітання мазуту до пальникових пристроїв (рис. 5).

Перехід використання ВМЕ замість традиційних мазутів забезпечує такі переваги.

1. Суттєво спрощується технологія та знижуються енерговитрати на підготовку рідкого палива до спалювання у топках котлів та бойлерів. Це досягається тим, що з циклу паливо-підготовки виключаються операції відстоювання, дренування та очищення забрудненої нафтопродуктами води. Таким чином, не потрібна витрата пари та електроенергії на тривале прогрівання палива в ємностях зберігання, що забезпечують відстоювання води, присутньої в мазуті після його приймання та парового розігріву перед зливом з цистерн (у процесі передзливних операцій у мазут за рахунок конденсації пари розігріву потрапляє не менше 10 % води). З'являється можливість створення безстічних мазутних господарств, що виключають скидання замазучених вод у довкілля.

2. Зберігання ВМЕ в мазутних ємностях може здійснюватися за значно нижчих температур порівняно з регламентом тривалого зберігання мазутів. Це забезпечує збереження його якісних характеристик (менше випаровується легких вуглеводнів, не погіршуються плинність та гомогенність палива, його здатність до займання в топці, невідбувається випадання парафінових фракцій).

3. Забезпечується збільшення термінів тривалого зберігання мазуту як резервне паливо. У ході реалізації проекту хвильової диспергації в котельні (м. Дмитров) як паливо було успішно використано мазут зі сховища (м. Краснознаменськ, Сергієв-Посадський район Московської обл.), де він знаходився до цього близько двадцяти років.

4. Досягається висока повнота згоряння палива на режимах із малими надлишками подачі повітря. Зменшуються втрати з теплом газів, що йдуть, хімічним і фізичним недопалом палива.

5. Забезпечується зниження температур підігріву мазуту перед подачею на спалювання (з 100-120 О С до 65-70 О С), а також зниження вимог до параметрів розпилюючого агента (пара або стисненого повітря для паро-механічних форсунок) аж до повного виключення використання стисненого повітря (заміна форсунок на ротаційні). Це дозволяє знизити витрату тепла, що виробляється котлами, на забезпечення технологічних потреб котельні.

6. Максимальне зниження енергоємності технологічних печей та котлів досягається шляхом додавання до мазуту обводнених стоків мазутосховищ. У мазут може бути додано до 50% (об'ємних) таких стоків (залежно від конкретного співвідношення у стоках води та мазуту). Додавання в мазут стоків і подальша диспергація дозволяє повернути в господарський оборот весь мазут, що міститься в стоках, при цьому досягається економія кондиційного палива. Принагідно вирішується проблема утилізації стоків і запобігають штрафним санкціям за забруднення навколишнього середовища.

Економічний та екологічний ефект від переходу теплоенергетичного обладнання до роботи на ВМЕ в середньому становить:

■ від 10-20% зниження витрати палива для великих енергетичнихоб'єктів, до 8-10% - для котелень малої та середньої потужності;

■ зниження на 20-40% викидів оксидів азоту та мінімум на 15% - оксидів сірки;

■ повністю виключаються скидання забруднених нафтопродуктами підтоварних вод у довкілля.

Результати спалювання водопаливних емульсій на казані малої потужності

■ відпрацьоване моторне масло з обводненістю 10%;

■ пічне паливо з обводненістю 10%;

■ відпрацьоване моторне масло з обводненістю 10% та з додаванням наноприсадки у кількості менше 0,5 г/л палива.

У всіх зазначених випадках вигоряв весь обсяг палива без зриву полум'я та згасання пальника з пневматичним розпорошенням. Засікався час нагрівання 300 л води у баку та витрата палива. Порівняння результатів спалювання вихідних та обводнених видів палива показав, що емульговане паливо згоряє з тим же тепловим ККД, що й вихідне, а викиди оксидів азоту стають меншими на 25%.

---