Приготвяне на маслено-водни емулсии чрез вълнова дисперсия
S.V. Geller, генерален директор, ZAO BRAVO Technologies, Москва
Правилната подготовка на горивото е ключът към решаването на проблемите с икономията на мазут
При изгарянето на мазут в котелни и когенерационни централи се налага да се сблъскате с проблеми, които влияят върху надеждността на работата на енергийното оборудване и водят до неоправдани разходи за гориво и замърсяване на въздуха. Трябва да се отбележат следните проблеми:
1. Разводняването на мазута при разтоварване, транспортиране, съхранение и поддръжка в горещ резерв е неизбежно при използваните технологии. След като водата се утаи, тя може да се източи от резервоара, но само частично. Значителна част от него е неравномерно разпределена в обема на мазута, което е причина за проблемите, възникващи при изгарянето на горивото.
2. Влошаването на качеството на текущо доставяния мазут поради интензификацията на рафинирането на нефта (с цел получаване на повече леки продукти), води до повишаване на вискозитета и точката на запалване на мазута. Използването на вискозни и тежки горива е свързано със значителни трудности както при съхранението, така и при изгарянето.
3. Стареене на мазут при продължително съхранение. Леките фракции се изпаряват от мазута, което води до повишаване на неговия вискозитет и точка на възпламеняване. По правило след 2-3 години съхранение изгарянето на такъв мазут става проблематично и трябва да се замени с ново с всички неизбежни разходи.
4. Замърсяване на околната среда с продукти от изгаряне на мазут (азотни оксиди, сажди, бензо(а)пирен) и отпадъчни води, съдържащи нефтопродукти.
5. Отлагания на сажди, сажди и кокс поради непълно изгаряне на горивото, което налага спиране на котлите за профилактика на всеки 20-25 дни.
6. Отстраняването на водата от обема на мазута е свързано сзагубено време и допълнителни пари.
Тези проблеми се отстраняват чрез приготвяне на водно-горивни емулсии (WFE) с помощта на технологията за хидродинамична вълнова обработка на течни среди, описана по-долу.
VME устройство
Процесът се извършва в Bi-Rotor Wave Treatment Apparatus (съкратено BRAVO) благодарение на енергията на течния поток, принудително изпомпван през апарата от помпа. Този апарат (фиг. 1) според предназначението си е диспергатор - хомогенизатор.
В апарата (фиг. 2, 3) на неподвижна ос са монтирани две турбини - активатор и генератор. Генераторът е направен на принципа на колелото на Segner. Изпомпваната течност осигурява въртенето на роторите в противоположни посоки, като същевременно генерира циклични „водни удари“ (чрез блокиране на изходите на вихровите камери на активатора от генератора). В камерите на ротора възниква и се поддържа процесът на образуване на кавитационни мехурчета (каверни), които впоследствие се срутват с увеличаване на локалното хидростатично налягане в течността. Затварянето на кавитационните мехурчета е придружено от интензивни процеси на ударна вълна с появата на локални зони на свръхвисоки налягания и температури и кумулативно (заострено) точково въздействие върху близките области на течността около зоната на колапс на кавитационния мехур.
Процесът на кавитация е реализиран по такъв начин, че всички явления на ударна вълна възникват директно в потока на течността, без да засягат тялото и роторите, което гарантира липсата на кавитационна ерозия и издръжливостта на дизайна на дисперсера.
В процеса на високоамплитудни директни хидравлични удари (които са придружени от кавитация), структурни и молекулнипромени в сложни молекули и агломерати, първоначално присъстващи в изпомпваната течност, разрушаване на органични и минерални примеси. Осигурява интензивно смесване и диспергиране на многокомпонентни несмесващи се течности и твърди включвания с образуването на хомогенни и устойчиви на отделяне във времето фини емулсии и суспензии.
Като илюстрация на описаните ефекти от кавитационното действие върху първоначалната хетерогенна система от взаимно неразтворими и несмесващи се течности от типа "мазут - вода" на фиг. 4 показва снимки на изследвания под микроскоп на капчици на проби от проби от първоначалната маслено-водна смес и водно-маслена емулсия (WME), получена след нейната обработка.
На снимката на преработено мазут размерът на водните включвания в мазута не надвишава 5 микрона. Включванията на вода в общия обем на мазута имат равномерно разпределение. Размерът на диспергираните в мазута капки вода е практически еднакъв в целия обем на хранилището за гориво. Тоест, в резултат на вълновата обработка на първоначалната маслено-водна смес, тя се трансформира в хомогенна фино дисперсна WME. Освен това, поради наличието в мазута, като продукт от рафинирането на суров нефт, на достатъчно количество естествени повърхностно активни вещества - емулгатори (тяхната роля в маслото играят тежки асфалтово-смолисти фракции), фино диспергираната вода е покрита с черна маслена обвивка, която предотвратява пряк контакт и уголемяване поради сливането на съседни водни капки. Така се получават свръхустойчиви емулсии, които запазват структурата и свойствата си дълго време след обработка (от няколко месеца до няколко години).
След такава обработка мазутът (имащ в първоначалното си състояние нехомогенна "бучка" структура, характерна за мазута при дългосрочно съхранение, илошо изпомпване, филтриране, фино разпръскване чрез дюзи и надеждно изгаряне) се превръща в хомогенно фино диспергирано вещество, в което горните свойства отговарят на нормативните изисквания.
Технически и икономически предимства от използването на WME
Вълновата дисперсия на мазут може да се извърши директно в съоръжения за изгаряне на гориво (промишлени и отоплителни котелни, топлоелектрически централи, технологични пещи) с пълното използване на стандартното оборудване за циркулация на мазут и системи за впръскване към горелки (фиг. 5).
Преходът към използването на WME вместо традиционните горива осигурява следните предимства.
1. Значително опростява технологията и намалява разхода на енергия за подготовка на течно гориво за изгаряне в пещите на котли и котли. Това се постига чрез факта, че операцията по утаяване, дрениране и пречистване на замърсена с масло вода е изключена от цикъла на подготовка на горивото. По този начин не се изисква потребление на пара и електричество за дългосрочно нагряване на гориво в резервоари за съхранение, които осигуряват утаяване на водата, присъстваща в мазута след приемането му и нагряване на пара преди източване от резервоарите (по време на операциите по предварително източване най-малко 10% от водата попада в мазут поради кондензация на нагряваща пара). Става възможно да се създадат безотводни ферми за мазут, изключващи изхвърлянето на замърсена с масло вода в околната среда.
2. Съхраняването на БМВ в резервоари за мазут може да се извършва при значително по-ниски температури в сравнение с нормативите за дългосрочно съхранение на мазут. Това гарантира запазване на качествените му характеристики (по-малко леки въглеводороди се изпаряват, течливостта и хомогенността на горивото не се влошават, способността му да се възпламенява в пещта, непоявяват се парафинови преципитати).
3. Предвидено е увеличаване на дълготрайното съхранение на мазута като резервно гориво. По време на изпълнението на проекта за разпръскване на вълни в котелната централа (град Дмитров), мазутът беше успешно използван от хранилище (град Краснознаменск, Сергиев-Посадски район, Московска област), където е бил преди това в продължение на около двадесет години.
4. Висока пълнота на изгаряне на горивото се постига в режими с малък излишък на въздух. Намалени загуби от топлината на отработените газове, химическо и физическо недогаряне на гориво.
5. Намаляване на температурите на нагряване на мазута преди подаване към изгаряне (от 100-120 ° C до 65-70 ° C), както и намаляване на изискванията за параметрите на пулверизатора (пара или сгъстен въздух за паромеханични дюзи) се осигурява до пълното изключване на използването на сгъстен въздух (замяна на дюзите с ротационни). Това позволява да се намали потреблението на топлина, генерирана от котлите, за да се задоволят технологичните нужди на котелната централа.
6. Максималното намаляване на енергоемкостта на технологичните пещи и котли се постига чрез добавяне на напоени отпадъчни води от съоръженията за съхранение на мазут към мазута. До 50% (по обем) от тези отпадъчни води могат да се добавят към мазута (в зависимост от специфичното съотношение вода към мазут в отпадъчните води). Добавянето на отпадъчни води към мазута и последващото разпръскване прави възможно връщането в стопанската циркулация на целия мазут, съдържащ се в отпадъчните води, като същевременно спестява стандартно гориво. По пътя се решава проблемът с отвеждането на отпадъчните води и се предотвратяват глобите за замърсяване на околната среда.
Икономическият и екологичният ефект от преминаването на топлоенергийно оборудване към работа на VME е средно:
■ 10-20% намаление на разхода на гориво за голяма енергияобекти, до 8-10% - за котелни с малък и среден капацитет;
■ намаляване с 20-40% на емисиите на азотни оксиди и поне 15% на серни оксиди;
■ Изхвърлянето на търговски води, замърсени с нефтопродукти, в околната среда е напълно елиминирано.
Резултати от изгаряне на водно-горивни емулсии на котел с ниска мощност
■ използвано моторно масло с водоотделяне 10%;
■ отоплително масло с 10% водност;
■ отработено моторно масло с водност 10% и с добавка на нанодобавка в количество по-малко от 0,5 g/l гориво.
Във всички тези случаи целият обем гориво е изгорял без прекъсване на пламъка и изгасване на горелката с пневматично разпръскване. Отчетено е времето за загряване на 300 литра вода в резервоара и разхода на гориво. Сравнението на резултатите от изгарянето на оригиналното и водното гориво показа, че емулгираното гориво гори със същата топлинна ефективност като оригинала, а емисиите на азотни оксиди стават с 25% по-ниски.