КАВИТАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ТОПЛИВА, МАСЕЛ И СМАЗОК

1. Общие сведения о технологии гидродинамической кавитационной обработки жидких сред и устройстве для ее осуществления

1.1. Технология гидродинамической кавитационной обработки жидких сред применяется для интенсификации и снижения энергоемкости, а также улучшения выходных показателей качества процессов гомогенизации и диспергирования при производстве стойких эмульсий и суспензий из взаимно нерастворимых и естественным путем не смешиваемых жидкостей, либо жидкостей и твердофазных включений различного происхождения (например, мазута и воды, воды и битума, расплава парафина и воды, воды и жиров растительного и животного происхождения, воды и угольного порошка, других компонентов). 1.2. Процесс гидродинамической кавитационной обработки осуществляется в специальном устройстве - пассивном гидродинамическом диспергаторе за счет направленного и регулируемого преобразования потенциальной и кинетической энергии потока жидкости, принудительно прокачиваемой гидравлическим насосом через реакционную камеру диспергатора. В результате указанных преобразований энергии в специальных зонах гидродинамического диспергатора возникает и поддерживается процесс образования газовых, либо паро-газовых кавитационных пузырьков (каверн), которые в последующем при повышении местного гидростатического давления в жидкости закрываются (схлопываются). Закрытие кавитационных пузырьков сопровождается интенсивными ударными волновыми процессами с возникновением локальных зон сверхвысоких давлений и температур (десятки – сотни тысяч атмосфер и градусов C, соответственно) и кумулятивного (остронаправленного) точечного ударного воздействия на близлежащие участки жидкости, окружающей зону схлопывания кавитационного пузырька. 1.3. Кавитационный процесс в пассивном гидродинамическом диспергаторе реализован таким образом, что все ударно-волновые явления происходят непосредственно в потоке жидкости, не затрагивая материала корпуса и элементов кавитационной решетки реакционной камеры, чем обеспечивается отсутствие кавитационной эрозии и долговечность конструкции диспергатора. 1.4. В процессе точечного ударно-волнового воздействия происходят структурные и молекулярные изменения в сложных молекулах, агломератах и глобулах, изначально присутствующих в перекачиваемой жидкости, разрушение органических и минеральных примесей. Сопровождающие кавитацию процессы тепло- и массопереноса, а также возникающие далее по потоку жидкости струйные течения приводят к интенсивному перемешиванию и диспергированию многокомпонентных несмешиваемых жидкостей и твердых включений с образованием гомогенных и стойких во времени к расслоению тонкодисперсных эмульсий и суспензий.

1.5. На рис. 1.1. приведена принципиальная схема реакционной камеры гидродинамического диспергатора и на примере обработки композиции мазута и воды описаны возникающие при кавитационном воздействии эффекты и преимущества. 1.6. В качестве иллюстрации описываемых эффектов кавитационного воздействия на исходную гетерогенную систему из взаимно нерастворимых и несмешиваемых жидкостей типа «мазут-вода» на рис. 1.2. и 1.3. приведены фотографии исследований под микроскопом с 1000-кратным увеличением капель проб образцов исходной водо-мазутной смеси и получаемой после ее обработки диспергатором водо-мазутной эмульсии. 1.7. Представленные иллюстрации характеризуют глубину изменений структуры фаз многокомпонентных гетерогенных жидкостей, происходящих при кавитационной обработке. На микрофотографии рис. 1.2. дисперсность вкраплений воды (дисперсной фазы) в мазут (дисперсионную среду) превышает 100 микрометров. При этом в общем объеме отобранных проб мазута не существует каких-либо закономерностей в распределении фаз (возможно существование локальных областей абсолютно «сухих», то есть не содержащих воду, объемов мазута в общем объеме топливохранилища, а также наличие достаточно крупных локальных его объемов, заполненных исключительно водой – так называемых водяных линз и мешков). Использование водо-мазутных смесей такого качества сопряжено с технически неразрешимыми проблемами в обеспечении надежного, экономичного и экологически чистого функционирования топливосжигающих установок (бойлеров, энергетических котлов теплоэлектростанций, технологических печей), что характерно для современных тяжелых и компаундированных мазутов, получаемых после углубленной переработки нефти.

1.8. Напротив, на микрофотографии обработанного диспергатором исходного мазута, рис. 1.3., дисперсность водяных шариков в мазуте не превышает 5 микрометров. Вкрапления воды в общем объеме мазута имеют равномерное распределение. Размерность капель диспергированной в мазуте воды практически одинакова по всему объему топливохранилища. То есть, в результате обработки в кавитационном гидродинамическом диспергаторе исходной водо-мазутной смеси происходит ее преобразование в гомогенную тонкодисперсную водо-мазутную эмульсию. Причем ввиду наличия в мазуте, как продукте переработки сырой нефти, достаточного количества природных поверхностно активных веществ – эмульгаторов (их роль в нефти выполняют тяжелые асфальто-смолистые фракции), тонко диспергированная вода заключена в сольватную оболочку, препятствующую прямому контакту и укрупнению за счет слияния соседних капель воды. Таким образом получаются суперстойкие эмульсии, сохраняющие свою структуру и свойства длительное время после кавитационной обработки (от нескольких месяцев до нескольких лет). 1.9. После кавитационной обработки мазут, имеющий в исходном состоянии неоднородную «комковатую» структуру (характерно для мазутов длительного хранения) и плохие способности к перекачиванию, фильтрации, тонкому распыливанию форсунками и надежному горению, преобразуется в однородную тонкодиспергированную (по включениям воды, высоковязким асфальто-смолистым и твердым компонентам) субстанцию, у которой указанные выше свойства соответствуют нормативным требованиям. На рис. 1.4. приведены фотографии исходного мазута (слева), признанного не годным к дальнейшему хранению и использованию по назначению ввиду потери им способности к воспламенению и устойчивому горению, и того же мазута, подвергнутого кавитационной обработке (справа), после которой он был использован по прямому назначению с высокой тепловой эффективностью и надежностью сжигания в топках.

2. Гидродинамическая кавитационная обработка мазутов. Технико-экономические преимущества использования ВМЭ в качестве жидкого котельного топлива.

Гидродинамическая кавитационная обработка мазутов может быть осуществлена непосредственно на топливосжигающих объектах (производственных и отопительных котельных, тепло – электростанциях, технологических производственных печах) с полным использованием штатного оборудования систем циркуляции и нагнетания мазута к горелочным устройствам. Гидродинамический диспергатор может устанавливаться в двух вариантах. Первый - в линии рециркуляции мазутного хозяйства объекта (при этом обеспечивается последовательная автономная обработка топлива в любой из емкостей с последующим длительным хранением и использованием полученной при циркуляции топлива через диспергатор ВМЭ) - рис. 2.1. И второй – непосредственно в линии нагнетания топлива к горелочным устройствам. Однако в этом случае не обеспечивается гарантированное решение задач исключения возможных проскоков к горелкам водяных линз, а также полной гомогенизации и получения однородной стойкой ВМЭ во всем объеме мазутохранилища. Вместе с тем, установка диспергатора непосредственно у горелки дополнительно обеспечивает получение так называемых короткоживущих активных углеводородных радикалов, существенно повышающих (предпламенная подготовка) интенсивность процессов горения, не успевающих рекомбинировать в исходные молекулы до вступления в окислительные процессы в топке котла. В связи с этим вариант комплексной установки диспергаторов является экономически и технически наиболее целесообразным.

Переход на использование в топливосжигающих установках водо-мазутных эмульсий взамен традиционных мазутов обеспечивает следующие преимущества: • Существенно упрощается технология и снижаются энергозатраты на подготовку жидкого топлива к сжиганию в топках котлов и бойлеров. Это достигается тем, что из цикла топливоподготовки исключаются операции отстаивания, дренирования и очистки загрязненной нефтепродуктами подтоварной воды. Таким образом не требуется расходов пара и электроэнергии на длительный прогрев топлива в емкостях хранения, обеспечивающих отстаивание воды (присутствующей в мазуте после его приемки и парового разогрева перед сливом из цистерн, так как в процессе предсливных операций в мазут за счет конденсации пара разогрева может быть введено 6-10% воды). Вся эта вода может быть с пользой для улучшения характеристик топлива переработана кавитационным диспергатором в ВМЭ. Этим обеспечивается возможность создания бессточных мазутных хозяйств, исключающих сбросы замазученных и замасленных вод в окружающую среду. • Хранение ВМЭ в мазутных емкостях может осуществляться при значительно более низких температурах по сравнению с регламентом длительного хранения мазутов. Это обеспечивает, наряду с экономией тепловой энергии на поддержание температурных условий хранения топлива, сохранение его качественных характеристик (меньше испаряется легких углеводородов, не ухудшаются текучесть и гомогенность топлива, его способность к воспламенению в топке, не происходит выпадение парафиновых фракций); • Обеспечиваются технические условия для продления сроков длительного хранения мазута в качестве резервного топлива. Гарантийный срок хранения мазутов до начала использования по назначению (для сжигания), как правило, не превышает 3-5 лет. Периодическая кавитационная обработка мазутов длительного хранения позволяет восстанавливать исходные кондиции мазутов непосредственно на местах хранения и использования. За счет этого гарантируется отсутствие проблем со сжиганием мазутов со сроками хранения 10-15 лет и более. Это позволяет исключить затраты на энергетическую утилизацию застарелых мазутов и обновление запасов резервного топлива, а также вовлечь в топливный баланс законсервированные мазуты стратегического запаса, подлежащие периодическому обновлению; • Повышается экологическая безопасность котельных установок и надежность работы оборудования. Рационально организованный процесс сжигания ВМЭ позволяет по сравнению со сжиганием неэмульгированного мазута снизить содержание в дымовых газах окислов азота N0х на 20-40%, сажи на 70–80%, оксидов серы на 10 -15 %. Происходит более глубокое выгорание топлива, уменьшаются золовые отложения по газовому тракту; повышается надежность работы котельного оборудования. Переход на сжигание ВМЭ всегда приводит к снижению концентраций оксидов азота СN0х в продуктах сгорания в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха α' по сравнению с режимами сжигания неэмульгированного мазута (рис. 2.2). Величина снижения ΔсN0х зависит от влажности ВМЭ и при влажности 10—12% составляет ΔсN0х = 50—60 мг/м3. Однако если перейти от исходного режима (Wp=5%; α'=1,2) к режиму, сочетающему пониженные избытки воздуха (α' = 1,10) и работу на ВМЭ с влажностью около 12%, то суммарное снижение концентрации оксидов азота достигает 140 мг/м3. Еще более резкое снижение достигается в режимах с повышенной влажностью ВМЭ (Wp=18-20%), но это не является базовым решением по технико-экологическим соображениям. Окончательное решение о допустимом влагосодержании водо-мазутной эмульсии определяется эколого–технико–экономической оптимизацией. • Обеспечивается высокая полнота сгорания топлива на режимах со сверхмалыми избытками подачи воздуха. Об этом свидетельствует близкая к нулю концентрация СО в продуктах сгорания и отсутствие чёрного дымового факела на выходе из дымовой трубы. В основе физических предпосылок повышения полноты сгорания топлива лежит свойство ВМЭ обеспечивать так называемый «вторичный распыл» топлива непосредственно в зоне смешения с воздухом в высокотемпературной зоне топки котла (бойлера). В распыленных форсункой каплях ВМЭ содержится большое количество микро-капелек воды, которые при прогреве топлива интенсивно испаряются, разрывая окружающую их мазутную оболочку, и образуют из исходной капли распыленного топлива множество капель меньшей дисперсности. Это заметно повышает суммарную площадь поверхности контакта горючего и кислорода воздуха, интенсификацию испарения мазута, уменьшение времени прохождения реакций окисления горючего, уплотнение факела, повышение его светимости и интенсификацию лучистого теплообмена в топке. Совокупность указанных факторов обеспечивает уменьшение потерь КПД котла (бойлера) с теплом уходящих газов, химическим и физическим недожогом топлива. Кроме того, для котлов (бойлеров), оборудованных дутьевыми вентиляторами и дымососами с частотно регулируемыми электроприводами обеспечивается возможность существенной экономии электроэнергии. • С особенностями процессов распыла ВМЭ связаны возможность снижения температур подогрева мазута перед подачей на сжигание (со 100-120оС до 65-70оС), а также снижение требований к параметрам распыливающего агента (пара или сжатого воздуха для паро-механических форсунок) вплоть до полного исключения его использования. В совокупности это позволяет снизить расход вырабатываемого котлами тепла на обеспечение собственных технологических нужд котельной. • Наряду с положительными изменениями внутритопочных процессов, обеспечиваемых улучшением распыла и полнотой выгорания топлива при одновременном уменьшении объемов подачи дутьевого воздуха при сжигании ВМЭ, существенное влияние на эффективность горения ВМЭ оказывают так называемые предпламенные процессы. Кавитационная обработка топлива непосредственно перед сжиганием обеспечивает приобретение ВМЭ новых свойств, связанных с изменениями молекулярного состава углеводородов мазута. В кавитационном поле происходят разрывы межатомных связей в сложных углеводородных цепочках с образованием короткоживущих активных радикалов. В традиционных технологиях сжигания жидкого котельного топлива разрыв межатомных связей осуществляется непосредственно в высокотемпературной зоне топок котлов. Данные реакции являются эндотермическими и на их осуществление затрачивается полезная тепловая энергия, вырабатываемая в топке котла. Вследствие этого происходит снижение интегральной температуры факела и теплоотдачи конвективным поверхностям нагрева. Теоретически установлено, что интегральные потери теплотворной способности и жаропроизводительности сложных углеводородов по сравнению с эквивалентным (по химической формуле углеводорода) количеством атомов углерода и водорода, могут достигать 5-7%. Таким образом, предпламенная подготовка топлива в кавитационном поле, направленная на преобразование молекулярной структуры и разрывы связей сложных углеводородов, может заметно обеспечить повышение интегральной температуры и теплоотдачи продуктов их сгорания. • В целом, совокупная реализация всех рассмотренных положительных моментов, связанных с использованием в качестве жидкого котельного топлива тонкодисперсных ВМЭ, может обеспечить существенное уменьшение удельных расходов топлива на выработку единицы тепловой энергии в отопительных и производственных котельных (тепловой и электрической энергии для тепло- электростанций - ТЭС), технологических печах и снижение экологической нагрузки на окружающую природную среду. В зависимости от технического состояния котельного и вспомогательного технологического оборудования и исходного качества организации процессов подготовки и сжигания топлива экономический и экологический эффект от перехода теплоэнергетического оборудования к работе на ВМЭ может достигать: 1. от 1%-2% экономии мазута для крупных энергетических объектов типа ТЭС до 8%-10%, а в отдельных случаях и больше, для котельных малой и средней мощности. 2. Экологический эффект от перехода на сжигание ВМЭ прогнозируется на уровне 20%-40% снижения суммарных выбросов оксидов азота и 10%-15% оксидов серы. 3. Полностью исключаются сбросы загрязненных нефтепродуктами подтоварных вод в системы канализации. 4. Кроме того, при условии комплектации электродвигателей дутьевых вентиляторов и дымососов системами частотного регулирования приводов, может быть обеспечено до 50% снижения их энергопотребления.

3.Техническое описание диспергатора для кавитационной обработки мазутов

Диспергатор - пассивное гидродинамическое устройство (без движущихся частей), предназначенное для подготовки к сжиганию обводненных и по другим причинам некондиционных жидких котельных топлив (мазута, печного топлива). Область применения: обработка различных марок жидкого котельного топлива с содержанием в производственных условиях влаги до 30% в системах подготовки топлива на теплоэнергетических объектах теплоснабжения и энергоснабжения (тепловые электростанции, котельные) любой мощности и технологических печах, использующих жидкое котельное топливо в качестве основного или резервного (аварийного).

1 - мазутопровод подачи мазута к насосу рециркуляции (либо нагнетания) топлива; 2 - мазутопровод возврата мазута в емкость хранения (либо подачи мазута к горелкам котлов); 3 - байпасная линия; 4 - сливной патрубок (пробоотборник) с запорным вентилем; З-1,2,3 – задвижки; З-4 – запорный вентиль; М-1,2- манометры для контроля давления на входе и выходе диспергатора; Д- диспергатор, Н-насос, Ф- фильтр. Общие требования по монтажу, эксплуатации и техническому обслуживанию диспергаторов приводятся в техническом паспорте и инструкции по эксплуатации. Схема установки диспергатора предполагает циркуляцию водо-мазутной смеси из резервуара насосом через диспергатор и уже обработанного топлива (водо-мазутной эмульсии) обратно в резервуар (рис. 2.1.) с возможностью проведения переключений системы для приготовления водо-мазутной эмульсии в любой из имеющихся емкостей. Настройка диспергатора производится представителями предприятия-разработчика с учетом следующих параметров: - производительность насоса, подающего водо-мазутную смесь в диспергатор, Q (м3/час); - рабочее давление подающего насоса, Р (мПа), давление полного перепуска предохранительного клапана насоса Рпер (мПа); - общее гидравлическое сопротивление мазутопровода, гидравлическое сопротивление участка мазутопровода после диспергатора; - объем мазута в мазутохранилищах, подлежащий обработке диспергатором; - плотность, кинематическая вязкость, влагосодержание, температура, срок хранения мазута; Длительность работы диспергатора, включенного по типовой схеме рециркуляции, для обработки всего объема мазута V (м3), находящегося в емкости, составляет Т=(1,5...2,0)*(V/Q), (час). В процессе работы диспергатора контролируется падение давления на диспергаторе. Перепад может быть в диапазоне δ=0,1…0,5 (мПа). В случае повышения давления на входе в диспергатор свыше Рраб более чем на 0,3…0,5 мПа, либо снижении давления после диспергатора до величин, при которых нарушается режим работы форсунок котлов (при включении диспергатора в линию подачи топлива на горелки), необходимо снять диспергатор с установочных фланцев, не разбирая его, и продуть его паром или горячей водой в направлении, обратном направлению подачи мазута. Не допускается производить разборку диспергатора и нарушать его пломбировку. Рекомендуется производить еженедельную чистку фильтров грубой и тонкой очистки мазута мазутного хозяйства. В случае пополнения мазута в емкости необходимо провести дополнительную обработку мазута длительностью Т.