Разработка технологических основ получения и подготовки водно-мазутных эмульсий в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Штагер, Виктор Петрович

• Штагер, Виктор Петрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Штагер, Виктор Петрович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Физико-химические свойства топлив и водно-топливных эмульсий и особенности их транспортировки, хранения и подготовки для сжигания.

1.2. Существующие методы и технологии получения и подготовки топливно-водяных эмульсий в гидродинамическом режиме для сжигания.

1.3. Существующие методы и технологии подготовки топлив в газодинамическом режиме для сжигания.

1.4 Физико-химические основы фазовых переходов в воде с образованием кластеров, радикалов и перекиси водорода в процессе кавитации.

1.4.1. Разложение ассоциатов воды под действием механических (докавитационных) колебаний в СВЧ-излучения.

1.4.2. Соно- и криолюминесценция воды.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2. Описание технологии подготовки топливноводяных эмульсий и способа интенсификации их горения на существующих энергетических объектах.

2.1. Разработка гидродинамического кавитационного и ультразвукового преобразователя топлива и схемы его привязки к энергетическому комплексу.

2.2. Исследование состава мазута, обработанного в гидродинамическом режиме в смеси с водой.

2.3. Исследование структуры мазута, обработанного в смеси с водой в гидродинамическом режиме.

2.4. Разработка гидродинамической технологии получения и подготовки эмульсий мазут-вода для сжигания на промышленном комплексе.

2.4.1. Схема установки гидродинамического преобразователя в системе мазутного хозяйства котельной.

2.4.3. Подготовительные работы и результаты испытаний.

2.4.4. Концентрация вредных выбросов при испытаниях. *.

2.4.5. Температура топлива по тракту мазутного хозяйства котельной.

2.4.6. Надежность работы гидродинамического преобразователя. 100 Выводы.,.^

Глава 3. Разработка технологии получения и подготовки эмульсий мазут вода в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания на промышленных комплексах.

3.1. Краткое описание установки.

3.1.2. Схема включения гидродинамического преобразователя и электромеханического воздушного генератора.

3.2. Методика и условия проведения испытаний.

3.3. Подготовительные работы и результаты испытаний.

3.3.1. Концентрация вредных выбросов при испытаниях.

3.3.1.1. Оксид углерода.

3.3.1.2. Оксиды азота.

3.3.1.3. Диоксид серы.

3.3.1.4. Сажа.

3.4. Сжигание отработанных нефтепродуктов.

3.2.7. Оценка надежности работы гидродинамического преобразователя и электромеханического воздушного генератора. 123 Выводы .о.*.»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических основ получения и подготовки водно-мазутных эмульсий в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания»

Актуальность проблемы.

В процессе транспортировки, подготовки и сжигания топлив (мазута и др.) образуется большое количество отходов - водо-мазутные эмульсии, остатки, скапливающиеся при очистке нефтеналивных судов и железнодорожных цистерн, отработанные масла, отходящие дымовые газы и др., загрязняющие окружающую среду.

Другими проблемами являются хранение, подогрев и сжигание топлив (мазута и др.), требующие больших энергетических и капитальных затрат из-за неэффективного распыла высоковязкого мазута, трудностей его обезвоживания, закоксовывания форсунок, потерь тепла с отходящими газами и др. Кроме этого, в настоящее время испытывается острый дефицит в топливе и остро встает вопрос об энергообеспечении регионов страны и защите окружающей среды на топливно-энергетических и промышленных предприятиях.

Для решения вышеуказанных проблем представляет интерес использование способности топлив (мазута) образовывать эмульсии с водой, позволяющие уменьшить расход топлива при сжигании. Существующие способы получения таких эмульсий основаны на использовании механических диспергаторов, ультразвуковых установок, кавитационных аппаратов, а также методов барботирования через топливо сжатого воздуха, пара и др.

Несмотря на имеющиеся публикации, технологические основы получения устойчивых водно-мазутных эмульсий разработаны недостаточно, а применяемые в настоящее время методы приготовления эмульсионных систем мазут-вода являются низкопроизводительными и экономически неэффективными из-за больших расходов мазута при сжигании и потерь тепла на нагрев эмульсионной воды.

Для повышения эффективности сжигания эмульсий топливо-вода обычно используют процессы газодинамической или колебательной активации газа (воздуха и др.). Однако разработанная в настоящее время аппаратура для газодинамической активации сложна и неустойчива в работе.

Цель работы.

Разработка экономически эффективной газо- и гидродинамической технологии получения и подготовки водно-мазутных эмульсий (П-топлива) для сжигания и аппаратуры для осуществления этих процессов.

Научная новизна.

При обработке смесей мазута с водой в гидродинамическом режиме установлено образование устойчивых водно-мазутных эмульсий состава мазут/вода = 4/1 масс.

При получении эмульсионной системы мазут-вода в гидродинамическом режиме установлены: экзоэффект и увеличение интенсивности (I) полос симметричных валентных и деформационных колебаний групп СН2 и СН3 углеводородов мазута в ИК-спектрах по отношению к I полос антисимметричных колебаний СН2 и СН3 соответственно, обусловленные образованием в системе углеводородных и гидроперекисных радикалов.

При сжигании водно-мазугных систем, включающих до 35% масс, воды, в гидродинамическом режиме показано устойчивое образование оксидов азота, связанное с образованием перекиси водорода из воды. При сжигании водно-мазутных систем в газо- и гидродинамическом режимах обнаружено образование дополнительных количеств оксидов азота, обусловленное активацией компонентов воздуха (кислорода, азота и др.).

Практическая значимость работы.

Разработаны гидродинамический кавитационный ультразвуковой преобразователь топлива и технология получения и подготовки топливно-водяных эмульсий для их сжигания, электромеханический воздушный генератор (ЭМВГ) для газодинамической подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой и технология для интенсификации горения водно-мазутных систем в газодинамическом режиме. Разработаны методика и программа для расчета и выбора параметров ЭМВГ.

На основе зависимостей: концентрации оксида углерода в дымовых газах от массы воды, подаваемой в мазут, и расхода сухого топлива (мазута) от содержания воды в топливно-водяной эмульсии установлено оптимальное соотношение вода/мазут на получение 1 т пара, равное 1/5-1/4 по массе. При оптимальном содержании воды в мазуте 20-25% достигается минимальный расход сухого мазута (около 75% по отношению к сжиганию сухого мазута) на выработку тонны пара и максимальный прирост КПД котла, равный 19%.

Внедрение результатов работы.

Технология получения и гидродинамической подготовки топливно-водяных эмульсий для сжигания и кавитационный ультразвуковой аппарат внедрены в схеме мазутного хозяйства ОАО

-л

Михалюм» (г. Михайловск, Свердловской области) для котельной с расходом топлива до 10 т/час.

Технология получения и подготовки топливно-водяных эмульсий в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания внедрена на сушильно-смесительном комплексе дорожно-строительного управления г. Екатеринбурга для сушки черного щебня и приготовления асфальтобетонных смесей с производительностью по щебню до 50 т/час.

На защиту выносятся:

1. Гидродинамический кавитационный ультразвуковой преобразователь топлива, технология и способ получения и подготовки топливно-водяных эмульсий для сжигания.

2. Электромеханический воздушный генератор для газодинамической подачи воздушного потока, привязанный к топочной системе, технология и способ интенсификации горения водно-мазутных систем в газодинамическом режиме.

3. Технология получения устойчивой водно-мазутной эмульсии (П-топлива) состава мазут/вода ~ 4/1 масс.

4. Технологические основы (режимы) получения и подготовки водно-мазутных систем на промышленных комплексах в газо- и гидродинамических условиях для сжигания.

5. Закономерности образования водно-мазутных систем и продуктов их сгорания - оксида углерода, азота и др. в зависимости от массового соотношения мазут/вода в газо- и гидродинамическом режимах.

Апробация работы

Апробация работы проводилась на промышленных объектах: котельной ОАО «Михалюм», г. Михайловск Свердловской области, сушильно-смесительном комплексе по производству черного щебня на асфальтовом заводе ЕДСУ-1 г. Екатеринбург, заводе теплоизоляционных материалов г. Екатеринбурга и др.

Публикации,

Технология получения, подготовки и сжигания водно-мазутных смесей в газо- и гидродинамическом режимах и аппаратура для проведения этих процессов защищены патентами РФ № 98112164 от 02.12.98 и № 97115151 от 18.01.99.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и приложений, заключения, библиографии. Объем работы - 169 е., из них основной текст - 135 с. таблиц - 8, рисунков - 42, библиография из 69 наименований, приложение - 34 с.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Штагер, Виктор Петрович

ВЫВОДЫ:

1. При сжигании водно-мазутных систем в газо- и гидродинамическом режимах обнаружено образование дополнительных количеств оксидов азота, обусловленное активацией компонентов воздуха (кислорода, азота и др.).

2. Разработан электромеханический воздушный генератор (ЭМВГ) для газодинамической подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой и технология для интенсификации горения водно-мазутных систем в газо- и гидродинамическом режимах. Разработана методика и программа для выбора параметров ЭМВГ.

3. Технология получения и подготовки топливно-водяных эмульсий в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания внедрена на сушильно-смесительном комплексе дорожно-строительного управления г. Екатеринбурга для сушки черного щебня и приготовления асфальтобетонных смесей с производительностью по щебню до 50 т/час.

4. Показано уменьшение количества вредных выбросов с дымовыми газами при сжигании систем мазут-вода, обработанных в газо- и гидродинамическом режимах,

125 обусловленное понижением в три раза расхода сухого мазута при его сжигании.

5. Разработана технология получения устойчивой эмульсии мазут-вода (П-топливо) как коммерческого продукта (для сжигания.

6. Показана возможность эффективного сжигания отработанных нефтепродуктов с влажностью до 30% масс., обработанных в газо- и гидродинамическом режимах.

7. Использование газо- и гидродинамического режимов получения и подготовки водно-мазутных систем для сжигания позволяет: в три раза сократить расход сухого мазута при его сжигании, исключить энергозатраты на выпаривание мазута, повысить температуру в технологическом цикле и за счет этого дополнительно сократить расход топлива, уменьшить валовые выбросы оксида углерода в 9 раз, оксидов азота - на 50%, диоксида серы - в 3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для решения проблемы транспортировки, хранения, подогрева и сжигания мазута проведена разработка технологических основ получения и подготовки водно-мазутных систем в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания и конструкций аппаратов для кавитационной обработки водно-мазутных смесей и газов.

Экспериментально доказано, что при обработке смесей мазута с водой в гидродинамическом режиме образуются устойчивые водно-мазутные эмульсии состава мазут/вода ~ 4/1 масс.

При получении эмульсионной системы мазут-вода в гидродинамическом режиме установлены: экзоэффект и увеличение интенсивности (7) полос симметричных валентных и деформационных колебаний групп СН2 и СН3 углеводородов мазута в ИК-спектрах по отношению к I полос антисимметричных колебаний СН2 и СН3 соответственно, обусловленные образованием в системе I углеводородных и гидроперекисных радикалов. Происходит изменение структурного и фракционного состава мазута при обработке его смесей с водой в гидродинамическом режиме. Часть воды и легкой фракции мазута переходят в газовую фазу при кавитационной обработке смесей.

При сжигании водно-мазутных систем, включающих до 35% масс, воды, в гидродинамическом режиме показано устойчивое образование оксидов азота, связанное с образованием перекиси водорода из воды.

На основе зависимостей: концентрации оксида углерода в дымовых газах от массы воды, подаваемой в мазут, и расхода сухого топлива (мазута) от содержания воды в топливно-водяной эмульсии установлено оптимальное соотношение вода/мазут на получение 1 т пара, равное 1/5-1/4 по массе. При оптимальном содержании воды в мазуте 20-25% достигается минимальный расход сухого мазута (около 75% по отношению к сжиганию сухого мазута) на выработку тонны пара и максимальный прирост КПД котла, равный 19%.

При сжигании водно-мазутных систем в газогидродинамическом режимах обнаружено образование дополнительных количеств оксидов азота, обусловленное активацией компонентов воздуха (кислорода, азота и др.).

В результате проведенных исследований разработаны гидродинамический кавитационный ультразвуковой преобразователь топлива и технология получения и подготовки топливно-водяных эмульсий для их сжигания, электромеханический воздушный генератор (ЭМВГ) для газодинамической подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой и технология для интенсификации горения водно-мазутных систем в газодинамическом режиме. Разработаны методика и программа для расчета и выбора параметров ЭМВГ.

Технология получения и гидродинамической подготовки топливно-водяных эмульсий для сжигания и гидродинамический кавитационный ультразвуковой аппарат внедрены в схеме мазутного хозяйства ОАО «Михалюм» (г. Михайловск, Свердловской области) для котельной с расходом топлива до 10 т/час.

Технология получения и подготовки топливно-водяных эмульсий в газо- и гидродинамическом режимах для сжигания

128 внедрена на сушильно-смесительном комплексе дорожно-строительного управления г. Екатеринбурга для сушки черного щебня и приготовления асфальтобетонных смесей с производительностью по щебню до 50 т/час.

На этом же комплексе показана возможность сжигания отработанных нефтепродуктов с влажностью до 30% (смазочных жидкостей) в газо- и гидродинамическом режимах.

На основе полученных данных разработана технология получения устойчивой эмульсии мазут-вода (П-топливо) как коммерческого продукта.

Использование газо- и гидродинамического режимов получения и подготовки водно-мазутных систем для сжигания позволяет: в три раза сократить расход сухого мазута при его сжигании, исключить энергозатраты на выпаривание мазута, повысить температуру в технологическом цикле и за счет этого дополнительно сократить расход топлива, уменьшить валовые выбросы оксида углерода в 9 раз, оксидов азота - на 50%, диоксида серы - в 3 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Штагер, Виктор Петрович, 2000 год

1. Геллер З.И. Мазут как топливо. М.:. «Недра». 1965. С. 3-53, 129-191, 196-236.

2. Кафаров В.В. и Бибанов Б.В. Прибор для определения дисперсности .//Коллоидный журнал. 1958. Вып. 1

3. Иванов В.М., Кантарович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат. 1963. С. 3-69,90-144.

4. Бабошин В.М., Удилов В.М. Применение мазута в доменных печах. М.: Металлургия. 1983. С. 97-101.

5. Иванов В.М., Кантарович Б.В. и др. К вопросу об эффективном использовании высоковязких обводненных мазутов. //Химия и технология топлива. 1957. №1. С.

6. Нефедов П.И., Иванов В.М. Экспериментальное исследование поведения частиц жидкого топлива и топливно-водяных эмульсий в окислительной и нейтральной среде. /Труды ИГИ. М.: 1962. АН СССР. Т.19.

7. Григорян Г.М. Применение вязких крекинг-остатков в качестве топочного мазута. М.: ГОНТИ. 1939.

8. Бабошин В.М. Экспериментальные и теоретические исследования процессов горения и теплообмена при факельном сжигании мазута в металлургических печах. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. С. 21-28.

9. Журнал «Электрические станции». М.:. 1997. С. 70-73.

10. Воликов А.Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности. М.: Недра. 1989. С. 100-129.

11. Подымов В.Н., Северянин B.C., Щелоков Я.М. /Прикладные исследования вибрационного горения. Казань: Казанский университет. 1987.

12. Бабкин Ю.Л., Шилин А.Н. Блок камер пульсирующего горения для мазута БКПК-5000. Пульсационное горение. Челябинск: Труды НТО ЭП. 1968.

13. A.C. 249534 СССР, класс 241.5. Способ сжигания жидкого и пылевидного топлива. Б.И. М.: 26.12.1969.

14. A.C. 228217 СССР, класс 24 в. Устройство для пульсирующего горения. Б.И. 23.05.1969.

15. Гилод В.Я. Теплотехнические характеристики топлива. Использование газа и мазута в промышленности. /Современные методы сжигания жидкого топлива. ВИНИТИ. М.:1965. 1967.

16. A.C. 257665, класс 24. Вибрационная топка. Б.И. 12.10.1970.

17. Кубанский П.Н. К вопросу о влиянии ультразвука на процесс горения. //Теплоэнергетика. 1962. №1.

18. Гривнин Ю.А., Зубрилов A.C., Зубрилов С.П., Афанасьев A.B. -Динамика и структура кавитационной области при действии ультразвука. //Ж. физ. химии. 1996. Т. 70. № 3. С. 927-930

19. Маргулис М.А., Зубрилов С.П. О природе возникновения «шероховатостей» на поверхности пульсирующих пузырьков. //Ж.физ. химии. 1984. Т. 43. № 2. С. 483-486.

20. Дежкунов Н.В., Кувшинов В.И., Кувшинов Г.И., Прохоренко П.П. // Акустический журнал. 1980. Т. 26. С. 695.

21. Маргулис. М.А. Об определении понятий кавитации и кавитационных порогов. //Ж. физ. химии. 1986. Т. 60. № 3. С. 725-726.

22. Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В. Бабстоны - стабильные газовые микропузырьки в сильно разбавленных растворах электролитов. //ЖЭТФ. 1992. Т. 101. Вып. 2. С. 512-527.

23. Маргулис М.А. // Ж.физ. химии. 1985. Т. 59. С. 1497.

24. Margulis М.А. // Adv. In Sonochemistry. 1990. Vol. 1. P. 39-80.

25. Акуличев В. A. Мощные ультразвуковые поля. М. Наука. 1968. С. 129-166.

26. Вакс. В.Л., Домрачев Г.А., Родыгин ЮЛ., Селивановский Д.А., Спивак Е.И. Диссоциация воды под действием СВЧ-излучения. //Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1994. № 1. С. 149-154.

27. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский Д.А. Роль звука и жидкой воды как динамически нестабильной полимерной системы в механохимически активированных процессах продуцирования кислорода в условиях Земли. //Ж.физ. химии. 1992. Т. 66. № 3. С. 851-855.

28. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский Д.А. -Высокочистые вещества. 1991. № 5. С. 187-189.

29. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский Д.А. -Механохимическое активированное разложение воды в жидкой фазе. //ДАН. 1993. Т. 329. Вып. 2. С. 186-188.

30. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М.: Химия. 1986.

31. Рабинович И. Б. Влияние изотопии на физико-химические свойства жидкостей. М.: Наука. 1968.

32. Шустрович Е.М. Новое в учении о валентности. М.: Знание. 1968. 45 с.

33. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия. 1967.

34. Watson W.F. The Mechano-chemical Reactions. In Chemical Reactions of Polimers. Ed. E. M. Fettes. Intersci. Publ. John Wilev and Sons. N. J. London, Sidney. 1964

35. Богородский B.B., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат. 1977.

36. Schwarz Н.А. // J. Phys. Chem. 1992. Vol. 96. P. 8337-8341.

37. Денисов В.Г. Константы скорости гомолитических жидкофазных реакций. М.: Наука. 1971.

38. Taylor K.J., Jarman P.D. //Austr. J. Phys. 1970. Vol. 23. № 3. P.319.

39. Didenko I.T., Gordeychuk T.V., Koretz V.L. // J. Sound Vibr. 1991. Vol. 147. No 3. P. 409.

40. Диденко Ю.Т., Пугач С.П., Квочка В. И., Настич Д.Н. //Ж.прикл. спектр. 1992. Т. 56. № 4. С. 618.

41. Verrall R.E., Sehgal С. Ultrasound: Its Chemical, Physical and Biological Effects. Ed. by K.S. Suslick. N.J.: VCH. Publ. 1988. P. 227-286.

42. Диденко Ю.Т., Настич Д.Н., Пугач С.П., Половинка Ю.А., Квочка В.И. Спектры сонолюминесценции соды при различных температурах. //Ж.физ. химии. 1994. Т. 68. № 11. С. 2080-2085.

43. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М.: Химия. 1986.

44. Домрачев Г.А., Родыгин Ю.Л., Селивановский Д.А. // Ж.физ. химии. 1992. Т. 66. № 3. С. 851.

45. Barber В.Р., Putterman S.J. // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 69. P.3839.

46. Смородов E.A., Валитов P.Б., Курочкин A.K., Маргулис М.А. // Ж.физ. химии. 1986. Т. 60. С. 648.

47. Исследование сонолюминесценции Новости физики в сети Интернет. УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1230.

48. Курочкин А.К., Смородов Е.А., Валитов Р.Б., Маргулис М.А. -Исследование механизма сонолюминесценции. 1. Фаза возникновения ультразвукового свечения жидкости.//Ж.физ. химии. 1986. Т. 60. № 3. С. 646-650.

49. Дмитриева А.Ф., Маргулис М.А. Одновременное воздействие двух частот акустических колебаний на скорость звукохимических реакций.//Ж.физ. химии. 1985. Т. 59. № 10. С. 646-650.

50. Розин Ю.П., Розина Е.Ю. Влияние газосодержания жидкости на физико-химические процессы, стимулированные кавитацией. //Ж.физ.химии. 1986. Т. 60. № 6. С. 1495-1500.

51. Семин B.C., Лапшин А.И. Исследование криолюминесценции водных систем./2-е Всесоюзное совещание по хемилюминенсценции. Тезисы докладов. Уфа. 1986. С. 79.

52. Трохан А.М., Лапшин А.И., Гудзенко О.И. -Криолюминесценция жидкостей.//ДАН СССР. 1984. Т. 275. № 1.

53. Дедюля И.В., Чураев Н.В. Реологические свойств льда с добавками ПАВ. //Коллоидный журн. 1987. Т. 49. № 3. С. 559563.

54. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. // Коллоидный журн. 1973. Т.35. № 4. С. 814.

55. Липсон А.Г., Кузнецов В.А. Формирование ассоциатов воды в силовых полях в присутствии неорганических примесей.//Ж.физ. химии. 1996. Т. 70. № 9. С. 1718-1722.

56. Патент № 2131087, Россия, класс 6F23K 5/13, F23D 11/34 «Гидродинамический кавитационный и ультразвуковой преобразователь топлива».

57. Патент № 2131557, Россия, класс 6F23R % «Устройство для пульсирующей подачи воздушного потока с регулируемой амплитудно-частотной характеристикой.

58. Трембовля В.И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия. 1977.

59. Типовая методика испытаний стационарных паровых котлов. МТ.000006-86.М.СП0.1986.

60. Пеккер Я.Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива. М.: Энергия. 1966.

61. Шульман В.Л. Методические рекомендации. Применение в отрасли технологических методов снижения выбросов оксидов азота. Свердловск: Уралтехэнерго. 1989.