CC BY
101
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 662.737
Н.И. Федорова, Ю.Ф. Патраков, В.Г. Сурков, А.К. Головко
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ГОРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТОПЛИВ, ПОЛУЧЕННЫХ КАВИТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Все стадии нефтепользова-ния, начиная с разведки и добычи нефти и заканчивая использованием нефтепродуктов, приводят к сильному загрязнению окружающей среды. При работе предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в атмосферу ежегодно выбрасывается около 2000 т химических веществ и сбрасывается в водные объекты более 70 млн. т загрязненных сточных вод [1]. Применяемые в настоящее время методы очистки сточных вод от нефтепродуктов дорогостоящие и не всегда высокоэффективные, особенно если воды сильно загрязнены. Кроме этого, твердые примеси, присутствующие в перерабатываемых и вспомогательных материалах на заводах нефтеперерабатывающей промышленности, приводят к образованию такого распространенного вида отходов, как нефтяные шламы, представляющие собой нефтяные остатки, содержащие в среднем 10-56% нефтепродуктов, 30-85% воды и 1-46% твердых примесей. Выход их составляет около 7 кг на 1 т перерабатываемой нефти, что приводит к скоплению огромных масс отходов на нефтеперерабатывающих предпри-
ятиях [2].
К сверхтяжелым фракциям нефтепереработки относятся гудроны, составляющие значительную часть продуктов дистилляции нефти. В зависимости от состава нефти и способа ее переработки эта часть может колебаться в пределах 10-35% выхода от массы нефти [3]. Не-
посредственно в качестве котельного топлива гудроны не могут быть использованы из-за их высокой вязкости, которая примерно в 10 раз выше, чем вязкость мазута М-100. В настоящее время часть гудрона (до 40%) перерабатывается в различные виды битумы и реализуется дорожно-
строительным организациям. Небольшое количество гудро-нов с добавлением до 30-35% среднедистиллятных и легких фракций перерабатывается в низкосортный (непригодный для хранения) дорогостоящий топочный мазут и реализуется потребителям по цене прямогонного мазута, что экономически невыгодно. Остатки гудрона закачивают в специальные хранилища, что небезопасно с экологической точки зрения и связано со значительными затратами [4].
С другой стороны, современные способы добычи и первичной переработки углей (сортировка и обогащение) сопровождаются накоплением больших количеств низкосортного топлива в виде отсевов мелких фракций и угольных шламов различной зольности, транспортировка, хранение и сжигание которых сопряжено с ухудшением экологической обстановки и со снижением эффективности работы технологического оборудования. Утилизация такого низкосортного топлива возможна в виде водоугольного топлива. Однако традиционное водоугольное топливо имеет относительно низкую калорийность, для повышения которой целесо-
образно приготавливать композиционное топливо, включая в его состав высококалорийные углеводороды, например, выше Указанные отходы нефтехимической промышленности, что позволило бы решить проблему их утилизации, более рационально подойти к решению проблемы энергосбережения, а также улучшить экологическую обстановку в регионах.
В то же время следует заметить, что традиционное использование жидких углеводородных продуктов нефтяного или угольного происхождения в качестве топлива в теплоэнергетических установках сопряжено со значительными трудностями в случае их обводненности. Вносимая с паром или попадающая в топливо иным способом вода распределяется, как правило, в виде слоевых или линзообразных скоплений, которые при подаче топлива к горелкам приводят к нарушению теплового режима топки или даже к срыву пламени. Следовательно, целесообразно превращать обводненные жидкие топлива в тонкодисперсные устойчивые водоуглеводородные системы, эффективность сжигания которых подтверждена многочисленными исследованиями и промышленным применением [5,6]. Для приготовления однородных композиционных топлив можно использовать современные высокоэффективные устройства, такие как дезинтеграторы, вибромельницы, аппараты вихревого слоя, проточные мельницы-активаторы, кавитационные аппараты. Например,
Таблица 1. Характеристика угля, использованного для приготовления КОВУТ
Марка угля Технический анализ, % Элементный состав, % на daf Н/С О/С
Wa Лй С Н (О+М+Я)
Д 3.6 5.0 79.3 5.5 15.5 0.83 0.15
принцип действия кавитатора основан на том, что грубая ор-гано-водо-угольная смесь проходит через решетки или каналы переменного сечения при этом происходит сильная тур-булизация и интенсивное перемешивание потока. В свою очередь это приводит к разрыву длинных полимерных цепей в нефтепродуктах, переводу их в новое структурное состояние, измельчению (диспергированию) до микронного уровня твердых частиц в жидкости, гомогенизации обрабатываемо-
го продукта и эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (например, мазут - вода),
Цель данной работы - исследование характера горения композиционных водосодержащих топлив различного состава, полученных с использованием насоса-кавитатора.
В качестве объектов исследования использовали композиционные органоводоугольные топлива (КОВУТ) приготовленные на основе мазута, отработанного моторного масла, воды и угля марки Д шахты «Грамо-
теинская», характеристика которого приведена в табл. 1.
Композиционные топлива были приготовлены на установке, разработанной ООО «Технокомплекс» (г. Барнаул), основным аппаратом которой является насос-кавитатор. Физикохимические характеристики топливных композиций приведены в табл. 2.
Полученные композиционные топлива достаточно стабильны. Наибольшей стабильностью обладает топливная смесь, приготовленная с использованием отработанного моторного масла, воды и угля, что вероятно связано с меньшей вязкостью и более высокими эмульгирующими свойствами масла по сравнению мазутом.
Поскольку горение гетерогенных углеводородных топлив
Таблица 2. Физико-химические характеристики КОВУТ
Определяемый параметр Смесь (1) на основе: отработ. масло + вода + уголь Смесь (2) на основе: мазут + вода + уголь Смесь(3) на основе: мазут + вода
Вязкость условная при 80 0С, град-1 Нет свободного истечения Нет свободного истечения 4.0
Температура застывания, 0С -0.5 Не определяется -15
Стабильность более 6 мес более 30 суток До 7 суток
Массовая доля, % уголь 45.0 60.0 нет
мазут (масло) 30.0 20.0 90.0
вода 25.0 20.0 10.0
Таблица 3. Время горения мазута, водомазутной эмульсии и КОВУТ
Состав Температура в муфельной печи, 0С Время кавитационной обработки, мин Время нагрева перед воспламенением, сек Время горения паров, сек
Мазут 500 0 10 5
500 5 5 5
500 15 6 5
600 0 3 5
600 5 2 4
600 15 2 4
700 0 0.5 2
700 5 0.5 2
700 15 0.5 2
Смесь (3): мазут + вода 500 10 5 5
600 10 2 4
700 10 1 2
Смесь (2): мазут + вода + уголь 500 15 30 35
600 15 24 19
800 15 3 10
Смесь (1): отработ. масло + вода + уголь 600 15 42 53
800 15 5 28
сложный и многостадийный процесс, то на данном этапе работы нами были выполнены исследования, позволяющие
дать только общую характеристику изучаемому процессу. Эксперименты по сжиганию топлив проводились в условиях моделирующих предварительный разогрев, испарение летучих компонентов КОВУТ и их сгорание в факеле пламени.
Опыты проводили в следующей последовательности.
Навеску исследуемого образца (мазут ~ 0,05 грамм, КОВУТ ~1 грамм) в чашечке из танталовой фольги, помещали в муфельную печь, нагретую до заданной температуры. Для обеспечения равномерности прогрева, муфель выдерживался при заданной температуре в течение 4 часов. С помощью секундомера измерялись время нагрева навески перед воспламенением и время горения летучих продуктов. Весовым методом определялся коксовый остаток после выгорания паров топлива. Измерения проводились не менее 3-х раз, полученные результаты усреднялись. Визуально оценивался характер горения исследуемых образцов. Полученные данные приведены в табл. 3.
При исследовании характера процесса горения исходного мазута, а также мазута и его смеси с водой подвергнутых кавитационной обработке, было установлено, что образцы, помещенные в муфельную печь при заданной температуре, в начале прогреваются, затем начинается испарение летучих продуктов, после чего происходит их вспышка, и далее топливо сгорает равномерным устойчивым пламенем. По мере увеличения температуры в муфельной печи задержка воспламенения уменьшается и при 700 0С топлива вспыхивают практически мгновенно (табл. 3). При этом следует отметить, что кавитационная обработка образцов мазута приводит к снижению времени перед воспламенением топлива. На рис. 1 при-
ведена зависимость выхода коксового остатка от температуры горения исследованных образ-
щихся в мазуте на более легкие фракции способных к полному их выгоранию при более низких
Температура, °С
Рис. 1. Зависимость выхода коксового остатка от температуры горения мазута: исходного (1), подвергнутого кавитационной обработке 5 мин (2), 15 мин (3) и в смеси с водой в течение 10 мин (4)
цов мазута.
Установлено, что образцы мазута, обработанные в насосе-кавитаторе, при всех исследованных температурах сгорают более полно, что особенно наглядно видно при температуре 500 0С, наблюдается снижение выхода коксового остатка практически в 2 раза. Вероятно это свидетельство того, что в ходе кавитационной обработки происходит деструкция части тяжелых углеводородов содержа-
температурах. При этом наилучшие результаты показала смесь мазута с водой (рис. 1). Полученный результат имеет практическую ценность, так как известно, что водомазутная эмульсия типа «вода в масле» образуется при принудительном смешивании и обладает устойчивостью, обусловленной высоким содержанием природных эмульгаторов в самом мазуте, которые образуют прочные адсорбционно-сольватные обо-
а б
Рис.2 . Фотографии горения композиционных органоводоугольных топлив,приготовленных на установке с использованием насоса-кавитатора, на основе:отработанного масла, воды и угля (а) и мазута, воды и угля (б)
лочки вокруг молекул воды. Капли такой водомазутной эмульсии, попадая в зону сгорания, подвергаются воздействию высоких температур. Вода, заключенная в оболочку топлива, нагревается и за счет разности температур кипения воды и мазута, переходя в парообразное состояние, разрывает оболочку, т.е. происходит «микровзрыв» каждой капли топлива. Это явление играет роль вторичного диспергирования топлива, тем самым, способствуя увеличению скорости и полноты его сгорания. Одновременное
уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур, снижение температурного уровня процесса горения вследствие затрат тепла на испарение воды, отсутствие локальных высокотемпературных зон из-за вторичного диспергирования топлива в самом факеле и уменьшение необходимости концентрации окислителя благоприятствуют снижению образования окислов азота в большей степени, чем
при непосредственном впрыске воды или пара в зону горения
[7].
Равномерное устойчивое горение наблюдается для КО-ВУТ приготовленного на основе угля, воды и отработанного моторного масла. Однако следует отметить, что его воспламенение происходит при более высокой температуре (600 0С), что вероятно связано с большей теплоемкостью изученной смеси.
Некоторое отличие в характере горения имеется для КО-ВУТ приготовленного с использованием мазута, воды и угля. При температурах 500 и 600 0С смесь воспламеняется с достаточно большой задержкой (30-25 сек) относительно водомазутной эмульсии. При возгорании смеси при данных температурах в факеле наблюдаются ярко светящиеся частички горящего угля и только при достижении температуры 800 0С происходит устойчивое горение композиционного топлива. Наличие святящихся частиц угля в
факеле, вероятно, объясняется меньшей гомогенностью данного топлива, т.е. наличием относительно крупных капель воды в его составе, что приводит к их более мощным «микровзрывам» при высоких температурах и как следствие к выносу угольных частиц из зоны горения. Для предотвращения данного явления, вероятно, необходимо скорректировать рецептуру данного КОВУТ в сторону увеличения жидкой фазы либо изменить время кавитационного воздействия.
Таким образом, проведенными исследованиями показано, что с использованием кавитационного принципа воздействия можно получать композиционные топлива различного состава, обладающие устойчивым равномерным горением.
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта РФФИ № 07-08-96020 Р_урал_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Госсен Л.П., Величкина Л.М. Экологические проблемы нефтегазового комплекса // Нефтехимия. 2006. Т. 46. №2. С. 83-88.
2. Кормилицин В.И., Исмаилов Э.Я. Огневое обезвреживание замазученных и замасленных вод энергетических предприятий // Российский химический журнал. 1997. №6. С. 67-68.
3. Батуева И.Ю., Гарле А.А., Поконова Ю.В. Химия нефти. Л.: Химия, 1984. 360 с.
4. Хилько С.Л., Титов Е.В. Получение и реологические свойства эмульсионных топливных композиций на основе гудронов // Журнал прикладной химии. 2000. Т. 73. Вып. 8. С. 1383-1386.
5. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. -М.: Из-во Академии горных наук, 2001. 176 с.
6. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. -М.: Металлургиздат, 1963. 181
с.
7. Горлов Е.Г. Композиционные водосодержащие топлива из углей и нефтепродуктов //Химия твердого топлива, 2004. №6. С. 50-61.
□ Авторы статьи:
Федорова Наталья Ивановна
- канд. хим. наук, с.н.с. лаб. химии и химической технологии угля Института угля и углехимии СО РАН (г. Кемерово)
Патраков Юрий Федорович
- докт. хим. наук, зав. лабораторией химии и химической технологии угля Института угля и углехи-мии СО РАН (г. Кемерово)
Сурков
Владимир Григорьевич
- канд. хим. наук, с.н.с. лаб. углеводородов и ВМС нефти Института химии нефти СО РАН (г. Томск)
Головко Анатолий Кузьмич
- докт. хим. наук, зав. лабораторией углеводородов и ВМС нефти Института химии нефти СО РАН (г. Томск)
