CC BY
9УДК
M.A. Lebedskoy-Tambiev, N.V. Lisitsin, O.M. Flisiuk
EXPERIMENTAL STUDY OF RECEIVING WATER EMULSION FUEL, ON THE BASIS OF OILY WASTE
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University) Moskovsky Pr. 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: flissiyk@mail.ru
This article is dedicated to receiving water emulsified fuel on the basis of flooded oily waste. Energy consumption during the process depends on the time of processing a mix in a vibrocavitational homogenizer, the frequency of the rotor rotation and the concentration of water are experimentally studied. It is established that the power spent for mixing and formation with a constant rotation frequency eventually decreases to 50 % in the process of rime, and grows to 30 % with an increase of the moisture concentration in raw materials.
Keywords: vibrocavitational homogenizer, water emulsified fuel, power, water concentration
35.6
М.А. Лебедской-Тамбиев1, Н.В. Лисицын2, О.М. Флисюк3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПОЛУЧЕНИЯ
ВОДОЭМУЛЬСИОННОГО
ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ
НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ
ОТХОДОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., д. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: flissiyk@mail.ru
Статья посвящена получению водоэмульсионного топлива на основе обводненных нефтесодержащих отходов. Экспериментально изучены энергозатраты на процесс в зависимости от времени обработки смеси в виброкавитационном гомогенизаторе, частоте вращения ротора и концентрации воды. Установлено, что мощность затрачиваемая на перемешивание и образование эмульсии при постоянной частоте вращения с течением времени уменьшается до 50 %, а с увеличением концентрации влаги в сырье растет до 30 %.
Ключевые слова: виброкавитационный гомогенизатор, водоэмульсионное топливо, мощность, концентрация воды
DOI: 10.15217Zissn1998984-9.2014.26
Одним из направлений переработки обводненных жидких нефтесодержащих отходов с малым содержанием твердой минеральной фазы (3-5%) и содержанием углеводородов не менее 60-65% является получение водоэмульсионного топлива (ВТ). В таком топливе содержание водной части может достигать 30% и оно в основном используется, как котельное. При этом минеральная часть и вода должны подвергаться измельчению, в результате которого размер частиц твердой фазы не должен превышать 10 мкм для того, чтобы топливная смесь была устойчиво однородной. Опыт эксплуатации котельных агрегатов на таком топливе показал, достаточно высокий кпд и хорошие экологические показатели - низкое содержание вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, образующихся в результате сжигания. Наличие значительного количества воды в ВТ приводит к образованию большого количества водяного пара, что оказывает существенное влияние на горение топлива
и позволяет существенно снизить выброс вредных веществ в атмосферу [1-6].
Механизм воздействия воды на горение топлива изучен достаточно подробно [7,8]. Так как капли воды малого размера начинают кипеть раньше углеводородов, то происходит «микровзрыв» капли ВТ, при этом улучшается распыление топлива. Кроме того, вода является катализатором горения, особенно для углерода (сажи), что также повышает полноту сгорания топлива.
Что же касается изучения механизма распада частиц дисперсной фазы в получаемой эмульсии, затрат энергии в зависимости от режимов работы виброкавитационно-го гомогенизатора и свойств среды, то эти вопросы до сих пор остаются слабо изученными, особенно при получении ВТ на основе нефтесодержащих отходов.
Экспериментальное изучение получения ВТ из нефтесодержащих отходов проводилось на лабораторной установке с виброкавитационным гомогенизатором периодического действия [9], схема и фото которой представлены на рисунке 1.
1 Лебедской-Тамбиев Михаил Андреевич, генеральный директор ООО «Ленгипронефтехим» наб. Обводного канала, 94, Санкт-Петербург, 196084,Россия, e-mail: lgnch@lgnch.spb.ru
Lebedskoy-Tambiev Mikhail A. General Director LLC "Lengiproneftechim", 94 Obvodny Channel, St-Petersburg, 196084, Russia, e-mail: lgnch@lgnch.spb.ru
2 Флисюк Олег Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. процессов и аппаратов, e-mail: flissiyk@mail.ru Flisiuk Oleg M. Dr Sci (Eng.), Professor, Head of Processes and Mashine Department, e-mail: flissiyk@mail.ru
3 Лисицын Николай Васильевич, д-р техн. наук, ректор, профессор каф. ресурсосберегающих технологий, e-mail: rector@technolog.edu.ru Lisitsyn Nikolai V., Dr Sci (Eng.), Rector, Professor of Departmentof Resource-Saving Technologes , e-mail: rector@technolog.edu.ru
Дата поступления - 10 декабря 2014 года Received December 10, 2014
а) - схема
б) - фото
Рисунок 1. Схема лабораторной установки для получения водоэмульсионного топлива: Е - емкость для ВТ; ВКГ -виброкавитационный гомогенизатор; МР - мотор-редуктор; Ш -штатив, UZ1 - частотный регулятор
В качестве сырья были использованы нефтесо-держащие отходы месторождений Самарской области с содержанием углеводородов 81,3 %, воды - 18,7 %. Это сырье проходило предварительную подготовку - влага полностью выпаривалась, а затем добавлялась в количестве 10% и 20% к оставшейся части углеводородов. Для сравнения опыты проводились и на обезвоженном сырье.
Целью экспериментального исследования было определение мощности на перемешивание и создание водоэмульсионного топлива, т.е. диспергирование водяной фракции.
Для этой цели асинхронный электродвигатель мощностью 250 ватт подключался к частотному регулятору типа ACS 550, мощностью 1,1 квт. Схема аппарата представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Чертеж виброкавитационного гомогенизатора аппарата: 1 - крышка; 2 - втулка; 3 - статор; 4 - крыльчатка;
5 - ротор; 6 - нижняя втулка; 7 - стакан; 8 - втулка сальниковая;
9 - прокладка; 10 - заглушка
Гомогенизатор представляет аппарат, состоящий из статора и ротора, вращающегося с высокой скоростью.
Работа аппарата осуществляется следующим образом. Предварительно подогретое до температуры 75 °С сырье загружалось в стакан 7 в количестве 0,2 литра, затем включался электродвигатель и сырье обрабатывалось при заданной частоте вращения, замерялась мощность, а пробы для анализа отбирались через 1 минуту. В полученных значениях мощности учитывалась мощность холостого хода, которая предварительно измерялась для каждого значения частоты вращения ротора. В течение
опыта разогрев обрабатываемого сырья составлял несколько градусов, поэтому не оказывал существенного влияния на изменение вязкости среды. Каждый опыт проводился в течение 5 минут. Результаты опытов представлены на рисунках 3-5.
I, мин
Рисунок 3. Изменение мощности во времени при различной частоте вращения ротора при обработке обезвоженного сырья (0% воды): 1 - 2000 об/мин; 2 - 3000 об/мин; 3 - 4000 об/мин; 4 - 5000 об/мин.
Частота вращения ротора двигателя варьировалась в пределах 2000-5000 оборотов в минуту.
Рисунок 4. Изменение мощности во времени при различной частоте вращения ротора при обработке обезвоженного сырья (10 % воды): 1 - 2000 об/мин; 2 - 3000 об/мин; 3 - 4000 об/мин; 4 - 5000 об/мин.
Рисунок 5 Зависимость мощности от частоты вращения ротора при различном содержании воды. 1- содержание воды 0 %; 2 - содержание воды -10 %; 3 - содержание воды 20 %.
Анализ приведенных результатов на рисунках 3 и 4 показал, что наибольшие значения мощности достигаются на начальном этапе обработки, т.е. в первую минуту, а затем мощность снижается и практически стабилизируется, что свидетельствует об окончании затрат энергии на создание межфазной поверхности и внутренней структуры обрабатываемой системы. Очевидно, это связано с завершением изменения структуры углеводородной части топлива и формированием устойчивой тонкодисперсной эмульсии. Это подтверждается и микроскопическим анализом полученных проб (рисунок 6). Отсюда следует, что образование тонкодисперсных капель воды, размером 5-10 мкм, в основном происходит уже в течение первых двух-трех минут обработки эмульсии. Аналогичные результаты подтверждаются и в работе [10].
б)
Рисунок 6. Микрофотография смеси углеводородов с содержанием воды -10 % до и после обработки. а) до обработки в гомогенизаторе; б) после обработки в гомогенизаторе
Более существенное падение мощности в процессе перемешивания при высоких оборотах связано с достижением более высокой межфазной поверхности и образованием капель воды более высокой дисперсности (рисунок 4). С увеличением концентрации воды в углеводородном сырье также происходит повышение мощности (рисунок 5). Так, при концентрации воды в эмульсии 20 %, мощность увеличивается примерно на 30 %, что связано с повышением вязкости обрабатываемой среды
Таким образом, можно сделать вывод о том, что в рассмотренном диапазоне влагосодержания с помощью виброкавитационного гомогенизатора удается получить тонкодисперсную эмульсию при обработке сырья в течение короткого времени. При этом мощность, затрачиваемая на перемешивание и образование эмульсии при постоянной частоте вращения с течением времени уменьшается до 50 %, а с увеличением концентрации влаги в сырье растет до 30 %.
Литература.
1. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. СПб.: Недра, 1995. 304 с.
2. Кормилицын В.И., Кормилицына А.В. Приготовление водомазутной эмульсии и ее сжигание в топках котлов с целью снижения загрязнения природной среды // Труды 4 междунар. конф., «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»: г. Клязьма, 18-22 сентября 2000 г.: МКЭЭ-2000. М.: МЭИ, 2000. С.477-478.
3. Катин В.Д., Елисеев Г.Г., Перов Г.Б. Пути снижения загрязнения атмосферы при сжигании топлива. Хабаровск: Тихоокеан. гос. ун-т, 2011. 152 с.
4. Ложкин В.Н., Пименов Ю.А., Сафиуллин Р.Н.,[и др.]. Улучшение экологических показателей автомобильных дизелей путем применения водотопливных эмульсий. // Информационный бюллетень Вопросы охраны атмосферы от загрязнения. СПб.: НПК «Атмосфера при ГГО им. Воейкова. 2005. № 2 (32). C. 67-76.
5. Schubert H., Engel R. Product and formulation engineering of emulsions // Institution of Chemical Engineers Trans IChemE, Part A, Chemical Engineering Research and Design. 2004. V. 82(A9). P. 1137-1143.
6. Kadota T.,Yamasaki H. Recent advances in the combustion of water fuel emulsion. // Progress in energy and combustion science. 2002. V. 28. № 5. P 385-404
7. Иванов В.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургиздат, 1963. 288 с.
8. Кулагина Т.А. Топливоподготовка и физика горения обводненных топочных мазутов и водотопливных эмульсий // Вестн. КГТУ. 1998. Вып.14. Теплообмен и гидродинамика. С.146-156.
9. Пименов Ю.А. Виброкавитационный смеситель-гомогенизатор: пат.- 2131761 Рос. Федерация.. № 98105553/25; заявл. 25.03.1998; опубл. 20.06.1999.
10. Черкасов Е.В., Пименов Ю.А., Мазур А.С. [и др.]. Получение устойчивых водотопливных эмульсий на основе нефтешламов с использованием виброкавитаци-онной технологии. // Известия СПБГТИ(ТУ). 2013. № 18 (44). С. 68-70.
