CC BY
10
© А.А. Баубек, А.М. Грибков, М.Г. Жумагулов, С.А. Глазырин, М.В. Долгов УДК 534
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДО-МАЗУТНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИСПЕРГАТОРА ВОЛНОВОЙ ОБРАТБОТКИ
А.А. Баубек1, А.М. Грибков2, М.Г. Жумагулов1, С.А. Глазырин1, М.В. Долгов1
Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилёва, г. Нур-Султан,
Республика Казахстан 2Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: Высокая эффективность сжигания углеводородного топлива является одним из основных показателей при выборе способа подготовки горючей смеси. ЦЕЛЬ. В статье предлагается разработанный авторами аппарат для волновой обработки обводненного мазута для подготовки водо-мазутной эмульсии к сжиганию. МЕТОДЫ. Представлена схема инновационного вихревого горелочном устройства для сжигания водо-мазутной эмульсии. Произведён обзор существующего оборудования для подготовки эмульсии высокого качества. Опровергнута необходимость в принудительной дегидратации мазута для качественного сжигания в горелочных устройствах Представлены данные по выбору материала для изготовления корпуса диспергатора с учётом требований к коррозионностойкости, а также устойчивости к кавитации и износостойкости. Проведены исследования с целью получения зависимостей изменения ряда физико-химических свойств водо-мазутной эмульсии (структурная вязкость, седиментационная и агрегативная устойчивость) от количества в них воды и от температуры. Знание этих физико-химических показателей важно для обеспечения эффективности распыла и устойчивого горения такого топлива. Приведены уравнения, используемые для определения динамической вязкости с использованием капиллярного вискозиметра с полученными результатами в разных диапазонах изменения температуры подготовки эмульгированного топлива. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены данные по плотности водо-мазутной эмульсии в зависимости от концентрации воды при температуре 70 °С. Выполнен анализ зависимость вязкости водо-мазутной эмульсии на основе мазута М-100 от температуры при различном содержании в них воды. Определена седиментационная устойчивость методом оценки осветления эмульсии при выдерживании её в статическом состоянии в стеклянных цилиндрах и выявлена зависимость стабильности эмульсии на основе мазута М-100 от времени отстоя при 20°С. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. При использовании диспергатора волновой обработки получаются стабильные водо-мазутные эмульсии, пригодные для применения их в энергетике в качестве топлива.
Ключевые слова: мазут, водо-мазутная эмульсия, диспергатор, капиллярный вискозиметр.
Благодарности: Работа, по результатам которой выполнена статья, выполнена при финансовой поддержке гранта по теме «Разработка грелочного устройства для сжигания водо-мазутной эмульсии (ВМЭ)», № государственной регистрации 0112РК02283, РК.
STUDE OF WATER-OIL EMULSION USING WAVE TREATMENT DISPERSANT AA Baubek1, AM Gribkov2, MG Zhumagulov1, SA Glazyrin1, MV Dolgov1
1Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan 2Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: Hydrocarbon fuel combustion high efficiency is one of the main indicators when choosing the method of fuel mixture preparation. The paper suggests a device developed by the authors for wave treatment of watered fuel oil to prepare water-oil emulsion for combustion. The scheme of innovative vortex burner device for burning water-oil emulsion is presented. The review of existing equipment for high quality emulsion preparation is made. The necessity of forced dehydration offuel oil for high-quality combustion in burners has been disproved. The data on the choice of material for manufacturing the dispersant body are presented, taking into account the requirements to corrosion resistance, cavitation resistance and wear resistance. Research has been carried out to obtain dependencies of changes in a number of water-oil emulsion physical
and chemical properties (structural viscosity, sedimentation and aggregation stability) on the amount of water in them and on temperature. Knowledge of these physical and chemical parameters is important to ensure the effectiveness of atomization and sustainable combustion of such fuels. The equations used for the dynamic viscosity determination with the use of capillary viscometer with the obtained results in different ranges of emulsified fuel preparation temperature change are given. Data on density of water-oil emulsion depending on water concentration at temperature 70 °C are obtained. Water-oil emulsion viscosity dependence based on fuel oil M-100 on temperature at different water content was analyzed. Sedimentation stability was determined by the method of the emulsion clarification estimation at keeping it in static state in glass cylinders and dependence of emulsion stability based on fuel oil M-100 on time of settling at 20°C was revealed. When using a wave treatment dispersant, stable water-oil emulsions are obtained, suitable for use in power engineering as fuel.
Keywords: fuel oil, water-oil emulsion, dispersant, capillary viscometer.
Acknowledgments: The work on which the article was based was supported by a grant on ""Development of a heating device for burning water-oil emulsion (WFE)", state registration number 0112RK02283, RK.
Введение и литературный обзор
Задача о чистом сжигании углеводородных топлив решается не один десяток лет, в результате чего был накоплен огромный научный и экспериментальный опыт, однако научно-исследовательские работы в этом направлении не прекращаются. Немаловажным параметром остается стехиометрический состав горючей смеси. В результате завихрения потока подачи топлива и окислителя увеличивается длина свободного пробега, а также и их пребывание в канале горелки. В статье описываются результаты эксперимента для подготовки водо-мазутной эмульсии к сжиганию в вихревой горелке, обеспечивающей устойчивый вихрь на стадии смешения и предварительного возгорания [1]. Вихрь дает возможность прореагировать практически всему топливу. Более того, в результате смешивания топлива и окислителя, с учетом правильной стехиометрии, образуется равномерная горючая смесь, которая будет лучше и практически полностью сгорать в канале горелки. Рис. 1 иллюстрирует предлагаемое горелочное устройство, спроектированное для сжигания водо-мазутной эмульсии (ВМЭ) с переменным содержанием влаги до 30% [2].
Рис. 1. Горелочное устройство для сжигания водо-мазутной эмульсии
Первостепенное значение приобретает подготовка топлива к сжиганию в мазутных хозяйствах котельных, которая должна быть направлена, прежде всего, на обеспечение надежной и эффективной работы топливосжигающей установки. Существующие традиционные технологические схемы подготовки жидкого топлива к сжиганию в котельных по целому ряду причин (в том числе экономических), не позволяют в полной мере обеспечить необходимые характеристики топлива перед сжиганием [3].
Основной задачей в работе является исследование реологических и седиментационных свойств водо-мазутной эмульсии.
Стадии сжигания предшествует гомогенизация водотопливной смеси при помощи диспергатора. Рис. 2 иллюстрирует экспериментальную установку для подготовки водо-мазутной эмульсии к сжиганию.
Рис. 2. Система диспергации обводненного мазута
Данное исследование направлено на изучение свойств ВМЭ, подготовленной посредством использования диспергатора волновой обработки. Успешное применение водотопливных эмульсий обуславливается, прежде всего, выбором устройства, используемого для приготовления ВМЭ. Качество любых эмульсий определяется дисперсностью, т.е. величиной поверхности раздела дисперсной фазы (воды). Дисперсность эмульсии характеризует равномерность распределения воды в массе топлива и влияет на устойчивость эмульсии, вязкость, электропроводность и другие свойства. Чем выше дисперсность, т.е. чем больше число капель воды и меньше ее размеры, а также, чем меньше отличаются они по величине, тем равномернее распределяется вода в топливе, устойчивее эмульсия и выше ее качество.
Основываясь на неправильных представлениях о стабильности эмульсий, многие исследователи, как выяснилось, используют термин "смешивание", несмотря на то, что используемая ими технология - это эмульгирование. Хотя смешивание топлива удобно для топлива, имеющего относительно схожую температуру кипения, для топливных смесей с различной температурой кипения следует применять метод эмульгирования, чтобы выгода от микроразрыва могла быть отражена в распылении топлива. Вторичное распыление в результате микро-взрыва эмульгированного топлива и оксигенация топлива отвечают за улучшение процесса сгорания, характеристик и выбросов СО. Скрытая теплота испарения, как выяснилось, отвечает за сокращение выбросов NOx [4].
Экспериментальные исследования влияния эмульсионных топлив на сгорание, производительность и эмиссию уже проводились ранее. Характеристики эмульсии определялись с помощью оптического электронного микроскопа, испытания на стабильность эмульгирования [5].
Наблюдалось изменение температуры и диаметра капель во времени. Сжигание капель эмульсии было разделено на четыре стадии, при этом характеристики каждой стадии мало варьировались в зависимости от соотношения объема воды [6].
Проблемы образования эмульсии в воде и стабильности эмульгированной нефти во время хранения решались с помощью лазерного дифракционного анализатора размера частиц, анализа изображений и определения объема нефтяной эмульсии [7].
Проведены исследования по установлению влияния параметров неоднородной системы на интенсивность эмульгирования при комплексном воздействии механических перемешивающих и ультразвуковых колебаний. Использовались методы аналитического обзора результатов ультразвуковой эмульсификации неоднородных систем, аналитическое исследование распространения колебаний ультразвукового диапазона через слой двухкомпонентной эмульсии, экспериментальное исследование эмульсификации несмешивающихся жидкостей при механическом перемешивании в поле действия ультразвуковых колебаний [8].
При перекачке и хранении мазута традиционными способами потребитель получает мазут с повышенным содержанием влаги. Обводненный мазут, содержащий твердые фракции, имеющий повышенную температуру вспышки и другие отклонения от норм, нарушает режим горения, загрязняет поверхности нагрева, повышает неполноту сгорания топлива, образует отложения несгоревших частиц кокса по газовому тракту, приводит к обрыву факела и аварийной остановке оборудования [9-10]. Получить эмульсии высокого качества позволяет оборудование, принципы работы которого основаны на использовании явления кавитации. Аппараты для эмульгирования можно разделить на несколько групп по способу их работы.
1) Механические аппараты
Механическое перемешивание используется с целью получения однородных растворов, эмульсий, суспензий и для интенсификации процессов тепло - и массообмена. Этот способ широко применяется в химической, пищевой и других отраслях промышленности и производится в аппаратах, называемых мешалками.
Механическое перемешивание осуществляется, как правило, в сосуде (резеруаре), снабженном вращающимися или движущимися возвратно-поступательно мешалками с лопастями. Практика механического перемешивания жидкостей показала, что ход процесса эмульгирования зависит не только от интенсивности движения рабочего органа - мешалки, но и от его типа и конструкции, а так же от типа резервуара [11].
2) Коллоидные мельницы
В настоящее время известно много типов коллоидных мельниц. Наиболее известный и распространенный тип коллоидной мельницы состоит из конического ротора, который вращается внутри соответствующего по форме статора, укрепленного на неподвижной станине [12].
3) Роторные аппараты
Рассмотренные выше механические мешалки и коллоидные мельницы, основным элементом конструкции имеют вращающийся ротор, однако, различаются организацией процессов гидромеханической обработки смесей жидкостей: в объеме с определенным временем пребывания смеси или непрерывный (проточный) процесс обработки в узких зазорах. В этом смысле роторные аппараты занимают промежуточное место среди остальных типов. Примеры разнообразных аппаратов на основе центробежных насосов приведены в работе [13].
4) Ультразвуковые аппараты
Принцип действия таких аппаратов основан на распространении ультразвука в результате, которого возникает, так называемый «звуковой ветер», который измельчает частицы воды. Ультразвук разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул.
5) Гидродинамические аппараты
Наряду с механическими устройствами для эмульгирования и перемешивания двух жидкостей особое внимание привлекает идея использования энергии струй жидкости для создания эмульсий. По энергии струй эти устройства эмульгирования, можно условно разделить на аппараты, эмульгирующие за счет статического давления и за счет кинетической энергии потоков.
Все эти устройства не позволяют получить качественные эмульсии. Их широкому распространению препятствуют некоторые, присущие недостатки. Ультразвуковые аппараты отличаются трудностью настройки и поддержания эффективного режима обработки при эксплуатации. После прекращения воздействия звуковых волн происходит восстановление разрушенных молекул воды - это основной недостаток. Механические и роторные эмульгаторы - это дорогостоящее и требующее специального ухода оборудование, пригодное только для обработки чистых жидкостей (рабочие зазоры - 60...80 мкм). Корме этого все аппараты имеют сложную конструкцию, множество деталей, требуют дополнительного обслуживания, а некоторым необходимо подключение к электропитанию.
В целом диспергирование обводнённых нефтепродуктов позволяет утилизировать жидкие отходы, в том числе подтоварные воды танкеров, нефтеостатки и крекинг-остатки. Тем не мене, показатели эмульсий, характеризующие их стабильность (неизменность структуры при хранении) за прошедшие полвека изменились мало.
Очевидно, это обусловлено исчерпанием технических возможностей используемого для приготовления эмульсий оборудования (роторно-пульсационных аппаратов (РПА) и кавитаторов статического типа), а также экономической нецелесообразностью диспергации эмульсий магнитострикционными генераторами ультразвука. Здесь надо упомянуть и о «хорошо забытом старом» - Аппаратах Вихревого Слоя, где диспергирование происходит на ферромагнитных иглах во вращающемся электромагнитном поле.
Оборудование этого типа не получило широкого распространения по причине высокой удельной энергоёмкости. Быстрый износ ферромагнитных элементов (и переход их в топливо в виде металлических частиц) делает аппараты вихревого слоя проблемными в эксплуатации. Нельзя признать случайным, что ни в одной из десятков профильных публикаций не освещена детально стойкость ВМЭ к расслоению при хранении, применительно к конкретному способу их получения. А ведь стабильность структуры ВМЭ
- важнейший эксплуатационный показатель приготовления методом перемешивания. Мазут
- отличный природный эмульгатор.
Недостатки вышеперечисленных диспергаторов ВМЭ устраняются при использовании диспергатора волновой обработки ВМЭ, который подробно описан ниже. Принцип работы диспергатора волновой обработки основан также на эффекте кавитации.
Материалы и методы
Расчеты и экспериментальные данные [14] убедительно свидетельствуют о том, что перевод котлов на сжигание водо-мазутной эмульсии (ВМЭ) является целесообразным, т.к. это улучшает экологическую чистоту выбросов на фоне экономии ресурсов на процесс отстаивания и механического отделения мазута от влаги из обводненных смесей.
В составе топливной эмульсии вода сама по себе не горит, но водяной пар распадается на радикалы, которые катализируют окислительные реакции при горении топлива. Известно, что скорость цепной химической реакции пропорциональна концентрации активных центров, ведущих процесс. Для обводнённого мазута концентрация таких центров всегда будет больше, чем у необводнённых. С увеличением обводнённости водо-мазутной эмульсии (ВМЭ) растёт парциальное давление водяных паров и соответственно увеличивается количество диссоциированных молекул водяного пара. Кроме термической диссоциации паров воды на водород и кислород по уравнению 2Н2О = 2Н2+ О2, возможна диссоциация на водород и гидроксил, то есть существование равновесия Н2О = Н+ + ОН-. В процессе горения положительные ионы легко взаимодействуют с нейтральными молекулами, в результате чего образуются свободные радикалы. Так, ионы воды НО+, взаимодействуя с молекулой воды по схеме Н2О + Н2О = Н3О + ОН, дают радикалы ОН.
Свободные радикалы могут также образовываться при рекомбинации положительных ионов с электронами или отрицательными ионами. Выделяющаяся при этом энергия оказывается достаточной для расщепления на радикалы вновь образующихся молекул. Так энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов Н2О+ с электроном, равная 1215 кДж/моль, достаточна для полной атомизации молекул воды так как для расщепления её на 2 атома Н и 1 атом потребуется энергия 918 кДж/моль. При рекомбинации иона гидроксония Н3О+ е = Н2О + Н, выделяется энергия, равная 821 кДж/моль, достаточная для полного расщепления Н2О на Н и ОН. Преимущество водосодержащих топлив перед необводнёнными топливами состоит в том, что даже при низких температурах в зоне пламени они всегда дают более высокие начальные концентрации активных центров атомов и радикалов. Появление в зоне пламени обводнённого топлива большого числа активных центров атомарного водорода Н и гидроксила ОН может во много раз ускорить реакции окисления и горения углеводородного топлива в результате развития реакции по цепочно-тепловому механизму.
Ускоряющее действие водяных паров в процессе горения окиси углерода объясняется суммарной реакцией Н2О + СО = СО2 + Н2, в результате которой возникает легковоспламеняющийся водород. Последующее гомогенное окисление водорода приводит к образованию радикалов ОН и атомов Н и О, обуславливающих как развитие цепной основной реакции путём процессов ОН + СО = СО2 + Н и Н + СО + О2= СО2 + ОН, так и их разветвления Н + О2 = О + ОН и О + Н2 = Н + ОН, или О + СО + О2 = СО2 + О + О. Этим объясняется повышение скорости горения СО2, которое всегда имеет место в присутствии водяного пара.
Вода является не только инициатором цепей в реакции, но и участвует в развитии самих цепей. Это подтверждается изменением интенсивности свечения, которое наблюдается с увеличением содержания воды в смеси. Кроме того, при сжигании обводнённого мазута, уменьшается дымление, которое вызывается обычным дефицитом кислорода крекинга топлива и выделением свободного углерода, который может сгорать по реакции С + Н2О = СО + Н2, для осуществления которой необходимо в наличии вблизи крекингирующих молекул топлива достаточного количества продуктов сгорания имеющих в своём составе водяные пары.
Очевидно, что в обводнённом топливе водяных паров всегда достаточное количество, то есть даже без сгорания Н2 в НО, сгорание С в СО, а затем и СО в СО2 будет обязательным. Эмульгирование обводнённых жидких углеводородов обеспечивает возможность утилизации обводнённых стоков мазутных резервуаров, с вводом в хозяйственный оборот всего содержащегося в них мазута. При этом водо-мазутные эмульсии стабильно горят при содержании воды до 50 объёмных процентов [14].
На рис. 3 изображены детали диспергатора, на рис. 4 корпус диспергатора и сегнерово колесо, на рис 5. диспергатор в сборе. Конструкция диспергатора представляет аппарат для волновой обработки обводненного мазута, сделанного на заводе в Казахстане.
Рис. 3. Детали диспергатора
Рис. 4. Корпус диспергатора и сегнерово колесо
Рис. 5. Диспергатор в сборе
В диспергаторе волновой обработки водомазутная эмульсия гомогенизируется за счет процесса кавитации, поэтому при изготовлении диспергатора необходимо выбрать материал, соответствующий ряду требований:
- так как рабочей средой является водомазутная эмульсия, корпус и рабочие органы диспергатора должны быть коррозионностойкими;
-устойчивость к кавитации и износостойкость. Нержавеющие стали хорошо подходят к этим требованиям. На рис. 6 изображены составы для изготовления корпуса диспергатора была выбрана сталь марки 03Х16Н15М3, а для сегнерового колеса - сталь марки 12Х13, химические составы которых показаны ниже.
Были проведены исследования с целью получения зависимостей изменения ряда физико-химических свойств ВМЭ (структурная вязкость, седиментационная и агрегативная устойчивость) от количества в них воды и от температуры. Знание этих физико-химических показателей важно для обеспечения эффективности распыла и устойчивого горения такого топлива, а также для оценки эффективности работы непосредственно самого диспергатора.
В отличии от мазута, ВМЭ является неньютоновской жидкостью, её текучесть в большей степени зависит от температуры приготовления и перекачки.
ВМЭ является такой дисперсной системой, течение которой начинается лишь тогда, когда вследствие дополнительного внутреннего сопротивления появляется новая величина вязкости, которую называют структурной вязкостью.
Химический состав в % стали ОЗХ16Н15МЗ
Рис. 6. Составы выбранных сталей
Опыты по получению ВМЭ были проведены при 80°С для мазута марки М-100. Количество воды в ВМЭ колебалось от 5 до 30 мас.% (5, 10, 15, 20,30).
Плотность ВМЭ. ВМЭ является композиционной смесью из двух жидкостей различных плотности, поэтому плотность определяется по формуле
Рвмэ = Р м • тм + Р в • тв (1)
где рвмэ - плотность ВМЭ, кг/м3;
Рм, Рв - соответственно плотность мазута и воды; кг/м3;
тм, тв - доля в водомазутной эмульсий мазута и воды соответственно.
Определили плотность мазута марки М-100 и воды при температуре 70 0С.
При 70 0С рм =935,5 кг/м3; р = 971,6 кг/м3.
Опыт проводили с различными концентрациями воды от 5% до 30%. Результаты вычисления представлены в таблице 1 и диаграмме в соответствии с рисунком 7.
Таблица 1
Зависимость плотности ВМЭ от концентрации воды при температуре 70 0С
Концентрация воды, % 5% 10% 15% 20% 30%
Плотность ВМЭ, кг/м3 937,215 939,05 940,625 942,63 946,22
На рис. 7 наглядно видно что, при повышении концентрации воды в смеси плотность ВМЭ увеличивается. Это связно с тем что, плотность воды больше чем плотность
мазута.
Рис. 7. Зависимость плотности ВМЭ от концентрации воды при температуре 70 0С
Вязкость ВМЭ. Вязкость ВМЭ определялась капиллярным методом вискозиметрии. Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.
Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью п через капилляр вискозиметра (формула Пуазейля):
4 4
пЯ р пЯ р
е = —р ^ л = —р (2)
где Q - количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с;
R - радиус капилляра вискозиметра, м; L - длина капилляра капиллярного вискозиметра, м; П - вязкость жидкости, Па^с;
р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость - стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. На рис. 8 размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
J 11 1 1
ж. ,1
г V
Рис. 8. Капиллярный вискозиметр
Таблица 2
Вязкости ВМЭ в зависимости от концентрации воды при температуре 70 0С_
Концентрация воды, % 5% 10% 15% 20% 30%
Плотность ВМЭ, кг/м3 937,215 939,05 940,625 942,63 946,22
Расход ВМЭ, 10-6 м3/кг 17,64 16,6 12,72 10,65 8,61
Структурная вязкость ВМЭ, Па-с 0,183 0,193 0,254 0,306 0,371
Рис. 9. Вязкости ВМЭ в зависимости от концентрации воды при температуре 70 0С
Как следует из представленных данных рис. 9 и таблицы 2, структурная вязкость ВМЭ выше вязкости исходного мазута и возрастает с увеличением в ней воды. Так для ВМЭ на основе мазута М 100, вязкость эмульсии возросла от 0,167 Па-с (исходный мазут) до 0,373 Пас.
Дальнейшее возрастание количества воды в ВМЭ нецелесообразно, так как это уже негативно сказывается на процессе горения [15].
Аналогичным методом определили оптимальную величину температуры приготовления и передачи ВМЭ с учетом их водосодержания. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Анализ этих данных свидетельствует о том, что в интервале температур 20-70 оС ВМЭ является связно дисперсной системой и вязкость при увеличении температуры от 20 до 70 оС резко уменьшается. При дальнейшем нагреве ВМЭ от 70 до 80 оС снижение величин вязкости не столь существенно кроме (ВМЭ с 40 % воды). Так, для ВМЭ с 30%-ным содержанием воды вязкость уменьшается с 0,377 Па-с (при 70 оС) до 0,278 Па-с
( при 80 оС). Дальнейшее увеличение температуры нагрева ВМЭ (90-100 оС) необходимо осуществлять при повышенном давлении для предотвращения вскипания паров воды из эмульсий.
Таблица 3
Зависимость вязкости ВМЭ на основе мазута М-100 от температуры при различном содержании в них воды
Эмульсия Структурная вязкость, Па-с п] эи температуре, 0С
20 40 50 70 80
BMЭ с 5% И2О 3,04 0,86 0,34 0,19 0,162
BMЭ с 10% И2О 12,3 1,54 0,76 0,255 0,159
BMЭ с 20% И2О 12,92 1,98 1,27 0,312 0,211
BMЭ с 30% И2О 16,74 3,73 1,91 0,377 0,278
BMЭ с 40% И2О 20,83 6,05 2,49 0,932 0,447
Это вполне приемлемо для энергохозяйства тепловых электростанций, так как подогрев мазута на них также осуществляется до температур 110-120°С. Однако вязкости этих ВМЭ уже приближаются к величинам вязкости исходного мазута. При приготовлении ВМЭ необходимо нормировать содержание в них воды. Установлено, что если приготовление эмульсии осуществить в открытой емкости, то при влажности ВМЭ до 10 % это несущественно сказывается на испарении воды.
При влажности ВМЭ выше 10% фактор испарения воды при приготовлении ВМЭ в открытой емкости уже существенно сказывается на конечном влагосодержании целевого продукта. Так, при 80°С при приготовлении 20%- ной эмульсии потеря воды составила 4%. Поэтому приготовление топливных эмульсии необходимо осуществлять в закрытых емкостях. С другой стороны фактор частичной потери влаги на предприятии (не в лаборатории) во время подготовки эмульсии можно рассматривать как положительное явление побочного обезвоживания.
Седиментационную устойчивость определяли методом оценки осветления эмульсии при выдерживании её в статическом состоянии в стеклянных цилиндрах. Результаты этих исследований представлены в табл. 4.
Таблица 4
Зависимость стабильности эмульсии на основе мазута М-100 от времени отстой при 20°С
Исходное содержание воды в BMЭ, %
Концентрация воды в BMЭ в верхнем слое, % мас.
мас. 1 час 2 часа 5 часов 8 часов сутки
5 3,2 3,2 3,43 3,99 4,5
10 4,3 4,41 5,0 5,23 6
15 5,13 5,25 5,5 6,09 6,7
20 5,22 5,21 5,67 6,4 8
30 8,9 11 15,02 19 28,3
Заключение
Полученная в диспергаторе волновой обработки водо-мазутная эмульсия с 5-30%-ным влагосодержанием в интервале температур стабильна в течении суток. Это вполне приемлемо для нужд энергетики, так как больше суток обычно подготовленное топливо не хранится в расходном резервуаре. Полученная водо-мазутная эмульсия является вполне агрегативно устойчивой дисперсной системой. Иаблюдается незначительное уменьшение частиц дисперсной фазы с размером частиц 1,25 мкм в сторону частиц размером 2,5 мкм и увеличение части размером 10 мкм. Это вполне вытекает из известных закономерностей; для таких дисперсных систем. То есть за счет броуновского движения наблюдается частичная ассоциация более мелких частиц дисперсной фазы в более крупные.
Таким образом, из полученных экспериментальных данных можно сделать основной вывод о том, что при использовании диспергатора волновой обработки получаются стабильные BMЭ, пригодные для применения их в энергетике в качестве топлива.
Литература
1. Baubek A.A., Zhumagulov M.G., Kartjanov N.R. et al. Experimental test of Water-Oil Emulsion Combustion // High Speed Turbomachines and Electrical Drives Conference 2020. E3S Web of Conferences 178, 01012. 2020.
2. Baubek A.A., Baubek N. Device for burning fuel [Electronic resource], European Patent no. 2864700. 2016. Available at: https://data.epo.org/gpi/EP2864700B1-DEVICE-FOR-BURNING-FUEL.
3. Баубек А.А., Жумагулов М.Г., Картджанов Н.Р. Экспериментальные исследования вредных выбросов при сжигании водо-мазутной эмульсии в инновационной вихревой горелке // IV Международная научно - практическая конференция на тему: «Актуальные проблемы транспорта и энергетики: пути их инновационного решения»; 17 марта 2016г. Астана, 2007. С. 73-80.
4. Hagos F.Y., Ali O.M., Mamat R. et al.. Effect of emulsification and blending on the oxygenation and substitution of diesel fuel for compression ignition engine // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017. V. 75, N5 pp. 1281-1294.
5. Tan Y.H., Abdullah M.O., Nolasco-Hipolito C. et al. Engine performance and emissions characteristics of a diesel engine fueled with diesel-biodiesel-bioethanol emulsions // Energy Conversion and Management, 2017. V. 132, N2 pp. 54-64.
6. Kim H., Baek, S.W. Combustion of a single emulsion fuel droplet in a rapid compression machine // Energy, 2016. V. 106, N3 pp. 422-430.
7. Laitinen O., Ojala J., Sirvio, J.A., et al. Sustainable stabilization of oil in water emulsions by cellulose nanocrystals synthesized from deep eutectic solvents // Cellulose, 2017. Vol 24, N4, pp. 1679-1689.
8. Afanasenko V.G., Kulakov P.A., Boev E.V., et al. Optimization of ultrasound emulsion under mechanical mixing // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 2020. V. 331, N4, pp. 148-155.
9. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Комплексная экосовместимая технология сжигания водомазутной эмульсии и природного газа с добавкой сбросных вод // Теплоэнергетика. 1996. №9. С. 13-17.
10. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский АА. Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена // Теплоэнергетика. 1992. №1. С. 41-44.
11. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. С-Пб.: Недра, 1995. 367 с.
12. Шерман Ф. Эмульсии. Перевод с английского под ред. А.А. Абрамзона. Л.: Химия, 1972.
448 с.
13. Промтов М.А., Червяков В.М., Воробьев Ю.В. Приготовление эмульсии в роторном аппарате // Научно-технич. ииформ. сб. статей. М.:ВНИИСЭНТИ. 1991. №З. С. 47-50.
14. Геллер С.В. Приготовление водомазутных эмульсий посредством волновой диспергации. Патент РФ №2347153. 20.02.2009. №4. 16.
15. Зверева Э.Р., Фарахов Т.М. Энергоресурсосберегающие технологии и аппараты ТЭС при работе на мазутах. М.: «Теплотехник», 2012. 181 с.
Авторы публикации
Баубек Аскар Апошевич - Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилёва, г. Нур -Султан, Республика Казахстан.
Грибков Александр Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции», Казанский государственный энергетический университет
Жумагулов Михаил Григорьевич - Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилёва, г. Нур-Султан, Республика Казахстан.
Глазырин Сергей Александрович - Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилёва, г. Нур-Султан, Республика Казахстан.
Долгов Максим Викторович - Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилёва, г. Нур-Султан, Республика Казахстан.
References
1. Baubek AA., Zhumagulov MG., Kartjanov NR. et al Experimental test of Water-Oil Emulsion Combustion. High Speed Turbomachines and Electrical Drives Conference 2020. E3S Web of Conferences 178, 01012. 2020. doi.org/10.1051/e3sconf/202017801012.
2. Baubek AA., Baubek N. Device for burning fuel [Electronic resource], European Patent no. 2864700. 2016. Available at: https://data.epo.org/gpi/EP2864700B1-DEVICE-FOR-BURNING-FUEL.
3. Baubek AA., Zhumagulov MG., Kartjanov NR. Eksperimentalnye issledovaniya vrednyh vybrosov pri czhuganii vodo-mazutnoi emulsii v innovacionnoi vihrevoi gorelke. IV Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya na temu: «Aktualnye problem transporta I energetiki: puti ih innovacionnogo resheniya»; 17March 2016. Astana, 2007. pp.73-80.
4. Hagos FY, Ali OM, Mamat R, et al.. Effect of emulsification and blending on the oxygenation and substitution of diesel fuel for compression ignition engine. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017; 75(5): 1281-1294. doi:10.1016/j.rser.2016.11.113
5. Tan YH, Abdullah MO, Nolasco-Hipolito C, et al. Engine performance and emissions characteristics of a diesel engine fueled with diesel-biodiesel-bioethanol emulsions. Energy Conversion and Management, 2017; 132(2):54-64. doi:10.1016/j.enconman.2016.11.013.
6. Kim H, Baek, SW. Combustion of a single emulsion fuel droplet in a rapid compression machine. Energy, 2016; 106(3): 422-430. doi:10.1016/j.energy.2016.03.006.
7. Laitinen O, Ojala J, Sirviö JA, et al. Sustainable stabilization of oil in water emulsions by cellulose nanocrystals synthesized from deep eutectic solvents. Cellulose, 2017;24(4): 1679-1689. doi: 10.1007/s 10570-017-1226-9.
8. Afanasenko VG, Kulakov PA, Boev EV, et al. Optimization of ultrasound emulsion under mechanical mixing. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 2020; 331(4): 148-155. doi: 10.18799/24131830/2020/4/2602.
9. Kormilicyn VI, Lyskov MG, Rumynskiy AA. Komleksnaya ekosovmestimaya tehnologiya szhiganiya vodomazutnoi emulsii i prirodnogo gazac dobavkoi sbrosnyh vod. Teploenergetika. 1996; (9): 1317.
10. Kormilicyn VI, Lyskov MG, Rumynskiy AA. Vliyanie dobavki vlagi v topku na intensivnost luchistogo teploobmena. Teploenergetika. 1992;(1):41-44.
11. Koryagin VA. Szhiganie vodotoplivnyh emulsii I snizhenie vrednyh vybrosov. Saint Petersburg: Nedra; 1995.
12. Sherman F. Emul'sii. Perevod s angliyskogo god red. A.A. Abramzona. L.: Khimiya; 1972.
13. Promtov MA, Chervyakov VM, Vorobyev VM. Prigotovlenie emulsii v rotornom apparate. Nauchno-tehnicheskii informacionnyi sbornik statei. Moscow.: VNIISENTI. 1991;(3):47-50.
14. Geller SV. Prigotovlenie vodomazutnyh emulsii posredstvom volnovoi dispergacii. Patent RUS №2347153. 20.02.2009. №4. pp.16.
15. Zvereva ER, Farahov TM. Energoresursosberegayushie tehnologii i apparaty TESpri rabote na mazutah. Moscow: «Teplotehnik»; 2012.
Authors of the publication
Askar A. Baubek - Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan.
Aleksandr M. Gribkov - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Michael G. Zhumagulov - Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan.
Sergei A. Glazyrin - Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan.
Maxim V. Dolgov - Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan, Republic of Kazakhstan. Email: maxwellhousebest@yandex.ru.
Поступила в редакцию 20 октября 2020г.
