CC BY
11ПРОБЛЕМЫ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ТЕПЛОВЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СТАНЦИЯМИ
PROBLEMS OF UNHEALTHY ATMOSPHERIC EMISSIONS BY HEAT-ELECTRIC GENERATING PLANTS
Статья поступила в редакцию 12.04.13. Ред. рег. № 1614 The article has entered in publishing office 12.04.13. Ed. reg. No. 1614
УДК 620.97; 665.75; 696.42
МОДУЛЬНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОТЕЛЬНОГО КОМПОЗИТНОГО БИОТОПЛИВА
1 12 3 3
В.Г. Систер , Е.М. Иванникова ', Ю.А. Кожевников , В.Г. Чирков
'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023 Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38 Тел.: (499) 261-50-57, факс: (499) 267-19-70, e-mail: vgs001@mail.ru 2ООО «Национальная Инновационная Компания»
105062 Москва, ул. Чаплыгина, д. 6 Тел.: (495) 623-58-77, e-mail: iegh510@yandex.ru 3Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАСХН 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru
Заключение совета рецензентов: 20.04.13 Заключение совета экспертов: 22.04.13 Принято к публикации: 25.04.13
Приведено описание принципа работы и устройства макетного образца модульного комплекса оборудования для экспериментального исследования процессов приготовления композитного котельного биотоплива, позволяющего повысить энергетическую эффективность применения котельных агрегатов, работающих на мазутном топливе, при одновременном уменьшении вредных выбросов в атмосферу. Комплект оборудования реализует двухстадийный цикл обработки многокомпонентных многофазных сред методами гидродинамической и ультразвуковой кавитации с целью получения высокодисперсных гомогенных эмульсий и суспензий компонентов, существенно различающихся по своим физико-химическим свойствам, таких как углеводородные материалы, растительная фитомасса, вода и др. В результате последовательной обработки в модулях предварительной и окончательной гомогенизации удается получить однородные эмульсии c размером взвешенных частиц не более 35 мкм, что обеспечивает практически полное сгорание композитного биотоплива, о чем свидетельствует существенное уменьшение сажи и окислов азота, серы, углерода в дымовых газах. Комплекс оборудования опробован в условиях действующей котельной и показал значительное улучшение эксплуатационных параметров по сравнению со стандартным топочным мазутом.
Ключевые слова: макетный образец, модульный комплекс, композитное котельное биотопливо, энергетическая эффективность, многокомпонентная среда, гидродинамическая и ультразвуковая кавитация, высокодисперсная эмульсия, вредные выбросы.
MODULE TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR COMPOSITE BURNER TYPE BIOFUEL PREPARATION
V.G. Sister1, E.M. Ivannikova1'2, Yu.A. Kozhevnikov3, V.G. Chirkov3
'Moscow State University of Mechanical Engineering 38 Bolshaya Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russia Tel.: (499) 261-50-57, fax: (499) 267-19-70, e-mail: vgs001@mail.ru 2National Innovative Company Ltd. 6 Chaplygin str., Moscow, 105062, Russia Tel./fax: (495) 623-58-77, e-mail: iegh510@yandex.ru 3All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Electrification 2, 1-st Veshnyakovski pas., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-19-20, fax: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru
Referred: 20.04.13 Expertise: 22.04.13 Accepted: 25.04.13
The description of operation principle and design of breadboard sample of equipment set for experimental study of composite burner-type biofuel preparation processes vas been presented. These biofuels make it possible to increase the energy-efficiency of application of burner equipments operating on fuel oils and to reduce significantly harmful components emissions into atmosphere. The equipment set implements a two-stage processing cycle of multi-component multiphase medium using methods of hydrodynamic and ultrasonic cavitation to obtain high grade dispersion homogeneous emulsions and suspensions from
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 ITQ © Научно-технический центр «TATA», 2013 ■*
components with essentially different physical-chemical properties such as hydrocarbons, plant phytomass, water and others. As a result of sequential processing in modules of pretreatment and final homogenization consistent emulsions can be obtained with the size of suspended particles not exceeding 35 microns. Such ultrafine biofuels ensure their complete combustion which comes apparent from the reduction of carbon soot and nitrogen oxides, those of sulfur and carbon in flue gases. The equipment set had been tested real conditions of boiler-house and the substantial enhancement of operating parameters compared with conventional burner oil has been observed.
Keywords: breadboard equipment set, composite burner-type biofuel, energy efficiency, multi-component medium, hydrodynamic and ultrasonic cavitation, high grade dispersion emulsion, harmful emissions.
Введение
В последние годы биотопливное направление в энергетике развивалось во многих странах мира достаточно высокими темпами в соответствии с принятыми программами и законодательными актами, направленными на снижение зависимости ситуации на рынках энергоносителей от колебаний цен на ископаемое сырье и минимизацию техногенного влияния на окружающую среду, обусловленного его добычей и потреблением. Наиболее заметные успехи были достигнуты в области производства биотопливного этанола и биодизельного топлива (БДТ). Так, Директива Совета ЕС 2009 г. обязывает европейские страны увеличить долю биотоплив на транспорте до 10% к 2020 г. Вместе с тем мировое сообщество выражает обеспокоенность наметившейся тенденцией оттока сельхозпродукции продовольственного назначения в сферу энергетики, что приводит к использованию значительных посевных площадей для выращивания энергетических культур, вырубке лесов и повышению цен на пищевое сырье (зерновые, растительное масло и др.). В связи с этим комитет ООН по продовольствию и сельскому хозяйству предлагает меры по отмене дотаций и субсидирования производства биотоплива.
В современных условиях, учитывая возрастающую роль децентрализованных систем энергообеспечения и электропривода на транспорте, целесообразно развивать производство и потребление котельных биотоплив, которые обеспечивают существенный экологический эффект при относительно небольших капитальных затратах и себестоимости производимой с их использованием тепловой и электрической энергии при автономном энергообеспечении.
В настоящей работе рассматриваются принцип работы, характеристики и преимущества модульной технологической установки для приготовления котельных композитных биотоплив (ККБТ), предназначенных для оснащения котельных, работающих на мазуте.
Задачи исследования
На территориях России, не имеющих централизованного газоснабжения, теплообеспечение производственных процессов и коммунально-бытового хозяйства часто осуществляется с применением промыш-
ленных котельных установок, работающих на мазутах. Так, только в Северо-Западном федеральном округе из 4,5 тысячи котельных около 10% работают на жидком мазутном топливе [1]. Оборудование мазутных хозяйств котельных не обеспечивает высокого качества влажностно-дисперсионных характеристик мазута при подготовке его к сжиганию: влага неравномерно распределена по объему топлива, ее содержание колеблется от 2 до 9%, а размер капель воды составляет 45-150 мкм. Нестабильность состава топлива перед сжиганием снижает эффективность его использования и надежность работы котлов, повышает уровень выброса вредных веществ с дымовыми газами. Задачей исследования являлась
СО
экспериментальная проверка возможности повысить экономическую и экологическую эффективность процесса сжигания путем применения композитного котельного биотоплива, приготовленного на основе стандартного мазутного топлива методом кавитаци-онной обработки, для чего был изготовлен макет технологической установки.
е
Принцип работы оборудования ё
0
1
Котельные композитные биотоплива получают в виде ультрадисперсных суспензий/эмульсий из органических компонентов с существенно различающимися физико-химическими свойствами. Как правило, они содержат 50% и более тяжелых фракций нефтяных продуктов с добавлением водосодержащих растительных материалов. Поскольку все нефтепродукты представляют собой композиции углеводородных соединений, а растительная органика имеет углеводную основу с небольшим содержанием жиров и белков, взаимного растворения при смешивании таких компонентов не происходит, полученная обычными методами эмульсия или суспензия расслаивается в течение очень короткого периода времени. Поэтому основная проблема, которую нужно решить при проектировании технологического процесса и оборудования состоит в том, чтобы обеспечить высокую степень дисперсности взвешенных компонентов.
Для этого используют различные методы гомогенизации, наиболее эффективным из которых признан метод кавитации [2, 3], который состоит в том, что в жидкости создают микроскопические области пониженного давления, где образуются кавитационные пузырьки парогазовой фазы. Последующее схлопы-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
вание каждого отдельного пузырька вызывает гидроударную волну, сопровождающуюся выделением значительной энергии в очень малом объеме. За счет этого имеет место концентрация относительно невысокого внешнего силового потенциала в локальной области, что обеспечивает разрушение взвешенных в жидкости частиц различных материалов с образованием мелкодисперсной фракции.
Различают два основных способа создания кавитации: гидродинамический и ультразвуковой. При гидродинамической кавитации локальные области разрежения и, соответственно, разрывы жидкой среды, приводящие к образованию микроскопических областей газовой фазы, возникают в высокоскоростном потоке, встречающем на своем пути препятствия, например, в виде резкого изменения его направления или знакопеременного изменения сечения канала.
Ультразвуковой (УЗ) способ возбуждения кавитации основан на том, что локальные нарушения сплошности жидкости возникают вследствие высоких мгновенных значений ускорения отдельных элементов жидкой среды при ее высокочастотных механических колебаниях. Кавитационная обработка в ультразвуковом поле отличается высокой эффективностью, поскольку за счет локализации энергии в малых объемах способствует протеканию физико-химических процессов, имеющих достаточно высокий активационный барьер. Эффективность воздействия ультразвукового поля на органические материалы растительного происхождения выражается в повышенной проникающей способности жидкой среды за счет ее высоких гидродинамических параметров. При этом увеличивается коэффициент внутренней диффузии, а кавитационный эффект приводит к интенсивной деструкции молекул органического материала.
Волновая УЗ технология обеспечивает минимизацию энергетических затрат в расчете на единицу произведенного гомогенизированного продукта.
Экспериментальная проверка технологии приготовления ультрадисперсных ККБТ производилась на макетном образце установки. Функциональная схема установки представлена на рис. 1.
С учетом положительного опыта ранее выполненных работ по гомогенизации многокомпонентных многофазных топливных смесей [4-7] в установке был реализован двухстадийный технологический цикл, обеспечивающий последовательную гидродинамическую и ультразвуковую кавитационную обработку исходных компонентов ККБТ. На первой стадии цикла проводится предварительное эмульгирование компонентов с целью получения грубой эмульсии/суспензии методом гидродинамической кавитации. Вторая стадия (получение тонкодисперсной эмульсии/суспензии) заключается в обработке по ультразвуковому методу в сонно-химическом реакторе грубой эмульсии/суспензии, приготовленной на первой стадии.
Рис. 1. Схема компоновки макетного образца оборудования:
1 - насос; 2 - приемная емкость; 3 - буферная емкость; 4 - модуль предварительной подготовки (насос и ротацион-но-пульсационный аппарат - РПА); 5 - модуль окончательной обработки (проточный ультразвуковой реактор); 6 - вентиль отбора проб Fig. 1. Model equipment layout diagram: 1 - pump; 2 - receiver vessel; 3 - buffer vessel; 4 - pretreatment module (including pump and rotation-pulse devise - RPD); 5 - final processing module (flow-type ultrasonic reactor); 6 - output valve
Модуль предварительной обработки, общий вид которого представлен на рис. 2, выполнен на основе сдвоенного комплекта гидронасосов, оснащенных РПА, рабочими органами которых являются два со-осно установленных на малом расстоянии друг от друга диска со сквозными поперечными отверстиями. Один из дисков (статор) неподвижен, а второй (ротор) вращается.
Рис. 2. Общий вид модуля предварительной обработки Fig. 2. Pretreatment module layout
При вращении каналы ротора периодически совмещаются с каналами статора. Многокомпонентная смесь подается под давлением в полость ротора и, проходя через каналы ротора и статора в фазу их совмещения, выходит из РПА. Таким образом, при перекрытых каналах давление в жидкости возрастает, а при их совмещении - падает. При этом в каналах возникают импульсы давления, которые и обеспечивают дробление и перемешивание разнородных частиц.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Предварительно гомогенизированная таким методом эмульсия/суспензия подается в модуль окончательной обработки, общий вид которого представлен на рис. 3. Модуль включает в себя: электрический УЗ генератор и проточный сонохимический реактор. В свою очередь проточный сонохимический реактор состоит из корпуса, магнитострикционного преобразователя (ПМС1-1) и акустического волновода-излучателя.
Рис. 3. Комплект оборудования модуля окончательной обработки Fig. 3. Final processing module set
Технические характеристики макетного образца установки приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики макетного образца
Table 1
Technical characteristics of the model sample
Результаты лабораторных испытаний
Испытание макетного образца установки проводилось на модельной многокомпонентной среде, приготовленной на основе мазута и воды в объемной концентрации до 18%. Такие обводненные топлива используются в энергетике с целью снижения вредных выбросов при работе судовых двигателей и тепловых станций, работающих на мазуте. Экологический эффект обеспечивается, прежде всего, благодаря каталитическим свойствам воды, присутствующей в водомазутном топливе, при сжигании которого повышается интенсивность теплообменных и окислительных процессов. При этом качество композитного биотоплива определяется степенью дисперсности и равномерностью распределения глобул в дисперсионной среде. Чем выше дисперсность и равномерность распределения, тем эффективней происходит ее окисление при горении, тем выше стабильность эмульсии, а также эффективность и надежность работы горелочных устройств. Так, по техническим условиям оводненное топливо на основе мазута марки 100 должно сохранять свои эксплуатационные характеристики (прежде всего вязкость) в течение 24 ч при температурах хранения выше 0 °С. й
Рис. 4. Микрофотография образца водомазутной эмульсии Fig. 4. Microphotography of fuel oil and water mixture sample
Параметр Значение
Производительность, м3/ч до 10
Рабочее давление, МПа до 1,0
Рабочая частота УЗ реактора, кГц 22±1,0
Температура обработки сред, °С: - мазут - водосодержащая органика - композиция 45-65 10-40 45-65
Потребляемая мощность, кВт, не более 10
Габаритные размеры комплекса, мм 2100x1100x1300
Масса, кг, не более 130
Качество эмульсии в экспериментах по двухста-дийной обработке на макетном образце модульного комплекса определяли в соответствии с методикой, установленной нормативным документом [8], по размерному распределению водяных капель путем визуальной обработки изображений, полученных на оптическом микроскопе МБС-12. Для каждого изображения образцов приготовленных эмульсий обрабатывали не менее 425 капель. Типовой вид полученных изображений представлен на рис. 4, а на рис. 5 показана гистограмма распределения капель воды в эмульсии.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 2
Показатели эффективности работы котлоагрегата при работе на композитном биотопливе
Table 2
The performance indicators of the boiler operating on composite biofuel
Рис. 5. Гистограмма распределения капель воды в мазуте Fig. 5. Water drops size distribution histogram
Распределение капель воды в мазуте достаточно однородное (рис. 4). Как видно из рис. 5, доля капель со средним диаметром более 30 мкм в эмульсии составляет менее 5%, а капли диаметром более 35 мкм в образцах не обнаружены, что указывает на достаточно высокое качество приготовленных образцов эмульсии и позволяет прогнозировать высокую стабильность композитного биотоплива. При этом порядка 80% капель имеет размер до 10 мкм, что подтверждает высокую эффективность применения метода ультразвуковой кавитации, который обеспечивает интенсификацию процесса гомогенизации и получение тонкодисперсной топливной эмульсии.
Для оценки экологической и экономической эффективности применения разработанного комплекса оборудования в производственных условиях были проведены его полевые испытания на паровом котле ДКВР-10/13 на базе ЗАО «Экономнефтересурс» (г. Бугуруслан Оренбургской обл.). Для этого макетный образец оборудования был установлен непосредственно на территории котельной, на нем была приготовлена опытная партия композитного биотоплива, состоящая из мазута (до 60%), отработанного моторного масла (10-12%), воды (до 18%) и фито-массы микроводорослей (до 10%). Композитное биотопливо направлялось в котлоагрегат вместо топочного мазута в условиях тепловой реальной нагрузки.
Производственные испытания
Анализ работы котла на композитном биотопливе свидетельствуют о повышении ряда показателей по сравнению со стандартным топочным мазутом. Так, на всех режимах снижается выброс вредных веществ с дымовыми газами: N0 (на 6-20%), М02 (на 3040%), СО (в 1,5-3 раза), 802 (на 10-30%). По визуальным показателям, резко снизилось содержание компонентов сажи в дымовых газах. Эксплуатация котлоагрегата при замене мазута композитным биотопливом указанного выше состава выявила основные факторы повышения его эффективности (табл. 2).
Показатель эффективности Экономия топлива, %
Высокая степень дисперсности воды в топливе до 2
Уменьшение коэффициента избытка воздуха на 0,1 0,7
Уменьшение температуры уходящих газов на 10 °С 0,6
Подогрев питательной воды в экономайзере на 10 °С 1,6
Снижение температуры питательной воды на входе в экономайзер на 10 °С 0,24
Снижение выбросов сажи 0,2
Поддержание чистоты теплообменных поверхностей котла до 2
Снижение температуры исходного топлива на 30 °С до 1
Замена форсунок парового распыла на механические до 1
Поддержание номинального КПД тепло-агрегата при нагрузке 75% от номинальной 0,7
Потери топлива на испарение воды 0,8
Суммарная экономия топлива до 10
Заключение
Разработанный и апробированный комплекс по приготовлению композитного котельного биотоплива из углеводородного и органического сырья, включающий в себя модули последовательной обработки по методам гидродинамической и ультразвуковой кавитации, может применяться для улучшения эксплуатационных характеристик мазутного топлива и повышения эффективности работы котельных установок. Применение комплекта оборудования позволяет за отопительный сезон сэкономить до 10% базового топлива (мазута) при существенном снижении вредного влияния на окружающую среду. Срок окупаемости затрат на приобретение, установку и отладку комплекса составляет от нескольких месяцев до одного года в зависимости от объема потребления мазута.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Соглашения о предоставлении гранта в форме субсидии от 20 июля 2012 г. №14.В37.21.0150.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05/2 (126) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Список литературы
1. Селеннов В.Г. и др. Торф в малой энергетике // Академия энергетики. 2009. № 1. С. 48-56.
2. Margulis M.A. Fundamental problems of sonochemistry and cavitation // Ultrasonics and cavitation. 1994. Vol. 1, Iss. 2. P. 87-90.
3. Parag R. Golate, Rajiv K. Tayal, Aniruddha B. Pandit. Cavitation: A technology on the horizon // Current science. 2006. Vol. 31, No. 1. P. 35-46.
4. Патент РФ на ПМ № 108719. рег. 27.09.2011 Роторно-статорный узел ротационно-пульсацион-ного аппарата / Кожевников Ю.А. и др. (приор.: 12.04.2011).
5. Патент РФ на ПМ № 109009. рег. 10.10.2011. Гибридное устройство подготовки многокомпонентных тонкодисперсных котельных биотоплив / Кожевников Ю.А и др. (приор.: 15.06.2011).
6. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Кожевников Ю.А. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы // Альтернативная энергетика и экология - 18.ТЛББ. 2013. № 1 (часть 2). С. 103-107.
7. Систер В.Г., Иванникова Е.М. Экспериментальное исследование процесса переэтерификации рапсового масла метанолом в сверхкритических условиях // Альтернативная энергетика и экология -ШЛББ. 2012. № 11. С. 32-36.
8. РД 34.44.215-96 «Методы определения качества водомазутных эмульсий, используемых в виде жидкого котельного топлива».
— TATA — LXJ
WASMA-2013 10-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ТЕХНОЛОГИЙ И ИННОВАЦИЙ В ЭКОЛОГИИ
Время проведения: 29 - 31.12.2013
Место проведения: Россия, Москва, КВЦ «Сокольники», павильон 4.1 Тема: Экология
Выставка проводится с 2004 г. и ежегодно собирает ведущих отечественных и мировых лидеров индустрии. Факты и цифры:
Участниками выставки 2012 г. стали 80 компаний из России, Великобритании, Германии, Китая, Франции, Швейцарии, Австрии. Экспозиционная площадь увеличилась до 2500 кв.м. Wasma 2012 посетили более 2000 специалистов экологической отрасли, что в 2 раза больше по сравнению с 2011 годом.
Wasma проходит при поддержке Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), Торгово-промышленной палаты РФ, Московской промышленной палаты, Ассоциации рециклинга отходов.
С 2012 года выставка Wasma проходит в новом формате.
- Экспозиция выставки состоит из 4 тематических разделов:
- Управление отходами и рециклинг;
- Альтернативная энергетика, ресурсосберегающие технологии;
- Водоочистка и водоподготовка;
- Экология города.
уяь
Организатор — MVK в составе группы компаний ITE
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05/2 (126) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
