CC BY
42
УДК 621.10+536.5
ПОДГОТОВКА ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ МАГНИТНОМ И НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЯХ С КОНТРОЛЕМ ПРОЦЕССА МЕТОДОМ ЯМР-РЕЛАКСОМЕТРИИ
Р.С. КАШАЕВ Казанский государственный энергетический университет
В работе описана модернизация топливоснабжения котельных путем превращения водо-углеводородных смесей, включая обводненные мазут и котельное топливо, в водотопливные эмульсии (ВТЭ). Подготовка ВТЭ осуществляется во вращающихся магнитном и неоднородном электрическом полях с контролем процесса методом ЯМР-релаксометрии.
Ключевые слова: топливоснабжение, водотопливная эмульсия, ЯМР-релаксометрия.
Введение
Энергетика все шире использует водотопливные эмульсии (ВТЭ) для топливоснабжения котельных и котлов тепловых электростанций (ТЭС) вместо мазута и котельного топлива. Использование, например, водомазутных эмульсий (ВМЭ) дает преимущества, связанные с диспергированием мазута за счет взрыва капель в пламени факела: быстрое сгорание и практически полная конверсия углерода; возможность сжигания при малых концентрациях кислорода; низкая температура сжигания - в разы снижают выбросы в атмосферу окислов азота N0^ Использование ВТЭ позволяет экономить углеводороды; при этом оборудование котлов ТЭС и котельных требует минимальной адаптации, затраты на которую окупаются в течение года. Исследования, проведенные на ТЭЦ-21 Мосэнерго, показали [1], что при применении ВМЭ с концентрацией воды 5-13 % снижение температуры ядра факела на 1000С приводит к двукратному уменьшению концентрации N02 в продуктах сгорания. Если размер капель воды не превышает 50 мкм, КПД котла не меняется, и теплоэнергетическая установка может работать с максимальной нагрузкой. Концентрацию воды в ВТЭ можно доводить до 30%. Вязкость эмульсии из нефтяных остатков ниже, чем в самом остатке.
Применение ВТЭ экономически целесообразно. Появляется возможность использовать бросовые водо-углеводородные смеси (ВУС), сильно обводненные нефтяные остатки, слив и хранение которых связаны с загрязнением водоемов и опасностью пожаров. Переработка отходов в топливные эмульсии дает возможность обезвреживания промышленных водных стоков, содержащих ВУС [2]. По данным работы [3] для агрегатов топочной системы достаточно ограничение дробления капель воды до 15 мкм. Это обеспечивает устойчивую работу при содержании воды в ВТЭ до 25-30%. При дальнейшем дроблении до 1 мкм ВТЭ можно использовать в двигателях внутреннего сгорания, в том числе морских дизельных ДВС. При этом расход топлива сокращается на 12 %, исключается недожог, эмиссия Б02 снижается на 50% [4].
Система поддержания концентрации воды в ВМЭ
Для функционирования системы топливоснабжения котельной водотопливной эмульсией необходима система поддержания концентрации воды при определенных значениях, обычно 20+2%.
© Р.С. Катаев
Проблемы энергетики, 2016, № 1-2
Рассмотрим реализацию системы топливоснабжения с поддержанием концентрации воды на примере котельной на трех котлах ДКВР-10-13, паропроизводительностью 45 т/час, закрытого типа, предназначенной для централизованного теплоснабжения систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также технологических потребителей. Область применения - районы с расчетной температурой наружного воздуха -20; -30; -400С. В качестве вида топлива использован мазут М-100 плотностью р = 957 кг/м , вязкостью л =1,08 Па-с при 80 С, теплотворной способностью Q = 38,42 МДж/кг. Теплоносители: перегретая вода с температурой 150^170°С (60%-й пар) для системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и насыщенный пар давлением 7 атм для технологических потребителей. Вода подготавливается в водоподогревательной установке теплопроизводительностью 59080 МДж/ч. Мазут подогревается до температуры 80оС.
В системе топливоснабжения (рис. 1) котельной ДКВР-10-13 ВТЭ необходимо регулировать концентрацию воды в ВТЭ, поступающей в котел. Это осуществляется с помощью разработанного нами способа и датчика проточного экспресс-анализа [5-7]. ВМЭ образуется смешением мазута и воды в специальной емкости 4. Для этого мазут и вода подаются в емкость 4 при последовательном открытии вентилей 1 и 2. Эти жидкости заполняют емкость 4 до объема 0,8К(К — объем емкости), контролируемого датчиком уровня 3. При заполнении 0,8 V срабатывает датчик уровня 3, вентили 1 и 2 закрываются и переходят в ждущий режим. При понижении уровня в емкости до 0,5 V датчик уровня 3 работает на открытие вентилей 1 и 2. После заполнения емкости включается шестеренчатый насос 5. Он перемешивает мазут и воду в течение заданного времени ?зад, необходимого для достижения определенного диаметра капель воды. По истечении этого времени открывается клапан 6, смесь начинает поступать в промежуточную емкость 8. В это время смесь анализируется датчиком технологического параметра на концентрацию воды и дисперсность, контролируется также расход смеси. В зависимости от процентного содержания воды в ВТЭ, открывается либо вентиль 1, либо 2. Время открытого состояния 1 и 2 зависит от требуемого количества воды. Если ВТЭ отвечает заданным параметрам, открывается вентиль 9 и смесь подается в котел 10.
Рис. 1. Принципиальная схема системы топливоснабжения и поддержания концентрации воды в ВМЭ: 1, 2 и 9 - вентили; 3 - ДУ — термодифференциальный сигнализатор уровня СУПТ 201 Ех; 4 - емкость; 5 - Ш.Н. - шестеренный насос марки Ш5-25; 6 - клапан; 7 - датчик технологического параметра; 8 - промежуточная емкость; 10 - котел для сжигания © Проблемы энергетики, 2016, № 1-2
Подготовка ВТЭ с использованием установки снижения концентрации воды во вращающемся магнитном и неоднородном электрическом полях и управлением от релаксометра ЯМР
В настоящее время в целях ресурсоэкономии и энергосбережения актуально создание блочно-модульных установок подготовки топливных эмульсий, установок деэмульсации и превращения нефтепродуктов и стоков промышленных производств в ВТЭ. По данным рекламного проспекта разработчика ОАО «Корпорация «Компомаш», УП «Омский завод нефтепереабатывающего оборудования» ГП ПО «Полет» производит установки, стоимостью 3,5 млн. руб. и производительностью 5-10 т/час, по приготовлению 30%-х водомазутных эмульсий. По данным производителя (и рекламного проспекта от 2006 г.) стоимость подготовки 1 т ВТЭ составляет 70 руб./т; экономический эффект при переходе теплоэлектростанции на ВТЭ составляет 48,7 млн. руб. Ближайший зарубежный аналог - установка фирмы ENH, Colas по подготовке водо-битумных эмульсий. Сравнительные данные по установкам приведены в таблице.
Таблица
Показатели Установка «Компомаш», г. Омск ENH Enginneering A/S (Colas, Франция) Установка КГЭУ, г. Казань
Получаемый продукт Водомазутные эмульсии Водо-битумные эмульсии ВТЭ
Производительность, т/час 5-10 до 20 5-20
Концентрация воды, % 0-30 - 0 - 100
Отн. погрешность, %: Мазута, битума ±2,5 ±2,0
Взрывозащита нет да да
Потреб.мощность, кВА 37-50 - 30
Габариты, м: 1,82x0,56x0,8 до 1,82x0,56x0,8 1,5x0,4x0,5
Масса, кг 770 до 700 100
Экономия топлива,% 25 25 20-30
Однако недостатком установок является проблема, связанная с переработкой ВУС с большим влагосодержанием, - необходимость выпаривания избыточной влаги, что приводит к большому расходу теплоэнергии. Нами предлагается осуществлять данный процесс в установке с вращающимися магнитным и неоднородным электрическим полями (ВМНЭП) [6].
В предлагаемом процессе снижения концентрации воды и формирования мелкодисперсной ВТЭ требуется выполнение следующих контрольно-технологических операций: контроль влажности Ж водоуглеродных смесей (ВУС), зачисток, нефтяных стоков; доведение концентрации воды Ж до нормы (снижение или повышение Ж); контроль физико-химических свойств и расхода формируемой ВТЭ по способу [4].
Вышеизложенные условия могут быть реализованы в автоматическом проточном режиме датчиком ядерного магнитного резонанса (ЯМР) технологических параметров [5]. Такая контрольно-управляющая установка в базовом варианте включает: ЯМР-датчик, к которому подведены каналы подачи сырья, воды и ВТЭ. Контроль параметров осуществляется электронным блоком релаксометра ЯМР с микропроцессорным контроллером. После обработки полученных данных микропроцессор выдает сигналы на управление процессом обезвоживания во ВМНЭП задвижками, регулирующими расход (подачу) смеси, сырья (топлива, отходов нефтехимии и др.) и воды, осуществляет контроль переработки смеси в эмульсию.
Процесс обезвоживания обводненных мазутов, котельного топлива, нефти и нефтяных отходов осуществляется во ВМНЭП устройством [8], схема которого
показана на рис. 2, фото - на рис. 3. В соответствии со схемой рис. 2 предварительно подогретая до 80оС ВУС (из обводненных мазутов, котельного топлива, нефти и нефтяных отходов) пропускается через сетку отрицательно заряженного электрода 1 . Слой отстоявшейся воды 8 перемещается по направлению к электроду 2 с положительной полярностью и обрабатывается в зоне 7 вращающихся магнитного и неоднородного электрического полей. После обработки происходит нейтрализация зарядов капель на положительных электродах, их коалесценция и отстой в зоне 7. При этом на каждом этапе обработки осуществляют контроль параметров эмульсии (концентрации воды, дисперсного распределения капель воды, вязкости, плотности) с помощью проточного ДТП, управляемого микропроцессорным контроллером [7].
4 Газ / ^ нефть
Рис.2. Схема устройства для удаления воды из ВУС во вращающихся магнитном и неоднородном электрическом полях. Здесь 1 - отрицательно заряженный электрод, 2 - положительно заряженные конические электроды, 3 - статорные обмотки для создания ВМП, 4, 5 и 6 - патрубки ввода сырья, вывода отделенной воды и обезвоженного углеводорода, 7 - зона действия на капли воды ВМНЭП,
8 - отстоявшаяся вода
Рис.3. Фото устройства для удаления воды из ВУС во ВМНЭП
Таким образом, в устройстве ВУС подвергается воздействию следующих полей и
сил.
1. При пропускании ВУС через отрицательно заряженную сетку 1 с полем Ео капли воды радиусом го получают отрицательный заряд q:
q« 1,64ЕоГО2 . (1)
Приобретя заряд, капли отталкиваются от электрода 1 с силой:
1,37ЕО2ГО28СР = 0,835 qЕ0, (2)
где еср - диэлектрическая проницаемость дисперсной фазы (воды). Ввод ВУС в устройство осуществляется не по радиусу, а по периметру корпуса в направлении, совпадающим с направлением вращения магнитного и электрического полей и электродов 2. Это создает закрученность потока эмульсии и дополнительную центробежную силу, отбрасывающую более тяжелые капли воды (при обработке нефтей и нефтепродуктов с плотностью р < 980 кг/м ) к внешнему периметру блока. Далее капли воды попадают в зону 8 отстоявшейся воды, в которой улавливаются наиболее крупные капли воды и механические примеси.
2. Выше слоя отстоявшейся воды находится промежуточный слой с меньшей концентрацией воды, куда попадают более мелкие капли эмульсии, которые коалесцируют, подвергаясь обработке ВМП, создаваемым статорными обмотками 3, и НЭП, создаваемым между поверхностью воды и между электродами 2, на которые подано положительное напряжение. Причем, величина электрического поля между электродами 2 изменяется в сторону его увеличения по мере повышения расположения электродов в блоке, как это представлено на рис. 2. Такое наращивание величины удельного электрического поля Еуд ведет к тому, что создаются условия роста сил диполь-дипольного взаимодействия FD между мелкими каплями с уменьшением концентрации воды по мере движения ВУС вверх. В зоне 7 на капли действуют силы:
а) силы притяжения от диполь-дипольного взаимодействия между каплями-диполями по формуле
FD=6(|a|)2£o2 еСр//, (3)
где а - поляризуемость капли, а = го3(Е, - 1)/(^ + 2); ^ = ео/е, е - диэлектрическая проницаемость эмульсии; г - расстояние между каплями-диполями; е - усредненная диэлектрическая проницаемость эмульсии. При этом, поскольку электроды 2 расположены на ферромагнитном роторе, они вслед за ротором осуществляют вращательное движение по принципу ротора асинхронного двигателя, снижая, тем самым, вероятность возникновения «цепочек» проводимости из капель воды между электродами;
б) силы FG градиента grаd E электрического поля E по формуле
FG = 2лбо(е- Що R3grad E2/(s+2), (4)
где R — внешний радиус электрода. Под действием сил капли будут перемещаться по градиенту grad E в зону максимальной величины Eo к периметру корпуса, где капли коалесцируют и оседают;
в) силы FL Лоренца:
FL = q Ь'-Б], (5)
где В - магнитная индукция вращающегося магнитного поля; V - линейная скорость вращения магнитного поля. Под действием сил FL заряженные мелкие капли перемещаются вниз, где их концентрация повышенная. Вследствие наличия заряда и дипольного момента капли также стремятся по направлению градиента gradВ магнитного поля, который максимален на периметре корпуса блока, то есть ближе к источнику магнитного поля 4;
3. Далее обезвоженная ВУС переключателями потока направляется в ЯМР-датчик релаксометра ЯМР для выходного контроля параметров топливной эмульсии. В том случае, если эмульсия удовлетворяет по качеству, она сливается в емкость для готовой топливной эмульсии. Если нет, то, в зависимости от параметров эмульсии, вновь подвергается электромагнитной обработке уже при новых ВМП и НЭП в блоке удаления воды из ВУС.
Непрерывный контроль данных параметров осуществляется ДТП по способу контроля качества нефти и нефтепродуктов по патенту [6]. Оценка экономической эффективности при использовании установки на отдельной котельной составляет ~ 700 тыс. руб./год (на 2007 г.). Она складывается из экономии средств от реализации в одном ЯМР-анализаторе (ценой 900 тыс.руб) единовременного оперативного (в течение 2 минут) контроля расхода, состава ВТЭ, концентрации воды, вязкости; отказа от установок выпаривания избыточной влаги и высоковольтных установок электрообезвоживания, аппаратов смешения с деэмульгаторами и емкостей для отстоя в течение « 30-60 минут с подогревом до 50-60 оС. Срок окупаемости оценивается в 2 года. Разработка обладает наукоемким экспортным потенциалом. Аналог на базе ЯМР-анализатора в мировой практике отсутствует.
Выводы
1. Описана структурная схема и алгоритм работы установки топливоснабжения котельной водотопливной эмульсией с контролем процесса методом ЯМР-релаксометрии.
2. Предложен способ и устройство по подготовке водотопливной эмульсии из водо-углеводородной смеси путем воздействия вращающимся магнитным и неоднородным электрическим полем.
3. Описаны силы и поля, воздействующие на капли воды в водотопливной эмульсии.
Summary
In the work described modernization of fuel supply of boiler rooms by transformation of water-hydrocarbon mixtures in water-fuel emulsions (WFE). Preparation of WFE is performed in the rotating magnetic and inhomogeneous electric fields with the process control by method of NMR-relaxometry.
Key words: fuel supply, water-fuel emulsion, NMR- relaxometry.
Литература
1. Отчет / КПИ, Мосэнерго. Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б., Преснов Г.В. и др.; О применении водо-мазутной эмульсии для сжигания в котельных установках ТЭЦ-21. 1993 г.
2. Катаев Р.С., Малацион С.Ф., Самигуллин Ф.М., Матухин В.Л. Температурная зависимость структурно-динамических параметров и методика экспресс-анализа топливных водо-мазутных эмульсий на основе метода ЯМР // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2003. №.11-12. С. 3-11.
3. Зверева Э.Р. Ресурсо-, энергосберегающие технологии в мазутных хозяйствах тепловых электрических станций. Казань: Казанский гос. энерг. ун-т, 2010. 184 с.
4. Abu Zaid. Performance of single cylinder, direct injection diesel engine using water fuel emulsions // Energy conversion and Management. 2004. №45. Р. 697-705.
5. Способ оперативного контроля качества нефти и нефтепродуктов / Катаев Р.С., Темников А.Н., Идиятуллин З.Ш. Пат. 2519496 РФ, С1 G01N24/08. Опубл. 10.06.2014. Бюлл. №16.
6. Пат. РФ 74710. Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей методом ЯМР / Катаев Р.С., Темников А.Н., Идиятуллин З.Ш., Даутов И.Р. Опубл. 2009, Бюлл. №28.
7. Устройство для измерения состава и расхода многокомпонентных жидкостей методом ядерного магнитного резонанса / Кашаев Р.С., Темников А.Н., Идиятуллин З.Ш. Пат. РФ 2544360 С1 G01N24/08. Опубл. 20.03.2015. Бюлл. № 8.
8. Пат. 115679 РФ. Устройство для обезвоживания и обессоливания водонефтяных и водомасляных эмульсий / Кашаев Р.С., Фасхиев Н.Р. Опубл. 2011. Бюлл. №13.
Поступила в редакцию 28 января 2016 г.
Кашаев Рустем Султанхамитович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Приборостроение и автоматизированный электропривод» (ПАЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8(904)7158012. E-mail: kashaev2007@yandex.ru.
