CC BY
0В.Д. Катин, д-р техн. наук, проф. И.В. Вольхин, канд. техн. наук, доц., e-mail: volkhin72@mail.ru
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск
УДК 697.326.2:504.175
РАЗРАБОТКА НОВОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К СЖИГАНИЮ ОБВОДНЕННОГО МАЗУТА В КОТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Рассмотрены актуальные задачи охраны окружающей природной среды от загрязнения путем применения малоотходной технологии сжигания обводненного жидкого топлива в котельных предприятий железнодорожного транспорта. Дан анализ сжигания мазута в виде водотопливных эмульсий (ВМЭ) с экологической точки зрения. Приведена характеристика существующего устройства для подготовки к сжиганию обводненного мазута, и предложена принципиально новая защищенная патентом на изобретение конструкция установки для приготовления ВМЭ к сжиганию в котельной. Показаны эколого-технические преимущества предлагаемого нового устройства перед отечественными и зарубежными аналогами, заключающиеся в возможности получения более качественной ВМЭ, обеспечении снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при ее сжигании в паровых и водогрейных котлах, а также в существенном уменьшении энергозатрат и повышении срока эксплуатации данного устройства.
Ключевые слова: жидкое топливо, водомазутные эмульсии, котельные, железнодорожный транспорт, подготовка, сжигание топлива, снижение вредных выбросов.
V.D. Katin, Dr. Sc. Engineering, Prof.
I.V. Volkhin, Cand.Sc. Engineering, Assoc. Prof.
THE DEVELOPMENT OF THE NEW DEVICE FOR PREPARATION FOR BURNING OF THE FLOODED FUEL OIL IN BOILER ROOMS OF THE ENTERPRISES
OF RAILWAY TRANSPORT
The article is devoted to consideration of actual problems of surrounding environment protection from pollution by application of low-waste technology of burning of the flooded liquidfuel in boiler rooms of the enterprises of railway transport. The analysis of burning offuel oil in the form of water fuel emulsions (WFE) from the ecological point of view is given. The characteristic of the existing device for preparation for burning of the flooded fuel oil is provided and essentially new design of installation for preparation of WFE for burning in a boiler room which is protected by the patent for the invention is offered. The ecological-technical advantages of the offered new device before domestic and foreign analogs are shown. These advantages consist in possibility of receiving of WFE of higher quality, decrease in emissions of the polluting substances in the atmosphere at its burning in the steam and water-heating boilers and also in essential reduction of energy consumption and increase of operation term of this device.
Key words: liquid fuel; water-fuel emulsions; boiler rooms; railway transport; preparation, fuel burning; decrease in harmful emissions.
Введение
На железнодорожном транспорте производственные и отопительные котельные малой мощности в качестве топлива используют топочный мазут и являются источниками загрязнения окружающей среды, прежде всего атмосферного воздуха [1, 2]. Характерной особенностью мазутных хозяйств котельных в Дальневосточном регионе и на
Дальневосточной железной дороге (ДВЖД) является отсутствие специальных очистных сооружений. При рассмотрении этой проблемы в направлении ориентиров Экологической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г. можно утверждать, что важным условием повышения эффективности объектов малой энергетики железных дорог становится снижение негативного воздействия на окружающую природную среду к 2015 г. на 35 % и к 2030 г. до 70 %, а также охрана атмосферного воздуха и водных ресурсов и общее снижение негативной нагрузки на окружающую среду за счет внедрения современных технологий сжигания жидкого топлива [1].
Анализ экологической эффективности сжигания водомазутных эмульсий
в котельных
Существующая технология подготовки жидкого топлива к сжиганию заключается в том, что разогрев мазута открытым (острым) паром является пока наиболее распространенным способом, используемым при выгрузке высоковязких мазутов из железнодорожных цистерн для его последующего сжигания в котельных в связи с достаточно продолжительным периодом низких отрицательных температур в Дальневосточном регионе. Использование данного способа выгрузки мазута из железнодорожных цистерн приводит к образованию конденсата, который образует, в свою очередь, линзовые скопления воды, доходящие иногда до 15...20% от объема мазута и, как следствие, приводящие к нарушению режима горения мазута, так как в процессе эксплуатации имеют место пульсации факела в топке и его погасания [2, 3, 4]. В процессе отстаивания часть загрязненной воды через неплотности мазутохранилищ дренирует, загрязняя при этом грунтовые воды. Поэтому важным вопросом повышения эколого-экономической эффективности работы котельных на мазуте становится обезвреживание сильно обводненного мазута и различных замазученных вод. Одним из путей повышения эффективности использования жидкого топлива является совершенствование технологических процессов его подготовки к сжиганию в виде водо-мазутных эмульсий (ВМЭ). При этом необходимо отметить, что существуют два направления приготовления ВМЭ: диспергированием обводненного топлива и добавлением воды, содержащей нефтепродукты и другие органические загрязнители, в безводное топливо. В любом случае система приготовления ВМЭ должна быть приспособлена к существующей схеме мазутного хозяйства и обеспечивать нормальные условия сжигания. Выбор аппарата для приготовления эмульсии при этом должен определяться из соображений обеспечения оптимальных условий сжигания дисперсных характеристик водной фазы и спецификой сжигания обводненного топлива. При этом можно выделить характерные признаки, позволяющие классифицировать технологические системы приготовления ВМЭ. Подробный обзор конструктивных особенностей каждой из конкретных систем не представляется целесообразным. Метод приготовления ВМЭ в известной мере определяет режим сжигания и параметры получаемой эмульсии. Последние работы свидетельствуют о возможности комбинирования различных методов приготовления эмульсий, например, циркуляции и диспергации, с учетом существующих технологических процессов подготовки топлива к сжиганию в мазутных хозяйствах [2, 3, 4, 6]. Такой подход к приготовлению и сжиганию эмульгированного топлива является достаточно обоснованным. Это связано с наличием в мазутных хозяйствах технологических операций, сопровождающихся обводнением мазута, усреднением его состава, эмульгированием топлива, существующим оборудованием (насосы, фильтры и т.п.). Таким образом, разработка систем подготовки мазута к сжиганию в виде ВМЭ должна основываться на технологии топливоподготовки, осуществляемой в мазутном хозяйстве котельной, а
приготовление эмульсии с необходимыми показателями влажности топлива и его дисперсности должно обеспечиваться высокоэффективными способами и устройствами.
При использовании ВМЭ удается значительно снизить выбросы оксидов азота (КОх), сажистых частиц (СЧ) и оксида углерода (СО). Выход N02 в продуктах сгорания снижается с увеличением содержания воды по линейной зависимости. При содержании влаги до 10 % в эмульсии содержание КОх в продуктах сгорания снижается на 30.. .35%. Более сложно изменяется выход оксида углерода и сажи. С увеличением влажности до 30% концентрации СО и СЧ снижаются, дальнейшее увеличение влажности вызывает рост концентрации СО и сажи в продуктах сгорания [2, 3, 6, 7]. На основании изучения влияния уровня дисперсности на экологичность сжигания эмульсий в работе [7] получена зависимость выхода вредных веществ от дисперсности ВМЭ при ее сжигании (на примере смеси мазута и воды) - характер изменения концентрации СО и СЧ имеет ярко выраженный минимум в пределах 35...45 мкм дисперсной фазы эмульсии. В этом случае минимальная концентрация СО и СЧ обусловлена наибольшей вероятностью возникновения микровзрыва отдельной капли, т.е. оптимальной концентрацией СО и СЧ в продуктах сгорания. Увеличение среднего диаметра дисперсной фазы ведет к росту числа случаев, когда размеры капель топлива в факеле распыла и размеры капель воды будут соизмеримы. Следовательно, в данном случае часть воды, находящейся в топливе, не участвует во вторичном распыливании топлива и является балластом, препятствующим его полному сгоранию. Следовательно, повышение эффективности имеющихся разработок новых высокоэффективных устройств для подготовки ВМЭ является важным природоохранным направлением при сжигании жидких топлив.
Снижение эмиссии продуктов неполного его сгорания объясняется интенсификацией процесса и выгорания за счет «микровзрыва» капель ВМЭ пламени горелки, увеличения парциального давления водяных паров и других факторов. Снижение выбросов в атмосферу оксида углерода и сажи достигает 50% при влажности ВМЭ около 10.12% [2, 7].
Применение способов совместного сжигания нефтяного топлива с загрязненной водой в виде ВМЭ достаточно подробно описано в работах [2, 3, 5, 6]. Наряду с механическими устройствами для эмульгирования и перемешивания двух жидкостей внимание исследователей и практиков привлекает идея использования энергии струй жидкости и топлива для создания эмульсий. По принципу использования энергии струй устройства, в которых осуществляется эмульгирование, можно условно разделить на аппараты, эмульгирующие за счет: а) статического давления; б) кинетической энергии потоков. Условность такого разделения вытекает из того, что любой поток жидкости или газа имеет два вида энергии: потенциальную статического давления и кинетическую скоростного потока.
В отопительных котельных приготовление эмульсий предваряется созданием смеси жидкостей, содержащей грубую дисперсную фазу с различными размерами. Последующее уменьшение размеров отдельных объемов дисперсной фазы до примерно одинакового значения существенно меньших, чем первоначальные диаметры капель дисперсной фазы, называется гомогенизацией. Хотя этот процесс является общим для всех устройств, используемых для приготовления эмульсий, на практике под гомогенизаторами понимают устройства, в которых диспергирование жидкости достигается пропусканием (дросселированием) ее через малые отверстия под высоким давлением, достигающим 15...20 МПа и более [2, 7]. При таком высоком давлении вязкость эмульгируемой смеси практически не сказывается на производительности гомогенизатора. Действие этих устройств основано на продавливании смеси жидкости через кольцевую полость между неподвижными телами кавитации. Возникающие в кольцевом зазоре или щели высокие
касательные напряжения и большой градиент скоростей вызывают разрыв потока жидкости на капли, при этом происходит дробление крупных капель дисперсной фазы на мелкие, и степень дисперсности эмульсии увеличивается. Регулирование производительности и размеров дисперсной фазы производится изменением площади проходного отверстия и рабочего давления. Опыт применения клапанного гомогенизатора А1-ОГМ производительностью 5 м3/ч для обработки мазута марки М100 показал, что, несмотря на положительный эффект, энергозатраты на гомогенизацию оказались достаточно велики, и наблюдался интенсивный износ клапанной группы, приводивший ее в негодность через 2...3 ч непрерывной работы [10].
Разработка нового устройства для приготовления и сжигания ВМЭ
В одном из устройств для подготовки к сжиганию обводненного мазута [8] мазут в корпус устройства подается с требуемым количеством воды и водяного пара. Перемешивание мазута с водой и приготовление водомазутной эмульсии требуемого качества происходит в процессе соприкосновения (соударения) потоков мазута, пара и воды и благодаря дополнительной турбулизации потока при его поворотах и кавитационных явлениях за металлическими цилиндрами, установленными по ходу движения потока смеси. Перед каждым последующим участком корпуса вводится дополнительное количество пара, что способствует достижению требуемого подогрева и снижению вязкости ВМЭ. Регулирование влажности эмульсии производится изменением расходов воды и пара. К недостаткам устройства следует отнести неоднородность подготовленной ВМЭ, которая приводит к ее расслоению. Это обусловлено тем, что при обтекании цилиндров водомазутной смесью за цилиндрическим телом образуется зона локального снижения давления и создается эффект кавитации, заключающийся в быстром образовании и разрушении миллионов мельчайших пузырьков воздуха в смеси мазута и воды, в результате чего смесь интенсивно перемешивается. Затем, по мере движения смеси из зоны низкого давления за цилиндрическим телом в зону повышенного давления, интенсивность перемешивания и скорость движения смеси значительно уменьшаются, смесь получается неоднородной. В связи с этим для ускорения продвижения смеси по корпусу необходима дополнительная подача пара через штуцеры перед каждым прямолинейным участком. Однако введение пара создает повышенное конденсатообразование, которое приводит к дополнительной обводненности смеси. Кроме того, кавитационный эффект со временем неизбежно вызывает разрушение стальных поверхностей устройства.
Постоянное поступление влаги в виде конденсата в подобных устройствах приводит к тому, что полученная на выходе смесь воды с топливом имеет нестабильное состояние. Из-за наличия включений в смеси сконденсированной воды, не подверженной качественному перемешиванию с топливом, уже через несколько часов смесь неизбежно начинает расслаиваться. Кинетическая или седиментационная устойчивость ВМЭ характеризуется ее противостоянием всплыванию или оседанию дисперсной фазы под действием сил тяжести. Седиментационнные процессы в эмульсиях обусловлены разностью плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы и приводят к образованию слоя концентрированной эмульсии или полному разделению фаз. Для реальных монодисперсных эмульсий скорость седиментации определяется по формуле [7]:
^г \Рф -рс) ^ф +Лс и =-ф---ф-, (1)
3Лс 3Лф + 3Лс
где g - ускорение свободного падения; г - радиус частиц; р - плотность дисперсной среды, зависящая от вязкости дисперсной среды, среднего размера капель дисперсной фазы и ее концентрации.
Из формулы (1) видно, что на процесс осаждения будут влиять размер капель воды в топливе, вязкость топлива и разность плотностей воды и топлива. При неконтролируемых кавитационных процессах и образовании конденсата из пара, при его подаче через штуцеры перед каждым прямолинейным участком на примере устройства [8] создаются условия получения нестабильной ВМЭ, по результату приготовления которой невозможно рассчитать дисперсность и время хранения эмульсии перед началом процессов расслоения, что неприемлемо для нормального процесса ее сжигания.
В целях исключения этих отрицательных явлений приведение процесса приготовления смеси к меньшим энергозатратам, в устройстве для подготовки к сжиганию обводненного мазута предлагается выполнить тела кавитации из пластин с изогнутой поверхностью в виде прямого геликоида, при этом из технологической схемы приготовления смеси выведена подача пара (рис. 1).
В связи с этим устройство позволяет приготавливать смесь воды не только с мазутом, но и практически со всеми применяемыми печными топливами, а также при дополнительном согласовании лимитов выбросов, и отработанными горюче-смазочными материалами.
Благодаря этому отличию повышается однородность принципиально новой ВМЭ, а следовательно, и ее устойчивость к расслоению при хранении. Это обусловлено тем, что перемешивание жидкого топлива с водой и приготовление ВМЭ требуемого качества происходит в процессе соприкосновения (соударения) потоков жидкого топлива и воды с телами кавитации, выполненными из пластин с изогнутой поверхностью в виде прямого геликоида.
В результате соударения с изогнутыми поверхностями пластин смесь топлива и воды интенсивно завихряется по ходу его движения в корпусе устройства в струю, создающую кольцевой вихревой поток, что обеспечивает центростремительное перемещение смеси и ее интенсивное перемешивание. Вихревое перемешивание имеет устойчивый и постоянный режим в отличие от кавитации за телами в виде цилиндров. Интенсивно перемешанная смесь, после прохождения тел кавитации в виде пластин с изогнутыми боковыми поверхностями на выходе из устройства, представляет собой однородную, устойчивую к расслоению ВМЭ, готовую к сжиганию.
Рис. 1. Новое устройство конструкции ДВГУПС для подготовки обводненного мазута
к сжиганию в котельной: 1 - корпус; 2 - цилиндрические, прямолинейные участки; 3 - криволинейные участки;
4 - тела кавитации; 5 - штуцер для ввода мазута; 6 - штуцер для ввода воды Примечание: ВТЭ соответствует ВМЭ.
Заключение
Описанное устройство для приготовления водомазутной смеси позволяет обеспечить возможность получения качественной ВМЭ оптимальной и повышенной влажности при обезвреживании нефтесодержащих вод котельной с регулированием их дозировки. Обеспечивает сокращение вредных выбросов в атмосферу при сжигании подготовленных ВМЭ на 15...20%, существенное снижение капитальных вложений и энергозатрат на 10...15% и повышение срока эксплуатации устройства в 1,5...2 раза. Новое устройство защищено патентом [9] как имеющее новизну конструкции по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
Следует отметить, что предлагаемое к применению устройство одобрено Центром охраны окружающей среды ДВЖД для реального планирования природоохранных мероприятий в котельных предприятий железнодорожного транспорта, работающих на жидком топливе.
Библиография
1. Экологическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года: утв. распоряжением ОАО «РЖД» 13.02.2009 № 293р // ОАО «Российские железные дороги»: официальный сайт компании. - URL: http://doc.rzd.ru
2. Катин В.Д. Вольхин И.В. Подготовка и сжигание водомазутных эмульсий и охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: монография. - Владивосток: Дальнаука, 2010. - 166 с.
3. Батуев С.П., Корягин В.А. Особенности хранения и подготовки к сжиганию обводненного жидкого топлива в мазутном хозяйстве котельной // Промышленная энергетика. - 1997. - № 5. -С. 35-37.
4. Вольхин И.В., Катин В.Д. Повышение эколого-энергетической эффективности работы котельных установок при сжигании водомазутных эмульсий // Тр. Дальневосточного государственного технического университета. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. - Вып. 134. -С. 61-52.
5. Ведрученко В.Р., Крайнов В.В., Кокшаров М.В. О системном подходе в исследовании проблемы загрязнения окружающей среды вредными выбросами энергетических установок железнодорожного транспорта // Промышленная энергетика. - 2001. - № 5. - С. 55-60.
6. Воликов А.Н. Уничтожение замазученных вод отопительных котельных путем сжигания в виде водомазутных эмульсий // Промышленная энергетика. - 1999. - № 10 - С. 48-50.
7. Корягин В.А. Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов. - Л.: Недра, Ленингр. отд-ие, 1995. - 374 с.
8. Пат. 2044960 Российская Федерация: МПК F23K 5/00 Устройство для подготовки к сжиганию обводненного мазута: / В.И. Кормилицин [и др.]; патентообладатель Кормилицин Владимир Ильич. - № 5063109/06; заявл. 25.09.1992; опубл. 27.09.1995. - Бюл. № 27. - 3с.
9. Пат. 112984 Российская Федерация: МПК F23K 5/12, В01Н 3/08 Устройство для подготовки к сжиганию обводненного мазута / В.Д. Катин, И.В. Вольхин; патентообладатель Дальневосточный государственный университет путей сообщения. - № 2011134003; заявл. 12.08.2011; опубл. 27.01.2012. - Бюл. № 3. - 2 с.
10. Вольхин И.В., Катин В.Д. Совершенствование технологии подготовки к сжиганию водотопливных эмульсий // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. - № 1. - С. 27-31.
Bibliography
1. Environmental Strategy of JSC «Russian Railways» for the period before 2015 and up to 2030: approved by the Decree of JSC «Russian Railways» 13.02.2009 № 293r // JSC «Russian Railways»: officiai website. - URL: http://doc.rzd.ru
2. Katin V.D., Volkhin I.V. Préparation and burning of water-oil emulsion and environmental protection in railway transport: Monograph. - Vladivostok: Dal'nauka Publishing, 2010. - 166 p.
3. Batuev S.P., Koryagin V.A. Features of storage and preparation for combustion of liquid fuel in boilers // Industrial Energy. - 1997. - N 5. - P. 35-37.
4. Volkhin I.V., Katin V.D. Raising of Eco-energy efficiency of boiler plants by burning water-oil emulsion // Proceedings of the Far Eastern State Technical University. - Vladivostok: FESTU Publishing 2003. - Issue 134. - P. 61-52.
5. Vedruchenko V.R., Krainov V.V., Koksharov M.V. About the systemic approach to the study of the problem of environmental pollution by harmful emissions of railway transport power plants // Industrial Energy. - 2001. - N 5. - P. 55-60.
6. Volikov A.N. Destruction of fuel oil water heating boilers by burning in a water-oil emulsion // Industrial Energy. - 1999. - N 10 - P. 48-50.
7. Koryagin V.A. Burning of water fuel emulsions and emissions reduction. - Leningrad: Nedra, Leningrad Branch, 1995. - 374 p.
8. Device for pre-combustion of watered fuel oil: Patent 2044960 Russian Federation: IPC F23K 5/00 / V.I. Kormilitsin [and others]; patentee Kormilitsin Vladimir Ilyich. - N 5063109/06; 25.09.1992; publ. 27.09.1995. - Bull. N 27. - 3 p.
9. Device for pre-combustion watered of fuel oil: Patent 112984 Russian Federation: IPC F23K 5/12, V01N 3/08 / V.D. Katin, I V. Volkhin; patentee Far Eastern State University of Railways. -N 2011134003; appl. 12.08.2011; publ. 27.01.2012. - Bull. N 3 - 2 p.
10. Volkhin I.V., Katin V.D. Improving of pre-combustion technology of water fuel emulsions // Transport of Asia-Pacific region. - Khabarovsk: FESUR, 2013. - N 1. - P. 27-31.
