CC BY
115
Как отмечалось выше, интенсивное развитие фитопланктона является реакцией на повышающийся уровень органических загрязнителей воды водоисточника.
Ситуация высокой степени воздействия фитопланктона на органолептические свойства воды и, как следствие, на здоровье населения диктует необходимость разработки новых технологических способов водоочистки и водоподготовки, которые возможно органично вписать в ныне существующие схемы; при этом обеспечить не только длительный обеззараживающий эффект, но и экологическую безопасность.
На современном этапе управление природно-технической гидроэкосистемой возможно на основе качественно нового типа совмещения традиционных и альтернативных методов водоподготовки, в частности, применения кавитационной технологии.
----------♦'-------------
УДК 62.6 Т.А. Кулагина, О. Ка-ю-тин
ТИПИЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ В ТОПКАХ МАЛОГО ОБЪЕМА НА ПРИМЕРЕ РАБОТЫ АБЗ
В статье рассмотрены вопросы экологической безопасности асфальтобетонных производств, решаемые с помощью применения новых наукоемких технологий, построенных на эффектах гидродинамической кавитации.
Специфика производства асфальтобетона заключается в сушке минеральных составляющих асфальта топочными газами после сгорания органического топлива. Отечественные конструкции топочного оборудования сушильных барабанов асфальтосмесительных установок используют в качестве топлива чаше всего мазут или газ [1]. Марки и некоторые физико-химические свойства мазута приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-химические свойства мазута
Марка мазута Условная вязкость, еВУ, при температуре Температура вспышки, еС не ниже Температура застывания, еС не выше
50 еС 80 еС 100 еС
М20 Не больше 20 2,5-5,0 - 80 5
М40 20-40 5,0-8,0 - 100 10
М60 40-60 8,0- 11,0 - 110 15
М80 60-80 11,0-13,0 - 120 20
М100 80-100 13,5-15,5 - 125 25
М200 100-200 - 6,5-9,5 140 36
Вязкость топлива имеет особенно важное значение в процессе его транспортирования и смесеобразования [2]. Для достижения хорошей текучести, необходимой при сливе, транспортировании по трубам и распылении в форсунках, мазут следует подогреть [3-4]. Однако чрезмерный нагрев мазута может вызывать интенсивное парообразование и вспенивание, что опасно в пожарном отношении и вызывает пульсацию факела.
В практике АБЗ, работающих на мазуте, целесообразнее использовать двухступенчатую систему подогрева: предварительный подогрев мазута в емкости до температуры 80°С и затем перед форсунками.
Важной характеристикой мазута является температура его застывания, т.е. температура, при которой мазут загустевает, теряет свою подвижность (текучесть) и застывает. Температура застывания мазута колеблется от 5 до 36°С в зависимости от марки и повышается с увеличением вязкости. Для мазутов, применяемых на АБЗ, характерны высокие вязкость, температура застывания и содержание серы, что влияет на выход SO2. При снижении температуры до температуры застывания они теряют свою текучесть и приобретают особые вязкие свойства, препятствующие их сливанию, транспортированию по трубам и распыливанию в форсунках. Во избежание нежелательных отложений в трубах и арматуре, а также их полной закупорки, необходимо поддерживать постоянную температуру мазута, обеспечивающую его хорошую текучесть.
Рекомендованные режимы подогрева мазута для форсунок разного типа приведены в табл. 2, при этом необходимо учитывать, что на АБЗ применяются как форсунки низкого давления с распылением вентиляторным воздухом, так и механические форсунки.
Механические форсунки изготовляют производительностью 0,2-4,0 т/ч при расчетном давлении топлива 2,0-3,5 МПа. Диаметр отверстий их сопел составляет 2-8 мм. Диапазон регулирования механических форсунок по давлению равен 80-100%. Производительность механических форсунок обычно регулируют дросселированием топлива, что приводит к понижению давления перед головкой форсунки и ухудшению распыли-вания [2].
Таблица 2
Режимы подогрева для форсунок различного типа
Тип форсунок Температура подогрева мазута, єС, для марки мазута
Ф40 М100 М200
Механического и паромеханического распыливания 100 120 130
Механического распыливания ротационные 85 105 110
Воздушного распыливания низконапорные 90 110 115
Парового или воздушного распыливания высоконапорные 85 105 110
Представленные в табл. 2 режимы подогрева мазута обеспечивают условия безопасной эксплуатации систем подачи мазута и способствуют уменьшению продолжительности выгорания капель распыленного форсунками мазута.
Зольность топочных мазутов невелика и составляет не более 0,3%. Однако зола мазута обладает рядом специфических свойств, проявляющихся в том, что она прилипает к поверхностям нагрева топки сушильного агрегата, образуя отложения, трудноподдающиеся обычным методам обдувки. В присутствии паров воды и окислов серы это создает условия для коррозии стенок топки, разрушает ее футеровку.
Анализ работы топочных систем смесителя Д-597А показал [4-5], что в условиях эксплуатации остаток мазута, находящийся в магистрали перед форсункой, охлажденный до температуры окружающей среды, имеет вязкость свыше 700°ВУ. При пуске холодный мазут вытесняется в топку и растекается по футеровке, затекая в щели между кирпичами. «Пробка» из холодного мазута нарушает режим работы установки. Разрушение футеровки является типичным при некондиционной работе топочной системы и связано с образованием кислот из оксидов серы при наличии воды, которая всегда есть в мазуте. В результате замена топки производится 2-3 раза в сезон. Такие режимы затрудняют работу оператора при использовании струйных форсунок, имеющих узкий диапазон экономичной (с высокой полнотой сгорания) работы по коэффициенту избытка воздуха, в отличие от вихревых форсунок, что создает дополнительные трудности в поддержании стабильного режима горения.
Расход топлива в сушильном барабане асфальтосмесительной установки изменяется в широких пределах, что связано с различной влажностью каменных материалов, поступающих в сушильное отделение. При увеличении влажности материала на 1% требуется дополнительно сжигать 15-20% топлива [6-7]. В существующих асфальтосмесителях используются горелки, снабженные форсунками механического распыления. Регулирование расхода топлива в них осуществляется посредством изменения давления мазута перед форсункой. При снижении давления значительно ухудшается диспергация топлива, что ведет к его перерасходу.
В значительной степени на качество распыления топлива влияет турбулентность истекающей из форсунки струи. В струйных и щелевых форсунках турбулентность обусловлена влиянием стенок форсунок и действием сил внутреннего трения. Степень турбулентности может достичь 5%. В центробежных (в том числе шнековых) форсунках, где турбулентность создается за счет закручивания потока жидкости, степень турбулентности достигает 30-50%. При таких гидродинамических характеристиках процесс перемешивания мазута с воздухом протекает интенсивно, выравнивается соотношение компонентов топлива и расходонапряженности. Усиливается вихревое движение, которое сопровождается обратными токами продуктов сгорания из зоны горения к форсунке.
Определение дисперсности капель мазута, поступающих в топку, показывает значительную долю капель крупного размера, у которых длина зоны испарения и выгорания значительно больше длины топки, что, как и неравномерность коэффициента избытка воздуха, является причиной низкой эффективности тепловыделения топок асфальтобетонных заводов.
На АБЗ при работе топочной системы в штатном исполнении часто наблюдаются неоптимальные режимы: срывы пламени (бедная смесь) и выбросы с большим содержанием твердого углерода (черный дым, богатая смесь). Срывы пламени обуславливаются засорениями питающей магистрали и ее агрегатов, чему способствует высокая вязкость мазута, так как нагретый до температуры 80еС он охлаждается на неизолированном от окружающей среды участке трубы до 70-60еС (вязкость 30-50° ВУ для мазута М100). При использовании мазута марки М200 этому диапазону температуры соответствует вязкость 50-90еВУ. Такие режимы топочной системы затрудняют работу оператора, тем более, что газомазутные струйные горелки имеют узкий диапазон экономичной (с высокой полнотой сгорания) работы по коэффициенту избытка окислителя Да = 0,2, в отличие от вихревых горелок, где Да > 0,4.
Средний размер капель мазута при подогреве мазута М100 уменьшается примерно в 35 раз. Время преобразования жидких компонентов в продукты сгорания определяется в основном временем нагрева и испарения капель топлива, а также временем смешения и сгорания оставшейся части топлива.
Размер капель горючего влияет на необходимую для полного сгорания длину топки. Приведенная ее длина (отношение длины топки к диаметру) зависит от максимального размера капель горючего.
Важной особенностью горения распыленного жидкого топлива, заслуживающей теоретического объяснения, является также разница в скоростях горения крупных (1000 мк) одиночных капель, как сообщает Годсейв , и более мелких (53 мк) капель распыленного топлива, как описано Болтом и Бойлем. Это можно объяснить тем, что отношение радиуса пламени к радиусу капли для более крупных капель составляло 3:1, а для более мелких капель - примерно 19:1. Потери тепловыделения в рабочих процессах топок меньше всего зависят от химических процессов (менее 1%), смешения компонентов топлива (до 2%), распыления и испарения (до 8%).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о недостаточно качественной организации топочных процессов в смесителях АБЗ. В связи с этим целесообразно использование смесительных устройств, обеспечивающих более равномерно распределенную систему топливоподачи, что позволяет обеспечить высокую эффективность процесса горения при стандартных размерах отечественных топок.
Например, авторы [8] для улучшения сгорания топлива предлагают изменить конструкцию узла сжигания путем подачи воздуха в камеру сгорания по касательной (циклонная топка); подавать воздух, охлаждая им муфель топки; подавать дополнительный воздух в сушильный барабан, создавая как бы двухкамерное сжигание топлива. В результате опытно-промышленного внедрения образцов форсунок выявлены хорошие их эксплуатационные качества: быстрый и надежный розжиг, устойчивое горение факела в широком диапазоне изменения расхода топлива, высокая степень диспергации топлива, о чем свидетельствует достаточно высокая температура пламени (1450-1500оС). Все это приводит к снижению выхода продуктов неполного сгорания и обеспечивает экономию топлива до 15%.
По мнению Порадека [7], наиболее эффективным мероприятием является усовершенствование или замена горелки сушильного барабана на устройство с высокой температурой пламени, со стабильно работающей форсункой при различной производительности, что не только уменьшает выбросы продуктом недожога топлива, но и приводит к существенной экономии топлива (на 25-40%), а также заметно повышает производительность сушильного барабана.
Анализ литературных источников показал, что на практике влагосодержание топочных мазутов может достигать 20-30%. Как показывают результаты различных авторов, главной причиной, вызывающей трудности сжигания обводненных топлив, является не вода сама по себе, а ее неравномерное (гнездовое) распределение в массе топлива.
Необходимыми условиями для надежной работы барабанных смесителей АБЗ являются устойчивость факелов горелок и соответствие их теплообменных параметров оптимальным условиям теплообмена в барабане. Именно эти условия невозможно удовлетворить при сжигании обводненных мазутов, имеющих «гнездовое» распределение воды в относительно большом объеме горючей массы. Любое колебание влажности отдельных порций топлива, подаваемых в барабан, влечет за собой соответствующее одновременное изменение действительного расхода горючей массы и коэффициента избытка воздуха, что неизбежно нарушает работу барабанного смесителя в целом вследствие ухудшения условий стабилизации топочного процесса, вплоть до полного срыва горения.
Увеличение обводненности сжигаемых мазутов при обычном неравномерном распределении в них воды обязательно влечет за собой падение КПД топочного устройства. Даже при сжигании мазута с кондиционным содержанием воды (5%) среднеэксплуатационный коэффициент избытка воздуха оказывается выше оптимального на 5,5%, а КПД падает на 0,5-1,1 %. При обводненности 15% КПД уменьшается на 2,0-
3,5%. Таким образом, эффективное использование обводненных мазутов возможно лишь при условии равномерного распределения воды по всему объему, т.е. использование его в виде водомазутной эмульсии (ВМЭ).
Важным показателем качества водомазутных эмульсий является их стабильность в условиях хранения и транспортировки при повышенных температурах. Наиболее устойчивы эмульсии на базе высоковязких смол, нефти и остаточных продуктов ее переработки. Устойчивости таких систем способствует небольшое различие между плотностью дисперсионной среды и дисперсионной фазы. Наблюдения, проведенные в КГТУ, показали, что устойчивость водонефтяных и водомазутных эмульсий сохранялась неизменной в течение нескольких суток. Однако стабильность эмульсий резко понижается при температуре, близкой к температуре кипения воды. Низкие температуры влияния на устойчивость эмульсии не оказывают. Водонефтяные эмульсии влажностью 20-40%, подвергнутые замораживанию при -20°С, после отогревания полностью сохраняют свою структуру.
Следует отметить, что попытки удаления воды путем отстаивания не достигают цели: плотность, например, мазута марки 100 может достигать 1,015 г/см2 при 20°С и мало отличается от плотности воды. Неотстояв-шаяся вода располагается послойно, сосредоточиваясь в основном в нижних слоях емкости.
Важным показателем качества водомазутных эмульсий является их стабильность в условиях хранения и транспортировки при повышенных температурах. Наиболее устойчивы эмульсии на базе высоковязких смол, нефти и остаточных продуктов ее переработки. Устойчивости таких систем способствует небольшое различие между плотностью дисперсионной среды и дисперсной фазы.
Анализ различных конструкций и аппаратов, применяемых для получения эмульсий по ряду технологических и эксплуатационных показателей, показывает, что предпочтительнее всего для получения ВМЭ использовать механизм кавитационного воздействия, реализуемый в суперкавитирующих аппаратах.
Возвращаясь к теме сжигания водотопливных эмульсий, следует обратить внимание на благоприятную роль разницы в температурах кипения нефтепродуктов и воды.
При сжигании водотопливных эмульсий уменьшается сажеобразование, которое вызывается обычно дефицитом кислорода в зоне реакции. Недостаток кислорода приводит к усилению крекинга топлива и выделению свободного углерода. Углерод может сгореть только по реакции С+Н2О^ СО+Н2, для осуществления которой необходимо наличие вблизи крекингирующих молекул топлива достаточного количества продуктов сгорания, имеющих в своем составе водяные пары. Что касается обводненных углеводородных отходов или топлив, то, очевидно, водяные пары здесь имеются всегда в достаточном количестве, т.е. даже без осуществления процесса сгорания Н2 в Н2О будет гарантировано сгорание С в СО, а затем и СО в СО2.
АБЗ, потребляющие в качестве топлива мазут, являются достаточно крупными источниками вредных выбросов: NОx, SO2, СО, канцерогенных веществ, в частности, бенз(а)пирена, сажистых частиц и пыли. В отличие от мощных энергетических источников (ТЭС, ТЭЦ), АБЗ имеют характерные отличия конструктивных и режимных параметров горелочных устройств и условий сжигания мазута, мазутных хозяйств, более низкий уровень эксплуатации и т.д.
Значительное количество оксидантов серы в топках АБЗ (максимальные значения массового выброса сернистого альгидрида составляют 4,75 г/с) ставит задачу использования водомазутной эмульсии (ВМЭ) вместо мазута, как экологически более чистого топлива. Для приготовления водомазутной эмульсии используются разнообразные способы эмульгирования [9]. К их числу относятся приготовления эмульсий с помощью механических мешалок, диспергаторов (коллоидных мельниц), сжатого воздуха или водяного пара (метод барботажа), ультразвука, кавитации и ряд других. Наибольший эффект достигается при использовании режимов развитой кавитации, которая позволяет получить наиболее качественную ВМЭ. Качество эмульсии характеризуется двумя показателями: дисперсностью и равномерностью распределения глобул в дисперсной среде (мазуте) [10]. С повышением дисперсности и равномерности водомазутной эмульсии улучшается ее стабильность, а также надежность работы горелочных устройств.
На основании проведенного анализа можно сделать ряд предварительных выводов:
1. Технология топливоподготовки и сжигания нефтепродуктов определяет качественный и количественный состав вредных выбросов.
2. Сжигание тяжелых топочных мазутов сопровождается особенными трудностями, связанными с высокой вязкостью и обводнением топлива. Это вызывает необходимость разработки новых эффективных способов подготовки жидкого топлива к сжиганию, основой которого может служить изучение процессов, происходящих в обводненном топливе на каждой из стадий топливоподготовки.
3. Недостаточно полное опытное подтверждение вероятных механизмов и реакций образования токсичных компонентов в процессе горения топлива определяет необходимость комплексных эксперименталь-
ных и теоретических исследований проблем снижения вредных выбросов и возможности повышения их эффективности.
Литература
1. Манохин, В.Я. Научно-практические и методологические основы экологической безопасности технологических процессов на АБЗ: дис. ... д-ра техн. наук: 03.00.16 / В.Я. Махонин. - Воронеж, 2004. - 429 с.
2. Геллер, З.И. Мазут как топливо / З.И. Геллер. - М.: Недра, 1965. - 495 с.
3. Манохин, В.Я. Исследование и разработка конструктивных решений пылеулавливающих и топочных устройств на АБЗ Воронежской области / В.Я. Махонин, Н.Д. Кострикина; ВИСИ. - Воронеж, 1977. -47 с.
4. Манохин, В.Я. Исследование атмосферных выбросов из топок смесителя Д-597 / В.Я. Махонин, Н.Д. Кострикина // Обеспылевание воздуха и микроклимат. - Ростов-н/Д., 1977. - С. 77-81.
5. Манохин, В.Я. Загрязнение площадок асфальтобетонных заводов / В.Я. Махонин, Н.Д. Кострикина // Управление микроклиматом в обогреваемых зданиях: мат-лы конф. - Челябинск, 1982. - С. 74-80.
6. Порадек, С.В. Оценка эффективности пылеулавливающего оборудования на АБЗ / С.В. Порадек, В.М. Тупикин // Автомобильные дороги. - 1982. - №2. - С. 34-40.
7. Порадек, С.В. Пути улучшения экологической обстановки на АБЗ / С.В. Порадек, В.М. Тупикин // Дорожная экология XXI века: тр. междунар. НПС. - Воронеж: Изд-во ВГУ-ВГАСУ, 2000. - 367 с.
8. А.с. 2746692. МКИ3 F 23 D 11/04.Топливная форсунка / И.Я. Неусихин, В.Д. Сизов, А.Д. Зарецкая, Б.И. Неусихин. - Заявл. 29.03.79; №2746692/24-06; Бюл. №6. - 1981. - 4 с.
9. Иванов, В.М. Топливные эмульсии и суспензии / В.М. Иванов, Б.В. Канторович. - М.: Металлургия, 1963. - 126 с.
10. Балабышко, А.М. Гидромеханическое диспергирование / А.М. Балабышко, А.И. Зимин, В.П. Ружицкий. -М.: Недра, 1998. - 331 с.
11. Кулагина, Т.А. Разработка режимов сжигания обводненных топочных мазутов и водотопливных эмульсий: дис. ... канд. техн. наук: 01.04.14 / Т.А. Кулагина. - Красноярск: Изд-во КГТУ, 2000. - 178 с.
12. Воликов, А.Н. Сжигание газового и жидкостного топлива в котлах малой мощности / А.Н. Воликов. - Л.: Недра, 1989. - 159 с.
----------♦'------------
УДК 634.0.431 Л.В. Буряк, Р.В. Янковский
ОЦЕНКА ГОРИМОСТИ ПРИПОСЕЛКОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ ЮГА КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ (на примере территории, охраняемой Ермаковским авиаотделением)
В статье приведена характеристика горимости насаждений юга Красноярского края, входящих в зону охраны Ермаковского авиаотделения. Проанализированы данные по горимости территории региона за период с 1971 по 2005 год. Дана подробная характеристика горимости припоселковых насаждений за период с 1992 по 2003 г. и за 2005 г. Приведено сравнение основных причин возникновения пожаров в целом по региону и в наземной зоне охраны лесов. Показано распределение пожаров в течение пожароопасного сезона по дням недели и по классам пожарной опасности по условиям погоды, а также в зависимости от расстояния до населенных пунктов. Установлен значительный рост частоты пожаров, горимости региона и средней площади одного пожара в последние десятилетия. Показано, что рекреационные нагрузки в припоселковых насаждениях приводят к увеличению частоты пожаров в десятки раз. В специфичных лесорастительных условиях юга края это может привести к необратимым последствиям.
В современном сельском хозяйстве лесные насаждения играют все более важную роль. Они повышают продуктивность сельхозугодий и способствуют организации пастбищеоборота; предохраняют поля от
