В данной статье рассмотрена целевая функция использования топливного высоковязкого мазута марки М-100, а также, непосредственно, процесс его эмульгирования. Исходя из полученных данных и статистики, за счёт процесса эмульгирования высоковязкого мазута возможно значительное улучшение горения водо-мазутной смеси за счет организации процесса микровзрыва. Благодаря этому достигается более полное сжигание различных вредных примесей и их последующее осаждение с целью утилизации.
Ключевые слова: горение, мазут, экология, снижение выбросов, эмульсия.
Утилизация донных отложений, представляющих собой смесь мазута и воды, обостряет не только экономическую проблему, но также и экологическую — загрязнение почвы, а также сточных вод нефтепродуктами. В связи с этим альтернатива использования чистого мазута водо-мазутными эмульсиями (далее ВМЭ), получаемыми посредством эмульгирования обводнённых жидких углеводородов с их последующим сжиганием, обеспечивает возможность утилизации обводнённых стоков мазутных резервуаров, с вводом всего содержащегося в них мазута в хозяйственный оборот рассматривается как основная. Стоит уточнить, что эмульсии обеспечивают стабильный процесс горения при высоком содержании воды (до 50 объёмных процентов). За счёт диспергирования обводнённых нефтепродуктов возможна утилизация различных жидких отходов, в том числе нефтеостатки и крекинг-остатки [1], подтоварную воду танкеров.
Так как значения плотностей мазута и воды мало отличаются, в резервуарах, предназначенных для хранения мазута, вода располагается отдельными неравномерными слоями, а не оседает на дно. Из резервуара мазут по мазутопроводу направляется в котельную установку, где впоследствии в процессе сжигания мазута возможны срывы факела, повреждение форсунок или даже полное отсутствие процесса горения. Всё это приводит к частым повторным пускам котельных агрегатов, сопровождающихся хлопками от воспламенения накопившихся горючих газов и испарившихся легких фракций мазута. Подобный режим работы часто приводит к разрушению конструктивных элементов котельного агрегата.
В вихревых, а также центробежных насосах, в устройствах, предназначенных для создания водо-топливной эмульсии (ВТЭ), используются лишь ограниченное количество методов гидромеханического воздействия. Обеспечить наиболее комплексную интенсификацию процессов эмульгирования водо-топливных смесей способно применение роторно-пульсационных аппаратов. В подобном типе механизмов основной рабочий орган — это чередующиеся вращающиеся и неподвижные соосно установленные перфорированные тела вращения, через которые проходит необходимая в обработке среда. В результате механические воздействия на объемы дисперсной фазы одновременно сочетаются с активным гидродинамическим режимом движения потока жидкости в поле широкого диапазона частот механических колебаний, а также других явлений [2].
Одним из наиболее важных параметров, оказывающих существенное и значительное влияние на интенсивность горения и испарения капли мазута, является размер капель, распыление которых осуществляется в форсунках.
Вторичный распыл топлива в пламени обеспечивается за счёт дисперсной структуры водо-мазутных эмульсий. Мицелла, при попадании в зону горения, нагревается. А так как температуры кипения мазута и воды существенно отличаются (на значение порядка 200 град. С) вода вскипает, а мазут, в это же время, остается в жидком состоянии и, таким образом, препятствует испарению воды [3].
При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (перегретый водяной пар разрывает топливную оболочку и распыляет ее). Площадь соприкосновения кислорода воздуха с топливом многократно увеличивается. Как следствие, из одной капли можно получить множество капель меньших диаметров с большей площадью поверхности испарения и горения. Экономия происходит за счет более полного сгорания исходного мазута.
Как и при сжигании стандартных жидких топлив, по известным соотношениям нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов, производится расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха при сжжигании водомазутных эмульсий. Расчет показывает, что при увеличении показателя влажности эмульсий, наблюдается уменьшение объемов дымовых газов. Это зависит от того, что доля горючих элементов в эмульсии подвергается замещению водой. Также, объемная доля водяных паров, равная их парциальному давлению при общем давлении 0,1 МПа r H 2 O = V H 2 O / V г повышается. Уменьшение объемов продуктов сгорания, вызванное ростом влажности топлива, находится в соответствии со снижением теплоты сгорания 1 кг эмульсии, а для поддержания теплового эффекта, эквивалентного сгоранию 1 кг безводного мазута, расход водомазутной эмульсии сильно возрастает [4].
Вода в мазуте может распределяться в виде линз, прослоек и т. п. так и частично отстаиваться, присутствовать в виде глобул (капелек) с размерами от единиц до сотен микрометров, стабилизированных поверхностно-активными компонентами топлива. В реультате взамодействия воды в дисперсном (последнем) состоянии с гидрофобной (нерастворимой в воде) поверхностью частиц мазута, её свойства отличаются от свойств объемной воды. Так, было выявлено, что в сверхмаленьких объемах воды, ограниченных гидрофобными стенками, ориентация диполей воды происходит параллельно поверхности. В итоге наблюдается уменьшение показателя плотности воды около стенок, а также увеличение подвижности молекул в тангенциальном направлении. Данное явление охарактеризовано как снижение вязкости граничных слоев либо как скольжение воды по гидрофобной подложке.
Метод сжигания водо-мазутной эмульсии способствует понижению уровня температур в зоне наибольшего образования оксидов азота. В результате это приводит к внушительному (на 35–55 %) снижению их концентрации в выхлопных (дымовых) газах. Более значительного ингибирования образования оксидов азота можно добиться, если использовать сточные воды вместе с растворами азотсодержащих веществ как добавочную влагу при соответствующем режиме сжигания топлива. При сжигании сернистых мазутов для понижения концентрации оксидов серы в состав добавочных вод необходимо включить раствор или слабую взвесь гидроксида кальция (Са(ОН) 2 ).
В результате оценки рассмотренных ранее факторов: под влиянием влаги и растворов реагентов в высокотемпературной зоне сгорания топлива происходит снижение содержания различных вредных веществ в дымовых газах и появляется возможность огневого обезвреживания сточных вод, таким образом, сжигание мазута в виде водно-мазутной эмульсии (ВМЭ) можно считать универсальной, комплексной и экосовместимой технологией [5].
Литература:
- Сильницкий А. И. Работа котельных установок на мазуте. — Л.: Недра, 2005.
- Батуев С. П. Улучшение экономических и экологических параметров котельных при сжигании водомазутных эмульсий // Новости теплоснабжения. — 2008 г. — N 12(100).
- Булгаков Б. Б., Булгаков А. Б., Преснов Г. В. и др. О применении водомазутной эмульсии для сжигания в котельных установках // Энергетическое строительство. — 2005. — № 6.
- Гидродинамика и теория горения топлива. Под ред. Б. В. Канторовича.-М.: Металлургия, 2001. -486 с.
- Абрамзон A. A. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. — Л.: ХимияД 2005. -248 с.
