научная статья по теме КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОДОСОДЕРЖАЩИЕ ТОПЛИВА ИЗ УГЛЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОДОСОДЕРЖАЩИЕ ТОПЛИВА ИЗ УГЛЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ»

химия

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <6 • 2004

УДК 662.65

© 2004 г. Горлов Е.Г.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОДОСОДЕРЖАЩИЕ ТОПЛИВА ИЗ УГЛЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Описан опыт использования водоугольных, водомазутных топлив и их разновидностей. Показано, что сжигание дисперсных водосодержащих систем позволяет существенно снизить выбросы в атмосферу оксидов азота, сажи, канцерогенных частиц.

Развитие технологий эффективного сжигания топлив в энергетике России требует специальной подготовки топлив и уменьшения вредных выбросов. Один из наиболее рациональных путей реализации этих технологий - использование водосодержащих топлив из углей и нефтепродуктов.

Основные разновидности этих топлив представлены на рис. 1.

В настоящее время наиболее широко используют водомазутные и водо-угольные топлива [1-7].

Традиционное использование жидких углеводородных продуктов нефтяного или угольного происхождения в качестве топлива в теплоэнергетических установках сопряжено со значительными трудностями в случае обводненности топлива или загрязненности его твердыми горючими или негорючими частицами.

Обводненность углеводородных топлив, в частности мазута, неизбежна и связана как с технологическими условиями производства, так и в большей мере с транспортировкой и подготовкой топлива (разогрев, перекачка и т.п.).

Вносимая с паром или попадающая в топливо иным способом вода распределяется, как правило, в виде слоевых или линзообразных скоплений, которые при подаче топлива к горелкам приводят к нарушению теплового режима топки или даже к срыву пламени (рис. 2).

Рис. 1. Блок-схема производства композиционных водосодержащих топлив из углей и нефтепродуктов: ВУТ - водоугольное топливо; СВУТ - спиртоводоугольное топливо; МУТ - мазутоугольное топливо; МВУТ - мазутоводоугольное топливо; ВМЭ - водомазутная эмульсия (топливо)

Рис. 2. Распределение воды в мазуте: а - обводненный мазут; б - водомазутное топливо

Целесообразно превращать обводненные жидкие топлива в тонкодисперсные водоуглеводородные эмульсии, эффективность сжигания которых подтверждена многочисленными исследованиями и промышленным применением [2].

Возможность получения наряду с эмульсиями типа "вода в масле" также и сложных дисперсных систем типа водоуглемазутной и водоугольной суспензии позволяет эффективно вовлекать в процесс сжигания различного рода мелкого класса угли (рис. 1).

Еще в конце XIX века были предприняты первые попытки приготовить угольные суспензии смешиванием их с креозотовым, антраценовым или сланцевым маслом. Однако отсутствие коллоидных мельниц, позволяющих измельчать уголь до микронных размеров, не довело эту идею до промышленной реализации.

В 20-40-е годы 20-го столетия техника изготовления этих мельниц значительно шагнула вперед. Однако в производственной практике "коллоидные мельницы" не нашли применения для изготовления топливных суспензий вследствие большого удельного расхода энергии, затрачиваемой на их работу.

Тогда были сформулированы общие требования к суспензиям, которые актуальны и в настоящее время. Прежде всего - это стабильность суспензий, т.е. невыпадение угольного порошка и сохранение гомогенности системы в течение определенного промежутка времени, измеряемого днями, месяцами и даже годами. Второе требование: текучесть суспензии и возможность перекачки их насосами. Наконец, необходима достаточная скорость сгорания их при соответствующем тепловом эффекте.

В те годы в СССР была разработана и промышленная технология получения топливных композиций, а углемазутные суспензии были успешно испытаны в ряде котельных и печных агрегатов, в мартеновских печах, в котлах паровозов и т.д. [2].

Дальнейшее развитие это направление получило после фундаментальных работ, выполненных академиком П.А. Ребиндером с учениками, которые создали теорию физико-химической механики дисперсных систем [8, 9] и установили, что одной из важнейших проблем здесь является изучение механизма образования пространственных структур различного рода в дисперсных системах и управления процессами структурообразования и свойствами дисперсных структур, главным образом их основными механическими свойствами - деформационными и прочностными.

Задача этой новой пограничной области знания, объединяющей реологию, молекулярную физику (физику твердого тела), механику материалов и технологию их производства, состояла прежде всего в установлении механизма и закономерностей процессов образования, деформации и разрушения дисперсных структур различного типа.

С учетом этих фундаментальных исследований, выполненных в области физико-химической механики дисперсных систем, в ИГИ В.М. Ивановым и Б.В. Канторовичем с учениками были начаты работы по созданию топливных композиций двух видов, где в первом случае дисперсионной средой были различные углеводороды, а во втором - вода.

Первоначально наиболее подробно была изучена технология приготовления и сжигания водомазутной эмульсии (ВМЭ).

Было установлено, что водомазутная эмульсия типа "вода в масле" образуется при принудительном смешивании и обладает устойчивостью, обусловленной высоким содержанием природных эмульгаторов в самом мазуте, которые образуют прочные адсорбционно-сольватные оболочки вокруг молекул воды. Капли такой водомазутной эмульсии, попадая в камеру сгорания, подвергаются воздействию высоких температур. Вода, заключенная в оболочку топлива, нагревается и за счет разности температур кипения воды и мазута, переходя в парообразное состояние, разрывает оболочку, т.е. происходит "микровзрыв" каждой капли топлива. Это явление играет роль вторичного диспергирования топлива, тем самым способствуя увеличению скорости и полноты его сгорания. Одновременное уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур, снижение температурного уровня процесса горения вследствие затрат тепла на испарение воды,

Таблица 1

Время горения капель мазута и водомазутной эмульсии

Топливо Время, с

нагрева капли перед воспламенением горения паров горения коксового остатка общее

Мазут, ¿0 = 1100 мкм, Т0 = 993 К ВМЭ, ¿0 = 1100 мкм, Т0 = 993 К, № = 30% 0.8 0.5 1.10 1.08 1.4 1.1 3.30 2.68

Таблица 2

Влияние сжигания ВМЭ на скорость сернокислотной коррозии

Топливо Коэффициент избытка воздуха, а Содержание 803, 10-3 об.% Скорость коррозии при 120°С, г/(м2 • ч)

Мазут, № = 2%, 8р = 2% ВМЭ, № = 20% 1.07 1.07 1.6 1.7 3.4 3.4

отсутствие локальных высокотемпературных зон из-за вторичного диспергирования топлива в самом факеле и уменьшение необходимой концентрации окислителя благоприятствуют снижению образования окислов азота в большей степени, чем при непосредственном впрыске воды или пара в зону горения [2].

Кинетическое воздействие водяных паров в зоне горения приводит к ускорению выгорания окиси углерода и сажистых частиц, а снижение сажеобра-зования можно рассматривать как показатель уменьшения образования канцерогенных веществ и снижения загрязнения поверхностей нагрева (табл. 1).

В результате ускорения выгорания отдельных капель топлива, улучшения их смешения с окислителем при сжигании ВМЭ можно снизить оптимальный избыток воздуха. В работах ИГИ отмечалось, что этот эффект позволяет компенсировать потерю тепла на испарение воды и делает предпочтительным прямое сжигание влажного топлива в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) вместо его обезвоживания. Кроме того, повышение влажности ВМЭ до 20-30% мало влияет на теоретическую температуру горения, состав продуктов сгорания, температуру уходящих газов, потерю тепла с ними и скорость сернокислотной коррозии (табл. 2). Вероятно, это следствие слабого влияния влажности топлива на его жаропроизводительность. Даже при влажности мазута 50% его жаропроизводительность снижается только на 7%, в то время как теплота сгорания - на 53%.

Вязкость водомазутных эмульсий выше, чем вязкость исходного мазута. Однако по мере нагрева эмульсий до 85-100°С вязкость 15-20%-ных эмульсий уже мало отличается от вязкости исходного топлива [2].

ВМЭ по своим вязкостным свойствам отличаются от ньютоновских жидкостей. В них вследствие пластичности течение начинается только тогда, когда тангенциальное напряжение внутреннего трения будет преодолено. Вследствие этого появляется новая слагающая вязкости, названная струк-

турной вязкостью. Отсюда истинная (суммарная) вязкость ВМЭ будет суммой нормальной и структурной вязкостей.

С учетом исследований, проведенных в 60-70-х годах прошлого века в ИГИ, были сформулированы основные требования к ВМЭ: однородность и стабильность.

Показателем эффективности перемешивания (диспергирования) систем может служить коэффициент однородности, определяемый на основе анализа взятых проб. Очевидно, что повышение коэффициента однородности увеличивает стоимость операции, вследствие чего не следует требовать более высокой гомогенизации систем, чем это обусловлено технологической необходимостью. Исходя из этих условий, если принять средний размер капель жидкого топлива при выходе из форсунок на уровне 300-400 мкм, средний размер капель воды при приготовлении и сжигании эмульсий должен составлять 3.0-6.0 мкм (рис. 2).

Стабильность топлива должна быть не менее 1 сут при температуре 80°С.

Работы по сжиганию ВМЭ в котлах с целью уменьшения вредных выбросов в атмосферу и утилизации сточных вод были начаты в 70-х годах в нашей стране и за рубежом. Сейчас они интенсивно проводятся в Японии, США, ФРГ, Франции, Великобритании и других странах.

Зарубежный опыт использования ВМЭ в котельных установках основан главным образом на результатах работ по сжиганию эмульсий в малых котлах, в основном отопительных и водогрейных. По энергетическим котлам подобных работ проведено крайне мало, а их результаты не достаточно полны и обобщены [10].

В настоящее время существуют и используются различные способы получения ВТЭ. В зависимости от способа образования эмульсий в современной практике наиболее широкое применение получили следующие конструктивные типы диспергирующих устройств: паропневматические, ультразвуковые, гидродинамические, роторные, механические.

При этом способы приготовления дисперсных топливных систем сводятся обычно к предв

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком