Обзор существующих диспергаторов для приготовления водотопливных эмульсий.

Экономичность и экологическая безопасность работы жидкотопливных тепловых установок очень актуальны. Эффективным средством решения этих задач служат топливные эмульсии (ТЭ): вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода - мазут - угольная пыль.

Содержание воды в топочном мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5% по ГОСТу, фактическая обводненность мазута при зимних поставках доходит до 35%!). Из-за того, что плотности мазута и воды мало отличаются, вода не оседает на дне емкости, а располагается неравномерно слоями в массе топлива. Это приводит к срыву факела и затуханию форсунок, а иногда вообще не удается зажечь форсунку. Попытки вторичного пуска котлоагрегатов сопровождаются сильными хлопками и разрушением топок вследствие накопления в них горючих газов. Способ осушения мазута испарением воды энергоемок и влечёт потерю летучих компонентов топлива. Вот почему обезвоживание выполняется преимущественно путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует длительного времени и малоэффективно (плотности мазута и воды близки). Проблема утилизации или очистки таких вод сопряжена с большими затратами.

При сжигании ТЭ достигается существенный экономический эффект, повышение КПД котла и снижение вредных выбросов в атмосферу. Особенно это актуально для водомазутных эмульсий (ВМЭ).

Наибольший экономический эффект и снижение выбросов обеспечивает добавление в топливо 15…20% воды, а наибольший эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%. Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и сильно обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания воды в эмульсии свыше 25 объёмных %, качественные показатели горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива. Однако если учесть, что процесс сгорания ТЭ достаточно стабилен при более высоком содержании воды (до 40-50%) в зависимости от вида топлива, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства. При этом стоки, даже если они не содержат горючих веществ, можно использовать в качестве водной фазы в мазутных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса.

Использование водно- мазутной эмульсии позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы сажи, NОи СО в атмосферу. Механизм этого эффекта объясняется следующим. Топливо, поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю топлива, увеличивая дисперсность подаваемого в зону горения топлива. В результате:

- увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом. В высокотемпературной зоне котла капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива. Возникают очаги турбулентных пульсаций. Увеличивается число мелких капель топлива, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке;

- повышается светимость факела (благодаря увеличению поверхности излучения);

- существенно снижается недожог топлива при предельно малом коэффициенте избытка воздуха, что позволяет уменьшить теплопотери с отходящими газами .

- в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов.

Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в топке возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива. Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается образованием очень малого количества сажи (разрушаются смолисто-асфальтенновые включения в топливе). Факел горящего эмульгированного топлива сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30-35°С. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива. Находящаяся в составе ТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию активных радикалов топлива.

Качественно приготовленная водно-топливная эмульсия имеет заметно меньшую вязкость, чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ТЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах частицами сажи и кокса может превысить 30%-35%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых отложений сажи.

Важным фактором, определяющим эффективность использования ТЭ, является возможность решить ряд экологических проблем. Сжигание ТЭ сокращает выход в газовых выбросах NОх (примерно на 50%), примерно в 3-4 раза снижает выброс сажистых отложений, уменьшает выход СО в среднем на 50%, бенз(а)пирена в 2-3 раза и т.д. Длинные молекулярные цепи в топливе становятся более короткими. Приготовление водотопливной эмульсии с добавлением солей кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, концентрацию сернистого ангидрида в 2-3 раза, оксида углерода в 2-2,5 раза. Происходят глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, уменьшение размеров асфальтенов, карбенов, карбоидов до 2-3 мкм.