Хохлова Анна Леонидовна

Физико-металлургический факультет
Специальность: Энергетический менеджмент

Тема випускной работы:

Исcледование гидротермического эмульгирования мазута с целью повышения эффективности использования водомазутных эмульсий в качестве топлива

Научный руководитель: Гридин Сергей Васильевич

Реферат по теме выпускной работы

Актуальность работы

В топливном балансе энергетики Украины растет внимание к альтернативным природному газу видам топлива. Прежде всего, это связано со стратегическими подходами в развитии экономики страны. Использование мазута в виде резервного топлива является традиционным решением и в последние время доля его сжигания возрастает.
В этих условиях оптимизация методов сжигания мазута при неуклонном обеспечении экономичности, надежности и экологичности работы энергетических котлов является актуальной.
Для устранения отрицательных моментов при сжигании мазута необходимо решить комплекс проблем: обеспечить надежность сжигания мазута с повышенной влажностью, снизить образование токсичных веществ (NOX, CO, бенз(а)пирена сажи, SO2, H2S, и др.), исключить снижение надежности работы поверхностей нагрева котлов, обеспечить высокую экономичность использования топлива. Тенденции по ужесточению нормативов по выбросам загрязняющих веществ, диктует необходимость поиска новых эффективных, экологически чистых и малозатратных технологий оптимизации процессов сжигания мазута. Современными режимно-технологическими мероприятиями не всегда удается снизить концентрации загрязняющих веществ до нормативных значений. Частью решения этой комплексной задачи является подготовка мазута перед сжиганием, в виде водомазутной эмульсии (ВМЭ).
Эффективность протекания процессов сжигания ВМЭ в топке во многом определяется показателями фазового состава приготавливаемого топлива (дисперсностью). Возникает необходимость в разработке новой технологии получения высокодисперсной ВМЭ, с целью совершенствования теплофизических процессов проходящих в топке котла и изучения влияния сжигания ВМЭ постоянной влажности, переменной дисперсности на процессы горения в котлах большой и средней мощности.

Цель работы

Решение сопряженных задач по подбору оптимальных кавитационных режимов приготовления ВМЭ, оптимизации процесса сжигания ВМЭ с разными показателями фазового состава, объединение которых, позволит создать единый подход по улучшению экологических и экономических показателей работы котлов, при сохранении их высокой надежности и экономичности.

Научная новизна

Найдены оптимальные характеристики качества получаемой ВМЭ в зависимости от расхода мазута и исследованы процессы влияния фазового состава приготавливаемой ВМЭ на технологию эффективного сжигания топлива. Определены динамика и характер распределения концентраций основных загрязняющих веществ в дымовых газах котлов, в зависимости от дисперсности ВМЭ и скорости процесса кавитации.

Практическая ценность работы

Применение комплексного подхода к решению проблем выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании ВМЭ одновременно с сохранением высокой надежности и экономичности работы котлов.

Личный вклад автора

Осуществление всех этапов данной работы, в разработке и выполнении расчетов при проектировании кавитирующего устройства. В формировании программ и этапов экспериментальных исследований, а также в непосредственном участии при проведении опытов, обработке результатов, с выдачей всех необходимых рекомендаций и заключений по данной работе. Публикации по работе изложены в 3-х научных статьях.

Сущность процесса сжигания водотопливной эмульсии

В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Для решения этих задач интерес представляют водотопливные эмульсии (ВТЭ).
Использование в качестве топлива специально приготовленных водомазутных эмульсий является одним из эффективных методов, позволяющих устранить негативные последствия этого явления.
При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 3-5% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу. Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOx и COx в атмосферу при их сжигании.
Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, 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 мазута, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливо-воздушной смеси.
В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива. В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке; повышению светимости факела благодаря увеличению поверхности излучения; существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери. Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов.
Находящаяся в составе ВТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.
В процессе приготовления ВТЭ образование конкурентной фазы при перегреве воды может протекать по двум различным схемам, гомогенной и гетерогенной. На рисунке изображены крупнодисперсная капля эмульсии и капля полидисперсной эмульсии.
Гомогенная схема образования конкурентной фазы применима для чистых жидкостей, потому что предполагает нарушение сплошности вследствие обеспечения условий, при которых две соседние молекулы могут оказаться на расстоянии примерно в два и более раза превышающие их эффективные диаметры.
Гетерогенная схема предусматривает наличие в ВТЭ ядер конкурентной фазы в виде микрополостей, заполненных парами воды и газами, преимущественно воздухом. Взрыву таких капель предшествует процесс образования ядра конкурентной фазы при температурах, близких к максимально возможным перегревам воды.
При использовании ВТЭ в камерах сгорания котлов, работающих на тяжёлых сортах топлива, ввиду присутствия в факеле относительно крупных капель, желательно иметь дисперсность, обеспечивающую при заданной обводненности минимальное количество включений воды.
Одним из наиболее эффективных способов получения мелкодисперсной водомазутной эмульсии является технология гидротермического эмульгирования.
Полученные данные позволяют заключить, что капли водотопливной эмульсии сопровождаются при их нагревании в камерах сгорания явлением микровзрыва, параметры которого определяются объёмным содержанием воды в топливе и дисперсности эмульсии. Возможны качественно разные процессы фазовых трансформаций воды, каждый из которых сопровождается отличными друг от друга схемами дробления исходных капель топлива.