Обзор диспергаторов мазута

Диспергаторы - гомогенизаторы мазута

Задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок очень актуальны. Для решения этих задач представляют интерес топливные эмульсии: вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода - отработанное масло, вода - мазут - угольная пыль. Содержание воды в топочном мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5% по ГОСТу, реальная обводненность мазута составляет от 12 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. Мероприятия по осушению мазута испарением воды энергоемки и ведут к потере летучих компонентов топлива. Обезвоживание выполняется в основном путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует большого времени и малоэффективно из-за близости плотностей мазута и воды. Проблема утилизации или очистки таких вод не решается химическими и биологическими методами, т.к. они требуют больших дополнительных площадей, капитальных и эксплуатационных затрат.

При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД котла до5% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бенз(а)пирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.

Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%. Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания воды в эмульсии свыше 20% по объему, качественные показатели процесса 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 гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы N0 и СО в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. 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 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. Увеличивается число мелких капель топлива, 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 потери тепла. Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки 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 выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтенновые структуры. Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве 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 ВТЭ водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе предпламенных процессах. 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 частиц активных радикалов топлива. Гомогенизированная водно-топливная смесь имеет заметно меньшую вязкость чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, 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 сажистых образований.

Кроме того, одним из факторов, определяющих эффективность использования ВТЭ в котельно-топочных процессах, является возможность на их основе решать 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. Кавитационная обработка водотопливной эмульсии с добавлением 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. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в более короткие.

Существующие диспергаторы можно отнести к следующим основным типам.

Являются устройствами статического типа (не имеют движущихся частей). Созданы в восьмидесятых годах прошлого века и являются морально устаревшим оборудованием. Однако их ещё и сейчас рекламирует ряд фирм из Московской областей, Украины и Белоруссии... Подразделяются на две группы - 1)На основе струйных эжекторов и 2)Прочие.

II Роторно - пульсационные аппараты (РПА)

III Диспергатор принципиально нового типа - волновой диспергатор БРАВО.

Фото и принципиальная конструктивная схема приведены ниже. Данная защищённая многими патентами РФ на изобретения и промышленный образец конструкция лишена недостатков перечисленных выше аналогов. Волновой диспергатор БРАВО является промежуточным типом между «кавитаторами» статического типа и РПА.

Общий вид Би-Роторного Аппарата Волновой Обработки (БРАВО).

Схема конструктивного устройства

Научно - техническая новизна предлагаемых решений.

1 Патент РФ №2335705 на изобретение «Способ работы паровых котлов и гидродинамический генератор для осуществления способа». Зарегистрирован 10 октября 2008г.

2 Патент РФ №2347153 на изобретение «Гидродинамический генератор». Зарегистрирован 20 февраля 2009г.

3 Положительное решение Роспатента по заявке на изобретение «Способ гидродинамического воздействия на рабочую среду и роторный аппарат для его осуществления» № 2007129386(031999) от 01.08.2007 г.

4 Патент РФ №70084 на промышленный образец «Аппарат для обработки текучих сред». Зарегистрирован 16 апреля 2009г.

Диспергация в Би-Роторном Аппарате Волновой Обработки (БРАВО) осуществляется за счет энергии потока жидкости, принудительно прокачиваемой насосом через аппарат. В аппарате на неподвижной оси установлены два ротора - турбины (активатор и генератор). Ось расположена вертикально, роторы стабилизируются за счёт гироскопического эффекта, поэтому не требуются малые зазоры между осью и ступицами роторов, отпадает необходимость в радиальных подвижных уплотнениях - сальниках, являющимися бичами всех РПА. Турбина - генератор выполнен по принципу Сегнерова колеса. Прокачиваемая жидкость обеспечивает вращение роторов во встречных направлениях. При этом генерируются циклические гидроудары (путем перекрытия генератором выходов вихревых камер активатора). В камерах ротора - активатора возникает и поддерживается процесс образования кавитационных пузырьков, которые в дальнейшем (при повышении гидростатического давления) схлопываются. Схлопывание пузырьков сопровождается интенсивными ударными волновыми процессами с возникновением локальных зон сверхвысоких давлений и температур и кумулятивного (остронаправленного) ударного воздействия на участки жидкости, окружающей зону схлопывания кавитационного пузырька.

Кавитационный процесс реализован таким образом, что все ударно-волновые явления происходят непосредственно в потоке жидкости, не затрагивая материала корпуса и элементов конструкции, чем обеспечивается отсутствие кавитационной эрозии и долговечность диспергатора.

В процессе прямых гидроударов высокой амплитуды (которые генерируются при перекрытии генератором камер активатора) происходят структурные и молекулярные изменения агломератов, изначально присутствующих в мазуте, разрушение органических и минеральных примесей. Обеспечивается интенсивное перемешивание и диспергирование даже многокомпонентных несмешиваемых жидкостей (с наличием твердых включений) с образованием стойких к расслоению (не менее четырёх месяцев) топливных эмульсий.

Проект БРАВО

Активная работа по проекту велась в течение первого полугодия 2010г. Налажен контакт и получена полезная информация от "Всероссийского теплотехнического института" (ВТИ) по процессам диспергирования мазутных топлив.

Проведенные работы:

ООО «Общемаш» в г. Пересвет Сергиев-Посадского района Московской области. Март 2010г.

Были произведено приготовление на установке ВСР9 и последующее сжигание в котле водо-топливных эмульсий. Водотопливные эмульсии приготавливались на основе:

- печного топлива;

-отработанного моторного масла;

- из отработанного моторного масла с добавкой нанопорошка алюминия в количестве 0,5 г/л топлива;

-флотского мазута Ф-5.

Результаты:

Испытания показали, что в ходе обработки были получены стойкие к расслаиванию (в течение нескольких месяцев) эмульсии. При испытаниях было произведено сжигание указанных топлив в горелке водяного котла. Горение их в котле проходило без погасания (при верно установленной температуре подогрева в горелке, которую в этом случае необходимо несколько понижать относительно обычной), без уменьшения теплового КПД котла. Можно уверенно утверждать, что эмульсии печного топлива и отработанного масла можно энергоэффективно сжигать как минимум при 10%-ом содержании воды, а флотский мазут - при 20%. Причём сжигание водо-мазутной эмульсии было произведено на горелке, которая не предназначена для сжигания мазута (имела пневматическую систему распыления). Стойкость (не расслаивание эмульсий) в течении четырёх месяцев говорит о качественном диспергировании.

По эскизам ЗАО «БРАВО Технолоджиз» в НАМИ была изготовлена высокотехнологичная установка ВСР9. Она предназначена для переработки тяжелых и вязких углеводородов (нефти, мазута, отработанного машинного масла, смесей угольной пыли с мазутом) путем физико- химических преобразований исходного топлива в более легкие фракции с максимальным уменьшением вязкости, увеличением температуры сгорания, снижением температуры замерзания.

Установка ВСР9 перед разгрузкой в г.Пересвет Московской области.

Основными элементами установки, обеспечивающими расщепление тяжелых углеводородов и поддержание оптимальных рабочих параметров технологического процесса, являются: высокопроизводительный трёхвинтовой насос, трёхступенчатый деструктор обрабатываемых топлив, запорно- регулировочная арматура. В процессе прокачки вязкое топливо в деструкторе подвергается воздействию значительных сдвиговых усилий, турбулизации, ультразвуковому и электромагнитному воздействию. Важным показателем полученного по данной технологии продукта является стабильный характер приобретенных физико - химических параметров в течение последующих 3-4 месяцев. Установка предназначена для оптимизаций технологических процессов на нефтеперерабатывающих заводах, тепловых электростанциях, котельных Её использование ведет к снижению расходов на транспортировку топлива, обеспечивает снижение выбросов в атмосферу токсических и канцерогенных веществ за счет повышения эффективности сгорания топлива.

На основании всех полученных данных выполнен расчет удельных показателей экономической эффективности при обработке на 1 тонну мазута (приведён в таблице 1.1.1 - 1.1.3).

Таблица1.1.1. Расчет экономии мазута приведен для условной маломощной котельной с расходом мазута 1 тонны/сутки

* - Добавление воды свыше 12 % приводит к снижению КПД котла

** - Содержание лежалого мазута снижает КПД котла. Точные данные изменения КПД отсутствуют, но могут быть спрогнозированы/

*** - Эмульсии приготовленные с добавлением более легких фракций (таких, как масло) может привести к повышению КПД котла.

Таблица1.1.2. Расчет издержек по БРАВО при обработке 1тонны мазута в сутки. (3-х кратная обработка)

* - Эксплуатационные расходы ничтожно малы и учтены исходя из срока эксплуатации установки не менее 6 лет. (Т.е. полной её замены).

Таблица1.1.3. СОВОКУПНАЯ ЭКОНОМИЯ, руб/мес. (Расчет приведен для различного суточного расхода мазута)

Необходимо отметить, что даже при диспергировании высококачественного мазута на практике достигается дополнительная экономия, связанная не с прямыми, а с косвенными факторами:

ь Снижение температуры хранения и предварительного подогрева топлива на 15-25 оС.

ь Более стабильное горение, отсутствие срыва факела. Повышение надежности оборудования.

ь Снижение частоты обслуживания (удаления сажи) с поверхностей нагрева котлов в 1,5-3 раза

ь Снижение эксплуатационных затрат дорогостоящих горелок.

ь Повышение общего ресурса дорогостоящих горелок и котлов в целом.

Из таблицы видно, что, максимальный экономический эффект может быть получен при сжигании некондиционных мазутов (лежалых и др.), которые без диспергации не могут быть использованы в принципе, а после диспергирования на аппаратах БРАВО смеси некондиционного мазута и, например, отработанного масла могут быть успешно применены в виде топлива в котельных и печах. Причем прямая экономия в этом случае может достигать 40-50%.

Недеспергированный мазут с обводнённостью 50% непригоден к сжиганию. В то же время, после эффективной диспергации такой мазут, хотя и с некоторой потерей КПД, можно сжечь и передать теплоносителю всю теплоту сгорания водомазутной эмульсии и, таким образом вернуть в хозяйственный оборот "непригодное" топливо.

Другая проблема, о которой зачастую не задумываются потребители мазутных топлив, связана с косвенными потерями. Эти косвенные потери связаны с общепринятой технологией транспортировки, слива в хранилища, хранения и подачи на сжигание мазутного топлива. И совокупно эти косвенные потери достигают огромных масштабов!

Доставляемый цистернами мазут для слива в хранилища, как правило, разогревают острым паром открытым способом. При этом обводненность мазута (особенно в зимний период) может достигать 25% и даже более (в среднем около 15%).

Обезвоживание в основном выполняется путем отстаивания. Это требует наличия дополнительных хранилищ большой емкости, которые необходимо подогревать, на что так же затрачивается энергия. Из-за близости плотностей мазута и воды, это длительный процесс, в результате которого возникает другая проблема - утилизации или очистки подтоварных вод.

Известно, что эффективность очистных сооружений составляет 78,5-94,3%. Т.е. от 5,7 до 21,5% мазута уходит в канализацию вместе с водой. Таким образом прямые потери мазута при утилизации мазутных стоков составляют сотни тонн в год на одну котельную, не говоря уже о затратах на его утилизацию и экологическом ущербе.

Экономические расчеты показывают, что сжигание водомазутных эмульсий в 15-17 раз экономичнее изложенной выше обработки обводненного топлива и нефтесодержащих вод. Проведенные комплексные исследования показывают, что сжигание водомазутных эмульсий с содержанием влаги 18-20% обеспечивает минимальные суммарные затраты на эксплуатацию и охрану окружающей среды.

Таким образом, при комплексном подходе к экономии топлива и разумном применении диспергации совокупная экономия средств на мазутном хозяйстве котельной может достигать 50-ти % и более.

Обычный мазут (или же водянисто-грязе-парафиновая мазутная смесь):

Большая часть молекул топлива находится в полимеризованном (связанном) состоянии. При поджигании этой смеси процесс горения начнется на активной стороне каждого большого, «слипшегося» полимерного звена. При этом процесс горения будет тормозиться при столкновении с водяными полимерными молекулами, а сгорание парафинов или серы будет неполным (что приводит к замедлению горения, токсичным отходам и неполному сгоранию топлива). Несгоревший мазут откладывается на поверхностях теплообменников и резко снижает кпд котла.Экономия мазута в этом случае достигается применением дополнительных катализаторов, дорогих специальных мазутных форсунок, другими аппаратными методами.

Размешивание такой смеси, даже интенсивное, незначительно изменяет длину полимеризированных молекул воды и топлива, , но не разрушает парафиновые цепочки и не приводит к созданию мелкодисперсной эмульсии. При этом размешивание требует длительного времени, больших затрат энергии, а время для восстановления топлива до исходного состояния очень короткое.

Волновая диспергация обводнённого топлива влечёт за собой целый ряд позитивных последствий:

- молекулярные полимерные цепочки органичекого топлива рвутся, при этом образуется большое количество активных сторон молекул, которые вступают в процесс окисления одновременно и значительно быстрее;

- при дроблении молекул, с помощью кавитации, происходит разрыв связей самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые имеют лучшую способность к возгоранию, чем замкнутые молекулы (такой результат принципиально невозможен при обычном размешивании);

- полимерные цепочки молекул воды разрушаются, вода переходит в мелкодисперсное состояние (что не тормозит горение так, как крупные вкрапления воды) с образованием свободных радикалов H и OH, которые участвуют в процессе горения значительно активнее и образуют нестабильные, легко окисляемые соединения со свободными радикалами органического топлива. Таким образом, разницу между горением обычного «сухого» мазута и диспергированной водо-мазутной смеси, можно сравнить как разницу в горении поленьев с равной им по массе куче спичек. Все эти факторы и приводят к значительной экономии мазута, увеличению к.п.д. котла, снижению вредных выбросов.

Ряд описанных выше испытаний на различных средах показал эффективную работу макетного образца БРАВО и по диспергированию и по активации жидких сред.

Следует отметить, что описанные ниже диспергаторы конкурентов не обладают качествами активаторов топлив (во всяком случае, их продавцы не располагают результатами анализов, подтверждающих такую способность).

Наличие явно выраженных изменений свойств нефтепродуктов в результате волнового воздействия свидетельствует о том, что проект представляет коммерческий интерес для инвестирования. К настоящему времени на базе аппаратов БРАВО могут быть созданы коммерческие продукты, причем многофункциональность аппаратов определяет достаточно широкие рынки сбыта. По официальной с татистике в 2006г. объём переработанной мини - НПЗ нефти составил 5850,409 тыс. тонн в год.

Из них получено дизельного топлива 1567,6 тыс.т/год (27% от объёма сырья). Топочного мазута получено 1022,6 тыс.тонн/год.

По косвенным данным при повторной перегонке мазута выход дизельной фракции составляет порядка 9 процентов, что составляет 92тыс.тонн/год.

В случае, если обработка нефти и мазута(перед повторной перегонкой) на установке «БРАВО» увеличит выход первичного дизтоплива на 7%, а вторичного на 12%, это составит 10,92 + 8,28 = 19,2 тыс. тонн/год.

Предположим, что нам удалось охватить 10% рынка. Тогда в результате обработки на наших установках будет получено 1,92 тыс. тонн/год дополнительного дизтоплива. При оптовой цене на него 13000руб./тонну стоимость составит 249 600 000рублей. Чистую прибыль продавцов примем равной 10% от этой суммы, т.е.24 960 000рублей.

В случае сдачи установок в аренду за 33,3% от стоимости дополнительно полученного дизтоплива, доход ЗАО «БРАВО Технолоджиз» составит 8 311 680 рублей/год(брутто).

По статистике за время, прошедшее с 2006г.(когда было 66 мини - НПЗ) введено в эксплуатацию ещё 26 мини-НПЗ. При условии равной средней производительности новых и старых мини - НПЗ, прирост нефтепереработки составил 43,3%. Этот прирост можно экстраполировать на прирост указанных выше доходов также на 43,3%.

Т.о., при охвате 10% рынка мини - НПЗ, доход ЗАО «БРАВО Технолоджиз» составит 11 910 637,44 рублей/год (брутто).