Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, к устройствам для получения эмульсий из несмешивающихся жидкостей: мазута и воды, и может быть использовано при изготовлении установок для получения водомазутной эмульсии для сжигания в котельных и теплоэлектроцентралях.
Уровень техники.
В современных котельных и ТЭЦ применяются наиболее дешевые и, как правило, более тяжелые сорта мазутов. Работа котлов и горелок на тяжелых мазутах вызывает ряд проблем, связанных с ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, увеличением вредных выбросов в атмосферу, повышением уровня теплонапряженности в горелках, увеличением количества нагароотложений на стенках горелок и котлов, интенсификацией износов и сокращение срока службы горелок и в целом котлов.
Одним из эффективных путей решения данных проблем является применение водомазутных эмульсий, использование которых не требует каких-либо переделок котла и горелки, не вызывает потребности и существенных изменениях технологии подготовки и сжигания топлива и не нуждается в больших капиталовложениях.
Кроме того, водомазутные эмульсии нашли широкое применение в качестве топлива для дизелей.
Различают три типа водотопливных эмульсий: прямую эмульсию, - «масло в воде»; обратную эмульсию, - «вода в масле» и сложную эмульсию, содержащую в себе два первых типа (данную эмульсию называют эмульсией 3-го рода).
В настоящем изобретении заявлена установка, производящая сложную эмульсию, содержащую и прямой, и обратный тип эмульсий.
Аналогом изобретения в части, получаемой эмульсии, является прямая эмульсия: мазут (дисперсная фаза) в воде (Патент США us6187063, опубликованный 13 февраля 2001 г.).
Эмульсия содержит от 55 % до 80 % по объему мазута в воде. Для обеспечения требуемой стабильности при изготовлении эмульсии применяют сложный по химическому составу эмульгатор: полиэтоксилата нонилфенола; термостабилизатор на основе глицината дигидроксиэтил таллового жира в количестве, эффективном для термостабилизации указанной эмульсии; спирт в количестве, эффективном для улучшения смешивания указанного нефтяного мазута и воды. Указанный спирт составляет от примерно 0,3% до примерно 10 % от объема указанной эмульсии.
Используют и другой эмульгатор, стабилизирующий эмульсию. Этот эмульгатор содержит комбинацию 2-амино-2-метил-1-пропанола, соли карбоновой кислоты, и поверхностно-активное вещество. Стабилизатор эмульсии может быть эмульгирующим агентом или смесью эмульгаторов.
Содержание эмульгатора в эмульсии от 0.05 % до 5 %. Остальное вода.
При сжигании описанной выше эмульсии обеспечивается снижение NOx на величину в диапазоне от 24 % до 40 %. Сокращается количество образующейся сажи, что в случае котлов, повышает эффективность теплопередачи.
Недостатком аналога является сложность получение прямой эмульсии с применением сложного эмульгатора.
Также аналогом в части, получаемой эмульсии, является эмульсионное топливо с низкой вязкостью для печей на жидком топливе (Патент США us6017368, опубликованный 25 января 2000 г.). В патенте описано получение эмульсии обратной - вода в мазуте.
Перед смешиванием с водой, в мазут вводят присадку - эмульгатор, содержащую анионное поверхностно-активное вещество, полученное в результате частичной нейтрализации ненасыщенной жирной кислоты или смеси ненасыщенных жирных кислот аммиаком, неэтоксилированное неионное поверхностно-активное вещество, водонерастворимые алифатические спирты с длинной цепью, водорастворимые алифатические спирты, вода, поглотители оксида азота (NOx), состоящие из мочевины и этилкарбамата или их смесей, и стехиометрическое количество натриевой соли ненасыщенной жирной кислоты для нейтрализации серных кислот, полученных из серы, присутствующей в нефтепродукте, когда она окисляется при сгорании микроэмульсионного топлива. Ненасыщенные жирные кислоты включают олеиновую, линолевую и линоленовую кислоты по отдельности или в смеси, причем указанные ненасыщенные жирные кислоты составляют по меньшей мере 90 % жирных кислот, так что присутствуют лишь незначительные проценты насыщенных жирных кислот, таких как лауриновая, миристиновая, пальмитиновая и стеариновая кислоты менее 10 %.
Содержание присадки в топливе - от 1 мас.% до 5 мас.%.
Содержание воды - до 50 %
При сжигании этого топлива наблюдается существенное снижение NOx, дымности и вязкости.
Недостатком аналога является сложность получение обратной эмульсии с применением сложного эмульгатора и присадок.
Другим аналогом изобретения является установка, реализующая гидродинамический способ приготовления водотопливной эмульсии (Патент РФ 2482906, опубл. 27.05.2013). Работа установки заключается в кавитационной обработке водотопливной смеси в гидродинамическом кавитационном реакторе, через проточную часть которого пропускают топливо, а воду подают в зону кавитации топлива в проточной камере указанного гидродинамического кавитационного реактора, и в топливе, подготовленном для пропускания через гидродинамический кавитационный реактор, предварительно определяют процентное содержание воды, и полученный показатель содержания воды в топливе используют в системе регулирования подачи воды в зону кавитации.
Недостатком аналога является сложность поддержания кавитационного процесса в кавитационном реакторе в условиях, когда в зону кавитации. Подаваемая вода в зону кавитации способствует срыву кавитации. Кроме того, относительно большое содержание СО, NO2 в продуктах сгорания.
Также аналогом в части кавитационных реакторов проточного типа является устройство для получения гидростабилизированного топлива (Патент РФ 206204, опубликованный 31.08.2021). Устройство содержит по меньшей мере две вихревые трубы с вводами для подачи в каждую из них смеси нефтепродукта с водой для формирования в каждой из них отдельного завихренного потока с общим для всех направлением завихрения, вытеснители, каждый из которых установлен в соответствующей вихревой трубе, и общую камеру, сформированную на конечном участке всех вихревых труб за счет их пересечения по образующим, причем внутренняя поверхность общей камеры выполнена оребренной по меньшей мере на 0,7 длины этой камеры.
Работа устройства позволяет снизить дисперсность воды в эмульсии, за счет дополнительной турбулизации потока эмульсии в общей камере в условиях пониженного напора насоса, недостаточного для установления эффективной кавитации, повышая тем самым равномерность смешения воды с нефтепродуктом.
Данный аналог взят за основу при изготовлении гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа. Отличием применяемых в заявленной установке кавитационных реакторов является то, что внутренняя поверхность общей камеры выполнена оребренной на 0,99 длины этой камеры (оребрение практически на всей поверхности камеры).
Прототипом является установка для получения водомазутной эмульсии (Патент РФ 2740998, опубликованный 22.01.2021).
Установка содержит: трубопровод подачи мазута, кран в трубопроводе подачи мазута, трубопровод подачи воды, кран в трубопроводе подачи воды, трубопровод выдачи водомазутной эмульсии, кран в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии, расположенный на выходе из установки, устройство соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута, насосный агрегат,
смесительные устройства для смешивания мазута с водой, датчики давления,
при этом, смесительные устройства выполнены в виде гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа, расположенных в трубопроводе перед насосом и за насосом.
Выше указанные признаки совпадают с признаками заявленного изобретения.
Недостатком прототипа является то, что на нем невозможно получение стабильной водомазутной эмульсии 3-го рода, - обратной эмульсии с включением прямой эмульсии.
Относительно не большое снижение содержания СО, NO2 в продуктах сгорания эмульсии в котельной.
Относительно не большое снижение содержания сажи в продуктах сгорания эмульсии в котельной.
Относительно не большое снижение содержания не сгоревших углеводородов в продуктах сгорания эмульсии в котельной.
Получение водомазутной эмульсии с повышенной вязкостью, не удовлетворяющей требованиям ГОСТ 10585-2013 по вязкости.
Раскрытие сущности изобретения.
Задачей заявленного изобретения является создание установки для получения сложной водомазутной эмульсии, состоящей из обратной эмульсии с включениями в виде частичек прямой эмульсии.
Задача решается за счет того, что установка для получения водомазутной эмульсии содержит:
трубопровод подачи мазута,
кран в трубопроводе подачи мазута,
трубопровод подачи воды,
кран в трубопроводе подачи воды,
трубопровод выдачи водомазутной эмульсии,
кран в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии, расположенный на выходе из установки,
устройство соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута,
насосный агрегат,
смесительные устройства для смешивания мазута с водой,
датчики давления,
при этом, смесительные устройства выполнены в виде гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа, расположенных в трубопроводе перед насосом и за насосом,
и то прототипа отличается тем, что в качестве устройства соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута используют трубку Вентури;
и установка дополнительно содержит трубопровод подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды, а также содержит кран в трубопроводе подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды;
также установка содержит трубку Вентури для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода и трубопровода подачи воды,
смесительное устройство для смешивания легкого углеводорода с водой,
при этом, смесительное устройство для смешивания легкого углеводорода с водой расположено между трубкой Вентури для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода и трубопровода подачи воды, и трубкой Вентури для соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута;
а в качестве легкого углеводорода используют углеводород с температурой кипения от плюс 33°С до плюс 360°С.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что дополнительно содержит байпасный трубопровод между входом в насос и выходом из насоса, причем в байпасном трубопроводе расположено смесительное устройство в виде гидродинамического кавитационного реактора проточного типа, а также расположен кран.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что посредством крана в трубопроводе подачи мазута осуществляют изменение расхода мазута через установку.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что посредством крана в трубопроводе подачи воды осуществляют изменение расхода воды через установку.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что посредством крана в трубопроводе подачи легкого углеводорода осуществляют изменение расхода легкого углеводорода через установку.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что посредством крана в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии, осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена таким образом, что посредством крана в байпасном трубопроводе осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
Технические результаты изобретения:
- при работе установки для получения водомазутной эмульсии обеспечивается получение стабильной водомазутной эмульсии, - обратной эмульсии с включением прямой эмульсии, причем получение прямой эмульсии осуществляют без использования эмульгаторов.
- также при работе установки для получения водомазутной эмульсии обеспечивается получение стабильной водомазутной эмульсии со средней дисперсностью воды с частичками легкого углеводорода в мазуте до 10-6м, и с содержанием воды в эмульсии 20% и менее;
- обеспечивается снижение содержания СО, NO2 в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной;
- обеспечивается снижение содержания сажи в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной;
- снижение содержания не сгоревших углеводородов в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной;
- получение водомазутной эмульсии с пониженной относительно эмульсии, полученной при работе прототипа, вязкостью.
Для упрощения изложения описания, термин «гидродинамический кавитационный реактор проточного типа» будем писать, как кавитационный реактор, реактор или кавитатор.
В зависимости от условий получения эмульсий каждая из взаимно нерастворимых жидкостей может быть дисперсной фазой или дисперсионной средой. Одной из фаз является вода. Второй фазой может быть углеводород, которую независимо от природы принято называть «маслом».
Вода и масло могут образовывать эмульсии двух основных типов:
- прямые или эмульсии 1-го рода - масло в воде (м/в). Дисперсной фазой в прямых эмульсиях является масло. А дисперсной средой является вода.
- обратные или эмульсии 2-го рода - вода в масле (в/м). Дисперсной фазой в прямых эмульсиях является масло.
Дополнительно вода и масло могут образовывать эмульсию смешанного типа, у которой дисперсной средой является масло, а дисперсной фазой является эмульсия первого рода. Эту эмульсию называют эмульсией 3-го рода.
В изобретении на установке получают обратную эмульсию с включениями прямой эмульсии, - эмульсию 3-го рода.
Мазут является дисперсионной средой, а дисперсной фазой является прямая эмульсия, в которой, в свою очередь, дисперсной средой является вода, а дисперсной фазой является легкий углеводород.
Установка содержит три гидродинамических кавитационных реактора проточного типа:
- первый реактор расположен в трубопроводе перед насосом (см. фиг. 1);
- второй реактор расположен в трубопроводе за насосом;
- третий реактор расположен в трубопроводе подачи воды.
Первый реактор выполняет функцию смесителя-диспергатора, осуществляя обработку смеси с входным давлением насоса; второй реактор установлен после насосного агрегата и выполняет функцию смесителя-диспергатора и гомогенизатора; а третий реактор установлен на трубопроводе подачи воды в мазутный трубопровод и выполняет функцию смесителя-диспергатора и гомогенизатора для легкого углеводорода и воды.
Гидродинамический кавитационный реактор проточного типа еще называют смесительное устройство для смешивания нерастворимых жидкостей.
Первый кавитационный реактор разрывает длинные мазутные молекулы (парафины) на более мелкие, а также перемешивает мазут с водой и легким углеводородом в ней.
Третий кавитационный реактор дробит легкий углеводород на мелкие частички в воде, перемешивает воду с частичками легкого углеводорода (гомогенизирует легкий углеводород в воде).
Второй кавитационный реактор дополнительно дробит и перемешивает мазут и воду с частичками легкого углеводорода (окончательно гомогенизирует полученный продукт - водомазутную эмульсию).
Проведенные исследования на экспериментальной установке, реализующей изобретение, показали, что установка позволяет осуществить подготовку качественной и стабильной эмульсии со средней дисперсностью 10-6 м и менее ( в ряде экспериментов с содержанием воды 10 % средняя дисперсность доставила 10-7 м). Среднюю дисперсность эмульсий для простоты называют просто дисперсностью.
Стабильность получаемой водомазутной эмульсии не хуже, чем у прототипа.
В проведенных экспериментах, в зависимости от типа легкого углеводорода, по сравнению с прототипом, было достигнуто снижение содержания СО в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на величину от 10 % до 17 %.
Также, по сравнению с прототипом, было достигнуто снижение содержания NO2 в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на величину от 50 % до 60 %.
Было достигнуто, по сравнению с прототипом, снижение содержания сажи в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на величину от 19 % до 38 %.
Было достигнуто, по сравнению с прототипом, снижение содержания не сгоревших углеводородов в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на величину от 60 % до 80 %.
Кроме того, было достигнуто получение водомазутной эмульсии с пониженной вязкостью, удовлетворяющей требованиям ГОСТ10585-2013. У прототипа, при содержании воды в мазуте от 10 % до 20 % вязкость получаемой водомазутной эмульсии превышала значение, заданное в ГОСТе.
При этом, получение прямой эмульсии легкого углеводорода с водой на установке ведется без применения каких-либо эмульгаторов.
В экспериментах:
- в качестве мазута применяли мазут топочный 100 по ГОСТ 10585-2013 с массовой долей серы 1.5 % и 3.2 %, содержащий горючую смесь углеводородов с температурой кипения от плюс 360°C до плюс 430°C;
- в качестве воды применяли воду для целей хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд населения (по ГОСТ 17.1.1.03-78);
- в качестве легкого углеводорода применяли бензин, масло (в том числе отработанные масла) и дизельное топливо (солярку).
В качестве дополнительной меры для снижения NO2 возможно в воду вводить мочевину.
В общем случае в качестве легких углеводородом для целей получения эмульсией 3-го рода могут применять следующие углеводороды:
Бензин - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от плюс 33°C до плюс 205°C.
Масло - средняя температура кипения масла от плюс 120°C до плюс 150°C.
Рапсовое масло - температура кипения плюс 270°C.
Керосин - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от плюс 150°C до плюс 250°C,
Солярка (дизельное топливо) - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от плюс 240°C до плюс 400°C.
Может появиться вопрос, зачем получать в установке эмульсию 3-го рода? Не проще ли просто смешать мазут с легким углеводородом?
Это делать нельзя. Причина в том, что в ГОСТе 10585-2013 задано требование пожаробезопасности для мазута топочного 100.
В таблице №1 ГОСТа 10585-2013 задано требование:
Температура вспышки в открытом тигле - не ниже 110°С.
Если смешивать просто, например, бензин и мазут или дизельное топливо и мазут, то температура вспышки такой смеси в открытом тигле становится ниже 110°С.
Для того, чтобы этого не допустить, авторы в состав эмульсии включили воду. Вода, как раз и выводит показатель «Температура вспышки в открытом тигле» на уровень - не ниже 110°С.
А для того, чтобы эмульсия была стабильной, делают так, чтобы частички легкого углеводорода находились в частичках воды. И уже частички воды с частичками легкого углеводорода находятся в мазуте.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 представлена схема установки для получения водомазутной эмульсии.
На Фиг. 2 представлена схема установки для получения водомазутной эмульсии с байпасным трубопроводом.
На Фиг. 3 представлен вид прямой эмульсии частичек масла в воде после обработки в третьем гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа в сечении 81 на фиг. 1.
На фиг. 4 представлена схема обратной эмульсии мазута с частичками воды, содержащих легкий углеводород, перед первым гидродинамическим кавитационным реактором проточного типа в сечении 84 на фиг. 1. Частички воды расположены в мазуте не равномерно. Частички воды расположены в мазуте не равномерно.
На фиг. 5 представлена схема обратной эмульсии мазута с водой, содержащей легкий углеводород после обработки во втором гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа в сечении 82 на фиг. 1. Частички воды расположены в мазуте равномерно.
На фиг. 6 представлена схема подачи водомазутной эмульсии из форсунки в пламя горелки. В качестве легкого углеводорода используют бензин.
На фиг. 7 представлена схема подачи водомазутной эмульсии из форсунки в пламя горелки. В качестве легкого углеводорода используют дизельное топливо.
Осуществление изобретения.
Установка для получения водомазутной эмульсии содержит
трубопровод подачи мазута 1 (см. фиг. 1),
кран 2 в трубопроводе подачи мазута 1,
трубопровод подачи воды 8,
кран 4 в трубопроводе подачи воды 8,
трубопровод выдачи водомазутной эмульсии 84,
кран 17 в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии 84, расположенный на выходе из установки,
устройство соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута 10,
насосный агрегат 13,
смесительные устройства для смешивания мазута с водой 12 и 16,
датчики давления 14 и 15.
Смесительное устройство воды и легкого углеводорода 9.
Смесительные устройства 12, 16 и 9 выполнены в виде гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа. Они расположены в трубопроводе перед насосом, за насосом, а также в трубопроводе подачи воды.
В качестве устройства соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута используют трубку Вентури 10.
Также установка содержит трубопровод 5 подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды 8, а также содержит кран 6 в трубопроводе подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды.
Кроме того, установка содержит трубку Вентури 7 для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода 5 и трубопровода подачи воды 8,
смесительное устройство 9 для смешивания легкого углеводорода с водой,
при этом, смесительное устройство 9 для смешивания легкого углеводорода с водой расположено между трубкой Вентури 7 для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода и трубопровода подачи воды, и трубкой Вентури 10 для соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута;
а в качестве легкого углеводорода используют углеводород с температурой кипения от плюс 33°С до плюс 360°С.
В частном варианте реализации изобретения установка может дополнительно содержать байпасный трубопровод 28 (см. фиг. 2) между входом в насос и выходом из насоса, причем в байпасном трубопроводе 28 расположено смесительное устройство в виде гидродинамического кавитационного реактора проточного типа 30, а также расположен кран 29.
Посредством крана 2 в трубопроводе подачи мазута осуществляют изменение расхода мазута через установку.
Посредством крана 4 в трубопроводе подачи воды осуществляют изменение расхода воды через установку.
Посредством крана 6 в трубопроводе подачи легкого углеводорода осуществляют изменение расхода легкого углеводорода через установку.
Посредством крана 17 в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии, осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
В частном варианте реализации изобретения посредством крана 29 в байпасном трубопроводе 28 осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
В частном варианте реализации изобретения установка может быть выполнена так, что содержит устройство для замера содержания воды в мазуте - влагомер, расходомер, термометр.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Открывают краны 2, 6, 4. Включают насос 13. Мазут по трубопроводу 1 через открытый кран 2 поступает в установку. Вода по трубопроводу 8 через открытый кран 4 поступает в установку. Легкий углеводород, например, дизельное топливо по трубопроводу 5 через открытый кран 6 поступает в установку. В трубке Вентури 7 вода и легкий углеводород смешиваются в заданной пропорции и поступают в гидродинамический кавитационный реактор проточного типа 9. Реактор 9 дробит легкий углеводород на мелкие частички в воде, перемешивает воду с частичками легкого углеводорода, производя прямую эмульсию. После чего, прямая эмульсия поступает в трубку Вентури 10 для смешивания в заданной пропорции с мазутом.
Мазут по трубопроводу 1, через фильтр 11 также поступает в трубку Вентури 10, где смешивается с прямой эмульсией воды и легкого углеводорода. Затем смесь мазута с прямой эмульсией воды и легкого углеводорода поступает в кавитационный реактор 12. Кавитационный реактор 12 разрывает длинные мазутные молекулы (парафины) на более мелкие, а также перемешивает мазут с водой и легким углеводородом в ней, получая обратную эмульсию мазут и воды с легким углеводородом в ней. Затем полученная обратная эмульсия поступает в насос 13. После насоса обратная эмульсия поступает в кавитационный реактор 16. Кавитационный реактор 16 дополнительно дробит и перемешивает мазут и воду с частичками легкого углеводорода. Окончательно гомогенизирует полученный продукт - водомазутную эмульсию. Перепад давления на насосе замеряют по датчикам давления 14 и 15 (в частности, по манометрам 14 и 15).
В частном варианте реализации изобретения установка может содержать байпасный трубопровод 28.
Для интенсификации физико-химических процессов и глубины обработки эмульсии кран 17 на выходе установки частично прикрывают, а кран 29 частично или полностью приоткрывают. При этом эмульсия после насоса поступает на вход реактора 30, где производится дополнительная кавитационная обработка, являющаяся наиболее интенсивной, ввиду наибольшего перепада давления на входе в реактор 30 и выходе из реактора 30. С выхода из реактора 30 через кран 29 эмульсия поступает на вход насоса.
На фиг. 2 представлена установка с байпасным трубопроводом. На фиг. 2 обозначены позициями:
25 - трубопровод подачи мазута;
26 - фильтр;
27 - кавитационный реактор проточного типа;
28 - байпасный трубопровод;
29 - кран;
30 - кавитационный реактор проточного типа;
31 - кран;
32 - кран;
33 - кран;
34 - трубка Вентури;
35 - кавитационный реактор проточного типа;
36 - датчик давления;
37 - датчик давления;
38 - кавитационный реактор проточного типа;
39 - кран.
В установке мазут, вода и легкий углеводород смешиваются в определенной пропорции посредством регулировки кранов 2, 4, 6 и 17 (в частном случае и посредством регулировки крана 29).
На Фиг. 1 позицией 21 показано направление движения мазута, позицией 22 показано направление движения воды, позицией 24 показано направление движения легкого углеводорода, позицией 23 показано направление движения водомазутной эмульсии из установки.
В заявленной установке кавитационная обработка воды и легкого углеводорода, а затем последовательная кавитационная обработка в двух гидродинамических кавитационных реакторах мазута, воды и легкого углеводорода, способствует проявлению дополнительного синергетического эффекта - в мазуте после кавитационной обработки образуются водные глобулы с включением легкого углеводорода. Причем размер глобул до 10-6м. Такая водомазутная эмульсия обладает стабильной микроструктурой, не проявляющей тенденции к коалесценции и седиментации и позволяет работать на малых избытках воздуха (в котельных установках), близких к стехиометрическим.
Исследования образцов эмульсий различного состава выполняли методом оптической микроскопии на основании РД 34.44.215-96. «Руководящий документ. Методы определения качества водомазутных эмульсий, используемых в виде жидкого котельного топлива». Образцы характеризуются однородным пространственным распределением капель воды с включениями легкого углеводорода в объеме мазута, характерные размеры капель составляют до 10-6 м.
Эффективность использования заявленной установки для изготовления водомазутной эмульсии проверяли, сравнивая водомазутную эмульсия на основе мазут М-100, приготовленную на установке - прототипе с водомазутной эмульсией, приготовленной из этого же мазута (из мазута той-же партии) с воды, содержащей легкий углеводород на заявленной установке.
В ходе экспериментов сжигали, приготовленные на заявленной установке и установке - прототипе водомазутные эмульсии в паровом котле ДКВР 2.5-13ГМ.
Определяли производительность пара, температуру пара, расход мазута, расход воды и легкого углеводорода.
Вышеуказанные расходы задавались посредством кранов, расположенных в трубопроводах.
В эксперименте удерживали показатель производительность пара на уровне 2.3 т/ч и температуру пара на уровне 191°С градус Цельсия. Время каждого эксперимента (с определенным составом мазута, воды и легкого углеводорода) составило 72 часа. Результаты одного из экспериментов с 10 % и 20 % воды в мазуте и с 20 % легкого углеводорода в воде приведены в таблице 1.
В таблице 2 приведены экспериментальные данные изменения вязкости условной при 100°C для различных составов водомазутной эмульсии, изготовленной на заявленной установке и на установке прототипе.
Эксперименты показали, что водомазутная эмульсия 3-го рода является водомазутной эмульсии с пониженной вязкостью, удовлетворяющей требованиям ГОСТ10585-2013. У прототипа, при содержании воды в мазуте от 10 % до 20 % вязкость получаемой водомазутной эмульсии превышала значение, заданное в ГОСТе (см. таблицу 2).
При этом, получение прямой эмульсии легкого углеводорода с водой ведется без применения каких-либо эмульгаторов.
В экспериментах при приготовлении водомазутной эмульсии в качестве легкого углеводорода, смешиваемого с водой, применяли бензин, масло и дизельное топливо.
Каждый эксперимент состоял из получения водомазутной эмульсии и её сжигании в паровом котле.
В сечении 19 по трубопроводу движется легкий углеводород. В сечении 18 по трубопроводу движется вода. В трубке Вентури 7 они соединяются и совместно движутся в третий гидродинамический кавитационный реактор проточного типа 9.
На Фиг. 3 представлен вид прямой эмульсии частичек масла в воде после обработки в третьем гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа в сечении 81 (см. фиг. 1). Позициями обозначены:
40 - стенка трубопровода;
41 - вода;
42 - поток прямой эмульсии;
43 - частичка легкого углеводорода;
44 - частичка легкого углеводорода;
45 - частичка легкого углеводорода.
После прохождения сечения 81 прямая эмульсия соединяется с мазутом в трубке Вентури 10. После соединения мазут и частички воды с легким углеводородом движутся по трубопроводу 1 в первый гидродинамический кавитационный реактор проточного типа 12.
На фиг. 4 представлена схема обратной эмульсии мазута с водой, содержащей легкий углеводород перед первым гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа в сечении 84 на фиг. 1. Частички воды с легким углеводородом не равномерно распределены в движущемся потоке обратной эмульсии. Позициями обозначены:
47 - стенка трубопровода;
48 - частичка воды с углеводородом;
49 - частичка углеводорода в воде;
50 - частичка углеводорода в воде;
51 - мазут;
52 - частичка углеводорода в воде;
53 - частичка углеводорода в воде;
54 - частичка углеводорода в воде;
55 - частичка воды с углеводородом;
56 - частичка воды с углеводородом;
57 - частичка воды с углеводородом;
58 - частичка углеводорода в воде;
59 - поток обратной эмульсии.
После обработки в первом гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа 12, частички воды с легким углеводородом еще в большей степени подверглись дроблению и более равномерно распределены в движущемся потоке водомазутной эмульсии.
После реактора 12 обратная эмульсия поступает в насос, а за ним во второй гидродинамический кавитационный реакторе проточного типа 12.
На фиг. 5 представлена схема обратной эмульсии мазута с водой, содержащей легкий углеводород после обработки во втором гидродинамическом кавитационном реакторе проточного типа в сечении 82 на фиг. 1. Частички воды с легким углеводородом равномерно распределены в движущемся потоке водомазутной эмульсии.
Позициями обозначены:
46 - поток водомазутной эмульсии;
60 - частичка воды с легким углеводородом;
61 - частичка воды с легким углеводородом;
62 - частичка воды с легким углеводородом;
63 - частичка легкого углеводорода в воде;
64 - частичка легкого углеводорода в воде;
65 - частичка легкого углеводорода в воде;
66 - частичка легкого углеводорода в воде;
67 - частичка легкого углеводорода в воде.
На фиг. 6 схематично представлена схема подачи водомазутной эмульсии из форсунки в пламя горелки. В качестве легкого углеводорода используют бензин.
На фигуре позициями обозначены:
68 - частичка воды с частичками бензина;
69 - поток водомазутной эмульсии;
70 - зона нагрева за соплом горелки с температурой до 100°С;
71 - зона нагрева за соплом горелки с температурой от 100°С до 360°С;
72 - зона нагрева за соплом горелки с температурой от 360°С и выше;
73 - частичка воды с легким углеводородом;
74 - взрывное испарение частичек легкого углеводорода с температурой испарения до 100°С в частичке воды. Происходит дробление частички воды на более мелкие частички. Также происходит дробление и рядом находящегося мазута на мелкие частички;
75 - частичка воды с частичками бензина с температурой испарения выше 100°С;
76 - взрывное испарение частичек воды и легкого углеводорода с температурой испарения от 100°С и до 205°С в мазуте. Происходит дробление рядом находящегося мазута на мелкие частички;
77 - взрывное испарение частичек воды и легкого углеводорода с температурой испарения от 100°С и до 205°С в мазуте. Происходит дробление рядом находящегося мазута на мелкие частички;
78, 79 - испарившиеся частички раздробленного мазута;
80 - направление движения испарившегося мазута, паров воды и паров бензина в направлении к факелу горелки.
На фиг. 7 схематично представлена схема подачи водомазутной эмульсии из форсунки в пламя горелки. В качестве легкого углеводорода используют дизельное топливо.
На фигуре позициями обозначены:
85 - частичка воды с частичками дизельного топлива (ДТ);
86 - поток водомазутной эмульсии;
87 - частичка воды с частичками ДТ;
88 - взрывное испарение частичек воды с температурой испарения 100°С. Происходит дробление частички ДТ на более мелкие частички. Также происходит дробление и рядом находящегося мазута на мелкие частички;
89 - взрывное испарение частичек ДТ с температурой испарения 240°С - 360°С. Происходит дробление рядом находящегося мазута на мелкие частички;
90 - частичка ДТ с температурой испарения от 360°С до 400°С.
91 - испарившиеся частички раздробленного мазута;
92 - зона нагрева за соплом горелки с температурой до 100°С;
93 - зона нагрева за соплом горелки с температурой от 100°С до 360°С;
94 - зона нагрева за соплом горелки с температурой от 360°С и выше;
95 - направление движения испарившегося мазута, паров воды и паров ДТ в направлении к факелу горелки.
В экспериментах проверяли стабильность прямой эмульсии, полученной без применения эмульгаторов и отобранной из установки после кавитационного реактора 9. Установлено, что расслоение эмульсии начинается через 30 - 35 минут. Однако, этого показателя достаточно. Так как время прохождения прямой эмульсии от кавитационного реактора 9 до трубки Вентури 10 составляет несколько секунд.
Эффект при горении водомазутной эмульсии 3-го рода заключается в более качественном дроблении мазута перед вхождением его в пламя (по сравнению с дроблением водомазутной эмульсии 2-го рода). Дробление мазута на мелкие частички происходит за счет взрывного испарения воды и легкого углеводорода (у водомазутной эмульсии 2-го рода только за счет взрывного испарения воды).
В проведенных экспериментах, при использовании дизельного топлива в качестве легкого углеводорода в составе воды, было достигнуто снижение содержания СО в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на 10 % - 15 %, при использовании бензина - на 15 % - 17 %, при использовании масла - на 11 % - 17 %.
Также, при использовании дизельного топлива, было достигнуто снижение содержания NO2 в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на 50 % - 55 %, при использовании бензина - на 55 % - 60 %, при использовании масла - на 55 % - 60 %.
Было достигнуто снижение содержания сажи в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на 19 % - 35 %, при использовании бензина - на 31 % - 35 %, при использовании масла - на 29 % - 38 %.
Было достигнуто снижение содержания не сгоревших углеводородов в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной на 61 % - 77 %, при использовании бензина - на 70 % - 80 %, при использовании масла - на 68 % - 80 %.
Во всех экспериментах с водомазутной эмульсией, полученной на заявленной установке, было достигнуто понижение вязкостью, по сравнению с водомазутной эмульсией, полученной на прототипе. Новая водомазутная эмульсия удовлетворяла требованиям ГОСТ10585-2013. У прототипа, при содержании воды в мазуте от 10 % до 20 % вязкость, получаемой водомазутной эмульсии превышала значение, заданное в ГОСТе примерно на 10 % - 12 %.
Таким образом, цель изобретения и заявленные технические результаты достигнуты.
Создана установка для получения сложной водомазутной эмульсии, состоящей из обратной эмульсии с включениями в виде частичек прямой эмульсии.
При работе установки для получения водомазутной эмульсии обеспечивается получение стабильной водомазутной эмульсии 3-го рода, - обратной эмульсии с включением прямой эмульсии, причем получение прямой эмульсии осуществляют без использования эмульгаторов.
Также при работе установки для получения водомазутной эмульсии обеспечивается получение стабильной водомазутной эмульсии 3-го рода со средней дисперсностью воды с частичками легкого углеводорода в мазуте до 10-6м, и с содержанием воды в эмульсии 20 % и менее.
Обеспечивается снижение содержания СО, NO2 в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной.
Обеспечивается снижение содержания сажи в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной.
Обеспечивается снижение содержания не сгоревших углеводородов в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной.
Обеспечивается получение водомазутной эмульсии с пониженной относительно эмульсии, полученной при работе прототипа, вязкостью.
Таблица 1
Выбросы продуктов сгорания при сжигании в котельной 1 килограмма топлива, кг
Наблюдения в течение 1 зимнего месяца
Вода - 0.01 кг (1%)
Вода - 0.1 кг
Вода - 0.1 кг
ДТ - 0.02 кг
Вода - 0.2 кг
Вода - 0.2 кг
ДТ - 0.02 кг
Таблица 2
Изменение вязкости условной при 100°С для различных составов водомазутной эмульсии
Вода - 0.01 кг (1%)
Вода - 0.1 кг
(водомазутная эмульсия 2-го рода)
Вода - 0.1 кг
ДТ - 0.02 кг
(водомазутная эмульсия 3-го рода)
Вода - 0.2 кг
(водомазутная эмульсия 2-го рода)
Вода - 0.2 кг
ДТ - 0.02 кг
(водомазутная эмульсия 3-го рода)
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ ИЗ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ | 2020 |
|
RU2740998C1 |
| ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР | 2008 |
|
RU2482906C2 |
| СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2006 |
|
RU2310132C1 |
| ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА | 2006 |
|
RU2310133C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА НИЗКОЙ ВЯЗКОСТИ | 1998 |
|
RU2155633C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1996 |
|
RU2120471C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ | 2013 |
|
RU2519466C1 |
| СПОСОБ ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО МАЗУТА, К СЖИГАНИЮ В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ | 2006 |
|
RU2307152C1 |
| ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОПЛИВА | 1998 |
|
RU2131087C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОТЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1998 |
|
RU2139917C1 |
Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для получения водомазутных эмульсий, и может быть использовано при изготовлении установок для получения эмульсий. Установка содержит трубопроводы подачи мазута, воды, легкого углеводорода в трубопровод подачи воды, трубопровод выдачи водомазутной эмульсии, насосный агрегат, смесительные устройства, выполненные в виде гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа, а в качестве легкого углеводорода используют углеводород с температурой кипения от плюс 33°С до плюс 360°С. Техническим результатом изобретения является обеспечение получения стабильной водомазутной эмульсии - обратной эмульсии с включением прямой эмульсии, причем получение прямой эмульсии осуществляют без использования эмульгаторов, кроме того, обеспечивается снижение содержания СО, NO2, сажи в продуктах сгорания водомазутной эмульсии в котельной. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 пр.
1. Установка для получения водомазутной эмульсии, содержащая
трубопровод подачи мазута,
кран в трубопроводе подачи мазута,
трубопровод подачи воды,
кран в трубопроводе подачи воды,
трубопровод выдачи водомазутной эмульсии,
кран в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии, расположенный на выходе из установки,
устройство соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута,
насосный агрегат,
смесительные устройства для смешивания мазута с водой,
датчики давления,
при этом смесительные устройства выполнены в виде гидродинамических кавитационных реакторов проточного типа, расположенных в трубопроводе перед насосом и за насосом,
отличающаяся тем, что
в качестве устройства соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута используют трубку Вентури;
и установка дополнительно содержит трубопровод подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды, а также содержит кран в трубопроводе подачи легкого углеводорода в трубопровод подачи воды;
также установка содержит трубку Вентури для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода и трубопровода подачи воды,
смесительное устройство для смешивания легкого углеводорода с водой,
при этом смесительное устройство для смешивания легкого углеводорода с водой расположено между трубкой Вентури для соединения трубопровода подачи легкого углеводорода и трубопровода подачи воды и трубкой Вентури для соединения трубопровода подачи воды и трубопровода подачи мазута;
а в качестве легкого углеводорода используют углеводород с температурой кипения от плюс 33°С до плюс 360°С.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит байпасный трубопровод между входом в насос и выходом из насоса, причем в байпасном трубопроводе расположено смесительное устройство в виде гидродинамического кавитационного реактора проточного типа, а также расположен кран.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что посредством крана в трубопроводе подачи мазута осуществляют изменение расхода мазута через установку.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что посредством крана в трубопроводе подачи воды осуществляют изменение расхода воды через установку.
5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что посредством крана в трубопроводе подачи легкого углеводорода осуществляют изменение расхода легкого углеводорода через установку.
6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что посредством крана в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
7. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что посредством крана в байпасном трубопроводе осуществляют изменение расхода водомазутной эмульсии в трубопроводе выдачи водомазутной эмульсии.
| УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ ИЗ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ | 2020 |
|
RU2740998C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1996 |
|
RU2120471C1 |
| БЛОК ПОДГОТОВКИ ТОПОЧНОГО МАЗУТА | 2022 |
|
RU2822248C2 |
| КОНВЕЙЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ШТУЧНЫХ ГРУЗОВ | 0 |
|
SU198225A1 |
| JP 2018197289 A, 13.12.2018 | |||
| CN 106914161 A, 04.07.2017 | |||
| WO 2013036919 A1, 14.03.2013. | |||
