Вода рождает «пламя»
С малых лет мы знаем, что пожары тушат водою, но вода — одно из до сих пор до конца не распознанных веществ. Ее нередко называют чудом природы. И, по-видимому, одно из проявлений этого чуда — помогать, а не мешать горению нефтепродуктов
Основным топливом для малых котельных в России, в том числе на севере Нижегородской области, является мазут. И даже если котельные работают на природном газе, то все равно на них хранится немного мазута, который используется в периоды отключения природного газа, что нередко случается зимой.
Одной из основных проблем, возникающих при эксплуатации мазутных котлов, является неполное сгорание мазута. Причина этого заключается в его очень высокой вязкости, из-за чего распылительные устройства не в состоянии раздробить его до частиц настолько малых размеров, чтобы они успевали сгорать в топках за отведенное время. Существуют и другие проблемы, которые мешают не только полному сгоранию мазута, но и влияют на надежность работы котла, приводят к перерасходу топлива, загрязнению природной среды (загазованности воздушного бассейна, загрязнению почвы и водоемов сточными водами, содержащими мазут).
Из других проблем самая злая — наличие (вплоть до 20% и даже более) воды в мазуте. Она оказывается в нем потому, что мазут для извлечения его из железнодорожных цистерн, в которых его вывозят с нефтеперерабатывающих заводов, разогревают острым паром. В мазуте он конденсируется в воду, а она распределяется в нем не равномерно, а в виде хаотически распределенных объемных скоплений, получивших название линз. Такие линзы, попадая через форсунки в топливный объем, прерывают процесс горения. Факел становится нестабильным, сгорание мазута — неполным. Все это снижает надежность системы теплоснабжения; кроме того, из-за неполного сгорания увеличивается количество вредных веществ в продуктах сгорания.
Из-за этого удаление воды из мазута должно стать, казалось бы, первоочередной задачей энергетики, которую необходимо решать для обеспечения надежной экономичной и экологичной работы оборудования. Однако, предлагающиеся до сих пор способы обезвоживания мазута малоэффективны, потому и не используются. А сравнительно недавно предложенный способ — превращение оводненного мазута в водомазутную эмульсию (ВМЭ), которую и направляют в котел на сжигание, начал использоваться. ВМЭ представляет собой взвесь маленьких (5-10 мкм) капель воды, равномерно распределенных в мазуте. Установлено, что сжигание мазута в виде ВМЭ позволяет не только устранить вышеуказанные проблемы, но и превратить обводненный мазут в топливо даже высшего качества, чем мазут «сухой», т. е. не содержащий воды. Повышение эффективности процесса горения мазута в виде ВМЭ обусловлено тем, что капельки воды при достижении нагревающегося при горении мазута температуры 100°С вскипают и происходят их микровзрывы. Образовавшиеся пары воды дробят мазут на капельки, в виде которых он и сгорает, при этом более полно, чем при сгорании в виде монолитной жидкости. Это приводит к повышению теплотворной способности мазута, а в итоге к его экономии до 5–7 %.
Разницу между сгоранием мазута без воды и ВМЭ можно сравнить с горением деревянного полена и равной по объему кучей спичек. Таким образом, воду в ВМЭ можно считать не антипиреном (тормозом горения), а его активатором. В наибольшей степени активирующий эффект достигается при содержании воды в ВМЭ равным 15–20 %.
Для приготовления ВМЭ предложено немало устройств, например ультразвуковые роторно-механические диспергаторы, роторно-пульсационные аппараты. Однако все эти устройства сложны в изготовлении и обслуживании, имеют большие размеры и потребляют много электроэнергии.
Нижегородскими изобретателями разработано более простое устройство для получения ВМЭ — аппарат вихревого слоя (АВС). Он представляет собой асинхронный электродвигатель с питанием трехфазным электротоком напряжением 380 вольт, в котором вместо ротора находится труба из нержавеющей стали. В трубу помещаются рабочие тела из ферромагнетика цилиндрической формы с отношением длины к диаметру от 10:1 до 20:1. АВС оснащен блоком управления, позволяющим задавать продолжительность функционирования и частоту электротока, а также системой охлаждения.
При частоте тока 50 Гц частота вращения электромагнитного поля составляет 3000 оборотов в минуту. С несколько меньшей скоростью под воздействием этого поля движутся рабочие тела, образующие в буквальном смысле слова вихрь, что и дало название аппарату. В этом вихре между рабочими телами происходит множество соударений, в жидких средах возникают кавитационные эффекты. Такая совокупность воздействий на водомазутную смесь и приводит к образованию ВМЭ, причем с капельками воды диаметром около 1 мкм. Капельки столь малого размера на других известных устройствах получить не удается, а ВМЭ с таким размером частиц устойчивы в течение продолжительного времени без добавления стабилизаторов.
Экспериментальная проверка процесса получения ВМЭ из мазута, содержавшего в виде линз около 20% воды и ее сжигание в котле ПТВМ-100, позволила установить, что экономия мазута марки М-100 составила не менее 10 %. При этом были обеспечены стабильный прозрачный факел, равномерное горение, снижение дымности, а также температуры уходящих газов на 30–35 градусов. Из-за более полного сгорания, постоянной газификации отложений углерода, газовыпускающий тракт не загрязнялся несгоревшими твердыми веществами (известно, что из-за отложений на поверхности нагрева сажистыми и коксовыми частицами расход топлива может возрастать). При сжигании ВМЭ часть капель воды достигает поверхностей раздела и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований.
Подобный эксперимент был проведен и на котле ДКВР-10/В. Установлено, что количество оксидов углерода в отходящих газах снизился с 4820 до 240 мг/м3. На способ получения эмульсии изобретателям выдан патент РФ № 2669106.
Владимир Войтович
