Влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

МЕЖВЕДОМСТВЕННЫЙ ДИССЕРТАЦИОННЫЙ СОВЕТ

Д 02.99.90

РГ5 ОД

На правах ру£о9и&сК /¡У"1 УДК 577.472:662.765

Иманакунпв Саламат Бейшенович

ВЛИЯНИЕ ВОДЫ В ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ НА ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ И УМЕНЬШЕНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ КОМПОНЕНТОВ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Специальность: 02.00.01 - Неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек - 2000

Работа выполнена в лаборатории химии и технологии промышленной экологии Института химии и химической технологии 11ациональной Академии Наук Кыргызской Республики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Маймеков З.К.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Заслуженный деятель науки Кыргызской

Республики, чл.-корр. HAH KP,

д.х.н., профессор

Усубакунов М.У.

к.т.н., доцент

Родина Е.М.

Институт химических наук им. A.b. Бектурова, Ml 1-ВО АН Республики Казахстан, г. Алматы

Защита состоится "/у'" 2000 года в '''^""часов на заседании

Межведомственного Диссертационного Совета Д.02.99.90 при Институте химии и химической технологии HAH Кыргызской Республики но адресу: 720071, г.Ьишкек, Чуйский проспект, 267.

С диссертацией можно ознакомиться в центральной научной библиотеке HAH Кыргызской Республики (г.Бишкек, Чуйский проспект, 265-а). Автореферат разослан "¿У" 2000 года.

Ученый секретарь Межведомственного Диссертационного .Совета кандидат химических наук

Стрельцова И.Ф.

у ¿6{. Oß-O^L-Ol, О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение взаимодействия объектов топливно-энергетического комплекса с окружающей средой является актуальной задачей. С одной стороны важно бесперебойное эффективное обеспечение топливом основных отраслей промышленности, с другой, топливно-энергетический комплекс оказывает наиболее негативное техногенное воздействие на внешнюю среду. Процессы переработки и сжигания органических топлив в основном ответственны за значительную часть антропогенных газовых выбросов, в том числе оксидов азота в атмосферу.

В реальных условиях для снижения оксидов азота (NOx) в газовой фазе используют: рециркулирование дымовых газов; двух- трехступенчатое сжигание топлива; специальные горелки с пониженным выходом NOx; углеводородов в качестве восстановителей в топочном пространстве; топлива (ж) с малым избытком воздуха; снижение температуры дутьевого воздуха и впрыск воды или пара в топку. Анализ эффективности перечисленных приемов показывает, что существенное снижение NOx может быть достигнуто только с применением одновременно нескольких методов, органтация которых представляет практические трудности при эксплуатации котельно-печной техники. Указанные методы снижения оксидов азота в процессах горения топлива фактически не влияют на концентрации других токсичных веществ в дымовых газах, а в ряде случаев могут вызвать даже их увеличение.

Одновременное уменьшение выбросов в атмосферу оксидов азота, серы, углерода, сажи, бенз(а)пирена, углеводородов нефти и предотвращение попадания в водоемы отработанных сточных вод возможно при сжигании топлива в виде водотопливных эмульсий.

В связи с этим в данной работе рассмотрено влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы. Исследования выполнялись по Региональной программе фундаментальных исследований HAH Кыргызской Республики "Комплексные исследования природных, природно-техногенных катастроф и современных экологических процессов в горных ■районах" (раздел 7.8. "Оптимизация процесса сжигания жидкого топлива в котлоагрегатах с целью уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу") на 1991 - 1995 гг (№ гос. регистрации 01910010296) и в соответствии с планами НИР Института химии и химической технологии HAH Кыргызской Республики "Разработка физико-химических основ использования газо-жидкостных потоков при оптимизации процессов сжигания топлива и рекарбонизации водно-солевых систем" на 1996 - 2000 гг (№ гос. регистрации 0000908).

Целью работы являются изучение влияния воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы и практическая реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований в системах приготовления н сжигания водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М и ДКВР-4/13.

Научная новизна. Методом физико-химического моделирования изучена система топливо (ж) - вода — воздух1 при различных количествах воды, окислителя, значениях температуры; определены составы и концентрации отдельных азотсодержащих компонентов газовой фазы и предложены — эмпирические расчетные формулы. Установлено, что концентрация NOx (NO и NO2) в газовой фазе снижается в основном за счет: образования активных частиц и радикалов типа. NH, NH3, HNO, HN02, NaNOj и частичного восстановления N02 до N2 и Н20 в присутствии NH3, а также незначительного понижения температуры горения топлива, которая восполняется интенсификацией процесса сжигания эмульгированных капель воды в топливе и уменьшением избытка окислителя в топке.

Разработана конструкция роторно-пульсационного аппарата, исключающая обратное перемешивание жидкости в рабочей зоне, и тем самым обеспечивающая надежную и эффективную работу в процессе приготовления высокодисперсной водотопливной эмульсии (предпатент KP - №146. - заявка на изобретение №960352.1 от 26.03.1996 г).

Практическое значение и реализация результатов работы. Системы приготовления водотопливных эмульсий и их принципиальные технологические схемы приняты в промышленности и внедрены в котельных установках ПО "Бишкекбиофарм" (г.Бишкек) и АО "Ак-Суу-Сут" (г.Беловодск). Использование технологии приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М и ДКВР-4/13 позволило уменьшить газовые выбросы в атмосферу, утилизировать сточные воды и сэкономить топливо. Общий эколого-экономический эффект от внедрения составляет 193690,27 сомов в год.

Апробация работы. Основные результаты исследования, изложенные в диссертационной работе, докладывались на региональной научно-технической конференции "Пути повышения эффективности использования отходов промышленности" (Ош, 1993 г.), научной конференции "Наука и технология-93" (Шымкент, 1993 г.), республиканской научно-технической конференции "Проблемы разработки химической технологии импортзамещенной продукции в Узбекистане" (Ташкент, 1995 г), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава КГНУ (Бишкек, 1996 г.), I конференции "Перспективы направления развития экологических исследований в Кыргызской Республике" (Бишкек, 1996 г.), республиканском конкурсе за лучшие результаты в области изобретательской деятельности (диплом 111 степени Кыргызпатент, Бишкек, 1998 г.), между-народной конференции "Изучение гор и жизнь в горах" (Бишкек, 2000 г.).

! Публикации. По материалам диссертации опубликованы 15 научных работ, в том числе 7 статей, 1 предпатент и 7 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и вьшодов, библиография содержит 109 наименований. Работа изложена на

' В качестве топлива (ж) - рассматривается топочный мазут (М40 и М100).

страницах машинописного текста, включает 19 таблиц и 28 рисунков. Приложение содержит материалы предпатента и акты внедрений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. Влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы.

Влияние воды в процессе сжигания водотоплявных эмульсий и в последующем образовании и уменьшении содержания компонентов газовой фазы обусловлено в основном при наличии пара по схеме: водотопливная

эмульсия (ВТЭ)-► бурное кипение-► микровзрывы -► мелкие

капли —►парообразование-► горение смеси в среде окислителя.

Данная схема включает ряд сложных физико-химических взаимодействий, характеризующих процессы, протекающие в системе топливо - вода — воздух. Равновесие в указанной системе не может быть определено только температурой и концентрацией газо-жидкостных потоков, так как возможно бесчисленное количество комбинаций значений парциального давления компонентов, в частности оксидов азота (Рыог и Рыо), удовлетворяющих уравнениям типа:

при фиксированных значениях шип, где:

= ^ (Рамм В.М., 1966).

кш к'к;" к'

Задача становится определенной, если фиксирована одна из двух величин (1'хл и 1'уп), характеризующих основной состав газовой фазы. При реальных условиях обычно устанавливается общее содержание оксидов азота (N0*) в газовой фазе, но определение концентраций Сш и с„, в отдельности при различных параметрах представляет наибольший практический интерес.

С учетом изложенных обстоятельств была изучена система топливо (ж) -вода - воздух с целью выявления влияния воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы. При этом методическую основу расчетных параметров составили модели, для которых предусматривается возможность образования газообразных, конденсированных веществ, электронейтральных и ионизированных компонентов, чистых фаз и их растворов.

В данном случае считается, что исследуемая система топливо (ж) - вода -воздух является гетерогенной, состоящей из нескольких однородных частей, разделенных видимыми границами. При этом все газообразные индивидуальные вещества входят в состав газовой фазы, а конденсированные образуют как отдельные фазы, так и конденсированные растворы. Причем присутствие газовой фазы считается обязательным, в го время- как конденсированные мог\т отсчтствовать. В результате параметры данной

системы определяются путем решения задачи о нахождении экстремума энтропии (Синярев Г.Г., Ватолин H.A. и др., 1982 г.).

При физико-химическом моделировании системы топливо (ж) - вода -воздух учитывались данные анализов (технические, элементные, химические, физико-химические, дисперсные) мазута, воды, ВТЭ и продуктов их сгорания. В модельных расчетах был принят следующий средний состав газо-жидкостных потоков: вода для получения эмульсии содержала соли (моль/л): Са(НСОз)2 -1.83Е-3, CaS04 - 9.3Е-4 (ХСа- 2.76Е-3), MgS04 - З.ОЕ-4, NaN03 - 1.29Е-4, NaCI

- l.OE-3, Na^SOí - 8.0E-3 (ENa - 2.73E-3), что соответствует ее общей жесткости 6,12 мг-экв/л; элементный состав мазута (%): С - 83.3, H - 11.2, S -2.0, N - 0.5. Результаты седиментационного анализа показали, что данная водотопливная эмульсия является полидисперсной системой с размерами частиц от 7,62 до 102,2 мкм.

В результате проведенных исследований определены составы и концентрации (моль/кг) азотсодержащих компонентов газовой фазы, образующихся при сжигании водотопливной эмульсии в пределах температур от 1000 до 1800 °С, избытке окислителя (1,02; 1,05; 1,10; 1,25), концентрации воды в газовой фазе (от 3,22 до 4,45 моль/кг):

- Содержание воды в водотопливной эмульсии 2%: N2(25.5 * 25.75); N(1.89E-15 *

7.21Е-8); NCK1.62E-3 ч- 1.3Е-1); N02(2.94E-6 н- 1.02Е-5); N20(1.08E-7 ч- 1.47Е-5); NH(1.22E-1S * 1.43Е-8); HNO(1.30E-10 -s- 5.0E-7); HN02(6.62E-8 -г 1.05E-6);

- Содержание воды в водотопливной эмульсии 5%: N2(25.44 -г- 25.75); N(1.89E-15 +

7.21Е-8); NO(1.01E-3 1.34Е-1); N02(1.23E-6 + l.OlE-5); N20(6.96E-8 н- 1.03E-6); NH(6.55E-16 -=- 1.46E-8); HNO(1.61E-10 -s- 1.41E-7); HN02(3,52E-8 -=- 1.07E-6); HN03( 1,07E-10 -=- 4.62E-7); NH3(2,35E-13 -i- 1.52E-8);

- Содержание воды в водотопливной эмульсии 10%: N2(25.32 * 25.68); N(1.88E-15

-г 7.20Е-8); NO(7.8E-3 н- 1.34Е-1); N02(2.82E-6 н- 1.02Е-5); N20(1.05E-7 -ь l.lOE-6); NH(6.68E-16 1.49E-8); HNO(1.64E-10 -г 1.44E-7); HN02(6,69E-8 1.09E-6); HNOj(l,34E-10^ 1.19E-7); NH3(l,32E-!3-rl.20E-8).

При оптимальном содержании воды (15%) в водотопливных эмульсиях (табл. 1) построены графические зависимости (рис. 1) при различных значениях температуры, количествах окислителя (а - 1,02; 1,05; 1,10; 1,25) и предложены эмпирические расчетные формулы.

Таблица I.

Состав и концентрация азотсодержащих компонентов (моль/кг) газовой фазы, образующихся при сжигании водотопливной эмульсии в зависимости от

температуры.

Содержание воды в эмульсии 15%, а в газовой фазе от 3,64 до 4,45 моль/кг

Компонент газовой фазы Альфа фактор Температура, С

1000 1200 1400 1600 1800

1 2 3 4 5 6 Т

N 1.02 1.88Е-15 8.67Е-13 9.27Е-11 3.68Е-09 7.20Е-08

N0 1.60Е-03 5.15Е-03 1.25Е-02 2.57Е-02 5.13Е-02

N02 2.90Е-06 4.45Е-06 6.16Е-06 8.40Е-06 1.35Е-05

N20 1.60Е-07 3.14Е-07 7.23Е-07 1.45Е-06 2.84Е-06

NH 1.29Е-15 4.96Е-13 4.61 Е-11 1.61Е-09 2.68Е-08

1 2 3 .... 4.„„, 5 6 7

NN3 1.37Е-13 8.16Е-12 1.86Е-10 2.10Е-09 1.26Е-08

нш 1.38Е-10 2.41 Е-09 2.14Е-08 1.22Е-07 5.27Е-07

NN02 6.93Е-08 1.25Е-07 1.97Е-07 2.95Е-07 4.84Е-07

N 1.88Е-15 8.68Е-13 9.29Е-11 3.68Е-09 7.20Е-08

N0 2.40Е-03 7.74Е-03 1.88Е-02 3.77Е-02 6.87Е-02

N02 6.51Е-06 1.00Е-05 1.39Е-05 1.81Е-05 2.42Е-05

N20 1.05 1.59Е-07 4.72Е-07 1.09Е-06 2.12Е-06 3.81 Е-06

NN 1.04Е-15 4.00Е-13 3.71Е-11 1.31 Е-09 2.28Е-08

NN0 1.66Е-10 2.91 Е-09 2.59Е-08 1.46Е-07 6.03Е-07

NN02 1.26Е-07 2.27Е-07 3.58Е-07 5.18Е-07 7.41 Е-07

N 1.89Е-15 8.69Е-13 9.30Е-11 3.69Е-09 7.21 Е-08

N0 3.28Е-03 1.06Е-02 2.57Е-02 5.15Е-02 9.10Е-02

N02 1.21Е-05 1.88Е-05 2.61 Е-05 3.36Е-05 4.24Е-05

N20 1.1 2.18Е-07 6.47Е-07 1.49Е-06 2.90Е-06 5.05Е-06

N11 8.75Е-16 3.35Е-13 3.11Е-11 1.10Е-09 1.94Е-08

NN0 1.91Е-10 3.34Е-09 2.97Е-08 1.67 Е-07 6.79Е-07

NN02 1.96Е-07 3.55Е-07 5.61 Е-07 8.07Е-07 1.10Е-06

N 1.90Е-15 8.73Е-13 9.34Е-11 3.70Е-09 7.23Е-08

N0 4.87Е-03 1.57Е-02 3.82Е-02 7.64Е-02 1.34Е-01

N02 2.65Е-05 4.11Е-05 5.72Е-05 7.40Е-05 9.10Е-05

N20 1.25 3.24Е-07 9.63Е-07 2.23Е-06 4.33Е-06 7.45Е-06

NN 6.82Е-16 2.61 Е-13 2.42Е-11 8.56Е-10 1.52Е-08

NN0 2.19Е-10 3.84Е-09 3.42Е-08 1.92Е-07 7.76Е-07

NN02 З.ЗЗЕ-07 6.02Е-07 9.54Е-07 1.37Е-06 1.85Е-06

Рис. 1. Концентрация азотсодержащих компонентов в газовой фазе, при альфа = 1.02

1000 1200 1400 1600 1800

1.00Е+01 •

И 1.00Е-01 —

а

* 1.00Е-03 -

С.

ч о О о и 1.00Е-05 —

о Н и ^

ГЛ я о о с О 1 00Е-07

В я а о о 1.00Е-09 |

н

£ С! Д 1.00Е-П —

X

& 1.00Е-13

1-О-ЫО !

Л—N02 !

¡-Х-N20 !

¡-*-ш :

!-о-ыш I

:—+-НЖ) | 1-НШ2[

I.ООН-15

Температура Т, С

Эмпирические расчетные формулы: При а = 1,02

N - у = 2Е-104Х29'72; КО - у = 5E-21xS 83; N02 - у = 8Е-14х231; N20 - у = 2Е-22х4 95; NH - у = E-lOlx28 70; NH3 -у = 5Е-72х19"; HNO - у = S2x1401; HN02 - у = Е-17х3 23. где, у - концентрация газовой фазы, моль/кг; х - температура, °С. При а = 1,05

N - у = 2Е-104x29.72; N0 - у = 2E-i20x5.69; N02 - у = 8Е-14х2.51; N20 - у = 2Е-22x4.95; NH - у = 7Е-102х28.78; HNO - у = 3E-52xl3.94; HN02 - у = Е-16х2.99. При а =1,10

N - у = 2Е-104х29.71; NO - у = 4Е-20х5.65; N02 - у = 5Е-12х2.12; N20 - у = 2Е-23x5.34; NH - у = 5Е-102х28.79; HNO - у = 4Е-52х13.91; HN02 - у = 3E-16x2.93. При а= 1,10

N - у = 2Е-104x29.71; N0 - у = 4Ё-20х5.65; N02 - у = Е-11x2.10; N20 - у = ЗЕ-23x5.34; NH - у = 4Е-102х28.80; HNO - у = 5Е-52х13.91; HN02 - у = 6Е-16x2.92.

В таблице 2 приведены составы и концентрации компонентов газовой и конденсированных фаз, образующихся при сжигании водотопливной эмульсии с содержанием солей в воде (моль/л): ЕСа-2.76Е-3, EMg- ЗЕ-4, ZNa- 2.73Е-3.

Таблица 2

Состав и концентрация (моль/кг) компонентов газовой и конденсированных фаз, образующихся при сжигании водотопливных эмульсий, а = 1,05, СЭн2о = 15% (Сн20 в газовой фазе от 4,18 до 4,22 моль/кг)

Компонент Температура, "С

фазы 200 400 600 800 1000 ¡200 1400

1 2 3 4 5 6 7 8

Газовая фаза

N, 25.38 25.38 25.38 25.38 25.38 25.38 25.38

NO 1.06E-9 1.06E-6 4.52E-5 4.79E-4 2.4Е-3 7.72Е-3 1.87Е-2

NOj 3.01E-8 3.70E-7 1.48E-6 3.56E-6 6.42Е-6 9.98Е-6 I.88E-5

N:0 3.18E-13 1.48E-10 Д,?8Е-9~ ■ 3.63E-8 I.59E-7 4.72Е-7 1 09I--6

HNO 6.27E-26 1.22E-18 1.08E-14 3.26E-12 1.64Е-10 2.87Е-9 : 5SK-8

HNÖ2 1.26E-10 • 3.02 E-9 I.77E-8 5.57E-8 1.23Е-7 3.23Е-7 3.5IE-7

Mg(OH)2 0 I.91E-29 7.33E-19 1.33E-11 7.31Е-9 З.ЗОЕ-7 3.29Е-6

Na 0 6.34E-34 2.4IE-20 I.89E-13 6.56Е-9 6.05Е-7 2.98Е-6

. NaO 0 2.73E-33 1.03E-22 8.07E-16 2.80Е-11 2.58Е-9 1.27Е-8

NaOH 4.51E-35 3.89E-22 1.42E-14 1.46E-9 2.64Е-6 2.85Е-5 2.75Е-5

Na2S04 1.60E-27 1.25E-16, 6.33E-11 1.87E-7 1.39Е-5 6.69Е-7 1.68Е-8

NaN02 6.43E-30 2.33E-20 1.28E-14 . 9.58E-11 2.85Е-8 8.26Е-8 2.93Е-8

Отдельные конденсированные фазы

MgO 0 0 0 0 3.29Е-6 2.97Е-6 0

MgS04 3.30E-6 3.30E-6 3.30E-6 3.30E-6 0 0 0

CaO 0 0 0 0 0 3.10Е-5 3.10Е-5

CaS04 3.19E-5 3.19E-5 3.19E-5 3.19Е-5 3.19Е-5 0 0

Na2SQ4 1.52E-5 1.52E-5 1.52E-5 1.52Е-5 0 0 0

Из вышеприведенных данных видно, что наличие воды в топливе (ВТЭ) привело к образованию в газовой фазе активных частиц, в том числе азотсодержащих компонентов на основе протекания следующих химических реакций: I

Ы2 ^-► N + N. Н20 «—► Н4 + ОН" 4>Щ3 + 502 = 4Ш + 6Н20

2N0 + 02«*=±2N02

3N02 + Н20 «-*7HN03 + NO

2N0^=±N2 + 02

7NO j-►(NO),

02 +(N0)24=± 2N02 2N0>j—► N204

NO + -»N^j

2N02 + H20-► HNO, + HN02

N204 + H20-► HNO, + HN02

3N204 2H20 j-►HNO, + 2N0

3HN02 = HNO3 + 2N0 + H20

N + H-► NH, NH + О-►HNO

NO + N02 + Na2C03 -► 2NaN0j + C02

4NH, +402 = 2N20 + 6H20 4NH, + 302 = 2N2 + 6H20 7NU, j—»N: + 3H2 NH, + H20 4—^NH40H NH4OH OH'

2N02 + Na2C03-►NaNOi + NaNO, + C02

2N204 („ + 2H20(«) + 02 cd-► 4HN0, ,«,

NO + 2HN03-► 3N02 + H20

nN02 + HN0,-► HN03-nH20

4 HNO, -►гНгО + 4N02 + 02

2N02 -► N0+ + NO,"

N0+ + NO," + 2HN03^=^N0,"(HN03)2 + N0+

Присутствие в системе активных частиц определяет скорость и полноту протекания процессов горения топлива (ж) и ВТЭ, что в результате обеспечивает радикальное снижение продуктов окисления, в частности NO, и в конечном итоге N0X (NO и N02). Данное обстоятельство, во-первых, объясняется тем, что в случае использования водотопливных эмульсий снижается средняя температура горения топлива, а во-вторых, определенное количество азота в газовой фазе связывается в виде: NH, NH3, HNO, HNO2, NaNOj (табл. 1 и 2) за счет присутствия воды и ее солей в водотопливной эмульсии, и возможно частичное восстановление N0X до N2 и Н20 в присутствии NH3. Кроме того, укорачивание факела и сокращение времени пребывания капель мазута в высокотемпературной зоне за счет уменьшения размеров капель резко снижает эмиссию оксидов азота. Здесь следует заметить, что снижение температуры горения топлива из-за обводненности восполняется интенсификацией процесса сжигания эмульгированных капель воды в топливе и уменьшением избытка окислителя в топке.

С целью подтверждения расчетных данных проведены экспериментальные исследования по снижению основных компонентов газовой фазы, в приземном слое атмосферного воздуха. При этом была разработана установка для приготовления и сжигания водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М (4 шт.) ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек, и ДКВР-4/13 (3 шт.) АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск (раздел II).

Концентрации компонентов в газовой фазе до и после осуществления природоохранных мероприятий приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Концентрации загрязняющих веществ в газовой фазе_

Компоненты газовой фазы Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу

Топливо(ж) ВТЭ Снижение, %

мг/м3 I т/г мг/м3 | т/г

Котлоагрегаты типа Е-1/9-М (4 шт.) ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек

so2 245 3,217 230 3,027 5,91

NO, 67 0,883 21 0,284 67,80

СО 72 0,946 37 0,486 48,70

Углеводороды нефти 1025 13,466 328 4,320 67,98

Сажа 43 0,568 14 0,189 66,70

Таблица 4 Концентрации загрязняющих веществ в газовой фазе

Компоненты газовой фазы Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу

Топливо(ж) ВТЭ Снижение, %

мг/м3 | т/г мг/м3 | т/г

Котлоагрегаты типа ДКВР-4/13 (3 шт.) АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск

S02 330 96,48 315 92,095 4,54

NO* 72 21,05 39 11,402 45,83

СО 53 15,495 27 7,894 49,05

Углеводороды нефти 810 936,804 420 122,793 48,14

Сажа 42 12,283 22 6,432 47,63

В таблицах 3 и 4 использованы экспериментальные данные, полученные на основе замеров содержания газовых выбросов (сернистый газ иодометрическим методом, сажа весовым методом, NOx, СО, углеводороды нефти линейно-калористическим методом) и учтены предельно-допустимые концентрации вредных веществ, коэффициенты, учитывающие скорость упорядоченного осаждения (F), фоновые концентрации (Ф), средневзвешенная опасная скорость ветра в данной местности (U), сумма максимальных приземных концентраций (доли ПДК), созданных выбросами всех источников, параметры газо-воздушной смеси на выходе и источники выбросов - объем (V), температура (t), количество вредных веществ, фактически выбрасываемых в атмосферу (максимальное (г/т), суммарное (т/г) и время работы котлоагрегатов Е-1/9-М и ДКВР-4/13.

При расчете эколого-экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий учитывали экономию топлива за счет более полного сгорания горючих компонентов (углеводородов нефти) и продуктов его неполного сгорания (сажи, оксида углерода), а также уменьшение расхода тепла на образование эндотермического оксида азота.

Оценка эффективности процесса на основе эксергетического метода анализа, расчеты предельно-допустимых выбросов и ущерб от загрязнения окружающей среды, причиняемых данными промышленными объектами осуществляли согласно программе разработанной нами на языке Turbo Pascal для персональных компьютеров. Блок-схема алгоритма расчета данных на

ЭВМ, значения идентификаторов и основные расчетные уравнения программы приведены в диссертации.

Таким образом, полученные экспериментальные данные по определению компонентов газовой фазы и снижению их содержания, в частности, оксидов азота в топочных газах котельных ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек, АО«Ак-Суу-Сут», г.Беловодск (табл. 3 и 4) за счет сжигания в топках водотопливных эмульсий подтвердили основные теоретические положения данной работы.

Соответственно, в разделе II приведены технические характеристики систем приготовления и подачи водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М и ДКВР-4/13. -......

II. Разработка, внедрение н эксплуатация системы приготовления

водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М и ДКВР-4/13

С целью оптимизации процесса сжигания жидкого топлива в котлоагрегатах типа Е-1/9-М с тяговым устройством Д-3,5 (ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек) и ДКВР-4/13 с дымососом ДН-12 (АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск) разработаны и внедрены принципиальные технологические схемы приготовления и подачи водотопливных эмульсий в зону горения (рис. 2 и 3) на основе использования новой конструкции роторно-пульсационного аппарата (рис. 4, предпатент КР - №146.-заявка на изобретение №960352.1 от 26.03.1996 года).

Принципиальная технологическая схема приготовления и подачи водотопливных эмульсий в котлоагрегаты содержит следующие элементы: роторно-пульсационный аппарат (2 шт), датчик для определения влажности топлива и водотопливных эмульсий, задвижки, вентили, обратные клапаны, трубопроводы, бак для воды, электротехническое, оборудование и приборы автоматики.

Оборудование установки присоединено к трубопроводам мазутной линии и подключено параллельно действующему оборудованию котельных ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек, и АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск.

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема по приготовлению и подаче водотопливной эмульсии в котельной ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек. I -емкость мазута (1); II - емкость воды (1); III - фильтр (1); IV - роторно-пульсационный аппарат (2); 1-3 - вентили фланцевые (4); 4,5 - вентили фланцевые (2); 6 - вентиль фланцевый Ц, = 40 (2); 7 - вентиль фланцевый О, = 32 (2); 8 - вентиль муфтовый Д = 20 (5); 9 - клапан обратный Ц, = 32 (2); 10 клапан обратный Эу = 20 (1); 11,12 - вентиля игольчатые (2); 13 - манометр (I); -01- ВМЭ; -02- вода; -03- обратный мазут (ВМЭ); -04- конденсат; -05- мазут.

Рис. 3. Принципиальная технологическая схема по приготовлению и подаче водотопливной эмульсии в котельной АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск. I, II - подогреватели мазута; III, IV - фильтры грубой очистки; V, VI, X, XI -насосы, VII, VIII, IX - фильтры тонкой очистки; XII - бак для воды; XIII, XIV -роторно-пульсационные аппараты; 1-30 - вентили; 34-36 - обратные клапаны. Технические характеристики установки: электродвигатель, кВт (об/мин) - 4,0 (1500); расход мазута, м3/час - 0,1 - 0,15; расход воды, м3/час - 0,01 - 0,015; температура воды и ВМЭ, °С - 80 - 85.

На рис. 4 изображен общий вид (продольный разрез) роторно-пульсационного аппарата (РПА), реализующее эмульгирование капель воды в топливе.

Устройство содержит ротор I, статор 2, колесо 3, корпус аппарата 4, причем ротор 1 и колесо 3 вращаются относительно корпуса аппарата 4 и статора 2. Смесь жидкости (топливо-вода) через входной патрубок 5 поступает на центральную часть ротора 1, и далее за счет центробежной силы проходит между прорезями 6 ротора Г и статора 2. Изменение взаимоположения выступов 7 и впадин 8 ротора и статора обеспечивает пульсацию среды (изменение амплитуд локальных скоростей и давлений потоков) и обуславливает эмульгирование капель воды в топливе. Образовавшаяся водотопливная эмульсия (ВТЭ) через прорези 6 поступает в камеру 9, а оттуда в нагнетательный патрубок 10 рабочего колеса консольного насоса. Ротор и рабочее колесо скрепляются фиксатором 1 Г. за счет чего между ними обеспечивается плотное соединение 12 по наружному диаметр* и предотвращается возврат жидкости в камеру с>.

Рис. 4. Продольный разрез роторно-пульсационного аппарата.

Для определения количества воды в топливе разработана конструкция емкостного датчика влажности (рис. 8). Датчик представляет собой конденсатор, состоящий из двух электродов и вмонтированный на фланцевых соединениях трубопроводов мазутонасосоной линии. Внутренние поверхности датчика изолированы покрытием на основе водоразбавляемых пленкообразователей (электроосаждение). В межэлек-тродное пространство непрерывно подается диэлектрическая жидкость (мазут). В зависимости от содержания воды в мазуте изменяется диэлектрическая проницаемость водотопливной эмульсии и соответственно изменяется емкость датчика (Сх). При этом сигналы подаются на преобразователь напряжения-емкости, который состоит из функционального генератора и измерительного усилителя.

Рис. 5. Сборный вид датчика влажности топлива.

1 - электрод (2); 2 - кожух (1); 3, 8 - патрубок (2); 4, 5 - фланец (3); 6 - корпус (1); 7 - крышка (I); 9 - дно (1); 10, 18 - болт (5); 11-16, 20 - шайба (9); 17 -прокладка (1); 19, 22 - гайка (10); 21 - винт (2).

Функциональный генератор формирует на выходе напряжение треугольной формы. В результате дифференцирования сигнала, прошедшего через датчик, напряжение приобретает трапециевидную форму с амплитудой, пропорциональной емкости измеряющей среды. При подключении преобразователя к входу цифрового вольтметра обеспечивается изменение емкости с погрешностью не более ± 1% и разрешающей способностью 0.1 пф. Для тарировки датчика применяется обезвоженное топливо (мазут) с последующим добавлением воды и снятием функциональной характеристики в виде зависимости Сх = f(WTOIUI„M).

Таким образом, предложенная конструкция РПА и принципиальные технологические схемы использованы в способах превращения линзового (случайного) распределения воды в топливе в организованную смесь (водотопливную эмульсию) в топливных комплексах ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек, и АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск.

Использование технологии приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий в котлоагрегатах типа Е-1/9-М (4 ют) и ДКВР-4/13 (3 шт) позволило получить следующие эколого-экономические эффекты: использование конденсатной или замазученной воды (более 10%) для приготовления высокодисперсных обратных эмульсий (частицы с размером от 7 до 100 мкм); улучшение сжигания топлива без присадок; отсутствие расслоения топлива на дисперсионную среду и дисперсную фазу; стабилизация процесса горения топлива; резкое снижение шума при работе горелок; удаление и предотвращение образования нагара на кипятильных и водопропускных трубах котлоагрегатов; снижение потерь от химического недожога топлива; уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу (на 40-70%) и загрязняющие стоки в водоемы (до 15%); экономия топлива при "сжигании водотопливной эмульсии (до 4%).

Общий эколого-экономический эффект от внедрения системы приготовления водотопливной эмульсии составляет 193690,27 сомов в год (в ценах 1993-1995 гг).

ВЫВОДЫ

1. Методом физико-химического моделирования изучена система топливо (ж) - вода - воздух и определены составы и концентрации отдельных азотсодержащих компонентов газовой и конденсированных фаз при различных значениях температуры, количествах воды, окислителя и предложены эмпирические расчетные формулы.

2. При сжигании водотопливных эмульсий показано, что концентрация NOx (NO и NO2) в газовой фазе снижается за счет:' образования активных радикалов и частиц типа NH„ NH3, HNO, HNO:, HNO?, NaNOi и частичного восстановления NOv до N2 и HiO в присутствии NH3, а также незначительного понижения температуры горения топлива. Расчетные данные подтверждены экспериментальными результатами, полученными в промышленных условиях.

3. Разработана конструкция роторно-пульсационного аппарата, исключающая обратное перемешивание жидкости в процессе приготовления водотопливных эмульсий, а также конструкция емкостного датчика влажности для определения количества воды в топливе. . ___________

4. Определена экологическая оценка производственно-хозяйственной деятельности ПО «Бишкекбиофарм», г.Бишкек. (1), и АО «Ак-Суу-Сут», г.Беловодск (2), выявлены источники загрязнения окружающей среды и с учетом технических характеристик котлоагрегатов типа Е-1/9-М (1) и ДКВР-4/13 (2) разработаны принципиальные технологические схемы приготовления и подачи водотопливных эмульсий в зону горения.

5. Разработана блок-схема алгоритма расчета на ЭВМ для определения приземной концентрации и величины ущерба, обуславливаемого техногенным воздействием загрязняющих веществ на окружающую среду. Методика расчета использована на стадии эколого-экономической оценки осуществления природоохранных мероприятий.

6. Использование технологии приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий в промышленных котлоагрегатах позволило уменьшить газовые выбросы в атмосферу на 40-70%, утилизировать сточные воды до 15% и сэкономить топливо до 4%. Общий эколого-экономический эффект от внедрения системы приготовления водотопливных эмульсий составляет 193690,27 сом в год.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кебец А.П., Маймеков З.К., Иманакунов С.Б. Физико-химическое моделирование на ЭВМ процесса горения жидкого топлива и водомазутных эмульсий//- Изв. АН РК.- 1992.- №1-.- с.29-31.

2. Маймеков З.К., Кебец А.П., Иманакунов С.Б., Алдашева Ч.Б. Использование минеральных добавок в водотопливных эмульсиях с целью уменьшения содержания оксидов серы в дымовых газах.- Мат. региональной научно-технической конф. «Пути повышения эффективности использования отходов промышленности».- Ош, 1993.- с. 77-78.

3. Маймеков З.К., Кебец А.П., Иманакунов С.Б., Шигаялиева А.Н., Алдашева Ч.Б. Использование сточных вод мазутных хозяйств для приготовления обратных эмульсий.- там же,- с.67-68.

4. Маймеков З.К., Иманакунов С.Б., Балабеков О.С. Физико-химические основы использования жидкости при оптимизации процесса сжигания топлива,- Мат. научной конф. «Комплексное развитие производительных сил региона»,- Шымкент, 1994.- с. 191.

5. Маймеков З.К., Иманакунов С.Б., Ларин А.Н., Багимов Н.И., Алдашева Ч.Б., Жолчубеков Б.С. Эмульгирование капель воды в мазуте как основа создания ресурсосберегающей технологии сжигания жидкого топлива. -Мат. респуб. научно-техн. конф. «Проблемы, разработки химической

16

технологам нмпортзамещенной продукции в Узбекистане».-Ташкент, 1995,-с.66.

6. Маймеков З.К., Иманакунов С.Б., Бейшеналиев М.Б. Некоторые особенности исследования влажности в системе-газ-жидкость.- Мат. научно-техн. конф. проф.-препод, состава КГНУ за 1995 г.- Серия «Хим. науки»,-Бишкек, 1996.-с.23-24.

7. Маймеков З.К., Иманакунов С.Б., Ларин А.Н., Багимов Н.И., Толоконникова Л.И., Шигаялиева А.Н. - Влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения газовых выбросов в атмосферу,- Сб. научных трудов ИХХТ HAH KP.- Бишкек: Илим, 1996.-с.41-43.

8. Маймеков З.К., Ларин А.Н., Багимов Н.И., Иманакунов С.Б. Роторно-пульсационный аппарат для эмульгирования капель воды в топливе,-Бюллетень изобретений Кыргызпатент, 1997.- №3,- с.49.

9. Маймеков З.К., Ларин А.Н., Багимов Н.И., Иманакунов С.Б. Роторно-пульсационный аппарат для эмульгирования капель воды в топливе.-Предпатент KP.- №146.- заявка на изобретение №960352.1.- Приоритет изобретения от 26.03.1996,- 4с.

10. Маймеков З.К:, Иманакунов С.Б., Жолчубеков Б.С., Алдашева Ч.Б., Ларин А.Н., Багимов Н.И. Водотопливные эмульсии - эффективная система уменьшения газовых выбросов и подтоварных сточных вод в топливно-энергетических комплексах народного хозяйства.- Мат. I конф. «Перспективы направления развития экологических исследований в КР»,-Бишкек, 1996.-c.216.

11. Иманакунов С.Б., Маймеков З.К. Эксергетический метод термодинамического анализа при оценке эффективности процесса.- Изв. HAH KP.- Бишкек: Илим, 2000,- №1.- с.53-56.

12. Иманакунов С.Б., Маймеков З.К., Бейшекеева Ж.Ш., Абдывалиев A.A., Самбаева Д.А., Молдошев A.M. Эколого-экономические аспекты анализа техногенных воздействий газовых компонентов на окружающую среду,-Изв. HAH KP.- Бишкек: Илим, 2000,- с.49-51.

13. Иманакунов С.Б., Маймеков З.К., Самбаева Д.А., Кабаев М.О., Ларин А.Н. Оптимизация процесса сжигания жидкого топлива в котлоагрегатах типа ДЕ-25-14ГМ и ПТВМ-ЗОМ с целью уменьшения затрат топлива и загрязнения окружающей среды,- Изв. HAH KP.- Бишкек: Илим, 2000,-

14. Маймеков З.К., Иманакунов С.Б. Использование водотопливных эмульсий в котельных установках с целью уменьшения газовых выбросов в атмосферу.- Сб. научных докладов международной конференции «Изучение гор и жизнь в горах»- Бишкек, 2000,- с.224-230.

15. Иманакунов С.Б., Маймеков З.К. Влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих лбэмпонентоп газовой фазы.* там же,- с.231 -238. /

с. 85-87.

АННОТАЦИЯ (ANNOTATION)

Отун - суу эмульсиясындагы суунун азот кычкыл газдарына болгон таасири

Диссертациялык иште отун(с) - суу - аба системасы суунун, кычкылтектин, температуранын ар кыл олчомундо изилденип азот кычкыл газдарынын, конденсирленген заттардын составы жана олчому аныкталды. Суу - мазут эмульсиясын жагууда азоттун кычкыл газдары, негизинен NH, NH3, HNO, HN02i HNO3, NaN02 тибиндеги болукчолордун пайда болуп, аларга азоггун сарпталышынын эсебинен, ошондой эле N0X аммиактын таасири менен сейрек калыптанып, N2, Н2О айлануусу жана отундун Kvftvv температурасынын бир аз TOMOHflourvHVH негизинде орун алары белгиленди.

Суу — мазут эмульсиясын алуунун технологиясы Е-1/9-М, ДКВР-4/13 тибиндеги онор жай мештеривде • колдонулуп, тутундогу ыплас газдардын азайышына, кир суулардын кайра иштетилишине жана суюк отундун уномдуу пайдаланышына шарт тузду.

Влияние воды в топливной эмульсии на процессы образования и уменьшения азотсодержащих компонентов газовой фазы

В диссертационной работе изучена система топливо (ж) - вода — воздух при различных количествах воды, окислителя, значениях температуры и определены составы и концентрации азртсодержащих компонентов газовой и конденсированных фаз. Установлено, что при сжигании водомазутных эмульсий содержание NOx в газовой фазе снижается за счет: образования активных радикалов и частиц типа NH, NH3, HNO, HN02, HN03, NaN02 и частичного восстановления NOx до N2 и Н20 в присутствии NH3 а также незначительного понижения температуры горения топлива.

Использование технологии приготовления водомазутных эмульсий в промышленных котлоагрегатах типа Е-1/9-М и ДКВР-4/13 позволило уменьшить газовые выбросы в атмосферу, утилизировать сточные воды и сэкономить топливо.

Influence of the water present in fuel emulsion to the process of formation and decrease of nitrogen-containing components of the gaseous phase.

Fuel (liquid)-water-air system was studied in dissertation job at different quantity of the water, oxidant, and temperature values and specified compositions and concentrations were determined of nitrogen-containing components in the gaseous and condensed phases. It was found'thafon combustion of water-mazut emulsion the content of NOx in air phase decreases due to formation of active radicals and compounds such as: NH, NH3, HNO, HN02, HN03, NaN02, and partial reduce of NOx to N2 and H20 at the presence of NH3, and also due to small decrase of fuel combustion temperature.

The use of the technology for preparation - of water-mazut emulsion in industrial boiler units of type: E-1/9-M and flKBP-4/B permits to decrease gaseous outburst to the atmosphere, to utilize waste water and to savp fi^l.

18'