Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема

На рисунке 19 показано нарастание равновесной концентрации С_к в среде инертных газов и азота, влияющих на интенсивность и характер кинетики процесса кислородонасыщения. Характер изменения кислородонасыщения в среде азота обусловлен образованием NO, NO₂, HNO₂, НNО₃, связывающих кислород и гидроксильные радикалы, что подтверждается результатами и выводами работ для случая ультразвуковой кавитации.

Возбужденная молекула воды, наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло, может диссоциировать. Увеличение концентрации О₂ идет за счет гидродинамического кавитационного термолиза воды на и протекания реакций.

На рисунке 20 приведена зависимость интенсивности хемилюминесценции для бидистиллята. Изменение рН воды в результате кавитационной обработки происходит за счет образования различных химических соединений, выход которых зависит от режима обработки, наличия в воде примесей и газосодержания. Термолиз воды приводит к синтезу H₂O₂, что способствует понижению рН. Обработка в среде азота повышает кислотность системы за счет образования HNO₂ и HNO₃. Существенное влияние на кислотно-щелочные свойства оказывает концентрация СО₂, величина которой может изменяться в результате обработки. Известно об увеличении щелочности системы в результате обработки ее в ультразвуковом поле средних частот
(22 кГц). Относительное изменение рН при воздействии гидродинамической кавитации в зависимости от длительности обработки показано на рисунке 21.

Полученные результаты качественно соответствуют основным зависимостям, полученным на базе ультразвуковых генераторов кавитации, что подтверждает вывод о кавитационном механизме исследуемых реакций и по-

Рисунок 20 – Кинетические кривые интенсивности хемилюминесценции в бидистилляте (С0 = 100 %): 1 – обработка бидистиллята в атмосфере воздуха, tобр = 60 с; 2 – необработанный бидистиллят

Рисунок 21 – Зависимость 0 =f (tобр) в атмосфере воздуха (С0=100 %): 1 – бидистиллят, рН0 = 5,4; 2 – неот-стоявшаяся водопроводная вода, рН0 = 7,0

лучении метастабильных состояний, независящем от метода возбуждения кавитации. Экспериментально подтвержден механизм гидродинамического кавитационного термолиза воды с образованием О₃ и H₂О₂.

Таким образом, под действием кавитации в водном растворе, содержащем инертные и активные газы, возможно осуществление разнообразных химических реакций. Кавитационное инициирование их сводится к ионизации и возбуждению молекул воды, благородных и активных газов, а также к диссоциации молекул воды. Каждый из этих процессов осуществляется за время t ~ 10^–14 с. В связи с тем, что продолжительность конечной стадии коллапса пузырька t ~ 10^–9–10^–8 с, становятся возможными процессы передачи энергии и перезарядки с участием молекул инертных газов, идущие в газовой фазе по уравнениям


,


Наряду с указанными, в кавитационной полости протекают реакции трансформирования радикалов с участием химически активных газов и рекомбинации радикалов за время t ~ 10^–7–10^–6 с. В результате этих процессов после схлопывания кавитационного пузырька в раствор переходят продукты радикального разложения молекул H₂O и рекомбинации радикалов, обнаруженные с помощью метода спиновых ловушек, что приводит к накоплению в воде молекулярного O₂, H₂O₂ и других соединений. Высокая скорость протекания реакций свидетельствует о том, что они происходят непосредственно в зоне кавитационных воздействий.

Из вышеизложенного следует, что при получении водотопливных смесей задействованы достаточно сложные физико-химические механизмы, инициированные режимами развитой кавитации и способствующие получению ВМЭ, ВУС и других смесей с уникальными свойствами.


основные результаты и выводы


На основе комплексного анализа и обобщения результатов исследования разработаны и научно обоснованы методы и средства повышения эффективности сжигания водотопливных смесей в топочных устройствах теплотехнологических систем на основе существенного дополнения и научного обобщения результатов исследований в области кавитационной технологии с учетом снижения вредных выбросов в атмосферу. К наиболее значимым относятся следующие результаты:

1. На основе установленных закономерностей влияния параметров технологических процессов (температуры, скорости, давления, времени обработки, числа кавитации, дисперсности, концентрации, водосодержания, тепломассообмена) на физико-химические свойства воды и водотопливных смесей разработаны теоретические и технические решения использования кавитации в процессах топливоподготовки и сжигания жидких топлив в топках малого объема, применение которых в промышленной теплоэнергетике, теплотехнологии и др. позволяет получить существенный энерго- и ресурсосберегающий эффект (до 30 %) с высокой степенью экологической безопасности;

2. Разработаны и реализованы математические модели двухфазных суперкавитационных потоков в технологических аппаратах при обтекании одиночного профиля, решеток пластин и профилей, а также при течении в проточном реакторе. На основе математического моделирования и результатов экспериментальных исследований предложены новые методы расчета технологических аппаратов топливоподготовки, позволяющие в процессе проектирования производить оценку и выбор режимов работы и технологических параметров производства с учетом выполнения условий энергоэффективности, экологической безопасности и иных специфических особенностей технологических процессов;

3. Установлено, что при воздействии на воду полей высоких давлений (до 100 МПа) и температур (до 2000 °С), образующихся при схлопывании кавитационных микропузырьков, возникает явление механотермолиза – в воде инициируются механохимические реакции с образованием О₂, Н₂, Н₂О₂, ОН^– (в ходе рекомбинации радикалов), в результате деструкции образуются свободные водородные связи, возникает явление хемилюминесценции, что, в свою очередь, влечет за собой изменение электропроводности, поверхностного натяжения, кислородосодержания и рН среды; время релаксации указанных свойств до 7–10 суток позволяет использовать их в различных технологических процессах. Выявлено, что наибольшая интенсивность кавитационного воздействия осуществляется при числах кавитации   0,2, что соответствует размерам кавитационных пузырьков R = 20–50 мкм, характеризующихся наибольшей эрозионной активностью;

4. При сжигании водомазутной эмульсии, полученной в результате кавитационной обработки, распределение капель по фракциям становится более равномерным. За счет вторичного дробления капель в топочном объеме увеличивается полнота сгорания топлива и, как следствие, происходит снижение сажеобразования. Наибольший эффект достигается при размерах капель воды в ВМЭ  1–1,5 мкм с водосодержанием 15–20 %: концентрация NO_x снижается в 2–5 раз, сернистого ангидрида – в 2–4 раза, содержание сажи в выбросах – до 0,75 % по твердым составляющим; в источнике подавляется образование СО, СН₄ и бенз(а)пирена. Получены характеристики основных показателей процесса осаждения водной фазы в топочном мазуте М100 в зависимости от концентрации и дисперсности водной фазы, температурного и временного факторов. Замена мазута на ВМЭ приводит к снижению неравномерности температурного поля в топочном объеме до . На этой основе предложены новые энергоэффективные технологические режимы топливоподготовки. Показано, что гидродинамическая кавитационная диспергация является наиболее целесообразной по сравнению с другими способами топливоподготовки. Предлагаемая обработка оказывается примерно в 10–15 раз экономичнее по удельным показателям;

5. Выявлены зависимости физических параметров ВУС (поверхностное натяжение, электропроводность, кислотность, седиментационные и фильтрационные характеристики, гранулометрический состав и др.) от режимных параметров кавитационной обработки, позволяющие разрабатывать режимы приготовления ВУС c приемлемыми для использования в теплотехнологических установках параметрами. Предложен метод получения ВУС без использования химических добавок и пластификаторов. Получена водоугольная суспензия, имеющая динамическую вязкость 1,35÷1,40 Па·с при скорости сдвига 9 с^-1, седиментационную устойчивость более 10 суток, кДж/кг (2268,7 ккал/кг) для () и кДж/кг (2326,9 ккал/кг) для (), что позволяет эффективно применять ее в теплотехнологических установках;

6. Разработана новая методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий, учитывающая различные технологические и конструктивные особенности пылеочистных систем. Предложен критерий оценки эффективности при сопоставлении установок различных конструкций;

7. Созданы новые суперкавитационные технологические аппараты и схемы их использования в различных производствах, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, позволяющие снизить капитальные и эксплуатационные затраты и интенсифицировать производство примерно на 30 %. Разработана, исследована, усовершенствована и внедрена в производство новая конструкция комбинированного мокрого пылеуловителя, позволяющая достичь эффективности очистки 98,8 %, простого в изготовлении и эксплуатации.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. 
   Кулагин, В. А. Моделирование двухфазных суперкавитационных потоков: монография / В. А. Кулагин, А. П. Вильченко, Т. А. Кулагина; под ред. В. И. Быкова. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. – 187 с.
   
2. 
   Кулагина, Т. А. Технологические суперкавитационные аппараты и установки / Т. А. Кулагина, Л. В. Кулагина. Крупномасштабные гравитационные гидродинамические трубы: монография. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – Гл. 5. – С. 186–242 с.
   
3. 
   Кулагина, Т. А. Теоретические основы защиты окружающей среды / Т. А. Кулагина, Е. П. Грищенко. – Красноярск: КГТУ, 1996. – 140 с.
   
4. 
   Кулагина, Т. А. Теоретические основы защиты окружающей среды: учеб. пособие / Т. А. Кулагина. 2-е изд., перераб. и доп. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. – 332 с. [Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям: «инженерная защита окружающей среды», «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», направления подготовки дипломированных специалистов «Защита окружающей среды»].
   
5. 
   Физика атмосферы и гидрофизика: учеб. пособие / Т. А. Кулагина, Б. Ф. Турутин, А. И. Матюшенко, В. А. Кулагин. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 499 с. [Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям: «инженерная защита окружающей среды», «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», направления подготовки дипломированных специалистов «Защита окружающей среды»].
   
6. 
   Энциклопедия обращения с отходами: Справочное издание / А. И. Матюшенко, Т. А. Кулагина, Г. П. Крючков, Л. Н. Горбунова; науч. ред. А. И. Матюшенко. Москва – Смоленск: Изд-во «Маджента», 2007. 472 с.
   
7. 
   Кулагина, Т. А. Экономическая эффективность осуществленных природоохранных мероприятий / Т. А. Кулагина, Л. А. Тарасова, О. А. Трошкин и др.// Химическое и нефтяное машиностроение – 1992. –
   № 4. – С. 48–50.
   
8. 
   Кулагин, В. А. Краевая задача обтекания решетки профилей в пузырьковом потоке жидкости / В. А. Кулагин, А. П. Вильченко, Т. А. Кулагина // Компрессорная техника и пневматика – 1999. – № 3–4 (22–23). – С. 57–81.
   

9. 
   Вильченко, А. П. Определение гидродинамических характеристик тел в условиях частичной или суперкавитации / А. П. Вильченко, В. А. Кулагин, Т. А. Кулагина // Компрессорная техника и пневматика – 1999. – № 3–4 (22–23). – С. 53–57.
   
10. 
    Кулагина, Т. А. Использование термомеханических эффектов кавитации в различных технологических процессах / Т. А. Кулагина, В. А. Кулагин, Л. В. Кулагина // Вестник МАНЭБ – 2005. – Том 10. – №4. – С. 154–164.
    
11. 
    Кулагина, Т. А. Совершенствование обращения с жидкими промышленными отходами / Т. А. Кулагина, О. А. Козин // Вестник МАНЭБ – 2005. – Том 10. – №4. – С. 164–170.
    
12. 
    Кулагина, Т. А. Разработка пылеулавливающего оборудования асфальтобетонного завода / Т. А. Кулагина // Химическая техника – 2005. –
    № 12. – С. 27–29.
    
13. 
    Кулагина, Т. А. Моделирование и анализ обтекания тел ограниченным потоком сжимаемой жидкости / Т. А. Кулагина, О. А. Трошкин // Труды КГТУ – 2006. – № 1. – С. 123–145.
    
14. 
    Кулагина, Т. А. Повышение экологической безопасности теплотехнологических установок при переходе на водоугольное топливо / Т. А. Кулагина, О. А. Трошкин // Химическое и нефтегазовое машиностроение – 2006. – № 7. – С. 37–39.
    
15. 
    Кулагина, Т. А. Защита окружающей среды от выбросов асфальтобетонных производств применением водомазутного топлива, получаемого с использованием эффектов кавитации / Т. А. Кулагина // Труды КГТУ – 2006. – № 4. – С. 85–97.
    
16. 
    Кулагина, Т. А. Типичные проблемы сжигания жидких топлив в топках малого объема на примере работы АБЗ / Т. А. Кулагина, О. Ка-ю-тин // Вестник КрасГАУ, 2007. – № 1. – С. 134-144.
    
17.