Рассматриваются достоинства использования водотопливных эмульсий для энергоустановок в промышленности и ЖКХ. Выбор того или иного топлива для отопления промышленных печей и энергоустановок в промышленности и ЖКХ определяется не только его теплотехническими и технологическими характеристиками, но и часто экономическими соображениями. Кто будет спорить, что высококачественный мазут является идеальным топливом для высокотемпературных плавильных печей, обеспечивая жесткий настильный и, самое главное, обладающий высокой степенью черноты факел. Однако в современных условиях, когда значительно увеличилась стоимость самого жидкого углеводородного топлива, выросли железнодорожные тарифы на грузоперевозки, у потребителей возникло стремление к сокращению затрат на приобретение топлива за счет использования более дешевых и потому более низкокачественных сортов мазута. Заводы, использующие для отопления тепловых агрегатов мазут, приобретают партии топлива у различных поставщиков и сливают их в одну емкость, выдерживая при этом стандарты качества только по вязкости, и практически не учитывают другие показатели, в частности, расчетный углеродный ароматический индекс, влияющий на способность мазута к воспламенению, степень очистки от посторонних включений, стабильность топлива и др. Как известно, мазут относится к группе остаточных фракций углеводородов, получаемых в процессе переработки нефти. В мазуте, как конечном продукте переработки нефти, сосредотачивается негорючая часть, состоящая из минеральной массы и воды. Согласно международным стандартам качества минеральная масса, содержащаяся в мазуте, не должна превышать 0,1-0,3%. При транспортировке и хранении в емкостях качество мазута меняется. В результате постоянного окисления, полимеризации, химических реакций углеводороды мазута превращаются в твердые продукты, выпадающие в осадок. В зимнее время при сливе мазута из железнодорожных цистерн его разогревают острым паром, который, остывая, конденсируется и попадает в мазутные емкости. В результате содержание влаги в мазуте может достигать 10-15%. В процессе хранения мазут дополнительно обводняется атмосферной влагой. Как показали анализы качества мазута, хранящегося в емкостях, содержание влаги в пробах, отобранных в верхних слоях, не превышает 5%, а в придонных слоях достигает 15% и более. В результате потребитель чаще всего получает мазут с повышенным содержанием влаги. С целью снижения влажности мазута в емкостях его подогревают до температуры 90-95°C. При этом, естественно, снижается и вязкость мазута, которая определяет затраты энергии на перемещение жидкого топлива и качество его распыливания форсунками. При недостаточном подогреве высоковязкого мазута отстаивание воды в емкостях становится практически невозможным. Содержащаяся в подогретом мазуте вода осаждается в нижних горизонтах, а затем ее удаляют из емкости через дренажный трубопровод. Необходимо подчеркнуть, что обводненный мазут, содержащий твердые фракции и имеющий повышенную температуру вспышки, нарушает режим горения, повышает недожог топлива, образует отложения частиц кокса по газовому тракту. Еще одной проблемой, возникающей при отоплении промышленных печей мазутом, является обеспечение его полного и рационального сжигания. Горение жидкого топлива происходит в распыленном состоянии. В качестве распылителя, обеспечивающего дробление мазута, используют либо вентиляторный воздух с давлением 10 кПа (форсунки низкого давления), либо компрессорный воздух или водяной пар, давление которых может достигать 150-300 кПа (форсунки высокого давления). Размеры капель распыленного топлива зависят, прежде всего, от давления распылителя и его расхода. Очевидно, что чем меньше будут размеры капель, тем быстрее они прогреются, испарятся и тем легче организовать процесс перемешивания паров мазута с окислителем. Однако из этого нельзя сделать однозначный вывод о длине мазутного факела, которая зависит не только от размеров капель, но и от средней осевой скорости потока. Чтобы обеспечить необходимую полноту сгорания мазута, в печь подают большое количество избыточного воздуха (коэффициент расхода воздуха достигает 1,20-1,25). Тем не менее, мазутный факел получается достаточно длинным и на выходе из печи в продуктах горения могут содержаться не только коксовые остатки, но и некоторое количество несгоревшего топлива. А ведь экологические требования, предъявляемые к тепловым и энергетическим установкам со стороны международных и национальных органов, региональных властей и потребителей, в частности, по предельным значениям эмиссии для оксида углерода (СО), оксидов азота (NОx) и серы (SO2), постоянно ужесточаются. Одним из возможных комплексных решений всех этих проблем является использование специальной предварительной подготовки топлива к сжиганию, суть которой заключается в создании однородно распределенной мелкодисперсной фракции, имеющейся в мазуте влаги и разрушении квазикристаллических структур, находящихся в составе мазута. Водотопливные эмульсии, получаемые на основе дизельного топлива и топочного мазута, давно и достаточно успешно используют на морских судах, грузовых автомобилях, тракторах и других транспортных средствах США, Англии, России и других странах. Перевод судовых дизелей на высокодисперсную водотопливную эмульсию интенсивно осуществляют все ведущие дизелестроительные концерны мира. По данным Центра энергосберегающих технологий (г. Одесса) перевод судовых дизелей на водотопливную эмульсию, содержащую 17-20% воды, позволил уменьшить эмиссию оксидов азота на 30-37%, сернистого ангидрида на 50%, и полностью исключил недожог (СО = 0). При этом расход топлива сократился на 12%. Аналогичные результаты были получены сотрудниками Санкт-Петербургского государственного технологического института: уменьшение NOx на 27-38%, SO2 на 40-50%, а вот экономия топлива оказалась значительно меньше (до 3,5%). Специалисты, занимающиеся сжиганием мазута в виде водотопливных эмульсий, подчеркивают ряд преимуществ этого способа: интенсификация процесса сжигания топлива, улучшение экологических характеристик процесса, отсутствие необходимости специального обезвоживания хранящегося в емкостях мазута перед его сжиганием, возможность огневой утилизации сбросных вод, загрязненных нефтепродуктами. Несмотря на очевидные достоинства нового способа сжигания жидкого топлива, водотопливные эмульсии для отопления промышленных печей и энергетических агрегатов долгое время не использовали. Во-первых, из-за отсутствия надежного оборудования для получения эмульсии, а во-вторых, из-за известного консерватизма специалистов, эксплуатирующих энергетические установки и печи. Ни у кого не вызвало сомнений, что наличие мелкодисперсной водяной фазы в мазуте снижает его вязкость и плотность, что существенно облегчает транспортировку топлива и его измельчение. Экспериментальные исследования показали, что размер капелек эмульсии, вылетающих из форсунки в камеру сгорания, уменьшается на 30-50% по сравнению с распыливанием чистого мазута. А вот возможность интенсификации процесса горения и тем более сокращения расхода топлива вызывала явный скептицизм: ведь на испарение содержащейся в эмульсии влаги должно затрачиваться большое количество теплоты (2500 кДж/кг). Тем не менее, за счет лицензионной передачи энергетикам существующих технологий водотопливные эмульсии были внедрены на котлах в Санкт-Петербурге, Ярославле, Семипалатинске, Мурманской области и др. И практически везде были получены положительные результаты. Перевод котельных агрегатов на высокодисперсную водомазутную эмульсию, содержащую 12-15% воды, позволил сократить расход топлива на 5%, а содержание вредных выбросов существенно уменьшить: NОx на 20% при полном отсутствии монооксида углерода. Сажеобразование в отходящих газах уменьшилось на 80-90%. Следует отметить, что применение водотопливного оборудования в условиях котельных, ТЭЦ и других подобных энергетических объектов имеет свои особенности, в частности, необходимость значительного запаса его мощности и более тщательного контроля влажности топлива. Что же позволило добиться столь впечатляющих результатов, несмотря на очень высокое содержание влаги в топливе? Дело в том, что водомазутная эмульсия, представляющая собой своеобразный коллоидный раствор, является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющим процесс горения. При горении капель эмульгированного топлива наблюдается ряд явлений, не присущих горению капель однокомпонентного топлива, и, прежде всего, это наличие так называемых <микровзрывов>. Возникновение этого явления можно объяснить разными температурами кипения воды и мазута. Попадая в топку, содержащиеся в эмульсии высокодисперсные частицы водяной фазы практически мгновенно испаряются, превращаясь в паровые пузырьки, которые как бы <разрывают> капельки жидкого мазута на мельчайшие частицы. В результате происходит вторичное, более тонкое дробление топлива. В ходе специальных экспериментальных исследований сотрудниками Центра энергосберегающих технологий было установлено, что процесс сгорания водомазутной эмульсии, содержащий 5-10% воды, происходит в 5-6 раз быстрее, чем неэмульгированного топлива. С учетом эффекта микровзрыва при сжигании водомазутной эмульсии можно уменьшить коэффициент расхода воздуха до 1,05-1,07, не опасаясь при этом появления химического недожога. Ускорение и полнота протекания процессов горения водомазутной эмульсии при меньшей подаче избыточного воздуха позволяют в полной мере компенсировать затраты теплоты на испарение влаги. Очевидно, что использование водотопливных эмульсий для отопления промышленных печей является весьма перспективным направлением при решении проблемы более рационального сжигания жидкого топлива. Основой для получения водотопливной эмульсии может служить мазут, хранящийся в емкостях, причем в этом случае из технологической схемы подготовки мазута к сжиганию исключается его обязательное обезвоживание. Одной из проблем, требующих дополнительных исследований, является определение оптимального количества водяной фазы в эмульсии. С.Н. ГУЩИН, Уральский государственный технический университет (УПИ); Б.М. ШАВЕЛЬЗОН, ООО "Экологические технологии"
