Панов В.С. «Повышение показателей качества топлива для
advertisement
УДК 629.12-8:502.7 В.С. Панов, аспирант ВГАВТ 603600 Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5. ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ТОПЛИВА ДЛЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. Рассматриваются вопросы горения, применения и производства водотопливных эмульсий для дизельных двигателей и котлоагрегатов. Приводятся основные типы систем подготовки водотопливных эмульсий к сжиганию, включая собственную разработку автора. Введение. В настоящее время довольно широко применяются системы подготовки топлива, использующие принцип насыщения его водой. Эффективность применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) уже не раз подтверждалась исследованиями многих авторов, улучшаются выходные параметры силовых установок, появляется возможность дополнительной форсировки, снижаются тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и расход топлива, камера сгорания (КС) очищается от сажистых отложений, кроме того значительно снижается эмиссия токсичных и отравляющих веществ в отработавших газах (ОГ). Использование в качестве горючего водотопливной смеси позволяет применять высокоэффективные водорастворимые присадки, которые невозможно было использовать с обезвоженным топливом, так как они в нем нестабильны и плохо растворяются. Первый патент на использование воды в системе питания двигателя внутреннего сгорания был получен Отто в 1880 г. В 40-е годы в ГДР с помощью добавления воды к авиационному топливу форсировали поршневые двигатели самолетов. В СССР в это же время вода добавлялась к низкооктановым бензинам, применявшимся в автотракторной технике, повышая тем самым октановое число и скорость сгорания топливной смеси. К сожалению, в 50 – 60-е годы исследования по добавлению воды к топливу прекратились в связи с открытием новых месторождений нефти. Однако в 70-е годы эта проблема вновь возникла из-за ограниченности природных запасов и бурного развития мирового двигателестроительного производства. Поршневые двигатели внутреннего сгорания стали основным источником загрязнения атмосферы планеты, поэтому вновь пришлось вернуться к изучению возможности использования воды как безопасного интенсификатора горения углеводородных топлив. В ранних исследованиях отечественных ученых было установлено, что при добавлении 17% воды к топливу, количество оксида углерода (СО) снижалось на 50%, а оксидов азота (NOx) – на 20%, при этом топливная экономичность достигала 5%. Американскими учеными в 1979 г. было опубликовано сообщение об испытаниях автомобильных дизелей на эмульсии следующего состава: дизельное топливо (ДТ) – 80%, вода – 19,3% и эмульгатор – 0,7%. При такой топливной смеси кроме снижения вредных выбросов в ОГ была достигнута экономия чистого топлива до 8% [3,5,6,12,20,21,30]. На сегодняшний день проведено огромное количество стендовых и эксплуатационных испытаний, которые показали, что добавленная к топливу вода существенно интенсифицирует процесс сгорания топлива, одновременно с этим снижается выброс продуктов неполного сгорания и оксидов азота с ОГ, в то время как использование других способов снижения вредных выбросов с ОГ если и приводит к снижению содержания продуктов неполного сгорания, то при этом автоматически увеличивается эмиссия окислов азота и наоборот. 1. Горение водотопливной эмульсии в цилиндре дизеля и топке котлоагрегата. Процессы, происходящие в цилиндре дизеля при работе на ВТЭ, до конца не изучены. На этот счет существует несколько рабочих гипотез. Гипотеза микровзрыва была предложена В.М. Ивановым [12], развита О.Н. Лебедевым, В.Н. Марченко [19] и др. Суть происходящего заключается в том, что при нагреве капли топлива с вкраплением воды из-за их различной теплоемкости вода прогревается быстрее и вскипает, образовавшиеся пары разрывают каплю топлива и происходит микровзрыв. Подобный механизм испарения топлива в струе или факеле увеличивает дисперсность струи за счет дополнительного дробления капель топлива. Прогрев капель обводненного топлива в камере сгорания дизеля происходит при давлении (4…7) МПа. Такое давление является закритическим для дизельных топлив. Критическое давление кипения жидких углеводородов составляет (1,5…2,5) МПа, значит, капля топлива будет прогреваться до критической температуры без испарения, после чего она мгновенно распадается [13]. В отличие от топлива вода имеет критическое давление 8 МПа, поэтому в условиях камеры сгорания она будет испаряться монотонно по мере прогрева. Следовательно, внутри капли топлива при испарении воды давление будет расти до значения, превышающего силы поверхностного натяжения, после чего капля топлива разрывается. Гипотеза каталитического влияния воды на механизм воспламенения и горения топлив разработана рядом авторов. По этой гипотезе повышенное содержание паров воды в горючей смеси и в продуктах сгорания положительно влияет на процесс и скорость распространения пламени в цилиндре дизеля [15,28]. В обезвоженной смеси выгорание окиси углерода практически не происходит, но при повышении влажности в 1% происходит почти полное ее выгорание. В пламени при высокой температуре вода действует как катализатор и частично разлагается на водород, кислород и гидроксильную группу. Механизм каталитического действия воды можно представить в следующем виде. Молекулы воды и кислорода имеют приблизительно одинаковую резонансную частоту колебания, т.е. энергия, передаваемая одной молекулой, будет легко восприниматься другой. Кроме того, молекула воды полярна, а это значит, что присутствие воды будет дополнительно поляризовать среду, где происходит горение. На скорость протекания реакции окисления существенное влияние оказывает ориентация активных частиц при их столкновении. Если две разорванные молекулы столкнуться стороной с занятыми валентными связями, то объединения таких частиц не произойдет, после столкновения они разделятся. Если же они столкнуться стороной с открытыми связями, то произойдет объединение. Предположим, что в пламени все частицы (активные радикалы) ориентированы хаотично. Очевидно, роль воды в пламени заключается в том, что полярная молекула Н2О способствует улучшению ориентации разорванных или возбужденных молекул углеводородов. Это существенно ускоряет процесс окисления. Экспериментально установлено, что присутствие водяных паров ускоряет процесс горения от (3…4) раз [9, 28] до (5…6) раз [14]. Кроме каталитического действия вода оказывает влияние на дожигание топлива в последнем периоде сгорания, т.е. на стадии расширения. В период интенсивного горения отдельные микрозоны разогреты до температур (3000…4000) оС. В них происходит диссоциация воды и окисление азота. Факт такого окисления подтверждается тем, что в ОГ всегда присутствуют окислы азота, кроме этого диссоциация воды доказана экспериментально [31]. В цилиндр двигателя вместе с рабочим телом вводилась тяжелая вода Н2О18. При анализе ОГ наблюдалось выделение до 45% изотопа кислорода в соединении с углеродом в виде СО218, происходившего из-за диссоциации воды и ее вступления в реакцию с углеводородами. Следовательно, в первый период горения, когда температура пламени высокая, часть воды диссоциирует. Во второй период горения повышенная концентрация активных радикалов способствует доокислению осколков молекул углеводородов [11]. Использование гомогенизированной ВТЭ в котлоагрегатах, также как и в ДВС, позволяет повысить степень сгорания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOx и COx в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта заключается в следующем. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой, при этом дисперсность мазута составляет порядка (0,1…1) мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит их вскипание с образованием водяного пара. В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива [33]. В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке. Кроме этого, существенно снижается недожог топлива, что позволяет снизить количество подаваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери [32]. Также важно заметить, что при сжигании ВТЭ в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к снижению вредных составляющих в ОГ котлоагрегатов. Оптимальное содержание воды в ВТЭ для питания котлов, при котором достигается наибольший экономический эффект и одновременное снижение токсичных составляющих в ОГ, составляет (10…40)% [33]. Возможность снижения количества подаваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива. Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтеновые структуры [32]. Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на (30…35) оС. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива. Находящаяся в составе топлива водная фаза может быть частично диссоциирована в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и существенно улучшают ориентацию частиц активных радикалов топлива, вследствие возникновения полярного эффекта [14,33]. Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить (30…35)%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований. Одной из серьезных проблем, возникающих при сжигании топочных мазутов, является большое содержание в них серы. Соединения серы уносятся с ОГ, загрязняя атмосферу. Для предотвращения этого используют присадки, позволяющие связывать серу. Ввод этих присадок осуществляют в дымовые газы или в мазут. Поскольку большая часть присадок водорастворима, то добавление в эмульгируемую воду недорогих компонентов в количестве 1кг/1т мазута позволяет наиболее простым путем связывать серу и использовать низкокачественные мазуты [32]. 2. Качество воды для водотопливной эмульсии. Опыт эксплуатации дизельных установок на ВТЭ показал, что качество воды, идущей на приготовление ВТЭ, оказывает непосредственное влияние на износ деталей топливной аппаратуры и ЦПГ. Это влияние становится сильнее с использованием сернистых сортов топлив, так как при сжигании ВТЭ образуются водяные пары, которые в свою очередь при взаимодействии с серой образуют на поверхностях КС серную и сернистую кислоты. Также возможно отложение водорастворимых солей в виде накипи. Помимо этого, наличие воды существенно меняет механизм коррозии из химической в электрохимическую. Следовательно, вода для приготовления ВТЭ должна отвечать соответствующим требованиям, а именно полное отсутствие коррозионной активности и солей общей жесткости. Для того, чтобы качество воды удовлетворяло этим требованиям, необходима определенная технология подготовки воды. Среди прочих способов обработки воды необходимо выделить электрохимическую обработку в электролизере и озонирование. Известно [16], что ввод озона непосредственно в систему питания дизеля позволит, во-первых, улучшить продетонационный эффект, что связано с образованием атомарного кислорода по реакции: (1) O3 O2 O E 24 ккал моль и, во-вторых, повысить полноту сгорания дизельного топлива (ДТ), снизив при этом нагрузку двигателя на окружающую среду. Превращение O 3 в O2 в ряде случаев имеет много аналогий с процессами горения и сопровождается образованием пламени. Ускорение процесса высокотемпературного воспламенения ДТ при введение атомов О вызвано, в основном, двумя факторами — тем, что в стадии зарождения цепи реакция распада RH заменяется энергетически более выгодной реакцией (1), энергия активации которой E 24 ккал моль , вместо 100 ккал моль для RH и что замена RH на О в качестве начальных активных центров создает возможность развития процесса горения вместо относительно медленных вырожденных разветвлений через простые разветвления, как при воспламенении водорода: (2) О Н 2 ОН Н Кроме того, при высокой начальной концентрации О возможно развитие цепочечно-теплового взрыва с очень короткой задержкой. В принципе, ввод озона может осуществляться в любом из элементов питания двигателя — в воздух, поступающий в блок цилиндров, в топливо и в воду. Однако озонирование воздуха для получения воспроизводимого положительного эффекта по составу выхлопа двигателя требует создания высокой концентрации озона в нем. Поэтому ввод озона в воздух оказался нецелесообразным из-за значительного увеличения доз озона, а значит экономически не оправдан. В случае предварительного озонолиза ДТ последнее окисляется только за счет озона без вовлечения в реакцию кислорода. Даже при низкотемпературном озонолизе ДТ происходит накопление в системе питания большого количества кислородосодержащих соединений (спиртов, альдегидов, кетонов, сложных эфиров, кислот и т.д.). Кроме того, учитывая тот факт, что реально в состав ДТ помимо парафинов входят также непредельные и ароматические соединения, возможно образование продуктов их конденсации (самообразующих веществ). Эти факторы не могут привести к повышению качества ДТ без вторичной обработки (отстаивание, фильтрация и т.д.). А это, в свою очередь, ведет к усложнению конструкции двигателя. Важно подчеркнуть, что введение озона в ДТ не может существенным образом увеличить продетонационный эффект, так как большая часть озона расходуется в процессах низкотемпературного окисления RH и в камеру сгорания озон практически не попадает. Озонолиз воды непосредственно перед ее смешением с ДТ исключает отмеченные недостатки. Поступающий в камеру сгорания растворенный в воде озон инициирует окисление ДТ. Растворимость озона в воде подчиняется закону Генри. Несмотря на большой разброс в значениях коэффициента растворимости (отношение концентрации озона в растворе к концентрации его в газовой фазе над раствором) и энтальпии растворения озона в воде, их среднее значение ( 0 ,200 ... 0 ,286 , ) существенно h 13... 50 кДж моль ниже коэффициента растворимости и энтальпий в органических растворителях. Подобный эффект отмечен и для растворимости в воде других неполярных газов ( N 2 0 ,0166 , O2 0 ,0333 ), что можно объяснить изменением микроструктуры воды при растворении в ней неполярных молекул. Необходимо отметить, что с уменьшением рН среды растворимость озона закономерно снижается. Но кислые водные растворы озона довольно устойчивы озон концентрации 1,6 10 3 М разрушается при комнатной температуре менее, чем на 5% за сутки). Введение озона в «жесткую» воду, питающую дизель, также нецелесообразно, поскольку растворимость озона в растворах солей уменьшается. Таким образом, оптимальным представляется введение озона в систему питания дизеля в составе католита, который можно получить в специальном устройстве — электролизере. Обработка воды в электролизере производится между катодом и анодом, разделенными полупроницаемой мембраной. В (в растворе 0,2 М HClO 4 результате участия ионов в переносе тока при электрохимической обработке воды они концентрируются в соответствующих продуктах приэлектродных зон, что приводит к изменению физико-химических свойств воды. В результате подобной операции вода разделяется на две составляющие: католит, обладающий щелочными свойствами, и анолит, имеющий кислотные свойства. Электрохимические процессы, протекающие при электролизе воды, обуславливают изменение рН в пределах от 2,5 до 11,3, ОВП воды и насыщение ее тонкодисперсными газами — кислородом и водородом. При этом может достигаться: ОВП +550 мВ в анолите и –330 мВ в католите. За счет выхода газов электролиза и выпадения в осадок микропримесей (нерастворимых солей), что наиболее отчетливо наблюдается в католите, происходит снижение оптической плотности электрохимически обработанной воды, снижение общей жесткости: в анолите — за счет перехода катионов кальция и магния в катодное пространство, а в католите — за счет образования нерастворимых осадков. Приобретенные свойства католита и анолита сохраняются в течение длительного времени [16]. Экспериментальные данные [17] свидетельствуют об интенсивном снижении солей общей жесткости в (8…10) раз, а также низкой коррозионной активности католита по сравнению с не обработанной водой. Щелочная среда, пониженная коррозионная активность, отсутствие солей общей жесткости определило выбор католита для приготовления ВТЭ [17]. 3. Существующие системы приготовления водотопливной эмульсии. При разработке судовых систем производства эмульгированных топлив необходимо учитывать компактность установки, удобство обслуживания, адаптивность системы под различные сорта топлива, возможность оптимизации рабочего процесса дизеля на различных режимах, дисперсность эмульсии, время ее хранения и другие факторы. Производство ВТЭ может осуществляться как на бункеровочных станциях с последующей передачей на судно, так и непосредственно на судах. В первом случае возникают проблемы из-за низкой кинетической стабильности эмульсии, поэтому необходимо постоянно поддерживать дисперсность среды с помощью дополнительных устройств как на станции, так и на судне. Стабилизировать ВТЭ и выровнять плотность ее компонентов можно с помощью поверхностноактивных веществ (ПАВ). Однако и эта мера требует дополнительного введения специального оборудования для хранения, доставки и дозировки ПАВ. Приготовление ВТЭ на судне в основном производится двумя методами: циклическим и непрерывным. При циклическом методе эмульсия поступает в отдельный бак-накопитель, из которого она при необходимости поступает к дизелю. Этот метод используют при эпизодической работе дизеля на ВТЭ, так как он обладает теми же недостатками, что и метод обводнения топлива на бункеровочных станциях. Непрерывное получение ВТЭ сводится к непосредственной подачи эмульсии от места ее получения к дизелю. Благодаря опыту эксплуатации судовых двигателей на ВТЭ были сформулированы основные требования к системам производства ВТЭ в судовых условиях: Простота конструкторского решения, компактность и автономность, недефицитность используемых элементов. Автоматизация процессов смешения и дозирования компонентов ВТЭ в зависимости от нагрузки дизеля. Размер частиц воды в топливе должен быть не более (10…12)х10-6 м. При использовании тяжелых сортов топлива должен быть обеспечен предварительный подогрев топлива и воды до определенной температуры, определяемой условиями гомогенизации топлива и вязкостью эмульсии. Исходная вода должна удовлетворять требованиям санитарных правил, предъявляемым к мытьевой воде на судах внутреннего плавания. Эмульсию перед подачей в дизель пропускают через специальный фильтр, что предотвращает гелеобразование или расслоение. Цикловая подача топливного насоса высокого давления должна быть на (20…30)% выше, чем при работе на безводном топливе. Для постоянного контроля за количественным составом эмульсии должно применяться измерительное устройство[20]. Впервые работа дизелей на ВТЭ в эксплуатационных условиях была осуществлена на судах Западно-сибирского речного пароходства. Для этого использовали установку циклического приготовления эмульсии дизельного топлива с добавлением (0,5…1,0)% мазута. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 1. Эта установка рассчитана на ручное управление и требует постоянного присутствия обслуживающего персонала. Ее можно использовать в качестве опытной передвижной станции для раскоксовывания форсунок дизелей. Рисунок 1 – Схема установки для циклического получения ВТЭ. 1 – бак – накопитель эмульсии; 2 – диспергатор; 3 – кран трехходовой; 4 и 5 – фильтры; 6 и 9 – насосы шестеренные; 7 – клапан перепускной; 8 – клапан запорный; 10 – труба с отверстиями; 11 – гидрофор; 12 – манометр. Для того чтобы исключить появление застойных зон, установка претерпела некоторую модернизацию: размеры бака 1 (рис. 1) значительно уменьшили, а диспергатор 2 превратили в самостоятельный элемент. После их последовательного соединения с насосом был получен циркуляционный контур (рис. 2) [18]. Рисунок 2 – Циркуляционный контур установки для непрерывного получения ВТЭ. 1 – блок дроссельных шайб; 2 – клапан запорный; 3 – насос шестеренный; 4 – смеситель; 5 – циркуляционный фильтр. На рис. 3 представлена схема установки приготовления ВТЭ, в которой сохранен принцип циркуляционного контура. Количественное соотношение топлива и воды в эмульсии осуществляется подбором соответствующих гидравлических характеристик всасывающих магистралей топлива и воды. Такой подбор производится на стадии проектирования установки путем оптимального распределения потерь давления в этих магистралях. С этой целью в эжектор помещают специальные дроссели соответствующего сечения. Гидравлические характеристики окончательно настраиваются в процессе работы дизеля на номинальном режиме. На долевых нагрузках соотношение количества воды и топлива в эмульсии поддерживается автоматически. Рисунок 3 – Система серийной установки для получения ВТЭ отечественного производства. 1 – бак; 2 – полость для подогрева; 3 – эжектор; 4 и 7 – фильтры; 6 – эмульсиметр; 8 и 9 – нагреватели; 10, 13 и 5 – клапаны регулирующие с гидравлическим приводом; 11 – насос шестеренный; 12 – распределитель; 14 – игольчатый клапан. Автоматическое регулирование количества воды и топлива заключается в следующем. При нулевом расходе ВТЭ давление в приемной полости эжектора определяется статическим напором всасывающих магистралей топлива и воды. В процессе расхода эмульсии давление в приемной камере эжектора устанавливается в соответствии с гидравлическими потерями приемных трубопроводов: Вв = f(Вэ), где Вв и Вэ – расходы воды и эмульсии. Путем подбора геометрических размеров элементов приемных трубопроводов топлива и воды можно добиться требуемого количественного соотношения воды в эмульсии в зависимости от нагрузки дизеля [29]. Специалистами Волжской государственной академии водного транспорта была разработана система подготовки ВТЭ с электрохимической обработкой воды в электролизере (рис. 4). Рисунок 4 – Схема установки подготовки водотопливной эмульсии разработанная ВГАВТ. Данная установка состоит из двух функциональных блоков: блок обработки воды и блок диспергирования ВТЭ. В качестве диспергирующего устройства, также как и в предыдущей установке, применен гидродинамический насос (эжектор). Система автоматизирована по основным режимам работы энергетической установки. Для этого дроссельные клапаны ДК1 и ДК2 отрегулированы на расход воды 7% и 13% от объема топлива. На режимах малых нагрузок к двигателю поступает ВТЭ с 7% содержанием воды, на средних – 13% и на номинальной нагрузке 20%, за счет открытия обоих дроссельных клапанов. Рисунок 5 – Схема установки для получения ВТЭ фирмы «Эмулса» (Англия). 1 – расходный бак воды; 2 – фильтр воды; 3 – циркуляционный насос воды; 4 и 6 – клапаны электромагнитные; 5 – подогреватель электрический; 7 – клапан обратный; 8 – диспергатор; 9 – клапан игольчатый; 10 – расходомер; 11 – клапан перепускной. Система приготовления эмульсии с подачей воды при постоянном давлении была разработана и испытана в Ньюкаслском университете [4], а затем реализована на судах ирландской судовой компании «Бел Лайнес» [1,2]. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 5. Диспергатор представляет собой насос, подобный центробежному, но с увеличенным радиальным зазором между корпусом и рабочим колесом, благодаря чему создается кавитационный режим, способствующий образованию эмульсии с размером частиц воды (2…4) мкм. Вода и топливо подводятся к всасывающей полости диспергатора, а его нагнетательный трубопровод подключается к участку топливного трубопровода до топливного насоса высокого давления. В Литовском морском пароходстве [10] разработана система подготовки ВТЭ, в которой также используется принцип подачи воды при постоянном давлении в топливный трубопровод (рис. 6). Рисунок 6 – Схема установки для получения ВТЭ Литовского пароходства. 1 – гидрофор; 2 – клапан редукционный; 3 – клапан дозирующий; 4 – расходомер; 5 – клапан электромагнитный; 6 – цистерна расходная; 7 – диспергатор; 8 – насос подкачивающий; 9 – подогреватель; 10 – терморегулятор; 11 – фильтры; 12 – топливный насос высокого давления; 13 – кран трехходовой. Сегодня для приготовления ВТЭ могут использоваться устройства, описанные в [7,8,23,24,25,26,27], такие как установка модификации дизельного топлива (рис. 7). Было отмечено, что после обработки топлива с водой в данной установке содержание влаги в ВТЭ не превышает 12%, причем не зависимо от ее количества поданного перед смешением. Отделение неусвоенной топливом воды происходит в течение нескольких секунд в отстойниках 6, 7. Также установлено, что после обработки топлива на данной установке, в нем снижается содержание серы и смолистых соединений. Рисунок 7 – Схема технологической линии модификации дизельного топлива. 1 – емкость исходного дизельного топлива; 2, 10 – насосы; 3 – подвод воды; 4 – бак для присадок; 5 – установка активации процессов; 6, 7 – отстойник; 8 – сборник шлама; 9 – емкость для модифицированного дизельного топлива. 4. Предлагаемая система приготовления водотопливной эмульсии. Наиболее перспективными следует считать те системы получения водотопливных смесей, в которых применяются комплексные технологии как обработки топлива, так и воды перед их смешением. Ярким примером такой системы может послужить установка подготовки топлива для дизелей (рис. 8), разработанная авторами. Основным элементом данной системы является аппарат вихревого слоя (АВС) [22], в котором происходит диспергирование топлива и воды. По сути, это труба из немагнитного материала, внутри которой наводится мощное вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с рабочими телами (иголками), приводя их в интенсивное движение. Одновременно иголки сами становятся магнитами и, в свою очередь, вступают во взаимодействие с вращающимся полем. В результате, в рабочем пространстве генерируется ряд эффектов, которые совмещаются с термическими и механическими явлениями, возникающими при ударах иголок друг о друга, о вещество и со стенками рабочей зоны. Удельная мощность этих эффектов очень велика, а когда они действуют одновременно на частицы вещества, то оно претерпевает глубокие структурные и энергетические изменения. В зоне удара создаются условия для протекания таких физических и химических процессов, которые в обычных условиях затруднены или невозможны: деформируется кристаллическая решетка твердых тел, резко увеличивается химическая активность веществ, степень диссоциации и др. [8]. С использованием АВС в базовое топливо можно ввести до 7 % воды (в зависимости от состава и качества топлива), причем глобулы воды не просматриваются, т.е. можно считать, что перемешивание происходит на молекулярном уровне. Такое топливо может достаточно долго храниться, как показывает опыт, расслоения не наблюдается даже через (5…6) месяцев. Рисунок 8 – Схема установки подготовки топлива для дизелей. 1 – насосы шестеренные; 2 – емкость исходного топлива; 3 – озонатор; 4 – аппарат вихревого слоя; 5 – клапан запорный; 6 – нагреватель; 7 – эжекторы; 8 – насос центробежный; 9 – электролизер; 10 – гидроциклон; 11 – клапан регулирующий; 12 – емкость для сбора шлама; 13 – расходомеры; 14 – насосы циркуляционные; 15 – теплообменник водомасляный; 16 – топливный фильтр тонкой очистки. Еще одним положительным эффектом данного аппарата можно считать то, что при перенасыщении топлива водой выпадают в осадок вместе с излишками воды (80…90)% смолистых соединений и (60…70) % серы [8]. Это положительное влияние значительно может расширить ассортимент применяемых топлив (например, с высоким содержанием серы). На рис. 8 приведена принципиальная схема установки приготовления топлива для дизелей. Части системы сгруппированы в три связанных блока: - блок подготовки воды; - блок обводнения топлива в аппарате вихревого слоя; - блок дополнительного обводнения топлива. Блок подготовки воды включает в себя: электролизер 9 для разделения воды на католит и анолит (щелочную и кислотную среды), озонатор 3 для производства озона и эжектор 7(1) для смешения католита и озоно-воздушной смеси. Блок обводнения топлива в аппарате вихревого слоя состоит из: шестеренного насоса 1(1), аппарата вихревого слоя 4, в котором происходит диспергирование воды с топливом, гидроциклона 10 для удаления выпавших в осадок серы и смолистых соединений углеводородов, также в схему включены расходомеры исходного топлива и воды 13. Блок дополнительного обводнения топлива имеет в своем составе: шестеренный насос 1(2), регулирующий клапан с электроприводом 11 для управления концентрацией воды в эмульсии, эжектор 7(2) для подмешивания дополнительной порции воды к водотопливной эмульсии. Процесс производства ВТЭ заключается в том, что поступающее на переработку топливо проходит обработку в соответствии с принципиальной схемой установки подготовки топлива для дизелей. Вода для производства ВТЭ забирается из систем холодного или технического водоснабжения. Сначала вода поступает в электролизер 9, где происходит электрохимическое разделение воды на католит и анолит. Для производства ВТЭ используется католит, а анолит может применяться в системах очистки сточных вод для их предварительного подкисления [16]. Далее католит забирается центробежным насосом 8 и подается в эжектор 7(1), где происходит насыщение озоном, поступающим от озонатора 3 в строго определенной концентрации в зависимости от нагрузки дизеля. После чего обогащенный озоном католит забирается шестеренным насосом 1(1) вместе с исходным топливом и подается в АВС 4. Далее ВТЭ поступает в гидроциклон 10, в котором топливо очищается от выпавших в осадок после обработки в АВС серы и смолистых соединений углеводородов. Смесь этих нежелательных компонентов вместе с излишками воды удаляется в цистерну для сбора шлама 12. Остаточное содержание влаги в ВТЭ составляет (4…7)%. Очищенная ВТЭ забирается на выходе гидроциклона 10 шестеренным насосом 1(2) и подается на эжектор 7(2), где происходит дополнительное обводнение ВТЭ в зависимости от нагрузки двигателя в строго определенной пропорции. Обводненное топливо с помощью АВС 4 может использоваться для питания дизеля в момент запуска, а также при работе на холостом ходу. Топливо с большей концентрацией воды, полученное при использовании эжектора 7(2), подается в дизель на режиме 25%-ой нагрузки и выше. Кроме того, в данной системе приготовления ВТЭ предусмотрен узел предварительного подогрева исходного топлива и воды, за счет отбора тепла от АВС. В процессе работы АВС выделяется большое количество тепла, как от механических воздействий на ВТЭ ферромагнитных частиц, так и за счет нагрева магнитопровода и обмотки статора самого аппарата. Передача тепла от АВС к топливу и воде осуществляется с помощью водомасляного контура охлаждения, через теплообменник 15. В качестве охладителя АВС используется сухое трансформаторное масло, которое одновременно является и изолятором электрических цепей устройства относительно друг друга и корпуса. Данное устройство также с успехом может работать в системах топливоподготовки котельных установок. Для этого необходимо лишь скорректировать содержание воды в ВТЭ, которое обеспечивается регулирующим клапаном 11. Заключение. В заключение следует отметить, что сегодня известно очень много «внешних» способов, позволяющих улучшить процесс сгорания углеводородного топлива в энергетических установках. В основном они направлены на изменение физикохимических свойств топлива, также как и ВТЭ. Например, применение различных присадок, обработка топлива в катализаторах, облучение топлива электромагнитными полями и т.д. При выборе того или иного метода определяющими факторами зачастую становятся энергоемкость и стоимость. И все-таки наиболее дешевым и энергетически выгодным остается метод насыщения топлива водой перед подачей его в дизель и в топку котла. Установка подготовки топлива для дизелей включает в себя комплекс мероприятий, с помощью которых удается решить проблемы существующих установок, такие как низкая устойчивость ВТЭ, необходимость использования поверхностно-активных веществ и др. К преимуществам предлагаемой установки можно отнести: - очистка топлива от нежелательных компонентов при обработке в АВС: от серы на (60…70) % и от смолистых соединений на (80…90)%; - высокая стабильность ВТЭ после АВС (не наблюдается расслоения в течение (5…6) месяцев). - более полное сгорание топлива; - снижение расхода топлива на (4…6)%; - снижение выбросов токсичных составляющих с отработавшими газами NOx – в (2…2,5) раза , СО – (1,5…2) раза, также наблюдается снижение температуры ОГ и количества твердых частиц; - расширение ассортимента применяемых сортов топлива для дизелей (использование низкосортных топлив, например, с высоким содержанием серы); - доступность и низкая стоимость расходного материала (воды) для производства водотопливной эмульсии; - малая энергоемкость. Список литературы 1. Adkins P. The burning of emulsified fuel in medium speed diesel engines // Fairplay Inst. Shipp Weekly. 1982, 281, 5132. P. 27 – 29. 2. First slow-speed engine to run on emulsified fuel // Marine Eng. Rev, 1982, Sept. p. 37. 3. Lawson A., Last A.Y. Modified fuels for diesel engines by application of unstabilized emulsions // SAE Technical Paper Series/ 1979/ - № 790925 – 16 p. 4. Thomson R.V., Katsoulakos P. S. The application of emulsified fuels in diesel engine designes: experimental results and theoretical predictions // Trans. Jnst. Mar. Eng. – 1985. V.97, paper 10. 5. Thomson R.V., Thorp J., Armstrong G., Katsoulakos P. The burning of emulsified fuels in diesel engines // Trans. Jnst. Mar. Eng. – 1981. V.93. – p. 19 – 25. 6. Агаев Ф.М. Применение эмульсий в двигателях с воспламенением от сжатия // Изв. АН Азербайджанской ССР. Сер. физ.-мат. и техн. наук. – 1961. - № 6, С. 57 – 66. 7. Балабышко А.М. Разработка роторного аппарата для получения стабильных эмульсий: автореф. дис. канд. техн. наук / МИХМ. – М., 1985. – 16 с. 8. Вершинин Н.П. Установки активации процессов. Использование в промышленности в сельском хозяйстве. Экология. – Ростов-на-Дону, 2004, 314 с., илл. 9. Волкер П., Райт К. Вопросы горения: В 3т. М.: Иностр. Лит., 1953. Т.3. 362 с. 10. Воржев Ю.И., Гимбутис К.К. Об использовании водотопливных эмульсий в судовых дизельных установках // Судостроение, 1985, № 7. С. 18 – 22. 11. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. – Л.: Судостроение, 1989. – 256 с. 12. Иванов В.М. Топливные эмульсии. – М.: АН СССР, 1962. – 274 с. 13. Ищук Ю.Г. Интенсификация процессов сгорания в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1987. 53 с. 14. Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1985. 100 с. 15. Кондратьев Е.А., Кондратьев В.Н. Исследование пламени СО и О2. Влияние влаги на интенсивность видимого свечения пламени // Физ. химия. 1938. Т.11. Вып. 3. С. 26 – 38. 16. Курников А.С. Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышение экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий. Дисс. доктора тех. наук., Н.Новгород, 2002. 17. Курников А.С., Садеков М.Х., Подготовка компонентов питания судовых двигателей внутреннего сгорания. Судовые озонаторные станции и их автоматизация. Под ред Этина В.Л. Сборник научных трудов выпуск 294. «ВГАВТ» Н.Новгород 2000 г. 18. Лебедев О.Н. Работа двигателей на эмульгированном моторном топливе // Речной транспорт, 1976, № 4. С. 41 – 42. 19. Лебедев О.Н., Марченко В.Н. Механизм сгорания капли эмульгированного топлива в среде, близкой к неподвижной // Тр. инта водн. Транспорта. Вып. 114. Новосибирск, 1975. С. 124 – 134. 20. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. – Л.: Судостроение, 1988. – 108 с. 21. Лерман Е.У., Гладков О.А. Высококонцентрированные водотопливные эмульсии – эффективное средство улучшения экологических показателей легких быстроходных дизелей // Двигателестроение. – 1986. № 10. – С 35 – 37. 22. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. 144 с. 23. Новиков Б.А., Пименов Ю.А., Черников В.В. Виброкавитационные технологии приготовления высокостабильных топливных эмульсий // Инновации. – 1997. - №1. – с.34 – 36. 24. Патент Российской Федерации RU2135897 Система подготовки и подачи водотопливной эмульсии энергетической установки. 25. Патент Российской Федерации RU2165049 Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию и устройство для его осуществления. 26. Патент Российской Федерации RU2239493 Установка для приготовления водотопливных эмульсий и ее варианты. 27. Патент Российской Федерации RU50876 Установка активации процессов. 28. Семенов Н.Н. Цепные реакции. М. – Л.: Госхимтехиздат, 1934. 136 с. 29. Сисин В.Д. Установка для приготовления водотопливной эмульсии // Речной транспорт, 1984, № 10. С. 32 – 33. 30. Тув И.А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. – Л.: Судостроение, 1968. – 314 с. 31. Чудаков Е.А. Основные проблемы сгорания в автотракторных поршневых двигателях // Сгорание в транспортных поршневых двигателях. М.: Изд-во АН СССР, 1951. 352 с. 32. Павлов Б.П., Батуев С.П., Щевелев К.В. Подготовка водомазутных эмульсий для сжигания в топочных устройствах. В кн.: Повышение эффективности использования газообразного и жидкого топлива в печах и отопительных котлах. - Л.: Недра, 1983 –216 с. 33. Иванов В.М. Топливные эмульсии, М., 1962.