СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ СМЕСИ
METHOD OF PRODUCING WATER-FUEL MIXTURE

Изобретение относится к технологии синтеза углеводородного топлива, которая может использоваться в химической промышленности и теплоэнергетике. Синтезируемая водотопливная смесь может применяться для получения тепловой энергии, преобразуемой в электрическую энергию. Способ получения водотопливной смеси может применяться для переработки жидких и газообразных отходов нефтепереработки и утилизации стоков химической водоочистки, используемых в качестве компонентов топливной смеси.
Из уровня техники известны различные средства и методы получения водотопливных смесей. Так, например, в патенте RU 2418840 C2 описана система синтеза жидкого топлива, включающая реформинг-аппарат, преобразующий углеводородный сырьевой материал, содержащий газообразный монооксид углерода и водород в качестве основных компонентов. В реакторе осуществляется синтез жидких углеводородов из газообразного монооксида углерода и молекулярного водорода. Синтезированные жидкие углеводороды обрабатываются и нагреваются. В качестве теплоносителя нагревательного устройства используется отработанный газ, полученный при сжигании газообразного топлива в горелке реформинг-аппарата. Обработка жидких углеводородов производится с помощью ректификационной колонны, в которой происходит фракционная разгонка жидких углеводородов. В реакторе осуществляется гидрирование жидких углеводородов. Известный метод позволяет повысить тепловую эффективность процесса синтеза жидкого топлива.
В патенте FR 2313437 B1 представлен способ преобразования угля в углеводородное бессвинцовое топливо (бензин) за счет разложения полученного из угля синтез-газа на алюмосиликатом цеолитовом катализаторе. В соответствии с известным способом осуществляется взаимодействие угля с кислородом и водой при температуре от 800 до 1000°С. В результате взаимодействия синтезируется газ, содержащий оксиды углерода, молекулярный водород и метан. На втором этапе технологического процесса из синтез-газа при каталитическом разложении на алюмосиликатном цеолитном катализаторе образуются продукты реакции, содержащие воду и жидкие углеводороды. На последующих этапах из жидких углеводородов формируется бензиновая фракция. После этого происходит разделение продуктов реакции на этан, этилен и сырье, полученное алкирированием. Затем алкилат отделяют от других фракций и смешивают с бензином. Остаточный синтез-газ используют для газификации угля перед конверсией.
В патенте RU 2217477 C1 описана установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива путем сжигания и термической переработки углей. С помощью установки при сжигании низкосортного энергетического угля получают тепловую энергию и высококачественный синтез-газ, состоящий из водорода и окиси углерода. Установка включает в свой состав бункер для измельченного угля; резервуар для воды; диспергатор, предназначенный для получения водоугольного топлива; газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов. Распределительное устройство для водоугольного топлива связано с диспергатором и с камерой газификации водоугольного топлива. В камере осуществляется принудительное завихрение потока. В нижней части камеры размещены горелки, с помощью которых осуществляется распыление водоугольного топлива. Продукты сгорания водоугольного топлива разделяются с помощью секционированного теплообменника-сепаратора на золу, воду, азот и углекислый газ. Камера сжигания водоугольного топлива связана с теплообменником-сепаратором и распределительным устройством для водоугольного топлива.
При осуществлении технологического процесса получения синтез-газа с помощью описанной выше установки повышается эффективность выработки синтез-газа из водоугольного топлива. Предварительно измельченный уголь из бункера подают в диспергатор, в который поступает вода из резервуара. Готовое водоугольное топливо по трубопроводу подается в распределительное устройство, а затем в камеры сжигания и газификации. Распыление топлива в камере сжигания производится в воздушной среде с помощью горелок, установленных на крышке камеры сжигания. В камере газификации топливо распыляется в среде углекислого газа. Продукты сгорания топлива выводятся из камеры сжигания, нагревая наружную стенку камеры газификации. Для интенсификации процесса газификации внутри камеры газификации установлены завихрители потока, с помощью которых реагирующая смесь отбрасывается к стенке камеры газификации, нагреваемой обтекающим ее снаружи горячим потоком продуктов сгорания топлива.
Продукты сгорания топлива по системе трубопроводов поступают в теплообменник-сепаратор, где происходит отделения золы, воды, углекислого газа и азота. Воду частично направляют в распределительное устройство, из которого она поступает в диспергатор для приготовления топлива. Остальная часть воды поступает в камеру газификации. Углекислый газ из секции отделения углекислого газа подается в камеру газификации. Азот сбрасывают в атмосферу. Продукты газификации по трубопроводу направляют в сепаратор, из которого зольные продукты отправляют в отвалы, а топливный газ, состоящий из молекулярного водорода и окиси углерода, - потребителю.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ приготовления дисперсной водотопливной смеси, представленный в описании к патенту RU 2468294 C1. Известный способ предназначен для использования на тепловых электростанциях с паросиловыми установками, работающими на твердом пылевидном топливе (угольная пыль) или на тяжелом жидком топливе (мазуте). Котельная установка содержит котел с топочной камерой, в которой установлено горелочное устройство; топливоподающее устройство; газовый тракт и систему химической водоочистки. В состав котельной установки входит устройство для приготовления дисперсной водотопливной смеси и дополнительное горелочное устройство. Вход устройства по топливу соединен с топливоподающим устройством, вход по воде - с приемником стоков химической водоочистки, а выход - через дополнительное горелочное устройство с топочной камерой.
Для приготовления водотопливной смеси часть подаваемого в горелочное устройство топлива направляется из топливоподающей системы в смесительную камеру вместе со стоками системы химической водоочистки. В результате образуется дисперсная смесь в виде водоугольной суспензии. Полученную суспензию направляют для сжигания в топочную камеру через дополнительное горелочное устройство. Содержащиеся в смеси твердые частицы осаждаются вместе с продуктами сгорания и отделяются от дымовых газов совместно с частицами золы в золоулавливающем устройстве. Описанный способ-аналог позволяет снизить загрязнение окружающей среды стоками химической водоочистки, которые используются в процессе осуществления способа для подготовки водотопливной смеси, подаваемой в котельную установку.
С помощью известных методов синтеза водотопливной смеси в процессе газификации дисперсного углерода получают синтез-газ, включающий в свой состав монооксид углерода и молекулярный водород. Газификацию проводят в присутствии газофицирующих агентов, в качестве которых используется водяной пар и кислород.
Для способов подготовки водотопливной смеси характерна общая техническая проблема, связанная с использованием в составе смеси газообразного молекулярного водорода, обладающего при смешении с кислородом воздушной среды высокой взрывоопасностью даже при малых объемных концентрациях (от 4%). Образование молекулярного водорода связано с использованием при осуществлении способов-аналогов технологии сжигания дисперсного углерода в среде распыленной воды или водного раствора. В результате сжигания и термической переработки водоугольной смеси образуются следующие компоненты: газообразный молекулярный водород, монооксид водорода, пар и минеральное сырье. По сравнению с атомарным водородом молекулярный (двухатомный) водород обладает не только высокой взрывоопасностью в воздушной среде, но и более низкой химической активностью. Использование вместо молекулярного атомарного водорода, имеющего более высокую реакционную активность, позволяет увеличить энергетическую эффективность синтезируемого топлива при взаимодействии с кислородом за счет энергии химической связи атомов, которая высвобождается при рекомбинации атомов водорода.
Принимая во внимание указанные выше технические проблемы, связанные со свойствами водотопливной смеси, синтезируемой традиционными методами, изобретение направлено на получение водотопливной смеси, содержащей атомарный водород в концентрации, существенно превышающей концентрацию молекулярного водорода. Синтезируемая водотопливная смесь должна быть пригодна для безопасного и эффективного (по выделяемой тепловой энергии) использования при взаимодействии с кислородом воздуха. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность использования в качестве компонентов исходного сырья для синтеза водотопливной смеси отходов нефтепереработки и стоков химической водоочистки.
Достигаемые технические результаты заключаются в обеспечении безопасности использования синтезируемой водотопливной смеси в воздушной среде и повышении энергетической эффективности смеси при взаимодействии с кислородом.
Технические результаты достигаются за счет реализации способа получения водотопливной смеси. Способ включает приготовление водоугольной суспензии, содержащей частицы ультрадисперсного углерода, подачу в смесительную камеру водоугольной суспензии и углеводородного топлива, и нагрев полученной в смесительной камере смеси.
Согласно изобретению приготовление водоугольной суспензии осуществляют путем смешения воды или водного раствора с частицами ультрадисперсного углерода, насыщенных поверхностно-активным веществом (ПАВ). Массовое содержание частиц ультрадисперсного углерода в приготовленной суспензии выбирают не менее 0,03%. Диапазон оптимальных значений массовой концентрации частиц ультрадисперсного углерода в суспензии составляет от 0,03 до 6%. Водоугольную суспензию и углеводородное топливо одновременно подают в смесительную камеру, где нагревают смесь до образования перегретого пара при температуре, превышающей температуру кипения суспензии. Полученную парогазовую смесь направляют в реакционную камеру, в которой нагревают смесь до температуры не менее 500°С до образования водородосодержащей парогазовой смеси. Диапазон оптимальных значений температуры, до которой нагревают смесь, составляет от 500 до 950°С
Одним из преимуществ способа является возможность использования в качестве углеводородного топлива продуктов нефтепереработки, например мазута, сжиженного нефтяного газа или, нефтяных масел.
Для температурной стабилизации химических процессов, происходящих в реакционной камере, внутреннюю полость камеры заполняют легкоплавким сплавом металлов. Температура плавления легкоплавкого сплава должна быть ниже рабочей температуры в камере. В качестве легкоплавкого сплава может использоваться сплав из группы баббитов. Объем камеры, заполненный легкоплавким сплавом металлов, предпочтительно выбирается в диапазоне от 2 до 6% от общего объема камеры.
Указанные технические результаты достигаются при осуществлении способа за счет получения высокой концентрации атомарного водорода в синтезируемой водотопливной смеси. Замещение молекулярного водорода атомарным водородом обеспечивает взрывобезопасность систем сжигания топлива и увеличение тепловыделения при сжигании водотопливной смеси.
Следует отметить, что при использовании традиционных способов получения атомарного водорода путем диссоциации молекул водорода требуется нагрев газа до достаточно высоких температур. Для увеличения количества диссоциировавших молекул водорода до 60% температура газа должна поддерживаться на уровне 4000°С. Диссоциация молекул водорода на атомы при использовании традиционных методов происходит при поглощении энергии 436 кДж/моль.
В процессе химического взаимодействия молекулы водорода должны сначала диссоциировать на атомы, поглощая энергию. При использовании атомарного водорода дополнительных затрат энергии не требуется, поэтому атомарный водород обладает гораздо более высокой химической активностью по сравнению с молекулярным водородом и сильной восстановительной способностью. В процессе взаимодействия атомов водорода с кислородом происходит выделение энергии связи атомов водорода при образовании молекул воды. Данный принцип используется, например, в технологических процессах сварки для нагрева металлов до температур свыше 4000°С.
Необходимо учитывать, что реакция диссоциации молекулярного водорода () обратима, однако чем выше температура, тем сильнее равновесие реакции сдвинуто вправо. Поэтому при достаточно высоком уровне температур необходимая концентрация атомарного водорода в топливной смеси может поддерживаться в течение продолжительного периода времени, требующегося для подачи смеси в топочную камеру и ее сжигания в среде кислорода воздуха.
Для получения водородосодержащей парогазовой смеси, включающей преимущественно атомарный водород, при осуществлении способа не требуется нагрев смеси до температур свыше 4000°С, как это происходит при использовании традиционных методов генерации атомарного водорода, основывающихся на применении электродуговых устройств. Температура водотопливной смеси в реакционной камере должна быть не менее 500°С. Диапазон оптимальных значений температуры лежит в пределах от 500 до 950°С. При температурах более 950°С требуется использование в качестве конструкционных материалов оборудования специальных жаропрочных и жаростойких сплавов, что не всегда оправдано при проектировании технологических установок.
В качестве исходного сырья используется водоугольная суспензия, полученная путем смешения воды или водного раствора, содержащего продукты химической водоочистки, с частицами ультрадисперсного углерода, насыщенных ПАВ. Насыщенные ПАВ частицы ультрадисперсного углерода служат катализатором химического процесса, протекающего при нагреве водотопливной смеси в реакционной камере:
2
4
2
2HO+С+ПАВ+СН=CO+8Н↑+С+ПАВ
Массовое содержание частиц ультрадисперсного углерода в приготовленной суспензии должно быть не менее 0,03%. Диапазон оптимальных значений массового содержания частиц ультрадисперсного углерода в суспензии составляет от 0,03 до 6%.
При соблюдении температурного режима нагрева водотопливной смеси в реакционной камере и выбранных значениях массового содержания ультрадисперсного углерода в реакционной камере образуется водородосодержащая парогазовая смесь с объемным содержанием атомарного водорода не менее 20% (от объема парогазовой смеси в камере). В пределах оптимальных значений массовой концентрации частиц углерода наблюдается рост объемного содержания атомарного водорода. При увеличении массовой концентрации частиц углерода более 6% практически прекращается рост объемного содержания атомарного водорода. Вследствие этого оптимальные значения массовой концентрации частиц углерода выбирают в диапазоне от 0,03 до 6%.
Высокое содержание атомарного водорода в водотопливной смеси и замещение им молекулярного водорода обеспечивает взрывобезопасность процесса получения и сжигания топлива. Кроме того, существенно увеличивается энерговыделение (теплота сгорания) при сгорании водотопливной смеси в кислороде воздушной среды. За счет высокой энергетической эффективности получаемой водородосодержащей парогазовой смеси температура в топочной камере при сжигании смеси в горелочном устройстве может достигать до 3000°С.
В качестве углеводородного топлива, подаваемого в смесительную камеру одновременно с водоугольной суспензией, наряду с газообразными углеводородами, такими как метан, этан, бутан, пропан, могут использоваться продукты нефтепереработки, в том числе мазут, бензин, керосин, сжиженный нефтяной газ, нефтяные масла.
Для стабилизации температурных режимов химических процессов, протекающих в реакционной камере, внутреннюю полость камеры частично заполняют легкоплавким сплавом металлов, температура плавления которого меньше рабочей температуры в камере. В качестве легкоплавкого сплава металлов может использоваться сплав из группы баббитов. Основными компонентами таких сплавов являются легкоплавкие металлы: олово, свинец, сурьма и медь. Температура плавления баббитов составляет от 300 до 450°С.
Легкоплавкий сплав, частично заполняющий внутреннюю полость реакционной камеры, выполняет функцию термостабилизатора при изменениях температуры в камере. Компенсация отклонения температуры от заданных значений происходит за счет теплообмена сплава металлов с парогазовой смесью, заполняющей камеру, и фазовых превращений сплава. Для эффективного выполнения легкоплавким сплавом функции теплового стабилизатора и оптимального использования рабочего пространства объем камеры, заполненный легкоплавким сплавом металлов, выбирают в диапазоне от 2 до 6% от общего объема камеры.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров осуществления способа получения водотопливной смеси. На прилагаемом чертеже изображена общая схема установки, применяемой для осуществления способа получения водотопливной смеси.
Установка содержит блок подготовки водоугольной суспензии (БВС) 1, систему хранения и подачи углеводородного топлива (СУТ) 2. Блок 1 соединен с входом управляемого клапана подачи водоугольной суспензии (КПС) 3, а система 2-е входом управляемого клапана подачи углеводородного топлива (КПТ) 4. В состав установки входит смесительная камера (СК) 5, сообщенная с выходами клапанов 3 и 4; пусковая горелка (ПГ) 6, соединенная через питающую топливную магистраль с системой 2. Установка содержит реакционную камеру (РК) 7, соединенную с выходом смесительной камеры 5, и горелочное устройство (ГУ) 8. Пусковая горелка 6 и горелочное устройство 8 снабжены магистралями подачи воздуха. Камеры 5 и 7, пусковая горелка 6 и горелочное устройство 8 размещены в топочной камере (ТК) 9, которая установлена в котле установки (на чертеже не показан). С внешней средой топочная камера 9 сообщена через дымовую трубу (ДТ) 10, через которую выводятся дымовые газы. Управляемые клапаны 3 и 4, выполняющие дополнительную функцию теплообменных устройств, установлены на дымовой трубе 10 с образованием с ее внешней поверхностью теплового контакта.
Способ получения водотопливной смеси осуществляется с помощью установки, изображенной на поясняющем чертеже, следующим образом.
Водоугольная суспензия приготавливается в блоке 1 путем смешения воды с частицами ультрадисперсного углерода, которые предварительно насыщаются ПАВ. Диапазон оптимальных значений массовой концентрации частиц ультрадисперсного углерода в суспензии составляет от 0,03 до 6%.
2
Насыщение ультрадисперсных частиц углерода ПАВ осуществляется в соответствии с известным технологическим процессом, описанным в патенте RU 2457241 C1 (опубликован 27.07.2012). Для приготовления суспензии используются частицы ультрадисперсного углерода размером от 2 до 200 нм и эффективной удельной поверхностью не менее 700 м/г.Частицы углерода вводятся в насыщенный раствор или концентрат ПАВ. Полученную смесь перемешивают до полного насыщения частиц углерода насыщенным раствором или концентратом ПАВ. Полученные частицы углерода, насыщенные ПАВ, используются в качестве катализатора в последующих химических процессах переработки топливной смеси.
В других вариантах реализации способа насыщенные ПАВ частицы ультрадисперсного углерода могут смешиваться в блоке 1 не только с водой, но и с водным раствором, содержащим стоки химической водоочистки и/или иные загрязняющие примеси.
С помощью системы 2 осуществляется хранение и подача углеводородного топлива в питающие магистрали установки. В качестве углеводородного топлива в рассматриваемом примере реализации способа используется газообразный метан. Следует отметить, что наряду с газообразными углеводородами (метан, этан, пропан, бутан и др.) в качестве углеводородного топлива могут использоваться жидкие продукты нефтепереработки, в том числе мазут, бензин, керосин, сжиженный нефтяной газ, нефтяные масла.
При открытии управляемых клапанов 3 и 4 водоугольная суспензия и углеводородное топливо одновременно поступают по отдельным питающим магистралям в смесительную камеру 5. Углеводородное топливо подается также через отдельную питающую магистраль в пусковую горелку 6. Через вторую питающую магистраль в пусковую горелку 6 подается воздух. Управление подачей в пусковую горелку 6 воздуха и углеводородного топлива осуществляется с помощью управляемых клапанов, входящих в состав горелки (на чертеже не показаны).
С помощью пусковой горелки 6 производится предварительный нагрев смесительной камеры 5 и реакционной камеры 7 до рабочей температуры, при которой происходит запуск химических процессов синтеза топлива. Смесь водоугольной суспензии и углеводородного топлива в смесительной камере 5 нагревают до образования перегретого пара при температуре, превышающей температуру кипения водоугольной суспензии. В рассматриваемом примере реализации способа температуру перегретого пара в смесительной камере 5 поддерживают в диапазоне от 150 до 350°С.
Полученная в смесительной камере 5 парогазовая смесь направляется в реакционную камеру 7, где происходит нагрев смеси до оптимальных значений температуры в диапазоне от 500 до 950°С. При рабочих значениях температуры (не менее 500°С) протекает химическая реакция каталитического разложения компонентов смеси, в результате которой образуется атомарный водород:
2
4
2
2HO+С+ПАВ+СН=CO+8Н↑+С+ПАВ
В качестве катализатора реакции используются частицы ультрадисперсного углерода, насыщенные ПАВ. Размер частиц ультрадисперсного углерода составляет от 2 до 200 нм. Объемная концентрация водорода в газообразных продуктах реакции при выбранном диапазоне рабочих температур превышает 20%.
2
Полученную водородосодержащую парогазовую смесь направляют в горелочное устройство 8, в которое подается воздух. Управление подачей воздуха и парогаовой смеси в горелочное устройство 8 производится с помощью управляемого клапанного механизма, входящего в состав горелочного устройства (на чертеже не показан). В результате взаимодействия атомарного водорода с кислородом воздушной среды в присутствии катализатора (С+ПАВ) образуется вода в форме пара: 2Н+O=HO (пар).
Данная реакция является экзотермической с выделением большого количества тепловой энергии, что связано не только с горением (окислением) водорода, но и с высвобождением энергии химической связи атомов водорода, поглощаемой при диссоциации молекул водорода (436 кДж/моль).
За счет протекания указанной реакции температура газовой среды в топочной камере 9 увеличивается до 2000°С и выше. Газообразные продукты реакции (дымовые газы) выводятся из топочной камеры 9, в которой установлены камеры 5 и 7, пусковая горелка 6 и горелочное устройство 8, через дымовую трубу 10. За счет теплового контакта между поверхностью дымовой трубы 10 и клапанами 3 и 4, выполняющими функцию теплообменных устройств, происходит теплообмен между дымовыми газами, с одной стороны, и водоугольной суспензией и углеводородным топливом, с другой стороны. В результате теплообмена сырьевые продукты нагреваются перед подачей в смесительную камеру 5 при использовании тепловой энергии продуктов сгорания водотопливной смеси.
Тепловая энергия, выделяемая в топочной камере 9 при горении водородосодержащей парогазовой смеси в горелочном устройстве 8, расходуется на нагрев камер 5 и 7, остальная часть тепловой энергии может быть преобразована в электрическую энергию с помощью системы преобразования энергии. После запуска установки при достижении расчетного рабочего режима тепловыделения в топочной камере 9 производится отключение подачи воздуха и углеводородного топлива в пусковую горелку 6.
Рабочий температурный режим в топочной камере 9 поддерживается за счет регулирования подачи водоугольной суспензии и углеводородного топлива в смесительную камеру 5. Компенсация кратковременных изменений температуры в реакционной камере 7 осуществляется с помощью легкоплавкого баббитового сплава, заполняющего 4% общего объема камеры. В качестве легкоплавкого сплава в рассматриваемом примере осуществления способа используется баббитовый сплав Б16 на основе олова, сурьмы, меди и свинца. Температура плавления сплава Б16 составляет 480°С (полное расплавление всех компонентов сплава).
Компенсация отклонений температуры от заданных значений рабочего интервала происходит за счет теплообмена с парогазовой смесью, заполняющей реакционную камеру 7, и фазовых превращений сплава. При снижении температуры парогазовой смеси в газовой полости реакционной камеры 7 ниже 500°С происходит нагрев смеси за счет теплоотдачи со стороны перегретого сплава металлов, находящегося в камере 7 в жидком состоянии и обладающего высокой теплоемкостью. При остывании сплава до температуры плавления и ниже происходит фазовый переход сплава в твердое состояние. В случае повышения температуры в камере 7 более 1000°С сплав нагревается за счет конвективного теплообмена между перегретой парогазовой смесью и жидким сплавом металлов, находящимся в камере 7 при более низкой температуре, а температура парогазовой смеси снижается до заданных значений в рабочем диапазоне температур (от 500 до 950°С). Аналогичным образом процесс температурной компенсации может быть организован и в смесительной камере 5.
При реализации способа получения водотопливной смеси в случае утилизации промышленных отходов в качестве исходного сырья используют водоугольную суспензию, полученную путем смешения водного раствора, содержащего продукты химической водоочистки (промышленных отходов), с частицами ультрадисперсного углерода, насыщенных ПАВ. В качестве углеводородного топлива применяются продукты нефтепереработки, в частности сжиженный нефтяной газ и нефтяные масла. Способ осуществляется аналогично описанному выше технологическому процессу. Полученные при сжигании водотопливной смеси твердые неорганические отходы (продукты химических реакций) отфильтровываются и удаляются из топочной камеры 1 для последующей утилизации.
Достижение технических результатов, связанных с получением водородосодержащей парогазовой смеси с высоким содержанием атомарного водорода подтверждается результатами проведенных экспериментальных исследований. В таблице №1 представлены экспериментальные данные, подтверждающие достижение технических результатов, которые получены при пошаговом изменении температуры в реакционной камере от 450 до 1000°С. В процессе проведения исследований использовалась водоугольная суспензия, полученная путем смешения водного раствора, содержащего стоки химической водоочистки, с частицами ультрадисперсного углерода, насыщенными ПАВ. Массовое содержание частиц ультрадисперсного углерода в приготовленной смеси составляло 3,5% в соответствии с условием выбора значений массовой концентрации (не менее 0,03%) и диапазоном оптимальных значений массовой концентрации частиц ультрадисперсного углерода (от 0,03 до 6%).
Технические результаты оценивались по объемному содержанию атомарного водорода, замещающего молекулярный водород (по сравнению с известными способами-аналогами), и по температуре факела пламени, образующегося при сжигании водотопливной смеси в горел очном устройстве 8. Следует отметить, что температура факела пламени горелочного устройства зависит от величины тепловыделения при сжигании смеси в кислороде воздуха, т.е. от энергетической эффективности используемой водотопливной смеси.
При проведении первой серии испытаний, результаты которых представлены в таблице №1, устойчивая работа установки наблюдалась в пределах расчетных значений температур парогазовой смеси, находящейся в реакционной камере (от 500°С и выше). При значениях температуры ниже 500°С наблюдалось прекращение устойчивого горения пламени в горелочном устройстве 8.
При увеличении температуры в реакционной камере выше 950°С происходит существенное увеличение температуры пламени при сжигании водотопливной смеси до 2500°С и выше. Вследствие этого к конструкционным материалам, применяемым в составе устройств, узлов и блоков установки, предъявляются более высокие требования. При указанном уровне температур пламени в топочной камере необходимо использовать специальные жаропрочные и жаростойкие сплавы. Учитывая данные дополнительные требования, наиболее оптимальные значения рабочей температуры парогазовой смеси в реакционной камере выбираются в диапазоне от 500 до 950°С.
В таблице №2 представлены экспериментальные данные, которые были получены при пошаговом изменении массового содержания частиц ультрадисперсного углерода в водоугольной суспензии от 0,02 до 7%. При проведении исследований использовалась водоугольная суспензия, полученная путем смешения водного раствора, содержащего стоки химической водоочистки, с частицами ультрадисперсного углерода, насыщенными поверхностно-активным веществом. Температура в реакционной камере 7 поддерживалась при температуре 850°С в соответствии с диапазоном оптимальных значений температуры: от 500 до 950°С. Технические результаты, полученные при проведении второй серии исследований, оценивались аналогично первой серии исследований по объемному содержанию атомарного водорода в парогазовой смеси и по температуре пламени, образующегося при сжигании водотопливной смеси в горелочном устройстве 8.
Устойчивая работа установки наблюдалась в пределах значений массового содержания частиц ультрадисперсного углерода в приготовленной водоугольной суспензии от 0,03% и выше. При более низких значениях массового содержания частиц ультрадисперсного углерода наблюдалось прекращение устойчивого горения пламени в горелочном устройстве 8. При увеличении массовой концентрации частиц ультрадисперсного углерода более 6% не происходило существенного роста объемного содержания атомарного водорода в парогазовой смеси, при этом температура пламени при сжигании водотопливной смеси незначительно снижалась. Данное явление связано с интенсификацией процессов тепломассобмена при увеличении количества твердой дисперсной фазы в водотопливной смеси. С учетом указанного явления оптимальные значения массового содержания частиц ультрадисперсного углерода в водоугольной суспензии выбираются из диапазона массовой концентрации от 0,03 до 6%.
Выбор оптимального объема реакционной камеры, заполненного легкоплавким сплавом металлов, в диапазоне от 2 до 6% от общего объема камеры связан с условиями теплообмена между парогазовой смесью и заполняющим камеру легкоплавким сплавом металлов. При уменьшении количества сплава в полости камеры ниже 2% (по объему) не обеспечивается температурная компенсация при отклонениях от рабочего температурного режима. Отсутствие эффекта компенсации обусловлено недостаточным количеством накопленной в расплаве тепловой энергии для существенного влияния на теплообмен с парогазовой смесью. С другой стороны, при увеличении объема, заполненного легкоплавким сплавом, свыше 6% уменьшается рабочий объем камеры, заполненный парогазовой смесью, и увеличиваются затраты энергии на поддержание легкоплавкого сплава в жидком состоянии.
Представленные выше экспериментальные данные подтверждают возможность безопасного использования синтезируемой водотопливной смеси и повышение ее энергетической эффективности при взаимодействии с кислородом воздушной среды.
Приведенные данные о примерах осуществления способа получения водотопливной смеси основываются на конкретных технических средствах, используемых для реализации способа, и значениях рабочих параметров, однако это не исключает возможности достижения технических результатов и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно описано в независимом пункте формулы. В зависимости от технических требований, предъявляемых к составу и количеству синтезируемой водотопливной смеси, выбираются размеры смесительной и реакционной камер, вспомогательное оборудование и устройства, расходные характеристики пусковой горелки и горелочного устройства, а также массовое содержание частиц ультрадисперсного углерода, состав водоугольной суспензии и температурные режимы, поддерживаемые в смесительной и реакционной камерах в соответствии с условиями, включенными в формулу изобретения. В частности, для температурной компенсации теплового режима в смесительной камере может использоваться легкоплавкий сплав металлов, частично заполняющий полость камеры, аналогично заполнению легкоплавким сплавом реакционной камеры.
Изобретение может найти применение в технологических процессах по переработке отходов нефтеперерабатывающих предприятий и утилизации стоков химической водоочистки, а также при проектировании теплогенерирующих систем и установок, которые могут включать в свой состав средства преобразования тепловой энергии в электрическую.
Перечень изображенных на чертеже цифровых и буквенных обозначений структурных элементов установки, предназначенной для осуществления способа получения водотопливной смеси:
1 - блок подготовки водоугольной суспензии (БВС);
2 - система хранения и подачи углеводородного топлива (СУТ);
3 - управляемый клапан подачи водоугольной суспензии (КПС);
4 - управляемый клапан подачи углеводородного топлива (КПТ);
5 - смесительная камера (СК);
6 - пусковая горелка (ПГ);
7 - реакционная камера (РК);
8 - горелочное устройство (ГУ);
9 - топочная камера (ТК);
10 - дымовая труба (ДТ).