СПОСОБ И СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
METHOD AND SYSTEM OF WATER-FUEL EMULSION PRODUCTION FOR THE BOILER PLANTS

Изобретение относится к системам топливоподготовки котельных мазутов и может быть использовано для получения высококачественной водотопливной эмульсии (ВТЭ) для сжигания ее в котельных установках.
При соответствующей топливоподготовке в судовых и стационарных котлах можно экономично сжигать обводненные мазуты с содержанием воды до 30%. Для этого в систему топливоподготовки подключают гомогенизатор или диспергатор, назначение которых - превращать обводненный мазут в однородную дисперсную смесь. При этом важно, чтобы раздробленные включения воды были как можно мельче по размерам гранул и однороднее по их количественному распределению в мазуте. Это является необходимым условием качественного сгорания водотопливной эмульсии (ВТЭ) в котлах.
Известны способы и созданные для этих способов устройства получения ВТЭ путем гомогенизации обводненного мазута, например, роторного Blend-TEC, МК-П, клапанного IMO Marine, Швеция, струйного Dodwell, Япония, принципа действия. Эти способы и системы позволяют создать ВТЭ различного качества и с использованием различных энергозатрат. Однако все устройства дороги, а распределение частиц воды в мазуте получается неравномерным, что снижает КПД котельной установки.
Наиболее близким аналогом для предлагаемых способа и системы является способ получения ВТЭ по патенту РФ 2482906, опубл. 27.05.2013 (Гидродинамический способ приготовления водотопливной эмульсии и гидродинамический кавитационный реактор). Согласно этому способу водотопливную эмульсии получают путем гидродинамической обработки водотопливной смеси в квитанционном реакторе.
Известная система получения водотопливной эмульсии для котельных установок содержит расходную цистерну, которая через квитанционную емкость соединена с системой подачи водотопливной эмульсии в котельную установку (см. тот же патент РФ №2482906, опубл. 27.05.2013).
Недостатком упомянутого способа и известной системы является низкое качество ВТЭ из-за, как показал гранулометрический анализ ВТЭ на оптико-электронной установке Wideomat (фиг. 1), недостаточно равномерного распределения по размерам гранул воды в массе мазута, а также большие энергозатраты при использовании системы и, следовательно, низкий КПД работы котельной установки.
Предлагаемый способ получения ВТЭ - один из альтернативных вариантов получения более качественной ВТЭ для сжигания в котельных установках с минимальными потерями тепла и повышенным КПД котельной установки.
Таким образом, задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, это повышение качества ВТЭ, т.е. создание более однородной и мелкодисперсной эмульсии, а также повышение КПД котельной установки за счет создания условий для наиболее полного сгорания мазута.
Для решения поставленной задачи, как и в наиболее близком аналоге, получают водотопливную эмульсию для котельных установок путем кавитационной обработки водотопливной смеси в кавитационной емкости.
Отличие состоит в том, что в кавитационной емкости на водотопливную смесь действуют импульсным электрическим током, подаваемым на два электрода, размещенных в кавитационной емкости, при этом величина напряжения равна напряжению пробоя воды в водотопливной смеси.
Также для решения поставленной задачи, как и в наиболее близком аналоге, система получения водотопливной эмульсии для котельных установок содержит расходную цистерну, которая соединена с кавитационной емкостью, другой вход которой соединен с дозатором подачи воды, а выход соединен с системой подачи водотопливной эмульсии в котельную установку.
Отличие состоит в том, что в кавитационной емкости размещены два плоскопараллельных электрода, которые через параллельно подключенный к ним конденсатор и соответствующие балластные сопротивления подключены к соответствующим входам источника импульсного напряжения.
Отличие состоит также в том, что расстояние между упомянутыми электродами соизмеримо с максимальным размером капли воды в водотопливной смеси.
На фиг. 1 показана ВТЭ под микроскопом, где:
1.1 - ВТЭ с 20% содержанием воды в мазуте IFO- 380 до обработки;
1.2 - ВТЭ с 20% содержанием воды в мазуте IFO-380 после обработки с помощью способа-прототипа;
1.3 - ВТЭ с 20% содержанием воды в мазуте IFO-380 после обработки предлагаемым способом.
На фиг. 2 приведены гистограммы распределения частиц воды в мазуте по их размерам и количественному составу, где:
2.1 - ВТЭ с содержанием воды 20% в мазуте IFO-380 до обработки:
2.2 - ВТЭ с содержанием воды 20% в мазуте IFO-380 после обработки с помощью способа-прототипа:
2.3 - ВТЭ с содержанием воды 20% в мазуте IFO-380 после обработки предлагаемым способом. Обозначения, используемые на фиг .2: n - количество частиц; к - размер частиц в мкм в окуляре;
На фиг. 3 представлена схема системы получения водотопливной эмульсии для котельных установок, где изображено: расходная цистерна 1, через квитанционную емкость 2 соединена с системой 3 подачи ВТЭ в котельную установку. К другому входу кавитационной емкости 2 подсоединен дозатор подачи воды 4. Система 3 подачи ВТЭ в котельную установку может состоять, например, из соединенных последовательно насоса 5, нагревателя 6, фильтров 7 и форсунки 8. В кавитационной емкости 2 размещены два плоскопараллельных электрода 9, которые через параллельно подключенный к ним конденсатор 10 и соответствующие балластные сопротивления 11 и 12 подключены к соответствующим входам источника 13 импульсного напряжения. Наиболее эффективное расстояние между электродами 9 составляет, например, 8 мм при размере капли воды в мазуте 2-8 мм до начала ее дробления. Емкость конденсатора 10 и напряжение источника 13 импульсного напряжения зависят от максимальной вязкости водотопливной смеси и могут составлять, например, 3500-4000 пФ и 1200-1500 В соответственно.
В предлагаемом решении использован электрогидравлический эффект при электрическом разряде. Как показали исследования, действие эффекта состоит в том, что при электрическом разряде возникает гидравлический удар и практически несжимаемая жидкость с огромной скоростью раздвигается во все стороны от линии разряда, создавая полость кавитации. Затем полость с такой же скоростью смыкается, создавая второй «кавитационный» гидравлический удар. На этом цикл заканчивается и может обновляться подачей новых электрических импульсов с определенной частотой.
Капли воды, помещенные в зону разряда, разрушаются. Это осуществляется вследствие совместного действия комплекса факторов, возникающих во время высоковольтного искрового разряда:
- механического ударного действия высоких и сверхвысоких гидравлических давлений;
- мощных кавитационных процессов;
- мощного звукового и ультразвукового излучения;
- резонансных явлений.
Использование упомянутых явлений для систем топливоподготовки имеет свои особенности, так как вода имеет существенную электропроводимость, а мазут - хорошие электроизолирующие свойства.
Установлено, что при небольших расстояниях между плоскопараллельными электродами, пользуясь источниками постоянного напряжения с параллельно подключенным конденсатором с емкостью 4000 пФ, при попадании топлива, имеющего каплю воды, в межэлектродном пространстве возникает электрический разряд, замыкающийся через каплю, и, используя энергию конденсатора, возникает микровзрыв, дробящий каплю. Микровзрыв возникает в случаях, когда диаметр капли воды меньше расстояния между электродами. Так, при расстоянии между электродами 8 мм капля воды дробится при напряжении 1,5 кВ до размера 3-5 мкм.
Как показывает гистограмма фиг. 2.1, распределение частиц воды в мазуте до обработки охватывает диапазон по их размеру от 3 до 30 мкм; гистограмма фиг. 2.2 показывает основной массив частиц от 5 до 19 мкм после обработки с помощью способа-прототипа; гистограмма фиг. 2.3 охватывает основной массив частиц от 3 до 13 мкм после обработки с помощью предлагаемого способа.
Таким образом, область распределения частиц по их размерам сдвинулась к более мелким величинам, что указывает на преимущество предлагаемого способа обработки ВТЭ.
Предлагаемая система получения водотопливной эмульсии для котельных установок работает следующим образом.
В кавитационную емкость 2, куда поступает мазут из расходной цистерны 1 и вода из дозатора 4 подачи воды, вмонтированы два электрода 9, например, на расстоянии одной трети от верхнего края упомянутой емкости 2. Расстояние между электродами 9 можно регулировать, например, нанесенной на них винтовой нарезкой.
Из соответствующего трубопровода через дозатор 4 подают рассчитанное количество воды. После разряда конденсатора 10 порция полученной ВТЭ поступает в систему 3 подачи ВТЭ в котельную установку, а в квитанционную емкость 2 из расходной цистерны 1 поступает новая порция мазута, а из дозатора 4 - новая порция воды.
Для получения равномерно диспергированных частиц воды в мазуте в диапазоне 5-13 мкм, используют, например, электрический разряд от конденсатора 4000 пФ, с напряжением 1500 В при расстоянии между электродами 8 мм.