Использование водотопливной эмульсии при эксплуатации судовых ДВС

УДК 621.44

Ф. В. Патров, О. С. Вахромеев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДВС

Среди главных задач, стоящих в настоящее время перед машиностроителями во всем мире, - задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). При проектировании современных судовых дизелей особое внимание уделяется их экономичности и минимализации воздействия последствий их эксплуатации на окружающую среду.

Анализ состава отработавших газов (ОГ) судовых дизелей показал, что наиболее токсичными компонентами выбросов в окружающую среду являются оксиды азота (КОх), углерода (СОх), серы (8Ох), углеводороды (НС), твердые сажистые частицы. Их концентрация в ОГ дизеля зависит от многих причин, в том числе от конструкции камеры сгорания, частоты вращения коленчатого вала и температуры горения. Известно, что низкооборотные двигатели вырабатывают больше КОх, чем среднеоборотные или высокооборотные двигатели.

Одним из основных способов снижения расхода энергоносителей и сохранения окружающей среды при эксплуатации судовых дизелей является применение водотопливных эмульсий (ВТЭ).

В высоковязких мазутах, используемых при эксплуатации судовых ДВС, наблюдается повышенное содержание воды в виде отдельных местных скоплений, обусловленное процессами перевозки, перекачки, хранения и подогрева топлива. Использование в качестве топлива специально приготовленных водомазутных эмульсий является одним из эффективных методов, позволяющих устранить негативные последствия этого явления [1, 2]. К проблемам, осложняющим экологическую обстановку, относится и непрерывное накопление сотен тысяч тонн балластных вод, содержащих нефтепродукты. Их источником являются промышленные предприятия, морской и речной флот.

Содержание воды в мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5 % по норме обводненность достигает 12-16 %, а в отдельных случаях - 20-35 %). Из-за того, что плотности мазута и воды мало отличаются, вода не оседает на дне расходной цистерны, а располагается неравномерно слоями в массе топлива. Следовательно, при использовании топлива ускоряется износ цилиндропоршневой группы (ЦПГ) дизеля и деталей топливной аппаратуры. Согласно нормативным документам, водность подаваемого на сжигание мазута не должна превышать 0,3-1,0 % . Традиционно подготовка мазута к подаче его к судовому ДВС сводится в основном к двум операциям: обезвоживанию и нагреву [3, 4].

Мероприятия по осушению мазута испарением воды энергоемки и ведут к потере летучих компонентов топлива. Обезвоживание выполняется в основном путем отстаивания. Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует достаточно большого времени и малоэффективно из-за близости плотностей мазута и воды. Проблема утилизации или очистки таких вод не решается химическими и биологическими методами, т. к. они требуют больших дополнительных площадей, капитальных и эксплуатационных затрат [1].

При использовании ВТЭ получают существенный экономический эффект: повышение КПД дизеля на 3-5 %; снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажа, окислы азота, бен-запирены и другие канцерогенные полициклические ароматические углеводороды) в атмосферу.

Кавитационная обработка водомазутной эмульсии с добавлением кальция и ее последующее сжигание позволяют уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, сернистого ангидрида - в 2-3 раза, оксида углерода - в 2-2,5 раза. Происходят глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллят-ных топливных фракций.

Наибольший экономический эффект и одновременное уменьшение объёма газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15 % воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации вод, загрязненных органическими продуктами, реализуется при уровне водной фазы до 50 %.

Обеспечивается возможность использования некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При содержании воды в эмульсии свыше 20 % по объему качественные показатели процесса горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива. Однако если учесть, что процесс сгорания ВТЭ достаточно стабилен при более высоком содержании воды (до 40-50 %) в зависимости от вида топлива, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства. При этом стоки, даже если они не содержат горючих веществ, можно использовать в качестве водной фазы в мазутных эмульсиях и сжигать их, имея основной задачей именно их уничтожение, а не теплофизические параметры процесса.

Использование гомогенизированной водомазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы КОх и СОх в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, перед поступлением в камеру сгорания, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет 0,1-0,5 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар, преодолевая силы поверхностного натяжения топлива, разрывает топливную оболочку, увеличивая дисперсность подаваемого в цилиндр топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливовоздушной смеси [3].

В высокотемпературной зоне камеры сгорания капля эмульсии взрывается, и происходит вторичное диспергирование топлива. В результате таких микровзрывов в камере сгорания возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива, благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет камеру сгорания. Это приводит к выравниванию температурного поля цилиндровой втулки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в камера сгорания, существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество наддувочного воздуха и уменьшить связанные с ним тепловые потери [5].

Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества расходуемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД судового дизеля при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1 % увеличивается на 1 %. Время пребывания капель в реакционном объеме камеры сгорания 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.

Факел горящего эмульгированного топлива в цилиндре сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с температурой уходящих газов обезвоженного мазута на 30-35 °С. Изменение параметров процесса горения и состава выхлопных газов свидетельствует о повышении эффективности использования данного вида топлива.

Находящаяся в составе ВТЭ 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 вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива.

Гомогенизированная водомазутная смесь имеет заметно меньшую вязкость, чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. При температуре выше 80 °С вязкость водомазутной эмульсии влажностью 6 % мало отличается от вязкости эмульсии с влажностью 40 %.

Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности деталей ЦПГ. При сжигании эмульсии часть капель долетает в камеру сгорания и взрывается в ней, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований и нагара.

Расширение дополнительных продуктов сгорания ВТЭ увеличивает работу газов в цилиндре дизельного двигателя. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали ЦПГ, газовыпускного тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу. Повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в турбулентных вихрях способствуют ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива.

Суммарная скорость и полнота сгорания вязких топлив в виде ВТЭ в цилиндре двигателя становится примерно равной скорости сгорания сухих легких дизельных топлив. При этом вязкое топливо в виде ВТЭ успевает полностью сгорать даже в цилиндрах высокооборотных дизелей, интенсивность отложения нагаров на деталях ЦПГ становится даже меньше, чем на чистом дизельном топливе, в ряде случаев имеет место эффект самоочистки. Имеется положительный опыт работы высокооборотных дизелей типа Ч 8,5/11, Ч 12/16, Ч 13/14 на эмульсии вода-моторное топливо (Новосибирский институт водного транспорта).

Вредного воздействия на детали топливной аппаратуры частицы воды водотопливной эмульсии не оказывают, т. к. их размеры меньше зазоров в плунжерных парах и форсунках, а частицы воды окружены снаружи прочной пленкой топлива, предохраняющей их от непосредственного контакта металла с водой.

Исследования показали, что сжигание топлива в виде ВТЭ является наиболее универсальным способом, позволяющим предотвращать образование вредных веществ в дизелях, причем этот способ хорошо подходит для судовых условий.

Высокая информативность многочисленных работ по использованию ВТЭ в судовых дизелях не исключает необходимость дополнительного рассмотрения таких проблем, как воспламенение и сгорание ВТЭ, влияние ВТЭ на температурное состояние деталей ЦПГ и воздействие ВТЭ на экологическую безопасность топлива.

Таким образом, применение ВТЭ меняет традиционное представление о процессах, происходящих в камере сгорания двигателя, позволяет иначе оценить роль воды, ее влияние на процессы горения. В составе эмульсии вода, равномерно распределенная по всему объему, оказывает совершенно другое воздействие, нежели просто вода как однородное вещество в своем нормальном физическом состоянии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов Б. П., Батуев С. П., Щевелев К. В. Подготовка водомазутных эмульсий для сжигания в топочных устройствах // Повышение эффективности использования газообразного и жидкого топлива в печах и отопительных котлах. - Л.: Недра, 1983. - 216 с.

2. Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Румынский А. А. Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена // Теплоэнергетика. - 1992. - № 1. - С. 41-44.

3. http:'//www.nwmtc.ac.ru.

4. http://www.energy-saving-technology.com/page-ru.

5. http://www.is.svitonline.com.

Статья поступила в редакцию 12.02.2009

URGENCY OF THE USE OF WATER-FUEL EMULSION IN EXPLOITATION OF MARINE ICE

F. V. Patrov, О. S. Vakhromeev

The influence of water-fuel emulsion on the processes occurring in combustion chamber of marine ICE is examined. The use of water-fuel emulsion helps differently to evaluate the role of water and its influence on the combustion actions.

Key words: internal-combustion engine (ICE), combustion chamber, water-fuel emulsion.