ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР
HYDRODYNAMIC METHOD OF MAKING WATER-FUEL EMULSION AND HYDRODYNAMIC CAVITATION REACTOR

Изобретения относятся к способам и устройствам для получения эмульсий, суспензий в гидродинамическом кавитационном поле, в частности при подготовке мазута или водомазутной смеси к сжиганию в котельных и других теплоэнергетических установках, и может использоваться в топливной, нефтехимической, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.
Известен гидродинамический способ приготовления водотопливной эмульсии, состоящий в пропускании водотопливной смеси через гидродинамический кавитационный реактор (патент РФ №2155633, кл. B01F 5/00, 2000). В известном способе эмульгирование (или, по другой терминологии, кавитационную обработку) мазута производят в гидродинамическом кавитационном реакторе с имеющейся в мазуте или с подаваемой извне, во входной поток мазута, водой. Последнюю вводят в конфузор проточной части кавитационного реактора.
Недостатком известного способа является то, что в кавитационный реактор попадает не достаточно однородная смесь топлива и воды, в результате чего такой же неоднородной получается и водотопливная эмульсия. По этой причине для получения более-менее гомогенного состава водотопливной эмульсии в описании к патенту №2155633 рекомендуется многократная кавитационная обработка смеси в нескольких последовательно установленных кавитационных реакторах, что неизбежно удорожает процесс получения водотопливной эмульсии.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявляемого изобретения - способа, является снижение количества вредных выбросов в атмосферу и повышение кпд котлоагрегатов при сжигании водотопливной эмульсии как жидкого топлива за счет обеспечения условий достижения максимальной интенсивности кавитационного воздействия для получения гомогенного микродисперсного состава эмульсии.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидродинамическом способе приготовления водотопливной эмульсии, состоящем в кавитационной обработке водотопливной смеси в гидродинамическом кавитационном реакторе, при этом через проточную часть гидродинамического кавитационного реактора пропускают топливо, а воду подают в зону кавитации топлива в проточной камере указанного гидродинамического кавитационного реактора. При этом согласно другому варианту способа в топливе, подготовленном для пропускания через гидродинамический кавитационный реактор, предварительно определяют процентное содержание воды и полученный показатель содержания воды в топливе используют в системе регулирования подачи воды в зону кавитации. В зависимости от характеристик топлива воду в зону кавитации подают в пределах (объемных процентов):
для мазута M100: 8-40%;
для отработанного растительного масла: 8-30%;
для топлива для дизелей: 8-20%.
Как известно, при пропускании жидкости через проточную камеру гидродинамического кавитационного реактора за кавитатором, установленным в проточной части, образуется каверна, которая является зоной кавитации этой жидкости. Как показали эксперименты, подача воды не на вход в проточную часть, а в зону кавитации топлива резко повышает степень однородности водотопливной эмульсии, так как в зоне кавитации благодаря непрерывным микровзрывам в образующихся кавернах перемешивание протекает наиболее интенсивно.
Для осуществления описанного выше гидродинамического способа приготовления водотопливной эмульсии может быть применен заявляемый гидродинамический кавитационный реактор описанной ниже конструкции.
Известен гидродинамический кавитационный реактор для приготовления водотопливной эмульсии, проточная часть которого включает конфузор, проточную камеру, содержащую участок, выполненный в виде диффузора, и установленные в ней в кавитаторы (патент РФ №2305589, кл. B01F 5/00, 2007). Этот гидродинамический кавитационный реактор принят в качестве прототипа предлагаемого гидродинамического кавитационного реактора.
В известном гидродинамическом кавитационном реакторе проточная часть выполнена трубчатой, что не позволяет в ее самой узкой части, где скорость потока максимальна, установить несколько кавитаторов, что позволило бы повысить интенсивность перемешивания компонентов и соответственно степень однородности получаемой водотопливной эмульсии. Обычно в таких кавитационных реакторах в этом месте удается установить один круговой кавитатор, как в прототипе. Проблемной в таких кавитационных реакторах является установка второго ряда штырьевых кавитаторов, позволяющего легко подбирать требуемую жесткость реактора путем изменения расстояния между первым и вторым рядами кавитаторов. В прототипе дополнительный кавитатор выполнен в форме кольцевого элемента, слабо влияющего на жесткость кавитационного реактора.
Недостатком прототипа является также то, что в его конструкцию заложена традиционная технология получения водотопливной эмульсии, а именно путем кавитационной обработки заранее подготовленной смеси топлива и воды или обводненного топлива, либо путем подмешивания воды к топливу на входе в проточную часть кавитационного реактора. Эффективность работы такого кавитационного реактора недостаточно высока.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявляемого изобретения - устройства, является повышение эффективности работы кавитационного реактора за счет интенсивного кавитационного воздействия на весь объем обрабатываемой среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидродинамическом кавитационном реакторе для приготовления водотопливной эмульсии, проточная часть которого включает конфузор, проточную камеру, содержащую участок, выполненный в виде диффузора, и установленные в ней кавитаторы, проточная камера гидродинамического кавитационного реактора выполнена плоской, а кавитаторы выполнены в виде поперечных штырей, при этом в его проточной камере установлены по меньшей мере два ряда кавитаторов, выполненных в виде поперечных штырей, причем первый по ходу движения потока топлива ряд кавитаторов выполнен в виде трубок, соединенных с водопитающими трубопроводами, а в каждой из упомянутых трубок выполнено кавитационное отверстие в зоне кавитации по ходу движения потока топлива. Предпочтительно, чтобы проточная часть кавитационного реактора содержала несколько параллельных плоских проточных камер.
Выполнение проточной части гидродинамического кавитационного реактора не трубчатой, а плоской позволяет установить в ее наиболее узкой части, где скорость потока максимальна, несколько кавитаторов вместо одного, тем самым создавая обширную зону кавитации, включающую несколько каверн вместо одной. Это обеспечивает интенсивное кавитационное воздействие на весь объем обрабатываемой среды.
Наличие в проточной камере реактора второго рядов кавитаторов, выполненных в виде поперечных штырей, позволяет подвергнуть водотопливную смесь дополнительной кавитационной обработке для получения водотопливной эмульсии максимально высокого качества. Кроме того, это позволяет выпускать большой ассортимент кавитационных реакторов по параметру их жесткости в зависимости от вязкости обрабатываемого топлива. Жесткость кавитационного реактора определяется расстояниями между кавитаторами и их рядами: она увеличивается с уменьшением указанных расстояний. При этом следует иметь в виду, что жесткость кавитационного реактора должна быть тем выше, чем ниже вязкость пропускаемого через него жидкого топлива.
Выполнение кавитаторов первого по ходу движения потока топлива ряда в виде трубок, соединенных с водопитающими трубопроводами, когда в каждой из упомянутых трубок выполнено отверстие в зоне кавитации по ходу движения потока топлива, позволяет подавать воду непосредственно в зону кавитации для осуществления заявляемого гидродинамического способа приготовления водотопливной эмульсии.
То, что проточная часть кавитационного реактора содержит несколько параллельных плоских проточных камер, позволяет увеличивать его производительность пропорционально количеству этих камер.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ СПОСОБА И УСТРОЙСТВА
На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого гидродинамического кавитационного реактора; на фиг.2 - сечение по А-А фиг.1; на фиг.3 - сечение по Б-Б фиг.2 в увеличенном масштабе; на фиг.4 - элемент В фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг.5 - профилированная пластина для образования плоской проточной камеры в увеличенном масштабе, вид сверху; на фиг.6 - сечение по Г-Г фиг.5.
Как показано на фиг.1 и 2, предлагаемый гидродинамический кавитационный реактор для приготовления водотопливной эмульсии содержит в качестве основного элемента охваченную корпусом 1 с крышкой 2 проточную часть, включающую раструб входа - конфузор 3 и проточную камеру 4 с установленными в ней кавитаторами 5 и 6. Проточная камера 4 содержит участок 7, выполненный в виде диффузора, и примыкает к раструбу 8 выхода. Концы кавитационного реактора снабжены монтажными фланцами 9 и 10 для закрепления его в установке по кавитационной обработке топлива.
Как видно из фиг.1, 2, 3, проточная камера 4 гидродинамического кавитационного реактора выполнена плоской, а кавитаторы 5 и 6 выполнены в виде поперечных штырей, причем в указанной проточной камере установлены по меньшей мере два ряда таких кавитаторов - 1-й ряд (5) в самой узкой части проточной камеры, 2-й ряд (6) - на выходе из диффузора 7. Кавитаторы первого ряда (по ходу движения потока топлива) выполнены в виде трубок, соединенных с водопитающими трубопроводами 11 коллектора 12, при этом в каждом из упомянутых трубчатых кавитаторов выполнено кавитационное отверстие 13 (см. фиг.4) в зоне кавитации по ходу движения потока топлива.
Как видно из фиг.3, проточная часть данного гидродинамического кавитационного реактора содержит несколько параллельных плоских проточных камер - 4, 4а, 4б, 4в и 4г, образованных путем объединения в кавитационный пакет нескольких профилированных пластин 14 (см. тж. фиг.5 и 6), прижатых крышкой 15 с прокладкой 16. В пластинах 14 предусмотрены отверстия 17 под кавитаторы.
Предлагаемый гидродинамический способ приготовления водотопливной эмульсии осуществляют с помощью описанного гидродинамического кавитационного реактора следующим образом.
Как и в прототипе, водотопливную смесь подвергают кавитационной обработке в гидродинамическом кавитационном реакторе, однако, в отличие от прототипа, эту смесь топлива и воды готовят не вне реактора, а в самом реакторе, совмещая процесс получения водотопливной смеси с кавитационной обработкой топлива, подаваемого по стрелке Д и пропускаемого через проточную часть реактора. При этом воду подают в зону кавитации топлива в проточной камере 4 указанного гидродинамического кавитационного реактора через трубчатые кавитаторы 5, соединенные питающими трубопроводами 11 с коллектором 12. Подаваемая вода через отверстия 13 (см. фиг.3 и 4) кавитаторов 5 попадает в кавитационную зону 1-го ряда кавитаторов. В кавернах, образующихся в потоке подаваемого жидкого топлива за каждым из кавитаторов 5, происходит интенсивное перемешивание топлива с водой благодаря непрерывным микровзрывам. Полученная таким образом водотопливная смесь подвергается дополнительной кавитационной обработке за вторым рядом кавитаторов 6. В результате на выходе кавитационного реактора получают гомогенную микродисперсную водотопливную эмульсию высокого качества.
Как известно, в любом топливе всегда содержится определенный процент воды. Поэтому в зависимости от характеристик топлива воду в зону кавитации подают в пределах (об.%):
для мазута M100: 8-40%;
для отработанного растительного масла: 8-30%;
для топлива для дизелей: 8-20%.
В некоторых случаях может оказаться необходимым предварительно определить процентное содержание воды в топливе, подготовленном для пропускания через гидродинамический кавитационный реактор, с тем чтобы показатель содержания воды в топливе использовать в системе регулирования подачи воды в зону кавитации.
В зону кавитации предлагаемого гидродинамического кавитационного реактора можно подавать также замасленные воды, доведенные путем предварительного перемешивания до более-менее однородного состояния.
Как показали многочисленные эксперименты, качество водотопливной эмульсии, приготовленной предлагаемым способом, по экологическим показателям, характеристикам процесса горения, кпд энергетической установки и продолжительности сохранения однородности эмульсии, определяются следующими параметрами:
- объемной долей воды в эмульсии;
- давлением топлива на входе в кавитационный реактор и перепадом давлений на кавитационном реакторе;
- конструктивными особенностями кавитационного реактора.
Кавитационной обработке предлагаемым способом можно подвергать мазуты, дизельные топлива (флотский мазут, газотурбинное топливо), отходы использованного растительного масла.
3
3
3
Пример 1. В процессе экспериментов водомазутная эмульсия приготавливалась с помощью данного гидродинамического кавитационного реактора при давлении на его входе 7-9 атм и перепадом давлений в 3-5 атм. Проточная камера кавитационного реактора оборудовалась 4-6 кавитаторами в 1-м ряду и 6-9 кавитаторами во 2-м ряду. Водомазутная эмульсия, приготовленная из мазута марки M100 описанным способом с помощью данного гидродинамического кавитационного реактора, показала при испытаниях отличные теплотехнические и экологические качества. Эмульсия стабильна по составу при содержании воды от 8 до 40 об.%. Испытания водомазутной эмульсии проводились в котельной установке. При сжигании эмульсии с содержанием воды в 20% по объему паропроизводительность повысилась на 18% на единицу массы мазута. При этом уровень загрязненности окружающей среды составил 75 мг/мгаза при допустимой норме 100 мг/м (без кавитационной обработки этот показатель составляет для мазута 400 мг/м).
3
3
Пример 2. Водомасляная эмульсия, приготовленная из использованного растительного масла описанным способом с помощью данного гидродинамического кавитационного реактора с теми же конструктивными особенностями при тех же давлениях, отличается высокой однородностью, что обеспечивает высокоэффективное сжигание ее в топках энергетических установок при экологических показателях намного ниже экологических норм. Объемное содержание воды в данной водотопливной эмульсии может варьироваться в зависимости от особенностей отходов масла в пределах 8-20% по объему. Испытания показали, что паропроизводительность при сжигании данной водотопливной эмульсии вырастает на 15% на единицу массы горючего. При этом уровень загрязненности окружающей среды составил 37 мг/м газа при допустимой норме 100 мг/м.
Применение предлагаемого способа приготовления водотопливной эмульсии решает и ряд других проблем.
Так, при сжигании низкосортных мазутов (например, марки M100) трудносгораемые смолы, содержащиеся в мазуте, откладываются на экранных трубах, что существенно снижает теплотехнические и экономические показатели энергетической установки в целом. При сжигании таких мазутов образуется большое количество твердых частиц, что приводит к уровню загрязненности окружающей среды, намного превышающему экологические нормы. Это, в свою очередь, привело к ограничению, а в ряде стран и к полному запрещению использования мазута в качестве топлива.
Предлагаемый способ приготовления водотопливной эмульсии обеспечивает разрушение трудносгораемых смол и твердых частиц, что позволяет получить однородную массу в пределах 1-5 микрон.
В пищевой промышленности накоплены большие объемы отходов растительных масел, утилизация которых весьма затруднительна. Дело в том, что эти отходы содержат большое количество несгораемых частиц сложных соединений, которые выпадают в осадок, что препятствует полному сжиганию растительных масел. Само сжигание этих отходов сопровождается образованием загрязнений в количестве, превышающем экологические нормы.
Данный способ позволяет эффективно утилизировать отходы растительных масел путем практически полного сжигания их в энергетических установках в виде приготовленных предлагаемым способом водомасляных эмульсий, отличающихся очень высокой однородностью и микродисперсностью.
Сохранение свойств водотопливной эмульсии, приготовленной предлагаемым способом, обеспечивается в течение не менее 12 месяцев.
Предлагаемая конструкция кавитационного реактора позволяет вести процесс кавитационного воздействия в области его максимальной интенсивности для каждого кавитатора, обеспечивает обработку всего потока обрабатываемой среды, за счет чего снижаются энергетические затраты на кавитационную обработку.
Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют повысить эффективность и упростить технологию проведения кавитационного перемешивания широкого спектра водотопливных смесей.
Источники информации, принятые во внимание
1. RU №2155633, B01F 5/00, 2000 (прототип).
2. RU №2305589, B01F 5/00, 2007 (прототип).