Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема (29.06.2009)

Автор: Кулагина Татьяна Анатольевна

Задачи исследований:

Установить факторы, определяющие эффективное распыливание и сжигание ВМЭ и ВУС в топках малого объема, обосновать использование эффектов кавитации в качестве способа получения стабильных водотопливных смесей;

Провести анализ влияния теплофизических и физико-химических механизмов кавитационной обработки на технологические процессы топливоподготовки. Сформулировать модели кавитационного воздействия, механотермолиза и образования эмульсий, суспензий, а также смесей многокомпонентных сред с учетом реологических свойств взаимодействующих веществ;

Экспериментально определить свойства обрабатываемых сред в зависимости от параметров и режимов работы оборудования и средств их реализации при отработке технологических процессов получения воды с модифицированными физико-химическими особенностями и водотопливных эмульсий;

Выявить параметры получаемых водотопливных эмульсий и суспензий (дисперсность, водосодержание, размер твердой фазы) и оценить их влияние на качество сжигания в теплотехнологических установках;

Разработать методы расчета и создать конструкции технологических аппаратов энергоэффективной обработки многокомпонентных сред для получения водотопливных смесей;

Разработать методики оценки предотвращенного экологического ущерба при реконструкции существующих производств и проведении природоохранных мероприятий.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решений математических моделей. Разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

Установлен теплофизический механизм сжигания водотопливных смесей, основанный на вторичном дроблении капель топлива в реакционном объеме; выявлена закономерность влияния размеров капель водотопливных эмульсий (суспензий) на процессы тепломассообмена, полноту сгорания топлива и выход вредных веществ в технологических выбросах теплотехнологических установок;

Разработаны феноменологические модели кавитирующей жидкости и механотермолиза воды, заключающиеся во взаимодействии полей высоких температур и давлений, образующихся при схлопывании кавитационных микропузырьков.;

С помощью физического и математического моделирования обоснованы и реализованы энергоресурсосберегающие технологические режимы получения ВМЭ и ВУС. Впервые получены экспериментальные зависимости влияния параметров технологических процессов топливоподготовки (температуры, скорости, давления, времени обработки, числа кавитации, дисперсности, концентрации, водосодержания, тепломассообмена) на структурные и физико-химические свойства воды и водотопливных эмульсий: выявлено, что наибольшая интенсивность кавитационного воздействия осуществляется при числах кавитации ( ( 0,2, что соответствует оптимальным размерам кавитационных пузырьков с точки зрения их эрозионной активности;

Предложены и реализованы методики расчета двухфазного суперкавитационного обтекания лопастных и неподвижных кавитаторов газожидкостным пузырьковым потоком с учетом сжимаемости, позволяющие на стадии проектирования определять рациональные режимы работы и конструктивные размеры технологических аппаратов для обработки водотопливных смесей и других многокомпонентных сред в различных отраслях производства;

Разработана методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий, учитывающая различные технологические и конструктивные особенности пылеочистных систем; найден критерий оценки экоэффективности при сопоставлении установок различных конструкций.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что выполненные исследования позволили научно обосновать технические решения, внедрение которых способствует не только повышению эффективности и экологической безопасности сжигания ВМЭ и ВУС в топочных устройствах теплотехнологических установок, но и имеет важное значение при решении проблем энергоресурсосбережения в других технологических процессах, где требуется получение гомогенных гетерофазных смесей.

Внедрение результатов работы проведено Хакасавтодором (Красноярский край, Хакасия) в рамках выполненной в 1989–92 годах х/д НИР «Охрана атмосферы и предложения по предельно допустимым и временно согласованным выбросам для предприятий Хакасавтодора», а также разработанные технологические системы топливоподготовки и пылеочистки внедрены в разные годы на следующих предприятиях:

– Копьевское ДРСУ Хакасавтодора (1992 г.; фактический экономический эффект составил 450 тыс. руб.);

– Березовское ДРСУ Красноярскавтодора (1995 г.; фактический экономический эффект составил 1500 тыс. руб.);

– ОАО «ДПМК Красноярская» (1999 г.; фактический экономический эффект составил 2500 тыс. руб. в текущих ценах).

Технология и оборудование топливоподготовки (ВМЭ и ВУС) используются в технологических процессах отопительных котельных ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» (2007 г.).

Социальный эффект от использования разработок заключается в снижении воздействия на природную среду, улучшении условий труда.

Основные результаты работы и практические рекомендации приняты к внедрению Решением НПК «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (1997 г.), Решением Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (1999 г.) и включены в программу «Энергосбережение в Красноярске на 2000 – 2005 гг.».

Производство малых серий различных кавитационных аппаратов освоено в «ОНО Красноярский опытный завод ГОСНИТИ Россельхозакадемии» (с 1998 г.).

Основные положения и рекомендации диссертационной работы были учтены при разработке Концепции энергосберегающей политики в Красноярском крае (утверждена постановлением администрации Красноярского края от 18.10.99 № 664-п).

Научные результаты исследований использованы в учебном процессе (1996-2006 г.) при разработке курсов лекций и создании учебных пособий (с грифом Минобразования РФ) в Политехническом и Инженерно-строительном институтах Сибирского федерального университета, а также в научно-исследовательской деятельности Теплоэнергетического факультета СФУ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается комплексным характером исследования, обоснованными расчетными схемами и математическими моделями двухфазных суперкавитационных течений, базирующихся на фундаментальных законах физики, гидрогазодинамики, теплофизики, и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными. Выводы достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на III и IV Всесоюзной школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Красноярск, 1987; Чебоксары, 1989), Донских экологических чтениях (Ростов-на-Дону, 1988), Всесоюзной НТК «Проблемы экологии и ресурсосбережения. Экоресурс–1» (Черновцы, 1990), XIII Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Чебоксары, 1990), I и III Международном симпозиуме «Физические проблемы экологии природопользования и ресурсосбережения» (Ижевск, 1992; 1997), Республиканской НТК «Актуальные проблемы механизации дорожного строительства»(C.-Петербург, 1992), НПК «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997), Всероссийской НТК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998; 1999; 2000; 2004; 2005; 2006), I, II и III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001), НПК «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в Красноярске» (Красноярск, 1999), I и II Международных НПК «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (Смоленск, 1998, 1999), Всероссийской НПК «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000), I и II Всероссийской НПК «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2000; 2001), I, II, III, IV, V, VI и VII Всероссийской НПК по проблемам энергоресурсосбережения (Красноярск, 2000; 2001; 20002; 2003; 2004; 2005, 2006), Научно-практическом семинаре «Разработка механизмов взаимодействия различных субъектов городского сообщества для обеспечения экологической безопасности городской среды» (Красноярск, 2001), II Международной летней школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Чебоксары, 2004), 4-ом Международном конгрессе по управлению отходами «ВэйстТэк-2005» (Москва, 2005), International SYMKOM' 05 (Poland, Lodz, 2005), Национальной конференции по энергетике НКТЭ-2006 (Казань, 2006), IХ Международной летней научной школе «Гидродинамика больших скоростей и численное моделирование» (Кемерово, 2006).

Отдельные результаты работы экспонировались на Международной выставке в Польше (Лодзь, 2005), на Всероссийской выставке с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001) и выставке «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (Красноярск, 2000; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006).

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80–90 % результатов исследований.

Автор выражает искреннюю признательность докт. техн. наук, профессору В. М. Ивченко, инициировавшему развитие данного научного направления; академику АН УССР Г. В. Логвиновичу; докт. техн. наук, профессору О. А. Трошкину; докт. физ.-мат. наук, профессорам В. М. Журавлеву и В. С. Славину за постоянное внимание и поддержку исследований; докт. техн. наук, профессору В. А. Кулагину, совместные исследования с которым способствовали формированию изложенных в диссертации положений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, из которых 2 монографии, 12 статей в периодических изданиях из списка ВАК, 15 – в сборниках научных трудов, 26 работ в трудах Всесоюзных, Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 3 брошюры, 2 авторских свидетельства на изобретения (СССР).

Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 340 страницах основного текста, включающего 128 рисунков и 30 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 384 наименований и приложения.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, поставлена цель и определены задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен анализу объектов исследования и современного состояния проблемы. Представлен аналитический обзор литературы по топливоподготовке, гидродинамическим, молекулярным и тепловым взаимодействиям при сжигании обводненных топочных мазутов, водомазутных эмульсий и водоугольных суспензий. К основным работам в этой области относятся исследования Г. Г. Бруера, А. И. Гапоненко, Г. Н. Делягина,

А. И. Зимина, В. И. Кормилицына, В. А. Кулагина, Н. В. Лаврова, В. И. Мурко, Э. И. Розенфельда, В. П. Ружицкого, Л. М. Цирульникова. Рассмотрены проблемы, связанные с технологией и оборудованием асфальтосмесительных установок (В. Я. Манохин, В. А. Тимофеев, Н. С. Торочешников и др.). Проанализированы методы оценки ущерба от загрязнения атмосферы вредными выбросами (О. А. Трошкин, Л. Д. Гительман и др.).

От АБЗ отходят в атмосферу оксиды серы, углерода, азота, пятиокись ванадия, фенол, формальдегид, высокомолекулярные углеводороды, в том числе, бенз(а)пирен. При использовании отходов в технологическом процессе приготовления асфальтобетона в выбросах АБЗ могут быть стирол, толуол, хлор и другие компоненты. Некоторые из них являются высокотоксичными и обладают канцерогенным и кумулятивным действием.

Качество и количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ существенным образом зависят от организации топочных процессов в смесителе АБЗ. Установлена высокая неравномерность температурного поля в топках сушильного барабана, значительный недожог топлива. Экспериментально определенная эффективность топок в холодный период года составляет 60-65 %. Выявлены минимальные значения эффективности сжигания и высокая неравномерность температурных полей для мазутно-воздушных топок.

Для мазутов, применяемых на АБЗ, характерны высокие вязкость, температура застывания и содержание серы, что влияет на выход SO2. При снижении температуры мазутов до температуры застывания они теряют свою текучесть и приобретают особые вязкие свойства, препятствующие их сливанию, транспортированию по трубам и распыливанию в форсунках. Во избежание образования нежелательных отложений в трубках и арматуре и полной их закупорки необходимо поддерживать постоянную температуру мазута, обеспечивающую его текучесть. По правилам техники безопасности максимально допускаемая температура подогрева мазута в открытых емкостях должна быть не выше 95 °С. В закрытых емкостях под давлением, в трубопроводах и змеевиках температура подогрева мазута может быть выше. В условиях АБЗ подогрев мазута в емкостях осуществляется до температуры 75-80 °С.

Определение дисперсности капель мазута показывает значительную долю капель крупного размера, у которых длина зоны испарения и выгорания значительно больше длины топки, что, как и неравномерность коэффициента избытка воздуха, является причиной низкой эффективности тепловыделения топок АБЗ. При снижении теплонапряженности топки отмечается низкотемпературная эмиссия сажи, которая сопровождается выходом бенз(а)пирена. Изучение этой проблемы показало, что для разложения молекул бенз(а)пирена необходима температура не менее 1100 °С и время выдержки при этой температуре около 10 с, что также требует хорошо организованного режима сжигания топлива.


загрузка...