Внедрение в эксплуатацию водотопливной эмульсии для дизельных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Основные направления повышения экономичности и снижения токсичности выпускных газов
• 1.1 Водомазутные эмульсии
• 1.2 Применение волоугольных суспензий
• 1.3 Вододизельное топливо
• 2. Анализ современных способов создания эмульсии и выбор оптимального решения для тепловозов
• 2.1 Приготовление водотопливной эмульсии для ДВС с использованием кавитационно-ударного гидродинамического эффекта
• 2.2 Приготовление водотопливной эмульсии путём обработки лазерными лучами
• 2.3 Патентный поиск и выбор система для приготовдения и подачи водотопливной эмульсии в дизельный двигатель с наддувом
• 2.4 Система подготовки и подачи ВТЭ в дизельный двигатель, обеспечивающая надежную работу на переходных режимах и режимах малых нагрузок
• 2.5 Система автоматической генерации и подачи обратной водотопливной эмульсии заданного состава
• 3. Качество эмульсии, расчет испарения и дробления капли эмульгированного топлива
• 4. Разработка размещения системы генерации и подачи ВТЭ дизельных двигателей в кузове тепловоза
• 5. Экономическая часть
• 5.1 Технико-экономическая эфективность применения водотопливной эмульсии в тепловозных дизелях
• Выводы
• 6. Безопасность жизнедеятельности
• 6.1 Определения момента локализации пожара и площадь его распространения
• 6.2 Совершенствование безопасности на грузовых и пассажирских тепловозах
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗуемых ИСТОЧНИКОВ
• ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

ВВЕДЕНИЕ

Одним из серьезных факторов, влияющих на развитие транспортной отрасли, является уровень цен на энергоносители. До настоящего времени транспортные предприятия, старались сдерживать рост тарифов за счет снижения показателей собственной рентабельности. Тарифы на перевозки грузов в отраслях транспортного комплекса за 2007 год, в среднем, выросли на 12,4%, это не превысило индекса цен промышленности. Рост тарифов на услуги пассажирского транспорта был на 7% ниже роста денежных доходов населения. Если тенденция роста цен на энергоносители сохранится, то это неизбежно приведет к росту тарифов.

Осуществляя основные для государства объемы грузоперевозок и до половины пассажирооборота, железнодорожный транспорт России является одним из крупнейших и стабильных потребителей энергоресурсов. Тем не менее, надо сказать, что по удельным расходам топливно-энергетических ресурсов на единицу производимой работы он среди других видов транспорта наиболее экономичный. Ежегодно он расходует до 6% вырабатываемой в стране электроэнергии, 6% дизельного топлива, 4,5 миллиона тонн угля, до 1 миллиона тонн мазута и почти 1 миллиард кубических метров газ.

На приобретение топливно-энергетических ресурсов ОАО «РЖД» в 2006 году потратила около 80 миллиардов рублей примерно 11% общих эксплуатационных расходов. Нельзя не отметить, что эти затраты постоянно увеличиваются и в 2007 году, превысили эту сумму, так как темпы роста цен и тарифов на энергоносители опережают темпы снижения их удельного потребления. Непосредственно на тягу расходуется 72,2%, а на не тяговые нужды 27,8%. Снижение затрат на топливо и электроэнергию на 1% позволит уменьшить годовые эксплуатационные расходы примерно на 700 миллионов рублей.

Есть несколько причин, вызывающих необходимость экономии топливно-энергетических ресурсов.

Первая главная из них - это качественно новые условия деятельности железных дорог в рамках ОАО «РЖД», заключающиеся в резко возросшей заинтересованности компании в экономии материальных средств по всем статьям их расходования. Поскольку по величине затраты на энергоресурсы сопоставимы с половиной годовых инвестиционных программ, то, снижая эти затраты, можно будет больше средств вкладывать в приобретение подвижного состава.

Вторая причина, появляющаяся все в большей степени в последние годы,- разная дефицитность и разная доступность по ценам отдельных видов энергоносителей. Достаточно отметить, что только в течение 2006 г. стоимость электроэнергии, отпускаемой железным дорогам, возросла в среднем по сети на 10,1%, а дизельного топлива - на 30,5%. Правильно определить объемы потребления энергоресурсов и выбрать их виды не только в соответствии с существующими условиями, но и на перспективу, чтобы не создать в дальнейшем сложностей в энергообеспечении перевозочного процесса, - важная стратегическая задача.

Третья причина связана с тем, что в основном энергоресурсы расходуются на тягу поездов, и, следовательно, выбор энергоносителя определяет вид тяги (электрическая, автономная), а значит, и тип локомотива. Заказывая сегодня локомотивы, необходимо четко представлять, что произойдет с объемами производства энергоносителей и соответствующей ценой на них в 2020-2030 гг., т.е. в течение жизненного цикла локомотива.

Четвертая не менее важная для локомотивного парка является экологическая проблема. В связи с огромным количеством выбрасываемых тепловозами вредных веществ в атмосферу ОАО «РЖД» тратит много средств на экологию. В связи с этим остро стоит необходимость снижения выбрасываемых вредных веществ и максимальное приближение их к европейским стандартам.

С учетом этого эффективное использование энергетических ресурсов становится жизненной необходимостью и требует системного подхода. Важнейшие шаги в этом направлении уже сделаны: принята «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года».

Анализ основных направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК), определенных «Энергетической стратегией России на период до 2020 года», с позиций прогноза по обеспечению перспективных потребностей железнодорожного транспорта энергетическими ресурсами показывает следующее:

· наиболее устойчивым энергоносителем, как по объемам, так и по росту выработки на ближайшую и отдаленную перспективу является электрическая энергия;

· объемы производства жидкого топлива разных видов на основе нефти вплоть до 2020 г. не превысят уровня кризисного периода 1995 - 1997 гг., причем к концу прогнозируемого периода возможно снижение их выработки вследствие постепенного истощения природных запасов;

· наиболее доступным энергоносителем, способным в принципе заменить дизельное топливо, является сжатый и сжиженный природный газ, объемы производства которого в прогнозируемый период имеют удовлетворительную динамику;

· основой энергетической политики государства на прогнозируемый период является переход с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития во всех сферах энергопотребления;

Анализ основных каналов формирования потерь энергоресурсов по всем техническим средствам и технологиям железнодорожного транспорта позволил выбрать основные технические решения по повышению энергетической эффективности и энергосбережению, как на ближайший период, так и на перспективу до 2020 года.

На первом этапе должны быть осуществлены наиболее эффективные энергосберегающие мероприятия, уже разработанные и освоенные в отрасли или промышленности страны, причем именно те из них, для реализации которых требуются минимальные затраты, а именно в области тяги поездов:

· создание энергетически эффективного подвижного состава нового поколения на основе достижений научно-технического прогресса;

· модернизация эксплуатируемого парка тягового подвижного состава;

· внедрение ресурсосберегающих технических средств и технологий.

В более отдаленной перспективе предусматривается широкое применение высокоэффективных нетрадиционных технических средств и технологий:

· повышение напряжения передачи энергии к поездам электрифицированных железных дорог;

· разработка, испытания и внедрения различных способов снижения количества расходуемого дизельного топлива;

· использование «высокотемпературной» сверхпроводимости в локомотивной и стационарной энергетике (трансформаторы, реакторы, привод и т. д.);

· широкое применение энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии, включая и тепловую;

· переход на безмасляное и бездуговое коммутационное электрооборудование;

· применение в пассажирских вагонах, стационарных зданиях, сооружениях и коммуникациях теплоизоляционных материалов нового класса;

· широкое внедрение тепловых насосов, топливных элементов, электрохимических генераторов, водородной энергетики, биогазогенераторных установок утилизации отходов жизнедеятельности транспорта;

· использование в доступных размерах ветровой, солнечной и геотермальной энергии для нужд автономных потребителей железных дорог.

На первых этапах «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» можно добиться радикального снижения расхода дорогостоящего дизельного топлива путем разработки и внедрения комплекса мероприятий, позволяющих снизить количество потребляемого топлива.

В данном дипломном проекте исследованы вопросы по внедрению в эксплуатацию водотопливной эмульсии для дизельных двигателей.



1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ В ЛЭУ

1.1 Водомазутные эмульсии

В настоящее время актуальны задачи энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных установок. Одним из современных направлений для решения этих задач является применение топливных эмульсий: вода - мазут, вода - дизельное топливо, вода - бензин, вода - мазут - угольная пыль.

В высоковязких мазутах 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. Содержание воды в топочном мазуте во многих случаях существенно превышает предельно допустимые значения (вместо 1,5% по норме обводненность доходит до 12-16%, а в отдельных случаях - до 20 - 35%). Из-за того, что плотности мазута и воды мало отличаются, вода не оседает на дне емкости, а располагается неравномерно слоями в массе топлива. Это приводит к срыву факела и затуханию форсунок, а иногда вообще не удается зажечь форсунку. Попытки вторичного пуска сопровождаются сильными хлопками и разрушением топок вследствие накопления в них горючих газов. Согласно нормативным документам водность подаваемого на сжигание мазута не должна превышать 0,3%-1%. В традиционном плане подготовка мазута к сжиганию сводится в основном к двум операциям: обезвоживанию и нагреву.

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.

При сжигании ВТЭ получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 3-5% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.

Кавитационная обработка водомазутной эмульсии с добавлением кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, концентрацию 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, дистиллятных топливных фракций.

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

Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания 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 водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NO_x и CO_x в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 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 разрывает каплю мазута, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливовоздушной смеси.

В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива. В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива. Благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке; повышению светимости факела благодаря увеличению поверхности излучения; существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери.

Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД тягового агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки 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-асфальтенновые структуры.

Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30-35^оС. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования 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 водно-мазутная смесь имеет заметно меньшую вязкость чем чистый мазут, поэтому облегчается процесс перекачки топлива. При температурах выше 80^оС вязкость водомазутной эмульсии влажностью 6% мало отличается от эмульсии с влажностью 40%.

Еще одним важным фактором, характеризующим эффективность использования ВТЭ, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. По некоторым данным перерасход топлива из-за загрязнения поверхностей нагрева в котлах сажистыми и коксовыми частицами может превысить 30%-35%. При сжигании эмульсии часть капель долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них, что способствует не только предотвращению отложений, но и очистке этих поверхностей от старых сажистых образований.

Одной из серьезных проблем, возникающих при сжигании топочных мазутов, является большое содержание в них серы. Соединения серы уносятся с поточными газами, загрязняя атмосферу. Для предотвращения этого используют присадки, позволяющие связывать серу. Ввод этих присадок осуществляют в дымовые газы или в мазут. В металлургических процессах введение присадок в мазут при использовании высокосернистых мазутов обязательно. Поскольку большая часть присадок водорастворима, то добавление в эмульгируемую воду недорогих компонентов в количестве 1кг/1т мазута позволяет наиболее простым путем связывать серу и использовать низкокачественные мазуты.

Расширение дополнительных продуктов сгорания ВТЭ увеличивает работу газов в цилиндре дизельного двигателя. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали цилиндро-поршневой группы, газовыпуского 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 способствует ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива.

Эмульсии - это дисперсные системы, состоящие из двух (и более) нерастворяющихся друг в друге жидкостей. По своему дисперсному составу, т.е. размерам дисперсной фазы, эмульсии относятся к грубодисперсным системам с размером частиц более 0,1*10-6 м (0,1 мкм). Водотопливные эмульсии, получаемые для использования в качестве топлива, относятся к полидисперсным "истинным" эмульсиям. Размеры дисперсной фазы (воды) зависят от технологии приготовления, вязкости, физико-химических свойств мазута, а также времени хранения и колеблются от 1,0 до 70 мкм

Так выглядит под микроскопом обычный, хороший мазут с вкраплениями воды. На самом деле, когда мазут достаётся из бака, воды намного больше... Расстояния между рисками - 100 микрон.

А так выглядит мазут после обработки на ультразвуковом оборудовании. Расстояния между рисками - 100 микрон. Поместилось всего две риски, иначе "капли воды" невозможно различить...

Экспериментальные исследования процесса горения единичной капли мазута и водомазутной эмульсии позволили установить целый ряд особенностей. При одинаковых условиях воспламенение паров капли водомазутной эмульсии происходит раньше, чем капли обезвоженного мазута. Процесс горения эмульсии сопровождается разрывами поверхности капли и выбросом из неё паров воды. Капля эмульсии сгорает быстрее, чем такая же по размеру капля обезвоженного чистого мазута, вследствие дробления капли, происходящего благодаря "разрывному воздействию" водяных паров. Капля эмульсии начинает закипать в топочной среде раньше по времени и при более низкой температуре. Так при температуре 350'С капля водомазутной эмульсии начинает закипать через 2 сек., при 500'C уже через 1 сек., а капля мазута только через 7 секунд. По температуре вспышки и самовоспламенению можно судить о составе и качестве жидкого топлива.

Так горит стандартный, мазут, содержащий воду от 2 до 3%.

А так горит мазут с содержанием воды около 30%, и после обработки на ультразвуковой установке

Кипение водомазутной эмульсии происходит в две стадии. Сначала закипает вода в глобулах. Давление в глобулах дисперсной фазы резко возрастает. Внутренние силы разрывают поверхностную пленку и дробят каплю водомазутной эмульсии. Частички капли разлетаются в разные стороны, приобретая дополнительную скорость относительно окружающей среды. Резкое падение давления внутри капли, её микродробление, приобретение частичками капли дополнительной кинетической энергии ведут к мгновенному испарению и образованию парового облака. Механизм микродробления и его позитивное влияние на интенсификацию сжигания жидкого топлива к настоящему времени не вызывает сомнения.

Графическое отображение показателей эффективности применения ВТЭ:

Выводы

В связи с тем, что цены на дизельное топливо постоянно поднимаются, использование водомазутных эмульсий для дизелей становиться все более октальным. Качественный мазут с включением в его состав воды показал хорошие результаты при использовании его как топливо для тепловозов. Этому способствует разрыв капельки воды, которые в свою очередь размельчают капли мазута и способствуют быстрому и полному сгоранию мазута. Все проведенные испытания показываю, что водотопливная эмульсия в полнее может замещать дизельное топливо на тепловозах. Для его использования не потребуется больших изменений в топливной системе дизеля и соответственно затрат на них.

1.2 Применение водоугольных суспензий

Может рассматриваться, как вариант использования в ЛЭУ в случае критического положения с дизельным топливом. В этом случае определённый интерес представляет возможность использования водоугольных эмульсий.

По данным НИИ экономики энергетики РАО «ЕЭС России», в балансе топлива при производстве электроэнергии в нашей стране в 2006 году доля природного газа составила 51%, а угля - около 18%, в то же время в США на угле вырабатывается 52% электроэнергии, в Германии -54%, в Китае - 72%, в Польше - 94%.

По ожидаемой выработке основных месторождений нефти и газа, запасы которых в десятки раз меньше запасов угля, структура потребления энергоресурсов будет неотвратимо изменяться в сторону увеличения потребления угольного топлива.

В сложившихся условиях становится очевидным перспективность научно-технических разработок по созданию новых эффективных видов топлива на основе угля, к ним относится и водоугольное топливо (ВУТ) суспензия, в том числе с добавками любого углеводородного сырья (нефти, спиртов, метанола и других горючих жидкостей).

Являясь альтернативным для традиционных видов топлива - угля, мазута, газа, водоугольное топливо (ВУТ) предназначено для их замены, а также для улучшения экологической обстановки в местах работы промышленных и бытовых котельных на угле или мазуте.

Сущность традиционного приготовления водоугольного топлива, как в Российской Федерации, так и за рубежом, заключается в тонкодисперсном измельчении угля, перемешивании его с водой и различными химическими добавками, которые добавляются для повышения текучести полученной суспензии, предотвращения расслоения и придания ей стабильности. Соотношение угля и жидкости в водоугольных суспензиях составляет от 50 / 50%, до 75 / 25%.

Измельчение угля традиционно проводят в шаровых или стержневых мельницах как сухого так и мокрого помола, которые отличаются большой металлоемкостью, высокими удельными затратами энергии на измельчение одной тонны угля, низким КПД измельчения - 0,6%, большими капитальными затратами при строительстве заводов приготовления ВУТ.

Представляемая технология предусматривает измельчение угля фракции 0-10 мм до тонкодисперсного состояния в воде как с добавками, так и без них.

В основу технологии по приготовлению водоугольных суспензий заложено свойство углеводородного сырья, угля, нефти, и других углеводородных соединений подвергаться «гидрогенизации», т.е. присоединению водорода к атомам углерода под большим давлением, до 700 атмосфер, и при высокой температуре (от 400 до 550⁰С).

Вторым фактором, позволяющим обеспечивать не только измельчение, перемешивание, но и химические эффекты присоединения, замещения, слияния и разрыва молекул - является использование кавитации.

В кавитационных аппаратах, применяемых для тонкодисперсного измельчения угля, всасывающие полости выполнены таким образом, что в них возникают разрежения, и закачиваемая диспергатором водоугольная пульпа находится под значительным разрежением, способствующим насыщению пульпы кавитационными пузырьками.

При переходе пульпы через диспергатор возникают зоны и импульсы с повышенным давлением.

Кавитационные пузырьки, оказавшиеся в зоне повышенного давления или под действием импульса повышенного давления, начинают интенсивно схлопываться.

Продолжительность схлопывания пузырька длится 10⁸с.

В точке исчезновения пузырька возникают мгновенные перепады давления от 400 до 2500 МПа, мгновенные значения температуры 2000 - 3400 К; на поверхности пузырька возникают и при его исчезновении концентрируются электрические заряды, напряженностью до 10¹¹ В/м.

Таким образом, на молекулярном уровне в достаточном простом оборудовании возникают условия для протекания реакций гидрогенизации.

Кавитация приводит к возникновению реакционно-способных радикальных частиц. В случае воды такими радикальными частицами являются атом водорода и гидроксильный радикал:

H₂O -> * H + * OH + e *

Модель физико-химических процессов, протекающих в кавитационном пузырьке и в прилегающем к нему объеме жидкости (вода; вода + H₂O₂; O₃; 0₂) включает элементарные акты, приводящие к образованию продуктов сонолиза воды:

гомолитическое расщепление воды с образованием радикалов * Н и * ОН, при рекомбинации которых образуется, в том числе и пероксид водорода Н₂0₂;

образование гидроперекисных радикальных соединений при наличии в реакционной среде кислорода;

взаимодействие радикальных продуктов сонолиза воды с пероксидом водорода;

дальнейшие вторичные процессы возбуждения и перезарядки продуктов сонолиза воды.

Таким образом, в водной среде, находящейся в поле кавитационных колебаний, присутствуют гидроксил-, пероксид-, и другие радикальные частицы и соединения.

Гидроксил-радикал является мощнейшим окислителем, который может существовать в воде; обладая высоким окислительным потенциалом. Гидроксил-радикал способен окислять практически все органические соединения. Вместе с этим, гидрокислорадикал является типичным электрофилом и по этой причине легко вступает в реакцию с молекулами, содержащими ароматическое кольцо.

Внешне технология приготовления водоугольного топлива выглядит следующим образом: уголь измельчается в молотковой дробилке и фракцией от 0 до 10 мм, ленточным конвейером направляется в смеситель, в который подается вода. Приготовленная в смесителе водоугольная пульпа направляется в кавитационный диспергатор крупного помола (0-800 мкм). После обработки в диспергаторе водоугольная суспензия направляется в гидроциклон, в котором происходит отделение фракции более 800 мкм и возврат ее в диспергатор.

Избирательное действие кавитации по измельчению материалов с различной прочностью отчетливо видно при работе диспергатора крупного помола. На этой стадии, когда менее прочные частицы угля разрушаются, а минеральные частицы в виде кварцитов и других типов пород сохраняют свои размеры необходимо проводить деминерализацию, и тем самым повысить теплотворную способность водоугольного топлива и уменьшить содержание золы в дымовых газах, уменьшить износ оборудования и насосно-горелочных устройств.

Суспензия с размером частиц угля 0-800 мкм направляется в диспергатор среднего помола (0-250 мкм). После обработки в диспергаторе суспензия направляется в гидроциклон, в котором происходит отделение частиц угля размером более 250 мкм и возврат их в диспергатор на домол.

Основная масса суспензии фракцией 0-250 мкм направляется в диспергатор тонкого помола, в котором происходит измельчение до любой необходимой фракции и завершаются процессы физико-химических преобразований длинных молекул угля в более легкие углеводородные соединения.

Топливо, приготовленное в кавитационном диспергаторе, не нуждается в каких-либо добавках, оно не расслаивается в течение 6 месяцев, легко прокачивается по трубопроводам, распыляется форсунками и сгорает. Топливо начинает кристаллизоваться и замерзать при температуре - 6 ⁰С, при этом, объем его не увеличивается и при размораживании сохраняет свои свойства. После высушивания и последующего добавления воды топливо приобретает свои изначальные реологические свойства.

По данным НПО «Гидротрубопровод» и ФГУП «МПЦ Экотехника» и мирового опыта, перевод на водоугольное топливо, промышленных и бытовых котельных со сжиганием угля и мазута, значительно улучшает экологическую обстановку, снижает выбросы:

в 2-2,5 раза - оксида серы;

на 50-70% - окислов азотов;

в 1,5-2 раза - окиси углеродов.

Возможность получения водоугольного топлива на кавитационных установках в больших количествах подтверждена работой опытно-промышленной установки в г. Красноярске.

Водоугольное топливо, приготовленное из Балахтинского бурого угля при соотношении твердого и жидкого 60/ 40%, по данным центральной лаборатории ЕЦБК, имела следующие характеристики:

* гранулометрический состав:

0,2 мм - 11,1%;

0,16 мм - 2,0%;

0,125 мм - 1,8%;

0,071 мм - 9,0%;

0,045 мм - 21,7%;

поддон - 54,4%;

т.е. фракция топлива 0 - 0,135 мм составляет 86,9%;

плотность продукта - 1037 кг/м³;

массовая доля жидкой фазы - 84,6%;

сухой остаток- 15,4%.

Водоугольное топливо, приготовленное из шлама шахты «Тырганская» (Кузбасс) при том же соотношении твердого и жидкого 60/40% содержало:

массовая доля жидкой фазы - 71,5%

массовая доля сухого остатка - 28,5%

плотность продукта - 1107 кг/м³

По данным различных лабораторий (АлтГУ, АГТУ и др.), проводивших частичное изучение состава водоугольного топлива, были обнаружены химические соединения карбоновых кислот, диметиловый эфир и даже метан в количестве до 9%, который был растворен в топливе и выделялся в течение нескольких дней.

Кавитация способна не только заменить или заполнить боковые связи бензольных колец, но и разрушать их с образованием простых углеводородных соединений. Это позволяет использовать вместо воды при приготовлении водоугольного топлива замазученные воды, стоки отбельных производств ЦБК, щелока после варки целлюлозы, утилизировать трансформаторные масла, совтолы, эмульсии, даже производит обеззараживание промышленных ядов «агроядохимикатов».

Выводы

Использование угля как топлива для тепловозов раньше считалось не возможным и не выполнимым. Но благодаря исследованиям ученых в настоящее время мы видим, что водоугольная суспензия это один из видов будущего дизельного топлива, которое не уступает по своим показателям, ни одному из применяемых видов топлива. Многие уверены, что водоугольная топлива выдет на первое место в списке претендентов для замены дизельного топлива, благодаря своим качествам. Топливо, приготовленное в кавитационном диспергаторе, не нуждается в каких-либо добавках, оно не расслаивается в течение 6 месяцев, легко прокачивается по трубопроводам, распыляется форсунками и сгорает. Топливо начинает кристаллизоваться и замерзать при температуре - 6 ⁰С поэтому его хранение без изменения его свойств в баке тепловоза в зимний период не составит больших проблем. Транспортировка топлива так же легко осуществима. При замерзании водоугольной суспензии ее объем не увеличивается и при размораживании сохраняет все свои свойства. После высушивания и последующего добавления воды топливо приобретает свои изначальные реологические свойства.



1.3 Вододизельное топливо

Удорожание жидкого топлива и возрастание нагрузки на окружающую среду продуктами его сгорания приводит к необходимости поиска путей его экономии и способов сжигания, обеспечивающих уменьшение выбросов вредных веществ. Одним из таких путей является применение в качестве моторного топлива водотопливных эмульсий (ВТЭ).

По сравнению с обычным дизельным топливом использование гомогенизированной водотопливной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить вредные выбросы NO_x и CO в атмосферу. Механизм этого эффекта объясняется следующим.

Дизельное топливо, поступая в камеру сгорания, распыляется форсункой. Дисперсность капель дизельного топлива составляет 0,03…0,1 мм [10]. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды с дисперсностью около 1…5 мкм, то, попадая в область высокой температуры в цилиндре двигателя, капли взрываются, разрывая частицы топлива на множество более мелких частиц, образуя «вторичный распыл». Это обусловлено большой разницей температур кипения топлива (200…360^°С) и воды (100°С).

Описанное выше явление обусловливает высокую скорость испарения топлива в цилиндре двигателя и более быстрое и полное выгорание его легких составляющих на первом этапе горения. Далее, на втором этапе горения, при достижении высокой температуры в цилиндре двигателя от горения легких фракций топлива, пары воды и топлива диссоциируют на активные радикалы (Н, ·ОН и др.). Эти радикалы, являющиеся катализаторами горения углерода, значительно сокращают время горения тяжелых составляющих топлива, в первую очередь сажистых остатков. В результате, на заключительной стадии горения топлива в цилиндре двигателя, время выгорания сажистых остатков, составляющее до 40% общего времени горения капли обычного топлива, у эмульгированных топлив существенно сокращается. При этом суммарная скорость и полнота сгорания в цилиндре двигателя вязких топлив в виде ВТЭ становится примерно равной скорости сгорания легких дизельных топлив. И, как результат, вязкое топливо полностью успевает сгорать даже в цилиндрах высокооборотных дизелей, резко снижаются отложения нагаров на деталях ЦПГ. Имеется положительный опыт работы высокооборотных дизелей типа Ч 8,5/11; Ч 12/16; Ч 13/14 на эмульсии вода - моторное топливо (труды Новосибирского института водного транспорта). Вредного воздействия на детали топливной аппаратуры частицы воды водотопливной эмульсии не оказывают, так как их размеры меньше зазоров в плунжерных парах и форсунках, а частицы воды окружены снаружи плотной пленкой топлива, предохраняющей от непосредственного контакта металла с водой [10].

Исследования эффективности использования ВТЭ в качестве моторного топлива, проведенные Санкт-Петербургским государственным технологическим институтом [11], показывают, что двухцилиндровый дизельный двигатель с воздушным охлаждением Д-21 А (для трактора Т-25А), при его торможении на стенде, развивал установленную мощность 18 кВт (номинальный режим) на водотопливной эмульсии, приготовленной на основе дизельного топлива Л-0,5 ГОСТ-82 с содержанием воды до 30…35%. На топливе с содержанием воды до 35…40% этот двигатель развивал мощность 15 кВт (частичная загрузка) (рисунок 1.3.1). При этом частота вращения вала двигателя поддерживалась равной 1800 мин^-1, а начальный крутящий момент - 96 Н·м и 80 Н·м соответственно. При увеличении содержания воды , удельный эффективный расход топлива сначала уменьшается на 2,8…3,0%, достигая минимума при =15…25%, а затем увеличивается на 1,1…5% при =35…40% в сравнении с =0.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3.1 - Изменение эксплуатационных и экологических показателей двигателя Д-21А в зависимости от содержания воды в эмульгированной топливной смеси

Удельный эффективный расход водотопливной эмульсии увеличивается пропорционально увеличению количества воды в топливной смеси.

При увеличении содержания воды >35…40% тепловые затраты на испарение воды становятся больше 3…4%, ухудшается процесс горения рабочей смеси в цилиндре двигателя, и происходит снижение эффективной мощности .

Наряду с этим, наблюдалось изменение содержания монооксида углерода СО, полиоксидов азота NO_x, сажистых включений в отработавших газах (ОГ). Так, при увеличении содержания воды в ВТЭ до 20…25%, концентрация СО уменьшилась на 30…40%, а при увеличении до 40% концентрация NO_x снижалась на 47…50%, а дымность ОГ на 84…86%.

Установленные закономерности наблюдались и при работе дизельных двигателей ЯМЗ-238 и КАМАЗ-740 на водотопливных эмульсиях состава: дизельное топливо Л-0,2-40 ГОСТ 305-82, вода - 20%, поверхностно активное вещество АМДМ - 0,8…1,0%. При этом изменение максимальной эффективной мощности при одинаковой частоте вращения =1600…2000 мин^-1 не превышало 7…9%, изменение удельного эффективного расхода топлива - 0…4%, при работе на ВТЭ в сравнении с работой на дизельном топливе [11].

Существенным является то, что в этих условиях эффективный к.п.д. двигателя уменьшался на 3,0…3,5% при увеличении удельного эффективного расхода ВТЭ всего на 10%, в то время как концентрация воды в топливе достигала 20%. Следовательно, эффективность использования дизельного топлива в составе такой смеси ВТЭ возрастает не менее, чем на 10%.

В то же время концентрация экологически вредных оксидов углерода в отработавших газах уменьшалась на 20…22%, а оксидов азота - на 10…25%.

Аналогичные результаты, полученные при исследовании мощностных показателей дизельного двигателя Д-21А в ЦНИИ топливной аппаратуры показывают, что при работе на дизельном топливе Л-0,5-40 ГОСТ 305-82 и на эмульгированной смеси Л-0,5-40 + 30% H₂O + 0,5 РГ (РГ - разновидность поверхностно-активного вещества) эксплуатационная мощность дизеля оставалась практически неизменной (соответственно, 18 и 17,9 кВт), удельный расход топлива уменьшился на 3,2% (соответственно, 253 и 244 г/кВт·ч), удельный выброс оксида углерода СО снизился на 11% (соответственно, 8,31 и 7,38 г/кВт·ч), а полиоксидов азота NO_x - на 34% (соответственно, 10,2 и 6,7 г/кВт·ч) [10].

Кроме того, частичная разборка двигателей показала, что после 200-часовой проработки с применением водотопливной эмульсии, на распылителях форсунок и деталях цилиндро-поршневой группы двигателей отсутствовал нагар. Отсюда напрашивается вывод, что помимо улучшения полноты сгорания топлива и уменьшения вредных выбросов, водотопливная эмульсия играет еще и хорошую «чистящую» роль в двигателях.

Для приготовления таких водотопливных эмульсий сотрудниками лаборатории «Гидродинамики струйных кавитационных течений» Армавирского механико-технологического института был разработан гидродинамический кавитационный диспергатор (рисунок 1.3.2), обладающий рядом преимуществ перед существующими устройствами подобного назначения [7]. Он состоит из эжектора 1, снабженного соплом 3 и патрубками подвода дисперсионной среды 2 и дисперсной фазы 4. Диспергатор имеет два сменных возбудителя кавитации 5, 7, а также он снабжен рассекателем 9.

Диспергатор работает следующим образом. Дизельное топливо от высоконапорного насоса поступает к патрубку 2 смесителя, затем через сопло 3 и возбудитель кавитации 5 поступает в первую камеру диспергатора 6. Во внутренней полости между соплом 3 и возбудителем кавитации 5 создается давление ниже атмосферного, что позволяет вводить в поток дизельного топлива необходимое количество воды и любого другого компонента.

В возбудителе кавитации 5 поток вначале сужается, а затем резко расширяется, причем гидростатическое давление в узкой цилиндрической части насадка, начиная со скорости 32 м/с и перепаде давления на срезе сопла , становится ниже давления насыщенных паров. Происходит разрыв жидкостей в процессе расширения газами и парами, которые перемещаются вместе с потоком. Выходя из возбудителя кавитации в первую камеру диспергатора 6, пузырьки попадают в область повышенного давления и схлопывают (происходит их коллапс). В истекающем потоке смеси, начиная с оконечности возбудителя кавитации 5, образуется так называемая суперкавитационная каверна.

Вся смесь проходит через эту сперкавитационную каверну и подвергается высокой диспергации, эмульгированию и перемешиванию. Далее смесь поступает во второй возбудитель кавитации 7, где происходит ее дополнительная, вторичная диспергация по схеме, аналогичной приведенной выше. Истекая из возбудителя кавитации 7, смесь попадает на рассекатель 9 и выходит через нижний патрубок 10.

Для контроля за давлением в камерах диспергатора 6 и 8 предусмотрены штуцеры под манометры 11 и 12.

Применение предлагаемого устройства в составе установки для получения водотопливных эмульсий, позволяет получать смеси с высокой степенью дисперсности, которые можно использовать для дизельных двигателей [8].

Исследованиями, проведенными в Армавирском механико-технологическом институте, установлено, что разработанный и запатентованный гидродинамический суперкавитационный смеситель надежно обеспечивает трехступенчатую обработку топлива - смешение, диспергирование и гомогенизацию до размеров капель, не превышающих 5 мкм с образованием эмульсии, обладающей высокой седиментационной устойчивостью

Рисунок1.3. 2 - Гидродинамический кавитационный диспергатор



2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ СОЗДАНИЯ ЭМУЛЬСИЙ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЗА

2.1 Приготовление водотопливных эмульсий для ДВС с использованием кавитационно-ударного гидродинамического эффекта

Технология предназначена для приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий непосредственно перед их впрыском в камеру сгорания дизельного ДВС с целью снижения дымности, токсичности отработавших газов и увеличения экономичности работы двигателя. Традиционные способы создания эмульсий с использованием электроимпульсных явлений, ультразвуковых колебаний, вибраций, высокооборотных перемешиваний и т.п. имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение на транспортных объектах: судах, автомобилях - как-то: большие удельные затраты энергии на создание достаточно тонких эмульсий, малая производительность, повышенное тепловыделение, недолговечность.

В предлагаемой технологии реализован новый способ получения мелкодисперсных эмульсий. Способ основан на использовании явлений гидродинамической суперкавитации и ударных волн в двухфазных жидких средах.

Непосредственно перед подачей в систему впрыска дизтопливо подвергается последовательно воздействию "жестких" режимов суперкавитационного течения, а затем воздействию ударных сверхзвуковых волн в образовавшейся двухфазной "жидкость-газ" среде. В процессе кавитационной обработки топлива происходит частичный "микрокрекинг" - разрыв химических связей с образованием высокоактивных радикалов и углеводородов меньшей молекулярной массы, а также молекулярного водорода.

Одновременно производится кавитационная обработка воды (соответствующей стандарту на питьевую воду), в результате чего происходит ее частичный радиолиз (расщепление) с образованием высокоактивных радикалов OH- и H+, перекиси водорода Н2O2, атомарного кислорода.

Совместная кавитационно-ударная обработка топлива с водой (до 7-10 об/%) позволяет получить высокоактивные однородные смеси топлива, молекулярного водорода, атомарного кислорода и воды с заданной дисперсностью. При этом размер капель воды в водотопливной эмульсии не превышает 5-6 мкм, что полностью предотвращает капельно-коррозионный износ топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы.

При распыливании полученной водотопливной эмульсии размер образующихся капелек эмульсии в камере сгорания уменьшается на 30-50% по сравнению с распылом чистого топлива. Кроме того, практически каждая капля эмульсии содержит более мелкие капли воды, что в процессе внутрикамерного нагрева капель приводит к их "взрывному" дроблению за счет мгновенного испарения воды, благодаря чему, значительно интенсифицируется массообмен между топливом и окислителем.

Процесс сгорания такого "модифицированного" топлива происходит более глубоко и с большей скоростью при одновременном уменьшении температуры горения и скорости распространения фронта пламени в цилиндре. Более полное окисление приводит к уменьшению содержания сажевых частиц и окиси углерода СО в отработавших газах до 0,05-0,1 об/%, снижение температуры горения в присутствии водорода уменьшает суммарное содержание оксидов азота NOx; присутствие атомарного кислорода и молекулярного водорода снижает суммарное содержание неокисленных углеводородов СНх; улучшение детонационных свойств топлива и уменьшает степень износа поршневой группы ДВС.

Кавитационно-ударное приспособление, реализующее предлагаемую технологию, встраивается непосредственно в магистраль подачи топлива перед турбонасосом высокого давления.

Приспособления прошли длительные более 2-х лет стендовые испытания и испытания на дизельных двигателях различных автомобилей, тепловозов и танков и показали хорошие результаты. В частности, испытания на дизельном двигателе ПИЛСТИК 8 РАЧ-185 мощностью 750 кВт, который установлен на карьерном самосвале БелАЗ-7519 в условиях горнообогатительного комбината показали снижение дымности на 61%, токсичности по окислам азота NOх в 3-4 раза, по окиси углерода СО в 8-10 раз, по формальдегиду в 3-4 раза.

Для доводки технологии на различных видах тяжелого топлива: мазуты и дизельное топливо - необходимы инвестиции в размере до 2,0 млн. долларов США, использование которых предназначено в основном для доводки приспособлений и аппаратов, реализующих предлагаемую технологию, и организации их серийного выпуска.

Разработан бизнес-план использования инвестиционных средств. Предлагаемая технология улучшает экологические и экономические показатели двигателей, установленных на морском и речном транспорте, тяжелых автомобильных трейлерах, междугородних и городских автобусах. В условиях Великобритании, где доля автомобильных перевозок значительна, использование указанной технологии себя быстро оправдает.

Использование предлагаемой технологии возможно как путем совместного выпуска продукции, так и путем лицензионной передачи технологии.

2.2 Приготовление водотопливной эмульсии путём обработки лазерными лучами

Способ относится к технике приготовления эмульсий, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива двигателей внутреннего сгорания. Установка содержит емкости и фильтры для топлива и воды. Установка снабжена устройством измерения плотности эмульсии с выходом на электромагнитный клапан. Диспергатор выполнен в виде реактора, представляющего собой цилиндр из материала, способного пропускать лазерные лучи, в котором фокусируется лазерный пучок. На приборной колонке установлен прибор (первичный преобразователь плотности) с возможностью его перемещения по высоте для управления качеством приготавливаемой эмульсии. Установка позволяет обеспечить приготовление высокодисперсной водотопливной эмульсии за счет обработки лазерным лучом, возможность контроля и задания водосодержания в процессе ее приготовления при перемещении первичного преобразователя плотности в вертикальной плоскости. Выполнение установки позволяет осуществить автоматически регулируемый подвод воды из любой стационарной водопроводной системы и дает возможность получать водотопливную эмульсию любого требуемого состава.

Известно устройство установки для получения водотопливной эмульсии (ВТЭ) с подачей воды при постоянном давлении, состоящее из бака, диспергатора, фильтров для воды и топлива, перепускного клапана, циркуляционного насоса, измерителя расхода воды, электрического подогревателя, трехходового крана, запорно-разобщительной арматуры. Вода из бака подается циркуляционным насосом через измеритель расхода воды и электрический подогреватель в диспергатор, где происходит диспергация топлива и воды. Топливо и вода подводятся к всасывающей полости диспергатора, а его нагнетательный трубопровод включен в основную топливную систему. Диспергатор представляет собой насос с увеличенным радиальным зазором между корпусом и рабочим колесом

Ближайшим аналогом является устройство, представленное в авторском свидетельстве SU 1669516 A1 4714388/26, B 01 F 3/08, состоящее из баков для воды и топлива, фильтров для воды и топлива, запорной арматуры, насоса низкого давления, насоса высокого давления, диспергатора с установленными на нем форсунками и присоединенной к нему разборной колонкой. Топливо из бака поступает через соответствующие фильтры к насосу низкого давления, где происходит первоначальная грубая диспергация топлива и воды, поступившей через фильтр из бака для воды. Из подкачивающего насоса эмульсия поступает в наполнительную полость насоса высокого давления и через форсунки впрыскивается в полость диспергатора, где происходит окончательное диспергирование за счет энергии впрыскивания, избыточная эмульсия поступает в разборную колонку, а затем подается в систему питания двигателя.

Однако известные устройства, в т.ч. и принятое в качестве ближайшего аналога, не позволяют получать высокодисперсную эмульсию, производить контроль за качеством ВТЭ в процессе ее приготовления, не обеспечивают автоматическое регулирование качества ВТЭ, не позволяют получать эмульсию любого требуемого состава.

Технической задачей является приготовление высокодисперсной ВТЭ с обеспечением любого требуемого состава эмульсии при контроле ее качества.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от ближайшего аналога установка снабжена устройством измерения плотности эмульсии с выходом на электромагнитный клапан, диспергатор выполнен в виде реактора, представляющего собой цилиндр из материала, способного пропускать лазерные лучи, в котором фокусируется лазерный пучок, а на разборной колонке установлен прибор (первичный преобразователь плотности) с возможностью его перемещения по высоте для управления качеством приготавливаемой эмульсии.

Указанные отличия позволяют обеспечить приготовление высокодисперсной ВТЭ за счет обработки лазерным лучом, возможность контроля и задания водосодержания в процессе ее приготовления при перемещении первичного преобразователя плотности в вертикальной плоскости. Такое выполнение установки позволяет осуществлять автоматически регулируемый подвод воды из любой стационарной водопроводной системы и дает возможность получать ВТЭ любого требуемого состава.

Рис 2.2.1 Принципиальная схема установки для приготовления водотопливной эмульсии

Емкости для топлива 1 и воды 2, фильтры топлива 3 и воды 4, электромагнитный клапан 5, топливоподкачивающий насос 6 с электроприводом, диспергатор в виде реактора 7 для приготовления водотопливной эмульсии. Реактор 7 представляет собой цилиндр, сделанный из материала, способного пропускать лазерные лучи, например кварцевое стекло. Внутренняя полость реактора 7 с одной стороны соединена с колонкой 8 и через проходной невозвратный клапан 9 - с линией перепуска эмульсии в топливный бак, а с другой стороны сообщена трубопроводом с нагнетательной полостью топливоподкачивающего насоса 6, всасывающая полость которого через электромагнитный клапан 5, фильтры топлива 3 и воды 4, проходные клапаны 11 и 12 соединена с емкостями для воды 2 и топлива 1. Разборная колонка 8 через проходной клапан 13 соединена с системой питания двигателя, а с другой стороны сообщена с первичным преобразователем плотности 14, соединенным электрической связью с вторичным преобразователем плотности 15, который управляет электромагнитным клапаном 5. Возможно подключение установки к стационарной водопроводной сети через клапан 16. В нижней части реактора 7 установлен спускной клапан 17. С боковой стороны реактора 7 расположен лазер 18 с отражателем 19.