Водотопливные эмульсии
Эффективность применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) не раз подтверждалась многими исследованиями. При их использовании улучшаются выходные параметры силовых установок, снижается расход топлива, камера сгорания очищается от сажистых отложений, кроме того значительно снижается эмиссия токсичных и отравляющих веществ в отработавших газах.
Первый патент на использование воды в системе питания двигателя внутреннего сгорания был получен Отто ещё в 1880 г.
В ранних исследованиях отечественных ученых ещё в 60-е годы прошлого столетия было установлено, что при добавлении 17% воды к топливу, количество оксида углерода (СО) снижалось на 50%, а оксидов азота (NOx) – на 20%, при этом топливная экономичность достигала 5%.
На сегодняшний день проведено огромное количество стендовых и эксплуатационных испытаний, которые показали, что добавленная к топливу вода существенно интенсифицирует процесс сгорания топлива, одновременно с этим снижается выброс продуктов неполного сгорания и оксидов азота, в то время как использование других способов снижения вредных выбросов если и приводит к снижению содержания продуктов неполного сгорания, то при этом автоматически увеличивается эмиссия окислов азота и наоборот.
Роль воды в пламени заключается в том, что полярная молекула Н2О способствует улучшению ориентации разорванных или возбужденных молекул углеводородов. Это существенно ускоряет процесс окисления. Экспериментально установлено, что присутствие водяных паров ускоряет процесс горения в 3-5 раз.
Использование гомогенизированной ВТЭ в котлоагрегатах, позволяет повысить степень сгорания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOx и COx в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта заключается в следующем. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой, при этом дисперсность мазута составляет порядка (0,1…1) мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капель воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит их вскипание с образованием водяного пара. В высокотемпературной зоне топочной камеры капля эмульсии взрывается и происходит вторичное диспергирование топлива.
Оптимальное содержание воды в ВТЭ для питания котлов, при котором достигается наибольший экономический эффект и одновременное снижение токсичных составляющих в отходящих газах, составляет (10…40)%.
Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на (30…35) ºС. Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива.
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 достигает 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 отходящими газами, загрязняя атмосферу. Для предотвращения этого используют присадки, позволяющие связывать серу. Ввод этих присадок осуществляют в дымовые газы или в мазут. 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.
С учётом целесообразности и необходимости широкого внедрения ВТЭ, в начале 90-х годов XX столетия в СССР были приняты ряд нормативных документов, обуславливающих технологию применения ВТЭ.
В частности, в пакет нормативных документов для тепловых электростанций и котельных был включен РД 34.44.215-96 «Методы определения качества водомазутных эмульсий, используемых в виде жидкого котельного топлива».
Главной причиной, по которой водотопливные эмульсии не нашли широкого применения на объектах теплоэнергетики является отсутствие надёжных низкозатратных технологий их приготовления с обеспечением стабильных качественных параметров и необходимой длительности хранения эмульсий без изменения их характеристик.
В течение последнего десятилетия, в результате значительного объёма проведённых исследований и экспериментальных работ на основе запатентованной российской разработки, в рязанском предприятии ООО «Спектр» создана уникальная технология приготовления ВТЭ в поточном режиме с получением высокостабильной эмульсии в которой может быть до 20% воды и более.
В основе технологии – ультрадиспергирование и смешение топлива и воды в вихревом гидродинамическом ультразвуковом реакторе по патенту № 2392046 от 25.01.2008 г. Автор патента, руководитель разработки д.т.н. проф. Аникин В.С.
В работах по изготовлению, испытаниях и определения оптимальных характеристик реакторов и ВТЭ участвовали инженеры и конструкторы ведущих ВУЗов страны и конструкторских бюро предприятий г. Рязани, в частности НПО «Нефтехимавтматика, НИИ газоразрядных приборов «Плазма» и др.
Более эффективных технологий применяемых в мировой практике в настоящее время не известно.