Отличия кавитаторов, их применение в гидродинамических установках УКГ

Тяжелые фракции нефти обладают высокой вязкостью, содержат растворенные газы, твердые включения, продукты окисления, воду, балластные вещества, большое количество углеводородов парафинового типа. Кроме того, качество мазутов сильно снижается от длительного хранения. Они насыщаются водой, веществами органического происхождения, окисляются. Это несколько ограничивает применение мазутов в качестве топлива, особенно в условиях жестких требований к содержанию вредных веществ в выбросах.

Главными проблемами теплоэнергетических предприятий, использующих в качестве топлива тяжелые углеводороды, являются низкая энергетическая эффективность мазутов, высокое содержание токсичных продуктов в выбросах, сильный износ тепловых установок при сжигании черных нефтепродуктов. Разработки решений ведутся в двух направлениях:

• Усовершенствование котельных агрегатов и печей.
• Улучшение характеристик топлива, увеличение его теплотворной способности и снижения примесей.

Для повышения интенсивности процесса горения топлива используется распыление мазута через форсунки специальной конструкции под высоким давлением. Это позволяет увеличить теплоотдачу и снизить количество выбросов. Серьезными недостатками такого оборудования являются его высокая стоимость, необходимость часто менять фильтры, дороговизна технического обслуживания и ремонта. Многочисленные испытания энергетических установок выявили зависимость износа горелок и других узлов от качества топлива.

Таким образом, обработка мазутов является наиболее перспективным направлением в области повышения эффективности теплоэнергетики предприятий. Процесс подготовки топлива должен решать следующие задачи:

• Увеличить энергетическую ценность мазутов.
• Снизить содержание веществ, снижающих срок службы печей и котлов, а также уменьшить токсичность продуктов горения.

Кавитационная обработка мазутов позволяет успешно решить эти задачи. При схлопывании разряженных пузырей возникает ударная волна, которая разбивает цепочки молекул, веществ, содержащихся в топливе, разрушает его физико-химическую структуру. После такой обработки возрастает количество низкомолекулярных соединений и образуется новая структура. В результате химических реакций снижается количество примесей, содержащих серу и фосфор.

Виды кавитаторов

Существует несколько видов кавитаторов, имеющих разную конструкцию и принцип действия:

• Ультразвуковые или магнитострикторы. Явление кавитации возникает под действием ультразвуковых колебаний мембраны этого устройства.
• Пассивные. Эти установки содержат трубы разного диаметра и резервуары, где происходит завихрение потока.
• Активные. Эти устройства свою очередь делятся на лопастные и гидродинамические. Первые состоят из рабочего колеса и статора. Эффект кавитации возникает благодаря вращению подвижной части установки. В гидродинамических установках полости разряжения образуются посредством резкого изменения скорости потока.

Ультразвуковые устройства имеют малую производительность и очень высокую цену. Они также весьма дороги в обслуживании. Использовать ультразвуковые кавитаторы для обработки нефтепродуктов экономически нецелесообразно. Основная сфера применения установок такого типа – парфюмерно-косметическая и фармацевтическая промышленность.

Пассивные или установки ФЬЮСОНИК – имеют простую конструкцию и невысокую стоимость. Кроме этого, к достоинствам аппаратов этого типа следует отнести:

• Способность выдерживать высокую температуру и давление.
• Отсутствие необходимости осуществлять замену узлов установки.

При всех преимуществах пассивные кавитаторы имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих их применение, таких как:

• Невозможность настройки параметров в зависимости от вязкости и других свойств нефтепродуктов.
• Крупный размер частиц эмульсий. Обработка на аппарате ФЬЮСОНИК не позволяет получать смеси мелкодисперсной структуры. Минимальный размер частиц составляет 10 мкг.
• Продолжительность обработки. Кавитация возникает только в камерах аппарата, для получения продукции необходимого качества требуется несколько раз пропускать жидкость через кавитатор.
• Образование отложений на внутренних стенках установки. Это приводит к ухудшению гидродинамических характеристик аппарата и ухудшению качества получаемого продукта.

Рабочим органом лопастных кавитаторов являются колеса с лопатками определенного размера и профиля. Области разряжения возникают благодаря их вращению. Такие аппараты эффективней пассивных, однако, имеют свои недостатки:

• Быстрый износ лопастей, которые постоянно подвергаются кавитационным ударам.
• Образование полостей с отрицательным давлением происходит только за лопастями крыльчатки.

Гидродинамические кавитаторы состоят из подвижного и неподвижного корпусов, статора, приводного электродвигателя, подшипников. В роторе и статоре выполнены отверстия. При вращении подвижной части аппарата возникают периодически открывающиеся и закрывающиеся окна. Кавитационные пузыри возникают при резкой остановке потока при закрытии окна. Установки такого типа имеют следующие недостатки:

• Необходимость частой замены ротора и статора, которые изнашиваются от воздействия ударной волны.
• Наличие зазора между ротором и статором.

Зазор между вращающейся и неподвижной частями установки является основным недостатком гидродинамических аппаратов. Через него возникает свободный ток жидкости, что препятствует возникновению условий для кавитации во всем объеме нефтепродуктов. Минимально возможный зазор – 0,1 мм. Однако при изменении размеров ротора и статора под влиянием высокой температуры возможно трение подвижной части о внутренние стенки статора.

Кавитаторы, производимые нашим производственным объединением, лишены обычных недостатков гидродинамических аппаратов. Они обладают следующими преимуществами:

• Наличие уплотнителей уникальной конструкции, позволяющих уменьшить зазор между ротором и статором до минимально возможного.
• Возможность замены рабочих частей без демонтажа кавитатора.
• Возможность регулировки зазора между ротором и статором с учетом температурного расширения узлов установки и их износа.

Изменение промежутка между вращающейся частью установки возможно благодаря перемещению статора в корпусе аппарата по направляющим посредством регулировочного винта.

1. Статор, 2. Ротор, 3. Корпус излучателя, 4. Крышка корпуса, 5. Корпус неподвижный, 6. Корпус подвижный, 7. Вал, 8. Подшипник.

Работа установок гидродинамического типа осуществляется следующим образом. Жидкость подается в аппарат под определением давлением. Подвижная часть установки с отверстиями определенного размера и профиля вращается в неподвижном статоре, который имеет окна той же формы и размеров. При совпадении отверстий жидкость проходит через них со скоростью, определяемой величиной напора подающего насосного агрегата.

При закрытии окна поток резко изменяет скорость. За счет инерции жидкость растягивается, внутри нее резко падает давление. При его снижении вещества, растворенные в ней, вскипают и переходят в газообразное состояние. Благодаря этому, в жидкости образуются микрополости разряжения. Далее сила инерции, атмосферного давления и давления разряжения в кавитационном пузыре уравниваются. Эта фаза называется точкой равновесия, ее продолжительность исчисляется миллисекундами.

а,б,в рост кавитационной полости, уменьшение силы инерции, г – равновесие

Далее при ослабевании инерции давление разряжения внутри пузырьков начинает превышать равновесные значения, происходит интенсивное схлопывание образовавшихся полостей. В это время отверстия ротора и статора снова совмещаются, что приводит к усилению интенсивности процесса схлопывания. Благодаря встрече разнонаправленных потоков, образованных током жидкости через окно, и схлопыванием кавитационных микропузырей, возникает гидроудар, который способствует дроблению крупных молекул и разрыву структурных связей между частицами жидкости. В результате такой обработки получается жидкость, имеющая другую структуру. Кроме того, кавитация способствуют выделению растворенных газов и протеканию химических реакций, что снижает содержание нежелательных примесей.

а,б,в – схлопывание кавитационной полости рост скорости потока, г - гидроудар

Во время кавитационной обработки вода разбивается на поляризованные микрочастицы размером 1-3 мкм (мицеллы). К заряженным частицам воды притягиваются углеводородные молекулы с разноименным зарядом. За счет равномерного распределения частиц воды в мазуте и сил притяжения образуется эмульсия с устойчивой структурой, не подверженная разрушению при низких температурах и длительном хранении.

При сжигании водоэмульсионного топлива происходят следующие процессы:

Вода, содержащаяся в эмульсии, вскипает при попадании в топку. Мицеллы начинают резко расширяться. Испарению воды препятствуют налипшие на микрочастицу углеводородные соединения. В определенный момент микрокапли взрываются и распыляют частицы мазута в зоне сжигания. Это эквивалентно распылению топлива под высоким давлением. За счет многократного увеличения площади соприкосновения мазута и воздуха, процесс его сгорания протекает более интенсивно, что существенно увеличивает количество выделяемого тепла, снижает содержание токсичных веществ, а также позволяет уменьшить температуру отходящих продуктов горения.

Таким образом, использование такого топлива позволяет отказаться от дорогостоящих энергетических установок с системой распыления мазута под значительным избыточным давлением.

Результаты замеров показали, что при содержании воды до 40% теплотворная способность топлива практически не изменяется. Разница между количеством энергии выделяемого при сжигании топлива с содержанием воды 40% и 10% составляет всего 1 %.

Применение топлива, получаемого на наших установках, позволяет:

• Снизить расход мазута до 30%. Водо-мазутные смеси выделяют примерно такое же количество тепла, что и чистые мазуты.
• Снизить расходы на содержание котельных. За счет снижения температуры газов, поступающих в дымоход, а также веществ, вызывающих коррозию узлов котельных агрегатов, износ энергетических установок происходит намного медленнее.
• Уменьшить плату за ущерб экологии. Выплаты за ущерб окружающей среде – обязательное требование Российского законодательства. Снижение количества опасных веществ в выбросах позволяет сделать перерасчет этих выплат и существенно сократить расходы.

Содержание серы в продуктах сгорания падает 2,8 раз, оксидов азота – в 4,3, угарного газа – в 23,4. Кроме того, снижается концентрация смол и чистого углерода.

Кроме производства экологичного топлива с высокой теплотворной способностью для котлов и других агрегатов по производству тепловой энергии, наши установки используются:

• Для увеличения октанового числа бензинов.
• Для снижения содержания парафинов в нефти, увлечение содержания в ней легких низкомолекулярных фракций.
• Для производства многокомпонентных ГСМ.
• Для получение зимней солярки из летнего ДТ,
• Для снижения содержания серы и других нежелательных примесей в ДТ.
• Для производства мазутов и утилизации нефтешламов совместно с загрязненной водой.

В целом, экономический эффект от внедрения оборудования нашего производства на теплоэнергетических предприятиях может составлять до 30%. Основной причиной тому, является полное сгорание топлива и как следствие увеличение теплоотдачи. Уменьшение затрат зависит от типа используемых на предприятии котлов, химического состава исходных компонентов. Но, что с уверенностью мы можем гарантировать, это 7-8% реальной экономии. Увеличение экономической эффективности нефтепроводов, предприятий по производству вторсырья, нефтеперерабатывающей отрасли - является первостепенной задачей. Наше предприятие производит широкий модельный ряд кавитационных гидродинамических установок, которые различаются производительностью и комплектацией для различных отраслей промышленности и производств.