Важнейшую роль в экономике страны играет топливно-энергетический комплекс. Все больше возрастает потребность в ресурсах. Так, например, согласно источнику [1], уже через 20 лет потребность в топливных ресурсах увеличится в 2 раза, а потребление нефти, как энергоносителя составит всего 16 %. В свете сказанного, энергосбережение и повышение эффективности использования имеющихся ресурсов является на данный момент одной из самых серьезных задач.
Мазут и другие отходы нефтеперерабатывающего производства используются во многих котельных установках как недорогое жидкое топливо. При этом, в процессе сжигания мазута на котельных и ТЭЦ возникает ряд проблем. Например, неполное сгорание топлива в топках приводит к образованию большого количества вредных веществ и, как следствие, к значительному загрязнению атмосферы. Так же неизбежное обводнение мазута, происходящее в процессе его хранения, транспортировки и т.д, резко снижает эффективность его сжигания. В результате актуальной становиться проблема использования так называемых водомазутных эмульсий.
Водомазутная эмульсия (ВМЭ) – это мазут с водой соединённые на молекулярном уровне. Получается принципиально новый вид жидкого топлива. Вода становится своеобразным катализатором, улучшающим процесс горения топлива. Высокодисперсная структура ВМЭ обеспечивает эффект вторичного распыления эмульсии. Это происходит в зоне горения, когда мельчайшие капли воды, равномерно распределенные по всему объему мазута, взрываются при резком вскипании. При этом во много раз увеличивается площадь соприкосновения топлива с кислородом воздуха [2]. Экономия происходит за счет более полного сгорания исходного мазута. Получить качественную сверхстойкую эмульсию можно при помощи волнового диспергатора [3].
Для исследования теплотехнических характеристик, рассмотрены ВМЭ с разным количеством воды в составе топлива. Проведен пересчет состава и теплоты сгорания для каждой получившейся эмульсии. На рисунке 1 построен график зависимости теплоты сгорания ВМЭ от содержания воды в % :
Рисунок 1 График зависимости теплоты сгорания топлива от количества воды в составе эмульсии
По представленному графику можно сделать вывод об изменении низшей теплоты сгорания при увеличении количества воды в в составе эмульсии до 30 %. В данном случае теплота сгорания уменьшилась от 40,76 до 28,71 МДж/м3, т.е. примерно в полтора раза.
Количество продуктов сгорания определяется по известному составу топлива с использованием нормативного метода расчета[4].
Теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания единицы топлива рассчитывается по формуле (1):
,
(1)
Теоретический объем азота в продуктах сгорания по формуле (2):
,
(2)
Теоретический объем водяных паров при сжигании жидкого топлива рассчитывается по формуле (3):
,
(3)
Объем трехатомных газов рассчитывается по формуле (4)
, (4)
Результаты расчета объемного состава продуктов сгорания для водомазутных эмульсий с разным количеством воды в составе сведены в таблицу (1) для удобства дальнейшего анализа.
ТАБЛИЦА 1 Объемный состав продуктов сгорания композиционного топлива
|
Количество воды в эмульсии, % |
Объемный состав продуктов сгорания |
|||||||
|
V° |
VRO2 |
V°N2 |
V°H2O |
VСO2 |
VSO2 |
Vс.г. |
Vг. |
|
|
Мазут |
10,626 |
1,582 |
8,394 |
1,507 |
1,58 |
0,00209925 |
9,976 |
11,483 |
|
5 |
10,409 |
1,549 |
8,223 |
1,503 |
1,55 |
0,00202928 |
9,772 |
11,275 |
|
10 |
9,858 |
1,467 |
7,788 |
1,488 |
1,46 |
0,00198729 |
9,255 |
10,743 |
|
15 |
9,311 |
1,386 |
7,356 |
1,474 |
1,38 |
0,00184034 |
8,742 |
10,215 |
|
20 |
8,763 |
1,304 |
6,923 |
1,460 |
1,30 |
0,00172838 |
8,227 |
9,688 |
|
25 |
8,217 |
1,223 |
6,491 |
1,447 |
1,22 |
0,00162342 |
7,714 |
9,161 |
|
30 |
7,668 |
1,141 |
6,057 |
1,432 |
1,14 |
0,001511 |
7,199 |
8,631 |
Для повышения точности расчета анализов теплотехнических испытаний котлов, работающих на данном виде топлива, необходимо произвести расчет по обобщенным теплотехническим характеристикам. Наиболее удобно в этом случае использовать методику, разработанную профессором М.Б. Равичем. Она основана на использовании некоторых характеристик топлива, подвергающихся незначительным колебаниям при изменении его состава и теплоты сгорания.
Определив состав продуктов сгорания по нормативному методу, для каждой эмульсии, можно получить обобщенные характеристики продуктов сгорания (tmax P, R, В) в соответствии с методикой М.Б. Равича. Они будут определяться по следующим формулам (5-10) [5]:
- соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания, м3/м3:
(5)
где VRO2, VO.N2, VO.H2O– теоретические объёмы продуктов сгорания, м3/м3
- жаропроизводительность или жаропроизводительную способность топлива иногда называют также калориметрической температурой горения, °С:
(6)
где сСO2, сSO2, сH2O, сN2– средние объёмные удельные теплоёмкости диоксида углерода, сернистого газа, водяного пара и азота соответственно в температурном диапазоне от 0°С до tmax, кДж/(м3·град.);
- удельная энтальпия сухих (hс.г) и влажных продуктов сгорания (hг), кДж/м3:
; 
(7)
где Qi– низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3;
- максимальная объёмная доля углекислого газа в сухих продуктах сгорания, водяных паров в сухих и влажных продуктах сгорания, %:
(8)
(9)
(10)
Результаты расчета обобщенных теплотехнических характеристик продуктов сгорания смеси воды и мазута в различных соотношениях сведены в таблицу (таблица 2)
ТАБЛИЦА 2 Теплотехнические характеристики водомазутных эмульсий
|
Количество воды в эмульсии, % |
Теплотехнические характеристики |
|||
|
Жаропроизводитель-ность tmax, °С |
Максимальное теплосодержание 1нм3сухих |
Максиальное теплосодержание 1нм3 влажных продуктов горения, |
Отношение объемов сухих и влажных |
|
|
Мазут |
1603,847826 |
4085,3934 |
3549,25 |
0,868766 |
|
5 |
1600,3543 |
4080,2995 |
3536,47 |
0,866719 |
|
10 |
1590,8754 |
4065,7421 |
3502,73 |
0,861523 |
|
15 |
1580,3694 |
4049,6727 |
3465,47 |
0,85574 |
|
20 |
1568,6252 |
4031,7382 |
3424,03 |
0,849268 |
|
25 |
1555,4024 |
4011,3875 |
3377,85 |
0,842065 |
|
30 |
1540,3618 |
3987,8685 |
3326,1 |
0,834055 |
Полученная таблица обобщенных теплотехнических характеристик для водомазутных эмульсий отображена в виде графических зависимостей на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 графические зависимости теплотехнических характеристик (tmax, P,R) от количества воды в эмульсии.
Рисунок 3 графические зависимости отношения объемов сухих и влажных продуктов горения от количества воды в эмульсии.
Представленные рисунки наглядно показывают, что изменение обобщенных теплотехнических характеристик водомазутной эмульсии незначительно, в то время как её теплота сгорания и объемы продуктов сгорания сильно менялись в зависимости от количества введенной в состав воды.
Далее с помощью упрощенных расчетов результатов теплотехнических испытаний котлов и печей можно определить потери теплоты с уходящими газами (q2), теплоты вследствие химической неполноты сгорания (q3) а так де коэффициент использования мазута (к.и.т.).
Использование водомазутных эмульсий является перспективным направлением в энергосбережении. Уменьшается расход исходного топлива и в то же время происходит улучшение его качества. Применение к такому топливу упрощенной методики расчета М.Б. Равича, основанной на использовании некоторых обобщенных характеристик, позволяет легче и быстрее произвести обработку результатов теплотехнических испытаний котлов с высокой степенью точности, не выполняя многих трудоемких расчетов.