Обработка, эмульгирование, гомогенизация -
обводненный мазут коксохимический мазут, печное и котельное топливо.

Утилизация отходов топлива, нефтепродуктов, снижение вредных выбросов, дымности.

Улучшение сгорания тяжелого, обводненного и коксохимического мазута.

В процессе эксплуатации промышленных предприятий, нефтебаз, железнодорожного и автомобильного транспорта, морских, рыбопромысловых, речных судов образуется значительное количество отходов нефтепродуктов в виде загрязненных топлив, донных отложений, отработанных масел с повышенным содержанием воды и механических примесей, не подлежащих использованию и представляющих опасность для окружающей среды (поскольку еще имеет место нелегальный слив).

Основные источники отходов нефтепродуктов:

= На судах при сепарации тяжелых топлив, на которых работают главные двигатели, отходы составляют от 3 до 5% топлива [1,2];
= Продукты зачистки мазутных резервуаров, железнодорожных цистерн и автоцистерн;
= Проливы в процессе транспортировки;
= Отходы котельного топлива, дизельного топлива, моторного топлива после фильтрации, сепарации и зачисток емкостей на промышленных предприятиях;
= Донные отложения из грузовых танков танкеров, а также из расходных топливных цистерн.

Как правило (на 80-85%), это отходы тяжелых топлив, типа мазута 40 или 100.

Вопросами утилизации различного вида отходов нефтепродуктов, в том числе и обводненных, давно и успешно занимались в Институте горючих ископаемых [3]. Было показано, что наиболее предпочтительным вариантом является приготовление из них водотопливных имульсий. Сравнительные данные о горении безводного и обводненного эмульгированного топлива показали, что эмульгированное жидкое топливо сгорает значительно быстрее, чем безводное: содержание воды до 20% в эмульгированном топливе не ухудшает, а даже интенсифицирует процесс горения за счет дополнительного внутритопочного дробления капель, увеличения поверхности испарения частиц и улучшения перемешивания горючего с воздухом; сокращение времени горения эмульгированного топлива благоприятно сказывается на стадии догорания сажистых остатков, улучшает общую полноту сгорания топлива и уменьшает отложения сажи (нагар) на рабочих поверхностях.

Там же было сказано, что эффективность применения топливных эмульсий в значительной степени определяется условиями подготовки эмульсий.

Наибольшее распространение получили способы приготовления топливных эмульсий в клапанных гомогенизаторах высокого давления, ультразвуковых смесителях, аппаратах вихревого слоя, роторно-пульсационных аппаратах, роторных диспергаторах типа коллоидной мельницы.

Сравнительные испытания клапанных гомогенизаторов высокого давления показали, что несмотря на высокое качество приготовленной эмульсии - порядка I мкм они обладают такими недостатками, как большие габариты и масса, высокая стоимость, большой расход энергии на приготовление I т эмульсии - 8-10 кВтч, частые выходы из строя основного элемента - гомогенизирующих клапанов; измельчение механических примесей до 1-20 мкм, что является основной причиной износа прецизионных деталей топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы двигателей [4].

Ультразвуковые смесители, имеющие меньшую массу и габариты, чем клапанные гомогенизаторы, также характеризуются значительным расходом энергии на приготовление I т эмульсии (более 10 кВт-ч) и требуют многократного (30-50 раз) прокачивания топлива [5,6].

((не согласен, если использовать ультразвуковые излучатели то да, если ультразвуковые свистки то много ниже (Андрей Рубан) ))

В аппаратах вихревого слоя типа ABC интенсивное перемешивание и диспергирование топлива происходит в результате соударения ферромагнитных частиц, движущихся под действием вращающегося магнитного поля [7,8]. Расход энергии (3 кВт-ч) на приготовление I т эмульсии значительно меньше, чем у клапанных гомогенизаторов и ультразвуковых смесителей, однако к этим аппаратам необходим прокачивающий насос; быстрый износ ферромагнитных частиц (и переход их в топливо в виде металлических включений) делает аппараты вихревого слоя неудобными в эксплуатации.

((и огромный удельный вес таких аппаратов на 1 м.куб обрабатываемой продукции и громоздкая система охлаждения и температурные ограничения (Андрей Рубан) ))

Роторно-пульсационные аппараты имеют меньшую массу и габариты и расходуют меньше, энергии на приготовление I т эмульсии. Однако для приготовления эмульсии с глобулами порядка 10-15 мкм необходима (в аппарате ГАРТ-ПрМ) 4-6-кратная циркуляция топлива [9].

((и огромный удельный вес на 1 м.куб обрабатываемой продукции и температурные ограничения и быстрая изнашиваемость и низкая ремонтопригодность и повышенная шумность и проблемы с сальниками … (Андрей Рубан) ))

Роторные диспергаторы являются, по-видимому, наиболее перспективными для систем топливоподготовки энергетических установок. Они обладают меньшей массой, небольшими габаритами, просты в изготовлении, надежны в работе, мало расходуют энергии на приготовление I т эмульсии.

((не согласен, НЕ просты, Не надежны, НЕ ремонтопригоды, шум , вес, (Андрей Рубан) и вот статья о недостатках роторных аппаратов ))

Некоторые характеристики вышеперечисленных аппаратов приведены в табл. I.

Все диспергаторы прошли испытания при сжигании водомазутных эмульсий в котлах различных конструкций. Испытания проводились для того, чтобы проверить:

= Возможности сжигания в паровых котлах обводненного мазута, приготовленного в виде водотопливной эмульсии в диспергаторе;
= Возможности сжигания в паровых котлах нефтеостатков от сепарации льяльных вод путем добавления их к основному котельному топливу;
= Влияние сжигания водотопливных эмульсий, а также смеси нефтеостатков с основным котельным топливом на характеристики паровых котлов;
= Эффективность работы роторного диспергатора в эксплуатационных условиях;
= Время работы паровых котлов между чистками внешних поверхностей нагрева при сжигании водотопливных эмульсий.

Одно из первых испытаний было проведено на промысловом судне - БМРТ "Теодор Нетте". Диспергатор ДРС-2 был установлен в системе топливоподготовки котельной установки.

На первом этапе проводили испытания котла КВС 30/II-А на водомазутной эмульсии с обводненностью 10, 20 и 30 % (по объему топлива, равного 1000 л). В одну из секций расходной цистерны котельного топлива закачивали воду от опреснителя. В качестве топлива был использован мазут Ф-5.

Проводили подготовку ведомазутной эмульсии, причем осуществлялась одно-, дву- и четырехкратная циркуляция смеси. Через каждые 30 мин работы роторного диспергатора со дна расходной цистерны отбирали пробы эмульсии. По окончании подготовки эмульсию проверяли на стабильность контрольным спуском отстоявшейся воды через клапан отбора проб на расходной цистерне. Продолжительность определения стабильности составляла 24 ч.

Перед проведением испытаний котла на эмульсии была обследована поверхность нагрева. На экранных трубках и конвективном пучке образовывался незначительный слой нагара в виде кокса и сажи.

Переход на эмульсию осуществлялся без тушения факела переключением клапанов на топливном трубопроводе с секции чистого мазута на секцию эмульгированного. Кроме того, определяли возможность воспламенения факела после кратковременной остановки котла на водомазутной эмульсии.

Контроль горения эмульсии осуществляли визуально через смотровое устройство. Анализ дымовых газов не проводили.

Во время испытаний использовали штатные приборы котельной установки.
На втором этапе испытания использовали смесь остатков нефтепродуктов от сепарации льяльных вод (с содержанием 20 и 50 %) и чистого мазута.
На третьем этапе испытания использовали смесь мазута с нефтеостатками после сепарации нефтесодержащих вод. Расход чистого мазута и эмульсии замеряли по смотровому стеклу расходной цистерны.

Данные о результатах испытаний представлены на рис.2. Верхняя - кривая иллюстрирует отношение расхода водомазутной смеси (эмульсии) Gcм к расходу чистого мазута Gм при одинаковых режимах работы котла в зависимости от обводненности эмульсии W . Как видно из рис. 2, при дву- и четырехкратной обработке водомазутной смеси кривая хорошо отражает закономерность зависимости расхода смеси от обводненности (точки ложатся удовлетворительно).

Выпадающие точки - однократная обработка смеси в диспергаторе - не являются характерными, так как отобранные пробы не отражают истинного содержания воды в топливе. Поскольку прием воды и топлива через два приемных патрубка у диспергатора происходит одновременно (причем через один па¬трубок, забирающий среду со дна, идет вода, а через второй — топливо), то при однократной циркуляции невозможно получить заданную водотопливную эмульсию с равномерным распределением воды по всему объему. Необходима, как минимум, двукратная циркуляция, но, как показывают графики, ее и достаточно для получения стойкой водотопливной эмульсии.

Как видно из верхней кривой, с увеличением количества воды в мазуте часовой расход водомазутной эмульсии возрастает.

Рис.2. Зависимость относительного расхода обводненной водомазутной смеси и "сухого" топлива в водомазутной смеси от обводненности для котла КВС ЗО/II-А.
Условные обозначения: 0 - однократная циркуляция, x - двукратная, ? - четырехкратная

Нижняя кривая на рис. 2 отражает отношение количества "сухого" топлива Gсух в водотопливной эмульсии к расходу чистого мазута Gм . При работе котла на водомазутной эмульсии с содержанием воды до 21% происходит экономия топлива.

Во время испытаний горение водомазутных эмульсий было надежным, безотказным и бездымным. Факел горящей водотопливной эмульсии при однократной обработке имеет искрение, при дву- и четырехкратной обработке он устойчив. Пламя имеет яркий цвет.

Воспламенение водомазутных эмульсий с обводненностью 10 и 20 % не отличается от воспламенения чистого мазута. Воспламенение эмульсии с обводненностью 30% не проверяли.

Давление пара в котле поднималось с такой же скоростью, как это было при работе на чистом мазуте.Топливная аппаратура котла работала надежно. Результаты испытаний котла при работе на смеси нефтеостатков от сепарации льяльных вод (при содержании их в смеси, равном 20 и 50%) и чистого мазута Ф-5 показали, что при сжигании этих смесей отклонений в работе котла не отмечалось.

При сжигании отсепарированных нефтеостатков льяльных вод в смеси с мазутом количество нагара на поверхностях нагрева не увеличивается, причем отложения более рыхлые и сыпучие, особенно в верхней части конвенктивного и экранного пучков. Их можно легко удалить с помощью воздуха. Коррозии на трубках не обнаружено.

Аналогичным образом проводили испытания вспомогательного автоматизированного котла КАВ 4/7 на т/х "Иван Нестеров" Литовского морского пароходства [14]. диспергатор был установлен е системе топливоподготовки котла КАВ 4/7.

В процессе испытаний проверяли работу вспомогательного котла на топливах: мазут М 2,0; мазут М 2,0 с обводненностью 10 и 20 %; смесь мазута М 2,0 с нефтеостатками (50 и 25%) из шламовой цистерны, а также эти смеси с обводненностью 5- и 10 %. Обводненность осуществлялась искусственно, путем добавления пресной воды. Истинная обводненность смесей (нефтеостатки, добавленные в мазут, содержали воду) была впоследствии определена лабораторным путем.

В качестве нефтеостатков использовали отмывки после мойки топливных танков, которые собирали в шламовую цистерну; нефтеостатки закачивали в расходную цистерну котельного топлива без предварительной фильтрации или сепарации.

Данные о результатах испытаний котла КАВ 4/7 приведены на рис.3. Верхние кривые изображают зависимость отношения расхода водомазутной эмульсии и обводненной смеси мазута с нефтеостатками к расходу мазута от обводненности при одинаковых режимах работы котла. Как видно из рис. 3, общий расход эмульсии по сравнению с таковым при работе котла на чистом мазуте увеличивается.

Рис. 3. Зависимость относительного расхода обводненных мазута и смеси мазута с нефтеостатками, а также "сухого" топлива в водомазутной смеси от обводненности для котла КАВ 4/7.
Условные обозначения: 0 - мазут, треугольник - смесь мазута и 50% НО, * - смесь мазута и 25% НО.

Нижние кривые на рис. 3 показывают зависимость отношения количества "сухого" топлива в водотопливнои эмульсии к расходу мазута при одинаковых режимах работы котла от обводненности.

Из рис. 3 видно, что несмотря на общее увеличение расхода эмульсии расход чистого("сухого")топлива при определенных значениях обводненности уменьшился. Так, экономия мазута наблюдается при сжигании водомазутной эмульсии с содержанием воды до 18%, а смеси мазута с нефтеостатками - при содержании воды до 15 %.

Наибольшая экономия топлива наблюдается при содержании в эмульсии от 7 до 13 % воды, причем экономия мазута составляет приблизительно 3%, а смеси мазута с нефтеостатками - 1,5 %.

Следует отметить, что в качестве нефтеостатков сжигали самые "неблагоприятные" нефтеостатки - отмывки после мойки топливных танков.

Аналогичные испытания проводили на котле КВВА 12/15 т/х "В.Киквидзе" Грузинского морского пароходства. Закономерности расхода топлива были такими же, как и на вышеупомянутых судах; однако максимальная экономия топлива при сжигании обводненных отходов нефтепродуктов достигала 5 %, (что выше, чем при всех ранее проводившихся испытаниях -1-3 %). Такая высокая экономия топлива вызвана, по-видимому, повышенной теплотворной способностью нефтеостатков по сравнению с мазутом (сжигали мазут Ф-5): нефтеостатки содержали значительное количество протечек масла и дизельного топлива.

Наряду с положительными явлениями при сжигании водомазутных эмульсий в котлах (экономия топлива, благотворное воздействие на сажистые отложения) в процессе испытаний были выявлены особенности, которые необходимо учитывать при использовании роторных диспергаторов:

= Во избежание засорения системы топливоподготовки перед установкой диспергатора необходимо очистить расходную цистерну котельного топлива;
= Подсоединение диспергатора к расходной цистерне котельного топлива надо проводить таким образом, чтобы в цистерне не возникало застойных зон;
= При работе котла с нагрузкой менее 30% сжигать водотопливную эмульсию не рекомендуется во избежание коррозии хвостовых поверхностей котла.

Успешно прошли испытания смесители – диспергаторы также и на котельных промышленных предприятий, в частности на заводе железобетонных конструкций, где сжигался отработанный эмульсол в виде эмульсии с основным котельным топливом, и на Рижском судоремонтном заводе, где сжигались обводненные отходы нефтепродуктов из подтоварной воды. В обоих случаях сжигание производилось в котлах ДКВР 20-13.

Котельная РСЗ работает на мазуте марок 40 или 100. На завод топливо доставляется в железнодорожных цистернах. Разогрев топлива в цистернах производится паром, при этом топливо как бы искусственно обводняется. Особенно значительно такое обводнение зимой: более 20%. Слив отстоявшейся воды производится в цистерну омазученных вод емкостью 60 м3. Кроме того, что сдача омазученных вод на очистные сооружения связана с дополнительными затратами, завод теряет и часть топлива, сдавая эти воды на очистные сооружения.

Для утилизации омазученных вод была разработана система подачи топлива в цистерну омазученных вод, создания гомогенной смеси и подача ее в расходную цистерну котельного топлива. Гомогенная смесь образуется за счет подключения диспергатора и обработки смеси в нем по замкнутому контуру. Смесь подготавливается таким образом, чтобы омазученные воды составляли от 5 до 10% от общего объема. В этом случае вода, входящая в состав топлива, не оказывала отрицательного влияния на работу котла.

Сжигание водотопливных эмульсий производилось в водотрубных двухбарабанных котлах ДКВР 20-13. Котлы без пароперегревателя, с экономайзером. Общая поверхность нагрева котла - 390,5 м2, часовой расход топлива В=1890 кг/ч, к.п.д. при сжигании мазута с теплотворной способностью QHp = 9170 ккал/кг - 90%.Форсунки с паровым распылом типа ГМГБ - 5,6.

За время работы котлов на водотопливной эмульсии никаких видимых отклонений не отмечалось. Факел горящей эмульсии был устойчив. Срыва факела за время работы не было ни разу. Форсунки, применяющиеся для распыла мазута пригодны и для подачи эмульсии. Полнота горения эмульсии была хорошей. Применение водотопливных эмульсий уменьшает дымность уходящих газов.

Повышение содержания воды в водотопливной эмульсии до 30% и кратковременная работа котла на такой эмульсии позволяет уменьшить трудозатраты на очистку котла, поскольку на теплопередающих поверхностях котла отложения были рыхлыми.

Успешно работает диспергатор, установленный в 2002 году в систему топливоподготовки котла VITOMAX 200 HS (немецкой фирмы VIESSMANN) на цементном заводе CEMEX (латвийский филиал третьего крупнейшего производителя цемента в мире CEMEX Sa de CV). Приготовленная топливная эмульсия была гомогенной и стабильной, а полнота горения ее была хорошей.

Работа диспергатора происходит следующим образом. Топливо или смесь его с водой поступают в диспергатор самотеком в два входных отверстия с двух разных уровней (см. рис. 5): с нижней точки расходной цистерны и с точки забора топлива на котел. При перемешивании асфальтосмолистые частицы топлива и включения воды эмульгируются. В результате образуется высокодисперсная стабильная эмульсия.

После двукратного пропускания содержимого расходной цистерны через диспергатор топливо готово к сжиганию в котельных установках.

Фирма собирает все упомянутые выше отходы нефтепродуктов с целью приготовления из них утилизируемого топлива (один из видов деятельности фирмы). Для этого создан участок для приготовления топлива. Отходы нефтепродуктов принимаются через фильтры грубой и тонкой очистки в емкости: отработанные масла в одну емкость, все остальные отходы нефтепродуктов - в другую. Отходы нефтепродуктов подогреваются до температуры 60-70°С и отстоявшуюся воду (обводненность отходов нефтепродуктов иногда достигает 60%) сливают в промежуточную емкость, а впоследствие отправляют на очистные сооружения. После предварительного отстоя отходы нефтепродуктов направляются в другую емкость, куда подается через насос-дозатор также деэмульгатор IMPROVER D 816SX, производства Голландии.

Рис. 5. Схема включения сместителя-диспергатора в систему топливоподготовки котельной установки
1. Смеситель-диспергатор; 2. Манометр; 3. Расходная цистерна; 4. Фильтр; 5. Подача топлива; 6. В котёл.

После отстоя и слива воды, отходы нефтепродуктов поступают в топливные сепараторы Alfa-Laval установленные по специальной схеме, после них в следующую емкость. К этой емкости подсоединен смеситель-диспергатор. После двукратной циркуляции через диспергатор, топливо забирается на анализ. Если топливо не соответствует по теплотворной способности требованиям заказчика, то в топливо добавляется отработанное масло.

Как показывают анализы и последующее сжигание приготовленного утилизируемого топлива в котельных, диспергатор приготавливает гомогенную стабильную эмульсию.

Поскольку некоторые котельные используют для сжигания полученные отходы нефтепродуктов из других источников, они приобретают смесители-диспергаторы и устанавливают их по схеме, представленной на рис.5. Это гарантирует получение стабильных гомогенных топливных эмульсий и их качественное горение.

Диспергаторы используются не только в котельных, а также на лакокрасочных заводах для приготовления смесей из красок (Латвия).

Таким образом, разработанная технология позволяет приготавливать из отходов нефтепродуктов различных фракций гомогенное утилизируемое в котельных установках топливо.