Способ модификации жидкого котельного топлива и устройство для его осуществления

 

Областями техники, к которым относятся изобретения, являются нефтехимическая, теплоэнергетическая и металлургическая промышленности и водный транспорт, связанные с получением, подготовкой и использованием жидкого котельного топлива - мазута. Способ модификации жидкого котельного топлива включает его подогрев, воздействие озоновоздушной смесью, смешение топлива с водой, причем до озонирования для возбуждения топлива на последнее воздействуют физическими полями, затем тонко диспергируют, а воду для ее ионизации до смешения предварительно обрабатывают озоном в магнитном поле и подают в распыленном виде. После смешения полученную смесь подвергают экспозиционной обработке и дополнительно озонируют в импульсном электромагнитном и электростатическом полях электрогидродинамического распылителя-сепаратора, на выходе которого получают различные по физико-химическому составу и свойствам потоки. Подогрев топлива осуществляют до температуры не более 100°С, а также в качестве физических полей, воздействующих на топливо, используют скрещенные электромагнитные, электростатические и сверхвысокочастотные поля, а также тонкое диспергирование топлива осуществляют в электростатическом поле при напряженности не менее 2 кВ/см и давлении на входе в узел распыла 0,4-0,6 МПа. Водородный показатель обработанной озоном и магнитным полем воды составляет 6,9-7,2, а значение ОН-групп не менее 5 мг/л при гидратированных электронах не менее 2,5 мг/л и показателе растворенного кислорода 40-60 мг/л. Смесь возбужденного топлива и ионизированной воды подвергают экспозиционной обработке в течение 6-12 минут, а в распылителе-сепараторе разделяют полученную смесь на поток модифицированного котельного топлива, потоки полуфабриката и осадка, а также потоки полуфабриката направляют на дополнительный цикл модификации в стадию подогрева котельного топлива. Описано также устройство для осуществления способа. Предлагаемые способ и устройство обеспечивают получение более 90% модифицированного топлива от первоначального объема топлива, а также повышение товарного и экологического качества топлива, способствующего увеличению ресурса работы и экономичности теплоагрегатов, использующих это топливо, снижение содержания вредных веществ в составе дымовых газов. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 4 ил.

Областями техники, к которым относятся изобретения, являются нефтехимическая, теплоэнергетическая и металлургическая промышленности и водный транспорт, связанные с получением, подготовкой и использованием жидкого котельного топлива - мазута.

Специфические недостатки мазутов обусловлены их химическим и структурным составами, определяющими высокие вязкости и поверхностное натяжение, трудность распыления, воспламенения и неполноту сгорания, приводящие, в свою очередь, к нарушениям экологических норм содержания вредных веществ в составе дымовых газов и снижающих ресурсы работы и экономичность теплоагрегатов, использующих это топливо.

Известен способ подготовки топлив для топочных устройств, в котором в подготовительной системе топливо подвергают термическим, электрическим и/или магнитным воздействиям, при этом топливо обогащается воздухом и далее его подвергают действию высокочастотного поля (заявка DE № 4014902, кл. С 10 G 32/02, 14.11.91 г.).

Недостатком известного способа является получение топлива, неустойчивого во времени, которое не может сохранять более 24 часов приобретенные качества. Кроме того, реализация этого способа связана с относительно высокими температурами и соответственно металлоемкостью конструкции технологического устройства.

Известен способ модификации мазута, включающий его подогрев, облучение и воздействие химически активным реагентом, например озоновоздушной смесью, и водой (патент РФ № 2124040, кл. С 10 G 15/10, 02.07.97 г.).

Недостатком известного способа является протяженность процесса обработки во времени и огромные энергозатраты из-за использования линейных ускорителей электронов, малая глубина проработки молекулярных изменений исходного жидкого топлива.

Известно устройство для модификации жидкого котельного топлива, включающее связанные между собой емкости хранения и подогрева топлива, генератор озона, соединенный с камерой смешения топлива с озоновоздушной смесью, и узел сепаратора (жур. “Нефтехимия” 1991 г., №2, с. 255-260, рис.3).

Недостатком данного устройства является получение топлива, имеющего невысокие показатели его товарного качества, и потеря в процессе обработки до 50-60% первоначального объема топлива.

Предлагаемые изобретения направлены на решение задачи, заключающейся в сокращении продолжительности изменений химического и структурного составов жидкого котельного топлива.

Технический результат, реализуемый при использовании этого изобретения, - повышение товарного и экологического качества топлива, способствующего увеличению ресурса работы и экономичности теплоагрегатов, использующих это топливо, снижению содержания вредных веществ в составе дымовых газов.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе модификации мазута, включающем его подогрев, воздействие озоновоздушной смесью, смешение топлива с водой, до озонирования для возбуждения топлива на последнее воздействуют физическими полями, затем тонко диспергируют, а воду для ее ионизации до смешения предварительно обрабатывают озоном в магнитном поле и подают в распыленном виде, причем после смешения полученную смесь подвергают экспозиционной обработке и дополнительно озонируют в импульсном электромагнитном и электростатическом полях электрогидродинамического распылителя-сепаратора, на выходе которого получают различные по физико-химическому составу и свойствам потоки, а также подогрев топлива осуществляют до температуры не более 100°С, а также в качестве физических полей, воздействующих на топливо, используют скрещенные электромагнитные, электростатические и сверхвысокочастотные поля, а также тонкое диспергирование топлива осуществляют в электростатическом поле при напряженности не менее 2 кВ/см и давлении на входе в узел распыла 0,4-0,6 МПа, а также водородный показатель обработанной озоном и магнитным полем воды составляет 6,9-7,2, а значение ОН-групп не менее 5 мг/л при гидратированных электронах не менее 2,5 мг/л и показателе растворенного кислорода 40-60 мг/л, а также смесь возбужденного топлива и ионизированной воды подвергают экспозиционной обработке в течение 6-12 минут, а также в распылителе- сепараторе разделяют полученную смесь на поток модифицированного котельного топлива, потоки полуфабриката и осадка, а также потоки полуфабриката направляют на дополнительный цикл модификации в стадию подогрева котельного топлива.

Отличительные признаки предлагаемого способа способствуют получению топлива повышенного качества за счет воздействия на него химически высокоактивными реагентами и физическими полями. В качестве химических высокоактивных реагентов используются озон (О₃), а также полученные в результате воздействия на воду озоном и магнитным полем ионизированные атомы и молекулы кислорода и водорода (Н⁺, Н⁺₂), гидроксильная ОН^- - группа и пероксиды Н_mО_m при m=2,4,6 и т.д.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, включающее связанные между собой емкости хранения и подогрева топлива, узел распыла, генератор озона, соединенный с камерой смешения топлива с озоновоздушной смесью, и узел сепаратора, снабженное узлом воздействия физическими полями, а также узлом ионизации воды, камерами смешения тонкодиспергированного топлива, озоновоздушной смеси и воды и экспозиционной обработки, а также дополнительными генераторами озона, и в котором в качестве сепаратора используют электрогидродинамический распылитель-сепаратор, соединенный с камерой экспозиционной обработки и одним из дополнительных генераторов озона, и в котором узел воздействия физическими полями соединен с узлом подогрева, а второй из дополнительных генераторов озона - с узлом ионизации воды, и в котором узел распыла оснащен электростатической форсункой, а корпус узла воздействия на жидкое котельное топливо физическим полями выполнен из диэлектрического материала, с размещенными на нем коаксиально двумя парами плоских электродов и индуктором, и в котором электроды соединены с высоковольтными источниками напряжения постоянного и переменного токов, а индуктор с сверхвысокочастотным генератором, и в котором электрогидродинамический распылитель-сепаратор выполнен с размещенными на валу электропривода дисками и коаксиально расположенными n-сетчатыми электродами, причем один из сетчатых электродов, обращенный к внутренней боковой стенке корпуса, выполнен цилиндрическим, а остальные в виде усеченных конусов, при этом наибольший размер ячеек имеет цилиндрический сетчатый электрод, а на выходе из распылителя-сепаратора размещены приемные емкости, связанные с объемами между сетчатыми электродами и корпусом.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - технологическая схема, на фиг.2 - схема узла воздействия физическими полями; на фиг.3 - схема узла распыла, на фиг.4 - схема узла распылителя-сепаратора, количество сетчатых электродов которого n=3.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности.

Исходное жидкое котельное топливо (мазут) подается в емкость подогрева, где подвергается подогреву до температуры не более 100°С (для обеспечения условия нормальной текучести топлива).

Эту температуру необходимо поддерживать в течение всего технологического цикла модификации. Подогретое топливо с заданным расходом Q подается при напоре р≤0,6 МПа (в целях энергосбережения) с помощью топливного насоса в узел воздействия физическими полями, где за счет воздействия на топливо скрещенными электростатическими и электромагнитными полями с диапазоном частот 20-160 кГц и сверхвысокочастотным полем с диапазоном частот 1-2 МГц СВЧ поля, совпадающими с резонансной частотой межмолекулярных связей ароматических углеводородов, происходит возбуждение и частичное разрушение молекул С_nН_2n±2. Далее возбужденное топливо поступает в узел распыла - электростатическую форсунку - камеры смешения, где при напряженности поля Е не менее 2 кВ/см и за счет давления 0,4-0,6 МПа, что исключает взрывоопасность, происходит его тонкое диспергирование, характеризуемое размерами частиц, несущими положительный электрический заряд, на уровне десятков микрон. Генератор озона вырабатывает озоновоздушную смесь из очищенного от пыли атмосферного воздуха, обогащенного кислородом с помощью генератора кислорода. Затем озоновоздушная смесь и диспергированное топливо поступают в камеру смешения, в которой образуется газожидкостной поток. Эта двухфазная смесь поступает в камеру смешения с распыленной ионизированной водой. Ионизированную воду получают из промышленной воды, подавая ее в ионизатор воды, где ее обрабатывают озоном первого дополнительного генератора озона и магнитным полем для обеспечения в ней избытка ОН^--групп и достижения водородного показателя рН 6,9-7,2, а значения ОН-групп не менее 5 мг/л при гидратированных электронах не менее 2,5 мг/л и показателе растворенного кислорода 40-60 мг/л. Такие данные обеспечивают нейтральный характер химической реакции. Смесь газожидкостного потока и воды поступает в камеру экспозиционной обработки, в которой посредством электрогидродинамического затвора и геометрии ее проточной части создают зону дополнительной турбулизации потока смеси и зоны вихревого течения. Время пребывания потока в камере 6-12 минут. За это время здесь происходит очистка, преобразование и активация потока.

Далее с помощью газожидкостного насоса поток поступает на последний этап воздействия озона и физических полей на тяжелые углеводороды. Это происходит в электрогидродинамическом распылителе-сепараторе. Распыленный поток смеси разделяется по жидкостным фракциям, отличающимся приобретенным избыточным зарядом, с использованием n-высоковольтных сетчатых электродов, напряжение на которых ступенчато снижается по мере их удаления от оси распылителя-сепаратора. В результате сепарационных процессов получаются следующие конечные продукты модификации: 1) растворы проозонированных и гидрированных жидких углеводородов с измененной молекулярной структурой (уменьшенной молекулярной массой) - основная часть модифицированного мазута, прошедшая все сетчатые электроды; 2) - эмульсионная смесь тяжелых углеводородов (осадочных фракций) с водой, формирующаяся на коническом сетчатом электроде; 3) доля частиц распыленной эмульсии, осажденная на втором коническом и последующем цилиндрическом сетчатых электродах и преобразованная не полностью (n-1 потоков полуфабриката) возвращается на дополнительный цикл модификации в стадию подогрева.

Предлагаемое устройство содержит емкость хранения исходного топлива 1, топливный насос 2, емкость подогрева топлива 3, топливный насос 4, мазутный фильтр 5, узел воздействия физическими полями на исходное жидкое котельное топливо 6, источник постоянного тока 7, источник переменного тока 8, источник сверхвысоких частот 9, узел распыла 10 в камере смешения топлива с озоновоздушной смесью 10^/, систему подачи озоновоздушной смеси 11, генератор озона 12, источник питания генератора озона 13, генератор кислорода 14, компрессор 15, электростатический источник 16, камеру смешения тонкодиспергированного топлива и озоновоздушной смеси с распыленной ионозированной водой 17, водяной насос 18, распылитель 18^/, ионизатор воды 19, источник питания ионизатора 20, дополнительный генератор озона 21, фильтр очистки воды 22, зарядную схему 23, источник питания генератора озона 24, камеру экспозиционной обработки 25, газожидкостный насос 26, узел распылителя-сепаратора 27, электропривод распылителя-сепаратора 28, питание электропривода 29, импульсный источник тока сеток-электродов распылителя-сепаратора 30, систему подачи озона 31, дополнительный генератор озона 32, генератор кислорода 33, систему холодильных устройств 34, 35, приемную емкость 36 для полуфабриката, конденсатор-холодильник 37, приемную емкость 38 для модифицированного топлива, систему возврата полуфабриката модифицированного топлива 39, систему плоских электродов 40 в корпусе 6 узла возбуждения топлива, индуктор 41 этого же узла, входное сопло 42 камеры смешения топлива с озоновоздушной смесью, форсунку 43, токоподвод 44, крышку камеры 45, диффузор 46, трубопровод 47, систему подачи рабочей среды 48 в распылитель-сепаратор, вал распылителя 49, коронирующие диски 50, сетчатые электроды 51, 52, выполненные в виде усеченных конусов, сетчатый электрод 53, выполненный в виде цилиндра, причем соотношение размеров ячеек электродов в направлении от центра распылителя-сепаратора к стенке корпуса распылителя-сепаратора возрастает (для беспрепятственного прохода обработанной частицы топлива), опорные изоляторы 54, 55, аэродинамические экраны 56, изолятор 57, высоковольтный ввод 58, крышку корпуса 59, отвод 60, патрубок подачи озона 61, систему отсоса 62.

Устройство работает следующим образом.

Исходное жидкое котельное топливо (мазут) поступает в емкость подогрева 3, где подвергается подогреву, затем с помощью топливного насоса 4 подается в узел воздействия физическими полями 6, где за счет воздействия на топливо скрещенными электростатическими и электромагнитными полями и сверхвысокочастотным полем происходит его возбуждение. Скрещенные поля образуются системой двух пар плоских электродов 40, размещенных в корпусе, на внешней поверхности которого установлен индуктор 41 - источник СВЧ-поля. Использование скрещенных полей с СВЧ-полем обеспечивает гидромеханическое биение потока жидкого котельного топлива с заданной частотой. Это биение способствует разрыву резонансных межмолекулярных связей тяжелых углеводородов. Далее возбужденное топливо поступает в узел распыла камеры смешения - электростатическую форсунку 43, где происходит его тонкое диспергирование. Генератор озона 12 вырабатывает озоновоздушную смесь из очищенного от пыли атмосферного воздуха, обогащенного кислородом с помощью генератора кислорода 14. Затем озоновоздушная смесь и диспергированное топливо поступают в камеру смешения 10^/, в которой образуется газожидкостной поток. Эта двухфазная смесь поступает в камеру смешения 17 с распыленной ионизированной водой. Ионизированную воду получают из промышленной воды, подавая ее в узел ионизации воды 19. Смесь газожидкостного потока и воды поступает в камеру экспозиционной обработки 25. Время пребывания потока в камере 6-12 минут.

Далее с помощью газожидкостного насоса 26 поток поступает на последний этап воздействия озона и полей на тяжелые углеводороды. Это происходит в электрогидродинамическом распылителе-сепараторе 27. Для этого внутренний объем 27 разделен системой из n (на чертеже n=3) сетчатых электродов 51, 52, 53, образующих различные (по законам распределения электрической напряженности) поля: в центре - сильное электромагнитное поле, а ближе к корпусу - чисто электростатическое). На электрод 51 подаются импульсы тока такого напряжения, чтобы диски 50 коронировали (выделяли заряд) со строго определенной интенсивностью, осуществляя зарядку распыляемых капель до определенного избыточного заряда. Размещение дисков 50 на валу обеспечивает равномерное распределение подаваемой среды на заданный объем распылителя-сепаратора. Коаксиальное расположение сетчатых электродов 51, 52, 53 обеспечивает равномерное распределение среды по их поверхностям. Под действием электрических полей происходит сепарация на потоки. Заряженные с различной интенсивностью частицы потока смеси под действием полей транспортируются следующим образом: с максимальным зарядом - растворы проозонированных и гидрированных жидких углеводородов с измененной молекулярной структурой - к внутренней стенке корпуса электродинамического распылителя-сепаратора, эмульсионная смесь тяжелых углеводородов (осадочных фракций) с водой - в центр, а с зарядом промежуточного значения - на поверхности n-1 сетчатых электродов. Таким образом, в результате сепарационных процессов получается модифицированное котельное топливо, осадок из битумов и воды и n-1 потоков полуфабрикатов из различных по составу тяжелых углеводородов.

Предлагаемые способ и устройство обеспечивают получение более 90% модифицированного топлива от первоначального объема топлива.

Формула изобретения

1. Способ модификации жидкого котельного топлива, включающий его подогрев, воздействие озоновоздушной смесью, смешение топлива с водой, отличающийся тем, что до озонирования для возбуждения топлива на последнее воздействуют физическими полями, затем тонко диспергируют, а воду для ее ионизации до смешения предварительно обрабатывают озоном в магнитном поле и подают в распыленном виде, причем после смешения полученную смесь подвергают экспозиционной обработке и дополнительно озонируют в импульсном электромагнитном и электростатическом полях электрогидродинамического распылителя-сепаратора, на выходе которого получают различные по физико-химическому составу и свойствам потоки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев топлива осуществляют до температуры не более 100°С.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве физических полей, воздействующих на топливо, используют скрещенные электромагнитные, электростатические и сверхвысокочастотные поля.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что тонкое диспергирование топлива осуществляют в электростатическом поле при напряженности не менее 2 кВ/см и давлении на входе в узел распыла 0,4-0,6 МПа.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что водородный показатель обработанной озоном и магнитным полем воды составляет 6,9-7,2, а значение ОН-групп не менее 5 мг/л при гидратированных электронах не менее 2,5 мг/л и показателе растворенного кислорода 40-60 мг/л.

6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что смесь возбужденного топлива, озоновоздушной смеси и ионизированной воды подвергают экспозиционной обработке в течение 6-12 мин.

7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем, что в распылителе-сепараторе разделяют полученную смесь на потоки модифицированного котельного топлива, осадка и полуфабриката.

8. Способ по пп.1-7, отличающийся тем, что потоки полуфабриката направляют на дополнительный цикл модификации в стадии подогрева котельного топлива.

9. Устройство для модификации жидкого котельного топлива, включающее связанные между собой емкости хранения и подогрева топлива, узел распыла, генератор озона, соединенный с камерой смешения топлива с озоновоздушной смесью и узел сепаратора, отличающееся тем, что устройство снабжено узлом воздействия физическими полями, связанным с узлом распыла, узлом ионизации воды, камерами смешения тонкодиспергированного топлива и озоновоздушной смеси с водой, и экспозиционной обработки, а также дополнительными генераторами озона, при этом в качестве сепаратора использован электрогидродинамический распылитель-сепаратор, соединенный с камерой экспозиционной обработки и одним из дополнительных генераторов озона, узел воздействия физическими полями связан с узлом подогрева, а второй из дополнительных генераторов озона связан с узлом ионизации воды.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что узел распыла имеет электростатическую форсунку.

11. Устройство по пп.9 и 10, отличающееся тем, что узел воздействия на жидкое котельное топливо физическим полями имеет корпус, выполненный из диэлектрического материала, на котором коаксиально размещены две пары плоских электродов и индуктор, при этом электроды соединены с высоковольтными источниками напряжения постоянного и переменного токов, а индуктор с сверхвысокочастотным генератором.

12. Устройство по пп.9-11, отличающееся тем, что электрогидродинамический распылитель-сепаратор имеет ряд размещенных на валу электропривода дисков и коаксиально расположенные сетчатые электроды.

13. Устройство по пп.9-12, отличающееся тем, что один из сетчатых электродов, обращенный к внутренней боковой стенке корпуса, имеет цилиндрическую форму, а остальные выполнены в виде усеченных конусов, при этом наибольший размер ячеек имеет цилиндрический сетчатый электрод.

14. Устройство по пп.9-13, отличающееся тем, что на выходе из распылителя-сепаратора размещены приемные емкости, связанные с объемами между сетчатыми электродами и корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4