Устройство для получения водно-топливной эмульсии

Изобретение относится к устройствам для получения водно-топливной эмульсии и может использоваться в энергетической, нефтегазодобывающей, металлургической, химической, автомобильной и других областях промышленности, в частности при сжигании мазута на котельных, котлах ТЭЦ, ТЭС, в котлах цехов металлургических заводов. Устройство содержит корпус с патрубками подвода топлива и отвода эмульсии, в котором коаксиально размещен резонатор. По осевой линии резонатора расположен стержневой ультразвуковой излучатель с острой кромкой, соединенный с патрубком подачи пара. Устройство снабжено стаканом, коаксиально расположенным в корпусе. На боковой поверхности стакана выполнено множество тангенциальных сопловых отверстий для создания кавитации. На внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора установлены кольцевые диафрагмы. Излучатель выполнен в виде сопла Лаваля и снабжен регулирующим устройством для изменения расстояния между соплом подачи пара и острой кромкой излучателя. Технический результат состоит в снижении количества вредных выбросов продуктов сгорания топлива в атмосферу при сохранении высоких энергетических характеристик топлива. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для приготовления водно-мазутных эмульсий и может быть использованое в энергетической, нефтеперерабатывающей, металлургической, химической, автомобильной и других областях хозяйственной деятельности, в частности при сжигании мазута на ТЭС, ТЭЦ, котельных, что значительно уменьшает выброс в атмосферу образующихся при сжигании вредных веществ (оксидов азота, оксидов углерода, оксидов серы и сажи), предотвратит сброс в водоемы сточных вод, загрязненных нефтепродуктами путем их огневого обезвреживания в топках котлов, и в конечном итоге предотвратит ущерб природной и окружающей человека среде.

Известны устройства для приготовления эмульсий методом барботажа (свежего пара или сжатого воздуха), механические мешалки для обводнения топлив [1.Иванов В.М. Топливные эмульсии. - М.: Издат. АН СССР, 1962, с.146; 191-202; 2. Иванов В.М., Канторович Б. В. Топливные эмульсии и суспензии. - М.: Металлургиздат, 1963, с. 183]. Приготовление эмульсий этими устройствами имеет ряд недостатков: эмульсии получаются более грубыми и менее однородными. Содержат капельки воды как малого (3-9 мкм) [1.с.146], так и достаточно большого диаметра (40-60 мкм) [2,с.183], имеют низкое качество и малую однородность; при барботировании с газом или паром теплота сгорания топлива несколько понижается, а удельный вес топлива повышается; расход энергии при барботировании больше, чем при механическом диспергировании.

Известно устройство для обводнения жидких топлив (А.С. СССР №468948, кл. С10L 1/32, B01F 11/02, G01N 33/22, 1975), содержащее корпус, крышку со штуцерами для подвода воды и топлива и отвода эмульсии, распределительный стакан с расположенным внутри него наконечником ультразвукового излучателя.

Недостатками такого устройства являются сложность конструкции, малая производительность и недостаточная надежность в работе из-за частых поломок вибрирующего элемента по причине большой величины амплитуды его колебаний.

Кроме того, необходимость подвода дополнительной энергии к вибрирующему элементу требует дополнительных энергозатрат, а жесткие условия работы вибрирующего элемента вызывают разрушение металла, что приводит к снижению качества эмульсии за счет загрязнений и динамической коррозии вибрирующего элемента. При этом по причине одноразового ультразвукового диспергирования одной из взаимно нерастворимых жидкостей в другой в распределительном стакане образуется эмульсия низкого качества и с малой однородностью.

Известна также установка для приготовления эмульсий (А.С. СССР №507343, кл. В01F 11/02, 1976) в поле упругих колебаний ультразвукового диапазона, содержащая емкости основного и эмульгируемого компонентов, вихревые гидродинамические излучатели, один из которых соединен посредством напорного патрубка и насоса с емкостью основного компонента, а у втрого излучателя эжекционный патрубок соединен с емкостью эмульгируемого компонента. При этом эжекционный патрубок основного излучателя соединен с его напорным патрубком. Главным недостатком такой установки является возможность только одноступенчатого приготовления эмульсии с недостаточно высокой дисперсностью эмульсии.

Известен диспергатор (А.С. СССР №1691565, кл. F04F 1/00, Е21В 21/00,1989), содержащий цилиндрический корпус, сопло с винтовой нарезкой, камеру завихрения и диффузор, выполненные в полости втулки, установленной в корпусе с возможностью осевого вращения и магнитные элементы, при этом в корпусе выполнеы каналы, а во втулке - радиальные отверстия для сообщения камеры завихрения с выходным сечением диффузора, магнитные элементы выполнены в виде набора колец и установлены во втулке соосно ей между камерой завихрения и выходным сечением диффузора разноименными полюсами навстречу друг другу. Однако такой диффузор недостаточно надежен в работе, его конструктивная сложность приводит к выходу элементов диспергатора из строя, что приводит к получению эмульсии сравнительно низкого качества с недостаточной однородностью.

Известна установка для обводнения жидкого топлива (Патент RU №2088325, кл. В01F 11/02, 1997), включающая блок подготовки водно-топливного концентрата, содержащий корпус с патрубками подвода воды/газа и расположенными тангенциально патрубками подвода топлива и отвода водно-топливного концентрата, образованными запорной арматурой, в котором коаксиально размещен распределительный стакан, снабженный: расположенными в нем кольцевым трубчатым распределителем топлива, ультразвуковым излучателем и сетчатым рассекателем, а установка дополнительно снабжена промежуточным блоком в виде корпуса, внутри которого установлены сетчатые перегородки с набивкой и блоком подготовки эмульсии с заданной дисперсностью, содержащим корпус с разъемной полусферой и диафрагмой, снабженной смесителем и патрубком для отвода концентрата, боковая поверхность оборудована патрубками подачи концентрата/газа, оборудованный насадкой в виде обратного конуса, при этом насадка представляет собой эжектор, боковая поверхность которого выполнена с отверстиями, блок подготовки концентрата, промежуточный блок и блок подготовки эмульсии соединены последовательно и выполнены автономными. Недостатком установки является ее исключительная конструктивная сложность, ввиду наличия трех блоков, низкая надежность в работе, трудности их регулировки, что в конечном итоге снизит качество подготовки эмульсии с заданной дисперсностью.

Известен также способ приготовления водно-мазутной топливной эмульсии, приведенный в патенте RU №2119529, кл. С10L 1/32,1998. Способ приготовления водно-мазутной топливной эмульсии, включающий диспергирование обводненого мазута, состоит в том, что диспергирование осуществляют воздействием акустических колебаний частотой 4-6 кГц. Недостаток способа - использование ротационно-гидродинамического излучателя, не позволяющего увеличить акустические колебания выше частоты 6 кГц, что ограничивает получение водно-мазутной топливной эмульсии с дисперсностью капелек до 1мкм, что снизит теплотворную способность и распыление топлива при его сгорании.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип изобретения, является устройство для обводнения жидкого топлива, приведенное в А.С. СССР №1346225, кл. B01F 11/02, 1987. Устройство содержит корпус с патрубками подвода топлива и отвода эмульсии, в котором коаксиально размещен резонатор, по осевой линии которого расположен стержневой ультразвуковой излучатель со стержнем и острой кромкой, стакан снабжен расположенным в нем кольцевым трубчатым распределителем топлива и сетчатым рассекателем, установленным над распределителем между излучателем и стенкой стакана, при этом патрубки подвода топлива и отвода эмульсии расположены тангенциально. Однако вышеперечисленное устройство, выбранное в качестве прототипа, имеет ряд вышеупомянутых недостатков и в первую очередь из-за недостаточно высокого качества получаемой эмульсии.

Предложенное изобретение направлено на устранение перечисленных выше недостатков, на создание технологичной конструкции с высокой эксплуатационной надежностью, позволяющей существенно повысить качество подготовки эмульсии, ее дисперсность и однородность.

Сущность решения поставленной задачи согласно изобретению заключается в том, что устройство для получения водно-топливной эмульсии содержит корпус с патрубками подвода топлива и отвода эмульсии, в котором коаксиально размещен резонатор, по осевой линии которого расположен стержневой ультразвуковой излучатель со стержнем и острой кромкой, соединенный с патрубками подачи пара.

При этом устройство для получения водно-топливной эмульсии снабжено стаканом, коаксиально расположенным в корпусе, на боковой поверхности которого выполнено множество тангенциально расположенных сопловых отверстий для образования кавитационных каверн, на внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора установлены кольцевые диафрагмы, ультразвуковой излучатель выполнен в виде сопла Лаваля, при этом стержень снабжен регулирующим устройством для изменения расстояния между соплом Лаваля и острой кромкой излучателя.

Такое устройство позволяет проводить:

- двухступенчатую последовательную гидродинамическую кавитационную обработку мазута в присутствии в нем воды и при дополнительном вводе в топливо воды за счет пара, поступающего в ультразвуковой излучатель, вводимого периодически в поток мазута с частотой, равной частоте излучателя;

- трехступенчатую последовательную гидродинамическую обработку мазута (в присутствии воды). Указанный результат достигается тем, что: основной поток обрабатываемого топлива подается в корпус через патрубок и, проходя под давлением через множество тангенциально расположенных сопловых отверстий в стакане, коаксиально установленном в корпусе, за ними образует кавитационные каверны, в которых происходит интенсивное дробление и перемешивание компонентов топлива; затем топливо в виде тонких шлейфовых струй проходит ряд тонких кольцевых диафрагм, расположенных на внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора, в результате чего происходит пульсация потока, что приводит к дроблению мелких капель до дисперсности 0,5...2 мкм, и диспергированный мазут заполняет камеру стабилизации; пар, подаваемый через патрубок, проходя через сопло Лаваля, поступает в ультразвуковой излучатель и вводится периодически в поток диспергигованного мазута с частотой, равной частоте излучателя.

Основными существенными признаками изобретения, по сравнению с устройством-прототипом, являются:

- снабжение устройства стаканом, расположенным коаксиально в корпусе, на боковой поверхности которого выполнено множество тангенциально расположенных сопловых отверстий для прохождения через них топлива под давлением, в результате за ними образуются кавитационные каверны и происходит интенсивное дробление и перемешивание компонентов топливной смеси. Происходит первый этап гидродинамической кавитации и диспергирования; получаем предварительную сравнительно грубую дисперсность эмульсии (содержат капельки воды как малого диаметра - единицы мкм, так и достаточно большого диаметра - десятки мкм);

- установка на внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора кольцевых диафрагм, в результате чего поток жидкости, ограниченный рядом диафрагм, разрывается на отдельные капли. Происходит второй этап гидродинамической кавитации и диспергирования;

- установка по осевой линии резонатора ультразвукового излучателя, стержень которого проходит через ось сопла Лаваля и имеет регулирующее устройство, позволяющее изменять расстояние между соплом Лаваля и острой кромкой излучателя;

- периодическая подача пара через сопло Лаваля в поток диспергированного мазута с частотой, равной частоте ультразвукового излучателя, прерывает струи жидкости, что приводит к интенсификации процесса кавитации, одновременно насыщая топливо влагой. Это приводит к дроблению капель до высшей степени дисперсности с диаметром равным 0,5-2 мкм и гомогенности топливной эмульсии.

На чертеже представлено устройство для получения водно-топливной эмульсии. Устройство содержит: корпус 1 с патрубком 2 подачи топлива, патрубок 3 подачи пара, патрубок 4 отвода водно-топливной эмульсии, стакан 5 с множеством тангенциально расположенных сопловых отверстий, коаксиально расположенный резонатор 6, ряд кольцевых диафрагм 7, закрепленных на наружной стороне резонатора 6 и внутренней стороне стакана 5, стержневой излучатель 8 ультразвуковых колебаний, сопло Лаваля 9, регулирующее устройство 10, позволяющее изменять расстояние между соплом Лаваля 9 и острой кромкой излучателя, камеру стабилизации 11 водно-топливной эмульсии.

Устройство для получения водно-топливной эмульсии, например водно-мазутной, работает следующим образом. В пространство между корпусом 1 и стаканом 5 по патрубку 2 подается мазут. При прохождении обводненного мазута под давлением через множество тангенциально расположенных сопловых отверстий за ними образуются кавитационные каверны, в которых происходит интенсивное дробление и перемешивание компонентов топливной смеси, т.е. первый этап кавитации и диспергирования. Множество тонких шлейфовых струй, образующихся после прохождения сопловых отверстий, растекается по внешней поверхности резонатора 6 и попадает на участок, ограниченный рядом тонких кольцевых диафрагм 7, разрывается на отдельные капли в результате срыва с острых кромок диафрагм. Происходит пульсация потока с частотой в пределах 18...40 кГц, что приводит к дроблению мелких капель до дисперсности, равной 0,5...2 мкм. Происходит второй этап диспергирования. Диспергированная водно-мазутная эмульсия заполняет камеру стабилизации 11. Пар, подаваемый через патрубок 3, проходя сопло Лаваля 9, поступает в ультразвуковой излучатель 8 и вводится периодически в поток водно-топливной смеси с частотой, равной частоте излучателя (от 2 до 15 кГц), прерывая струи жидкости, тем самым способствует возбуждению ультразвуковых колебаний, что приводит к интенсификации процесса кавитации, одновременно насыщая мазут влагой. Внедряемые в мазут капельки воды диаметром 0,5...1,5 мкм, обволакиваясь мазутом, представляют собой идеальную топливную эмульсию для сжигания в топке котла, так как при впрыске в горячую топку вода мгновенно вскипает, оболочка разрывается и вся капелька взрывается. Происходит множество микровзрывов, при которых смолистые вещества разбиваются на еще более мелкие частицы, которые быстро разогреваются и сгорают в создавшихся идеальных условиях.

Нетрудно видеть, что при размере частиц в водно-мазутной смеси 0,5...1,5 мкм при многостадийной обработке и влажности до 10% низкое содержание окислов азота в продуктах сгорания сочетается с экономией топлива, увеличивается КПД котлоагрегата.

Таким образом, предлагаемое устройство позволит существенно снизить количество вредных выбросов в атмосферу при сохранении высоких энергетических характеристик топлива. Устройство внедрено на ряде котельных и устойчиво работает в течение длительного времени, не требует больших эксплуатационных затрат.

Устройство для получения водно-топливной эмульсии, содержащее корпус с патрубками подвода топлива и отвода эмульсии, в котором коаксиально размещен резонатор, по осевой линии которого расположен стержневой ультразвуковой излучатель со стержнем и острой кромкой, соединенный с патрубком подачи пара, отличающееся тем, что оно снабжено стаканом, коаксиально расположенным в корпусе, на боковой поверхности которого выполнено множество тангенциально расположенных сопловых отверстий для образования кавитационных каверн, на внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора установлены кольцевые диафрагмы, ультразвуковой излучатель выполнен в виде сопла Лаваля, при этом стержень снабжен регулирующим устройством для изменения расстояния между соплом Лаваля и острой кромкой излучателя.