Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность совершенствования природоохранных мероприятий на энергетических комплексах: 10
1.1: Выбор комплексного метода по снижению загрязнения окружающей среды предприятиями теплоэнергетики
1.1.1; Общая оценка загрязнения окружающей среды тепловыми энергетическими комплексами , ...10
1.1.2. Анализ существующих способов снижения выбросов оксидов азота на ТЭС 12
1.1.3. Анализ существующих способов очистки и утилизации замазученных сточных вод. ... 19
1.1.4: Сжигание водомазутных. эмульсий^ на предприятиях; теплоэнергетики: как эффективный: способ комплексного решения вопроса охраны окружающей <
среды 25
1.2. Теоретические основы. приготовления водонефтяных эмульсий и их основные характеристики. 28
1.3. Аппаратура, применяемая для получения эмульсий. 32
Глава 2. Теоретические исследования процессов смешения и приготовления эмульсий
2.1. Физическая модель процесса приготовления ультратонких: эмульсий: .40
2.2. Математическая модель процесса смешения 46
2.3. Математическая модель процесса эмульгирования 57
Глава 3. Экспериментальные исследования. 65
3.1. Описание экспериментальных установок 66
3.1.1. Лабораторные установки. 66
3.1.2. Опытно-промышленный РПАА высокого давления 81
3.1.3. Методика проведения экспериментальных исследований 82
3.2. Экспериментальные исследования процесса приготовления эмульсий 83
3.2.1: Исследование кинетики процесса перемешивания. 83
3.2.2. Исследование кинетики приготовления ультратонких эмульсий 85
3.2.3. Проверка адекватности математических моделей. 87
3.3. Исследование реологических свойств водомазутных эмульсий 90 .
3.3.1. Описание экспериментальных, установок для снятия реологических характеристик... 91
3.3.2. Экспериментальные исследования реологических свойств ВМЭ 93
3.4. Поиск наилучших эксплуатационных характеристик РПАА и топлива 96
3.4.1. Поиск оптимальных параметров РПАА 96:
3.4.2. Оценка эксплуатационных характеристик топлива ...103
Глава 4. Отработка; и внедрение в промышленность новых технологий и аппаратов 105
4.1. Разработка технологии приготовления ВМЭ и ее подачи в котлоагрегат на ТЭЦ: 105
4.1.1. Создание опытно-промышленного РПАА 105
4.1.2. Технологические схемы приготовления и подачи ВМЭ на ТЭЦ 109
4.1.3. Разработка технологической схемы для Казанской ТЭЦ-1 , ... 111
4.2. Сравнительный анализ по снижению вредных выбросов в биосферу на Казанской ТЭЦ-1... ..114
4.3. Оценка экономической эффективности внедения РПАА 119
Глава 5. Модификации РПАА и области применения 121
5.1: Модификации РПАА ... ..121
5.2. Оценка областей применения РПАА 128
Выводы ... 139
Библиографический список 140
Приложение 154
- Выбор комплексного метода по снижению загрязнения окружающей среды предприятиями теплоэнергетики
- Математическая модель процесса смешения
- Исследование кинетики процесса перемешивания.
Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития тепловой энергетики особое значение приобретает вопрос охраны окружающей среды. Существует множество технологий по улавливанию и переработке нефтепродуктов, загрязняющих сточные воды ТЭЦ. Известны также способы сжигания мазутного топлива, позволяющие снижать уровень вредных выбросов в отходящих газах, и методы очистки отходящих газов. Однако все эти мероприятия являются дорогостоящими и требуют коренной переделки теплотехнического оборудования. Исследования показали, что перспективным является использование топлива в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ) с применением в качестве добавки замазученных сточных вод.
Этот метод имеет следующие преимущества:
-
Из технологической схемы частично исключаются громоздкие очистные сооружения.
-
Сокращаются потери топлива и повышается экологичность процесса как за счет сжигания загрязненных стоков, так и за счет уменьшения содержания вредных веществ, содержащихся в продуктах сгорания.
-
Решается проблема сжигания обводненных мазутов.
-
Полностью исключается переделка существующего оборудования на действующих станциях.
Целью работы является создание аппаратуры и технологий, позволяющих снизить выброс вредных веществ в атмосферу, утилизировать замазученные сточные воды и снизить себестоимость вырабатываемой тешюэлектроэнергии.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Используя известный математический аппарат, теоретически
описать процесс получения ВМЭ и экспериментальным путем проверить
адекватность полученных решений.
2. Провести исследование реологических и других эксплуатационных
свойств ВМЭ.
3. Разработать . новый класс: роторно-пульсационных акустических;
аппаратов. (РПАА), провести, их. отработку и осуществить на их основе
внедрение в промышленность новых технологий и методов.
Научная новизна:
- разработаны математические модели двухстадийного процесса
получения ВМЭ;
на основе выполненных исследований предложены научно обоснованные технические, и технологические решения, защищенные 10 патентами на изобретения РФ;
проведены исследования по возможности применения роторно-пульсационного акустического аппарата (РПАА) в; различных областях промышленности с целью создания производств, отвечающих современным требованиям охраны природы.
На защиту выносятся:
две математические модели процесса получения ВМЭ;
экспериментальные исследования по кинетике процесса получения ВМЭ, по проверке математических моделей и определению физиков механических и эксплуатационных характеристик ВМЭ;
конструктивные и технологические решения по совершенствованию РПАА и методов обработки различного рода жидких материалов с целью снижения вредного воздействия на живую природу;
- экологические и технико-экономические показатели от внедрения
полученных результатов в промышленность.
Практическая ценность. Результаты исследований могут применяться при проектировании и технологическом оформлении процессов
5 получения эмульсий с использованием РПАА. Сам. аппарат может использоваться для обеззараживания сточных и сбросных вод. Полученные математические модели и экспериментальный материал могут быть использованы для изучения закономерностей, свойственных указанным процессам; выявления новых областей применения разработанного способа; оптимизации процесса и расчета конструктивных параметров аппаратуры.
Применение вышеназванного способа только в энергетике позволит получить значительную экономию топлива, улучшить экологические параметры ТЭЦ, утилизировать и обеззараживать сбросные и сточные воды.
Реализация работы.
-На Казанской ТЭЦ-1 внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию технология сжигания ВМЭ и РПАА для ее приготовления.
- На опытно-промышленной установке РПАА низкого давления была приготовлена топливная композиция: вода - 20%, масло отработанное - 20%, мазут - 60% в количестве 3 тонн, которая была успешно сожжена в виде топлива в котельной ЖБИ-1 «Татпотребсоюза».
Результаты практической реализации подтверждены актами внедрения и испытаний, которые представлены в приложении к диссертационной работе.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, тщательной тарировкой и калибровкой измерительных средств, их своевременной государственной поверкой в системе Госстандарта. Обработка и обобщение теоретических и экспериментальных данных проводились с использованием современных методов математической статистики. В частности, путем анализа исключались грубые и систематические ошибки. Проверка адекватности математических моделей осуществлялась с помощью критерия Фишера.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Экономика и экология вторичных ресурсов» (1999 г.), Втором международном, симпозиуме по проблемам, науки, техники и образования (2000 г.), Третьей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (2001 г.), Республиканских научных конференциях "Проблемы энергетики" (1996, 1997 гг.) и «Экологические проблемы в энергетике. Анализ и решения.» (1999 г.), Межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (1996-2004 гг.), конференциях в вузах г. Казани (КПУ-КХТИ, КПУ-КАИ, ТИСБИ в 1998-2004 гг.).
Публикации. Результаты исследований по данной теме опубликованы в 25 печатных работах (6 статей, 9 докладов и тезисов докладов, 10 патентов РФ) и в 3 отчетах по НИОКР.
Личный вклад.
Основные результаты, изложенные по теме диссертации в приведенных публикациях, получены автором, доля участия соавторов в каждой публикации указана в списке научных трудов и согласована с ними. Личный вклад заключается:
- в разработке мат. моделей по кинетике диспергирующего смешения и
кинетике ультратонкого эмульгирования;
- в проведении экспериментальных исследований по кинетике процесса
полученияу ВМЭ, по проверке- мат. моделей» и определению физико-
механических и эксплуатационных характеристик ВМЭ;
в участии в разработке нового класса аппаратов;
в экспериментальных исследованиях по возможности применения РПАА в различных отраслях экономики;
в разработке практических рекомендаций по применению данных аппаратов в промышленности (в частности, участие во внедрении на Казанской ТЭЦ-1).
7 Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы — 164 страницы, в том числе 139 страниц основного текста, с приложением на 10 страницах и списком литературы из 127 наименований на 15 страницах.
Выбор комплексного метода по снижению загрязнения окружающей среды предприятиями теплоэнергетики
Специфика деятельности предприятий; энергетики связана с загрязнением: биосферы. На долю энергетики, в целом по России, приходится свыше 40 % общих суммарных загрязнений окружающей среды. Для теплоэнергетики по степени значимости основными факторами воздействия являются: выбросы в атмосферу и сбросы в водные объекты [13].
Загрязнение атмосферы
В РТ для предприятий энергетики характерен самый низкий в республике процент улова загрязняющих веществ в отходящих газах -1,4% при среднем уровне по республике 45,5%. В г. Казани восемь предприятий теплоэнергетики дают 43,46 % всех выбросов в атмосферу [14].
Основными вредными веществами, содержащимися в дымовых газах теплоэнергетических предприятий, являются: оксиды серы (S02 и S03), оксиды азота (N0 и N02), оксид углерода (СО), соединения ванадия (в основном V205), а также зола, в состав которой входят Ni203, Ai203l Fe203, Si02, MgO и др. оксиды. Кроме того, при недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз{а)пирен C2oHi6, обладающий канцерогенными свойствами [15].
По количеству выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ оксиды азота находятся на втором месте после оксидов серы. Однако именно они помимо локального и регионального воздействия (кислотные дожди, смог) оказывают глобальное влияние на климат планеты [16].
На выходе из трубы 85 - 90% всех оксидов азота составляет N0, однако в атмосфере происходит превращение N0 в N02, что приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на природу и живые организмы, т.к. N02 более токсичен [15]. При этом, масса вредного вещества:увеличивается в 1,5 раза, а токсическое действие возрастает в 7 раз. [17]
Загрязнение гидро и литосфер сточными водами
Основная часть (более 90%) используемой в процессе эксплуатации: теплоэнергетических предприятий воды расходуется в системах охлаждения различных аппаратов. Остальную часть сточных вод5 составляют:, сбросные воды систем гидрозолоулавливания, отработавшие растворы после химических промывок: теплосилового оборудования, или: его консервации; регенерационные и шламовые воды от водоочистительных установок; нефтезагрязненные стоки, растворы и суспензии, возникающие при обмывах наружных поверхностей нагрева. Составы вышеперечисленных стоков различны и определяются типом ТЭС и основного оборудования, мощностью, видом топлива, составом исходной воды, способом водоподготовки и уровнем эксплуатации [15,18].
Загрязненные нефтепродуктами производственные сточные воды разделяются на:
- промывочные от обессоливающих и обезвоживающих установок, от нефтяных и мазутных резервуаров, площадок наливных эстакад и их оборудования, а также от промывки насосных станций и других объектов;
- от продувки системы оборотного водоснабжения компрессорных, силовых и насосных станций; - от котельных, гаражей, механических мастерских и других производственных предприятий, расположенных на территории ТЭЦ-Сточные воды ТЭЦ, содержащие нефтепродукты, поступают от промывки технологических лотков, узлов управления, от охлаждения втулок сальников насосов, к ним же относятся подтоварные, отстоечные и дождевые воды, стекающие с площадок технологических установок и резервуарных парков.
Все вышеперечисленные объекты могут являться источниками загрязнения окружающей среды. Кроме того, на ТЭС поступают обводненные мазуты, их обводнение идет и в процессе хранения. При этом приходится проводить обезвоживание топлива, а следовательно возникает вопрос, что делать с замазученной водой.
Всесторонний анализ, используемых в настоящее время: технологий улова и обезвреживания загрязненных нефтепродуктами сбросных и сточных вод, выявил два основных направления исследований.
Первым из них является отделение нефтепродуктов от сточных вод с последующей их утилизацией.[19-26]
Вторым способом является непосредственное использование загрязненных вод в качестве компонентов ВМЭ. [ 6-11]
Математическая модель процесса смешения
Как отмечалось выше, (см. раздел 2.1.) на= первой; стадии; технологического процесса приготовления ВМЭ ставится задача равномерного распределения воды в мазуте, т.е. необходимость осуществления диспергирующего смешения двух компонентов: вода-мазут;
Доказано [81], что процесс смешения носит вероятностный характер, поэтому основой построения математической модели будем считать представления о процессе приготовления грубой эмульсии как о марковском процессе разрывного типа со счетным множеством состояний. Стохастические процессы со счетным числом состояний описываются системой дифференциально-разностных уравнений Колмогорова. [82]
В общем случае процесс приготовления композиции можно рассматривать как смешение компонентов (Aj - вода и Bj - мазут) и образование двухкомпонентной грубодисперсной эмульсии (АВ) по следующей схеме:
Д+ Bj AB)j - смесь (2.2.1.)
Ассоциаты композиции (АВ) представляют собой несвязанные группы капель фазы А и среды В, поэтому в любой момент они могут образовывать новые элементы смеси либо вернуться в прежнее свое сосуществование, что и учитывается уравнением (2.2.1).
Следует отметить, что механизм- образования композиции, выраженный схемой (2.2.1), справедлив не только при равенстве числа капель компонентов А и В, т.е. А : В = 1 : 1. Его можно распространить на любые соотношения компонентов в эмульсии, с учетом, что сумма будет представлять наименьшее число капель компонентов А и В, из которых можно образовать ассоциат (АВ).
Рассмотрим непрерывный процесс: образования композиции. Пусть Х,(/) и Хг(г)- случайные величины, определяющие соответственно количества вещества фазы А и В в момент времени t, а х1 \л\х2 те целочисленные значения, которые эти случайные величины могут принимать.
Рассмотрим изменения случайной величины А(0, обозначив через PXi =p{x](t) = xl] вероятность того, что целочисленная величина А\(0 в некоторой момент времени t примет значение , =х с , где л: и
соответственно начальное и предельное числа несмешанных групп капель компонента А. В соответствии с образами типовых марковских процессов будем полагать, что образование ассоциата смеси (АВ) уменьшает количество элементов А и В, то есть происходит их "гибель", распад ассоциата приводит к образованию ("рождению") этих элементов. Принятую схему образования смеси можно рассматривать как марковский процесс "рождения" и "гибели" элементов капель А и В с интенсивностью "гибели" объединения фазы А, равной /JX ( задающей скорость, с которой происходит образование ассоциата смеси) и "рождения" за счет разрушения ассоциата смеси (АВ) с интенсивностью рождения Хг (задающей скорость, с которой происходит распад ассоциата). Интенсивности /і и Лх являются произвольными функциями состояния х и времени г. Тогда вероятность, выражающая переход совокупности, объединений А или В ИЗ СОСТОЯНИЯ jc; в ближайшие состояния Xj±l в соответствии с постулатами марковского процесса, характеризуется следующим соотношением: РКл (t, t + АО = Лхг1Р (t)At + [1 - (Лч +ph )дф (0 + Р (t)At + 0(At) (2.2.2.) В этом соотношении. первый член в правой части выражает вероятность перехода системы в состояние JTJ — Л] +1, второй член выражает вероятность отсутствия изменений, третий член выражает вероятность перехода системы в состояние , -»х, -1, 0(At) вероятность перехода системы в состояние х. - х( ±1, где 1 1. Решение этой системы представляет собой характеристику значения вероятностей Ря (/), соответствующее различным моментам времени. Однако при исследовании процесса приготовления композиции вода-мазут, как правило, не представляется возможным выделить из общего объема отдельно ассоциаты АВ, а значит и определить соответствующие значения вероятности Рх (t). Следует отметить, что подобное явление характерно для большинства случаев смешения различного рода компонентов. Поэтому для оценки качества распределения одного компонента относительно другого необходимо перейти: к другим величинам, характеризующим качество смеси; Рассмотрим- в этом уравнении интенсивности "гибели" и; "рождения", или, что в нашем,случае идентично, образование эмульсии по всему объему и ее распад (расслоение).. Распад, т.е. вновь слияние капель воды между собой; и капель мазута между собой наиболее вероятен в тех локальных: объемах где существует наибольшее количество; не; смешанных микрообъемов компонентов,-т.е. в начале процесса, когда в общем объеме преобладают отдельно капли фазы А (вода) и среды В (мазут). В конце процесса перемешивания; возможен процесс расслоения, однако этому препятствуют рабочие органы аппарата, таким образом, устанавливается динамическое равновесие, при котором образуется и разрушается равное число ассоциатов, и при этом; полученная композиция сохраняет свои: свойства. Поэтому можно принять, что интенсивность "рождения" \х будет пропорциональна интенсивности "гибели"
Исследование кинетики процесса перемешивания
Рассмотрим процесс приготовления грубой эмульсии в аппаратах периодического действия.
Как отмечалось выше (см. гл. 2) процесс приготовления грубой эмульсии, т.е. перемешивание двух взаимно нерастворимых жидкостей в первом приближении можно описать уравнением: ст = он exp kt
Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках № 1 и № 2 (см. раздел 3.1). На рис.3.2.1. - 3.2.3. представлены результаты экспериментальных исследований? кинетики процесса смешения (получения грубых эмульсий) воды с минеральным: маслом и воды с мазутом.
Исследования проводились в достаточно широких диапазонах изменения различных параметров. Так соотношения между фазами вода-масло менялось в следующих диапазонах: 5 : 95; 10 : 90; 15 : 85; 20 : 80; 25 : 75; 30 : 70. Число оборотов мешалок менялось в диапазоне от п
= 0,5 до 15 сек "1, а частота вращения ротора РПА менялась от 50 до 200 сек-1.
Температура в рабочей зоне поддерживалась 50-70С, что соответствует температуре поддерживаемой в резервуарах — хранилищах на ТЭЦ перед подачей мазута в цех топливоподготовки и той температуре которая обычно поддерживается на первом подъеме перед подачей топлива на второй подъем и затем в; котлотурбинный цех.
На рисунках в виде точек: представлены экспериментальные данные и в виде линий показаны результаты теоретических расчетов.
Предварительная визуальная оценка представленных результатов показывает, что уравнения адекватно описывают ход протекания процесса приготовления композиции.
Исследования проводились на УЗДН (установка №: 3), и на опытно-промышленной установке № 4, где основным аппаратом является РПАА.
Начальные условия: для эмульгирования, как показали экспериментальные исследования по кинетике смешения, во многом: зависят от конечных параметров полученной на первом этапе грубой эмульсии (композиции).
На рис. 3.2.4.-3.2.5 представлены результаты экспериментальных исследований. Здесь же показаны и результаты теоретических расчетов.
При работе на опытно-промышленной установке было отмечено, что при увеличении частоты вращения ротора в пределах от 50 до 125 сек "1 (300 - 7500 об/мин) время затрачиваемое на получение эмульсии
уменьшается. В то же время после 142 с"1 по мере увеличения частоты вращения ротора скорость дробления не только замедляется, но и сам размер капель несколько увеличивается. Подобное явление было отмечено в работе [75]. Его можно объяснить, если посмотреть на график (рис.3.2.6) предложенный в названной работе [75]. Из графика видно, что интенсивность акустического излучения в РПАА в зависимости от частоты вращения ротора имеет ярко выраженный экстремум.. Пик приходится на частоты равные й = 118-130сек 1 , что соответствует числам оборотов л = 7100-7800об/мин. Таким образом, можно сделать вывод по выбору оптимального режима работы РПАА с точки зрения максимальной эффективности эмульгирования: оптимальные частоты вращения ротора РПАА соответствуют максимуму интегральной интенсивности акустического излучения в РПАА.
