Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ основных принципов обеспечения экологическьй безопа сности при перегрузке и транспортировке нефти и нефтепродуктов 12
1.1 Актуальность проблемы перегрузки и транспорта нефти и нефтепродуктов 12
1.2 Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов 14
1.3. Исследование процессов в слое разлитых нефтепродуктов 16
1.4. Анализ современных технических средств для сбора нефтеводяных отходов с поверхности воды 29
1.5. Современные технологии и средства переработки нефтеводяных отходов 33
1.6. Задачи исследования 41
ГЛАВА 2. Обоснование технических методов и средств безопасной утилизации нефтеводяных отходов 45
2.1 Разработка и исследование модели структуры слоя нефтепродуктов при аварийном разливе 45
2.2. Разработка технических методов безопасной утилизации нефтеводяных отходов при ликвидации аварийного разлива 48
2.3 Обоснование технологии глубокой очистки нефтесодержащей воды .52
2.4. Оптимизация параметров седиментационных устройств 60
2.5. Выводы 67
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования эффективности очистки нефтесодержащей воды 69
3.1. Методика лабораторных исследований эффективности очистки седиментацией при использовании коагулянтов 69
3.2. Анализ результатов исследования эффективности применения коагулянтов 71
3.3. Результаты экспериментальных исследований технологических схем первичной очистки 79
3.4. Выводы 95
ГЛАВА 4. Разработка технологии утилизации обводненных нефтепродуктов при ликвидации аварийных разливов нефти . 97
4.1. Модель дисперсной системы обводненных нефтепродуктов и исследование влияния дисперсности и концентрации воды в обводненных нефтепродуктах на процессы их горения 97
4.2 Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива 103
4.3 Обоснование технологии подготовки обводненных нефтепродуктов для использования в качестве топлива при сжигании 108
4.4. Выводы 110
ГЛАВА 5. Комплекс проектных и технологических решений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов 112
5.1. Береговые очистные сооружения для очистки нефтесодержащей воды 112
5.2. Локальные очистные сооружения ОАО «Металлург» для очистки производственной и поверхностной сточной воды, содержащей нефтепродукты и взвешенные вещества 121
5.3. Локальные очистные сооружения для очистки нефтесодержащей сточной воды 129
5.4. Локальные сооружения для очистки сточной воды 131
5.5. Дооборудование седиментационных емкостей для организации процесса очистки абсорбцией 133
5.6. Комплекс устройств для сжигания обводненных нефтепродуктов и утилизации тепла 135
5.7. Ландшафтные защитные комплексы 141
5.8. Плавучий комплекс для переработки нефтеводяных отходов 149
5.9. Выводы 154
6. Заключение 156
7. Литература 158
Приложения. 169
- Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов
- Разработка технических методов безопасной утилизации нефтеводяных отходов при ликвидации аварийного разлива
- Результаты экспериментальных исследований технологических схем первичной очистки
- Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение экологической безопасности является одной из наиболее актуальных проблем процесса транспортировки и перегрузки нефти и нефтепродуктов. Россия занимает одно из ведущих мест в мире по объему экспорта нефти и нефтепродуктов. В 2008 году экспорт России морским транспортом составил 261 млн.тонн нефти и нефтепродуктов. Анализ данных о перемещаемых в России и во всем мире объемах нефти и нефтепродуктов показывает, что их аварийные разливы наносят значительный экологический ущерб.
В соответствии с Федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России (2002 - 2010 гг.)» в настоящее время ведется масштабное строительство нефтеналивных комплексов в Финском заливе.
Проблеме обеспечения экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти и нефтепродуктов посвящены работы Альхименко А. И., Айбулатова Н. A., Fay J. A., Buckmaster І., Крушюва О. Р., Березина И. К. и др. В этих работах исследованы методы прогнозирования частоты и объемов аварийных разливов, процессы движения пятна разлива, в том числе в условиях разного состояния поверхности водного объекта, а также технологии ликвидации пятна разлива с поверхности водных объектов. Однако проблема обеспечения экологической безопасности при перемещении нефти и нефтепродуктов не исчерпывается удалением пятна разлива с поверхности водоема. Извлекаемая при ликвидации аварийного разлива смесь воды и нефтепродуктов требуют дальнейшей переработки. В настоящее время мировой и российский рынок не предлагает каких-либо технологий или устройств для переработки нефтеводяной смеси при ликвидации аварийных разливов. Исследования в области данной проблемы не отражают вопросы утилизации собранной с поверхности водоемов смеси воды и нефти.
Таким образом, существует актуальная необходимость проведения исследований по разработке технологий и технических средств для переработки смеси нефтепродуктов и воды, которая образуется при ликвидации аварийного разлива.
Целью настоящей работы является обеспечение экологической безопасности при ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов путем разработки технических методов и средств утилизации нефтеводяной смеси.
Задачи исследования. Достижение указанной цели обеспечивается решением следующего комплекса задач:
- осуществить выбор и обоснование технологии очистки
нефтесодержащей воды, в том числе, экспериментально определить
эффективность очистки;
-разработать модель обводненных нефтепродуктов как дисперсной системы;
- определить оптимальные значения параметров дисперсной системы
обводненных нефтепродуктов, которые обеспечивают их эффективное
использование в качестве топлива;
-разработать технологические и технические предложения в части установок и сооружений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов.
Объектами исследований являются процессы возникновения нефтеводяных отходов, которые образуются при аварийных разливах, а также процессы переработки этих отходов с целью восстановления качества компонентов, обеспечивающих их дальнейшее использование и предотвращение загрязнения природной среды.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена модель слоя нефтепродуктов и воды, образующегося
при аварийных разливах, как дисперсной системы с переменной
концентрацией дисперсной фазы, что позволяет определить основные
свойства этой системы, содержащей нефтепродукты как в виде отдельного слоя, так и в эмульгированном состоянии.
2. По результатам анализа основных свойств смеси воды и нефтепродуктов на основании предложенной модели разработаны и обоснованы методы безопасной утилизации нефтеводяных отходов, включающие в себя как основные способы: очистку нефтесодержащей воды от свободных и эмульгированных нефтепродуктов; утилизацию обводненных нефтепродуктов путем приготовления водотопливной эмульсии, используемой далее в качестве топлива.
3. Разработана методика расчета размера седиментационных устройств для очистки нефтесодержащей воды, основанная на определении такого соотношения размеров устройства, при котором обеспечиваются наименьшие затраты материалов при требуемой эффективности очистки;
4. Предложена модель структуры обводненных нефтепродуктов, на основе которой установлены соотношения дисперсности и концентрации водной фазы, обеспечивающие наиболее эффективное горение. Так, при концентрации воды 20 -^ 30% дисперсность ее частиц должна составлять 0,6 * 0,7 размера распыляемых в объеме горения частиц топлива.
Практическая значимость работы. Разработана технология глубокой очистки нефтесодержащей воды, которая бьша положена в основу ряда проектов очистных сооружений. Получены зависимости для расчета размеров седиментационных устройств при их проектировании. Определены оптимальные значения дисперсности и концентрации водной фазы в обводненных нефтепродуктах, которые обеспечивают их эффективное использование в качестве топлива при сжигании. Разработан ряд технических устройств, которые могут быть использованы при безопасной утилизации нефтеводяных отходов. На некоторые из них получены авторские свидетельства.
Материалы и результаты исследования были использованы при
разработке курсов лекций по дисциплинам «Экологическая безопасность при
перегрузке нефти и нефтепродуктов в портах» в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций; «Прикладная экология» в Российском государственном педагогическом университете им.А.И.Герцена.
Достоверность и обоснованность результатов.
Обоснованность представленных результатов обеспечена репрезентативностью и надежностью экспериментальных данных, полученных в результате выполненных исследований с привлечением аккредитованных лабораторий и использованием современных методов анализа и обработки опытных данных.
Достоверность эффективности разработанных технологий очистки нефтесодержащей воды подтверждена результатами промышленной эксплуатации, актами контролирующих организаций и экологическими сертификатами соответствия.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
модель слоя нефтепродуктов и воды, образующегося при аварийных разливах и основанные на ней методы безопасной утилизации этих нефтеводяных отходов;
технология очистки нефтесодержащей воды и результаты ее экспериментальной проверки;
модель структуры обводненных нефтепродуктов и полученные на ее основе зависимости для определения диапазона оптимальных соотношений дисперсности и концентрации водной фазы, обеспечивающих их эффективное использование в качестве топлива.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на
международном российско-финском семинаре «Технологии очистки сточных
вод. Современные комплексы очистных сооружений» (Финляндия, Тампере,
2000 г.); на семинарах главных инженеров ФГУП «Росморпорт» (Туапсе —
2005 г.; Балтийск - 2006 г.); на международной конференции «Нефть и газ
арктического шельфа» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на международной
конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Мурманск, 2006 г.), на международном научно-методическом семинаре «Образование в области ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» (Финляндия, Порвоо, 2006 г.), на международной конференции «Инновационные технологии очистки сточной воды» (Германия, Вилыюдорф, 2006 г.), на международной конференции «Нефть и газ арктического шельфа» (Ростов-на-Дону, 2007 г.), на международной научной конференции «Современные проблемы морской инженерной экологии» (Ростов-на-Дону, 2008 г.), на научно-практической конференции «Комплексное решение проблемы переработки отходов и реабилитации загрязненных территорий на основе новейших технологий» (Екатеринбург, 2008 г.), на международной научно-практической конференции «Нефть и газ Арктического шельфа - 2008» (Мурманск, 2008 г.).
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 18 работ, три из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, и два авторских свидетельства.
Структура работы и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 9 приложений. Основное содержание работы изложено на 168 страницах машинописного текста и включает 87 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 108 наименований.
Анализ проблемы обеспечения экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов
Деятельность по обеспечению экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов является сложным комплексом мероприятий. В целом обеспечение экологической безопасности при перегрузке нефти или нефтепродуктов необходимо рассматривать в следующих аспектах: экологического, правового, экономического, организационно-технического и психологического [81,82,83,94,101,106]. Технико-технологический аспект представляет комплекс технологий и технических средств, которые могут на необходимом уровне обеспечить экологическую безопасность при перегрузке нефти или нефтепродуктов. Весь комплекс организационных, технологических и технических мероприятий можно выделить в следующие группы: — превентивные мероприятия, обеспечивающие предотвращение возникновения опасных или аварийных ситуаций; — активные мероприятия, обеспечивающие локализацию опасной или аварийной ситуации и ее ликвидацию; — мероприятия по ликвидации последствий аварийного разлива. Последняя группа мероприятий представляет собой технические методы и средства для переработки нефтеводяных отходов, которые извлекаются с поверхности воды при ликвидации аварийного разлива, с целью восстановления качества компонентов до определенного состояния. Все вышеуказанные аспекты являются взаимосвязанными и взаимоопределяющими факторами проблемы обеспечения экологической безопасности в исследуемой области. Поэтому при разработке технических методов и средств утилизации нефтеводяных отходов необходимо учитывать влияние аспектов исследуемой проблемы, анализ которых выполнен выше (см. рис. 1.1). Как следует из вышеприведенного анализа, мероприятия по ликвидации последствий аварийного разлива являются необходимой составляющей во всем комплексе мероприятий и средств, обеспечивающих экологическую безопасность всего процесса перемещения нефти и нефтепродуктов, так как конечная цель обеспечения экологической безопасности данного процесса заключается в стремлении обеспечить наименьшее воздействие на окружающую природную среду.
Таким образом, технические методы и средства для ликвидации последствий аварийных разливов нефтепродуктов являются обязательной и необходимой частью всего комплекса мероприятий и средств, обеспечивающих экологическую безопасность при перемещении и перегрузке нефти и нефтепродуктов.
В слое нефти или нефтепродуктов, которые в результате аварийного разлива оказались на поверхности водоема, могут наблюдаться различные процессы. Наличие этих процессов и их интенсивность оказывает влияние на формирование структуры слоя и его дисперсно-фазовых свойств. К основным таким процессам относятся процессы испарения нефти или нефтепродуктов, разрушение слоя под действием ветра и волн, растекание слоя.
Нефтепродукты, которые в результате испарения оказались в атмосферном воздухе, можно отнести к безвозвратным потерям. В мировой практике нет технических средств, которые обеспечивали бы улавливание испарившихся нефтепродуктов. Эта часть нефтепродуктов наносит экологический и экономический ущерб.
При испарении нефти или нефтепродуктов происходит изменение их состава из-за испарения углеводородов с температурой кипения ниже 200 С. Это приводит к увеличению вязкости, к снижению испаряемости. Кроме того, изменение указанных свойств, приводит к изменению свойств дисперсной системы, которую образует нефть или нефтепродукты с водой.
Необходимо указать таюке на еще одну особенность процесса растекания пятна, которая проявляет себя как результат испарения легких углеводородов. На вязкостно-гравитационной фазе растекания процесс растекания будет протекать более сложно, чем его описывают разные авторы, например, в работах [20-22]. Указанная сложность будет определяться изменением плотности и вязкости нефти или нефтепродуктов в пятне из-за испарения легких углеводородов, что окажется дополнительным фактором, который влияет на скорость растекания пятна разлива.
Количество нефти или нефтепродуктов, которые испаряются с поверхности разлива, зависит от их физико-химических свойств (состава углеводородов, температуры кипения, вязкости, молекулярного веса отдельных компонентов) и от метеорологических условий (температуры воды и воздуха, скорости ветра). Иногда это количество представляет значительную долю нефти или нефтепродуктов от общего их количества в разливе.
Кроме того, на интенсивность процесса испарения будет оказывать влияние толщина пятна разлива. При прочих равных условиях интенсивность испарения будет меньше при большей толщине пятна. Это объясняется (см. рис. 1.2) тем, что испарение молекул легких углеводородов происходит с поверхности разлитого слоя.
В целом, скорость процесса испарения легких углеводородов из слоя разлитых нефтепродуктов будет определяться скоростью процесса испарения и скоростью диффузии молекул из глубины слоя. Для тонкого слоя (до 1,0 мм) большее значение будет иметь первая составляющая процесса испарения. При толщине слоя 1,0 см и более лимитирующей стадией процесса будет являться диффузионная составляющая.
Те молекулы, которые находятся вблизи поверхности, испаряются быстрее, чем те молекулы, которые находятся на некоторой глубине слоя. Последним необходимо время для того, чтобы за счет диффузии переместиться к поверхности разлитого пятна и затем только испариться.
Разработка технических методов безопасной утилизации нефтеводяных отходов при ликвидации аварийного разлива
При разработке технологической схемы очистки воды необходимо учитывать дисперсно-фазовые характеристики дисперсной системы, которую представляет собой нефтесодержащая вода. В качестве основных способов очистки целесообразно применять седиментацию, флотацию и адсорбцию как наиболее эффективные и простые в конструктивном исполнении.
Технология переработки нефтепродуктов должна предусматривать возможность приготовления обводненных нефтепродуктов такого качества, которое позволяло их эффективное использование в качестве топлива. Такое качество определяется, прежде всего, концентрацией и крупностью частиц воды. Поэтому основным этапом разработки технологии переработки обводненных нефтепродуктов является определение оптимальных значений этих параметров.
Анализ современного состояния проблемы обеспечения экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти и нефтепродуктов показывает следующее. 1. Экспорт нефти и нефтепродуктов является важнейшей составляющей экономической жизни России. Одним из основных способов транспортировки нефти является водный транспорт и использование таких объектов для перегрузки нефти или нефтепродуктов, как порты и рейдовые комплексы. Такая технология транспортировки нефти или нефтепродуктов характеризуется определенным уровнем ожидаемой аварийности, что и определяет актуальность проблемы обеспечения экологической безопасности. Обеспечение экологической безопасности предполагает, прежде всего, снижение вероятности и масштабов аварийных разливов, а также эффективную ликвидацию последствий аварийных разливов. 2. Проблема обеспечения экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти или нефтепродуктов характеризуется наличием многих аспектов. Одним из них является технологический и технический аспект, который представляет собой комплекс технических методов и средств, обеспечивающих повышение уровня экологической безопасности транспортировки и перегрузки нефти и нефтепродуктов. В состав такого комплекса должны входить технологии и средства, которые обеспечивают утилизацию нефтеводяных отходов, образующихся при аварийных разливах и их ликвидации. 3. Технические методы и средства утилизации нефтеводяных отходов, образующихся в результате аварийного разлива в качестве основных операций должны предусматривать: — первичное разделение отходов; — очистку воды от нефтепродуктов; — приготовление топлива из обводненных нефтепродуктов. При разработке и обосновании технологии очистки воды от нефтепродуктов необходимо учитывать, прежде всего, дисперсно-фазовое состояние нефтепродуктов, содержащихся в воде. В качестве основных способов очистки целесообразно применять такие способы, как седиментацию, флотацию и адсорбцию. 4. Для повышения эффективности очистки седиментацией, в том числе и экономической, при разработке седиментационных устройств необходимо учитывать условие оптимизации их параметров. Целесообразно также для повышения эффективности седиментации использовать коагулянты. При этом экспериментально определить их оптимальные дозы. Повышение эффективности очистки адсорбцией может быть обеспечено технологией наиболее полного использования сорбента. 5. Одним из целесообразных способов использования обводненных нефтепродуктов является их использование в качестве топлива с предварительной подготовкой. Основной целью такой подготовки является обеспечение оптимальной концентрации и крупности частиц воды при заданных характеристиках распыления топлива в объеме его сжигания. 6. Технологические решения должны быть реализованы в устройствах простых по конструкции и надежных в эксплуатации. 7. Таким образом, для повышения общего уровня экологической безопасности при транспортировке и перегрузке нефти или нефтепродуктов необходимо решить возникающие в результате аварийных разливов следующие задачи: — выполнить исследования процессов, происходящих в слое разлитых на поверхности воды нефти и нефтепродуктов, а таюке структуры слоя и прилегающих к слою зон; — на основании результатов исследования структуры слоя разлитых нефтепродуктов разработать и обосновать технические методы утилизации нефтеводяных отходов, включающие в себя как основные способы: очистку нефтесодержащей воды и утилизацию обводненных нефтепродуктов; — разработать технологию очистки нефтесодержащей воды от свободных и эмульгированных нефтепродуктов; — разработать методику оптимизации параметров седиментационных устройств; — экспериментально исследовать эффективность очистки нефтесодержащей воды по разным технологическим схемам с учетом действия коагулянтов для повышения эффективности очистки; — разработать и обосновать технологическую схему соединения адсорбционных фильтров для глубокой очистки нефтесодержащей воды от нефтепродуктов как составляющую общей технологии переработки смеси воды и нефтепродуктов; — исследовать влияние концентрации и дисперсности водной фазы на эффективность процесса сжигания обводненных нефтепродуктов; — разработать модель дисперсной системы, которую представляют собой обводненные нефтепродукты; — на основе модели дисперсной системы исследовать влияние концентрации и дисперсности водной фазы на вероятность образования обводненных капель топлива, а также определить оптимальный диапазон концентрации и дисперсности водной фазы, который обеспечивает эффективное сжигание обводненных нефтепродуктов; — осуществить экспериментальную проверку полученных в настоящей работе результатов при проектировании и эксплуатации опытных и промышленных сооружений для очистки нефтесодержащей воды и утилизации обводненных нефтепродуктов.
Результаты экспериментальных исследований технологических схем первичной очистки
В настоящей работе были проведены экспериментальные исследования эффективности очистки нефтесодержащей воды по разным технологическим схемам, которые включали использование коагуляции. С целью обеспечения достоверности полученных результатов исследованиям по определению эффективности технологических схем предшествовали опыты по определению оптимальных доз коагулянтов.
Как известно [44,47,48,17], коагуляция является одним из наиболее распространенных и эффективных способов обработки воды, которые позволяют повысить эффективность седиментации или флотации. Механизм коагуляции достаточно хорошо изучен [27,28]. Поэтому новые исследования в этой области, как и в настоящей работе, относятся к исследованию эффективности коагуляции для конкретных условий ее применения. Исследования проводились с льяльной, балластной водой, поверхностным стоком и водой водоема (с акватории). В качестве коагулянтов использовались сульфат алюминия (AbCSO ) и оксихлорид алюминия (А1(ОН)С15). Сернокислый алюминий имеет невысокую стоимость, хорошо растворим в воде, не требует особых условий при применении и обладает хорошей коагулирующей способностью. Однако, его эффективность заметно снижается при низких температурах очищаемой воды. Оксихлорид алюминия получают в виде раствора или твердого вещества. Раствор оксихлорида алюминия смешивается с водой в любых отношениях, не токсичен, долго храниться. По результатам измерений остаточной концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ были построены зависимости их концентрации от дозы коагулянта. Оптимальная доза коагулянта определялась по минимальному значению концентрации загрязняющих веществ в очищаемой воде. Экспериментальное определение оптимальных доз коагулянтов осуществлялась следующим образом. Для опытов в лабораторных условиях использовалась вода натурального происхождения. Опыты для каждой категории сточной воды отличались дозой коагулянта. Каждый опыт проводился в химическом стакане емкостью 2 литра. Каждый опыт включал в себя следующие операции: — подача реагента в сточную воду и интенсивное перемешивание в течение 1 минуты; — процесс коагуляции в течение 15 минут, при медленном перемешивании; — седиментация примесей — взвешенных веществ и нефтепродуктов в течении 30 минут. После завершения указанных операций выполнялся анализ исследуемых проб очищаемой воды на содержание нефтепродуктов и взвешенных веществ. При этом учитывалось (см. рис. 3.1), что в начале опыта загрязняющие вещества равномерно распределены в объеме пробы. После добавления коагулянта и седиментации часть загрязнений выделялась из основного (на рис. 3.1. выделен пунктирной линией) объема пробы. В основном объеме пробы часть загрязнений оставалась. Эта часть загрязнений определялась при последующем анализе.
Количество опытов с каждым значением дозы коагулянта было таким, чтобы минимальное количество результатов определения концентрации нефтепродуктов в соответствии с рекомендациями [29,55] составляло не менее 8 и взвешенных веществ — не менее трех. Результат измерения определялся как среднее арифметическое значение по нескольким пробам [90]. Относительная погрешность измерений не превышала 5-8% , что для данного вида определения является вполне допустимым.
Для определения эффективности применения коагуляции как способа обработки воды, который повышает эффективность седиментации и флотации начальным шагом программы экспериментальных исследований являлось проведение опыта по очистке седиментацией без применения коагуляции. Результаты опыта по очистке указанных категорий сточных вод от взвешенных веществ седиментацией без коагуляции приведены в табл. 3.1.
Кинетические кривые (см. рис. 3.2) вышеописанного опыта показывают, что наиболее значительное снижение концентрации взвешенных веществ наблюдалось в первые 1-2 часа седиментации.
Эффективность применения коагулянтов определялась по наибольшей эффективности процесса очистки седиментацией указанных категорий сточной воды после добавления коагулянта.
Исследование вероятности присутствия капель воды в обводненных частицах топлива
Процессам горения посвящено достаточно большое количество исследований. К наиболее фундаментальным из них относятся работы Ландау Л.Д., Зельдовича Я.Б., Льюиса Б., Канторовича Б.В., Вулиса Л.А., Тейлора Х.С., Пиза Р.Н. и некоторые другие [64-66,70,80].
Одним из направлений развития способов сжигания жидких топлив является применение топливных эмульсий. К одним из первых объяснений особенностей горения топливно-водной эмульсии относятся работы Канторовича Б.В., Иванова В.М. и их коллег [32,67,68]. Этими авторами были исследованы особенности поведения капли эмульсии топлива и воды в среде нагретого воздуха, а результаты исследований были обобщены в теорию, получившую название «теория микровзрыва». Такая физическая модель, основанная на явлении микровзрыва, подтверждается кинограммами горения капли эмульгированного топлива, полученными при скоростной киносъемке [67,68 ]. Теория микровзрыва основывается на микроописании явления, то есть на изучении поведения отдельной капли эмульгированного топлива. Однако, такой подход позволил объяснить многие стороны процесса горения топливно-водной эмульсии, и главное, показать, что обводненное топливо способно гореть, давая при этом определенный положительный эффект. При организации процесса сжигания топливно-водной эмульсии в режиме микровзрыва могут наблюдаться следующие положительные эффекты - дополнительное распыление топлива в объеме сгорания, изменение динамики тепловыделения, обеспечение более полного сжигания продуктов горения, что в свою очередь приводит к снижению дымности и уменьшению содержания вредных веществ в отработавших газах. Последующие исследования по применению топливных эмульсий, например, в судовых двигателей внутреннего сгорания и котлах [29,71] с методологической точки зрения относятся к исследованию этого процесса на макроуровне. В этих работах изучено влияние топливно-водной эмульсии на эффективность работы двигателей внутреннего сгорания и котлов, их КПД, расход топлива и другие характеристики.
Например, в работе [29] по сжиганию обводненных мазутов и нефтеостатков в судовых котлах было показано, что в определенных концентрациях присутствие воды не ухудшает параметров процесса сжигания мазута в судовых котлах. Оптимальным содержанием воды считается 20 — 30%. В этих работах высказывается как предположение, что в вода в топливе должна содержаться в виде дисперсной фазы, дисперсные частицы которой должны быть равномерно распределены в топливе.
В исследованиях школы Лебедева О.Н. [71] подтверждается возможность использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания водотопливных эмульсий. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что процесс сгорания топливно-водной смеси может значительно отличаться от сгорания чистых топлив. Как правило, сгорание эмульсий протекает с более высокими скоростями и более интенсивным выделением теплоты. В определенных пределах обводненности топлива (в зависимости от топлива и типа двигателя) повышается экономичность работы двигателя.
Однако, авторы работы [72] по проблеме использования топливно-водной эмульсии в своих исследованиях не смогли получить положительный эффект от использования топливных эмульсий, делая при этом вывод, что эффективность работы двигателей внутреннего сгорания на топливных эмульсиях в большей степени зависит только от количества воды.
Анализ работ, посвященных проблеме использования топливных эмульсий, показывает, что существующие теоретические модели этих процессов не могут объяснить всех их особенностей и, прежде всего, из-за отсутствия представлений об этих процессах как процессах, происходящих в дисперсных системах. Впервые о большом значении дисперсности частиц воды в процессе использования водотопливных эмульсий в качестве топлива было сказано в работах [73,74].
Развивая основные положения этих работ, исследуем влияние дисперсности и концентрации водной фазы на процесс сжигания обводненных нефтепродуктов.
Для исследования условий, которые оказывают влияние на процесс образования обводненного топлива и его горения, была разработана следующая теоретическая модель дисперсной системы, которая представляет собой смесь нефтепродуктов и воды [83]. Весь объем топливно-водной смеси можно представить состоящим из отдельных элементарных объемов, равных тем, которые при распылении форсункой образуют отдельные капли топлива. Указанные элементарные объемы топлива на рис. 4.1 выделены пунктирными линиями. На рисунке также показаны капли воды которые могут иметь разную величину.
Такая модель позволяет видеть, что в зависимости от крупности частиц воды при распылении нефтепродуктов могут образовываться обводненные капли топлива разного типа.
На рис. 4.2 показана схема образования частиц топлива при его распылении в объеме сгорания. На рисунке также показаны капли воды (наиболее светлые), которые содержатся в топливе. На этом рисунке показан канал распылителя, в котором пунктирными линиями выделены объемы, которые вылетая из канала в объем горения, образуют отдельную каплю. В зависимости от размера капель воды могут иметь место следующие варианты распыления обводненного топлива.
