Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки технических и технологических решений, обеспечивающих высокоэффективное и экологически безопасное сжигание топлива в виде водотопливных смесей в теплотехнологических установках. В значительной степени эффективность сжигания зависит от качества и физических свойств топливной смеси, которые в существенной мере определяются процессом топливоподготовки.
Обеспечение принципа энергоэффективности является одним из важнейших условий функционирования и дальнейшего развития современной промышленности. Начало научных основ энергосбережения положили работы Р. Б. Ахмедова, В. И. Доброхотова, А. Д. Ключникова, А. А. Макарова,
Л. А. Мелентьева, С. И. Коновальцева и др. Проведенный анализ научных и технических публикаций позволяет заключить, что наиболее важной проблемой является развитие интенсивного энергоресурсосбережения, потенциал экстенсивных методов в значительной мере исчерпан.
Практически существуют два альтернативных пути ресурсной и, что не менее важно, экологической эффективности жизнедеятельности:
реконструкция существующих технологических процессов на принципах построения малоотходных производств и безотходных комплексов;
интенсификация производства полезного продукта при одновременном снижении потребления энергетических и материальных ресурсов в результате использования новых наукоемких технологий.
Использование органического топлива является основным источником энергии различных теплотехнологических процессов. В работах Г. Н. Делягина, Н. В. Лаврова, В. И. Мурко, Э. И. Розенфельда, Л. М. Цирульникова и др. отмечается, что качество сжигания мазутов и водомазутных эмульсий существенно зависит от дисперсионных характеристик топлива. Серьезным препятствием на пути широкого применения водомазутной эмульсии (ВМЭ) или водоугольной суспензии (ВУС) является сложность управления реологическими и другими физико-химическими параметрами на этапах производства, транспортировки и сжигания. Интенсификация процессов получения водотопливных смесей возможна с помощью эффектов кавитации, позволяющих оптимизировать их качество и более точно обеспечивать режимы сжигания с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах непосредственно в источнике их образования. Поэтому задачи совершенствования теплофизических и гидродинамических процессов при сжигании топлива, топливоподготовки с использованием двухфазных топливно-водяных эмульсий (суспензий), улучшения технологических режимов работы топочных устройств с учетом выбросов вредных веществ актуальны и имеют большое научное и практическое значение.
Проблемы организации эффективного сжигания топлив и топливоподготовки на базе критической кавитационной технологии, очистки выбросов, совершенствование методов оценки предотвращенного ущерба определяют комплексный характер исследований данной работы.
Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр – 577 «Энергосберегающие технологии», критические технологии «Производство электроэнергии и тепла на органическом топливе», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», «Энергосбережение», а также в рамках научных исследований по Всероссийской программе: «Энергосбережение Минобразования РФ» (2003-2005 гг.), Международному проекту TAСIS по энергосбережению (1998–2000 гг.) и Программе Красноярского краевого экологического фонда (1999–2001 гг.).
Объект исследования – топочные устройства малого объема на примере топочного оборудования сушильных барабанов асфальтобетонных заводов (АБЗ).
Предмет исследования – технологические процессы подготовки водотопливных смесей, получаемых на базе эффектов кавитации.
Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических основ и технических решений по повышению эффективности подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топочных устройствах теплотехнологических систем на основе существенного дополнения и научного обобщения результатов исследований в области кавитационной технологии с учетом снижения вредных выбросов в атмосферу.
Задачи исследований:
-
Установить факторы, определяющие эффективное распыливание и сжигание ВМЭ и ВУС в топках малого объема, обосновать использование эффектов кавитации в качестве способа получения стабильных водотопливных смесей;
-
Провести анализ влияния теплофизических и физико-химических механизмов кавитационной обработки на технологические процессы топливоподготовки. Сформулировать модели кавитационного воздействия, механотермолиза и образования эмульсий, суспензий, а также смесей многокомпонентных сред с учетом реологических свойств взаимодействующих веществ;
-
Экспериментально определить свойства обрабатываемых сред в зависимости от параметров и режимов работы оборудования и средств их реализации при отработке технологических процессов получения воды с модифицированными физико-химическими особенностями и водотопливных эмульсий;
-
Выявить параметры получаемых водотопливных эмульсий и суспензий (дисперсность, водосодержание, размер твердой фазы) и оценить их влияние на качество сжигания в теплотехнологических установках;
-
Разработать методы расчета и создать конструкции технологических аппаратов энергоэффективной обработки многокомпонентных сред для получения водотопливных смесей;
-
Разработать методики оценки предотвращенного экологического ущерба при реконструкции существующих производств и проведении природоохранных мероприятий.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решений математических моделей. Разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
-
Установлен теплофизический механизм сжигания водотопливных смесей, основанный на вторичном дроблении капель топлива в реакционном объеме; выявлена закономерность влияния размеров капель водотопливных эмульсий (суспензий) на процессы тепломассообмена, полноту сгорания топлива и выход вредных веществ в технологических выбросах теплотехнологических установок;
-
Разработаны феноменологические модели кавитирующей жидкости и механотермолиза воды, заключающиеся во взаимодействии полей высоких температур и давлений, образующихся при схлопывании кавитационных микропузырьков.;
-
С помощью физического и математического моделирования обоснованы и реализованы энергоресурсосберегающие технологические режимы получения ВМЭ и ВУС. Впервые получены экспериментальные зависимости влияния параметров технологических процессов топливоподготовки (температуры, скорости, давления, времени обработки, числа кавитации, дисперсности, концентрации, водосодержания, тепломассообмена) на структурные и физико-химические свойства воды и водотопливных эмульсий: выявлено, что наибольшая интенсивность кавитационного воздействия осуществляется при числах кавитации c » 0,2, что соответствует оптимальным размерам кавитационных пузырьков с точки зрения их эрозионной активности;
-
Предложены и реализованы методики расчета двухфазного суперкавитационного обтекания лопастных и неподвижных кавитаторов газожидкостным пузырьковым потоком с учетом сжимаемости, позволяющие на стадии проектирования определять рациональные режимы работы и конструктивные размеры технологических аппаратов для обработки водотопливных смесей и других многокомпонентных сред в различных отраслях производства;
-
Разработана методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий, учитывающая различные технологические и конструктивные особенности пылеочистных систем; найден критерий оценки экоэффективности при сопоставлении установок различных конструкций.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что выполненные исследования позволили научно обосновать технические решения, внедрение которых способствует не только повышению эффективности и экологической безопасности сжигания ВМЭ и ВУС в топочных устройствах теплотехнологических установок, но и имеет важное значение при решении проблем энергоресурсосбережения в других технологических процессах, где требуется получение гомогенных гетерофазных смесей.
Внедрение результатов работы проведено Хакасавтодором (Красноярский край, Хакасия) в рамках выполненной в 1989–92 годах х/д НИР «Охрана атмосферы и предложения по предельно допустимым и временно согласованным выбросам для предприятий Хакасавтодора», а также разработанные технологические системы топливоподготовки и пылеочистки внедрены в разные годы на следующих предприятиях:
– Копьевское ДРСУ Хакасавтодора (1992 г.; фактический экономический эффект составил 450 тыс. руб.);
– Березовское ДРСУ Красноярскавтодора (1995 г.; фактический экономический эффект составил 1500 тыс. руб.);
– ОАО «ДПМК Красноярская» (1999 г.; фактический экономический эффект составил 2500 тыс. руб. в текущих ценах).
Технология и оборудование топливоподготовки (ВМЭ и ВУС) используются в технологических процессах отопительных котельных ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» (2007 г.).
Социальный эффект от использования разработок заключается в снижении воздействия на природную среду, улучшении условий труда.
Основные результаты работы и практические рекомендации приняты к внедрению Решением НПК «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (1997 г.), Решением Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (1999 г.) и включены в программу «Энергосбережение в Красноярске на 2000 – 2005 гг.».
Производство малых серий различных кавитационных аппаратов освоено в «ОНО Красноярский опытный завод ГОСНИТИ Россельхозакадемии» (с 1998 г.).
Основные положения и рекомендации диссертационной работы были учтены при разработке Концепции энергосберегающей политики в Красноярском крае (утверждена постановлением администрации Красноярского края от 18.10.99 № 664-п).
Научные результаты исследований использованы в учебном процессе (1996-2006 г.) при разработке курсов лекций и создании учебных пособий (с грифом Минобразования РФ) в Политехническом и Инженерно-строительном институтах Сибирского федерального университета, а также в научно-исследовательской деятельности Теплоэнергетического факультета СФУ.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается комплексным характером исследования, обоснованными расчетными схемами и математическими моделями двухфазных суперкавитационных течений, базирующихся на фундаментальных законах физики, гидрогазодинамики, теплофизики, и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными. Выводы достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на III и IV Всесоюзной школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Красноярск, 1987; Чебоксары, 1989), Донских экологических чтениях (Ростов-на-Дону, 1988), Всесоюзной НТК «Проблемы экологии и ресурсосбережения. Экоресурс–1» (Черновцы, 1990), XIII Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Чебоксары, 1990), I и III Международном симпозиуме «Физические проблемы экологии природопользования и ресурсосбережения» (Ижевск, 1992; 1997), Республиканской НТК «Актуальные проблемы механизации дорожного строительства»(C.-Петербург, 1992), НПК «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997), Всероссийской НТК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998; 1999; 2000; 2004; 2005; 2006), I, II и III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001), НПК «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в Красноярске» (Красноярск, 1999), I и II Международных НПК «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (Смоленск, 1998, 1999), Всероссийской НПК «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000), I и II Всероссийской НПК «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2000; 2001), I, II, III, IV, V, VI и VII Всероссийской НПК по проблемам энергоресурсосбережения (Красноярск, 2000; 2001; 20002; 2003; 2004; 2005, 2006), Научно-практическом семинаре «Разработка механизмов взаимодействия различных субъектов городского сообщества для обеспечения экологической безопасности городской среды» (Красноярск, 2001), II Международной летней школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Чебоксары, 2004), 4-ом Международном конгрессе по управлению отходами «ВэйстТэк-2005» (Москва, 2005), International SYMKOM' 05 (Poland, Lodz, 2005), Национальной конференции по энергетике НКТЭ-2006 (Казань, 2006), IХ Международной летней научной школе «Гидродинамика больших скоростей и численное моделирование» (Кемерово, 2006).
Отдельные результаты работы экспонировались на Международной выставке в Польше (Лодзь, 2005), на Всероссийской выставке с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001) и выставке «Достижения науки и техники – развитию города Красноярска» (Красноярск, 2000; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006).
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80–90 % результатов исследований.
Автор выражает искреннюю признательность докт. техн. наук, профессору В. М. Ивченко, инициировавшему развитие данного научного направления; академику АН УССР Г. В. Логвиновичу; докт. техн. наук, профессору О. А. Трошкину; докт. физ.-мат. наук, профессорам В. М. Журавлеву и В. С. Славину за постоянное внимание и поддержку исследований; докт. техн. наук, профессору В. А. Кулагину, совместные исследования с которым способствовали формированию изложенных в диссертации положений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, из которых 2 монографии, 12 статей в периодических изданиях из списка ВАК, 15 – в сборниках научных трудов, 26 работ в трудах Всесоюзных, Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 3 брошюры, 2 авторских свидетельства на изобретения (СССР).
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 340 страницах основного текста, включающего 128 рисунков и 30 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 384 наименований и приложения.
