ПРИМЕНЕНИЕ ВОДО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ (ВТЭ) В ТОПЛИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Постоянное увеличение стоимости топлив и ужесточение требований к экологической безопасности топлив вызвали повышенный интерес к водотопливным эмульсиям (ВТЭ). Эти работы начались в 20-х годах прошлого века и продолжаются до настоящего времени во многих странах мира. Накоплен огромный опыт использования ВТЭ в двигателях внутреннего сгорания различного назначения и котельных установках. Эксплуатационные испытания ВТЭ в дизельных судовых двигателях проводились в Новороссийском и Литовском морских пароходствах. Проведенные испытания показали, что ВТЭ обеспечивает экономию топлива около 3% (обычно от 0 до 6% в зависимости от режима работы двигателя) при значительном улучшении экологических характеристик продуктов сгорания и снижении нагарообразования. Износ и надежность работы основных систем и деталей дизеля находились на том же уровне, как при его работе без воды. Многочисленными исследованиями установлено, что оптимальный размер частиц воды в ВТЗ составляет от 5 до 10 микрон. При увеличении размеров снижается стабильность ВТЭ, при уменьшении снижается эффективность. Количество воды в ВТЭ обычно не превышает 20%, что соответствует максимальному значению экономии топлива. Увеличение количества воды до 40 % приводит к непрерывному снижению дымности и содержания окислов азота в уходящих газах, их температуры, а также уменьшению нагарообразования в дизеле. Мощность двигателя до содержания в ВТЭ 30% воды не снижается, а при 40% воды уменьшается на 9-12%. Механизм действия воды на горение топлива изучен достаточно подробно. Капли воды оптимального размера начинают кипеть раньше топлива, вызывая “микровзрыв” капли ВТЭ улучшая распыление топлива. Кроме того, вода является катализатором горения, особенно для углерода (сажи), что также повышает полноту сгорания топлива.
ВТЭ приготовленные из топлив повышенной и высокой вязкости (моторное топливо ДТ, флотские и топочные мазуты) и пресной воды обладают достаточно высокой стабильностью за счет содержания в топливе природных поверхностно-активных веществ. При приготовлении ВТЭ из дизельного топлива ДЛ для придания стабильности необходимо дополнительно вводить поверхностно-активные вещества (стабилизатор).
В 1967 году институтом инженеров железнодорожного транспорта (Ростов на Дону) были проведены исследования в дизелях ЯАЗ-204 и 2Д-100 ВТЭ содержащей дизельное топливо, 15% воды и 15% мазута М-20 в качестве стабилизатора. В ходе испытаний были получены значения экономии топлива от 4 до 10%. Экологические показатели сгорания ВТЭ находились на уровне чистого дизельного топлива.
Использование мазута как добавки-стабилизатора и одновременно более дешевого топлива является одним из самых перспективных направлений развития ВТЭ. Мазут, стабилизируя воду, образует вокруг частиц воды защитный слой из самых тяжелых фракций. В результате при “микровзрыве” капель ВТЭ эти тяжелые фракции хорошо распыляются и быстрее сгорают, обеспечивая нормальное сгорание топлива и стабильную работу двигателя.
Получение оптимальной структуры ВТЭ в первую очередь зависит от используемого диспергатора (гомогенизатора). В настоящее время гомогенизаторы широко используются во всем мире не только для приготовления ВТЭ, но и для обработки тяжелого топлива с целью получения однородной (гомогенной) структуры. Связано это с тем, что тяжелые топлива являются сильно неоднородными по составу и при хранении расслаиваются. Тяжелые фракции образуют сгустки, которые ухудшают горение топлива и, выпадая в осадок, образуют отложения в мазутных емкостях. Это приводит к существенным потерям топлива (до 6%) и появлению опасных для экологии отходов. Обработка топлива в гомогенизаторах позволяет получить однородное топливо и практически избежать появления отходов (снизить их до уровня менее 0,5%).
Повышение однородности структуры топлива сильно улучшает его горение. Например, как показали испытания гомогенизатора ВКИ-2В, обработка флотского мазута Ф-5 позволяет для двигателя ИТ9-3 при постоянной подаче топлива увеличить мощность двигателя (с 2,4 кВт до 2,8 кВт) и среднее индикаторное давление (с 4,42 кгс/см? до 5,11 кгс/см?). При этом дымность уходящих газов снизилась в два раза, что свидетельствует о повышении полноты сгорания топлива.
Нами был пределен оптимальный состав трехкомпонентной ВТЭ, отвечающей требованиям к топливам, используемым в судовых дизельных установках при условии соблюдения экологической безопасности выброса вредных веществ в окружающую среду. Испытания проводились в Центральном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте морского флота (ЦНИИМФ) на судовом двигателе 2Ч 8,5/11(5Д2) для которого используется дизельное топливо по ГОСТ 305.. Трехкомпонентные ВТЭ готовились в гомогенизаторе ВКИ-2В конструкции МГП ”Импульс” на базе дизельного топлива ДЛ, мазута и пресной воды.
В результате проведенных стендовых испытаний определен состав трехкомпонентной водотопливной эмульсии отвечающий требованиям, предъявляемым к эксплуатации дизеля и экологии выпускных газов:
дизельное топливо - 37,5%
мазут Ф-5 - 32,5%
вода - 30%
Испытания проводились при температуре топлива 18°С, При этой температуре дымность уходящих газов, а также содержание в них окиси углерода и углеводородов находилось на уровне чистого дизельного топлива.
При предварительном подогреве ВТЭ до 50°С дымность и содержание углеводородов стали ниже чем для дизельного топлива, что свидетельствует о повышении полноты сгорания топлива.
Приготовленная трехкомпонентная ВТЭ сохраняла стабильность в течение 5-6 часов, после чего начинала расслаиваться на концентрированную ВТЭ и дизельное топливо. После длительного хранения трехкомпонентной ВТЭ (в течение 10 месяцев) вода не выделялась и при перемешивании вручную восстанавливалась ее исходная структура. В связи с этим при использовании данной ВТЭ необходимо обеспечить ее циркуляцию, что для судов не составляет сложности. Пуск и остановку двигателей также как и при применении обычных ВТЭ следует производить на топливе без воды.
Средний размер частиц воды в эмульсии составлял 5 микрон, условная вязкость ВТЭ при 18°С-1,26°ВУ ( дизельного топлива 0,85°ВУ), при 50°С-1,10°ВУ. Динамическая вязкость ВТЭ при 18°С составляла 0.032 Па?с (при той же температуре вязкость дизельного топлива составляет 0.007 Па?с, мазута Ф-5 - 0,21 Па?с), при 50°С –0,026 Па?с (мазут Ф-5 при 50° - 0.035 Па?с).
Увеличение содержания воды и мазута в эмульсии выше оптимального (при сохранении того же соотношения между мазутом и водой) приводит к нестабильной работе двигателя и ухудшению экологических характеристик выпускных газов и рабочего процесса дизеля.
Замена дизельного топлива на трехкомпонентную ВТЭ, содержащую мазут, позволит снизить эксплуатационные расходы на топливо.
Для двигателей использующих более тяжелое топливо (ДТ, ДМ) после проведения дополнительных испытаний возможно дальнейшее увеличение содержания мазута в эмульсии.
Для судов с двухтопливной системой (использующих мазут и дизельное топливо) целесообразно приготовление эмульсии с использованием смонтированной на судне установки ВКИ 2В (производительность установки 3 тонны в час). Для небольших судов наиболее целесообразна бункеровка готовой ВТЭ без переделки топливной системы.
Для приготовления ВТЭ в стационарных условиях можно использовать установки ВКИ-3Б и ВКИ 4Б с производительностью по смеси мазута с водой 8 и 10 тонн в час соответственно. Данные установки в настоящее время используются для гомогенизации и эмульгирования мазута в котельных Санкт-Петербурга, Ленинградской, Псковской и республики Карелия. Многолетняя эксплуатация установок ВКИ в непрерывном режиме показала их высокую надежность. Конструкция установок защищена патентом Российской Федерации № 2124935.
