Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Прощай, форсунка!

Переход на массовое использование нефтяного горючего вызвал появление ряда замечательных изобретений, в том числе распылителей топлива: топливной форсунки, инжектора и карбюратора.

Однако применение этих устройств зависит от качества топлива, что исключает их работу, например, при распыле сырой нефти.

В то же время постоянное увеличение стоимости нефтепродуктов и тарифов на их перевозку делает «золотыми» практически все традиционные углеводородные топлива – особенно в отдаленных регионах России.



«Золотое» топливо

Проблема обеспечения топливом Крайнего Севера и Дальнего Востока России остается весьма актуальной. Как правило, в отдаленных районах используется дизельное топливо, завоз которого осуществляется на огромные расстояния, зачастую по бездорожью или вертолетами. Такое горючее, достигнув потребителя, становится не просто дорогим, а «золотым».

Между тем большинство регионов России обладают своими природными углеводородными энергоносителями. Экономически использовать их, разумеется, более выгодно – но, к сожалению, пока невозможно по ряду причин. Одна из них – применение на всех топливосжигающих установках традиционных распылительных устройств, исключающих эффективное распыление и, следовательно, качественное сжигание сырой нефти и отходов нефтедобычи.

Так, например, ежегодно вынуждена завозить большие объемы дизельного топлива Республика Саха (Якутия), сама по себе являющаяся нефтедобывающим регионом.

В качестве иллюстрации рассмотрим ситуацию с рабочим поселком Накын, расположенным в центральной части республики. Бытовые и производственные нужды этого поселка обеспечиваются исключительно дизельным топливом, суммарное количество которого в 2008 году составило около 23 573 тонн.

Ближайший от поселка НПЗ находится на юге Иркутской области, в городе Ангарске. Отпускная цена дизельного топлива в 2008 году равнялась 22 500 рублей за тонну. Доставка одной тонны топлива от города Ангарска до поселка Накын обошлась в 7900 рублей. Нетрудно посчитать, что общие расходы составили около 717 миллионов рублей.

В то же время отпускная стоимость одной тонны сырой нефти на Ангарском нефтеперерабатывающем заводе в 2008 году была 6300 рублей. При замене дизельного топлива привозной сырой нефтью общие затраты сократились бы до 335 миллионов рублей, то есть в два раза.

Но зачем везти нефть в Якутию, если она там есть? Использование местного сырья еще более снизило бы расходы. (В настоящее время проблему энергообеспечения Накына планируется решить за счет строительства атомной станции малой мощности).

Расчеты показывают, что использование сырой нефти в отдельно взятом поселке сэкономит огромные средства, выделяемые на закупку и доставку топлива. А таких поселков по всей России – тысячи.

Но это возможно лишь на основе разработки и внедрения принципиально новых многофункциональных универсальных распылителей, способных надежно функционировать на всех видах жидкого топлива, в том числе – нефти и нефтеотходах.



От Шухова до наших дней

Первая топливная, а точнее – нефтяная, форсунка была изобретена в 1866 году русским инженером А. И. Шпаковским. Однако из-за существенных конструктивных недостатков она так и не нашла своего широкого применения. Спустя четырнадцать лет, в 1880 году, студентом Московского высшего технического училища В. Г. Шуховым (выдающимся русским инженером, автором первых нефтепроводов и знаменитой башни на Шаболовке) была создана более совершенная топливная форсунка, позволяющая реализовать промышленное факельное сжигание низкосортного мазута, считавшегося в то время отходом нефтепереработки. Форсунка Шухова, усовершенствованная в дальнейшем, используется до сих пор. Она стала прототипом форсунки для дизельного топлива.

Быстрое развитие двигателей внутреннего сгорания потребовало создания новых устройств, поскольку разработанные ранее форсунки не могли быть использованы в ДВС для распыла легких видов нефтяного топлива, а применение в дизелях нефтяных топливных остатков (мазута) было еще невозможно. С изобретением в 1885 году Г. Даймлером и В. Майбахом карбюратора вопрос использования в двигателях бензина был решен. В 1893 году венгерский инженер Донат Банки усовершенствовал карбюратор, снабдив его жиклером. Впоследствии это устройство явилось прототипом для всех современных типов карбюраторов.

В 1960-е годы впервые обострились глобальные экологические проблемы, связанные, помимо всего прочего, с загрязнением воздушного бассейна токсичными отработавшими газами ДВС. Именно тогда и вспомнили об инжекторе, изобретенном еще в 1858 году французским инженером Анри Жиффаром и усовершенствованном в 1894 году Фридманом и Кертингом применительно к бензину. Впрочем, по своей физической сути это скорее не инжектор, а обычная форсунка с электромагнитным клапаном для дозированной подачи топлива.

Сегодня форсунки, карбюраторы или инжекторы являются обязательным элементом каждой топливоподающей системы любого котла, газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания.



Неустранимые недостатки

Форсунки, карбюраторы и инжекторы используются уже более 100 лет и вошли в XXI век лишь с незначительными изменениями. Несмотря на многообразие, конструктивные особенности и отличия, эти технические устройства объединены своим назначением и способом получения топливных капель – распылом. Основная их функция – превращение потока жидкого топлива в аэрозольную струю, состоящую из паров углеводородов и мельчайших топливных капель, путем принудительного проталкивания через проходные сечения малых размеров.

Как правило, используемые в традиционных системах распылительные устройства обладают значительным гидродинамическим сопротивлением, и в них срабатывается практически все давление топлива. В связи с этим для нормального функционирования распылителей всегда необходимо наличие давления (подпора) топлива в системе. Кроме того, давление должно иметь определенное значение, поскольку от его величины зависят степень газификации горючего и размеры получаемых капель – и, следовательно, качество приготавливаемой топливовоздушной смеси. Поэтому функционирование традиционных распылителей невозможно без работы топливного насоса.

Производительность (пропускная способность) по топливу и размеры получаемых топливных капель являются наиболее значимыми эксплуатационными показателями работы форсунки, карбюратора или инжектора. Поэтому до настоящего времени распылители совершенствовались путем уменьшения проходных сечений внутренних каналов и повышения давления топлива в системе. Сейчас давление топлива перед форсунками котлов достигает 5-35 кг/см², перед форсунками газотурбинных двигателей – 30-65 кг/см², а перед форсунками дизелей – 220 и более кг/см². В бензиновых двигателях давление топлива перед карбюратором значительно ниже и составляет около 1,2-1,5 кг/см², а перед инжектором – не более 2 кг/см², что связано с использованием легкого топлива на основе низкокипящих нефтяных фракций.

Очевидно, что традиционные распылительные устройства достигли своего конструктивного и функционального предела. Несмотря на усовершенствования, улучшение качества нефтяного топлива и повышение давления в системе, они не в состоянии обеспечить получение мелкодисперсных топливных капель размером менее 10-12 микрон. Кроме того, их использование делает недоступным сжигание сырой нефти и нефтяных отходов.

Применяемые сейчас устройства обладают и рядом других существенных недостатков. Это сложность конструкции, эксплуатации и технического обслуживания; дороговизна изготовления; невозможность обработки топлива на межмолекулярном уровне; монофункциональность; жесткая зависимость от физико-химических характеристик (плотности, вязкости, текучести) топлива; частое закоксование проходных сечений; высокая степень взрывопожароопасности и др.

К сожалению, при общепринятой раздельной схеме подачи топлива и воздуха в зону горения устранение указанных недостатков невозможно. Чтобы ликвидировать эти недостатки, надо одновременно изменить как способ распыления жидкого топлива, так и схему его смешения с воздухом.



Универсальный распылитель

Авторами был создан принципиально новый многофункциональный универсальный распылитель жидкого топлива. В основу его работы положен способ эжектирования жидкого топлива атмосферным воздухом. Смешение горючего и окислителя в этом случае происходит непосредственно в распылителе – таким образом, реализуется совместная схема подготовки и подачи компонентов горючей смеси в зону горения.

Многофункциональность нового технического устройства заключается в одновременном выполнении им нескольких физико-химических процессов: самовсасывания топлива, струйно-кавитационной обработки топлива на межмолекулярном уровне, газификации легких топливных фракций, получения мелкодисперсной (размер капель не более 5-8 мкм) топливной струи и, наконец, приготовления гомогенной (однородной) высококачественной воздушно-топливной смеси с оптимальным соотношением компонентов.

Универсальность распылителя заключается в возможности приготовления пригодной для эффективного сжигания воздушно-топливной смеси на основе практически всех известных сейчас видов жидких и газообразных углеводородных энергоносителей (товарных топлив, сырой нефти, нефтесодержащих отходов, топливных смесей, водотопливных и водонефтяных эмульсий и суспензий), независимо от их вязкости, плотности, влагосодержания и других физико-химических показателей. Новый распылитель может быть использован практически в любой установке, поскольку его работа не ограничивается качеством сырья и не требует обязательного наличия топливного насоса, при этом при переходе работы установки с одного вида топлива на другой замены распылительного устройства не требуется.

Многофункциональный универсальный распылитель жидкого топлива представляет собой струйный аппарат, рабочей средой которого является сжатый воздух, а всасываемой – жидкое или газообразное топливо.



Испытания показали

Устройство было проверено в лабораторных условиях. Целью испытаний стала проверка функциональности устройства, а также определение показателей работы распылителя и проверка их соответствия расчетным данным. В качестве рабочей среды использовался сжатый воздух с давлением до 5 кг/см², а всасываемой средой служила пресная вода.

Проведенные испытания подтвердили правильность выполненных расчетов. Так, вода поступала в устройство самовсасыванием, соотношение объемов воздуха и воды равнялось 10-11:1, а количество всасываемой воды – 120-140 л/час. При подпоре линии всасывания количество поступающей в устройство воды удваивалось. Получаемая воздушно-водяная струя была правильной конической формы с углом раскрытия до 20°, с переменной длиной от 2 метров (при давлении рабочего воздуха 1,5 кг/см²), до 6 метров (при 5 кг/см²), с размерами водяных капель не более 8 микрон. С увеличением давления воздуха перед устройством длина струи увеличивалась, а с уменьшением – снижалась, при этом соответственно изменялся и угол раскрытия струи. Использование распыляющего устройства позволило получить мелкодисперсную воздушно-водяную аэрозоль в виде тумана. Распылитель надежно функционировал в течение 4 часов (весь запланированный период испытаний), а сбоев, отказов в работе и опрокидывания всасывания при этом не наблюдалось.



На макете

Натурные испытания устройства проводились на стендовом (макетном) образце огневой камеры нагревательного агрегата сушильного барабана. Рабочей средой служил сжатый воздух, а всасываемой – стандартное дизельное топливо, низкосортная топливная смесь бензиновой и дизельной фракций широкого состава, сырая нефть, нефтеводяная эмульсия с содержанием соленой воды до 27 процентов.

Испытания показали:
∙ работоспособность струйного распылителя: с подпором топлива во всасывающей линии распылителя в 3,5-4 кг/см² и при давлении воздуха 1,2-1,5 кг/см² его пропускная способность по топливу составила 280-320 кг/час;
∙ надежную работу распылителя в течение всего периода испытаний, отсутствие срывов факела и отказов устройства, связанных с качественными показателями применяемых топлив;
∙ универсальность работы струйного распылителя (возможность приготовления мелкодисперсных воздушно-топливных высокогазифицированных горючих смесей с оптимальным соотношением и равномерным распределением компонентов на основе всех используемых сегодня видов топлива и качественный распыл их в зону горения);
∙ высокую организацию процесса сгорания: при коэффициенте избытка воздуха, равном единице, наблюдалось бездымное горение, цвет факела – равномерный ярко-соломенный, факел правильной геометрической формы с высокой степенью светимости длиной 2 метра;
∙ возможность регулирования параметров факела;
∙ экономию более 15 процентов при сжигании всех видов топлива;
∙ необходимость подогрева нефти и нефтеводяной эмульсии до температуры +90 ºС и ее розжига с помощью подсветки за счет сжигания одного литра дизельного топлива в час.

Натурные испытания подтвердили функциональные возможности струйного распылителя при его работе на аномальных жидкостях различного состава с реальными свойствами. На практике была доказана возможность качественного и гарантированного сжигания сырой нефти и эмульсии на ее основе.



В реальных условиях

Промышленные испытания струйного распылителя в качестве горелки сушильного барабана асфальтобетонного завода марки АБЗ МУАД АК «АЛРОСА» – Д-508 в реальных условиях эксплуатации были проведены в августе-сентябре 2009 года в Мирном (Якутия).

Для проведения промышленных испытаний горелка одного из сушильных барабанов асфальтобетонного завода была демонтирована, и на ее место установлен струйный распылитель.

Целями промышленных испытаний являлись перевод отопления сушильного барабана с дорогостоящего дизельного топлива на дешевые нефтяные остатки, представляющие собой в настоящее время экологически опасные отходы нефтедобычи, и получение заданной температуры горения для обеспечения существующего технологического цикла асфальтобетонного завода.

В качестве основного топлива использовалась нефтеводяная эмульсия с влагосодержанием до 27 процента.

Результаты промышленных испытаний соответствовали проведенным ранее натурным, однако было выявлено несколько существенных особенностей совместной эксплуатации распылителя и сушильного барабана.

Реализация совместной схемы подачи воздуха и топлива в зону горения позволила отказаться от постоянной работы штатного вдувного вентилятора воздуха, поскольку необходимое количество воздуха поступало в зону горения в составе горючей смеси. Вдувной вентилятор воздуха использовался лишь периодически в необходимых случаях.

Сжигание топлива с высоким содержанием воды позволило достичь значения технологической температуры инертной массы внутри сушильного барабана, равной +120 ºС, т. е. на 40 ºС ниже требуемой, – что вызвано значительным снижением калорийности сжигаемой эмульсии.

Штатный вытяжной вентилятор (дымосос) не смог обеспечить полного удаления продуктов сгорания высокообводненной эмульсии из зоны горения, поскольку его пропускная способность или производительность по дымовым газам не рассчитана на значительное увеличение объема дымовых газов за счет парообразования воды при сжигании эмульсии.

В целом проведенные натурные испытания и результаты эксплуатации в реальных условиях убедительно свидетельствуют, что по техническим характеристикам разработанный авторами струйный распылитель превосходит аналогичные характеристики традиционно применяемых сегодня горелок и, следовательно, способен заменить их в полном объеме.



Подведем итоги

Достоинства и недостатки того или иного изобретения, как известно, оцениваются постепенно по результатам его практического использования. Время форсунок, карбюраторов и инжекторов подходит к концу, поскольку никакие их дальнейшие усовершенствования не в состоянии качественно и количественно улучшить организацию процесса сгорания углеводородного топлива – а значит, снизить загрязнение воздушного бассейна продуктами сгорания. Дальнейшее применение традиционных распылительных устройств делает недоступным использование в качестве энергетического топлива наиболее дешевых местных энергоносителей, включая нефть и отходы ее добычи.

Уже сейчас очевидно, что назрела объективная необходимость замены традиционных распределительных устройств принципиально новыми (в том числе – и разработанными авторами), что диктуется как экономической целесообразностью, так и сложившейся экологической ситуацией.

К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН