Авторские инновационные технические решения в области экологии и безопасности жизнедеятельности для применения в топливосжигающих и золоулавливающих устройствах

Полный текст

Введение Несомненно, что современные технологии создают техногенный и экологический риск. В этой связи в настоящее время становится актуальной проблема повышения экологической и техносферной безопасности различных производств: теплоэнергетики, транспортной отрасли, нефтепереработки и др. Эксплуатируемые на теплоэнергетических, транспортных и нефтеперерабатывающих предприятиях котельные и печные установки являются главными источниками загрязнения окружающей среды, прежде всего атмосферного воздуха. Это можно объяснить тем, что уровень проектных решений и техническое состояние котельно-печного парка, по экологическим аспектам, не в полной мере соответствует современным требованиям охраны окружающей среды. При рассматривании этой проблемы в направлении Экологической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2030 г. [1] становится важным снижение негативного воздействия на окружающую природную среду к 2030 г. на 70 % за счет внедрения энергосберегающих установок и наилучших доступных технологий. Очевидно, что разработку и практическое применение воздухоохранных и эффективных технических решений по сжиганию топлива следует производить уже в настоящее время, и это должно стать насущной и приоритетной задачей как экологических, так и энергетических служб промышленных предприятий [2; 3]. В связи с этим приоритетными задачами в условиях теплоэнергетических, нефтеперерабатывающих и других производств становятся поиск и разработка наиболее эффективных и рациональных технических решений, направленных на создание новых технологий и устройств в сфере экологии и безопасности жизнедеятельности. Ниже даны описания инновационных технических разработок, защищенных патентами на изобретения и полезные модели, созданных авторами при выполнении научных исследований и представляющих практический интерес для предприятий транспорта, теплоэнергетики, нефтегазовой отрасли и других производств. Эффективные установки новой конструкции для приготовления водомазутных эмульсий (ВМЭ) с целью их дальнейшего экологического сжигания в котельных, работающих на жидком топливе Полезная модель (патент № 149636) относится к области теплоэнергетики и может быть использована для приготовления водотопливных эмульсий (ВТЭ) для котельных. Устройство для приготовления ВТЭ содержит топливную накопительную цистерну, снабженную патрубком спуска отстоянной воды, эмульгатор, снабженный напорным патрубком и двумя приемными патрубками, два приемных трубопровода для забора топлива из накопительной цистерны, соединенные с приемными патрубками эмульгатора, фильтры, установленные на линии приемных трубопроводов перед эмульгатором, трубопровод для подачи гомогенной водотопливной эмульсии в верхнюю часть топливной накопительной цистерны и трубопровод для подачи топлива в расходную цистерну, соединенные с напорным патрубком эмульгатора [4]. Технический результат новой разработки заключается в уменьшении не только времени для приготовления ВМЭ, но и энергозатрат за счет сокращения цикла диспергирования топлива, а также в снижении затрат на текущую эксплуатацию устройства путем исключения образования осадка в застойных зонах устройства. Для достижения цели авторами предлагается [4]: а) соединить два приемных трубопровода между собой, образуя приемный трубопровод в виде замкнутого контура; б) выполнить на приемном трубопроводе отверстия диаметром 6-8 мм, суммарная площадь которых составляет не менее двух площадей поперечного сечения приемного трубопровода; в) расположить приемный трубопровод горизонтально и установить его внутри цистерны на 3/4 ее длины и на высоте h = 100-200 мм от дна цистерны. С целью дальнейшего сокращения времени приготовления ВМЭ и улучшения ее качества перед сжиганием в котельных транспортных предприятий авторами в работе [5] предлагается еще одно устройство, которое защищено патентом на изобретение № 2621332. Сущность технического решения заключается в том, что приемный трубопровод оборудован вибратором кулачкового типа, кулачок которого установлен внутри цистерны под консолью приемного трубопровода и связан через вал с приводом, установленным снаружи цистерны. Благодаря этому отличительному признаку сокращается время приготовления и улучшается качество ВМЭ. Это обусловлено созданием колебаний приемного трубопровода, что позволяет дробить дополнительно водяные линзы. Особенностью и отличием от аналогов является то, что в процессе эксплуатации устройства вибратор имеет периодический режим работы: отключается и включается автоматически после слива части отстоявшейся воды, а также после прекращения подготовки ВМЭ. Новое устройство позволяет сократить вредные выбросы в атмосферу при сжигании ВМЭ на 15-25 %, объем капитальных вложений и энергозатрат на 10-20 % [5]. Новые энергосберегающие устройства для сжигания жидкого топлива с малым выбросом загрязняющих веществ в атмосферу Полезная модель (патент № 187320) предназначена для сжигания обводненных мазутов в виде ВМЭ с сопутствующей утилизацией теплоты уходящих продуктов сгорания котлов и печей и может быть использована в теплоэнергетической и нефтеперерабатывающей отрасли. Техническим результатом нового устройства является повышение экологической эффективности сжигания жидкого топлива путем снижения выбросов оксидов азота (NOx) [6]. Устройство содержит последовательно соединенные трубопровод подачи жидкого топлива, фильтр, установленный на трубопроводе для удаления из жидкого топлива механических примесей, насос, диспергатор, котел или печь с форсункой и топкой, дымовую трубу, соединенную через дымоход с котлом или печью. Участок трубопровода подачи жидкого топлива, примыкающий к котельному или печному агрегату, проложен в канале дымохода. Для достижения поставленной цели авторы предлагают установить в топке котла или печи трубу с распылителем пара, подаваемого в зону горения, и за счет этого происходит снижение выброса NOx на 5-10 % [6]. Следует отметить универсальность данного метода, которая заключается в возможности использования пара на НПЗ из существующей системы пожаротушения трубчатых печей в качестве впрыскиваемой среды. При этом важно выбрать рациональную конструкцию аппарата для подачи пара в корень факела, где происходит максимальное образование NOx. Названный способ эффективен не только для подавления NOx, но и снижения образования оксида углерода, сажи и углеводородов путем увеличения их скорости выгорания за счет радикалов Н и ОН [6]. Дальнейшая модернизация конструкции данного устройства, проведенная авторами в работе [7], позволила на 10-15 % сократить выбросы NOx путем установки в топке котла (печи) водяного трубчатого змеевика. Экологический эффект достигается подачей холодной воды в трубчатый змеевик, которая подогревается от зоны горения ВМЭ и это приводит к уменьшению температуры горения за счет теплоотвода от факела. На данное техническое решение авторами получен патент № 197468 [7]. Отметим, что новая разработка может быть успешно применена как в котельных, так и в печных установках, работающих на жидком и газообразном топливе. Ниже дано описание еще одной новой конструкции энергосберегающей установки для сжигания мазута в виде ВМЭ, созданной авторами и защищенной патентом № 207269 на полезную модель [8]. Существенное отличие предлагаемого устройства от аналогов заключается в дополнительной установке эмульгатора на подающем трубопроводе, а в топке котельного или печного агрегата оборудуют специальный инжектор с обратным клапаном для периодической подачи холодного воздуха. Благодаря указанному отличительному признаку значительно повышается экологическая эффективность сжигания ВМЭ. Это объясняется тем, что поступающее на сжигание жидкое топливо, предварительно проходит через эмульгатор, в котором готовится для сжигания ВМЭ, при сгорании которой снижаются выбросы вредных веществ. Через инжектор с обратным клапаном поступает холодный воздух в топку и тем самым уменьшает максимальную температуру горения и, следовательно, подавляет образование как NOx, так и продуктов неполного горения [8]. Новые конструкции газомазутных горелок с малым выбросом вредных веществ из котлов и печей В настоящее время перспективность применения в печах и котлах новых газомазутных горелок должна представляться с учетом негативных экологических последствий, и прежде всего сопутствующего загрязнения атмосферы токсичными продуктами сгорания. Так, применительно к нефтезаводским трубчатым печам необходимо отметить, что в эксплуатируемых горелочных устройствах типа ГП, ГЭВК и др. имеется существенный конструктивный недостаток, который заключается в неправильном расположении в одной камере газовой части горелки и жидкостной мазутной форсунки. В результате при эксплуатации подобных горелок наблюдается попадание мазутных капель в газовые сопла с дальнейшим закоксовыванием их отверстий и нарушением их работы и трубчатой печи в целом. Это приводит к остановке печи и полному демонтажу горелок для устранения нарушения. Авторы разработали новую конструкцию горелки типа ГП-2, защищенную патентом № 139470 на полезную модель [9]. Предлагаемая горелка содержит корпус с патрубком для подачи воздуха, соединенный с амбразурой горелки, установленной в отверстие печи, смесительную камеру, трубу с патрубком для подачи воздуха при работе горелки на мазуте, расположенную по оси корпуса, мазутную форсунку, установленную внутри трубы, вставку, закрепленную на наружной поверхности трубы с возможностью поворота и предназначенную для образования пережима на воздушном тракте, периферийный кольцевой коллектор с патрубком и газораздающими отверстиями, расположенными в зоне пережима воздушного тракта. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности совместного сжигания газа и мазута в горелке без каких-либо сопутствующих нарушений в работе. С этой целью авторами предлагается распылительную часть мазутной форсунки горизонтально сдвинуть и расположить в амбразуре горелки [9]. Это обусловлено тем, что при совместном сжигании в горелке мазута и газа, газ через патрубок поступает в коллектор и, распределяясь по газораздающим отверстиям, расположенным в смесительной камере, истекает в виде поперечных струй в высокоскоростной поток воздуха, а распылительная часть форсунки располагается в амбразуре горелки, тем самым исключается близость расположения распылительной части форсунки от газораздающих отверстий. Отметим, что новая конструкция комбинированной горелки ГП-2 была апробирована в заводских условиях на печи установки первичной переработки нефти Хабаровского НПЗ и показала надежную и эффективную работу при совместном сжигании газа и мазута: закоксовывания газораздающих отверстий нераспыленными частицами мазута не было выявлено. Дальнейшее усовершенствование конструкции горелки ГП-2, проведенное авторами в работе [10], подтверждено патентом № 158820 на полезную модель как отвечающую требованиям новизны и получения высокого экологического эффекта. Целью авторской новой технической разработки являлось повышение экологической эффективности совместного сжигания газа и мазута в горелке за счет снижения выбросов NOx. Для достижения поставленной цели авторами предлагается: - установить форсунку с возможностью осевого перемещения относительно амбразуры горелки к ее выходу; - оборудовать горелку каналом с заслонкой, который располагают у основания амбразуры, и специальным отверстием в основании амбразуры для подачи рециркулирующих дымовых газов. Данные практические рекомендации позволяют эксплуатационникам на Хабаровском и других НПЗ сократить выбросы NOx на 20-30 % без значительных материальных затрат. Полезная модель (патент № 187181) также связана с еще одной реконструкцией горелки ГП-2, при создании которой авторы поставили цель достижения сокращения выбросов NOx при совместном сжигании газа и мазута [11]. Признаком, отличающим новую горелку типа ГП от аналогов, является то, что в ней в канале у основания амбразуры дополнительно устанавливается труба с распылителем пара в зону горения топлива. При этом подаваемый пар снижает максимальную температуру горения и приводит к сокращению выбросов NOx на 10-15 %. Таким образом, учитывая, что горелки типа ГП-2 нашли на отечественных НПЗ наиболее широкое применение, для решения насущных экологических задач следует рекомендовать новые малотоксичные горелочные устройства, защищенные патентами [9-11] для замены несовершенных горелок по экологическим аспектам. Следует также отметить, что полезная модель (патент № 208146) устраняет эксплуатационные и конструктивные недостатки горелки ГП-2, подробно описанной в патенте [11], взятой за прототип. Одним из основных недостатков прототипа является неполнота сгорания газообразного топлива вследствие неравномерного распределения воздушного потока в смесительной камере и неудовлетворительного перемешивания газа с воздухом [12]. Технической задачей является создание принципиально новой конструкции газомазутной горелки с малым выбросом NOx при обеспечении полноты сжигания газа и снижении шума при ее работе. Для достижения цели авторы предлагают дополнительно оборудовать горелку разделителем воздушного потока с овальными отверстиями в смесительной камере, а также установить впрыски сжатого воздуха периодического действия. Благодаря указанному отличительную признаку существенно повышается экологическая эффективность горелочного устройства, что обусловлено тем, что разделитель воздушного потока выполнен с овальными отверстиями, выполняющими задачу распределения воздушного потока по высоте смесительной камеры, а впрыски сжатого воздуха, установленные в смесительной камере под углом 20-30°, интенсифицируют процесс перемешивания газа с воздухом. Впрыски сжатого воздуха в горелку и интенсификация смешения газа с воздухом позволяют реально сократить выбросы NOx и обеспечить полноту сгорания газообразного топлива. Данная горелка рекомендуется для применения в печных и котельных агрегатах как отличающаяся от аналогов новизной устройства и экологической эффективностью [12]. Разработка эффективных циклонов-золоуловителей новой конструкции для очистки дымовых газов от твердых частиц Проблема, существующая в области очистки запыленного газового потока, заключается в том, что все известные циклоны в основном позволяют производить очистку крупных частиц дисперсной фазы от дисперсионной среды (газа) с последующим их удалением, а мелкие частицы из-за своих небольших размеров поступают в атмосферу, в результате чего происходит загрязнение воздушного бассейна. Конструкция нового фильтра-циклона, защищенная патентом № 2638969 на изобретение, подробно описана ниже. Целью предлагаемого авторского технического решения является повышение производительности и снижение затрат на эксплуатацию фильтра-циклона. Для её достижения авторы согласно изобретению установили набор фильтров внутри выхлопной трубы подвижно на фланце, который связан с верхней частью выхлопной трубы упругими элементами и оборудован вибратором кулачкового типа. Кроме того, упругие элементы выполнены в виде пружин, которые расположены по окружности фланца. Итак, признаками, отличающими фильтр-циклон от прототипа, являются установка набора фильтров внутри выхлопной трубы подвижно на фланце, который связан с верхней частью выхлопной трубы упругими элементами и оборудован вибратором, и выполнение упругих элементов в виде пружин, расположенных по окружности фланца. Это позволяет производить очистку набора фильтров без демонтажа в процессе эксплуатации за счет вибрации сеток и их самоочищения. Благодаря отличительным признакам предлагаемый фильтр-циклон повышает производительность и снижает затраты на эксплуатацию устройства. Причем вибратор включают периодически, в зависимости от уровня загрязнения сеток фильтра. Выполнение упругих элементов в виде пружин повышает надежность процесса очистки фильтра. Полезная модель (патент № 202973) «Групповой циклон» предназначена для очистки больших объемов запыленных дымовых газов (до 150 000 м3/ч) в угольных котельных. Групповой циклон содержит коллектор, общую камеру для очищенного газа с газоходом, общий бункер для сбора уловленной пыли, циклонные элементы, содержащие вертикальный цилиндрический корпус с коническим днищем, снабженным штуцером для удаления золы, выхлопную трубу, штуцер для подачи в аппарат зологазового потока, расположенный тангенциально к корпусу, крышку, коллектор, расположенный в верхней части одного из циклонных элементов, выполнен в виде цилиндра ступенчато уменьшающимся в диаметре по высоте, с тангенциальным подводом газов. При этом каждая ступень снабжена патрубками для отвода части газов в циклонные элементы, расположенные тангенциально. Технической задачей являлось повышение степени очистки зологазового потока путем улавливания мелкодисперсных частиц золы. Для решения поставленной задачи предлагается внутри газохода перед выбросом в атмосферу дополнительно установить фильтр для улавливания мелкодисперсных золовых частиц. Таким образом, в отличие от аналогов данное устройство позволяет повысить его экологическую эффективность и увеличить степень очистки от твердых частиц до 90 %. На данную конструкцию группового циклона авторами получен патент на полезную модель [14]. Заключение На основании изложенного материала можно рекомендовать для практического применения следующие новые технические решения в сфере экологии и безопасности жизнедеятельности: - рациональные установки по приготовлению ВМЭ с целью дальнейшего экологичного сжигания в котлах и печах; - энергосберегающие устройства для сжигания жидкого топлива в печных и котельных установках с малым выбросом вредных веществ в атмосферу; - комбинированные горелочные устройства с минимальным выбросом оксидов азота и других загрязняющих веществ; - эффективные конструкции золоуловителей циклонного типа для очистки дымовых газов котельно-печного парка от твердых частиц. Рекомендуемые для внедрения авторские инновационные технические разработки обладают простотой устройства, оригинальностью конструкции, достаточно высокой экологической эффективностью и сравнительно невысокими материальными затратами.

Об авторах

Виктор Дмитриевич Катин

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Email: bgd@festu.khv.ru
доктор технических наук, профессор Российская Федерация, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, д. 47

Александр Александрович Журавлев

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Автор, ответственный за переписку.
Email: goposor@yandex.ru
SPIN-код: 6959-7411
аспирант Российская Федерация, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, д. 47

Список литературы