Контроль и управление процессом подготовки водно–топливной эмульсии на основе метода ЯМР

Эффективность решения задач автоматизации управления объектами топливно–энергетического комплекса в значительной степени зависит от экспресс–анализа топлив и топливных эмульсий. Эта информация позволяет выбрать оптимальные технологии сжигания и управлять процессом с наиболее высокими эксплуатационными показателями и минимумом промышленных выбросов. Экспресс–контроль важен для предупреждения техногенных аварий, а также является одним из путей рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Мировая энергетика все в большей степени делает ставку на топливные эмульсии и угольные суспензии как альтернативу тяжелым нефтяным остаткам в качестве топлива для тепловых электростанций. В частности, за рубежом нашли широкое применение топливные эмульсии на основе венесуэльского природного битума. Использование водо–битумных эмульсий имеет ряд преимуществ: быстрое и практически полное сгорание эмульсии при малых избытках воздуха вследствие конверсии углерода; низкая температура предварительного подогрева эмульсии; снижение на порядок выбросов в атмосферу полиароматических канцерогенных соединений и на 65–80% – выбросов оксидов азота NО_Х. По данным доклада американской фирмы Volpe National Transportation System, выбросы ароматических и летучих органических веществ, снижаются в среднем в 100–1000 раз, например бензопирена с 1160 до 3,5 мкг/кг, сера переходит в золу и концентрация ее в золе увеличивается в 3 раза по сравнению с золой даже угольных ТЭС. Использование водо–мазутных эмульсий на ТЭС и котельных позволяет экономить мазут, при этом оборудование котлов ТЭС и котельных требует минимальной адаптации, затраты на которое окупаются в течение нескольких ме­сяцев. Наконец еще один немаловажный экономический фактор для Республики Татарстан – эффективное использование природных битумов нашей республики, оценочные запасы которых составляют 2,5 млрд. тонн [1].

Применение обводненных жидких топлив в виде эмульсий (с влажностью до 30%) является экономически целесообразным, так как отпадает необходимость в сооружении громоздких выпарных установок, сепараторов и т.д. Кроме того, с разработкой и развитием технологии сжигания эмульсий появилась возможность использовать большое количество бросовых, сильно обводненных (до 60%) нефтяных остатков, слив и хранение которых в открытых ямах связаны с загрязнением водоемов и опасностью возникновения пожаров. Применение обводненных жидких топлив в виде эмульсий способствовало также развитию исследований процесса горения водо–угольных суспензий. Эти исследования проводились в связи с необходимостью эффективно использовать угольные обводненные шламы, получающиеся в результате гидравлической добычи и транспорта угля, а также в процессе мокрого обогащения углей. Сжигание таких водо–угольных суспензий в топках паровых котлов ТЭС позволило бы обойтись без дорогостоящих и сложных процессов сушки угольной пыли.

Сжигание водо–топливных эмульсий оказалось возможным применить для обезвреживания промышленных водных стоков, содержащих нефтяные остатки и другие органические примеси. Важной задачей является использование нефтяных отходов, так называемых зачисток, которые образуются в результате очистки и отмывки транспортирующих емкостей (барж, цистерн, нефтеналивных судов). Влажность зачисток достигает 60% , что затрудняет их непосредственное использование в качестве топлива.    Однако главная трудность при сжигании влажных жидких топлив состоит не в присутствие воды, а ее неравномерном распределении. Чтобы добиться устойчивой работы топок при сжигании таких топлив, необходимо воду, содержащуюся в топливе, равномерно распределить по всей массе горючего. Тут возможны два подхода при подготовке топливных эмульсий:

1.  Подготовка водно–топливной эмульсии в специальных установках – эмульгаторах, коллоидных мельницах, шестеренных мешалках и др. В частности, исследования, проведенные на ТЭЦ–21 Мосэнерго показали, что использование мазута в смеси с водой в виде специально приготовленных водно–мазутных эмульсий (ВМЭ) исключает нарушение режима эксплуатации топочных горелок, успешно решаются задачи утилизации подтоварной воды и обводненного мазута [2]. Установлено, что при применении ВМЭ с концентрацией воды 5–13%, снижение температуры ядра факела на 100 град. приводит к двукратному уменьшению концентраций оксидов азота в продуктах сгорания. При этом, если размер капель воды не превышает 50 мкм, КПД котла не меняется и теплоэнергетическая установка может работать с нагрузкой, близкой к максимальной [2].

2.  Формирование дисперсной водно–топливной эмульсии непосредственно в форсунке. Очевидно, что второй подход является наиболее экономичным и рациональным, поскольку не требует затрат на оборудование для подготовки эмульсий и значительных энергетических затрат при питании электроприводов, обеспечивающих данные установки.

 По данным концерна PDVSA (Венесуэла), концентрацию воды можно в топливных водно–битумных эмульсиях доводить до 30% [1], хотя возможно использование эмульсий как с меньшими концентрациями (12%) воды, например в водно–дизельных эмульсиях для автомобильного транспорта, так и с несколько большими концентрациями.

Оптимальные диаметры капель воды в распыляемой топливной эмульсии с применением поверхностно–активных веществ (ПАВ) могут составлять 100 мкм (данные фирмы Remex (Мексика) [3]. После микровзрывов капель воды в топке, размеры капель нефтяных остатков уменьшаются до 20 мкм. Важно также то, что, по данным авторов этой публикации, вязкость эмульсии из сильно вязких остатков оказывается ниже, чем в самом нефтяном остатке.

Форсунки, применяемые для распыления эмульсий, могут быть самыми разными. Фирма Saacke (Германия) использует горелки с ротационной форсункой для сжигания мазута с примесью воды [4]. Из данной публикации следует, что данные горелки не обеспечивают достаточную полноту сгорания чистого мазута, а распыление специально добавляемой воды непосредственно ротационной форсункой приводит к снижению в несколько раз концентрации сажи, оксида углерода высокомолекулярных органических соединений в продуктах сгорания. Применение многоступенчатых пульсационных горелок [5] снижает температуру горения на 500 град, и потери от недожога в три раза, повышает коэффициент теплоотдачи в 2–5 раз.

Автором реализован и исследован в НПО «Нефтепромавтоматика» способ формирования водно–нефтяных эмульсий под давлением с использованием специального сетчатого сопла с переменным сечением и размерами ячеек сетки. Было экспериментально установлено, что при скорости неперемешанного потока водно–нефтяной смеси 1,5 м/с через сетку с ячейками размером 0,75 мм, получается довольно однородная эмульсию со среднемассовым диаметром капель 3,75 мкм. Это вполне согласуется с известными соотношениями [6–8], из которых также следует, что равномерному распределению капель воды минимального диаметра в горизонтальной трубке по­дачи топливной эмульсии к форсунке способствует высокая скорость потока и плотность нефтепродукта, малый диаметр канала и низкое поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Для предотвращения образования пленки на поверхности поток должен быть турбулентным со скоростью выше 0,9 м/с [7].

Таким образом, для формирования мелкодисперсной водно–топливной эмульсии непосредственно в форсунке топливосжигающего устройства необходимо выполнение следующих условий:

• обеспечение достаточного давления потока перед форсункой;
• подача на форсунки топливной эмульсии оптимальной концентрации;
• постоянный экспресс–контроль физико–химических свойств нефтепродукта, на основе которого формируется топливная эмульсия;
• постоянный экспресс–контроль концентрации воды;
• постоянный экспресс–контроль скорости потока.
  
  

Из всех известных методов контроля таким условиям удовлетворяет только метод импульсного ядерного магнитного резонанса. Он является экспрессным, неразрушающим, неконтактным методом, не требующим подготовки пробы и легко автоматизируемым.

Мы обладаем определенным опытом создания анализаторов на основе импульсного ЯМР и их применения в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и пищевой промышленности. Изготовлено около 50 ЯМР–анализаторов, реализованных в самых разных производствах и в вузах (РУНГ им. Губкина, КГУ, КГТУ, КГЭУ, УдмГУ, Университет штата Иллинойс).

В настоящее время по ТУ 25–4823764.0031–90 нами в КБ Резонансных комплексов изготавливаются портативные автоматизированные малогабаритные ЯМР–релаксометры (вес до 5 кг и габариты ноутбука), включенные в число новейших технологий Республики Татарстан. Преимущество датчика на основе ЯМР заключается: в экспрессности анализа концентрации, расхода и дисперсности топливной эмульсии, возможности определения концентрации воды во всем диапазоне концентраций (в отличие от датчиков на других физических принципах), возможности оп­ределения объема газовой (воздушной) фазы, а также возможности экспресс–контроля физико–химических свойств нефтепродукта (вязкость, плотность), на основе которого формируется топливная эмульсия. Размеры датчика с магнитом на основе высокоэнергетических магнитных сплавов могут быть доведены до размеров сотового телефона (для канала диаметром до 10 мм).

К настоящему времени с целью обеспечения энергетики и нефтяной промышленности универсальными автоматизированными экспресс–анализаторами нами [9–15] разработаны:

• автоматизированные малогабаритные ЯМР–релаксометры, которые внедрены в производство и изготавливаются по ТУ 25–4823764.0031–90;
• методики экспресс–анализа на основе импульсного ЯМР, значительно повышающие оперативность и информативность контроля технологических процессов в энергетике, нефтепереработке и нефтедобыче. Они позволяют проводить анализ на потоке во взрыво– и огнеопасных и токсических зонах;
• технологии контроля импульсным ЯМР следующих технологических процессов: нефтедобычи и перекачки сырой нефти, биологической очистки воды и почвы путем биодеградации сернистых составов нефти и мазутов, обезвоживания сырой нефти;
• промышленный взрывозащищенный проточный ЯМР–анализатор единовременного контроля топлива, нефти, воды, газа и расхода при добыче нефти, потреблении энергоносителей на тепловых электростанциях (разработан впервые). Он изготовлен по техническим условиям ПИАВ 469И 8.001 ТУ и в составе комплекса «Недра» прошел метрологические и полевые испытания в АО «Татнефть».
  
  

Процесс контроля и управления диспергирования водно–мазутной, водно–битумной смеси в эмульсию непосредственно в горелке должен включать следующие этапы:

1. Контроль влажности исходной смеси (обводненный мазут, зачистки, нефтяные стоки, чистый мазут/битум, котельное топливо).

2. Управление расходом (подачей смеси в форсунку) и давлением подачи/

3. Управление расходом компонентов эмульсии.

 Все три пункта могут быть реализованы импульсным ЯМР–анализатором с использованием соответствующих методик измерения, разработанных нами в ходе НИР и ОКР. Такая контрольно–управляющая установка в базовом варианте может в себя включать: три компактных датчика в каналах подачи смеси, топлива и воды, контроль параметров жидкости с которых осуществляется одним электронным блоком с микропроцессорным контроллером. После обработки полученных данных микропроцессор анализатора выдаст сигналы на управление задвижками, регулирующими расход (подачу) смеси, топлива и воды для смешения в форсунке.

Рис. 1: Структурная схема электропривода регулирующего клапана расхода смеси, топлива и воды

На рис. 1 представлена структурная схема микропроцессорного управления клапаном, корректирующим подачу (расход) жидкости в установке. Аналогичная схема может быть реализована для поддержания постоянства концентрации воды в подаваемой на форсунку топливной эмульсии

Заключение

Использование результатов работы по способам получения однородной водно–нефтяной эмульсии с использованием специальных сетчатых сопел, структурной схемы микропроцессорного управления, импульсных ЯМР–анализаторов открывает реальные перспективы практического решения актуальной научно–технической задачи – эффективного сжигания водно–нефтяных эмульсий.

Литература

1.  Кашаев Р.С. и др. Георесурсы, 2003, 2(14).

2.  Булгаков Б.Б. и др. О применении водо–мазутной эмульсии для сжигания в котельных установках, с.48–50.

3.  Ramires de Santjago, J.Barreo Rene. Emulsification of heavy oils. Abstracts of III World Congress on Emulsions. 24–27 Sept. 2002, Lyon, France).

4.  Лозицкий Н.Г., Котлер К.Т. Использование горелок с ротационной форсункой для сжигания мазута с присадкой воды. Промышленная энергетика, №3, 2002.                                                                                                                      

5. Павлов ГИ. Многоступенчатое сжигание жидких топлив в камере пульсирующего горения.  Материалы докладов научно–техн. конференции Михайловского артиллерийского университета,  Казань, 2003.

6. Gutieres et al. Biotechnology & Bioengineering, 1978, XX, pp. 487–502.

7. Segev A. Mechanistic model calculates expected water dispersion in crude oil. Oil & Gas Journal, 1986, VIM, v.84.

8. Hinze J.O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes. AlChE–Journal. 1(3), 1955, pp. 289–295.

9. Кашаев Р.С. Структурно–динамический анализ нефтяных дисперсных систем. Изд. «Трандан», Казань, 1999.

10. Kashaev R.S., Temnikov A.M., Idiatullin Z.Sh., Charitonov M.V., Farachov T.I. NMR–Analyser for Automatic Control of Physical–Chemical Parameters of Crude Oil and Bitumen. 28–th Congress "Magnetic resonance & Related phenomena". Abstr. – Canterbury, UK, 1996, p.484–485.

11. Kashaev R.S., Temnikov A.M., Idiatullin Z.Sh., Charitonov M.V., Farachov T.I. NMR–apparature for on–line control of physical–chemical parameters in oil/water emulsions. 14 EENC98 European Experimental NMR Conference. Abstr. Bled, Slovenia, 1998, p. 20.

12. Kashaev R.S., Temnikov A.M., Idiatullin Z.Sh., Kemalov A.F., Fachrutdinov R.Z., Diarov I.N. Molecular structure ordering in bitumens studied by NMR. Correlation between NMR and phys.–  chemical parameters. Там же, р.43.

13. Kashaev R.S., Idiatullin Z.Sh., Determination of dispersion characteristics of oil/water emulsions by pulsed field gradient NMR–spectroscopy and NMR–relaxation. Там же, р. 133.

14. Кашаев Р.С., Темников А.Н., Идиятуллин З.Ш. Способ измерения влажности нефти. Бюллетень изобретений России, 1997, №28, с. 123.

15. Патент РФ № 2135986, МКИ G01N/24, 1998 г. Способ определения температуры размягчения битумов. Кашаев Р.С., Идиятуллин З.Ш., Темников А.Н., Кемалов А.Ф., Фахрутдинов Р.З., Дияров И.Н., Танеева Т.Ф.

В соответствии с законом РФ «Об авторском праве и смежных правах» какое-либо воспроизведение третьими лицами без согласия автора данного материала не разрешено.
© Имя правообладателя исключительных авторских прав – ООО РАЦИОНАЛ, год первого опубликования – 2005