Внедрение в эксплуатацию водотопливной эмульсии для дизельных двигателей - Курсовая работа

Тарифы на перевозки грузов в отраслях транспортного комплекса за 2007 год, в среднем, выросли на 12,4%, это не превысило индекса цен промышленности. Если тенденция роста цен на энергоносители сохранится, то это неизбежно приведет к росту тарифов. Нельзя не отметить, что эти затраты постоянно увеличиваются и в 2007 году, превысили эту сумму, так как темпы роста цен и тарифов на энергоносители опережают темпы снижения их удельного потребления. Снижение затрат на топливо и электроэнергию на 1% позволит уменьшить годовые эксплуатационные расходы примерно на 700 миллионов рублей. Анализ основных направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК), определенных «Энергетической стратегией России на период до 2020 года», с позиций прогноза по обеспечению перспективных потребностей железнодорожного транспорта энергетическими ресурсами показывает следующее: · наиболее устойчивым энергоносителем, как по объемам, так и по росту выработки на ближайшую и отдаленную перспективу является электрическая энергия;Разделение фаз мазут-вода в накопителях-отстойниках требует достаточно большого времени и малоэффективно изза близости плотностей мазута и воды. Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%. Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NOX и COX в атмосферу при их сжигании. В результате таких микровзрывов в топке возникают очаги турбулентных пульсаций и увеличивается число элементарных капель топлива. Благодаря чему факел увеличивается в объеме и более равномерно заполняет топочную камеру, что приводит к выравниванию температурного поля топки с уменьшением локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке; повышению светимости факела благодаря увеличению поверхности излучения; существенному снижению недожога топлива; позволяет снизить количество вдуваемого воздуха и уменьшить связанные с ним теплопотери.Качественный мазут с включением в его состав воды показал хорошие результаты при использовании его как топливо для тепловозов. По данным НИИ экономики энергетики РАО «ЕЭС России», в балансе топлива при производстве электроэнергии в нашей стране в 2006 году доля природного газа составила 51%, а угля - около 18%, в то же время в США на угле вырабатывается 52% электроэнергии, в Германии-54%, в Китае - 72%, в Польше - 94%. В сложившихся условиях становится очевидным перспективность научно-технических разработок по созданию новых эффективных видов топлива на основе угля, к ним относится и водоугольное топливо (ВУТ) суспензия, в том числе с добавками любого углеводородного сырья (нефти, спиртов, метанола и других горючих жидкостей). Являясь альтернативным для традиционных видов топлива - угля, мазута, газа, водоугольное топливо (ВУТ) предназначено для их замены, а также для улучшения экологической обстановки в местах работы промышленных и бытовых котельных на угле или мазуте. Сущность традиционного приготовления водоугольного топлива, как в Российской Федерации, так и за рубежом, заключается в тонкодисперсном измельчении угля, перемешивании его с водой и различными химическими добавками, которые добавляются для повышения текучести полученной суспензии, предотвращения расслоения и придания ей стабильности.Использование угля как топлива для тепловозов раньше считалось не возможным и не выполнимым. Топливо, приготовленное в кавитационном диспергаторе, не нуждается в каких-либо добавках, оно не расслаивается в течение 6 месяцев, легко прокачивается по трубопроводам, распыляется форсунками и сгорает.По сравнению с обычным дизельным топливом использование гомогенизированной водотопливной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива и уменьшить вредные выбросы NOX и CO в атмосферу. Описанное выше явление обусловливает высокую скорость испарения топлива в цилиндре двигателя и более быстрое и полное выгорание его легких составляющих на первом этапе горения. Эти радикалы, являющиеся катализаторами горения углерода, значительно сокращают время горения тяжелых составляющих топлива, в первую очередь сажистых остатков. В результате, на заключительной стадии горения топлива в цилиндре двигателя, время выгорания сажистых остатков, составляющее до 40% общего времени горения капли обычного топлива, у эмульгированных топлив существенно сокращается. При увеличении содержания воды , удельный эффективный расход топлива сначала уменьшается на 2,8…3,0%, достигая минимума при =15…25%, а затем увеличивается на 1,1…5% при =35…40% в сравнении с =0.Технология предназначена для приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий непосредственно перед их впрыском в камеру сгорания дизельного ДВС с целью снижения дымности, токсичности отработавших газов и увеличения экономичности работы двигателя. Тр

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Основные направления повышения экономичности и снижения токсичности выпускных газов

1.1 Водомазутные эмульсии

1.2 Применение волоугольных суспензий

1.3 Вододизельное топливо

2. Анализ современных способов создания эмульсии и выбор оптимального решения для тепловозов

2.1 Приготовление водотопливной эмульсии для ДВС с использованием кавитационно-ударного гидродинамического эффекта

2.2 Приготовление водотопливной эмульсии путем обработки лазерными лучами

2.3 Патентный поиск и выбор система для приготовдения и подачи водотопливной эмульсии в дизельный двигатель с наддувом

2.4 Система подготовки и подачи ВТЭ в дизельный двигатель, обеспечивающая надежную работу на переходных режимах и режимах малых нагрузок

2.5 Система автоматической генерации и подачи обратной водотопливной эмульсии заданного состава

3. Качество эмульсии, расчет испарения и дробления капли эмульгированного топлива

4. Разработка размещения системы генерации и подачи ВТЭ дизельных двигателей в кузове тепловоза

5. Экономическая часть

5.1 Технико-экономическая эфективность применения водотопливной эмульсии в тепловозных дизелях

Выводы

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Определения момента локализации пожара и площадь его распространения

6.2 Совершенствование безопасности на грузовых и пассажирских тепловозах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

В связи с тем, что цены на дизельное топливо постоянно поднимаются, использование водомазутных эмульсий для дизелей становиться все более октальным. Качественный мазут с включением в его состав воды показал хорошие результаты при использовании его как топливо для тепловозов. Этому способствует разрыв капельки воды, которые в свою очередь размельчают капли мазута и способствуют быстрому и полному сгоранию мазута. Все проведенные испытания показываю, что водотопливная эмульсия в полнее может замещать дизельное топливо на тепловозах. Для его использования не потребуется больших изменений в топливной системе дизеля и соответственно затрат на них.

1.2 Применение водоугольных суспензий

Может рассматриваться, как вариант использования в ЛЭУ в случае критического положения с дизельным топливом. В этом случае определенный интерес представляет возможность использования водоугольных эмульсий.

По данным НИИ экономики энергетики РАО «ЕЭС России», в балансе топлива при производстве электроэнергии в нашей стране в 2006 году доля природного газа составила 51%, а угля - около 18%, в то же время в США на угле вырабатывается 52% электроэнергии, в Германии -54%, в Китае - 72%, в Польше - 94%.

По ожидаемой выработке основных месторождений нефти и газа, запасы которых в десятки раз меньше запасов угля, структура потребления энергоресурсов будет неотвратимо изменяться в сторону увеличения потребления угольного топлива.

В сложившихся условиях становится очевидным перспективность научно-технических разработок по созданию новых эффективных видов топлива на основе угля, к ним относится и водоугольное топливо (ВУТ) суспензия, в том числе с добавками любого углеводородного сырья (нефти, спиртов, метанола и других горючих жидкостей).

Являясь альтернативным для традиционных видов топлива - угля, мазута, газа, водоугольное топливо (ВУТ) предназначено для их замены, а также для улучшения экологической обстановки в местах работы промышленных и бытовых котельных на угле или мазуте.

Сущность традиционного приготовления водоугольного топлива, как в Российской Федерации, так и за рубежом, заключается в тонкодисперсном измельчении угля, перемешивании его с водой и различными химическими добавками, которые добавляются для повышения текучести полученной суспензии, предотвращения расслоения и придания ей стабильности. Соотношение угля и жидкости в водоугольных суспензиях составляет от 50 / 50%, до 75 / 25%.

Измельчение угля традиционно проводят в шаровых или стержневых мельницах как сухого так и мокрого помола, которые отличаются большой металлоемкостью, высокими удельными затратами энергии на измельчение одной тонны угля, низким КПД измельчения - 0,6%, большими капитальными затратами при строительстве заводов приготовления ВУТ.

Представляемая технология предусматривает измельчение угля фракции 0-10 мм до тонкодисперсного состояния в воде как с добавками, так и без них.

В основу технологии по приготовлению водоугольных суспензий заложено свойство углеводородного сырья, угля, нефти, и других углеводородных соединений подвергаться «гидрогенизации», т.е. присоединению водорода к атомам углерода под большим давлением, до 700 атмосфер, и при высокой температуре (от 400 до 5500С).

Вторым фактором, позволяющим обеспечивать не только измельчение, перемешивание, но и химические эффекты присоединения, замещения, слияния и разрыва молекул - является использование кавитации.

В кавитационных аппаратах, применяемых для тонкодисперсного измельчения угля, всасывающие полости выполнены таким образом, что в них возникают разрежения, и закачиваемая диспергатором водоугольная пульпа находится под значительным разрежением, способствующим насыщению пульпы кавитационными пузырьками.

При переходе пульпы через диспергатор возникают зоны и импульсы с повышенным давлением.

Кавитационные пузырьки, оказавшиеся в зоне повышенного давления или под действием импульса повышенного давления, начинают интенсивно схлопываться.

Продолжительность схлопывания пузырька длится 108с.

В точке исчезновения пузырька возникают мгновенные перепады давления от 400 до 2500 МПА, мгновенные значения температуры 2000 - 3400 К; на поверхности пузырька возникают и при его исчезновении концентрируются электрические заряды, напряженностью до 1011 В/м.

Таким образом, на молекулярном уровне в достаточном простом оборудовании возникают условия для протекания реакций гидрогенизации.

Кавитация приводит к возникновению реакционно-способных радикальных частиц. В случае воды такими радикальными частицами являются атом водорода и гидроксильный радикал: H2O -> • H • OH e •

Модель физико-химических процессов, протекающих в кавитационном пузырьке и в прилегающем к нему объеме жидкости (вода; вода H2O2; O3; 02) включает элементарные акты, приводящие к образованию продуктов сонолиза воды: гомолитическое расщепление воды с образованием радикалов • Н и • ОН, при рекомбинации которых образуется, в том числе и пероксид водорода Н202;

образование гидроперекисных радикальных соединений при наличии в реакционной среде кислорода;

взаимодействие радикальных продуктов сонолиза воды с пероксидом водорода;

дальнейшие вторичные процессы возбуждения и перезарядки продуктов сонолиза воды.

Таким образом, в водной среде, находящейся в поле кавитационных колебаний, присутствуют гидроксил-, пероксид-, и другие радикальные частицы и соединения.

Гидроксил-радикал является мощнейшим окислителем, который может существовать в воде; обладая высоким окислительным потенциалом. Гидроксил-радикал способен окислять практически все органические соединения. Вместе с этим, гидрокислорадикал является типичным электрофилом и по этой причине легко вступает в реакцию с молекулами, содержащими ароматическое кольцо.

Внешне технология приготовления водоугольного топлива выглядит следующим образом: уголь измельчается в молотковой дробилке и фракцией от 0 до 10 мм, ленточным конвейером направляется в смеситель, в который подается вода. Приготовленная в смесителе водоугольная пульпа направляется в кавитационный диспергатор крупного помола (0-800 мкм). После обработки в диспергаторе водоугольная суспензия направляется в гидроциклон, в котором происходит отделение фракции более 800 мкм и возврат ее в диспергатор.

Избирательное действие кавитации по измельчению материалов с различной прочностью отчетливо видно при работе диспергатора крупного помола. На этой стадии, когда менее прочные частицы угля разрушаются, а минеральные частицы в виде кварцитов и других типов пород сохраняют свои размеры необходимо проводить деминерализацию, и тем самым повысить теплотворную способность водоугольного топлива и уменьшить содержание золы в дымовых газах, уменьшить износ оборудования и насосно-горелочных устройств.

Суспензия с размером частиц угля 0-800 мкм направляется в диспергатор среднего помола (0-250 мкм). После обработки в диспергаторе суспензия направляется в гидроциклон, в котором происходит отделение частиц угля размером более 250 мкм и возврат их в диспергатор на домол.

Основная масса суспензии фракцией 0-250 мкм направляется в диспергатор тонкого помола, в котором происходит измельчение до любой необходимой фракции и завершаются процессы физико-химических преобразований длинных молекул угля в более легкие углеводородные соединения.

Топливо, приготовленное в кавитационном диспергаторе, не нуждается в каких-либо добавках, оно не расслаивается в течение 6 месяцев, легко прокачивается по трубопроводам, распыляется форсунками и сгорает. Топливо начинает кристаллизоваться и замерзать при температуре - 6 0С, при этом, объем его не увеличивается и при размораживании сохраняет свои свойства. После высушивания и последующего добавления воды топливо приобретает свои изначальные реологические свойства.

По данным НПО «Гидротрубопровод» и ФГУП «МПЦ Экотехника» и мирового опыта, перевод на водоугольное топливо, промышленных и бытовых котельных со сжиганием угля и мазута, значительно улучшает экологическую обстановку, снижает выбросы: в 2-2,5 раза - оксида серы;

на 50-70% - окислов азотов;

в 1,5-2 раза - окиси углеродов.

Возможность получения водоугольного топлива на кавитационных установках в больших количествах подтверждена работой опытно-промышленной установки в г. Красноярске.

Водоугольное топливо, приготовленное из Балахтинского бурого угля при соотношении твердого и жидкого 60/ 40%, по данным центральной лаборатории ЕЦБК, имела следующие характеристики: • гранулометрический состав: 0,2 мм - 11,1%;

0,16 мм - 2,0%;

0,125 мм - 1,8%;

0,071 мм - 9,0%;

0,045 мм - 21,7%;

поддон - 54,4%;

т.е. фракция топлива 0 - 0,135 мм составляет 86,9%;

плотность продукта - 1037 кг/м3;

массовая доля жидкой фазы - 84,6%;

сухой остаток- 15,4%.

Водоугольное топливо, приготовленное из шлама шахты «Тырганская» (Кузбасс) при том же соотношении твердого и жидкого 60/40% содержало: массовая доля жидкой фазы - 71,5% массовая доля сухого остатка - 28,5% плотность продукта - 1107 кг/м3

По данным различных лабораторий (АЛТГУ, АГТУ и др.), проводивших частичное изучение состава водоугольного топлива, были обнаружены химические соединения карбоновых кислот, диметиловый эфир и даже метан в количестве до 9%, который был растворен в топливе и выделялся в течение нескольких дней.

Кавитация способна не только заменить или заполнить боковые связи бензольных колец, но и разрушать их с образованием простых углеводородных соединений. Это позволяет использовать вместо воды при приготовлении водоугольного топлива замазученные воды, стоки отбельных производств ЦБК, щелока после варки целлюлозы, утилизировать трансформаторные масла, совтолы, эмульсии, даже производит обеззараживание промышленных ядов «агроядохимикатов».Использование угля как топлива для тепловозов раньше считалось не возможным и не выполнимым. Но благодаря исследованиям ученых в настоящее время мы видим, что водоугольная суспензия это один из видов будущего дизельного топлива, которое не уступает по своим показателям, ни одному из применяемых видов топлива. Многие уверены, что водоугольная топлива выдет на первое место в списке претендентов для замены дизельного топлива, благодаря своим качествам. Топливо, приготовленное в кавитационном диспергаторе, не нуждается в каких-либо добавках, оно не расслаивается в течение 6 месяцев, легко прокачивается по трубопроводам, распыляется форсунками и сгорает. Топливо начинает кристаллизоваться и замерзать при температуре - 6 0С поэтому его хранение без изменения его свойств в баке тепловоза в зимний период не составит больших проблем. Транспортировка топлива так же легко осуществима. При замерзании водоугольной суспензии ее объем не увеличивается и при размораживании сохраняет все свои свойства. После высушивания и последующего добавления воды топливо приобретает свои изначальные реологические свойства.