автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка способа и технологии обезвреживания нефтесодержащих вод в судовых котлах

Дальневосточный государственный технический университет

На правах рукописи

ЗИБ0Р0В СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 629.12-8:665.754:66.063.61

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩХ ВОД В СУДОВЫХ КОТЛАХ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки

и их элементы (главные и вспомогательные )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 1У93

Работа выполнена на кафедре судовых турбинных силовых установок Дальневосточного государственного технического университета.

Научные руководители

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор ¿.В.Якубовский,

кавдидат технических наук, доцент £). С. Селезнев

доктор технических наук, профессор Л.И.Сень,

кандидат технических наук, доцент А.И.Карпинский

Ведущая организация - Совместное Российско-Финское предприятие ДМЫИС (Дальгипрорыбфлот)

Защита диссертации состоится 199 ^ г.

на заседании специализированного совета Д 0o4.0i.01 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, г. Владивосток, ГСП, Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес специализированного совета университета Д 064.01.01.

Автореферат разослан " (С " _С< 199Vг.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.т.н., доцент Чибиряк И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Важное значение для судового »нергомашиностроения приобретают а настоящее время исследования 1 опытно-конструкторские работы, направленные на решение проб-гемы экологической безопасности судовых энерготехнологий. Одним 13 главных направлений охраны окружающей среды является предот-зращение загрязнения Мирового океана судовыми нефтесодержащими зодами (НСВ), сброс которых приводит не только к неблагоприятно-лу воздействию на экологию и санитарно-гигиенический режим моря, и и к невосполнимым потерям ценного энергетического сырья.

Поэтому большое внимание при эксплуатации судов уделяется вопросам, связанным с, очисткой НСВ перед сбросом их за борт или лх сдачей в порт на очистные комплексы, а также утилизацией непосредственно на судах. В этой связи актуальными являются разра-5отки, направленные на создание малоотходных энерготехнологий, эбеспечиващих возможность обезвреживания НСВ и загрязненных нефтеостатков (НО) непосредственно на борту судна". Наиболее перспективным направлением, позволяющим решать эту задачу, является разработка метода огневого обезвреживания НСВ и НО путем сжигания их в виде эмульсии в смеси с товарным топливом в судовых котлах. Для успешной реализации системы топливоподготовки с использованием водотопливной эмульсии (ВТЭ) необходимо располагать соответствующей аппаратурой. 'Используемые в практике устройства для получения водотопливных эмульсий выпускаются в ограниченном количестве, не совершенны, а их технические характеристики, в большинстве своем, не соответствуют судовым условиям. Поэтому исследования, направленное на разработку, создание и внедрение в судовую практику эмульгирующих устройств, соответствующих современным требованиям, представляются актуальными и имеющими большой практический интерес.

Настоящая работа выполнялась по планам научно-технической программы Минвуза РСФСР "Мировой океан" 1981-85 гг. - тема 6.2."Сжигание обводненных нефтеостатков в судовых парогенераторах"; комплексной целевой программы Минрыбхоза СССР "Ремонт" 1982-85 .гг., - 13.01.4.01.02.03 "Разработка устройств и технологии для сжигания льяльных вод в судовых энергетических установках"; Минвуза СССР согласно приказу № 223 от 17.02.83 г. "О

координационном плане научно-исследовательских работ высших учебных заведений в области судостроения" - тема 4.4.4. "Энерготехнологическое использование морских, сточных и нефтесодер-жащих вод на рыбопромысловых судах и плавбазах"; отраслевой лаборатории "Энерготехнологическое использование морских, сточных и нефгесодержащих вод" (ЭТИМСВ) Минрыбхоза СССР при Дальневосточном политехническом институте им. В.ь.Куйбышева.

Целью исследования является решение задачи огневого обезвреживания нефтесодержащих вод и нефтеостатков в судовых котлах путем разработки технологии их сжигания в виде ВТЭ, разработка способа приготовления ВТЭ и устройства для его осуществления.

Для достижения этой цели необходимо:

- исследовать процессы воспламенения'капель ВТЭ с целью выбора оптимальных размеров капель эмульсии и её влагосодержа-ния;

- исследовать условия возникновения и протекания гидродинамической кавитации с целью выбора оптимальных режимов кавита-ционного эмульгирования;

- выбрать тип эмульгирующего устройства и рассчитать его основные параметры;

- предложить рекомендации по расчету количественного накопления НСВ и НО (на основе имитационного моделирования) и выбору варианта их обезвреживания.

На.упная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведены исследования процессов фазовых превращений в каплях ЬТЭ при их нагревании на основе решения уравнения теплопроводности;

разработаны методика и экспериментальная установка для определения кавитационных свойств судовых котельных тошшв;

- даны рекомендации по выбору оптимальных (по производительности и дисперсности) режимов движения рабочей жидкости в перемешивающих устройствах;

- разработан метод акустического анализа кавитации в жидких топливах, позволяющий выбирать соответствующие режимы работы перемешивающих устройств;

- на основе проведенных исследований и опытно-конструкторских разработок предложено устройство, обеспечивающее получение

ВТЭ с заданными характеристиками, и методика его расчета;

- предложена имитационная модель накопления HUB на рыбообрабатывающих судах за эксплуатационно-ремонтный период, на основе которой путем расчета удельных затрат на очистку и обезвреживание НОВ получены количественные соотношения эффективности различных способов обезвреживания для принятия проектного решения.

Практическая ценность и реализация работы. Результаты работы были использованы ЦКБ "Восток" (г. Санкт-Петербург) для изменения системы IBM в техническом проекте малой рыбообрабатывающей базы проекта 13490 (совместное решение МРХ СССР и to СП № СП-31/188) и ВБТРФ ПО Приморрыбпром по модернизации системы НЗМ РЫБ проекта 413.

Разработанная система топливоподготовки с использованием проточного кавитационного смесителя внедрена на объектах в/ч 25874, в/ч 20805, на т/х "Арсеньев" Бостокрыбхолодфлота, ПБ "Рыбак Балтики" Сахалинрыбпрома, берегой котельной Первомайского СРЗ (г. Владивосток). Конструкторская документация на проточный кавитационный смеситель передана НТИ ЦПКТБ "Каспрыба", Холм-ской БПТФ, ЦПКТБ "Севрыба", КБ "Каспрыбфлот", Преображенской БТФ, Приморрыбпрому.

Опытный образец проточного кавитационного смесителя принят ведомственной комиссией, утвержден первым заместителем начальника ВРПО "Дальрыба" и рекомендован к внедрению на судах и береговых предприятиях BPII0 "дальрыба".

Результаты проведенных исследований, включенные в работу "Комплексный подход - основа повышения эффективности водообеспе-чения и предотвращения загрязнения моря", представленную на конкурс 1986 г. по охране окружающей среды, отмечены дипломом Ш степени Центрального Правления НТО судостроительной промышленности им. академика А.Н.Крылова.

Степень достоверности результатов. Использование при проведении экспериментальных исследований приборов, прошедших поверку в Приморском центре стандартизации и метрологии, измерительных устройств, прошедших тарировку в теплотехнической лаборатории Дальневосточного морского пароходства, пьезокерамических излучателей, калиброванных по давлению в гидроакустическом бассейне,

подтверждают достоверность экспериментальных данных. Бее расчеты на ЭВМ проводились по программам, прошедшим предварительное тестирование. Расчеты, выполненные по предложенной модели процессов фазовых превращений в каплях ВТЭ,согласуются с опытными данными с точностью - 15 %. Обобщенная модель количественного накопления НСВ на рыбообрабатывающих судах получена на основе обработки статистических данных с доверительной вероятностью 0,9.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих семинарах и конференциях: Ш Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1984); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы экономии энергоресурсов и использование альтернативных топлив в судовых дизельных и турбинных установках" (Ленинград, 1985); Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Владивосток, 1985); Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов и рекуперации вторичных ресурсов на предприятиях отрасли" (Николаев, 1986); заседании выездной сессии секции "Инженерные проблемы тепломассообмена при фазовых превращениях в теплообменной аппаратуре "Госкомитета по науке и технике (Владивосток, 1986); на конференциях профессорско-преподавательского состава дВШ им. В.В.Куйбышева (Владивосток,*1983-87 гг. ) и Дальневосточного государственного технического университета (1993 г.); на семинарах секций "Судовые энергетические установки" Приморского краевого Правления НТО им. академика А.Н.Крылова (Владивосток, 1983, 1986, 1993 гг. ).

Публикации, lio теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, подготовлено 6 отчетов о НИР, получено 2 авторских свидетельства.

Автор защищает:

1. Обоснование и теоретическое исследование процесса фазовых превращений в каплях ВТЭ (физическую модель процессов, предшествующих воспламенению капель ВТЭ) и программу расчета теплообмена единичных капель ВТЭ.

2. Способ приготовления ВТЭ, устройство для его осуществ-

ления, результаты экспериментальных исследований по приготовлению ВТЭ.

3. Обобщенную модель.накопления НСВ на рыбообрабатывающих судах за эксплуатационно-ремонтный период и рекомендации по выбору вариантов их обезвреживания.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из наименований, приложения. Работа изложена на страницах машинописного текста, содеркит рисунков и таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации дан информативный анализ проблемы обезвреживания нефтесодержащих вод в судовых котлах. Обзор информативных данных по накоплению НСВ показал, что в настоящее время используются рекомендации нормативных документов по среднесуточному накоплению НСВ на ходовом режиме эксплуатации судна в зависимости от его водоизмещения или мощности и типа энергетической установки, которые получены на основе изучения и обобщения опыта эксплуатации судов морского флота. Использование этих рекомендаций для рыбообрабатывающих судов дает результаты ниже фактически наблкщаемых, так как в отличие от судов морского флота последние дополнительно к пропульсивным силовым установкам имеют развитое пароэнергетическое оборудование. Кроме того, нормативные документы не учитывают такие состояния судна, как стоянка в порту, подготовка к ремонту и ремонт. Знания реального количественного накопления НСВ по каздому из состояний эксплуатации судна необходимы для определения мощности береговых очистных сооружений, объемов судовых цистерн для НСВ, выбора оптимальных проектных решений схем очистки НСВ и обезвреживания загрязненных обводненных нефтеостатков.

В результате выполненного анализа получено, что наиболее приемлемым способом обезвреживания нефтесодержащих вод и загрязненных обводненных нефтеостатков является сжигание их в судовых котлах в виде водотопливной эмульсии. Использование ВТЭ в реальных котлоагрегатах приводит к улучшению показателей топочного процесса. Однако отсутствие стандартной промышленной аппаратуры для приготовления ЬТЭ на основе мазутов судового исполне-

ния тормозит практическое внедрение этого способа.

Таким образом, возникает необходимость создания простого по конструкции, надежного в эксплуатации в судовых условиях смесителя, предназначенного для получения ВТЭ котельных мазутов Несмотря на разнообразие конструктивных особенностей во всех рассмотренных устройствах реализуется гидродинамическая кавитация как один из основных факторов, определяющих процесс дробле ния капель эмульгируемой фазы ВТЭ.

В ¿итоге сформулированы цели и задачи исследований, направленных ¿на решение вопроса огневого обезвреживания НСВ и обводненных ; нефгеостатков в судовых котлах путем разработки технологии их сжигания в виде ВТЭ и способа приготовления ВТЭ с устройствами для его реализации.

Во второй главе приведены результаты теоретического исследования особенностей нагрева и фазовых превращений воды, содержащейся в капле топлива в ввде сферических включений. В основу модели положена гетерогенная схема образования паровой фазы. Пр построении численной модели теплообмена единичных капель ВТЭ предполагается, что эмульсия мелкодисперсна. Это позволяет ввес ти в рассмотрение процесса нагрева еёкоэффициент теплопроводности Л , рассчитанный для стационарного поля температур. Кроме того,предполагается, что уравнение теплопроводности обладает сферической симметрией и на границе капель ВТЭ выполняются условия третьего рода.

• Уравнения, описывающие процесс теплообмена в каплях ВТЭ, имеют.вид;

д дг

£т(г«,т)*н[тс-Т(гк,г)1,

Т(г,о)= То ; 4= Т(0^)-0; ■ (1)

где 1к - радиус капли ВТЭ; Тс - температура среды; Сэ ,р$ -- теплоемкость и плотность эмульсии; 14 - величина,

сарактвризующая интенсишюсть теплообмена между поверхностью <апли ВТЭ и средой.

При анализе особенностей микровзрыва капель ВТЭ принято, что процесс вскипания п них воды возможен только в случае, если в рассматриваемом объеме имеются неустойчивые парогазовые помоги, служащие зародышами кипения.

Началом кипения в соответствии с гетерогенной схемой заро-цышеобразования считается момент времени, когда математическое ожидание числа неустойчивых гетерогенных зародышей в капле ВТЭ станет равным единице. Для определения критического размера парогазового пузырька анализировалось на устойчивость уравнение движения стенки пузырька. Процессы фазовых превращений в частичках воды тесно связаны с последующим воспламенением капель, так как переход воды в парообразное состояние сопровождается микровзрывами.

Получены зависимости температуры поверхности капель топливной эмульсии в момент закипания от их диаметра при различных значениях влагосодержания. Анализ этих зависимостей показал, что при одинаковой температуре поверхности микровзрывы будут происходить в первую очередь в каплях ВТЭ большего диаметра и с большим влагосодержанием, т.к. вероятность присутствия в них неустойчивых зародышей кипения увеличивается.

Предлагаемая модель позволила произвести оценку влияния различных факторов на образование паровой фазы в диспергированной воде. Подтверждением наличия взаимосвязи между кипением воды и воспламенением являются данные (рис. I), где сопоставлены расчетные величины в соответствии с предлагаемой моделью, с экспериментальными результатами Иванова В.М. и Лебедева О.Н. Простой качественный анализ результатов численного расчета предлагаемой модели совместно с эмпирическими данными по воспламенению чистого топлива позволяет выделить область параметров капель ВТЗ' (заштрихованная область рис. 2), при которых возможно ускоренное по сравнению с чистым топливом воспламенение эмульсии, что согласуется с данными Р.В.Томпсона, полученными при длительной эксплуатации паровых котлов.

В третьей главе приведено обоснование структурной схемы и способа получения ВТЭ. Наиболее перспективными, с точки зрения промышленного использования, являются способы получения ВТЭ, ос-

Зависимость времени прогрева капель В'1'Э от температуры среды и влагосодержания

6 so 700 750_год_i so Тс.'с

______

3 Ta-JH

г п'-ИЦ í

04

о,г

о. 3

W \х/

1,3 - расчет по модели; 2,4 - данные Иванова 8.М. и Лебедева О.Н.; 1,2 -Х>* = 1,2» lü~3 м, W= 0,3; 3,4 -D* = 1,8.10~з м, 7с = 850 С

Рис. I

Сопоставление характеристик воспламенения капель ЬТЭ и безводного топлива

н

О

нованные на использовании разрушительных эффектов гидродинамической кавитации. Более рациональной с технологических и конструктивных позиций является проточная схема. Для практической реализации данной схемы необходимо разработать смеситель, позволяющий получать эмульсию с требуемой дисперсностью при однократном прохождении через него смеси воды и топлива. Предложено использовать смеситель на основе быстроходных перемешивающих устройств, работающих в кавитационном режиме.

Разработана методика и её аппаратурная реализация, предназначенная для определения кавитационных порогов в жидких топ-ливах, водотопливных эмульсиях и смесях различных сортов топлив путем анализа акустического излучения калиброванного по давлению пьезокерамического излучателя. Исследовано влияние вязкости, температуры, влагосодержания на пороговое давление кавитации.

Исследованы условия возникновения и развития гидродинамической кавитации на лопастях перемешивающих устройств. Разработанная экспериментальная установка позволила проводить анализ режимов обтекания лопастей в диапазоне изменения центробежного критерия Рейнольдса от I•I03 до I-IO^1. При этом проводилась автоматическая запись амплитудных и спектральных характеристик акустических шумов, сопровождающих процессы перемешивания водотопливных компонентов. Исследования показали, что для регистрации кавитации наиболее предпочтительной областью частот является полоса 2...10 кГц, в которой интенсивность кавитационного шума по сравнению с прочими гораздо выше.

Полученные результаты по определению критических частот вращения открытой турбинной мешалки, соответствующих возникновению кавитации, для различных марок мазутов показывают, что топлива имеют индивидуальные кавитационные свойства и существенно различные режимы возникновения гидродинамической кавитации, зависящие от температуры.

Описан механизм воздействия гидродинамической кавитации на процессы эмульгирования. Разрушительное действие гидродинамической кавитации имеет место в зоне охлопывания кавитационных пузырьков. При замыкании кавитационных пузырьков некоторый объем близлежащей жидкости перемещается к центру схлопывания. В этой фазе существования пузырьков в окружающем пространстве наблюдаются максимальные давления ( 3»10 Па) и локальные уве-

II

личения температуры до 6000 К. Эти данные получены в предположении сферичности парового пузырька. Вместе с тем ряд теоретических и экспериментальных данных говорят о возможности существования в жидкости паровых пузырьков, форма которых отличается от сферической. В результате несимметричного схлопывания происходит образование куммулятивных микроструй, имеющих малое поперечное сечение и огромные скорости. Такие микроструи обладают значительной разрушительной силой.

Для целей эмульгирования был выбран диапазон чисел Рей-нольдса, когда на лопастях наблюдается режим пузырьковой кавитации. Проведенные эксперименты показали, что в режиме пузырьковой кавитации наблюдается максимальное значение критерия эрозионной активности кавитации. На рис. 3 показано влияние различных стадий кавитации на процесс эмульгирования. Данные обобщены в виде зависимости среднеарифметического диаметра капель воды в эмульсии с/в от критерия Рейнольдса Ы& -/(£е) . Кривая I получена расчетом по выражению, рекомендованному для оценки дисперсности в устройствах, работающих в безкавитацион-ном режиме. Появление кавитации (кривая 2) приводило к уменьшению с/в по сравнению с расчетной величиной. Минимум кривой 2 соответствует режиму пузырьковой кавитации. Технологические характеристики перемешивающих устройств определяются типом применяемой мешалки. Наиболее эффективной является открытая турбинная мешалка, так как кавитация на ней начинается при меньших значениях чисел Рейнольдса и пузырьковая форма кавитации наблюдается в более широком диапазоне й.в

В четвертой главе анализируются особенности проектирована проточных смесителей на основе быстроходных перемешивающих устройств. Для получения мелкодисперсной эмульсии целесообразш использовать аппараты с несколькими ступенями перемешивания, что обусловлено необходимостью сообщать эмульгируемой жидкости значительную энергию за короткий промежуток времени.

На основании теоретического анализа и многочисленных экспериментальных данных установлено, что одна из оптимальных конструкций аппарата может быть реализована при использовании двух камер перемешивания. Ь первой камере используется шестило пастная мешалки, и наклонными под углом 4Ь° лопастями, при кото рий достигается наилучшее сочетании области максимального на-

Характеристики процесса образования ВТЭ

<4

мкн 15

10

£

V 2

12з4 Пе-10'^

1 - расчетная зависимость; 2 - опытные данные (мазут Ф5, УУ= 0,2 , О = 0,2 м3/ч)

Рис. 3

¿в

мкп

10

Рабочие характеристики ПКС о,( о,г о,5 о,ч

1 * \

0,4 0,8 1,2. 0,м%оо.

I - мазут Ф5; 2 - М40; 3 - М100В (V/ = 0,2) 4 - 0 = 0,2 м3/ч; 5 - /3 = 0,5 мэ/ч; 6-0 = 1 м3/ч (мазут Ф 5)

сосного эффекта и малого гидравлического сопротивления. Во второй ксмере установлена открытая турбинная мешалка, на лопастях которой наблюдается пузырьковая кавитация.

Предлагаемая методика расчета проточного кавитационного смесителя (ИКС) ставит своей целью поиск необходимых параметров аппарата, исходя из взаимосвязи между гидродинамическими характеристиками потока и интенсивностью образования эмульсии. Исходные данные для расчета определялись экспериментальным путем. В качестве энергетического параметра, определяющего процесс кавитационного эмульгирования,использовано понятие эмульсионно-гидродинамического КПД

где £2 - коэффициент кавитационного использования вводимой в среду энергии; <£ - коэффициент эрозионной активности кавитации; Ек - энергия, затрачиваемая на создание кавитации;

Еэм- энергия, затрачиваемая на образование эмульсии; Е -подводимая энергия.

На основании опытов получения БТЭ при работе открытой турбинной мешалки в кавитационном режиме было получено, что значение рэм= 9,04*10"^ оптимально с точки зрения влияния энергетических затрат и времени нахождения эмульсии в аппарате на её дисперсность. Программа расчета составлена на языке ФОРТРАН и позволяет определить геометрические размеры кавитационного смесителя при дисперсности ВТЭ 5 ^ 20 мкм, производительности аппарата 100 ^ С1000 кг/ч и влагосодержании ВТо

На основании расчетов сконструирован опытный образец ИКС. В ходе опытной эксплуатации на лабораторном стевде исследованы его рабочие характеристики (рис. 4). Увеличение дисперсности с ростом производительности объясняется уменьшением времени воздействия кавитации на рабочую жидкость. Укрупнение капель воды в эмульсии с ростом вязкости и с увеличением влагосодержания связана с некоторым снижением интенсивности кавитационного процесса.

Результаты испытаний ШС на плавбазе "Рыбак Балтики" на вспомогательном котле УХ -125, котле КВС-30/П-А на УТС 263 и котле КВВА 2,5/5 на объекте воинской части 95326 показали воз-

12)

южность надежного сжигания НГЭ с влагосодержанием до 40 %. 1нализ отложений на трубках когда после 500 часов работы на ВТЗ юказал уменьшение горючей составляющей в них в 5...8 раз, что :огласуется с данными других авторов. При содержании води в топ-1иве 10...15 % была получена экономия топлива 3...5 %. Использование БТЭ с концентрацией воды 30 % и более приводило к некоторому (до 3 %) увеличению расхода топлива. Применение НГЭ, с об-зоднением сныше 30 % экономически оправдано, если целью её применения является обезвреживание НОВ.

В пятой главе приведены результаты наблюдений по накоплению 10В на основных типах рыбообрабатывающих судов в различных режи-1ах: промысел, переходы, стоянка в порту до и после ремонта, ремонт в заводе. Данные обобщены на основе анализа & основных типов рыбообрабатывающих судов в течение 5 лет. Диапазон избиения водоизмещения судов сос£авил 15000...45000 тонн и суммарной мощности энергетической установки 5000...35000 кВт. Опре-^лена зависимость количества НОВ от водоизмещения судна, мощ-юсти СЗУ и времени нахождения судна на промысле. С целью удобства проведения расчетов на ЭВМ накопления НСВ на рыбообрабаты-зающих судах при различных режимах их эксплуатации предложена 1ависимость

(3)

\це X - коэффициент режима эксплуатации судна; 2) у- водоиз-чещение судна, т.

Получено, что коэффициент X во время промыслового рейса вменяется с точностью £ 15 % при доверительной вероятности 0,9 ¡ледующим образом:

X* а4*7,4«сф(Щ^-Я-10 3, (4)

'Де - текущее время нахождения судна на промысле после за-юдского ремонта, сутки.

При стоянке судна в порту с подготовкой к постановке в ре-юнт X = 0,027, в основное ремонтное время ТС = 0,003, в пего од швартовных испытаний X = 0,015. В конечном итоге для

15

расчетов на ЭВМ рекомендуется обобщенная модель накопления НСВ на рыбообрабатывающих судах за эксплуатационно-ремонтный период (рис. 5):.

Для оценки количества НОВ, принимаемых ежесуточно с промысловых судов, предложена зависимость

; &цр = 0,021)°'р , (5)

_ 1

где ¿V, - водоизмещение рыбопромысловых судов, т.

Приведено краткое описание базовой имитационной модели режимов эксплуатации РМБ 413 проекта, на основании которой производился расчет накопления НСь на различных режимах работы судна за амортизационный период, равный 25 годам. Результаты этих расчетов используются для оценки эффективности различных вариантов схем очистки НСВ, определения количества нефтеостатков и выбора оптимальных проектных решений обезвреживания НСВ.

В основу методики расчета удельных затрат на обезвреживание НСВ и нефтеостатков положено определение суммарных затрат

2 на изготовление и эксплуатацию систем очистки НСВ и обезвреживания нефтеостатков за амортизационный период работы судна

2 = К + , (6)

где К - единовременные капитальные вложения на создание систем; Зэк - суммарные эксплуатационные затраты на систему за весь срок службы судна.

В качестве критерия эффективности при выборе оптимального варианта обезвреживания НСВ и нефтеостатков используется интегральный показатель качества

е, =

(7)

Потери топлива при его очистке в сепараторах или фильтрующих установках и топлива, содержащегося в НСВ,учитываются дополнительной составляющей критерия эффективности

г = ■2нмп, (8)

где Зннп ~ затраты на неиспользованные нефтепродукты.

16'

/

Обобщенная модель накопления НОВ на рыбообрабатывающих судах за эксплуатационно-ремонтный период

É1 2)у

ûfli

0,01

—г 3

i 2 X

s

0,2 0,3 0,4 о,s 0,6 0,7 0,г

0,9 X Го

I - бункеровка в порту; 2 - промысел и переходы; *"а/5

3 - подготовка в порту к постановке в ремонт; 4 - ремонт; 5 - швартовные испытания

Рис. 5

Структурно-балансовая схема накопления НОВ и нефтеостатков и их обезвреживания для рыбообрабатывающих судов 413 проекта

•ъС

чч

на t

S-*

ts с

PaSora g §

районе —i-- s- t-j

Лронысел

Ремонт, ' докобание, ш6арто$ные испытания

- Переход Paiera é районе 1 <ъ Зь I* • 11орг,раирм поЗгсПобка к ренонти \ 15 Эк <о

1Ч1Ч69

S8635

fV

чоъяо / г

4W>

■{ННО"

SW7

Сборный тнк

■ \ 474i |

Порт очисткс

~ ЪаЯорт

О

-к.»,"

В качестве оптимального решения при выборе системы очистки НОВ и утилизации нефгеостатков принимается вариант с минимальным обобщенным критерием эффективности

еа = с,+сг . (»)

В работе оценивались суммарные и удельные затраты на обработку НСВ на РМБ 413 проекта по следующим вариантам:

1) существующая схема очистки НСВ сепаратором ТЕ-25;

2) дооборудование сепаратора ТЕ-25 фильтром (ВДН-4;

3) использование контактного пленочного аппарата, работающего в режиме очистки дымовых газов и фильтра ВДН-4.

Наиболее эффективен третий вариант, Общественное снижение затрат получается из-за сокращения количества НСВ при стоянке судна в порту за счет активного испарения в пленочном контактном аппарате. Одновременно решается важная задача охраны воздушной среды от загрязнений газовыми выбросами. Суммарные и удельные затраты¡на обработку НСВ по третьему варианту относительно базового второго варианта уменьшаются в 2 раза.

Расчет суммарных и удельных затрат на обезвреживание неф-теостатков производился по трем вариантам:

1) вывоз нефгеостатков танкером на береговые очистные сооружения;

2) сжигание нефтеостатков в инсинераторе СЛ-50;

3) сжигание нефгеостатков в котле в смеси с котельным топливом с использованием ПКС.

Особого внимания заслуживает третий вариант. Суммарные и удельные затраты на обезвреживание нефтеостатков по этому варианту относительно базового первого варианта уменьшаются в 22 раза. '

На рис. 6 дана структурно-балансовая схема накопления и очистки НСВ и утилизации нефтеостатков по выбранному варианту с минимальными суммарными затратами и при заданных конвенционных требованиях по предотвращению загрязнения морсусих акваторий.

ЗАЮШЧЕШЕ

<

Разработанные способ и технология обезвреживания нефтесо-держащих вод в судовых котлах позволяют решать проблему предо-

г вращения загрязнения морских акваторий судовыми НСЬ. 11олуче:ш следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы, её практическую ценность и являющиеся предметом защиты.

1. На основе дифференциальных уравнений теплообмена предложена модель процесса фазовых превращений, происходящих при нагревании капель водотопливной эмульсии, модель позволяет производить оценку влияния различных факторов на условия образования паровой фазы в диспергированной воде. Температура фазовых превращений вода-пар и время прогрева до взрыва зависят от диаметра капель эмульсии, её начальной температуры, температуры зреды и влагосодержания. Определена область параметров капель ЗТЭ, при которых возможно ускорение процессов воспламенения по сравнению с безводным топливом.

Полученные данные подтвервдают наличие взаимосвязи между збразованием паровой фазы в воде и воспламенением капель ВТЭ. Ускорение воспламенения при использовании ВТЭ следует ожидать только для достаточно крупных капель.

2. Выбрана проточная схема питания форсунок котла водотоп-1Ивной эмульсией. Для её реализации предложен смеситель на ос-юве быстроходных перемешивающих устройств с использованием разрушительных свойств гидродинамической кавитации (A.C. I26333I).

Разработан аппаратурный комплекс, позволяющий:

- определять кавитационные пороги жидких топлив, ЬТЭ и сме-:ей различных топлив;

- производить автоматическую регистрацию акустических ха-зактеристик перемешивания при изменении Re. = 1»Ю3...Ы0Ь с описью на ленту самописца;

- классифицировать режимы обтекания лопастей: турбулентный, [ачало кавитации, пузырьковой кавитации, развитой кавитации.

На примере эмульгирования воды мазутами ФЬ, М60, MI00B экспериментально показано, что наличие кавитации интенсифицирует [роцесс эмульгирования. При этом существуют оптимальные режимы Отекания, соответствующие максимуму эрозионной активности ка-1итации. Экспериментально установлено, что предпочтительной яв-[яется пузырьковая форма кавитации. Наиболее эффективной являет-я открытая турбинная мешалка, т.к. кавитация на её лопастях на-[инается при меньших значениях Re и пузырьковая форма наблю-ается в более широком диапазоне чисел Рейнольдса.

3. На основании многочисленных экспериментальных данных предложена методика инженерного расчета геометрических параметров ПКС на основе быстроходных перемешивающих устройств. Методика позволяет спроектировать смеситель на заданную производительность в пределах от 100 кг/ч до 1000 кг/ч, требуемую дисперсность от 5 мкм до 20 мкм при изменении влагосодержания до 30 %.

Проведенные испытания аппарата ПКС на лабораторном стенде показали соответствие его рабочих характеристик расчетным. Результаты опытной эксплуатации ИКС на судах и береговых котельных показали возможность надежного сжигания ВТЭ с влагосодержа-нием до 40 %. Наиболее экономичный режим работы котла при вла-госодержании ВТЭ 10...15 %. Для режима обезвреживания НОВ и нефтеостатков можно рекомендовать обводненность топлива до 30 %.

4. Технико-экономическая оценка различных вариантов очистки НОВ и утилизации нефтеостатков применительно к судам типа РМБ 413 проекта, выполненная на основе имитационного моделирования, достаточно аргументированнопоказала эффективность предложенной схемы очистки НСВ с использованием контактного пленочного аппарата, работающего на дымовых газах,и сжигания нефтеостатков в котле с применением ПКС. Суммарные и удельные затраты по предложенному варианту очистки НСВ и утилизации нефтеостатков уменьшаются в 3 раза относительно базового.

Достигается значительное улучшение охраны окружающей среды-:

- сокращение сброса очищенных до 15 мг/л НСВ в 5 раз;

- очистка дымовых газов котлов от сажи и сернистых соединений;

- сокращение объемов ремонтных, корпусных и трубопроводных работ на 67,5 тыс. нормо-часов;

- уменьшение портовых услуг в 5 раз.

5. Представленная работа обеспечивает решение важной народно-хозяйственной задачи - охраны морских акваторий от загрязнений судовыми нефтесодержащими водами.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих работах:

1. Зиборов С.Н., Исаков А. Я. Применение быстроходных кавити-рующих мешалок ГОСТ 20680-75 для приготовления водотопливных эмульсий /Информационный листок № 386-80 Приморского ЦНТИ. - Вла-

дивосток, 1981). - 6 с.

2. Зиборов С.Н., Исаков Л.Я., Таратухин А.Ф. Результаты опытной эксплуатации кавитационного смесителя на судовом вспомогательном котле КВС-30/П-А /Рыбное хозяйство, 1981, № 12. С. 3234.

3. Зиборов С.Н. Методика расчета кавитациснных смесителей на ЭВМ //Тез. докл. межвузовской научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Владивосток, 1985.

4. Зиборов С.Н., Якубовский Л.В. Накопление нефггесодержащих вод на рыбообрабатывающих судах //Тез. докл. Всесоюзной научно-техн. конф. "Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов и рекуперации вторичных ресурсов на предприятиях отрасли". - Л.: Судостроение, 1986. - С. 77-78.

5. Зиборов С.Н., мазелис Л.С., Шкловский В.Н., Якубовский О.В. Определение количественных характеристик нефтесодержащих вод на рыбообрабатывающих судах /Э.И. серия "Техническая эксплуатация флота", вып. 12. М.'.ЦНИИ ТЭИРХ, 1987.

6. Зиборов С.Н., Селезнев Ю.С. Расчет условий микровзрыва капли эмульгированного водой топлива //Совершенствование проектирования, эксплуатации морских судов и энергетических комплексов.

- Владивосток: ДВГГУ, 1993. - С. II-14 (Тр. ДВГТУ, сер. 3, вып. III).

7. Зиборов С.Н.., Селезнев ¿.С. Особенности фазовых превраще-тй воды в капле эмульгированного гидротоплива //Тез. докл. ХХХШ Збилейной научно-техн. конф. - Владивосток, ДВГТУ, 1993. -

ИЗ.

8. Разработка технологии приготовления водотопливных эмуль-:ий, изготовление диспергирующего устройства и его установка в шытную эксплуатацию: Отчет о НИР /дальневост. техн. ин-т рыбн. [ром• и хоз-ва; Рук. А.Я.Исаков; № ГР 80028563, инв. № 12820066037. - Владивосток, 1980. - 83 с.

9. Разработка устройств и технологии для сжигания искусст-1енно-обводненных топлив в судовых энергетических установках: >гчет о НИР /Дальневост. техн. ин-т рыбн. пром. и хоз-ва; Рук. .Я.Исаков; № ГР 81046491, инв. № 02822027085. - Владивосток, 981. - 58 с.

10. Модернизация топливной системы танкеров типа "Алтай" с становкой кавитационных эмульгаторов: Отчет о НИР /Дальневост.

техн. ин-т рыбн. пром. и хоз-ва; Рук. А.Я.Исаков, № IT 01824055776. - Владивосток, 1982. - 42 с.

11. Разработка устройств и технологии для сжигания льяльных вод в судовых энергетических установках: Отчет о НИР /Дальневост. техн. ин-т рыбн. пром. и хоз-ва; Рук. А.Я.Исаков; № IT 01820087811, инв. № 02830051772. - Владивосток, 1982. - 69 с.

12. Разработка предложений по модернизации системы водо-обеспечения и предотвращения загрязнения моря для рыбообрабатывающей базы: Отчет о НИР /Дальневост. политехи, ин-т; Рук. ¿.В. Якубовский; » ГР 01850048147, инв. № 02870011636. - Владивосток, 1986. - 86 с.

13. Исследование условий эффективного сжигания высоковязких обводненных топлив и остатков нефтесодержащих вод в судовых котлах: Отчет о НИР /Дальневост. политехи, ин-т; Рук. Ю.С.Селезнев; № ГР 01840046635. - Владивосток, 1986. - 228.

14. A.C. I26333I СССР ЫКИ4 В 01 Р 7/00. Способ приготовления смеси и устройство для его осуществления /Зиборов С.Н., Исаков А.Я., Iliypnna В.А. //БИ № 38, 1986.

15. A.C. 17249II СССР МКИ5 Я 02 В 39/16. Силовая установка /Зиборов С.Н., Кантор Р.Д., Шурипа В.А. и др. //БИ № 13, 1992.