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超声波特稠油燃油节能装置的研究与开发点击：1744 日期：[ 2014-04-26 22:42:55 ] |
| 作者：文 华 摘要:通过采用超声波换能器对热采锅炉燃油(特稠油)进行处理,采用化学表面活性剂、超声波喷咀等进行处理后,可使特稠油中油包水、水包油分子团细微化,并大大降低了粘度及凝固点;可有效防止熄火现象,提高燃烧值,节约燃油。 关键词:超声波换能器;热采锅炉;燃油节能装置;研究;开发 1 概 述 目前辽河油区的燃油锅炉大部分采用特稠油作为燃料油,由于特稠油中油包水和水包油的现象,使得燃油锅炉经常出现停火现象,也不易燃烧,严重地影响了特稠油的利用率。因此,改善特稠油的燃烧特性,使特稠油能很好的燃烧就成为当务之急。 通过调研发现,超声波在原油中能起到降粘乳化的作用(处理后进行粘度测量,发现粘度下降较大),且对加水后的油样处理后乳化效果更好。由此认为,采用超声波使特稠油粘度降低,并使油包水、水包油充分乳化、分子细微化,提高其燃烧值,是节约能源的较好方法。 2 结构与原理 由于稠油及特稠油的凝固点、粘度很高,可高达1000～40000ｍＰａ·ｓ(主要是由于蜡和胶质含量高引起的),因而使得管道输送时在管壁结蜡,产生堵塞,输送困难。在采用特稠油作为燃料油时,燃烧过程中,由于特稠油含水量过高,油包水、水包油现象严重,采用化学乳化剂及其它方法效果均不好(主要问题是化学乳化剂在高温燃烧状态下易产生爆炸,使喷咀断油,燃油熄火);另外,乳化后的油中含有较大水泡也是造成熄火的主要原因。而采用超声波对原油进行处理,在降粘、防蜡、除蜡、乳化破乳、脱水、驱油、解堵、防垢和除垢等方面均具有独特的功效。 据报道,美国和前苏联率先将超声波技术应用在采油中获得成功,并逐渐发展成为一门采油声学。我国大功率超声波发生器已经在大庆油田使用,也获得了良好的效果[1]。在超声降粘输油上,美国已经在集输泵站采用超声波加凝析剂的方法进行降粘输油,超声波重油乳化机在国内已经应用。 超声波原油降粘、原油乳化的机理主要是利用20～35ｋＨｚ声频范围内产生所需频率的电振荡,再通过换能器转换成机械振荡,其换能器所选材料应根据现场应用情况而定,如超声波降粘主要采用压电陶瓷,而超声乳化则主要采用簧片哨。超声波和声波一样是物质介质中的一种弹性机械波,只是频率不同。高于20ｋＨｚ的是超声波上限,可高至与电磁波的微波区(>10ＧＨｚ)重叠。但一般认为,对气体是50ＭＨｚ,液体和固体是500ＭＨｚ[2]。超声波在物质介质中的传播和衰减服从指数规律。 超声波在物质介质中形成介质粒子的机械运动。这种含有能量的超声波在亚微范围内引起的机械作用强弱与超声波的频率和强度有关。在压力波的作用下,液体中分子的平均距离随分子振动而变化,当对液体施加足够的负压时分子间距离超过保持液体作用的临界分子间距10～8μｍ。计算可知,负压可达到1010ＭＰａ。由于原油介质特别是稠油、特稠油内含有蜡、水、气、胶质体等混合物,这一混合物经过超声波辐射,使油、蜡、水、胶质体等分子充分混合形成油包水、水包油的乳化状态。这种油包水、水包油的分子非常微小,其分子可细微到2μｍ以下。这样一方面使粘度降低,另一方面作为燃油使用能充分使其燃烧,提高燃烧值,节省燃油。为实现这一目的,在结构上根据现场的热采锅炉燃油炉工作环境及使用情况,采用多种方法进行。 首先在进入锅炉燃油喷咀前,采用超声波装置对来油进行超声波处理,使之油分子细微化,同时降低粘度后进入燃油火咀。为了使燃油的雾化效果提高,在前端加入一支超声波喷咀,其目的主要是使燃油更进一步细微化,增强燃烧能力。这样特稠油在燃油炉的使用上就克服了经常熄火、火焰发黑、燃烧值低及大量结焦等不良现象。 3 设计说明 热采锅炉燃油改性技术,在总体设计上以超声波声源为动力,对其特稠油的物性进行改变;其次采用掺水与油混合,并通过超声波对其催化,使其分子细微,用超声波喷咀使其加强雾化,提高燃烧效率,见图1。 采用超声波进行降粘。由于从油泵来的特稠油温度较高,通过超声进行空化,此时换能器本身也产生热量,空化结果使特稠油中的原油、水、胶体、蜡等分子相应结合并均匀分布,而且使分子细微。超声波换能器采用压电晶体与簧片做成。当有一定压力的特稠油通过时,即刻产生40ｋＨｚ左右频率的超声波,其声强与输入压力及流速有关,声强越大,其效果越好。通过计算,作为锅炉每天烧油15ｍ3,小型燃油炉需要约800Ｗ的超声波声功率。按70%效率计算,大约需要1000Ｗ,所以设计的声功率是1000Ｗ。 实际应用中,现场的油管工作压力为0.8ＭＰａ,而油泵的初始压力为1 1ＭＰａ,最大为1 4ＭＰａ,此时通过超声波换能器时会有0 3～0 7ＭＰａ的压力损失。因此,为了不影响原有锅炉油泵荷载,在中间加了一台油泵作为接力泵,将油压提高为0 4～0 6ＭＰａ,能够大大满足其声强的需要。为了在实际应用中既满足超声波换能器的功率要求,又要不致于功率过大消耗能源造成浪费,该装置通过温度传感器、压力传感器的信号反馈来自动控制声源发生器能量大小的输出。这样,既提高了设备运行的可靠性、安全性,又能节省能源,达到节能的目的。 为了满足不同特稠油燃烧环境,如采取特稠油不加乳化剂而直接燃烧,此时可通过在超声波换能器前端加入5%～8%的水及微量化学表面活性剂,使其特稠油的粘度、凝固点降低。在实际中采用Ｌｉ65Ｎ和Ｌｉ70作为萃取剂,超声波频率为20ｋＨｚ,输出功率为47Ｗ。 实验结果表明,超声场的引入将明显提高Ｎｉ的萃取速率。然而,与机械搅拌时的萃取结果相比较,最终的萃取并没有发生变化。这说明超声场强化了该动力学过程[3]。 在超声波和温度的作用下,在10～90℃的水中加入高稠原油降粘剂,水的最佳温度为20～80℃,降粘剂质量百分比为0 05%～ｌ 00%。将上述水溶液与原油的比例按7∶3～4∶1,可形成水包油乳状液,含水量仅要求10%以上即可。水敏指标0 276,岩心伤害率17 6%。粘土膨胀率1 42%,形成水包油型,乳化油珠粒径为1～10μｍ,强乳化型,粒度分布均匀。可以有效地改善高稠油的开采和输送性能,大幅度提高油井产量。 超声波油咀是为更进一步提高雾化效果而设,原有旋转喷咀采用中间为气流,四周有6条油槽,通过4个大气压的气体流过使其旋转。由于特稠油的特殊性,其中大分子团油包水、水包油通过其细窄的油道时,容易使其熄火,所以在该油咀前端加该超声波油咀,使其燃油细微化,从而避免熄火现象,同时使旋转油咀喷雾均匀,提高燃油效率。 4 技术指标 超声波声源功率为1000Ｗ;超声波频率为40±3ｋＨｚ;电源为ＡＣ220±15Ｖ;油泵流量为10ｍ3/ｈ;压力为1 4ＭＰａ;电机电源为三相380Ｖ;功率为1 2ｋＷ;防爆等级为ＤｉｉＢＴ4;传感器温度为0～150℃;传感器压力为0～2 0ＭＰａ;计量泵电源为ＡＣ220Ｖ,流量为10Ｌ/ｈ,压力为1 0ＭＰａ。 5 实验结果 经过室内研制、试制及现场试验,终于取得大量实验数据,技术指数基本达到要求。在此基础上,又对杜84块取来的油样分别按6种情况进行试验。超声波发生器采用中科院声学所生产的功率为250Ｗ,功率自动跟踪。粘度计采用成都市仪表厂生产的ＧＪＮ-2型数字粘度计。该仪器有ＲＳ232接口与微机进行通讯,实时采集处理打印曲线。实验发现,经过超声波处理后的各种油样的粘度只有原来的八分之一。 多次室内实验证明,超声波对原油、特稠油的降粘、乳化效果明显。但是在温度下降的情况下,其粘度又升高。因而加入一定比例的表面活性剂后进行超声波试验,结果粘度降低,随着温度下降粘度又有所回升,但回升幅度较小,在20ｈ内,粘度回升在10%左右,超过20ｈ后粘度回升较大。但作为燃油炉中燃烧油使用,基本上不考虑时间问题,所以能满足现场应用。使用该装置后,一直没有熄火,而且火焰很亮,说明效果较好。为了不使注气站油泵功率损耗,在中间加入了一台1 5ｋＷ、1 1ｍ3/ｈ的油泵。同时在换能器前端加入表面活性剂计量泵。投入试用后,效果较好。 6 结束语 从两次现场实验中看出,燃油效果较好,没有出现过熄火现象。但也存在一些问题有待于改进。主要是炉膛前结焦问题。在没使用前和使用后的结焦程度有所减轻,但效果不太理想。据注气站分析,可能是由于特稠油油品质量问题。据分析,由于特稠油胶体含量大,在燃烧当中没有能燃烧完全;另外,特稠油中含有细粉砂,使之烧结成团,掉落成焦体。因此,需要对其喷嘴的工作压力加大,使其进风量增加,将焦体吸入烟道排走,这是下一步需要解决的问题。 参考文献: [1]中国机械工程学会无损检测分会 超声波检测[Ｍ] 北京:机械工业出版社,2000 [2]同济大学声学研究室 超声工业测量技术[Ｍ] 上海:上海人民出版社,1977 [3]王平,韩振兴,朱墨娴 流体力学[Ｍ] 北京:北京航天娇沾笱С霭?1991 编辑 常汉章 |
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