4.4. Сжигание жидких нефтеотходов

Неутилизируемые жидкие нефтесодержащие и другие углеводородсодержащие отходы и загрязнения, подвергающиеся термическому обезвреживанию путем сжигания, обычно

сильно обводнены и содержат в себе механические примеси. При горении обводненных нефтепродуктов происходят сложные физико-химические превращения. Отличительной особенностью сжигаемых обводненных нефтеотходов является наличие в зоне пламени водяных паров. При этом их появление вызвано процессом химического превращения, так как вода вводится в камеру горения с топливом еще до воспламенения горючей смеси.

Согласно современной теории горения и цепных реакций можно считать, что наличие воды в нефтепродуктах и соответственно повышенное содержание водяных паров как в свежей горючей смеси, так и в продуктах сгорания должно положительно сказываться на процессе горения и, в первую очередь, на скорости распространения пламени.

Известно, что скорость цепной химической реакции пропорциональна концентрации активных центров, ведущих процесс. Для обводненного топлива концентрация таких центров будет всегда больше, чем у необводненного топлива. С увеличением обводненности сжигаемого топлива растет парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания, при этом одновременно увеличивается количество диссоциированных молекул водяного пара. Кроме термической диссоциации паров воды на водород и кислород по уравнению 2H₂O=2H₂+O₂ возможна диссоциация воды на водород и гидроксил, т.е. существование равновесия 2H₂O=H₂+2OH.

В процессе горения обводненного топлива диссоцияция может произойти также вследствие электронного возбуждения молекул или атомов от ударов их между собой при микровзрыве.

В процессе горения положительные ионы легко взаимодействуют с нейтральными молекулами, в результате чего образуются свободные радикалы. Так, ионы воды Н₂О, взаимодействуя с молекулой воды по схеме H₂О⁺+ H₂О® H₃O⁺ +OH дают радикалы ОН.

Свободные радикалы могут также образовываться при рекомбинации положительных ионов с электронами или отрицательными ионами. Выделяющаяся при этом энергия оказывается достаточной для расщепления на радикалы вновь образующихся молекул. Так, энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов H₂O⁺ с электроном, равная 1215 кДж/моль, достаточна для полной атомизации молекулы воды, так как для расщепления ее на два атома Н и один атом О требуется энергия 918 кДж/моль. При рекомбинации иона гидроксония НзО⁺ + е = H₂O + Н выделяется энергия, равная 821 кДж/моль, достаточная для полного расщепления H₂O на Н и ОН. Преимущество обводненных нефтепродуктов перед чистым углеводородным топливом состоит в том, что даже при низких температурах в зоне пламени они всегда будут давать более высокие начальные концентрации активных центров атомов и радикалов.

Появление в зоне пламени обводненного топлива большого числа активных центров атомарного водорода Н и гидроксида ОН может во много раз ускорить реакции окисления и горения углеводородного топлива в результате развития реакции по цепочно-тепловому механизму.

Ускоряющее действие водяных паров в процессе горения окиси углерода объясняется суммарной реакцией

H₂O + CO®CO₂ + Н₂.

в результате которой возникает легковоспламеняющийся водород. Последующее гомогенное окисление водорода приводит к образованию радикалов ОН и атомов Н и О, обусловливающих как развитие цепей основной реакции путем процессов

ОН + CO®CO₂ + Н ;

Н + СО + О₂®СО₂+ ОН,

так и их разветвления

Н + O₂®O + ОН ;

О + Н₂®H + ОН

или О + СО + O₂®CO₂ +O+O

Этим объясняется повышение скорости горения СО, которое всегда имеет место в присутствии водяного пара. Вода не только является инициатором цепей в реакции, но и участвует в развитии самих цепей. Это подтверждается изменением интенсивности свечения, которое наблюдается с увеличением содержания воды и смеси.

При сжигании обводненных углеводородов уменьшается дымление, которое вызывается обычно дефицитом кислорода в зоне реакции. Недостаток кислорода приводит к усилению крекинга топлива и выделению свободного углерода. Углерод может сгорать по реакции

С + H₂O®CO + H₂,

для осуществления которой необходимо наличие вблизи крекингующих молекул топлива достаточного количества продуктов сгорания, имеющих в своем составе водяные пары. Очевидно, что в обводненном углеводородном топливе водяных паров всегда достаточное количество, т.е. даже без сгорания H₂ в Н₂О сгорание С в СО будет обязательным, а затем и СО в CO₂. Следует также иметь в виду, что капли нефтеотходов, как правило, содержат внутри себя микроскопические включения воды.

Поскольку температура кипения воды ниже температуры кипения нефтеотходов, а слой нефтеотходов по отношению к заключенной внутри капли воды выполняет роль теплоизолятора, микрочастицы воды внутри капли перегреваются и мгновенно вскипают с разрывом капли на мельчайшие составляющие. Происходящие микровзрывы капель способствуют увеличению площади поверхности испарения нефтепродукта, а следовательно, тепло- и массообмену.

Установлено, что капля эмульсии размером 2 мм и влажностью 30 % сгорает за 2,8 с, а такая же капля необводненного мазута за 3,7 с. Явление внутригорелочного взрыва капель также ускоряет испарение, улучшает смесеобразование и позволяет значительно интенсифицировать процесс сжигания жидких топлив.

Сжигание жидких горючих отходов может осуществляться при определенных условиях в топках и горелочных устройствах (камерных, циклонных, надслоевых), описанных в гл. 2 Наиболее широкое распространение в нашей стране получили турбобарботажные установки "Вихрь -1" производительностью 100--300 кг/ч и "Вихрь -3" производительностью 3000 кг/ч [27].