Оценка эффективности завихрения воздуха при распылении водоугольных суспензий пневматической форсункой
Д.В. Гвоздяков, А.В. Зенков
Вестник ИГЭУ, 2024 г. выпуск 4, сс. 30—40
Скачать PDF
Состояние вопроса. Переход к экологически чистым энергетическим технологиям, обусловленный современными требованиями к охране окружающей среды, предполагает поиск и создание новых источников энергии. Одним из способов удовлетворить эти требования и сохранить на прежнем уровне показатели по выработке энергии тепловыми электростанциями является переход на многокомпонентные топлива. Наиболее перспективными и доступными котельными топливами с точки зрения энергетики, экологии и экономики являются водоугольные суспензии. В связи с этим изучение свойств и характеристик таких топлив является актуальным.
Материалы и методы. Приготовление водоугольных суспензий осуществлено в роторном гидродинамическом генераторе кавитации. Для распыления водугольных суспензий использована пневматическая форсунка с внешним смешением. Средний размер капель топлива после распыления определен с помощью метода Interferometric Particle Imaging.
Результаты. Выполнены экспериментальные исследования характеристик распыления водоугольных суспензий на основе бурого угля и пирогенетической жидкости пневматической форсункой с тангенциальной подачей распыляющего агента. Апробирована трехэтапная методика приготовления буроугольных суспензий с добавлением пирогенетической жидкости. Установлено, что текучесть водоугольного топлива при использовании такой методики сохраняется даже при введении 20 % по массе пирогенетической жидкости в состав водоугольных суспензий при замещении как воды, так и угля в одинаковых пропорциях; кинематическая вязкость водоугольных суспензий увеличивается при добавлении пирогенетической жидкости, несмотря на снижение концентрации твердой компоненты; изменение плотности суспензии незначительно. Исследование процесса распыления показало, что тангенциальная подача воздуха на форсунку приводит к увеличению угла раскрытия струи на 6° в сравнении с прямой подачей, при этом средний размер капель в струе двухкомпонентной водоугольной суспензии при прямой подаче воздуха на 8 % меньше.
Выводы. Результаты проведенных работ позволили получить совершенно новые знания, которые могут существенно продвинуть отечественную и мировую науку и технику в области энергетического машиностроения, а именно технологии распыления водоугольных топлив. Экспериментальные исследования показали основные закономерности влияния свойств водоугольных суспензий и способа подвода распыляющего агента на процесс формирования газокапельной струи. Установление таких закономерностей обеспечит условия для эффективного распыления достаточно вязких водоугольных суспензий в камерах сгорания энергетических котлов. Данная информация даст возможность проектировщикам и конструкторам создавать высокоэффективные конструкции паровых и водогрейных котлов и газификаторов, работающих на водоугольных суспензиях.
1. Сжиженный природный газ как резервное топливо ТЭЦ / С.Н. Ленёв, В.Б. Перов, А.Н. Вивчар и др. // Надежность и безопасность энергетики. – 2021. – Т. 14, № 2. – С. 84–91.
2. Mohanty M., Biswal D.R., Mohapatra S.S. A systematic review exploring the utilization of coal mining and processing wastes as secondary aggregate in sub-base and base layers of pavement // Construction and Building Materials. – 2023. – Vol. 368. – Р. 130408.
3. Gvozdyakov D.V., Zenkov A.V., Kuznetsov G.V. Ignition of coal‐water fuel droplets with addition of isopropyl alcohol // International Journal of Energy Research. – 2020. – Vol. 45, issue 2. – Р. 1535–1549.
4. Экспериментальные исследования влияния кавитационной обработки водоугольных топлив в составе с пирогенетической жидкостью на их свойства / Д.В. Гвоздяков, А.В. Зенков, Л.И. Мальцев, Ю.С. Поджаров // Энергетические установки и технологии. – 2023. – Т. 9, № 3. – С. 73–78.
5. Oleinikova M.I. Obtaining coal-water heating from coal-enrichment sludge // Environmental protection and conservation. – 2020. – No. 1. – P. 132–144.
6. Singh J., Kumar S., Mohapatra S.K. Optimization of Erosion Wear Influencing Parameters of HVOF Sprayed Pumping Material for Coal-Water Slurry // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, Issue 11, Part 3. – P. 23789–23795.
7. Influence of burner geometry on atomization of coal water slurry in an entrained-flow gasifier / Xiaoxiang Wu, Qinghua Guo, Yan Gong, et al. // Chemical Engineering Science. – 2022. – Vol. 247. – P. 117088.
8. Performance and wear characteristics of ceramic, cemented carbide, and metal nozzles used in coal–water–slurry boilers / Jianxin Deng, Zeliang Ding, Houming Zhou, Yuanqiang Tan // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – September 2009. – Vol. 27, Issue 5. – P. 919–926.
9. Atomization behavior of composite liquid fuels based on typical coal processing wastes / G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, T.R. Valiullin, R.S. Volkov // Fuel Processing Technology. – January 2022. – Vol. 225. – P. 107037.
10. Atomization performance of petroleum coke and coal water slurries from a twin fluid atomizer / Stephane G. Daviault, Omar B. Ramadan, Edgar A. Matida, et al. // Fuel. – August 2012. – Vol. 98. – P. 183–193.
11. Influence of burner geometry on atomization of coal water slurry in an entrained-flow gasifier / Xiaoxiang Wu, Qinghua Guo, Yan Gong, et al. // Chemical Engineering Science. – 16 January 2022. – Vol. 247. – P. 117088.
12. Characteristics of particle size and velocity of droplets of coal water slurry subjected to air-blast electrostatic atomization using a phase Doppler particle analyzer / J. Zheng, Y. Xu, Q. Wang, H. He // Journal of Electrostatics. – March 2019. – Vol. 98. – P. 40–48.
13. Lu P., Zhang M. Experimental investigation on atomizing characteristics of coal–water paste for pressurized fluidized bed // Fuel. – November 2004. – Vol. 83, Issue 16. – P. 2109–2114.
14. Spraying characteristics of alcohol-coal-water slurries with low coal content / D.V. Gvozdyakov, A.V. Zenkov, S.V. Lavrinenko, et al. // Chemical Engineering & Technology. – 2022. – Vol. 45, issue 5. – P. 936–945.
15. Experimental and numerical investigation of aerodynamics of a pneumatic nozzle for suspension fuel / S.V. Alekseenko, I.S. Anufriev, A.A. Dekterev, et al. // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2019. – Vol. 77. – P. 288–298.
16. Experimental study of an impinging jet with different swirl rates / S.V. Alekseenko, A.V. Bilsky, V.M. Dulin, D.M. Markovich // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2007. – Vol. 28(6). – P. 1340–1359.
17. Integral characteristics of water droplet evaporation in high-temperature combustion products of typical flammable liquids using SP and IPI methods / G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, R.S. Volkov, O.V. Vysokomornaya // International Journal of Thermal Sciences. – 2016. – Vol. 108. – P. 218–234.
18. Bilskiy A.V., Lozhkin Yu.A., Markovich D.M. Interferometric technique for measurement of droplet diameter // Thermophysics and Aeromechanics. – 2011. – Vol. 18(1). – P. 1–12.
19. Van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. – New York: Dover Publications, 1981. – 470 p.
20. Hybrid spherical particle field measurement based on interference technology / J. Sun, H. Zhang, J. Li, et al. // Measurement Science and Technology. – 2017. – Vol. 28(3). – P. 1–7.
21. Hang J., Bae C., Lee K.O. Initial development of non-evaporating diesel sprays in common-rail injection systems // International Journal of Engine Research. – 2003. – Vol. 4. – P. 283–298.
22. Gvozdyakov D.V., Zenkov A.V. Properties and characteristics of coal-water slurries with addition of a pyrogenetic liquid // Chemical and Petroleum Engineering. – 2023. – Vol. 59, No. 3–4. – P. 207–212.