Диспергирование водоугольных суспензий путём распыления пневматической форсункой с винтовой закруткой распыляющего газового агента

Цель – разработка способа управления формой газокапельного факела при распылении водоугольных суспензий путем создания винтовой закрутки распыляющего агента в пневматической форсунке с внешним смешением. Объектом исследования являлись водоугольные суспензии, приготовленные из отходов обогащения каменного угля по двум технологиям: с кавитационной обработкой в роторном гидродинамическом генераторе и без нее. Эксперименты по распылению проведены на специализированном стенде с использованием пневматической форсунки, модернизированной за счет тангенциальной подачи воздуха в кольцевой канал для создания закрученного потока. Измерение размеров капель выполнялось методом интерферометрической визуализации частиц, регистрация скоростей – методом трассерной визуализации. Исследования проведены при расходах суспензии 100 и 200 г/с и избыточном давлении распыляющего агента 0,6 и 0,9 МПа. Установлено, что кавитационная обработка суспензии снижает динамическую вязкость при сдвиговых напряжениях более 50 с⁻¹ и увеличивает содержание частиц размером до 100 мкм на 10 %. При распылении обработанной суспензии средний размер капель составляет от 87,8 до 112,3 мкм, что на 29–42 % меньше по сравнению с необработанной. Показано, что при увеличении расхода суспензии со 100 до 200 г/с количество мелких капель снижается на 5–18 % в зависимости от давления, при этом возрастает доля крупных фракций. Скорость капель обработанной суспензии на 10–15 % выше, чем необработанной. Закрутка распыляющего агента увеличивает угол раскрытия факела с 21,1 до 25,8° при незначительном (на 18 %) увеличении среднего размера капель по сравнению с прямой подачей. Предложенная модификация форсунки позволяет управлять геометрией факела при сохранении приемлемого уровня дисперсности, а применение кавитационной обработки значительно улучшает реологические свойства суспензий и характеристики распыления, что важно для эффективного сжигания водоугольных топлив в энергетических установках.

1. Мурко В.И., Карпенок В.И., Баранова М.П., Бухмиров В.В., Темлянцева Е.Н. Особенности сжигания композиционных водоугольных топлив // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2024. № 3. С. 5–12. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2024.3.005-012. EDN: QBISII.

2. Jiang B., Li J., Chen D., Wang Li., Yang W. Synthesis and performance of sulfonated poly (styrene-alt-maleic anhydride) for coal-water slurry: the effect of structure on slurryability and stability // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024. Vol. 685. Р. 133154. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.133154. EDN: EBYZGA.

3. Zaostrovsky A.N., Murko V.I. Production and use of highly reactive water–coal fuel // Coke and Chemistry. 2023. Vol. 66. Iss. 9. Р. 458–464. https://doi.org/10.3103/s1068364x23701120. EDN: QFLISJ.

4. Hille E. Europe’s energy crisis: are geopolitical risks in source countries of fossil fuels accelerating the transition to renewable energy? // Energy Economics. 2023. Vol. 127. Р. 107061. https://doi.org/10.1016/j.eneco.2023.107061. EDN: DGQMPM.

5. Cherwoo L., Gupta I., Flora G., Verma R., Kapil M., Arya Sh.K., et al. Biofuels an alternative to traditional fossil fuels: a comprehensive review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2023. Vol. 60. Р. 103503. https://doi.org/10.1016/j.seta.2023.103503. EDN: XYHBUB.

6. Zhang K., Zhang Y., Zhou L., Li H., Shi W., Cheng X., et al. Experimental and theoretical insight into the effect of a novel composite dispersant on the properties of coal pitch water slurry // Fuel. 2024. Vol. 365. Р. 131281. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131281. EDN: KAIIKH.

7. Antonov D.V., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Fragmentation of heated droplets of coal-water slurries containing petrochemicals // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 195. Р. 117190. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117190. EDN: IUVZHW.

8. Dorokhov V.V., Nyashina G.S., Strizhak P.A. Anthropogenic emissions from coal-water slurry combustion: Influence of component composition and registration methods // Environmental Research. 2023. Vol. 223. Р. 115444. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115444. EDN: PBVVXL.

9. Gvozdyakov D.V., Zenkov A.V., Kaltaev A.Zh. Characteristics of spraying and ignition of coal-water fuels based on lignite and liquid pyrolysis products of wood waste // Energy. 2022. Vol. 257. Р. 124813. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124813. EDN: LDMDWE.

10. Wang J., Wang Sh., Liu J., Chen C., Chen Y., Zheng X. Eco-friendly utilization of waste oil for preparing coal water slurry: additive suitability and dispersion mechanism // Fuel. 2023. Vol. 333. Р. 126314. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.126314. EDN: ZMCEOI.

11. Sharma S.K., Jones A.R. Radiative transfer characteristics of clouds of atomised coal water slurry drops in a furnace // Fuel. 2002. Vol. 81. Iss. 1. Р. 59–63. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(01)00115-6.

12. Gaber C., Wachter P., Hochenauer C., Demuth M. Experimental investigation and demonstration of pilot-scale combustion of oil-water emulsions and coal-water slurry with pronounced water contents at elevated temperatures with the use of pure oxygen // Fuel. 2020. Vol. 282. Р. 118692. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118692. EDN: OQIIZR.

13. Alekseenko S.V., Dekterev A.A., Maltsev L.I., Kuznetsov V.A. Implementation of a three-stage scheme for the co-combustion of pulverized coal and coal-water slurry in an industrial boiler to reduce NOx emissions // Process Safety and Environmental Protection: Transactions of the Institution of Chemical Engineers. 2023. Vol. 169. Part B. Р. 313–327. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.11.034. EDN: CSTGUY.

14. Deng Jianxin, Ding Zeliang, Zhou Houming, Tan Yuanqiang. Performance and wear characteristics of ceramic, cemented carbide, and metal nozzles used in coal–water–slurry boilers // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2009. Vol. 27. Iss. 5. P. 919–926. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2009.05.007.

15. Патент № 2346756, Российская Федерация, C1, B05B 7/08. Пневматическая форсунка / Л.И. Мальцев; заявители и патентообладатели Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук; Общество с ограниченной ответственностью Агентство «Городок». № 2007118139/12. Заявл. 15.05.2007; опубл. 20.02.2009. EDN: NRWQNP.

16. Shadrin E.Y., Anufriev I.S., Butakov E.B., Kopyev E.P., Alekseenko S.V., Maltsev L.I., et al. Coal-water slurry atomization in a new pneumatic nozzle and combustion in a low-power industrial burner // Fuel. 2021. Vol. 303. P. 121182. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121182. EDN: CZSNWN.

17. Гвоздяков Д.В., Зенков А.В., Мальцев Л.И., Поджаров Ю.С. Влияние кавитационной обработки на свойства водоугольных суспензий с добавками пирогенетической жидкости // iPolytech Journal. 2023. Т. 27. № 2. С. 297–309. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-2-297-309. EDN: XKCIZP.

18. Mansour A., Chigier N. Air-blast atomization of non-Newtonian liquids // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 1995. Vol. 58. Iss. 2-3. P. 161–194. EDN: APMHEB.

19. Gvozdyakov D.V., Zenkov A.V. The effect of coal-water slurries spraying method on the characteristics of gasdroplet jets // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2026. Vol. 172. P. 110546. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.110546. EDN: XQVHGQ.

20. Anufriev I.S. Shadrin E.Y., Kopyev E.P., Alekseenko S.V., Sharypov O.V. Study of liquid hydrocarbons atomization by supersonic air or steam jet // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 163. P. 114400. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114400. EDN: EEVATZ.

21. Khashehchi M., Harun Z. Accuracy of tomographic particle image velocimetry data on a turbulent round jet // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2019. Vol. 77. P. 61–72. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.03.005.

22. König G., Anders K., Frohn A. A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets // Journal of Aerosol Science. 1986. Vol. 17. Iss. 2. P. 157–167.

23. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента / пер. с англ. Е.Г. Коваленко; под ред. Н.П. Бусленко. М.: Мир, 1972. 381 p.

24. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Ленинград: Наука, 1968. 96 p.

25. Alekseenko S.V., Kuznetsov V.A., Mal’tsev L.I., Dekterev A.A., Chernetskii M.Y. Analysis of combustion of coal-water fuel in low-power hot-water boiler via numerical modeling and experiments // Journal of Engineering Thermophysics. 2019. Vol. 28. Iss. 2. Р. 177–189. https://doi.org/10.1134/S1810232819020024. EDN: QJHHPT.

26. Shlegel N.E., Tkachenko P.P., Strizhak P.A. Influence of viscosity, surface and interfacial tensions on the liquid droplet collisions // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 220. Р. 115639. https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.115639. EDN: IPYZPJ.