Экспериментальные исследования влияния давления воздуха на характеристики распыления водоугольных суспензий

Цель – обоснование влияния давления распыляющего агента на характеристики струи после распыления водоугольных суспензий с малыми (по массе) добавками в их состав жидких отходов пиролиза резинотехнических изделий и отработанного моторного масла по результатам экспериментальных исследований. В качестве резинотехнических изделий использовались автомобильные шины. Распыление производилось с помощью пневматической форсунки с внутренним смешением. Исследование изменения размеров капель после распыления исследовавшихся составов топлива выполнено методом IPI (Interferometric Particle Imaging). Определение угла раскрытия струи выполнено при помощи высокоскоростной камеры «Photron». Проведено исследование влияния давления распыляющего агента на характеристики струи после распыления водоугольных топлив с добавлением жидких отходов пиролиза резинотехнических изделий и отработанного моторного масла (от 3 до 12% по массе). Установлено, что снижение давления воздуха приводит к уменьшению угла раскрытия струи распыленной суспензии не более чем на 6%. При этом в струе образуются достаточно крупные капли размером более 600 мкм. Экспериментально доказано, что при использовании устройства распыления с камерой внутреннего смешения суспензии и воздуха большее количество мелких капель образуется при близких значениях давления топлива и воздуха. Число капель при этом больше на 2–9% в сравнении с типичным двухкомпонентным водоугольным топливом (угол раскрытия струи распыленных водоугольных суспензий в данном случае имеет наибольшее значение). Показано, что при использовании форсунки с камерой внутреннего смешения суспензии и распыляющего агента дробление капель топлива осуществляется за счет сил аэродинамического сопротивления окружающей среды. Таким образом, использование форсунки с камерой внутреннего смешения суспензии и воздуха снижает количество возможных механизмов дробления капель топлива после распыления.

1. Касимов А. М., Ковалѐв А. А., Поваляева А. В. Утилизация отходов электростанций, работающих на твердом и жидком топливе // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2010. Т. 4. № 8. С. 15–20.

2. Тауд Р. Перспективы развития тепловых электростанций на органическом топливе // Теплоэнергетика. 2000. № 2. С. 68–72.

3. Square J. Statistical review of world energy. 69th edition. 2020. London: Heriot -Watt University, 2020. 66 p. [Электронный ресурс]. URL: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2020-full-report.pdf (19.03.2021).

4. Макарова А. А., Митрова Т. А., Кулагина В. А. Прогноз развития энергетики мира и России 2019. М.: Институт энергетических исследований Российской академии наук; Московская школа управления Сколково, 2019. 211 с. [Электронный ресурс]. URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Forecast_2019_Rus.pdf (19.03.2021).

5. Филипповa С. П., Кейко А. В. Газификация угля: на перепутье. Технологические факторы // Теплоэнергетика. 2021. № 3. С. 45–58. https://doi.org/10.1134/S0040363621030048.

6. Досмухамедов Н. К., Егизеков М. Г., Жолдасбай Е. Е., Курмансеитов М. Б., Аргын А. А. Поведение NOх при очистке отходящих газов ТЭС карбонатным ра сплавом щелочных металлов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2021. № 1. С. 30–34.

7. Максимов В. Ю., Каменских А. В., Байгара А. Применение технологии Overfire Air в разработке методов сокращения вредных выбросов в атмосферу // Вопросы устойчивого развития общества. 2021. № 5. С. 465–480.

8. Ахметшин М. Р., Няшина Г. С., Медведев В. В. Антропогенные газовые выбросы при сжигании суспензионных топлив и отходов нефтепереработки // Кокс и химия. 2021. № 4. С. 36–43. https://doi.org/10.52351/00232815_2021_04_36.

9. Сучков С. И., Сомов А. А. Разработка мер подавления образования оксидов азота в ПГУ с внутрицикловой газификацией углей // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2015. № 4. С. 84–92.

10. Пугачев Н. С. Влияние ТЭС на окружающую среду // Наука через призму времени. 2021. № 7. С. 32–33.

11. Franco A., Diaz A. R. The future chal lenges for “clean coal technologies”: Joining efficiency increase and poll utant emission control // Energy. 2009. Vol. 34. Iss. 3. P. 348–354. https://doi.org/10.1016/j.energy.2008.09.012.

12. Рябов Г. А., Санкин Д. А., Фоломеев О. М. Сжигание и газификация топлив в химических циклах – новое применение технологии циркулирующего кипящего слоя для улавливания CO 2 // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2014. № 5. С. 27 –36.

13. Тиханов М. В., Пузырев Е. М. Опыт внедрения низкотемпературной вихревой технологии сжигания твердых топлив // Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации». 2021. № 1. [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/01/94461 (07.05.2021).

14. Бекмуратова Б. Т. Процессы снижения ВЭТ и управления горением топливной эмульсии // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7. № 1. С. 300–304. https://doi.org/10.33619/2414-2948/63/19.

15. Мурко В. И., Черникова О. П. Повышение экологичности и эффективности городской системы теплоснабжения с использованием водоугольного топлива // Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 3. С. 18–22. https://doi.org/10.18635/2071-2219-2021-3-18-22.

16. Вершинина К. Ю., Лырщиков С. Ю., Стрижак П. А. Зажигание топливных суспензий, приготовленных на основе отходов обогащения угля и нефтепродуктов // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 3. С. 137–146. https://doi.org/10.15372/FGV20180316.

17. Накоряков В. Е., Стрижак П. А., Глушков Д. О., С ыродой С. В. Инициирование горения капли органов одоугольного топлива в вихревой камере сгорания // Доклады Академии наук. 2017. Т. 473. № 6. С. 646–649. https://doi.org/10.7868/S0869565217120040.

18. Mchale E. T. Coal-water fuel combustion // Symposium (International) on Combustion. 1988. Vol. 21. Iss. 1. P. 159–171. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(88)80243-1.

19. Шадрин Е. Ю., Ануфриев И. С., Шарыпов О. В. И сследование процесса распыления и сжигания вод оугольного топлива с использованием пневматической форсунки // Прикладная механика и техническая физика. 2021. Т. 62. № 3. С. 165–171. https://doi.org/10.15372/PMTF20210316.

20. Dafsari R. A., Lee Hyung Ju, Han Jeongsik, Park Dong-Chang, Lee Jeekeun. Viscosity effect on the pressure swirl atomization of an alternative aviation fuel // Fuel. 2019. Vol. 240. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.11.132.

21. Minakov A. V., Shebeleva A. A., Strizhak P. A., Chernetskiy M. Yu., Volkov R. S. Study of the Weber number impact on secondary breakup of droplets of coal water slurries containing petrochemicals // Fuel. 2019. Vol. 254. Р. 115606. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.06.014.

22. Vershinina K. Yu., Lyrshchikov S. Yu., Strizhak P. A. Ignition of fuel slurries based on waste products of coal processing and oil refining // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54. Iss. 3. P. 376–384.

23. Gvozdyakov D., Zenkov A. Influence of petrochemicals on jet characteristics after coal-water fuel spraying // Fuel Processing Technology. 2021. Vol. 218. Р. 106864. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106864.

24. Gvozdyakov D., Zenkov A. Improvement of atomization characteristics of coal-water slurries // Energy. 2021. Vol. 230. Р. 120900. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120900.

25. Han Han, Wang Pengfei, Li Yongjun, Liu Ronghua, Tian Chang. Effect of water supply pressure on atomization characteristics and dust-reduction efficiency of internal mixing air atomizing nozzle // Advanced Powder Technology. 2020. Vol. 31. Iss . 1. P. 252–268. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.10.017.

26. Roh Nam-Sun, Shin Dae-Hyun, Kim Dong-Chan, Kim Jong-Duk. Rheological behaviour of coal-water mixtures. 2. Effect of surfactants and temperature // Fuel. 1995. Vol. 74. Iss. 9. P. 1313–1318. https://doi.org/10.1016/0016-2361(95)00085-J.

27. Alekseenko S. V., Abdurakipov S. S., Hrebtov M. Y., Tokarev M. P, Markovich D. M. Coherent structures in the near-field of swirling turbulent jets: a tomographic PIV study // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2018. Vol. 70. P. 363–379. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2017.12.009.

28. Alekseenko S. V., Bilsky A. V., Dulin V. M., Markovich D. M. Experimental study of an impinging jet with different swirl rates // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2007. Vol. 28. Iss. 6. P. 1340–1359. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.05.011.

29. Daviault S. G., Ramadan O. B., Matida E. A., Hughes P. M., Hughes R. Atomization performance of petroleum coke and coal water slurries from a twin fluid atomizer // Fuel. 2012. Vol. 98. P. 183–193. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.02.042.

30. Pastor J. V., Arrègle J., Palomares A. Diesel spray image segmentation with a likelihood ratio test // Applied Optics. 2001. Vol. 40. Iss. 17. P. 2876 –2885. https://doi.org/10.1364/AO.40.002876.

31. Delacourt E., Desmet B., Besson B. Characterisation of very high pressure diesel sprays using digital imaging techniques // Fuel. 2005. Vol. 84. Iss. 7-8. P. 859–867. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2004.12.003.

32. Morgan R., Wray J., Kennaird D. A., Crua C., Heikal M. R. The influence of injector parameters on the formation and break-up of a diesel spray // Journal of Engines. 2001. Vol. 110. Iss. 3. P. 389–399. https://doi.org/10.4271/2001-01-0529.

33. 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. Iss. 4. P. 283–298. https://doi.org/10.1243/146808703322743895.

34. Wang Pengfei, Zhang Kui, Liu Ronghua. Influence of air supply pressure on atomization characteristics and dust-suppression efficiency of internal-mixing air-assisted atomizing nozzle // Powder Technology. 2019. Vol. 355. P. 393–407. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.07.040.

35. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Experimental investigation of the influence of the liquid drop size and velocity on the parameters of drop deformation in air // Technical Physics Scientific Journal. 2015. Vol. 60. Iss. 8. P. 1119–1125.

36. Пат. № 2523816, Российская Федерация, C1. Пневматическая форсунка (варианты) / С. В. Алекс еенко, Л. И. Мальцев, И. В. Кравченко, А. И. Кравченко; заявитель и патентообладатель ООО «Протэн-К» Заявл. 22.01.2013; опубл. 27.07.2014. Бюл. № 11.