Исследование характеристик распыления и зажигания водоугольных топлив с добавлением изопропилового спирта

В последние десятилетия ведутся активные исследования новых экологичных и энергоэффективных топлив по сравнению, например, с традиционными жидкими (мазут) и твердыми (уголь) энергоносителями [1]. Процесс выработки электрической энергии на угольных тепловых электрических станциях сопровождается масштабными выбросами в атмосферу антропогенных продуктов высокотемпературного сгорания [2], что приводит к глобальному загрязнению окружающей среды, изменению климата и угрозе здоровья населения планеты [3]. В результате многие страны стараются диверсифицировать энергетический сектор за счет использования экологически чистых и доступных видов топлива для производства электроэнергии [4]. В связи с современными требованиями к охране окружающей среды и снижению объемов вредных выбросов в атмосферу многокомпонентные топлива становятся перспективными [5, 6]. Такие топлива могут быть основаны на углях и различных горючих компонентах [5, 6]. При этом в последние десятилетия становится привлекательным отказ от традиционного сжигания угля при производстве электрической энергии и переход на водоугольные топлива (ВУТ) [7]. Исполь- зование ВУТ в качестве топлива на объектах энергетики позволит обеспечить ряд преимуществ производителям электрической энергии по критериям энергетики, экологии и экономики [8]: снижение (до 18 %) объемов эмиссии антропогенных соединений (оксиды серы и азота), малые риски возникновения пожаров и взрывов, широкий спектр доступных компонентов суспензий. Необходимо подчеркнуть, что в последние годы многие исследователи (например, [8–10]) отмечают целесообразность перехода от сжигания однородного угля в топках паровых и водогрейных котлов к водоугольным топливам. Однако ВУТ до сих пор не получили широкого применения в теплоэнергетике. Одной из главных причин, сдерживающих внедрение технологий ВУТ в энергетический сектор, является образование достаточно крупных капель топлива (более 1 мм) после распыления. Времена задержки их зажигания, как правило, большие – до 30 с в неблагоприятных условиях [11, 12]. Например, в России и других государствах исследованы характеристики и свойства водоугольных суспензий (ВУТ [13], органоводоугольных [14], с добавлением древесных отходов [15], спиртов [16, 17]). Однако такие топлива, как [16, 17] можно назвать спиртоугольными, так как содер- жание спирта в их составе составляет порядка 40 %. Такие суспензии невозможно использовать в реальной теплоэнергетике по целому ряду объективных причин. Основная – существенно более высокая (на 25–70 %) стоимость по сравнению с водоугольными. Вторая (не менее важная) – высокая пожарная опасность спиртоугольных топлив (содержание спирта – более 20 %). По этой причине целью работы является обоснование эффективности распыления и сжигания водоугольных суспензий с относительно небольшими добавками изопропилового спирта (ИС) по результатам экспериментальных исследований.

Методика экспериментальных исследований. Приготовление водоугольных суспензий

Исследовавшиеся ВУТ готовились на основе тощего угля. На первом этапе уголь подвергался измельчению в щековой дробилке (размер частиц на выходе – не более 30 мм), после чего осуществ- лялся его сухой помол в дезинтеграторе. Далее уголь просеивался при помощи вибросита с отбором материала фракцией до 200 мкм. Характеристики угля представлены в табл. 1.

Мокрый помол осуществлялся в керамическом барабане объемом 3 л при массовом соотношении угля и мелющих тел 1 : 1 в течение 1 ч. Схема подготовки суспензионного топлива представлена на рис. 1.

В процессе приготовления водоугольных суспензий использовались вода и изопропиловый спирт при температуре 293 К. Их основные свойства представлены в табл. 2.

Оценивать влияние спирта в составе водоугольного топлива на характеристики струи после распыления и параметры зажигания целесообразно с учетом изменения реологических свойств – вязкость, плотность и поверхностное натяжение (табл. 3).

Измерение динамической вязкости выполнено с помощью ротационного вискозиметра Brookfield

Таблица 1

Рис. 1. Схема подготовки топливной суспензии

Характеристики угля

Параметр	Тощий уголь
Зольность A d, %	3,2
Выход летучих V daf, %	13,5
Содержание углерода, % daf	91,0
Содержание водорода, % daf	3,8
Суммарная доля кислорода, азота и серы, % daf	5,2
Влажность, %	8,0

Параметры жидких компонентов суспензии

Таблица 2

Компонент	Плотность, кг/м3	Динамическая вязкость, 10–3 Па∙с	Поверхностное натяжение, мН/м
Изопропиловый спирт	787 [18]	1542 [19]	22,4 [20]
Вода	997	890	72,75

Водоугольные суспензии

Таблица 3

Состав, №	Суспензия	Вязкость при 100 с–1, мПа∙с	Коэффициент поверхностного натяжения, мН/м	Плотность, кг/м3
1	ВУТ	127	59,8	1824
2	ВУТ + 3 % ИС	154	60,1	1797
3	ВУТ + 5 % ИС	187	60,4	1755
4	ВУТ + 8 % ИС	237	60,8	1711

RVDV-II+Pro . Вод оугол ь н о е т опл и в о м а с с ой 0, 7 кг пом еща л ос ь в м е рный с т а ка н ци л и ндр иче с кой ф орм ы диа м е тром 100 м м . Шпи ндел ь вис козим е т р а пог р уж а л с я в ис с л едова в ше е с я топлив о. Вя з кость из м е ряли п у те м л ога рифм иче с кого ув елич е ни я скорос ти с д в и га от 0, 01 до 100 с ^–1 в течение 100 с.

З н а чен ия п л от нос те й ис с л е д ов а в ши х с я ВУ Т и сп иртов одо у гол ь ных топ лив (С ВУ Т ) опре д ел яли сь при пом ощи а ре ом етров об щего н аз н ачени я, п ре д на зн аченн ых д л я из м е ре ни я пл о тнос т и жид кос ти или многоком поне н тны х ра с тв оров , пл от нос ть которых находится в диа пазон е из м е нени я от 700 до 1900 кг/м³.

П ов е рх нос т ное на тя ж ение водоу гол ьны х то п л ив с относ ител ьно не бо л ь шой доба в ко й из оп ро пи л ов ого сп и рта в ы полн ен о а в том а тиче с к им тен зи оме тром (DC A T 9). Точн ос ть в ыполненны х из ме ре ний сос та вл я л а 0, 01 мН/ м . Вс е экс пе рим е нты в ы п олне ны 5 ра з дл я каж до го обра з ца при те м п ературе окружающей среды 293 К.

О б зор л и тера т у ры по пробле м а м ВУТ пока з а л [ 21, 22], что Na OH м ож е т ис пол ьз ов а ться в ка че с тве присадки-пл а с т иф икатора в одо угол ь ны х сус пе нзий. Э тот ком по не н т с т а би л изир уе т од нородность состава ВУТ – пре пят ствует е го ра с с л ое н ию. П ри п ров ед е ни и на ш их экс п ери м ен та л ь ных ис с л е дов а н ий NaOH пр им е ня л с я в ка че с тв е прис а д ки - пл а с ти фи ка т ора ка к наиболе е дос т у п ный и деш е в ы й м а те риал . В с ос та в в одоу гол ьного топ лив а NaOH добавлялся в количестве мен ее 1 % по массе.

Экспериментальные исследования влияния концентрации изопропилового спирта в составе ВУТ на характеристики процесса распыления выполнены в аэродинамическом имитаторе камеры сгорания энергетического котла (рис. 2а). Подача водоугольной суспензии осуществлялась из бака хранения топлива при помощи мембранного насо- са с пневматическим приводом. В качестве распыляющего агента использовался воздух, подаваемый компрессором на пневматическую форсунку с внутренним смешением. Диаметр сопла форсунки составлял 3 мм. Подсветка струи распыляемого топлива выполнялась лазерным ножом, ориентированным по оси факела. Использовавшееся в экспериментах устройство для распыления водоугольных суспензий (рис. 2б) представляет собой достаточно типичную конструкцию. Форсунка изготовлена из стали и позволяет распылять топливные суспензии с различными характеристиками (вязкость, плотность и т. д.) совместно с распылительным агентом (воздух). Конструкция форсунки выполнена с учетом анализа литературы, например [23–25], который показал, что исследования характеристик струи топлива после распыления выполняются с использованием двухжидкостных форсунок, в которых топливо и распыляющий агент выходят из сопла устройства распыления параллельно в осевом направлении.

В момент подсвечивания области исследования импульсом лазера осуществляется фоторегистрация струи цифровой кросскорреляционной камерой. Погрешность измерений с учетом возможных источников погрешности (таких как локальный градиент скорости, смещение капель, оптические эффекты и т. д.) не превышала 8 % аналогично [26–29]. Принципиальная схема стенда для регистрации капельной струи водоугольных топлив после распыления представлена на рис. 3.

Высокоскоростная визуализация характеристик струи и определение размеров капель выполнены методом Interferometric Particle Imaging (IPI) аналогично [26–28]. Обработка изображений осуществлялась при помощи программного обеспечения ActualFlow, разработанного компанией Сигма-Про (г. Новосибирск) [27–29].

а)

б)

Рис. 2. Стенд для изучения процесса распыления водоугольных топлив: а – фото стенда; б – продольный разрез форсунки

Рис. 3. Схема стенда для изучения процесса распыления водоугольных топлив: 1 – аэродинамический имитатор камеры сгорания; 2 – бак хранения топлива; 3 – насос с пневматическим приводом Yamada NDP15; 4 – компрессор; 5 – пневматическая форсунка с внутренним смешением; 6 – лазер Beamtech Vlite-200; 7 – кросскорреляционная видеокамера

ImperX Bobcat B2020; 8 – блок синхронизации SP-2.0 ПС; 9 – персональный компьютер

Рис. 4. Схема стенда по определению времени задержки зажигания топливных суспензий: 1 – стержень-держатель образца (капля); 2 – капля СВУТ/ВУТ; 3 – терморегулируемая печь; 4 – полый керамический цилиндр; 5 – нагревательный элемент; 5 – регулятор температуры; 6 – высокоскоростная видеокамера Photron Fastcam SA4; 7 – термопара;

8 – персональный компьютер

Для каждого исследованного состава водоугольной суспензии выполнено не менее 50 измерений. При обработке полученных результатов суммарное распределение капель топлива (X и , ) на всех изображениях нормировалось к общему числу идентифицированных капель (X К):

W = X^i • 100 %.

XK

При проведении экспериментов значения давлений распыляющего агента и топлива составляли Pт = 0,28 МПа и Pв = 0,3 МПа соответственно. Давление распыляющего агента выставлялось на 0,02 МПа меньше давления топлива с целью исключения эффекта «задавливания» вязкой суспен- зии воздухом в форсунке и далее по топливному тракту. Время проведения эксперимента для каждого состава составляло 100–120 с. Такой интервал времени является достаточным для формирования стабильной структуры струи. Размеры области исследования составляли: в продольном направлении струи – 0,1 м, перпендикулярно оси – 0,05 м. Эксперименты выполнены в хорошо воспроизводимых условиях при температуре окружающей среды 293 ± 2 К и относительной влажности 65 ± 3 %.

На рис. 4 представлена принципиальная схема стенда для проведения экспериментальных исследований по определению времен задержки зажи- гания капель СВУТ. Исследования выполнены в диапазоне температур окислителя (воздух) от 600 до 1000 °С. Соответствующие температуры характерны условиям подачи распыленных топливных суспензий в топочную камеру современных котельных установок. Начальный характерный размер капель – диаметр – составлял: 1,0; 1,5; 2,5 мм.

Методика определения времен задержки зажигания одиночных капель водоугольных суспензий состояла из нескольких этапов. В терморегулируемой печи устанавливалась необходимая температура (от 873 до 1273 К). Нагрев осуществлялся подачей напряжения на нихромовую проволоку нагревательного элемента диаметром 0,4 ⋅ 10^–3 м. Для регистрации температуры применялась хро-мель-алюмелевая термопара, помещенная в центр полого керамического цилиндра. Характерный размер капли определялся при помощи высокоскоростной видеокамеры. Капля исследовавшегося топлива размещалась на стержне-держателе, выполненном из стальной проволоки с наконечником в форме полусферы диаметром около 0,3 ⋅ 10^–3 м.

Временем задержки устойчивого зажигания принято время от момента ввода держателя с каплей в фокус камеры до появления свечения вокруг нее, соответствующего началу процесса горения. Эксперименты выполнены в идентичных и хорошо воспроизводимых условиях при комнатной температуре 293 К и относительной влажности 65 %.

Результаты и их обсуждение

На рис. 5 представлены типичные видеокадры, иллюстрирующие процесс распыления ВУТ и спиртосодержащих водоугольных суспензий. Введение изопропилового спирта в состав ВУТ приводит к изменению угла раскрытия струи при постоянных значениях давления распыляющего агента и топлива. Увеличение массовой концентрации ИС в составе водоугольного топлива при- водит к росту вязкости исследовавшихся СВУТ. Объясняется это замещением части воды в ВУТ на более вязкий изопропиловый спирт. Значение вязкости суспензии оказывает влияние на структуру струи. Высокая вязкость суспензии, в сравнении с типичным двухкомпонентным водоугольным топливом, препятствует деформации капель распыленного СВУТ за счет аэродинамического сопротивления окружающей среды (воздух). Такие капли топлива, как правило, после столкновения с другими разрушаются на несколько мелких или сохраняют свою целостность. При этом их траектории движения после первичного дробления практически не изменяются и ориентированы хаотично. Анализ результатов экспериментов показал, что с ростом концентрации ИС до 8 % по массе значение угла раскрытия струи увеличивается более чем на 11 %. Таким образом, можно сделать вывод, что увеличение вязкости исследовавшихся топлив с относительно небольшими добавками по массе ИС оказывает значимое влияние на угол раскрытия струи при распылении. При этом считается, что увеличение угла раскрытия струи способствует более равномерному распределению капель топлива по камере сгорания.

Обработка результатов экспериментов с использованием метода IPI позволила получить информацию о распределении идентифицированных капель исследовавшихся водоугольных суспензий (рис. 6). Капли распыленных топлив были условно разделены на три диапазона размеров – мелкие (0–200 мкм), средние (200–600 мкм) и крупные (более 600 мкм).

Представленные на рис. 6 результаты экспериментов иллюстрируют влияние концентрации третьего компонента водоугольного топлива на изменение количества капель различных размеров. При добавлении 3 масс. % ИС в состав водоугольной суспензии, приготовленной на основе тощего

ВУТ                ВУТ + 3 % ИС             ВУТ + 5 % ИС             ВУТ + 8 % ИС

Рис. 5. Изменение угла раскрытия струи после распыления спиртоводоугольного топлива

0         3         5         8

Содержание спирта. % по массе

• ■ О 200 мкм ■ 200 600 мкм  ■ более 600 мкм

Рис. 6. Влияние содержания изопропилового спирта на число капель водоугольного топлива после распыления угля, число капель малых размеров после распыления снижается, в то время как количество средних капель увеличивается. Дальнейшее повышение концентрации спирта в составе суспензии приводит к увеличению количества мелких и крупных капель и снижению числа капель среднего размера до уровня двухкомпонентного ВУТ.

На рис. 7 представлены кадры, иллюстрирующие стадии процесса зажигания капли спиртоводоугольного топлива. Сразу после введения капли топлива в нагретую до необходимой температуры камеру терморегулируемой печи начинается ее интенсивный нагрев. В результате этого жидкие компоненты (вода и спирт) суспензии начинают испаряться с приповерхностных слоев капли. Характерным признаком, идентифицирующим эту стадию, является трансформация поверхности капли, незначительное изменение ее размера и внешнего вида – переход от «глянцевого» к «мато- вому». Такие процессы способны протекать более или менее интенсивно в зависимости от компонентного состава топлива и начального характерного размера капли водоугольной суспензии. В результате протекания этих двух процессов формируется горючая смесь вокруг поверхности всей капли. Газофазное зажигание этой смеси осуществляется при достижении минимально необходимых концентраций паров спирта и горючих продуктов термического разложения угля при соответствующей температуре окислителя. Рост температуры окружающей среды вблизи поверхности капли инициирует возникновение новых локальных очагов пламени вблизи поверхности капли топлива.

На рис. 8 представлены зависимости, показывающие влияние концентрации изопропилового спирта на время задержки зажигания капель водоугольного топлива.

Рис. 7. Типичные видеокадры со стадиями зажигания капель СВУТ с добавлением 8 масс. % изопропилового спирта начальным характерным размером 1,0 мм при температуре окружающей среды 1000 °С

" 40 * -

• ■  1 мм_600

• — ▲— 1 мм_800

• •    •- 1 мм_1000

• ■  1,5 мм_600

• —    ▲— 1,5 мм_800

• -    e- 1,5 мм_1000

2,5 мм_600

— ▲— 2,5 мм_800

• -    •- 2,5 мм_1000

0^-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------г

Содержание спирта, % по массе

Рис. 8. Время задержки зажигания исследовавшихся составов топлива

Полученные результаты показывают, что введение изопропилового спирта в состав ВУТ приводит к снижению времени задержки зажигания топлива. Установлено, что добавление 3, 5 и 8 % ИС в среднем приводит к снижению времени задержки зажигания на 16, 22 и 29 % соответственно в сравнении с двухкомпонентным ВУТ при температуре 600 °С. При этом влияние изопропилового спирта становится более выраженным при увеличении температуры греющей среды.

Заключение

Выполнены комплексные экспериментальные исследования влияния изопропилового спирта в составе водоугольного топлива на характеристики струи после распыления и время задержки зажигания. Установлено, что введение в состав водо- угольного топлива на основе тощего угля изопропилового спирта приводит к увеличению угла раскрытия струи до 11 %. Данный факт способствует более равномерному распределению капель топлива по камере сгорания. При этом количество крупных капель (более 600 мкм) увеличивается незначительно – менее 2 % при концентрации спирта 8 % по массе. Время задержки зажигания при такой концентрации спирта сокращается в 2 раза по сравнению с двухкомпонентным ВУТ при температуре 1000 °С.

Работа выполнялась при поддержке в соответствии с дополнительным соглашением № 075-03-2021-138/3 о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (внутренний номер 075-ГЗ/Х4141/687/3).