Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

СOMPARATIVE EVALUATION OF EFFICIENCY OF MECHANICAL ACTIVATION AND CAVITATION METHODS IN ORGANO- COAL-WATER FUEL PREPARATION

Surkov V.G. 1 Golovko А.K. 1
1 Institute of Petroleum Chemistry
1974 KB
The efficiencies of mechanical activation and cavitation method, used to prepare organowater-coal fuel, have been comparatively estimated. As an organic part of the fuel we used a fluid flowing as natural surface shows of «Internatsionalny» mine (Mirny), representing a stable water-oil emulsion containing 10 – 12 wt. % of saline water, and brown coal from Barandatskoye deposit located in Kemerovo region. It was determined by investigations that at cavitation treatment and mechanical activation one can obtain stable suspensions containing liquid hydrocarbon, coal and water. The presence of water in the emulsion intensifies the combustion of coal contained in the mixture. Fuel compositions WOE + coal + water prepared by cavitation ignite almost instantly. The intense boiling was observed in all mixtures. It was accompanied by the removal of the coal particles and their combustion in the flame. The increased portion of coal in the mixture prolongs coal combustion and the burning time of the entire mixture. To obtain suspensions with a high coal content of > 30 % is preferable to use cavitation treatment. Substantial increase in complete combustion of suspensions containing liquid hydrocarbon, coal and water obtained at cavitation treatment and mechanical activation can be achieved due to injection of ~ 20 % of water into the mixt
organowater-coal fuel
mechanoactivation
cavitation
combustion

Традиционное использование жидких углеводородных продуктов нефтяного или угольного происхождения в качестве топлива в теплоэнергетических установках сопряжено со значительными трудностями в случае их обводненности. Целесообразно превращать обводненные жидкие топлива в тонкодисперсные устойчивые водоуглеводородные системы, эффективность сжигания которых подтверждена многочисленными исследованиями и промышленным применением [1]. Для приготовления однородных композиционных топлив используются современные высокоэффективные устройства, такие как дезинтеграторы и кавитационные аппараты.

Большинство тепловых и теплоэнергетических комплексов как в России, так и за рубежом, используют в качестве энергетического источника уголь в порошкообразном состоянии. Его производство считается очень энергозатратным, к тому же используется дорогостоящее оборудование.

Эффективность сжигания угля можно повысить, используя его в виде водоугольного топлива. Водоугольное топливо обладает всеми свойствами жидкого топлива и вполне может заменить на небольших котельных мазут [2]. Для приготовления водоугольного топлива могут быть использованы мельницы механоактиваторы, позволяющие получать частицы угля микронного размера.

Введение в состав водоугольных суспензий не кондиционных нефтепродуктов позволит существенно увеличить теплотворную способность таких топлив. Для получения устойчивых и пригодных для сжигания органоводоугольных топлив необходимо совместить стадию диспергирования смеси и измельчения угля.

Цель данной работы – сравнительная оценка эффективности механоактивационного и кавитационного способов приготовления органоводоугольных топлив.

Материалы и методы исследования

В работе использовался флюид, вытекающий в виде естественного поверхностного проявления рудника «Интернациональный» (г. Мирный) и представляющий собой стойкую водонефтяную эмульсию содержащую 10 – 12 % мас. минерализованной воды, и бурый уголь Барандатского месторождения Кемеровской области. Основные характеристики использованной водонефтяной эмульсии (ВНЭ) и угля приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики использованных материалов

Исходная ВНЭ

Показатель

Значение

Показатель

Значение

Содержание воды, % мас.

Содержание хлористых солей, мг/л

Плотность при 20 °С, кг/м3

10,5

3640

911,1

Вязкость кинематическая при 20 °С, сСт

Вязкость условная при 20 °С, °Е

84,9

24,35

Обезвоженная ВНЭ

Плотность при 20 °С, кг/м3

Вязкость кинематическая

при 20 °С, сСт

Вязкость условная при 20 °С, °Е

Температура застывания, °С

Температура вспышки

в открытом тигле, °С

902,0

283,8

37,3

-35,3

81,5

Коксуемость, % мас.

Зольность, % мас.

НК, Фракционный состав, °С

отгоняется, % объемн.

при 200 °С

при 300 °С

при 350 °С

4,68

0,48

115

4,5

27,5

44,5

Уголь

Марка

Влажность, Wг, %

Зольность, Аг, %

Фракция, мкм

Б 2

10,4

4,2

< 200

Калорийность, кал/гр.

Содержание серы, Sг, %

выход летучих, Vdat, %

3540

0,2

4,38

Для обработки и приготовления смесей использовались: кавитационная установка (рис. 1), ООО «Технокомплекс» (г. Барнаул) и планетарная мельница АГО-2М (рис. 2), ЗАО «Новиц» (г. Новосибирск), центробежное ускорение мелющих тел (стальные шары диаметром 8 мм) – 600 м/с2.

surk1.tif

Рис. 1. Кавитационная установка

surk2.tif

Рис. 2. Планетарная мельница

Для определения характеристик горения чашечки из танталовой фольги с навеской смеси (1 + 0.05 грамм) помещались в муфельную печь с заданной температурой. Для обеспечения равномерности прогрева печь выдерживалась при нужной температуре в течение 4 часов. С помощью секундомера измерялось время горения и визуально оценивался характер горения. Эксперименты проводились 3х кратно и результаты усреднялись.

Результаты исследования и их обсуждение

Общая характеристика полученных смесей.

В результате кавитационной обработки (10 минут) смесей ВНЭ – уголь – вода, содержащих от 20 до 40 % угля и до 20 % воды (вода добавлялась с учетом имеющейся в ВНЭ воды) получается устойчивая однородная суспензия. Внешний вид смесей подвергнутых механоактивционной (МА) обработке, аналогичен. Через две недели, после помещения обработанных смесей в мерные цилиндры, появляется с трудом определяемая граница, разделяющая более темную нижнюю и верхнюю части смеси. Отслоения воды не обнаруживается. После небольшого перемешивания первоначальная консинстенция смесей восстанавливается.

Влияние механоактивационной обработки на горение смеси ВНЭ – уголь.

В табл. 2 (пп. № 1-4) представлены экспериментальные результаты по сжиганию МА смесей ВНЭ – уголь содержащих 20 % воды (время механоактивационной обработки 10 минут).

Таблица 2

Характеристики горения смесей ВНЭ – уголь – вода

№ п/п

Смесь ВНЭ/уголь

+ 20 % Н2О

Зольность, % мас.

Задержка воспл., сек

Время выгорания угля, сек

Полное время горения, сек

 

Смеси приготовленные МА обработкой

1

80/20

8,3

1

13

32,7

2

70/30

12,6

1,3

13,3

37,7

3

60/40

19,6

1,3

Нет

46

4

50/50

23,9

2

Нет

93

 

Смеси приготовленные кавитационной обработкой

5

80/20

5,1

1

19,3

29,3

6

70/30

7,17

1

18,7

30,7

7

60/40

9,5

1

22,7

37,3

При температуре 800 °С помещенные в печь смеси через 1 – 2 секунды воспламеняются, наблюдается интенсивное кипение смесей, в факеле пламени при содержании угля в исходной смеси 20 и 30 % визуально наблюдаются интенсивное сгорающие частицы угля. Кипение прекращается через ~ 13 секунд, одновременно прекращается вынос частиц угля в факел пламени, далее смесь сгорает равномерным пламенем.

Влияние кавитационной обработки на горение смеси ВНЭ – уголь.

В табл. 2 (пп. № 5 – 7) представлены экспериментальные данные по сжиганию смесей ВНЭ – уголь содержащих 20 % воды, подвергнутых кавитационной обработке, в течение 10 минут.

Топливные композиции ВНЭ + уголь + + вода, приготовленные кавитацией воспламеняются практически мгновенно. У всех смесей наблюдается интенсивное кипение, сопровождающееся выносом частиц угля и их сгоранием в факеле пламени. С увеличением доли угля в смеси увеличивается время горения угля и время горения всей смеси.

Выводы

1. При кавитационной и МА обработке возможно получение устойчивых суспензий содержащих жидкие углеводороды, уголь и воду.

2. Наличие воды в суспензии интенсифицирует сгорание угля, содержащегося в смеси.

3. Существенное увеличение полноты сгорания суспензий, содержащих жидкие углеводороды, уголь и воду, полученных кавитационной и МА обработкой может быть достигнуто при введении в смесь ~ 20 % воды.