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.
Рис. 1. Кавитационная установка
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.