Свойства водоугольных топлив с добавлением жидких горючих компонентов и характеристики их распыления для котлов промышленной теплоэнергетики

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………… 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ
ТОПЛИВ В ЭНЕРГЕТИКЕ……………………………………………………………………………. 18
1.1. Водоугольное топливо …………………………………………………………………………. 18
1.2. Реологические свойства водоугольных топлив ………………………………………. 19
1.3 Распыление водоугольных топлив …………………………………………………………. 22
1.4 Задачи исследования …………………………………………………………………………….. 24
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ …………. 26
2.1 Характеристика объекта исследования …………………………………………………… 26
2.2 Лабораторное оборудование и методика проведения исследований …………. 30
2.3 Оценка погрешностей измерений ………………………………………………………….. 36
2.4 Выводы по второй главе ……………………………………………………………………….. 38
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ
СУСПЕНЗИОННЫХ ТОПЛИВ……………………………………………………………………… 40
3.1 Свойства водоугольных топлив с добавлением изопропилового спирта …… 40
3.2 Свойства водоугольных топлив с добавлением жидких отходов переработки
РТИ ………………………………………………………………………………………………………….. 45
3.3 Свойства водоугольных топлив с добавлением отработанного моторного
масла ………………………………………………………………………………………………………… 50
3.4 Сравнение свойств водоугольных топлив с добавлением жидких горючих
компонентов ……………………………………………………………………………………………… 55
3.5 Выводы по третьей главе: ……………………………………………………………………… 59
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
РАСПЫЛЕНИЯ СУСПЕНЗИОННЫХ ТОПЛИВ…………………………………………….. 60
4.1 Скорость распыленной струи суспензионного топлива …………………………… 60
4.1.1 Скорость распыленной струи водоугольного топлива без добавления
жидких горючих компонентов …………………………………………………………………. 61
4.1.2 Скорость распыленной струи водоугольного топлива с добавлением
изопропилового спирта ……………………………………………………………………………. 63
4.1.3 Скорость распыленной струи водоугольного топлива с добавлением
жидких отходов переработки РТИ ……………………………………………………………. 65
4.1.4 Скорость распыленной струи водоугольного топлива с добавлением
отработанного моторного масла ………………………………………………………………. 67
4.1.5 Сравнение скоростей распыленной струи водоугольного топлива с
добавлением жидких горючих компонентов ……………………………………………… 69
4.2 Распределение по размерам капель распыленной струи водоугольного
топлива …………………………………………………………………………………………………….. 72
4.2.1 Распределение по размерам капель распыленной струи водоугольного
топлива без добавления жидких горючих компонентов……………………………… 72
4.2.2 Распределение по размерам капель распыленной струи водоугольного
топлива с добавлением изопропилового спирта ………………………………………… 74
4.2.3 Распределение по размерам капель распыленной струи водоугольного
топлива с добавлением жидких отходов переработки РТИ ………………………… 78
4.2.4 Распределение по размерам капель распыленной струи водоугольного
топлива с добавлением отработанного моторного масла ……………………………. 82
4.2.5 Сравнение распределения по размерам капель распыленной струи
водоугольного топлива с добавлением жидких горючих компонентов ……….. 86
4.3 Угол раскрытия струи …………………………………………………………………………… 87
4.3.1 Угол раскрытия распыленной струи водоугольного топлива без
добавления жидких горючих компонентов ……………………………………………….. 87
4.3.2 Угол раскрытия распыленной струи водоугольного топлива с
добавлением изопропилового спирта ……………………………………………………….. 88
4.3.3 Угол раскрытия распыленной струи водоугольного топлива с
добавлением жидких отходов переработки РТИ ……………………………………….. 90
4.3.4 Угол раскрытия распыленной струи водоугольного топлива с
добавлением отработанного моторного масла …………………………………………… 93
4.3.5 Сравнение угла раскрытия распыленной струи водоугольного топлива с
добавлением жидких горючих компонентов ……………………………………………… 96
4.4 Выводы по четвертой главе: ………………………………………………………………….. 98
ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЖИДКИХ
ГОРЮЧИХ ДОБАВОК В СОСТАВЕ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА И
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
………………………………………………………………………………………………………………….. 100
5.1 Обоснование предельных концентраций жидких горючих добавок в составе
водоугольного топлива …………………………………………………………………………….. 100
5.2 Рекомендации по использованию результатов исследования …………………. 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………….. 104
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ………………………………………………………………………….. 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………. 107
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Патент на изобретение. …………………………………………………… 121
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт о внедрении. ……………………………………………………………. 122

В работе рассмотрены вопросы распыления водоугольных топлив на основе
углей марки 3Б, Д и Т с добавлением жидких горючих компонентов
(изопропиловый спирт, жидкие отходы переработки РТИ, отработанное моторное
масло) для повышения теплотворной способности по сравнению с типичными
водоугольными топливами.
На основании аналитического обзора охарактеризовано состояние области
исследований, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы.
По результатам экспериментов получены зависимости вязкости, плотности,
коэффициента поверхностного натяжения, скорости капель, угла раскрытия струи
от доли и типа жидких горючих компонентов в составе суспензионного топлива, а
также распределение капель по размерам после распыления таких топлив.
Сформулированы следующие выводы.
1. Создан действующий стенд для экспериментальных исследований
распыления суспензионных топлив.
2. Установлено, что добавление в состав типичного водоугольного
топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.%
жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного
моторного масла приводит к повышению вязкости до 29, 64 и 77%, плотности до
1,5, 6 и 8% и коэффициента поверхностного натяжения до 2,5, 8 и 12%,
соответственно.
3. Определено, что из трех исследовавшихся марок углей суспензионное
топливо на основе угля марки 3Б обладает наибольшей вязкостью (347 мПа∙с), а
суспензионное топливо на основе угля марки Т – наименьшей (140 мПа∙с). Это
связано с их степенью метаморфизма и, соответственно, средним размером пор.
4. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей
марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов
переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла
приводит к росту угла раскрытия струи до 6, 15 и 22%, соответственно. Дальнейшее
увеличение концентрации изопропилового спирта влечет за собой значительный
прирост стоимости топлива. Увеличение концентрации жидких отходов
переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла до 12
мас.% приводит к образованию достаточно крупных агломератов капель после
распыления, что, как известно, приводит к увеличению времени задержки
зажигания топлива.
5. Установлено, что введение в состав типичного водоугольного топлива
на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких
отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного
масла приводит к снижению средней скорости струи до 10, 13 и 14%,
соответственно. Таким образом, использование жидких горючих компонентов
снижает среднюю скорость капель, что приводит к увеличению времени их
пребывания в камере сгорания, снижению недожога и, соответственно,
повышению эффективности работы котлов промышленной теплоэнергетики. При
этом доказано, что невозможно описать изменение скорости частиц
исследовавшихся составов одним законом.
6. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей
марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов
переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла не
приводит к значительному снижению (до 2, 8 и 5%, соответственно) числа капель
малого размера (до 300 мкм) после распыления.
7. Предельная концентрация изопропилового спирта в качестве жидкого
горючего компонента в составе суспензионного топлива на основе углей марки 3Б,
Д и Т составляет не более 3 мас.%, а жидких отходов переработки
резинотехнических изделий и отработанного моторного масла – не более 8 мас.%.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БОС – блок оптического сжатия;
ВИЭ – возобновляемые источники энергии;
ВУТ – водоугольное топливо;
ИГИ – Институт горючих ископаемых;
ИС – изопропиловый спирт;
РТИ – резинотехнические изделия;
ОВУТ – органо-водоугольное топливо;
ОММ – отработанное моторное масло;
ОРТИ – отходы переработки резинотехнических изделий
ПК – персональный компьютер;
ПО – программное обеспечение;
ТЭС – тепловая электрическая станция;
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль;
ЭНИН – Энергетический Институт имени Кржижановского;
HELE – high-efficiency low emission;
IPI – Interferometric Particle Imaging;
PIV – Particle Image Velocimetry.