CC BY
1
Оригинальная статья
Original Paper
УДК 622.76 © В.А. КузнецовН, 2025
UDC 622.76 © V.A. KuznetsovH, 2025
ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия Н e-mail: [email protected]
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation, H e-mail: [email protected]
экспериментальное исследование зависимости периода индукции воспламенения
водоугольного топлива от концентрации кислорода в потоке*
Experimental study of the dependence of the ignition induction period of coal-water fuel on the oxygen concentration in the flow
ве Балахтинского бурого угля. Установлена зависимость времени воспламенения капель ВУТ от концентрации кислорода в потоке, доли воды, температуры среды и концентрации топлива в объеме. Показано, что увеличение концентрации кислорода в потоке с 21 до 30% (об.) приводит к уменьшению периода индукции воспламенения потока капель ВУТ на 54% (при температуре 600-700°С и содержании воды в топливе 55-75% (масс.)). Уменьшение доли воды в топливе с 75 до 55% (масс.) приводит к уменьшению периода индукции зажигания на 46%> для рассматриваемых условий.
Ключевые слова: воспламенение, форсунка, распыл топлива, водоугольное топливо, период индукции воспламенения, кислородное горение, чистые технологии, снижение выбросов.
Для цитирования: Кузнецов В.А. Экспериментальное исследование зависимости периода индукции воспламенения водоугольного топлива от концентрации кислорода в потоке // Уголь. 2025;(2):29-33. DOI: 10.18796/0041 -5790-2025-2-29-33.
Abstract
The technology of drip-flare combustion of coal-water fuel (CWF) has a number of advantages: reduction of harmful emissions, the possibility of using waste, the possibility _
of transportation through a pipeline, explosion and fire safety. The main disadvantages ' Исследование выполнено за счет гранта
include the low reactivity of the CWF during ignition. In this paper, the dependence Российского научного фонда №23-79-01267,
of the ignition process of a stream of coal-water fuel droplets on the oxygen concen- https://rscf.ru/project/23-79-01267/.
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2025-2-29-33
Технология капельно-факельного сжигания водоугольного топлива (ВУТ) имеет КУЗНЕЦОВ В.А.
ряд преимуществ: снижение вредных выбросов, возможность использования от- Канд. техн. наук,
ходов, возможность транспортировки по трубопроводу взрыво- и пожаробезо- доцент кафедры теплофизики
пасность. К основным недостаткам можно отнести низкую реакционную способ- ФГАОУ ВО «Сибирский
ность ВУТ при воспламенении. В данной работе экспериментально исследова- федеральный университет»,
на зависимость процесса воспламенения потока капель водоугольного топлива 660041, г. Красноярск, Россия,
от концентрации кислорода в дутье. Образцы ВУТ были приготовлены на осно- e-mail: [email protected]
переработка угля • coal preparation
tration in the blast is experimentally investigated. The CWF samples were prepared on the basis of Balakhta brown coal The dependence of the ignition time of the CWF droplets on the oxygen concentration in the stream, the proportion of water, the temperature of the medium and the concentration of fuel in the volume has been established. It is shown that an increase in the oxygen concentration in the stream from 21 to 30% (vol) leads to a decrease in the induction period of ignition of the CWF droplet stream by 54% (at a temperature of600-700°C and a water content in the fuel of55-75% (wt)). A decrease in the proportion of water in the fuel from 75 to 55% (wt.) This reduces the ignition induction period by 46% for the conditions under consideration. Keywords
Ignition, nozzle, fuel spray, coal-water fuel, ignition induction period, oxygen combustion, clean technologies, emission reduction.
Acknowledgements
The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-79-01267, https://rscf.ru/en/proj-ect/23-79-01267/. For citation
Kuznetsov V.A. Experimental study of the dependence of the ignition induction period of coal-water fuel on the oxygen concentration in the flow. Ugol'. 2025;(2):29-33. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-29-33.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных способов переработки твердого углеводородного топлива (в том числе отходов) является технология капельно-факельного сжигания в виде суспензионного топлива (или водоугольное топливо, ВУТ) [1]. Научные исследования показали, что такое топливо обладает рядом преимуществ, одним из которых и самым важным является снижение уровня вредных выбросов. Из исследований определено, что наличие пара в зоне окисления позволяет снизить уровень вредных выбросов и повысить эффективность переработки [2, 3].
Но существенным недостатком ВУТ является его повышенный период индукции воспламенения. Вода в данном случае выступает в роле ингибитора. При внедрении технологии капельно-факельного сжигания ВУТ на станции возникает необходимость применения различных способов повышения эффективности воспламенения. Решение этой проблемы может лежать в двух направлениях. В первом осуществляется воздействие на свойства самого топлива. Например, изменение соотношения влаги и угля [4], изменение компонентного состава [5], добавление легко воспламеняемых компонентов [5], уменьшение размера капель [6], добавка катализатора, организация эффекта микровзрыва капель и др. Во втором направлении для сокращения времени воспламенения осуществляется воздействие на параметры окружающей среды. Например, увеличение температуры среды [1, 7], изменение теплофизи-ческих характеристик среды, использование плазматро-на [8], увеличение времени нахождения топлива в камере [7], использование подсветки дизельного факела, изменение состава дутья и др.
Из литературных данных известно, что повышение концентрации кислорода в дутье позволяет снизить время воспламенения топлива [9, 10, 11]. Из основных достоинств технологии кислородного сжигания (или повышения доли кислорода) можно выделить снижение уровня вредных выбросов ^Ох, СО), более полное выгорание топлива, снижение ингибирующего эффекта, снижение тепловых потерь с уходящими дымовыми газами.
Несмотря на широкий интерес научного сообщества к водоугольному топливу, до настоящего времени подробно не исследована зависимость периода индукции воспламенения ВУТ от концентрации кислорода в потоке. Ранее проведенные работы были акцентированы на исследованиях процессов, протекающих в воздушной среде. Обзор литературы показал, что лишь в нескольких работах представлена информация о сжигании водоугольного топлива при наличии дутья с повышенной концентрацией кислорода [9, 10, 12, 13].
Целью работы являются разработка экспериментальной методики определения периода индукции воспламенения потока капель ВУТ в адиабатических условиях; создание лабораторного стенда; определение зависимости периода индукции воспламенения от концентрации кислорода, доли воды, температуры окислителя и концентрации топлива в потоке.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальная методика определения периода индукции воспламенения ВУТ в потоке заключается в следующем принципе. В вертикальную трубчатую камеру (диаметром 5 см) подается с торца нагретый до 500-800°С газ-окислитель (с разной концентрацией кислорода) с расходом около 1-3 м3/ч. Стенки реакционной камеры нагреты до температуры газового потока (500-800°С). Важным моментом является равенство температуры несущей среды и стенок камеры реактора. Это позволяет убрать тепловой поток на стенках и обеспечить адиабатические условия. С помощью питателя в камеру подается (распыляется) исследуемое топливо. В результате образовавшаяся смесь газа и топлива движется в трубе стенда со скоростью, соответствующей расходу. Топливо, двигаясь вдоль реакционной камеры, подвергается процессам нагрева, испарения влаги и пиролиза летучих компонент. Далее летучие компоненты, нагреваясь до критической температуры, воспламеняются. Самовозгорание происходит на определенном расстоянии от сопла подачи топлива. Таким образом, зная скорость потока и расстояние, на котором произошло воспламенение, можно определить период индукции воспламенения топлива в различных условиях.
В соответствии с предложенной методикой, за основу разработанной лабораторной установки была выбрана реакционная камера трубчатой формы, выполненная из мул-литокремнеземистого материала, длинной 1200 мм и внутренним диаметром 50 мм. Для нагрева стен трубы на нее нанесена обмотка (с шагом 1 см) проволокой из фехраля. Также основным элементом установки является нагреватель газа-окислителя. В качестве нагревателя была выбрана трубка из нержавеющий стали, нагрев которой осуществлялся посредством подачи на нее электрического тока. Газ,
форсунка
0
0 10 mm):
( ' ' ' >
0 50 mm 1
б Воздух ВУт Воздух
Рис. 1. Схема подачи окислителя и топлива в трубчатый реактор: а - каналы подачи окислителя в камеру, б - схема форсунки для распыла ВУТ (мм)
Fig. 1. A flow diagram of supplying the oxidizer and fuel into the tubular reactor: а - channels to supply the oxidizer into the chamber, б - a schematic view of the atomizing nozzle for the water-coal fuel (mm)
Рис. 2. Схема лабораторной установки
Fig. 2. A schematic diagram of the laboratory installation
Параметры Балахтинского бурого угля
Parameters of the Balakhta brown coal
W, % A, % % S, % Qa, МДж/кг Q, МДж/кг
21,8 6,3 44,4 0,3 29,85 20,94
проходя через горячие трубки, нагревался до требуемых температур. На рис. 1, а показана схема подачи нагретого газа в камеру реактора. Численные расчеты холодной задачи показали, что данная схема подвода обеспечивает быстрое выравниванием потока в основной трубе. Для подачи и распыла топлива было выбрано сопло, представленное на рис. 1, б. Данный способ подачи топлива обеспечивал дискретный поток капель в трубчатом реакторе.
На рис. 2 представлена полная схема лабораторной установки для изучения периода индукции воспламе-
нения ВУТ в среде с разными параметрами. В качестве окислителя был выбран воздух с добавлением кислорода. Воздух, необходимый для проведения исследований, нагнетался вихревой воздуходувкой. Измерение расхода воздуха осуществлялось расходомером с точностью до 0,01 м3/ч. Фиксация расстояния, на котором происходило воспламенение смеси, осуществлялось через 11 прозрачных кварцевых герметичных окон (размером 10x20 мм), расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга (0,1 м). Измерение температуры осуществлялось в разных точках камеры при помощи хромель-алюмелевых термопар и прибора ТРМ138. Повышение концентрации кислорода в дутье осуществлялось подачей технического кислорода из баллона с наличием редуктора. Концентрация кислорода в газе на входе в камеру измерялась при помощи газоанализатора (абсолютная погрешность электрохимического датчика равна 0,2 об.%).
В качестве основы для приготовления во-доугольного топлива был выбран Балахтин-ский бурый уголь (см. таблицу). Подготовлено три оптимальных образца с содержанием воды 55, 65, 75 масс.% и размером частиц 0-50 мкм. Минимальный диаметр капель составляет 20-40 мкм, а максимальный равен 400-500 мкм. Плотность образцов равна: 1121 (55% воды), 1094 (65% воды), 1064 кг/ м3 (75% воды). Для полученных образцов топлива были проведены исследования при температуре 600, 650 и 700°С и концентрацией кислорода в камере 0,21, 0,25, 0,3 об.доли. Расход окислителя в опытах менялся в пределах 1,108-2,664 м3/ч, что соответствует скорости потока в камере 0,47-1,18 м/с. Расход ВУТ изменялся в пределах 0,52-1,445 кг/ч. При расчете скорости в трубе были учтены следующие параметры: расход воздуха, расход кислорода, расход газа на форсунке, концентрация кислорода, плотность газа (при температуре 600-700°С).
а
■
переработка угля • coal preparation
а
1,8
1,6
1,4
1,2
с
i 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,
0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 O2, об. %
б 1,8 1,6 1,4 1,2
с
i 1 t0,8 0,6 0,4 0,2 0
J-t-
вода 75% вода 65% вода 55%
0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 O2, об. %
в 1,8 1,6 1,4 1,2
с
i 1
0,8 0,6 0,4 0,2
вода 75% вода 65% вода 55%
0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 O2, об. %
Рис. 3. Время воспламенения ВУТпри температуре: а - 600°С, б - 650°С, в - 700°С Fig. 3. The water-coal fuel ignition time at the temperatures of: а - 600°С, б - 650°С, в - 700°С
На основе полученных данных в эксперименте был рассчитан период индукции воспламенения ВУТ при разных параметрах среды и разном содержании воды в топливе (рис. 3). На графиках представлена зависимость времени воспламенения ВУТ при трех температурах в камере. Коэффициент избытка окислителя (при О2 - 21 об.%) находился в диапазоне 0,6-1,2 (зависит от доли содержания воды в топливе). Видно, что при увеличении концентрации кислорода или уменьшении доли воды время воспламенения уменьшается (см. рис. 3).
Анализ результатов показал (см. рис. 3, а), что при 600°С (для трех вариантов влажности) увеличение концентрации кислорода с 21 до 30 об.% приводит к снижению времени до воспламенения на 51%. Снижение доли воды с 75 до 55%(масс.) уменьшает период индукции на 51% (в среднем для трех концентраций кислорода).
В вариантах с температурой 650°С увеличение концентрации кислорода с 21 до 30 об.% приводит к снижению времени до воспламенения на 62%. В среднем для трех концентраций кислорода снижение доли воды с 75 до 55%(масс.) уменьшает период индукции на 46% (см. рис. 3, б).
Для трех вариантов влажности (при 700°С) увеличение концентрации кислорода с 21 до 30 об.% приводит к снижению времени до воспламенения на 50% (см. рис. 3, в). Снижение доли воды с 75 до 55%(масс.) уменьшает период индукции на 41% (в среднем для трех концентраций кислорода).
Если сделать оценки зависимости периода индукции от температуры, то в данном случае необходимо учесть изменение концентрации топлива. Так, при увеличении температуры с 600 до 650°С (при этом концентрация топлива в обоих случаях равна 0,6 кг/м3) время до воспламенения уменьшилось на 58% (см. рис. 3, а, б). Но в случае увеличения температуры с 650 до 700°С (при этом произвели увеличение концентрации топлива с 0,6 до 0,7 кг/м3) период индукции уменьшился на 7%. Видно, что в первом случае повышение температуры на 50 градусов привело к существенному изменению времени, а во втором случае при таком же повышении наблюдается несущественное изменение. Данный эффект подтверждает зависимость периода индукции воспламенения еще и от концентрации топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования воспламенения ВУТ в трубчатом реакторе для выбранных параметров показали, что увеличение концентрации кислорода на 1 об.% приводит к уменьшению периода индукции зажигания ВУТ на 6%. Уменьшение доли воды в топливе на 1%(масс.) снижает период индукции зажигания ВУТ на 2,3%.
Полученные закономерности процессов воспламенения ВУТ имеют фундаментальный характер и могут быть приняты за основу при проведении научно-исследовательских и конструкторских работ при проектировании новых котельных агрегатов для сжигания ВУТ. Полученные экспериментальные данные позволят проводить верификацию и настройку математических моделей и численных методик описания физико-химических процессов воспламенения, горения и газификации водоугольного топлива в потоке с повышенной концентрацией кислорода в условиях, приближенных к топочным.
Список литературы • References
1. Результаты опытно-эксплуатационного сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности / С.В. Алексеен-ко, Л.И. Мальцев, А.Р. Богомолов и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 12. 16-28.
Alekseenko S.V., Maltsev L.I., Bogomolov A.R. at al. Results of pilot-operating combustion of coal-water fuel in a low-capacity hot water boiler. Izvestiya Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2017;328(12):16-28. (In Russ.).
2. Fan Y., Wu Т., Xiao D., Xu H., Li X., Xu M. Effect of port water injection on the characteristics of combustion and emissions in a spark ignition direct injection engine. Fuel. 2021 ;(283):119271. https://doi. org/10.1016/J.FUEL.2020.119271.
3. Sehat A., Ommi F., Saboohi Z. Effects of steam addition and/or injection on the combustion characteristics: A review. Therm. Sci. 2021;(25):1625-52. https://doi.org/10.2298/TSCI191030452S.
4. Salomatov V., Kuznetsov G., Syrodoy S., Gutareva N. Mathematical and physical modeling of the coal-water fuel particle ignition with a liquid film on the surface. Energy Reports. 2020;(6):628-43. https:// doi.org/10.1016/j.egyr.2020.02.006.
5. Chernetskiy M., Vershinina K., Strizhak P. Computational modeling ofthe combustion of coal-water slurries containing petrochemicals. Fuel. 2018;(220):109-19. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.02.006.
6. Xue Z., Gong Y.,Guo Q., Wang F., Yu G. Visualization study on breakup modes of coal-water slurry in an impinging entrained-flow gasifier. Fuel. 2019;(244):40-7. https://doi.org/10.10167j.fuel.2019.01.186.
7. Термодинамический и химический анализ процессов воспламенения и горения водоугольного топлива в адиабатической камере сжигания / В.И. Карпенок, В.И. Мурко, В.П. Мастихина и др. // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, 2021, 14(4). С. 385-398. DOI: 10.17516/1999-494X-0319. Karpenok V.I., Murko V.I., Mastikhina V.P., Loboda Yu.A. Thermodynamic and chemical analysis of water-coal fuel ignition and combustion in adiabatic combustion chamber. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Tekhnika i tekhnologii, 2021;(4):385-398. (In Russ.). DOI: 10.17516/1999-494X-0319.
8. Разработка методических основ сжигания тонкодисперсных во-доугольных суспензии при плазменном сопровождении в кот-лоагрегатах ТЭС: дис. канд. техн. наук: 05.14.14 / Бойко Е.Е. / Но-вос. гос. тех. университет. Новосибирск, 2018. 260 с.
9. Gaber C., Wachter P., Demuth M., Hochenauer C. Experimental investigation and demonstration of pilot-scale combustion of oil-water emulsions and coal-water slurry with pronounced water contents at elevated temperatures with the use of pure oxygen. Fuel. 2020;(282):118692. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118692.
10. Морозов А.Г. Практические результаты сжигания водоугольного топлива // Новости теплоснабжения. 2015. № 6.
Morozov A.G. Practical results of water-coal fuel combustion. Novosti teplosnabzheniya. 2015;(6). (In Russ.).
11. Kuznetsov V.A., Bozheeva D.M., Minakov A.V. Entrained-flow oxy-gasification of pulverized coal in CO2-H2O-O2 environment. Environ Sci. Pollut. Res. 2023. https://doi.org/10.1007/s11356-023-30401-2.
12. Dobo Z., Backman M., Whitty K.J. Experimental study and demonstration of pilot-scale oxy-coal combustion at elevated temperatures and pressures. Appl Energy. 2019;(252):113450. https://doi. org/10.1016/j.apenergy.2019.113450.
13. Kuznetsov V.A., Bozheeva D.M., Minakov A.V. Numerical study on processes of oxy-fuel combustion of coal-water slurry in the furnace chamber. Fuel. 2024;(371):132034. https://doi.org/10.1016/j. fuel.2024.132034.
Authors Information
Kuznetsov V.A. - PhD (Engineering), Associate Professor of the Department of Thermophysics, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию: 11.10.2024 Поступила после рецензирования: 17.01.2025 Принята к публикации: 27.01.2025
Paper info
Received October 11,2024 Reviewed January 17,2025 Accepted January27,2025
Горняки AO «СУЭК-Красноярск» по итогам 2024 г. установили новые производственные рекорды
По итогам декабря 2024 г. филиал АО «СУЭК-Красноярск» «Разрез Березовский» достиг максимальных с 2001 г. показателей месячной добычи - свыше 1 млн 170 тыс. т угля. В том числе впервые за всю историю предприятия более 1 млн 85 тыс. т. было отгружено на Березовскую ГРЭС.
«Березовский разрез в последние годы уверенно демонстрирует высокие темпы роста добычи, не перестает нас радовать производственными достижениями, - отмечает генеральный директор АО «СУЭК-Красноярск» Евгений Евтушенко. - Первыми, в конце ноября 2024 г. они выполнили годовой производственный план, добыв по итогам года свыше 7 млн т угля. Основу для таких показателей березовскиеугольщики начали закладывать с начала года: в феврале 2024 г. на разрезе был установлен рекорд по суточной добыче угля - было отгружено почти 81 тыс. 700 т угля. За первые дни 2025 г., юбилейного для предприятия, потребителям уже направлено почти 300 тыс. т угля. Я благодарю весь коллектив Березовского разреза за плодотворную работу, высокий профессионализм и преданность делу. Желаю всем здо-
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
ровья, безопасной, безаварийной работы, новых трудовых свершений!»
Новые трудовые вершины покорили и горняки Бородинского разреза - по итогам года они направили потребителям свыше 24 млн 800 тыс. т угля, что на 200 тыс. больше показателей рекордного 2008 г.
На Назаровском разрезе высоких результатов достигли вскрышники: в 2024 г. бригада экскаватора ЭШ-20/90 № 29 под руководством Сергея Можгина переместила в отвалы свыше 6 млн 700 тыс. куб. м породы. Производственные успехи экипаж драглайна демонстрировал в течение всего года, а в августе достиг рекордных показателей: по итогам месяца в отвалы было отправлено свыше 620 тыс. куб. м горной массы.
Напомним, в 2024 г. все предприятия АО «СУЭК-Красноярск» досрочно выполнили производственные планы. Потребителям доставили более 36 млн т угля - таких показателей Компания достигла впервые за всю свою историю.
Пресс-служба АО «СУЭК-Красноярск»
