Experimental studies into the effect of air pressure on the atomization characteristics of coal-water slurries

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper studies the effect of atomizing agent pressure on the spray characteristics after spraying coal-water slurry that contains small additives of liquid waste from the pyrolysis of industrial rubber goods and used engine oil. The conducted experiments used automobile tires as the indicated rubber products; spraying was carried out employing an internal mixing pneumatic atomizer. Following the atomization of considered fuels, droplet size changes were studied using the interferometric particle imaging (IPI) technique. The spray angle was determined by means of a Photron high-speed camera. In addition, coal-water slurry containing liquid waste from the pyrolysis of industrial rubber goods and used engine oil (3–12 wt%) was sprayed to study the effect of atomizing agent pressure on the spray characteristics. A decrease in air pressure was found to reduce the spray angle by less than 6%, which resulted in the formation of rather large droplets exceeding 600 µm in size. It is experimentally confirmed that more fine droplets are formed at similar fuel and air pressures when using a spraying device equipped with an internal mixing chamber for slurry and air. The number of droplets, in this case, is 2–9% higher as compared to a typical two-component coal-water slurry fuel, with the spray angle of the sprayed coal slurry having the greatest value. When using an atomizer having an internal mixing chamber for slurry and an atomizing agent, fuel droplet breakup occurs due to the aerodynamic drag forces of the environment. Thus, the use of such atomizers reduces the number of possible breakup mechanisms for sprayed fuel droplets.

About the authors

D. V. Gvozdyakov

T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: dim2003@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7866-9180

A. V. Zenkov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: avz41@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7763-3266

V. E. Gubin

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: gubin@tpu.ru

A. Zh. Kaltaev

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: azk2@tpu.ru

Ya. V. Marysheva

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: marysheva@tpu.ru

References

  1. Касимов А. М., Ковалѐв А. А., Поваляева А. В. Утилизация отходов электростанций, работающих на твердом и жидком топливе // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2010. Т. 4. № 8. С. 15–20.
  2. Тауд Р. Перспективы развития тепловых электростанций на органическом топливе // Теплоэнергетика. 2000. № 2. С. 68–72.
  3. Square J. Statistical review of world energy. 69th edition. 2020. London: Heriot -Watt University, 2020. 66 p.. URL: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2020-full-report.pdf (19.03.2021).
  4. Макарова А. А., Митрова Т. А., Кулагина В. А. Прогноз развития энергетики мира и России 2019. М.: Институт энергетических исследований Российской академии наук; Московская школа управления Сколково, 2019. 211 с.. URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Forecast_2019_Rus.pdf (19.03.2021).
  5. Филипповa С. П., Кейко А. В. Газификация угля: на перепутье. Технологические факторы // Теплоэнергетика. 2021. № 3. С. 45–58. https://doi.org/10.1134/S0040363621030048.
  6. Досмухамедов Н. К., Егизеков М. Г., Жолдасбай Е. Е., Курмансеитов М. Б., Аргын А. А. Поведение NOх при очистке отходящих газов ТЭС карбонатным ра сплавом щелочных металлов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2021. № 1. С. 30–34.
  7. Максимов В. Ю., Каменских А. В., Байгара А. Применение технологии Overfire Air в разработке методов сокращения вредных выбросов в атмосферу // Вопросы устойчивого развития общества. 2021. № 5. С. 465–480.
  8. Ахметшин М. Р., Няшина Г. С., Медведев В. В. Антропогенные газовые выбросы при сжигании суспензионных топлив и отходов нефтепереработки // Кокс и химия. 2021. № 4. С. 36–43. https://doi.org/10.52351/00232815_2021_04_36.
  9. Сучков С. И., Сомов А. А. Разработка мер подавления образования оксидов азота в ПГУ с внутрицикловой газификацией углей // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2015. № 4. С. 84–92.
  10. Пугачев Н. С. Влияние ТЭС на окружающую среду // Наука через призму времени. 2021. № 7. С. 32–33.
  11. Franco A., Diaz A. R. The future chal lenges for “clean coal technologies”: Joining efficiency increase and poll utant emission control // Energy. 2009. Vol. 34. Iss. 3. P. 348–354. https://doi.org/10.1016/j.energy.2008.09.012.
  12. Рябов Г. А., Санкин Д. А., Фоломеев О. М. Сжигание и газификация топлив в химических циклах – новое применение технологии циркулирующего кипящего слоя для улавливания CO 2 // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2014. № 5. С. 27 –36.
  13. Тиханов М. В., Пузырев Е. М. Опыт внедрения низкотемпературной вихревой технологии сжигания твердых топлив // Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации». 2021. № 1.. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/01/94461 (07.05.2021).
  14. Бекмуратова Б. Т. Процессы снижения ВЭТ и управления горением топливной эмульсии // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7. № 1. С. 300–304. https://doi.org/10.33619/2414-2948/63/19.
  15. Мурко В. И., Черникова О. П. Повышение экологичности и эффективности городской системы теплоснабжения с использованием водоугольного топлива // Энергобезопасность и энергосбережение. 2021. № 3. С. 18–22. https://doi.org/10.18635/2071-2219-2021-3-18-22.
  16. Вершинина К. Ю., Лырщиков С. Ю., Стрижак П. А. Зажигание топливных суспензий, приготовленных на основе отходов обогащения угля и нефтепродуктов // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 3. С. 137–146. https://doi.org/10.15372/FGV20180316.
  17. Накоряков В. Е., Стрижак П. А., Глушков Д. О., С ыродой С. В. Инициирование горения капли органов одоугольного топлива в вихревой камере сгорания // Доклады Академии наук. 2017. Т. 473. № 6. С. 646–649. https://doi.org/10.7868/S0869565217120040.
  18. Mchale E. T. Coal-water fuel combustion // Symposium (International) on Combustion. 1988. Vol. 21. Iss. 1. P. 159–171. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(88)80243-1.
  19. Шадрин Е. Ю., Ануфриев И. С., Шарыпов О. В. И сследование процесса распыления и сжигания вод оугольного топлива с использованием пневматической форсунки // Прикладная механика и техническая физика. 2021. Т. 62. № 3. С. 165–171. https://doi.org/10.15372/PMTF20210316.
  20. Dafsari R. A., Lee Hyung Ju, Han Jeongsik, Park Dong-Chang, Lee Jeekeun. Viscosity effect on the pressure swirl atomization of an alternative aviation fuel // Fuel. 2019. Vol. 240. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.11.132.
  21. Minakov A. V., Shebeleva A. A., Strizhak P. A., Chernetskiy M. Yu., Volkov R. S. Study of the Weber number impact on secondary breakup of droplets of coal water slurries containing petrochemicals // Fuel. 2019. Vol. 254. Р. 115606. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.06.014.
  22. Vershinina K. Yu., Lyrshchikov S. Yu., Strizhak P. A. Ignition of fuel slurries based on waste products of coal processing and oil refining // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2018. Vol. 54. Iss. 3. P. 376–384.
  23. Gvozdyakov D., Zenkov A. Influence of petrochemicals on jet characteristics after coal-water fuel spraying // Fuel Processing Technology. 2021. Vol. 218. Р. 106864. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106864.
  24. Gvozdyakov D., Zenkov A. Improvement of atomization characteristics of coal-water slurries // Energy. 2021. Vol. 230. Р. 120900. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120900.
  25. Han Han, Wang Pengfei, Li Yongjun, Liu Ronghua, Tian Chang. Effect of water supply pressure on atomization characteristics and dust-reduction efficiency of internal mixing air atomizing nozzle // Advanced Powder Technology. 2020. Vol. 31. Iss . 1. P. 252–268. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.10.017.
  26. Roh Nam-Sun, Shin Dae-Hyun, Kim Dong-Chan, Kim Jong-Duk. Rheological behaviour of coal-water mixtures. 2. Effect of surfactants and temperature // Fuel. 1995. Vol. 74. Iss. 9. P. 1313–1318. https://doi.org/10.1016/0016-2361(95)00085-J.
  27. Alekseenko S. V., Abdurakipov S. S., Hrebtov M. Y., Tokarev M. P, Markovich D. M. Coherent structures in the near-field of swirling turbulent jets: a tomographic PIV study // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2018. Vol. 70. P. 363–379. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2017.12.009.
  28. Alekseenko S. V., Bilsky A. V., Dulin V. M., Markovich D. M. Experimental study of an impinging jet with different swirl rates // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2007. Vol. 28. Iss. 6. P. 1340–1359. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.05.011.
  29. Daviault S. G., Ramadan O. B., Matida E. A., Hughes P. M., Hughes R. Atomization performance of petroleum coke and coal water slurries from a twin fluid atomizer // Fuel. 2012. Vol. 98. P. 183–193. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.02.042.
  30. Pastor J. V., Arrègle J., Palomares A. Diesel spray image segmentation with a likelihood ratio test // Applied Optics. 2001. Vol. 40. Iss. 17. P. 2876 –2885. https://doi.org/10.1364/AO.40.002876.
  31. Delacourt E., Desmet B., Besson B. Characterisation of very high pressure diesel sprays using digital imaging techniques // Fuel. 2005. Vol. 84. Iss. 7-8. P. 859–867. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2004.12.003.
  32. Morgan R., Wray J., Kennaird D. A., Crua C., Heikal M. R. The influence of injector parameters on the formation and break-up of a diesel spray // Journal of Engines. 2001. Vol. 110. Iss. 3. P. 389–399. https://doi.org/10.4271/2001-01-0529.
  33. Hang J., Bae C., Lee K. O. Initial development of non-evaporating diesel sprays in common-rail injection systems // International Journal of Engine Research. 2003. Vol. 4. Iss. 4. P. 283–298. https://doi.org/10.1243/146808703322743895.
  34. Wang Pengfei, Zhang Kui, Liu Ronghua. Influence of air supply pressure on atomization characteristics and dust-suppression efficiency of internal-mixing air-assisted atomizing nozzle // Powder Technology. 2019. Vol. 355. P. 393–407. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.07.040.
  35. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Experimental investigation of the influence of the liquid drop size and velocity on the parameters of drop deformation in air // Technical Physics Scientific Journal. 2015. Vol. 60. Iss. 8. P. 1119–1125.
  36. Пат. № 2523816, Российская Федерация, C1. Пневматическая форсунка (варианты) / С. В. Алекс еенко, Л. И. Мальцев, И. В. Кравченко, А. И. Кравченко; заявитель и патентообладатель ООО «Протэн-К» Заявл. 22.01.2013; опубл. 27.07.2014. Бюл. № 11.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).