Influence of cavitation treatment on the properties of coal-water slurries with pyrogenetic liquid and characteristics of their atomization by a pneumatic nozzle

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Experimental studies were conducted to investigate the rheological properties and atomization characteristics of coal-water slurries sprayed by a pneumatic nozzle with addition of pyrogenetic liquid. The research object was coal-water slurries prepared on the basis of long-flame coal using a rotary hydrodynamic cavitation generator. The dynamic viscosity of samples was investigated using a Reotest-2 rotary viscometer. The droplet size of atomized slurries was determined by the interferometric particle imaging method. A pneumatic nozzle designed for spraying of coal-water slurry fuels was used. The calorific value of coal-water slurry compositions was estimated by a theoretical method using Mendeleev's equation for calculating the lower heating value of combustion of organic substances with a certain elemental composition. It was found that cavitation treatment of a two-component coal-water fuel for 90 s leads to a 48% decrease in its viscosity. It was shown that substitution of water with a similar amount of pyrogenic liquid (5 to 20%) leads to an increase in the viscosity of coal-water fuels. The cavitation treatment of such slurries reduces the viscosity of the respective three-component coal-water fuels by 27–45%. According to the results of static sedimentation studies, coal particles start to precipitate 24 h after the onset of cavitation treatment. The treatment of the slurries under consideration for 27 and 90 s in a rotary hydrodynamic cavitation generator was established to reduce the average droplet size in the jet after spraying with a pneumatic nozzle by 5.5% and 6.5%, respectively. The introduction of pyrogenetic liquid into the composition of coal-water fuels increases their calorific value by 6.9%. It can be concluded that the use of pyrogenetic liquid in the composition of coal-water slurry fuels followed by their treatment in a rotary hydrodynamic cavitation generator can solve the problem of low reactivity of coal-water slurries.

About the authors

D. V. Gvozdyakov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dim2003@tpu.ru

A. V. Zenkov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: avz41@tpu.ru

L. I. Maltsev

Federal State Budgetary Institution of Science named after S.S. Kutateladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: maltzev@itp.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4699-8289

Yu. S. Podzharov

Federal State Budgetary Institution of Science named after S.S. Kutateladze Institute of Thermophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: yura_p@ngs.ru

References

  1. Кашин Е.М., Диденко В.Н. Технология подготовки и газификации экологичного вида топлива // Экологическое образование и охрана окружающей среды. Технические университеты в формировании единого научнотехнологического и образовательного пространства СНГ. М.: Ассоциация технических университетов, 2014. Т. 2. С. 192–195.
  2. Хрусталев Б.М., Пехота А.Н. Технология эффективного использования углеводородсодержащих отходов в производстве многокомпонентного твердого топлива // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2016. Т. 59. № 2. С. 122–140. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-2-122-140.
  3. Иванова И.Ю., Ижбулдин А.К., Тугузова Т.Ф., Майсюк Е.П. Эколого-экономическая эффективность применения альтернативных энергетических технологий для снижения антропогенной нагрузки в центральной экологической зоне байкальской природной территории // Альтернативная энергетика и экология. 2020. № 25-27. С. 138–146.
  4. Герасимова Н.П., Федчишин В.В. Перспективы и возможности использования водоугольного топлива в энергетике // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: матер. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (г. Иркутск, 21–24 апреля 2020 г.). Иркутск: ИРНИТУ, 2020. Т. 2. С. 104–108.
  5. Dmitrienko M.A., Strizhak P.A. Coal-water slurries containing petrochemicals to solve problems of air pollution by coal thermal power stations and boiler plants: an introductory review // Science of Total Environment. 2018. Vol. 613-614. P. 1117–1129. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.189.
  6. Alekseenko S.V., Dekterev A.A., Maltsev L.I., Kuznetsov V.A. Implementation of a three-stage scheme for the cocombustion of pulverized coal and coal-water slurry in an industrial boiler to reduce NOx emissions // Process Safety and Environmental Protection. 2023. Vol. 169. P. 313–327. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.11.034.
  7. Хрусталев Б.М., Пехота А.Н., Нгуен Нга Тху, Ву Фап Минь. Твердое топливо на основе отходов малоиспользуемых горючих энергоресурсов // Наука и техника. 2021. Т. 20. № 1. С. 58–65. https://doi.org/10.21122/2227-10312021-20-1-58-65.
  8. Джундубаев А.К., Султаналиев М.С., Мурко В.И., Кулагина Л.В., Баранова М.П. Режимы течения топливных водоугольных суспензий в каналах распыливающих устройств // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 11. № 2. С. 242–249.
  9. Syrodoy S.V. The influence of radiative-convective heat transfer on ignition of the drops of coal-water fuel // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25. Iss. 3. P. 429–443. https://doi.org/10.1134/S0869864318030101.
  10. Baranova M.P., Kulagin V.A., Taraban’ko V.E. Nature of stabilization of water-coal fuel suspensions // Russian Journal of Applied Chemistry. 2011. Vol. 84. Iss. 6. P. 939–944. https://doi.org/10.1134/S1070427211060073.
  11. Дмитриенко М.А., Няшина Г.С., Шлегель Н.Е., Шевырев С.А. Снижение антропогенных выбросов при сжигании углей и отходов их переработки в качестве компонентов органоводоугольных суспензий // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 3-4. С. 41–52.
  12. Алексеенко С.В., Мальцев Л.И., Кравченко И.В., Дектерев А.А., Кузнецов В.А. Технология приготовления водоугольного топлива и его сжигания в котлах малой мощности // Химия и химическая технология. Современные проблемы: сб. статей / под ред. З.А. Мансурова. Вып. 7. Алматы: Казахский нац. ун-т им. аль-Фараби, 2022. 355 с.
  13. Mal’tsev L.I., Belogurova T.P., Kravchenko I.V. Influence of high-energy impact on the physical and technical characteristics of coal fuels // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. Iss. 8. P. 585–590. https://doi.org/10.1134/S0040601517080067.
  14. Kuznetsov G.V., Romanov D.S., Vershinina K.Yu., Strizhak P.A. Rheological characteris-tics and stability of fuel slurries based on coal processing waste, biomass and used oil // Fuel. 2021. Vol. 302. Р. 121203. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121203.
  15. Loureiro L.M.E.F., Gil P.B.F., Campos F.V.V., Nunes L.J.R., Ferreira J.M.F. Dispersion and flow properties of charcoal oil slurries (ChOS) as potential renewable industrial liquid fuels // Journal of the Energy Institute. 2018. Vol. 91. Is s. 6. P. 978–983. https://doi.org/10.1016/j.joei.2017.08.001.
  16. Tareq M.M., Dafsari R.A., Jung Seungchae, Lee Jeekeun. Effect of the physical properties of liquid and ALR on the spray characteristics of a pre-filming airblast nozzle // International Journal of Multiphase Flow. 2020. Vol. 126. Р. 103240. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103240.
  17. Mlkvik M., Stähle P., Schuchmann H.P., Gaukel V., Jedelsky J., Jicha M. Twin-fluid atomization of viscous liquids: the effect of atomizer construction on breakup process, spray stability and droplet size // International Journal of Multiphase Flow. 2015. Vol. 77. P. 19–31. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.06.010.
  18. Anufriev I.S., Shadrin E.Yu., Kopyev E.P., Alekseenko S.V., Sharypov O.V. Study of liquid hydrocarbons atomizationby supersonic air or steam jet // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 163. Р. 114400. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114400.
  19. Alekseenko S.V., Anufrieva I.S., Dektereva A.A., Kuznetsova V.A., Maltsev L.I., Minakova A.V., et al. Experimental and numerical investigation of aerodynamics of a pneumatic nozzle for suspension fuel // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2019. Vol. 77. P. 288–298. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.04.013.
  20. 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.

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).