Вторичное измельчение капель водомазутных эмульсий

Об авторах:

Шлегель Никита Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
nik.shlegel.ask@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-7402-5321

Клименко Андрей, студент магистратуры, Инженерная школа энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
ayk40@tpu.ru

Аннотация:

Процесс, когда при подаче мазутного топлива в точную камеру происходит его распыление за счет форсуночных и спринклерных устройств, называют первичным измельчением капель. Нередко первичное измельчение недостаточно эффективно, поскольку размеры капель топлива в камере сгорания зачастую достигают нескольких миллиметров, что увеличивает недожог и приводит к неравномерному выгоранию. Поэтому целесообразно применять вторичное измельчение капель водомазутного топлива, которое позволяет снизить средний размер капель в факеле распыла топлива в несколько раз. На первом этапе вторичного измельчения капель реализуются соударения их между собой в струе, после чего образованные капли подвергаются соударениям со стенками теплового оборудования. На следующем этапе происходит соударение капель с твердыми частицами. Твердые частицы образуются на периферии факела распыла за счет пиролиза капель при недостатке окислителя. На заключительном этапе вторичного измельчения образованные вторичные фрагменты подвергаются интенсивному нагреву в камере сгорания, что позволяет реализовать микровзрывное измельчение. Настоящее исследование направлено на изучение характеристик вторичного измельчения капель водомазутного топлива с добавлением специализированных присадок. Результаты проведенных исследований показали, что применение присадки на основе особого сочетания положительно и отрицательно заряженных ионов позволяет снизить размеры капель топлива на 25%. Также установлено, что благодаря такой присадке в несколько раз увеличиваются значения отношения площадей свободных поверхностей капель при комбинации всех режимов вторичного измельчения.

Список литературы:

Блинов Е. А. 2007. Топливо и теория горения. Раздел — подготовка и сжигание топлива: учеб. пос. СПб.: Изд-во СЗТУ. 119 с.

Катин В. Д., Осатюк В. С., Фирцикова А. А. 2020. Экологичное сжигание жидкого топлива в виде водомазутных эмульсий в водогрейных и паровых котлах // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб. ст. XX Междунар. науч.-практ. конф. (14–15 декабря 2020 г., Пенза, Россия) / под ред. В. А. Селезнева, И. А. Лушкина. Пенза: РИО ПГАУ. С. 100–103.

Achebe C. H., Ogunedo B. M. O., Chukwuneke J. L., Anosike N. B. 2020. Analysis of diesel engine injector nozzle spray characteristics fueled with residual fuel oil // Heliyon. Vol. 6. No. 8. Article e04637. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04637

Antonov D., Piskunov M., Strizhak P., Tarlet D., Bellettre J. 2020. Dispersed phase structure and micro-explosion behavior under different schemes of water-fuel droplets heating // Fuel. Vol. 259. Article 116241. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116241

Avulapati M. M., Megaritis T., Xia J., Ganippa L. 2019. Experimental understanding on the dynamics of micro-explosion and puffing in ternary emulsion droplets // Fuel. Vol. 239. Pp. 1284–1292. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.11.112

Bodansky D. 2018. Chapter 17. Regulating greenhouse gas emissions from ships: The role of the International Maritime Organization // Ocean Law Debates. Leiden: Brill | Nijhoff. Pp. 478–501. https://doi.org/10.1163/9789004343146_019

Chaussonnet G., Gepperth S., Holz S., Koch R., Bauer H. J. 2020. Influence of the ambient pressure on the liquid accumulation and on the primary spray in prefilming airblast atomi­zation // International Journal of Multiphase Flow. Vol. 125. Article 103229. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103229

Chen X., Xi X., Zhang L., Wang Z., Cui Z., Long W. 2023. Experimental study on nucleation and micro-explosion characteristics of emulsified heavy fuel oil droplets at elevated temperatures during evaporation // Applied Thermal Engineering. Vol. 224. Article 120114. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120114

Gattuso J.-P., Magnan A., Billé R., Cheung W. W. L., Howes E. L., Joos F., Allemand D., Bopp L., Cooley S. R., Eakin C. M., Hoegh-Guldberg O., Kelly R. P., Pörtner H.-O., Rogers A. D., Baxter J. M., Laffoley D., Osborn D., Rankovic A., Rochette J., Sumaila U. R., Treyer S., Turley C. 2015. Contrasting futures for ocean and society from different anthropogenic CO₂ emissions scena­rios // Science. Vol. 349. No. 6243. Article aac4722. https://doi.org/10.1126/science.aac4722

Islamova A. G., Kerimbekova S. A., Shlegel N. E., Strizhak P. A. 2022. Droplet-droplet, droplet-particle, and droplet-substrate collision behavior // Powder Technology. Vol. 403. Article 117371. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117371

Jin C., Sun T., Ampah J. D., Liu X., Geng Z., Afrane S., Yusuf A. A., Liu H. 2022. Comparative study on synthetic and biological surfactants’ role in phase behavior and fuel properties of marine heavy fuel oil-low carbon alcohol blends under different temperatures // Renewable Energy. Vol. 195. Pp. 841–852. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.06.088

Kalpokaite-Dichkuvene R., Stravinskas G. 2006. Behavior of a fuel oil droplet on a hot surface // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Vol. 79. No. 1. Pp. 10–17. https://doi.org/10.1007/s10891-006-0060-y

Kicherer A., Spliethoff H., Maier H., Hein K. R. G. 1994. The effect of different reburning fuels on NO_x-reduction // Fuel. Vol. 73. No. 9. Pp. 1443–1446. https://doi.org/10.1016/0016-2361(94)90059-0

Klimenko A., Shlegel N. E., Strizhak P. A. 2023. Breakup of colliding droplets and particles produced by heavy fuel oil pyrolysis // Energy. Vol. 283. Article 128480. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128480

Kropotova S. S., Tkachenko P. P., Strizhak P. A. 2022. The effect of impurities on water droplet collision regimes and behavior // Microgravity Science and Technology. Vol. 34. No. 4. Article 54. https://doi.org/10.1007/s12217-022-09974-z

Likhanov V. A., Lopatin O. P. 2020. Development of environmentally friendly alcohol-fuel emulsions for diesel engines // Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1515. No. 4. Article 042019. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/4/042019

Lv Q., Li J., Guo P., Zhang B., Tang P. 2023. Effect of Reynolds number on impact force and collision process of a low-velocity droplet colliding with a wall carrying an equal-mass deposited droplet // International Journal of Multiphase Flow. Vol. 163. Article 104432. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104432

Park H. Y., Han K., Kim H. H., Park S., Jang J., Yu G. S., Ko J. H. 2020. Comparisons of combustion characteristics between bioliquid and heavy fuel oil combustion in a 0.7 MWth pilot furnace and a 75 MWe utility boiler // Energy. Vol. 192. Article 116557. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116557

Promtov M., Pigarev S. 2016. Technology for improving water-fuel oil emulsions properties using polycarboxylic acids // Advanced Materials and Technologies. No. 3. Pp. 69–80. https://doi.org/10.17277/amt.2016.03.pp.069-080

Shadrin E. Yu., Anufriev I. S., Butakov E. B., Kopyev E. P., Alekseenko S. V., Maltsev L. I., Sharypov O. V. 2021. Coal-water slurry atomization in a new pneumatic nozzle and combustion in a low-power industrial burner // Fuel. Vol. 303. Article 121182. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121182

Shen S., Liu H., Liu Y., Liu X., Hu H., Hu Z., Wang T. 2023. Dynamic details inside water-in-oil (W/O) emulsion droplet and its impact on droplet evaporation and micro-explosion // Fuel. Vol. 338. Article 127254. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127254

Shlegel N. E., Tkachenko P. P., Strizhak P. A. 2020. Collision of water droplets with different initial temperatures // Powder Technology. Vol. 367. Pp. 820–830. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.017

Shlegel N. E., Strizhak P. A. 2023. Regime maps of collisions of fuel oil/water emulsion droplets with solid heated surface // Fuel. Vol. 342. Article 127734. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.127734

Solomatin Ya., Shlegel N. E., Strizhak P. A. 2019. Atomization of promising multicomponent fuel droplets by their collisions // Fuel. Vol. 255. Article 115751. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.115751

Tao L., Fairley D., Kleeman M. J., Harley R. A. 2013. Effects of switching to lower sulfur marine fuel oil on air quality in the San Francisco Bay area // Environmental Science & Technology. Vol. 47. No. 18. Pp. 10171–10178. https://doi.org/10.1021/es401049x

Valiullin T. R., Vershinina K. Yu., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. 2020. An experimental investigation into ignition and combustion of groups of slurry fuel droplets containing high concentrations of water // Fuel Processing Technology. Vol. 210. Article 106553. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106553

Zhang X., Changqing H., Jingjing Z., Ying T., Lin H., Hong S., Xingang L. 2023. Demulsification of water-in-heavy oil emulsions by oxygen-enriched non-ionic demulsifier: Synthesis, charac­terization and mechanisms // Fuel. Vol. 338. Article 127274. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127274

Zhu M., Ma Y., Zhang D. 2012. Effect of a homogeneous combustion catalyst on the combustion characteristics and fuel efficiency in a diesel engine // Applied Energy. Vol. 91. No. 1. Pp. 166–172. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.09.007

Zroychikov N. A., Kormilitsyn V. I., Borozdin V. S., Pay A. V. 2020. A review of technologies for treatment of fuel oil during storage and preparation for burning in boiler units’ furnaces // Thermal Engineering. Vol. 67. No. 2. Pp. 106–114. https://doi.org/10.1134/S0040601520020068