Зажигание частицы водоугольного топлива при высоких давлениях окислительной среды
Проведено экспериментальное исследование процесса воспламенения капель водоугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания ДВС. Сформулирована физическая и математическая модель процессов зажигания капель ВУТ применительно к камерам сгорания ДВС. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов зажигания частиц водоугольного топлива. Проанализировано влияние силы тока на электроде, давления окислителя, мощности внутреннего источника тепловыделения в условиях адиабатного сжатия и метастабильного распыления топлива на характеристики процесса зажигания (время задержки зажигания) водоугольного топлива.
Введение ………………………………………………………………………………………………. 15
1.Современные исследования в области водоугольного топлива ………………. 18
1.1 Применение ВУТ в качестве основного топлива в ГТУ и ДВС …………. 18
1.2 Теоретические исследования процессов воспламенения капель
водоугольного топлива ………………………………………………………………………….. 26
2. Экспериментальное исследование ………………………………………………………. 36
3. Модель зажигания капли водоугольного топлива…………………………………. 38
3.1 Физическая модель горения капли водоугольного топлива в условиях
электроискрового нагрева ………………………………………………………………………. 38
3.2 Математическая модель горения капли водоугольного топлива в
условиях электроискрового нагрева ……………………………………………………….. 39
3.3 Физическая модель горения водоугольного топлива в условиях
микроволнового нагрева и адиабатного сжатия ……………………………………….. 45
3.4 Математическая модель горения водоугольного топлива в условиях
микроволнового нагрева и адиабатного сжатия ……………………………………….. 47
3.5 Тестовые задачи процесса тепломассопереноса ………………………………. 57
3.5.1 Теплопередача в сплошном цилиндре ……………………………………….. 57
3.5.2 Нестационарная задача теплопроводности в однородном сечении
цилиндрической формы …………………………………………………………………………. 58
4 Результаты экспериментального и теоретического исследования
характеристик процесса тепломассопереноса при зажигании капли
водоугольного топлива……………………………………………..……………60
4.1 Влияние мощности нагревательного элемента и давления окислителя на
характеристики и условия зажигания водоугольной частицы …………………… 61
4.2 Влияние температуры внешней среды на характеристики и условия
зажигания водоугольной частицы при радиационно-кондуктивно-
конвективном и электроискровом нагреве ………………………………………………. 62
4.3 Влияние конечного давления окислителя в условиях адиабатного сжатия
на характеристики зажигания водоугольной частицы ………………………………. 66
4.4 Влияние мощности внутреннего источника тепловыделения на условия
и характеристики зажигания водоугольной частицы в условиях адиабатного
сжатия ………………………………………………………………………………………………….. 69
4.5 Влияние температуры частицы на условия и характеристики зажигания
капель ВУТ в метастабильном состоянии ……………………………………………….. 71
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 74
5.1 Перечень работ и оценка времени их выполнения …………………………… 74
5.2 Смета затрат …………………………………………………………………………………. 75
5.2.1 Материальные затраты …………………………………………………………….. 75
5.2.2 Амортизация компьютерной техники и экспериментального
оборудования ………………………………………………………………………………………… 76
5.2.3 Затраты на заработную плату …………………………………………………… 77
5.2.4 Затраты на социальные отчисления …………………………………………… 78
5.2.5 Прочие затраты ……………………………………………………………………….. 78
5.2.6 Накладные расходы …………………………………………………………………. 79
6 Социальная ответственность ……………………………………………………………….. 87
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности…… 88
6.2 Производственная безопасность…………………………………………………….. 89
6.3 Анализ опасных и вредных факторов …………………………………………….. 90
6.3.1 Отклонение показателей микроклимата…………………………………….. 90
6.3.2 Превышение уровня шума ……………………………………………………….. 91
6.3.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………………. 92
6.3.4 Воздействие электромагнитного поля ……………………………………….. 92
6.3.5 Воздействие электростатического потенциала …………………………… 93
6.3.6 Повышенная температура поверхности оборудования ……………….. 94
6.4 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опасных
и вредных факторов ………………………………………………………………………………. 94
6.5 Экологическая безопасность………………………………………………………….. 95
6.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 96
6.6.1 Поражение человека электрическим током и электрической
дугой ……………………………………………………………………………………………………. 96
6.6.2 Пожарная безопасность ……………………………………………………………. 97
Заключение …………………………………………………………………………………………. 100
Список использованных источников …………………………………………………….. 103
Приложение А …………………………………………………………………………………….. 109
По прогнозам специалистов [1], работающих в области мирового
энергетического хозяйства, к середине XXI-го столетия около 10% всей
энергии будет вырабатываться на тепловых электростанциях, сжигающих
уголь. Это обусловлено существенными преимуществами угля по сравнению
с другими теплоносителями, такими как нефть и природный газ. Стоит
отметить, что по оценкам специалистов, работающих в области топливной
геологии нефтяных ресурсов на планете (при условии сохранения
существенного уровня потребления) хватит на ближайшие 150 лет,
природного газа – на 50 лет [2]; угольного топлива – на 270 лет [1]. При этом
угольное топливо более равномерно распределено на всех 6-ти континентах
[1]. Соответственно, можно сказать, что широкомасштабное внедрение
угольного топлива в общий баланс тепло – и электрогенерации приводит к
существенной стабилизации турбулентной динамики ценообразования на
основные энергоносители (нефть, природный газ). Уголь существенно
дешевле продуктов нефтепереработки. Соответственно, в условиях
масштабного внедрения угольного топлива в энергетику приведет к снижению
цены за единицу электроэнергии для конечного потребителя
(промышленность, городская агломерация и др.) [3].
Но при сжигании угля образуется большое количество антропогенных
выбросов (например, оксиды азота – NOx или серы -). Также стоить сказать,
что при сжигании угольного топлива образуется достаточно много золовых
отложений на поверхностях теплообмена. Также уголь обладает низкой
теплотворной способностью. Самая главная проблема заключается в том, что
при сжигании угля происходит коррозийный износ аппаратов.
Одним из наиболее перспективных технологических решений
вышеупомянутых проблем угольной энергетики является технология
сжигания угля в составе композиционного водоугольного топлива (ВУТ).
Последнее представляет собой смесь мелкодиспергированного угля,
воды и присадок пластификаторов (предотвращающих выпад угля в осадок).
Известно [3], что при сжигании ВУТ образуется значительно меньше оксидов
азота и серы, чем при горении угля. Проведенные исследование сжигания
водоугольного топлива показали, что уровень выбросов существенно
снижается [4].
Также стоит отметить, что водоугольное топливо может передаваться
на большие расстояния трубопроводным транспортом. Как показали
теоретические исследования транспортировка водоугольной суспензии по
трубопроводам существенно выгоднее, чем железнодорожным транспортом.
При этом с увеличением расстояния транспортировки экономическая выгода
возрастает экспоненциально. Существенным преимуществом ВУТ перед
традиционным угольным топливом является то, что ВУТ можно хранить в
резервуарах бакового типа большого объема. Последнее существенно
сокращает площади ТЭС значительными топливными складами [1].
Немаловажным фактом является и то, что ВУТ может выступать в
качестве топлива для газотурбинных (ГТУ) и парогазовых энергетических
установках (ПГУ). Уже давно известно [4], что эксергетическая
эффективность ГТУ намного выше, чем у паросиловых установок
работающих по циклу Ренкина (порядка 65% у ГТУ и 40-45 % у ПГУ). На
настоящее время в газотурбинных установках сжигается природный газ (реже
мазут). Стоит отметить, что сжигание природного газа в ГТУ
нецелесообразно, т.к. он является ценным ресурсом для нефтехимической
промышленности.
Также стоит отметить, что в западных странах соответствующими
специалистами водоугольное топливо рассматривается как альтернативный
источник энергии для тихоходных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Применение ВУТ в качестве основного топлива для ДВС и ГТУ имеет
ряд существенных преимуществ. Во-первых, значительно сокращаются
выбросы оксида азоты и серы, во-вторых, существенно расширяется сырьевая
база для ДВС. Это будет способствовать значительному снижению цен на
нефтепродукты. Но стоит также отметить, что несмотря на все преимущества
водоугольное топливо не рассматривается как основное топливо для тепло- и
электрогенерации. Это обусловлено слабой изученностью теплофизических
процессов, протекающих при горении водоугольного топлива,
соответствующих камерам сгорания газовых турбин или ДВС.
1 Современные исследования в области водоугольного топлива
1. Experimental study on ash content and calorific value of coal used in
thermal power station / V. Balachandar, T. Ramkumar, B. Kalidasan, C.
Subramaniyan // Materials Today: Proceedings. – 2020. – P.1-5.
2. Optimal design and thermo-economic analysis of an integrated power
generation system in natural gas pressure reduction stations / Li Chenghao, Z.
Siyang, L. Jie, Z. Zhiyong // Energy Conversion and Management. – 2020. – № 200.
– P.1-4
3. Ходаков Г. С. Водоугольные суспензии в энергетике / Г. С. Ходаков //
Теплоэнергетика. – 2007. – № 1. – С. 35-45
4. Редькина Н. И. Суспензионное угольное топливо для двигателей
внутреннего сгорания / Н. И. Редькина, Г. С. Ходаков, Е. Г. Горлов // Химия
твердого топлива. – 2013. – № 5. – С.54-61
5. Белоусов Е. В. Создание и совершенствование твердотопливных
поршневых двигателей внутреннего сгорания / Е. В. Белоусов– Херсон: ОАО
«ХГТ». – 2006. – 452 с.
6. Initiation of Organic Coal–Water Fuel Droplet Burning in a Vortex
Combustion Chamber / V. E. Nakoryakov, D. O. Glushkov, P. A. Strizhak,
S. V.Syrodoy // Technical physics. – 2017. – № 4. – P.176-179
7. Крайнюк А. И. Рабочие процессы ДВС / А. И. Крайнюк, И. П.
Васильев // Двигатели внутреннего сгорания. – 2007. – № 2. – С.77-81
8. Mathematical modeling of the electric spark ignition of the coal-water
particle fuel under conditions relevant to the internal combustion engines / S.
Syrodoy, O. Penyazkov, M. Assad, N. Gutareva // MATEC Web of Conferences.–
2017. – № 92. – P.1-5
9. Влияние теплофизических свойств водоугольного топлива на
условия его воспламенения / С. В. Сыродой, Г. В. Кузнецов, А. В. Захаревич,
В. В. Саломатов // Химия твердого топлива. – 2017. – № 3. – С.31-37.
10. Caton J.A. The Development of Coal-Fueled Diesel Engines: A Brief
Review / J. A. Caton // Energy Information Annual. – 1992. – № 17. – P.89-97.
11. Slurry-fueled diesels seen beneficial to cogeneration // «Cogeneration».–
1985. – №4. – P. 11-12.
12. Cooper-Bessemer coal-fueled engine system – progress report / A. K.
Rao, R. P. Wilson, E. N. Balles, R. A. Mayvlle, M. H. McMillian, J. A. Kimberley //
ASME Transactions – Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. –
1988. – №3. – P. 498-506
13. Sittauer H. Diesel eine erfindum erobert sich die welt / H. Sittauer //
Transpress. – 1961. – P.95
14. Коллеров Л. К. Применение угольного топлива в дизелях / Л. К.
Коллеров // Двигателестроение. – 1982. – № 2. – С.51-53
15. Atomization and Combustion of Carbon Slurry Fuels / T. W. Ryan,
T. J. Callahan, L. G. Dodge, C. A. Moses // SAE Paper №821199. – 1982
16. Hsu B.D. Progress on the investigation of coal-water slurry fuel
combustion in a medium speed diesel engine: Part 1—ignition studies / B. D. Hsu //
Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 1988. – № 3. – P. 415-422
17. Bell S. R. Coal-fueled diesel engines analytical evaluations of ignition
options / S. R. Bell, J. A. Caton //The Twenty-First (International) Symposium on
Combustion. – 1986. – P. 389-397
18. Coal–water slurry operation in an EMD diesel engine / C. M. Urban,
H. E. Mecredy, T. W. Ryan, M. N. Ingalls, B. T. Jett // Journal of Engineering for
Gas Turbines and Power. – 1988. – № 110. – Р. 437-443
19. Uzkan T. Combustion of coal–water slurry in a two-cycle diesel engine
effects of fuel amount and timing / T.Uzkan, C. E. Horton // Journal of Engineering
for Gas Turbines and Power. – 1990. – № 112. – Р. 376-383
20. Hsu B.D. Progress on the investigation of coal–water slurry fuel
combustion in a medium speed diesel engine: Part 2—Preliminary full load test /
B.D. Hsu // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 1988. – №
110. – Р.423-430
21. Hsu B. D. Progress on the investigation of coal–water-slurry fuel
combustion in a medium-speed diesel engine: Part 3—Accumulator injector
performance / B. D. Hsu, G. L. Leonard, R. N. Johnson // Journal of Engineering for
Gas Turbines and Power. – 1989. – № 111. – Р.516-520
22. Siebers D. L. The auto-ignition and combustion of coal–water slurry
under simulated diesel engine conditions / D. L. Siebers, T. M. Dyer // Journal of
Engineering for Gas Turbines and Power. – 1986. – № 108. – Р.654-660
23. Emission characteristics and control technology for stationary coal-
fueled diesel engines / K. R. Benedek, K. T. Menzies, S. A. Johnson, R. P. Wilson,
A. K. Rao, F. S. Schaub // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. –
1989. – № 111. – Р.507-515
24. Effect of high-temperature gas flow on ignition of the water-coal fuel
particle s / V. Salomatov, G. Kuznetsov, S. Syrodoy, N. Gutareva // Combustion and
Flame. – 2019. – № 203. – Р.375-385
25. Direct numerical simulation of ignition of a single particle freely moving
in a uniform flow / W. Zhang, H. Watanabe, T. Kitagawa // Advanced Powder
Technology. – 2017. – № 28. – Р.2893-2902.
26. Ignition of the Drops of Coal–Water Fuel in a Flow of Air /
A. V. Zakharevich, V. V. Salomatov, P. A. Strizhak, S. V. Syrodoi // Solid Fuel
Chemistry. – 2016. – № 3. – Р.163-166
27. Ignition of coal-water fuel particles under the conditions of intense heat
/ V. V. Salomatov, G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, N. Y. Gutareva // Applied
Thermal Engineering. – 2016. – № 106. – Р.561-569.
28. Salomatov V. V. Influence of the degree of coal metamorphism on
characteristics and conditions of ignition of coal-water fuel drops / V. V. Salomatov,
G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy // Thermophysics and Aeromechanics. – 2018. –
№. 5.– Р.1-16.
29. Кузнецов Г. В. Влияние диффузии продуктов пиролиза угля на
характеристики и условия воспламенения капель водоугольного топлива /
Г. В. Кузнецов, В. В. Саломатов, С. В. Сыродой // Физика горения и взрыва. –
2018. – № 6. – С.30-40.
30. Mathematical and physical modeling of the coal–water fuel particle
ignition with a liquid film on the surface / V. Salomatov, G. Kuznetsov, S. Syrodoy,
N. Gutareva // Energy Reports. – 2020. – № 6. – Р.628-643.
31. The influence of the structure heterogeneity on the characteristics and
conditions of the coal–water fuel particles ignition in high temperature environment /
S. V. Syrodoy, G.V. Kuznetsov, A. V. Zhakharevich, N. Y. Gutareva, V. V.
Salomatov // Combustion and Flame. – 2017. – № 180. – Р.196-206
32. Analysis of Combustion of Coal-Water Fuel in Low-Power Hot-Water
Boiler via Numerical Modeling and Experiments / S. V. Alekseenko,
V. A. Kuznetsov, L. I. Mal’tsev1, A. A. Dekterev, M. Yu. Chernetskii // Journal of
Engineering Thermophysics. – 2019. – № 2. – Р.177-189.
33. Pneumatic Nozzle. RF Patent 2523816. – Byull. – 2014.– № 21. – Р. 10.
34. Syrodoy S. V. Influence of absorption of thermal radiation in the surface
water film on the characteristics and ignition conditions / S. V. Syrodoy,
N. Y. Gutareva, R. I. Taburchinov // MATEC Web of Conferences. – 2016. –
№ 72. – Р.1-6
35. Iegorov R.I. Review of ignition and combustion processes for water-coal
fuels / R. I. Iegorov, P. A. Strizhak, M. Yu. Chernetskiy // EPJ Web of Conferences.
– 2016 . – № 110. – Р.1-13
36. Kijo–Kleczkowska A. Combustion of coal–water suspensions / A. Kijo–
Kleczkowska // Fuel. – 2011. – № 90. – Р.865–877.
37. Ignition of promising coal-water slurry containing petrochemicals:
Analysis of key aspects / D. O. Glushkov, S. V. Syrodoy, A. V. Zhakharevich, P. A.
Strizhak // Fuel Processing Technology. – 2016. – № 148. – Р.224–235
38. Pinchuk V. Physical and chemical transformations under the thermal
action on coalwater fuel made of low-grade coal / V. Pinchuk //Thermal
technology. – 2015. – Р.1-7
39. Syrodoy S.V. Influence of filtration heat transfer on parameters and
conditions for ignition of coal-water fuel particles / S. V. Syrodoy,
V. V. Salomatov // Thermophysics and Aeromechanics. – 2019. – № 5. – Р. 1-16
40. Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. – Москва:
Высшая школа, 1967. – 600 с.
41. Самарский А.А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. –
Mосква: Наука, 1977. – 656 с.
42.КузнецовГ.В.Разностныеметодырешениязадача
теплопроводности. Учебное пособие / Г. В. Кузнецов, М. А. Шеремет. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2007. – 172 с.
43. Пасконов В. М., Численное моделирование процессов тепло- и
массообмена / В. М. Пасконов, В. И. Полежаев, Л. А. Чудов. – Москва: Изд-во
Наука, 1984. – 288 с.
44. Шеремет М. А. Математическое моделирование и алгоритмизация
задач теплоэнергетики / М. А. Шеремет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 50 с.
45. Kuznetsov G. V. Numerical Simulation of Ignition of Particles of a Coal–
Water Fuel / G. V. Kuznetsov, V. V. Salomatov, S. V. Syrodoy // Combustion,
Explosion, and Shock Waves. – 2015. – № 4. – Р.409- 415.
46. Агроскин А. А. Теплофизика твердого топлива / А. А. Агроскин, В.
Б. Глейбман. – Москва. – Недра, 1980. – 128 с.
47. Химия и переработка угля / В. Г. Липович, Г. А. Калабин, И. В.
Калечиц [и др.]. – Москва. – Химия, 1988. – 366 с.
48. Борисов Л. Н. Справочник коксохимика. Том 1 / Л. Н. Борисов, Ю.
Г. Шаповалов. – Харьков, 2010. – 536 с.
49. Reid R.C. The properties of gases and liquids / R.C. Reid, J.M. Prausnitz,
T.K. Sherwood. – New York. – 1977.
50. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов /
В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Д. Б. Ахметов [и др.]. – Ленинград, 1986 –
Энергоатомиздат. – 312 с.
51.СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.Гигиеническиетребованияк
персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы. – М.: Изд-во стандартов, 2003
52.СанПиН2.2.4.548-96.Гигиеническиетребованияк
микроклимату производственных помещений. – М.: Информационно-
издательский центр Минздрава России, 1997 год
53. ГОСТ 12.1.003-2014. Система стандартов безопасности труда.
Шум. Общие требования безопасности. – М.: Стандартинформ, 2014
54. СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение. М.:
Изд-во стандартов, 2016
55. ГОСТ 12.0.003-2015. Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. –
М.: Росстандарт, 2016 год
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (8 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
5 (285 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
