Водоугольные суспензии: приготовление, свойства, характеристики (краткий обзор)

АКТУАЛЬНОСТЬ. Представлен обзор современного состояния исследований водоугольных суспензий в России и за рубежом. Водоугольные суспензии являются перспективными альтернативными видами энергетических топлив. Их использование в энергетике позволит вырабатывать тепловую и электрическую энергию. В качестве компонент таких топлив возможно использовать достаточно широкий спектр веществ. Одними из предпочтительных являются отходы различного типа. Анализ современной литературы показал достаточно широкий спектр направлений по изучению многокомпонентных водоугольных суспензий. Проанализировано влияние добавок и компонент водоугольных суспензий на их характеристики и свойства.

ЦЕЛЬ. Представить информацию о современном состоянии исследований в области технологий приготовления, распыления и сжигания водоугольных топлив, а также о существующих и перспективных добавках к таким суспензиям.

МЕТОДЫ. Исследование выполнено методом сбора и структурирования информации.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведен обзор современного состояния исследований в области технологий приготовления, распыления и сжигания водоугольных топлив, а также существующих и перспективных добавок к таким суспензиям. Установлено, что добавки в состав суспензии жидких горючих отходов и биомассы способствует снижению времени задержки зажигания. При этом такие добавки не снижают качественных характеристик распыления многокомпонентных водоугольных суспензий. Ряд компонент позволят сократить объемы эмиссии в атмосферу продуктов сгорания таких топлив. Проанализировано влияние добавок и компонент водоугольных суспензий на их характеристики и свойства. Показано, что жидкие компоненты способствуют интенсификации процессов зажигания и горения. Также, их введение в состав топлива положительно влияет на реологические свойства суспензий, характеристики их распыления, сжигания и концентрацию вредных выбросов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Водоугольные суспензии являются перспективными альтернативными видами энергетических топлив. Их использование в энергетике позволит вырабатывать тепловую и электрическую энергию. Введение в состав водоугольных суспензий горючих компонентов позволяет существенно улучшить реологические свойства, что может улучшить характеристики хранения и транспортировки таких топлив. Установленные положительные характеристики и свойства водоугольных суспензионных дают предпосылки для полномасштабного внедрения в промышленную энергетику таких топлив.

1. Бекмуратова, Б. Т. Применение водоугольного топлива в теплоэнергетике / Б. Т. Бекмуратова // Бюллетень науки и практики. – 2020. – Т. 6. – № 12. – С. 261-267. – DOI 10.33619/2414-2948/61/27. – EDN YONJIV.

2. Патент на полезную модель № 87700 U1 Российская Федерация, МПК C10L 1/32, B01F 11/02. Технологическая линия для производства водоугольного топлива и его сжигания : № 2009120319/22 : заявл. 28.05.2009 : опубл. 20.10.2009 / С. В. Алексеенко, Л. В. Карташова, И. В. Кравченко [и др.] ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "ТеплоПром". – EDN YROADP.

3. Результаты численного моделирования процесса сжигания водоугольного топлива / В. И. Мурко, А. Риестерер, С. А. Цецорина [и др.] // Ползуновский вестник. – 2011. – № 2-1. – С. 230-234. – EDN NUTCBT.

4. Флек, Е. С. Особенности расчета теплообмена в топке котельной установки при сжигании водоугольного топлива / Е. С. Флек // Омский научный вестник. – 2017. – № 1(151). – С. 70-73. – EDN YICGTF.

5. Патент № 2036955 C1 Российская Федерация, МПК C10L 1/32. Способ приготовления водоугольного топлива из бурых углей : № 5051567/04 : заявл. 09.07.1992 : опубл. 09.06.1995 / Г. Н. Делягин; заявитель Научно-производственное объединение "Гидротрубопровод". – EDN NNOPLE.

6. Белогурова, Т. П. Исследование золоотходов на основе кавитированного водоугольного топлива / Т. П. Белогурова, А. В. Цырятьева // Наукоемкие технологии и инновации : Юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения), Белгород, 09–10 октября 2014 года. – Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2014. – С. 49-53. – EDN TGVOSV.

7. Малышев, Д. Ю. Использование твердых продуктов пиролиза древесины в качестве добавки к водоугольным суспензиям / Д. Ю. Малышев, С. В. Сыродой // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век : Материалы XVII международной научно-практической конференции, Орёл, 02–04 декабря 2019 года. – Орёл: ОГУ имени И.С. Тургенева, 2019. – С. 281-284. – EDN MRVUXN.

8. Калинихин, О. Н. Природоохранные аспекты внедрения технологии сжигания водоугольного топлива / О. Н. Калинихин // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. – 2019. – № 5(139). – С. 84-89. – EDN ZYHHWM.

9. Курганкина М.А., Вершинина К.Ю., Озерова И.П., Медведев В.В. К вопросу о переходе тепловых электрических станций с традиционных топлив на органоводоугольные топливные композиции. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 9. С. 72-82.

10. Вершинина, К. Ю. Характеристики зажигания капель органоводоугольных топлив на основе отработанных и индустриальных масел1 / К. Ю. Вершинина, Д. О. Глушков, П. А. Стрижак // Химия твердого топлива. – 2017. – № 3. – С. 63-69. – DOI 10.7868/S0023117717030100. – EDN YTAJOX.

11. Малышев, Д. Ю. Обоснование ресурсоэффективности технологий сжигания водоугольных топлив с добавками биомассы / Д. Ю. Малышев, С. В. Сыродой // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2020. – Т. 331. – № 6. – С. 77-85. – DOI 10.18799/24131830/2020/6/2677. – EDN RPUFSD.

12. Малышев, Д. Ю. Влияние характерного размера капель био-водоугольного топлива на времена задержки зажигания / Д. Ю. Малышев, С. В. Сыродой // Наука молодых - будущее России : Сборник научных статей 4-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых. В 8-ми томах, Курск, 10–11 декабря 2019 года / Ответственный редактор А.А. Горохов. – Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. – С. 118-122. – EDN KYMWUY.

13. Сазанов, Б.В. Промышленные теплоэнергетические установки и системы: учеб. пособие для вузов [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Б.В. Сазанов, В.И. Ситас. — Электрон. дан. — Москва : Издательский дом МЭИ, 2014. — 275 с.

14. Патент № 2144059 C1 Российская Федерация, МПК C10L 1/32. Топливо : № 99102408/04 : заявл. 04.02.1999 : опубл. 10.01.2000 / Г. Н. Делягин, С. В. Ерохин, Г. П. Силенко [и др.]; заявитель Делягин Геннадий Николаевич, Ерохин Сергей Федорович, Силенко Георгий Петрович [и др.].

15. Эпштейн, С. А. Морфологические и термохимические превращения бурого угля при баротермической обработке спиртоводоугольного топлива / С. А. Эпштейн, Д. С. Худяков, Е. Г. Горлов // Химия твердого топлива. – 2004. – № 2. – С. 35-40. – EDN OXODPP.

16. Исследование характеристик распыления и зажигания водоугольных топлив с добавлением изопропилового спирта / Д. В. Гвоздяков, А. В. Зенков, В. Е. Губин [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2021. – Т. 21. – № 4. – С. 29-39. – DOI 10.14529/power210404. – EDN TRRWIE.

17. Баранова, М. П. Сжигание водоугольных суспензионных топлив из низкометаморфизованных углей / М. П. Баранова, Т. А. Кулагина, С. В. Лебедев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2009. – № 9. – С. 24-26. – EDN TMLUHW.

18. Олейникова М.И. Получение водоугольного топлива из шламов углеобогащения. Охрана окружающей среды и заповедное дело. 2020. № 1. С. 132-144.

19. Баранова, М. П. Влияние пластифицирующих добавок на реологические характеристики водоугольных суспензий из углей разной степени метаморфизма / М. П. Баранова // Труды Красноярского государственного технического университета. – 2006. – № 2-3. – С. 143-147. – EDN HIJJDM.

20. Борзов, А. И. Приготовление водоугольных суспензий из бурых углей с использованием различных мельничных устройств / А. И. Борзов, М. П. Баранова // Химия твердого топлива. – 2006. – № 4. – С. 40-45. – EDN HVJHKZ.

21. С.В. Алексеенко, Л.И. Мальцев, И.В. Кравченко, А.А. Дектерев, В.А. Кузнецов. Обзор работ по приготовлению водоугольного топлива и его сжиганию в котлах. Горение и плазмохимия. 19 (2021) 265-277.

22. Гвоздяков Д.В., Зенков А.В., Губин В.Е., Ведяшкин М.В. К вопросу об исследовании структуры потока водоугольного топлива в процессе его пневмомеханического распыла. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2018. Т. 18. № 4. С. 5-12.

23. Мальцев Л.И., Кравченко И.В., Кравченко А.И., Самборский В.Е. Прикладные аспекты технологии приготовления и сжигания водоугольного топлива. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011. № 1 (6). С. 25-30.

24. Морозов А.Г., Коренюгина Н.В. Гидроударные технологии в производстве водоугольного топлива. Уголь. 2009. № 11 (1003). С. 54-56.

25. Чернецкая-Белецкая Н.Б., Баранов И.О., Мирошникова М.В. Экспериментальные исследования реологических характеристик и гидравлических параметров транспортирования водоугольного топлива. International scientific and practical conference world science. 2017. Том 1. №12 (28). С. 35-42.

26. Егурнов А.И., Борук С.Д., Тевтуль Я.Ю. Взаимосвязь параметров состояния водоугольного суспензионного топлива. Современная наука. Исследования, идеи, результаты, технологии. 2014. №2. 15. 49-53.

27. Савицкий Д.П., Макаров А.С., Егурнов А.И. Физико-химические свойства водоугольного топлива. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2012. №1 (9). С. 10-14.

28. Э.Р. Зверева, Г.Р. Ахметвалиева, А.О. Макарова, Д.В. Ермолаев, Ю.К. Монгуш, А.Р. Шайхутдинова, О.С. Зуева. Изменение реологических свойств водоугольных суспензий в присутствии наноматериалов. Вестник казанского государственного энергетического университета. 2017. №3 (35). С. 76-83.

29. R. Chen, M. Wilson, Y.K. Leong, P. Bryant, H. Yang, D.K. Zhang. Preparation and rheology of biochar, lignite char and coal slurry fuels. Fuel, 90 (4) (2011), pp. 1689-1695.

30. Agnieszka Kijo-Kleczkowska. Combustion of coal-water suspensions. Fuel. Volume 90, Issue 2, February 2011, Pages 865-877.

31. B. C. MeikapN. K. PurohitV. Mahadevan. Effect of microwave pretreatment of coal for improvement of rheological characteristics of coal–water slurries. Journal of Colloid and Interface Science. Volume 281, Issue 1, 1 January 2005, Pages 225-235.

32. Y.-J. Shin, Y.-H. Shen. Preparation of coal slurry with organic solvents. Chemosphere, 68 (2) (2007), pp. 389-393.

33. G.V. Kuznetsov, S. Romanov, K.Yu. Vershinina, P.A. Strizhak. Rheological characteristics and stability of fuel slurries based on coal processing waste, biomass and used oil. Fuel. Volume 302, 15 October 2021, 121203.

34. E.Yu. Shadrin, I.S. Anufriev, E.B. Butakov, E.P. Kopyev, S.V. Alekseenko, L.I. Maltsev, O.V. Sharypov. Coal-water slurry atomization in a new pneumatic nozzle and combustion in a low-power industrial burner. Fuel. Volume 303, 1 November 2021, 121182.

35. Xiaoxiang Wu, Qinghua Guo, Yan Gong, Jieyu Liu, Xiang Luo, Tao Wu, Guangsuo Yu. Influence of burner geometry on atomization of coal water slurry in an entrained-flow gasifier. Chemical Engineering Science. Volume 247, 16 January 2022, 117088.

36. D.V. Gvozdyakov, A.V. Zenkov, S.V. Lavrinenko, Ya.V. Marysheva, K.B. Larionov. Spraying characteristics of alcohol-coal-water slurries with low coal content. Chemical Engineering & Technology. 2022. Vol. 45, iss. 5. P. 936-945.

37. Deng Jianxin, Ding Zeliang, Zhou Houming, Tan Yuanqiang. Performance and wear characteristics of ceramic, cemented carbide, and metal nozzles used in coal–water–slurry boilers. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. Volume 27, Issue 5, September 2009, Pages 919-926.

38. Stephane G. Daviault, Omar B. Ramadan, Edgar A. Matida, Patrick M. Hughes, Robin Hughes. Atomization performance of petroleum coke and coal water slurries from a twin fluid atomizer. Fuel. Volume 98, August 2012, Pages 183-193.

39. Ping Lu,Mingyao Zhang. Experimental investigation on atomizing characteristics of coal–water paste for pressurized fluidized bed. Fuel. Volume 83, Issue 16, November 2004, Pages 2109-2114.

40. Xiuyuan Ma, Yufeng Duan, Meng Liu. Atomization of petroleum-coke sludge slurry using effervescent atomizer. Experimental Thermal and Fluid Science. Volume 46, April 2013, Pages 131-138.

41. Stephane G. Daviault, Omar B. Ramadan, Edgar A. Matida, Patrick M. Hughes, Robin Hughes. Atomization performance of petroleum coke and coal water slurries from a twin fluid atomizer. Fuel. Volume 98, August 2012, Pages 183-193.

42. Dmitry Gvozdyakov, Andrey Zenkov. Improvement of atomization characteristics of coal-water slurries. Energy. Volume 230, 1 September 2021, 120900.

43. Hsu, T.C., Yang, S.I. Viscosity effects of spray characteristics in air-blast atomizer. Key Engineering Materials. Volume 656-657, 2015, Pages 142-147.

44. D.O. Glushkov, S.V. Syrodoy, A.V. Zakharevich, P.A. Strizhak. Ignition of promising coal-water slurry containing petrochemicals: analysis of key aspects. Fuel Process. Technol., 148 (2016), pp. 224-235.

45. V.A. Pinchuk, T.A. Sharabura, A.V. Kuzmin. Improvement of coal-water fuel combustion characteristics by using of electromagnetic treatment. Fuel Processing Technology. Volume 167, 1 December 2017, Pages 61-68.

46. Jianguo Liu, Xiumin Jiang, Lingsheng Zhou, Hui Wang, Xiangxin Han. Co-firing of oil sludge with coal–water slurry in an industrial internal circulating fluidized bed boiler. Journal of Hazardous Materials. Volume 167, Issues 1–3, 15 August 2009, Pages 817-823.

47. V.V. Salomatov, G.V. Kuznetsov, S.V. Syrodoy, N.Y. Gutareva. Ignition of coal-water fuel particles under the conditions of intense heat. Applied Thermal Engineering. Volume 106, 5 August 2016, Pages 561-569.

48. D.V. Gvozdyakov, A.V. Zenkov, A. Zh. Kaltaev. Characteristics of spraying and ignition of coal-water fuels based on lignite and liquid pyrolysis products of wood waste. Energy. Volume 257, 15 October 2022, 124813.

49. Kun Zhou, Qizhao Lin, Hongwei Hu, Huiqing Hu, Lanbo Song. The ignition characteristics and combustion processes of the single coal slime particle under different hotcoflow conditions in N2/O2 atmosphere. Energy. Volume 136, 1 October 2017, Pages 173-184.

50. A.D. Nikitin, G.S. Nyashina, A.F. Ryzhkov, P.A. Strizhak. Anthropogenic emissions from the combustion of composite coal-based fuels. Sci. Total Environ., 772 (2021), p. 144909.

51. Christian Gaber, Philipp Wachter, Martin Demuth, Christoph Hochenauer. 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. Volume 282, 15 December 2020, 118692.

52. D.V. Antonov, G.S. Nyashina, P.A. Strizhak, D.S. Romanov. Micro-explosive droplet fragmentation of environmentally promising coal-water slurries containing petrochemicals. Fuel. Volume 283, 1 January 2021, 118949.

53. A.D. Nikitin, G.S. Nyashina, A.F. Ryzhkov, P.A. Strizhak. Anthropogenic emissions from the combustion of composite coal-based fuels. Science of The Total Environment. Volume 772, 10 June 2021, 144909.

54. G.S. Nyashina, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak. Effects of plant additives on the concentration of sulfur and nitrogen oxides in the combustion products of coal-water slurries containing petrochemicals. Environmental Pollution. Volume 258, March 2020, 113682.

55. Сыродой С.В., Малышев Д.Ю., Косторева Ж.А. Совместное зажигание водоугольной суспензии и древесной биомассы. Промышленная энергетика. 2020. № 5. С. 44-49.

56. Пинчук В.А., Шарабура Т.А., Кузьмин А.В. Экспериментальные исследования коэффициента теплопроводности и теплоемкости водоугольного топлива. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2016. № 1 (17). С. 55-67.

57. Мурко В.И., Таилаков О.В., Хямяляинен В.А., Шеховцова В.О. Развитие экологически чистых технологий по использованию отходов обогащения и сжигания угля. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. № 10. С. 249-258.

58. Зверева Э.Р., Ахметвалиева Г.Р., Макарова А.О., Ермолаев Д.В., Монгуш Ю.К.О., Шайхутдинова А.Р., Зуева О.С. Изменение реологических свойств водоугольных суспензий в присутствии наноматериалов. Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. № 3 (35). С. 76-83.

59. Кравченко О.В., Андриенко Е.Ю. Энергетические и экологические аспекты использования фенольных сточных вод в качестве компонента водоугольных топлив. Экология и промышленность. 2011. № 3 (28). С. 67-71.

60. Ksenia Yu. Vershinina, Vadim V. Dorokhov, Daniil S. Romanov, Pavel A.Strizhak. Combustion dynamics of droplets of aqueous slurries based on coal slime and waste oil. Journal of the Energy Institute. Volume 104, October 2022, Pages 98-111.

61. Ksenia Yu. Vershinina, Vadim V. Dorokhov, Daniil S. Romanov, Pavel A. Strizhak. Combustion stages of waste-derived blends burned as pellets, layers, and droplets of slurry. Energy. Volume 251, 15 July 2022, 123897.

62. Dmitriy Gvozdyakov, Andrey Zenkov. Influence of petrochemicals on jet characteristics after coal-water fuel spraying. Fuel Processing Technology. Volume 218, July 2021, 106864.