Спосіб обробки паливної водовугільної суспензії

Реферат: Запропонований винахід належить до галузі енергетики, а саме до способів підготовки палива для спалювання. Заявлено спосіб обробки паливної водовугільної суспензії, що включає попереднє до термічної переробки змішування подрібнених частинок вугілля розміром менше 250 мкм з активуючим компонентом у вигляді водного розчину і нагрів до температури інтенсивного утворення парогазової фази з отриманням однорідної текучої композиції, відповідно до винаходу, як активуючий компонент використовують колоїдний розчин наночастинок оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану, в кількості 1-5 мас.% із вмістом наночастинок 0,1-1 мас.%, змішування проводять в циліндровому об'ємі одночасно з нагріванням суспензії в електромагнітному полі, що періодично обертається з частотою 0,5-5 Гц. UA 107165 C2 (12) UA 107165 C2 UA 107165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі енергетики, а саме - до способів підготовки палива для спалювання, і може бути використаний для підвищення ефективності термічної переробки водовугільних суспензій. До палива ставляться такі вимоги: енергоефективність як кількість енергії, одержуваної від одиниці маси паливної суспензії; керованість як можливість регулювання параметрами розпилювання й горіння паливної суспензії; технологічність як стабільна подача паливної суспензії до місця використання у відповідності з технічними вимогами і параметрами роботи обладнання, а також - безпека використання та екологічність. При цьому, прагнуть таким чином впливати на властивості водовугільної суспензії, щоб підвищити її енергоефективність, зокрема, шляхом збільшення вмісту в ній твердої горючої фази, однак це супроводжується коагуляцією часток, зменшенням текучості (підвищенням в'язкості) палива, великими затратами енергії при її транспортуванні до топкових пристроїв, погіршення умов розпилення форсунками, що створює значні експлуатаційні труднощі, а отже, зменшує технологічність і ефективність термічної переробки водовугільної суспензії. Звичайний склад водовугільних суспензій, що використовуються в промисловості, включає подрібнені до розмірів менше 250 мкм частки вугілля в кількості 60-70 мас. % і водної фази з додаванням різного виду присадок, стабілізаторів і поверхнево-активних речовин [1, 2]. Підвищення однорідності палива та досягнення низького значення в'язкості можуть бути досягнуті шляхом уведення більшої кількості водної фази у водовугільну суспензію, однак, це супроводжується зменшенням кількості горючої речовини (вугілля), збільшенням витрат на випаровування водної фази, погіршенням стійкості і стабільності палива [3]. В результаті, зменшується ефективність термічної переробки водовугільної суспензії. Відомий спосіб переробки вуглеводневого палива [4], згідно з яким у вказане паливо додають один або більше каталізаторів горіння у вигляді сполук речовин в розчинній формі в 8 12 кількості 1 масова частина каталізаторів на 5 • 10 …12 • 10 частин палива. Істотним недоліком аналога є слабкий вплив зазначених речовин на теплофізичні та реологічні (в'язкісні) властивості палива, в результаті чого ускладнюється стабільність подачі палива до місця його термічної переробки і регулювання процесом спалювання палива. Відомий спосіб підвищення енергетичної ефективності водовугільного палива [5], який включає одночасну активацію компонентів реакції горіння шляхом впливу на компоненти палива і повітря високовольтним (25 кВ) імпульсним з частотою 100-120 Гц нерівномірним пульсуючим електричним полем. Істотним недоліком даного способу є необхідність одночасного активуючого впливу на паливо і повітря безпосередньо в момент спалювання палива, оскільки при знятті електричного поля зазначені ознаки способу активації зникають, в результаті чого відсутня можливість управління ефективністю переробки палива. Безпосередній вплив електричного поля на паливо і повітря в момент використання утруднений з технічних та технологічних причин (трубопроводи і форсунку необхідно всередині оснащувати випромінювачами електричного поля, які створять додатковий опір переміщенню палива). У результаті цього погіршується керованість подачі палива до місця переробки, збільшуються витрати на транспортування і знижується ефективність його термічної переробки. Таким чином, показано, що сполученням ряду явищ та фізичних впливів на водовугільне паливо можна досягти поліпшення його технологічних властивостей та ефективності термічної переробки. Зокрема, використовують напівпровідникові властивості водовугільної суспензії і парамагнітні властивості мінеральних домішок, що входять до її складу [6], що дає можливість здійснити електромагнітне перемішування. Відомий спосіб отримання паливної композиції на основі вугілля [7], який включає подрібнення частинок вугілля до розмірів менше 250 мкм, їх сушіння при нагріванні до температури інтенсивного утворення парогазової суміші (до 120 °C), що забезпечує випаровування води і вихід летких речовин, насичення змащувальною речовиною (наприклад, дизельним паливом) і подальше змішування з активуючим компонентом у вигляді водного розчину сульфованого гумату натрію в кількості 1 % при загальній кількості водної фази в паливній суміші до 46 % з отриманням текучої паливної композиції. Істотним недоліком прототипу є обробка попередньо подрібнених та висушених часток вугілля змащувальною речовиною до змішування його з водою і активуючим компонентом, що супроводжується злипанням часток до їх змішування з водним розчином активуючого компонента і коагуляцією в процесі змішування з водною фазою. Надалі це призводить до погіршення умов транспортування, технологічним порушенням при розпилюванні палива форсунками при спалюванні, нерівномірності фронту горіння і недопалу, а в кінцевому підсумку - до зниження енергоефективності та керованості процесом термічної переробки палива. Крім 1 UA 107165 C2 5 10 15 20 25 того, введення водної фази в кількості до 46 % від маси паливної суспензії, забезпечуючи її текучість, призводить до зниження сумарної енергоефективності процесу переробки, оскільки така кількість води (негорючої фази) знижує теплоту згоряння паливної композиції, а інтенсивне пароутворення в топковому просторі знижує технологічність і керованість процесу термічної переробки паливної композиції. Додатково, використання сульфованого гумату натрію як активуючого компонента призводить до збільшення енергетичного порогу для здійснення окислювально-відновних реакцій, а, отже - до підвищення енергетичних витрат, необхідних для початку перебігу цих реакцій. В основу винаходу поставлено задачу збільшення енергоефективності процесу термічної переробки паливної водовугільної суспензії. Технічний результат полягає в зниженні температури займання палива за рахунок зменшення енергії активації окисно-відновних реакцій горіння, зменшенні витрат енергії на пароутворення водної фази в паливній суміші, підвищення технологічності та керованості процесами подачі і горіння за рахунок зниження сил в'язкісного тертя та поверхневого натягу рідких компонентів водовугільної суспензії. Поставлена задача досягається шляхом обробки паливної водовугільної суспензії, що включає попереднє до термічної переробки змішування подрібнених частинок вугілля розміром менше 250 мкм з активуючим компонентом у вигляді водного розчину і нагрів до температури інтенсивного утворення парогазової фази з отриманням однорідної текучої композиції; відповідно до винаходу, як активуючий компонент використовують колоїдний розчин наночастинок оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану, в кількості 1-5 мас. % із вмістом наночастинок 0,1-1 мас. %, змішування проводять в циліндровому об'ємі одночасно з нагріванням суспензії в електромагнітному полі, що періодично обертається з частотою 0,5-5 Гц, напруженість магнітної складової якого визначають за формулою: d  f 2  d2  h2  (  43    d2  f ) , (1) U протягом часу, що визначається за формулою: H  (0,3  0,4) t  ( 2  3) 30 35 40 45 50 55 d2      c p   , (2) U2  (1  exp( 1,14 f ))2 де H - напруженість магнітної складової електромагнітного періодично обертового поля, А/м, U - напруга електричної складової струму живлення електромагнітного поля, В, π - математична константа, яка дорівнює 3,14, d - діаметр циліндричного об'єму, м, h - довжина по осі циліндричного об'єму, м, f - частота періодичного обертання електромагнітного поля (частота коливань зворотнообертального руху рідини), Гц, ρ - питомий електричний опір водовугільної суспензії, Ом • м, η - динамічна в'язкість водовугільної суспензії, Па • с, 3 γ - густина водовугільної суспензії, кг/м , cp - питома теплоємність водовугільної суспензії, Дж/(кг • К), ∆Θ - приріст температури від вихідного значення до температури початку інтенсивного утворення парогазової фази водовугільної суспензії. Уведення подрібнених частинок вугілля розміром менше 250 мкм в водовугільну суспензію з наступним попереднім до термічної переробки змішуваннямз активуючим компонентом у вигляді водного розчину і нагріванням до температури інтенсивного утворення парогазової фази для отримання однорідної текучої композиції є звичайними відомими діями з її приготування. Змішування водовугільної суміші з наночастинками оксиду металу IV групи Періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану, в кількості 1-5 мас. % із вмістом наночастинок 0,1-1 мас. % і з одночасним нагріванням необхідно для зниження енергії активації окисновідновних реакцій і зменшення витрат енергії на пароутворення водної фази, зменшення сил в'язкісного тертя і, як наслідок - зміни теплофізичних і реологічних властивостей палива, що призводить до збільшення енергоефективності, керованості і технологічності процесу термічної переробки водовугільної суспензії. Цьому сприяє зменшення поверхневого натягу рідкої фази водовугільної суспензії за наявності в ній колоїдного розчину наночастинок оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, до яких належить і вуглець - основний енергозабезпечувальний компонент водовугільної суспензії. Тим самим забезпечується спорідненість складових водовугільної суспензії з вуглецем вугілля. 2 UA 107165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Введення у водовугільну паливну суспензію колоїдного розчину наночастинок оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану, в кількості менше 1 мас. % у всьому діапазоні 0,1-1 мас. % вмісту наночастинок у ньому при вказаному співвідношенні води та вугільної частини призводить до недостатнього впливу на енергоефективність, керованість і технологічність процесу термічної переробки водовугільної суспензії. Введення у водовугільну паливну суспензію колоїдного розчину наночастинок оксиду металу IV групи Періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану (ТіO2), в кількості більше 5 мас. % у всьому діапазоні 0,1-1 мас. % вмісту наночастинок у ньому при вказаному співвідношенні води та вугільної частини не змінює енергоефективність, керованість і технологічність процесу термічної переробки, але здорожує водовугільну суспензію. Введення в колоїдний розчин оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - наночастинок ТіO2, в кількості менше 0,1 мас. % у всьому діапазоні 1-5 мас. % вмісту активуючої добавки в суспензію різко зменшує дію добавки, що активує, і не дозволяє досягти мети винаходу. Введення в колоїдний розчин оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - наночастинок ТіО2, в кількості більше 1 мас. % у всьому діапазоні 1-5 мас. % вмісту активуючої добавки в суспензію не змінює вказані параметри, але здорожує водовугільну суспензію. Змішування компонентів паливної водовугільної суспензії в циліндровому об'ємі одночасно з її нагріванням в електромагнітному полі, що періодично обертається з частотою 0,5-5 Гц, необхідне для забезпечення гомогенізації і однорідності її хімічних і фізичних властивостей по всій масі суміші, структуризації суспензії уздовж ліній потоку з відповідним зменшенням тертя в трубопроводах, що підводять суспензію до форсунки, і в самій форсунці. Поєднання циліндричного (на відміну від будь-якої іншої форми) об'єму паливної водовугільної суспензії із застосуванням обертового з частотою 0,5-5 Гц електромагнітного поля забезпечує якісне перемішування і однорідність її властивостей по всій масі суміші. Використання і інших тіл обертання, наприклад, кулястої, еліпсоподібної й ін. нетехнологічне як при виготовленні відповідної ємності для суспензії, так і при забезпеченні впливу на неї рівномірного обертового електромагнітного поля. Частота менше 0,5 Гц у всьому діапазоні зміни напруженості електромагнітного поля і часу обробки не забезпечує достатню гомогенізацію суміші, що веде до наступного зниження енергоефективності, керованості і технологічності процесу термічної переробки водо вугільної суспензії. Частота більше 5 Гц у всьому діапазоні зміни напруженості електромагнітного поля і часу обробки супроводжується підвищеною інерційністю при русі суспензії та зниженням ефективності використання електромагнітного поля для перемішування при збільшенні енерговитрат на перемішування водовугільної суспензії. Для забезпечення ефективного впливу електромагнітного поля на процес перемішування компонентів водовугільної суспензії напруженість його магнітної складової визначається за формулою (1). Ця формула, яка представлена тут вперше, отримана авторами даного запропонованого винаходу. Час впливу на водовугільну суспензію періодично обертового електромагнітного поля з частотою 0,5-5 Гц і напруженістю H магнітної складової електромагнітного поля, необхідний для повного проходження фізичних явищ змішування, структурування та нагріву, визначається за формулою (2). Ця формула, яка представлена тут вперше, отримана авторами даного запропонованого винаходу. Спосіб реалізується за схемою, представленою на фігурі. Установка для реалізації способу складається з ємкості 1, виконаної з теплостійкого електроізолюючого матеріалу (кераміка або ін.) з внутрішнім діаметром d , в якій до рівня h розміщуються компоненти водовугільної суспензії 2 з активуючим компонентом у вигляді колоїдного розчину наночасток оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану (ТіО2). Зовні ємкості (на "статорі") в пазах розміщені шини 3 підведення трифазного електричного струму (з можливістю їх комутації для зміни кількості пар p полюсів при фазному підключенні) за допомогою блоку живлення 4. Блок живлення 4 містить силове реле 5, імпульсний генератор низької частоти 6 і автотрансформатор трифазного струму 7. Одна з фаз шин 3 безпосередньо підключена до фази "а" автотрансформатора 7, а дві інші фази - до фаз "б" і "в" автотрансформатора 7 через контакти реле 5 з можливістю їх керованої "переполюсовки" (зміни підключення вказаних шин на протилежне). Автотрансформатор 7 підключений до трифазної мережі змінного струму напругою 220/380 В. Для контролю температури водовугільної суспензії 2 в ємкості 1 розташований безконтактний 3 UA 107165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 термометр 8. Внутрішня порожнина ємкості 1 сполучена з форсункою 12 трубопроводом, на якому розташовані електромагнітний клапан 9, насос 10 і витратомір 11. Форсунка 12 розміщена в топковій камері 13, що має патрубок для відведення продуктів згорання. Топкова камера 13 також обладнана спіраллю розжарювання, підключеною до регульованого джерела постійного струму (на фіг. не показані) для підпалу водовугільної суспензії на виході з форсунки; хромельалюмелевими термопарами (на кресленні не показані) для виміру температурних характеристик займання і спалювання водовугільної суспензії; вікном з кварцового скла (на фіг. не показано) для візуальної оцінки стабільності факела горіння водовугільної суспензії. Спосіб реалізується таким чином. При подачі управляючих електричних імпульсів з необхідною частотою f від генератора низької частоти 6 на обмотки силового реле 5 напруга з мережі трифазного змінного струму через автотрансформатор 7, що забезпечує необхідну величину напруги U , подається на шини 3 (на "статор") ємкості 1. Для конкретних значень розмірів ємкості 1 і властивостей водовугільної суспензії 2 згідно з формулою (1) забезпечується необхідна напруженість електромагнітного поля H для створення її зворотнообертального руху (в "роторі") в ємкості 1. Обробка водовугільної суспензії здійснюється протягом часу t , який визначається за формулою (2), для конкретних значень розмірів ємкості 1, властивостей водовугільної суспензії 2 і температури підігріву. Приріст температури і температура водовугільної суспензії 2 контролюється в ємкості 1 безконтактним термометром 8. Після електромагнітної обробки протягом часу t , величина якого визначається за формулою (2), водовугільна суспензія через електромагнітний клапан 9 насосом 10 через витратомір 11 подається у форсунку 12 топкової кхмери 13, де здійснюється підпал спіраллю розжарювання і горіння підготовленої водовугільної суспензії. При цьому, контроль температур займання палива і температури факела здійснюється термопарами, а контроль стабільності факела горіння - візуально через вікно з кварцовим склом. Контроль складу продуктів згорання на виході з патрубка топкової камери 13 здійснюється газоаналізатором. Це дозволяє оцінити енергоефективність процесу горіння водовугільної суспензії при різних режимах її попередньої обробки. Випробування способу проведені при розмірах ємкості: діаметр d=50 мм, довжина по осі h=100 мм, - і використанні суспензії на основі подрібненого до розмірів менше 250 мкм часток бурого вугілля з вмістом твердої фази у кількості 54 % порівняно з аналогічною кількістю горючої фази в прототипі. Як активуючий компонент згідно з формулою винаходу використали колоїдний розчин наночасток оксиду титану ТіО2 (згідно паспорту якості ЗАТ "Промхимпермь" розмір наночасток оксиду титану ТіО2 складає 23,3 нм), а в прототипі - сульфований гумат натрію. Кількість K (у мас. частках) твердої фази в готовій суспензії з врахуванням кількості K в (умас. частках) вугілля у вихідній суспензії, кількості Kкол (у мас. частках) колоїдного розчину і кількості K а (у мас. частках) активуючого компонента в колоїдному розчині розраховували за формулою: K  Kв  (1  Kкол )  Kкол  Kа  . (3) Динамічну в'язкість  водовугільної суспензії згідно апроксимації даних з роботи [1], виконаної авторами винаходу, в діапазоні кількості K  0,55 0,65 (у мас. частках) твердої фази в суспензії визначали за формулою:   0,223  exp( 21,83  K  13,29) . (4) Густину суспензії  су сп для розрахунків визначали за формулою [8]:  су сп   тв  K  рідк  (1  K ) , (5) 3 Де  тв , рідк - густина твердої і рідкої фаз суспензії відповідно, кг/м . Значення теплоємності c p визначали за формулою [9]: cp  cp.тв  K  cp.рідк  (1  K ) , (6) 50 де c p.тв , c p.рідк - ізобарна теплоємність твердої і рідкої фаз суспензії відповідно, Дж/кг • К. Також дослідним шляхом встановлено, що температура інтенсивного утворення парогазової фази випробуваних варіантів суспензії дорівнювала біля 100 °C, що при вихідній температурі 20 °C складів водовугільної суспензії визначило приріст температури   80 С . Середня напруга U живлення шин "статора" для утворення електричної складової електромагнітного поля дорівнювала 120 В з можливістю її зміни за допомогою 4 UA 107165 C2 автотрансформатора 7 в діапазоні ±20 В і контролем вольтметрами, підключеними до відповідних фазних пакетів шин 3. Для визначення питомого опору  (у Ом • м) суспензії провели спеціальні досліди, в яких виявили, що  залежить від напруги U (у В) у відповідності з апроксимаційною формулою: 5 10 15  1 (7) 0,0793  7,94  10 3  U для всієї номенклатури значень інших параметрів випробуваних варіантів способу [10]. Необхідну частоту зворотно-обертального руху водовугільної суспензії ("ротора") 2 в ємкості 1 забезпечили, виходячи з того, що кутова швидкість  визначається рівнянням:   2  n , (8) де n - частота обертання (або кількість зворотів в секунду). Оскільки обертання рідини пропонується зворотно-обертальним, один повний цикл (коливання) такого руху обумовлений двома протилежно направленими зворотами рідини, тобто в даному випадку: 1 n   f . (9) 2 Тоді відповідний період T цих коливань: T  1/ f . (10) Залежність кругової частоти  обертання поля "ротора" від частоти живлячого зовнішнього електричного струму   50 Гц і кількості пар полюсів p визначається по формулі: 2     . (11) p В результаті, зворотно-обертальний рух водовугільної суспензії 2 ("ротора") в ємкості 1 з необхідною частотою забезпечили обертанням зовнішнього електромагнітного поля (поля "статора") з частотою обертання n  1  f [об/с] при синхронізованому перемиканні контактів 2 реле.» шляхом подачі на його силову обмотку управляючих імпульсів від імпульсного генератора 6 з частотою: i  1  f . (12) 2 Тоді з (11) витікає, що необхідна кількість пар полюсів р забезпечується комутуванням (з'єднанням) шин 3 згідно з формулою: 2 . (13) p f В результаті такого впливу на суспензію електромагнітного поля з магнітною напруженістю, значення якої визначається за формулою (1), суспензія 2 набуває зворотно-обертального руху в ємкості 1. Така дія продовжується протягом часу, який визначається за формулою (2). У реалізаціях варіантів способу за винаходом змінювали частоту зворотно-обертального руху суспензії при її приготуванні в діапазоні f=0,4…6 Гц з контролем напруженості магнітної складової електромагнітного поля згідно з формулою (1) при врахуванні значень параметрів, що входять в цю формулу. Для цього спеціальним чином комутували (з'єднували) шини ("статора") ємкості 1 з суспензією 2 і забезпечували імпульсну роботу управляючого генератора 6 згідно даним, відображеним у таблиці 1.  20 25 30 35 Таблиця 1 Дані для забезпечення зворотно-обертального руху суспензії в ємкості з вибраною частотою коливань (частота трифазного струму   50 Гц) Частота f зворотноКількість пар полюсів p обертального руху суспензії на зовнішній поверхні в ємкості, Гц ємкості 0,4 250 0,5 200 2,5 40 5,0 20 6,25 16 Частота імпульсів i генератора і перемикань контактів реле, Гц 0,2 0,25 1,25 2,5 3,12 5 Період T імпульсів генератора і перемикань контактів реле, с 5 4 0,3 0,4 0,32 UA 107165 C2 5 10 15 20 Напруженість H магнітного поля розраховували за формулою (1) і контролювали за допомогою вимірників магнітного поля типів ІМП-6 з діапазоном 0,1…200 А/см і МР-1 з діапазоном 0…20 А/см. У реалізаціях варіантів способу, який пропонується, також змінювали: - кількість Kкол (у мас. частках) колоїдного розчину ТіО2 і готовій суспензії (шляхом уведення необхідної кількості речовини у вихідну суспензію); - кількість K а (у мас. частках) активуючого компонента ТіО 2 в його колоїдному розчині (шляхом введення необхідної кількості ТіО2 в колоїдний розчин); - час електромагнітної обробки суспензії з урахуванням значень параметрів і їх зв'язку згідно з формулою (2). Варіанти способу згідно передбачуваного винаходу відображені в таблиці 2 у порівнянні з прототипом. Про ефективність способу, що заявляється, судили по його енергоефективності, керованості і технологічності. Енергоефективність процесу термічної переробки паливної водовугільної суспензії оцінювали по значенням наступних температур, які визначали за допомогою хромельалюмелевих термопар, температурний діапазон виміру яких згідно з ДСТУ 2837-94 складає від 270 °C до +1372 °C і для яких було виконане індивідуальне тарирування, що забезпечило точність виміру температур ±0,01 °C: - температура займання займ водовугільної суспензії у момент її запалення спіраллю розжарювання, підключеної до регульованого джерела постійного струму (меншій температурі займання відповідала більша енергоефективність процесу термічної переробки суспензії, що побічно визначається за інших рівних умов енергією активації реакцій, поверхневим натягом дисперсійної фази суспензії, коефіцієнтом теплопровідності паливної суспензії); 25 Таблиця 2 Варіанти способу обробки паливної водовугільної суспензії № варіанту 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 КільКільКількість кість Час- кість K Kкол ТіО в тота 2 твердої коло- колоїд- зво- фази в В'язїдного ному ротно- гото- кість роз- розчи- обер- вій сус-  , Па чину в ні K , таль- пензії, •с а ного сусмас. руху/, мас. пензії, часЧасГц мас. тки тки частки 2 3 4 5 6 0,03 0,005 2,5 0,524 0,380 0,01 0,001 0,5 0,535 0,420 0,05 0,01 5,0 0,513 0,350 0,008 0,005 2,5 0,536 0,426 0,008 0,001 0,5 0,536 0,425 0,008 0,01 0,5 0,536 0,426 0,07 0,005 2,5 0,502 0,321 0,07 0,01 5,0 0,503 0,322 0,07 0,001 5,0 0,502 0,321 0,03 0,0008 2,5 0,524 0,379 0,01 0,0008 0,5 0,535 0,421 0,05 0,0008 0,5 0,513 0,346 0,03 0,012 2,5 0,524 0,380 0,05 0,012 5,0 0,514 0,348 0,05 0,012 5,0 0,514 0,348 0,03 0,005 0,4 0,524 0,380 0,01 0,001 0,4 0,535 0,421 Напруга елеГус- Тепло- Коетина ємність фіці- ктричного cp , єнт , струкг/м Дж/кг • К при H му у фазі U, В 7 1103 1107 1102 1106 1106 1106 1100 1100 1099 1104 1106 1102 1104 1102 1102 1104 1106 8 2360 2323 2396 2319 2319 2319 2435 2433 2436 2361 2323 2398 2359 2396 2396 2360 2323 6 9 0,35 0,30 0,40 0,35 0,30 0,30 0,35 0,40 0,40 0,35 0,30 0,30 0,35 0,40 0,30 0,35 0,30 10 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 Напруженість магнітного поля H, А/см Питомий електричний опір  , Ом •м 11 8,70 0,60 79,50 87,30 0,06 0,06 8,68 79,31 79,30 8,71 7,48 0,059 8,71 79,47 59,60 0,036 0,031 12 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 Час Коеt фіціобєнт при t робки, с 13 2,5 2,0 3,0 2,5 2,0 2,0 2,5 3,0 3,0 2,5 2,0 2,0 2,5 3,0 3,0 2,5 2,0 14 99 366 107 97 366 365 101 109 109 99 78 376 99 107 107 653 515 UA 107165 C2 Продовження таблиці 2 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 (Прототип) 0,01 0,03 0,05 0,05 0,03 0,01 0,05 0,03 0,05 0,01 0,03 0,01 0,01 0,03 0,05 0,05 0,001 0,005 0,01 0,01 0,005 0,001 0,001 0,005 0,01 0,01 0,005 0,001 0,001 0,005 0,01 0,01 0,4 6,25 6,25 6,25 2,5 0,5 0,5 2,5 5,0 5,0 2,5 0,5 5,0 2,5 5,0 0,5 0,01 0,535 0,524 0,513 0,513 0,524 0,535 0,513 0,524 0,513 0,535 0,524 0,535 0,535 0,524 0,513 0,513 0,421 0,380 0,348 0,348 0,380 0,421 0,347 0,379 0,348 0,421 0,378 0,420 0,421 0,378 0,348 0,348 1106 1104 1102 1107 1104 1106 1102 1104 1102 1106 1104 1106 1106 1104 1102 1102 2323 2360 2397 2396 2360 2323 2399 2360 2397 2328 2360 2323 2323 2360 2397 2397 0,40 0,35 0,40 0,30 0,25 0,25 0,25 0,45 0,45 0,45 0,35 0,30 0,30 0,35 0,40 0,40 120 120 120 120 130 140 140 115 115 115 120 120 120 120 120 120 0,041 136,10 155,20 116,40 5,74 0,043 0,043 11,68 93,30 93,65 8,41 0,06 59,83 8,71 79,47 0,079 0,969 0,969 0,969 0,969 0,899 0,839 0,839 1,008 1,008 1,008 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 0,969 2,0 2,5 3,0 3,0 2,5 2,0 2,0 2,5 3,0 3,0 1,8 1,8 1,8 3,5 3,5 3,5 515 88 107 107 78 233 240 112 122 118 71 324 63 138 125 658 0,540 0,509 1109 2265 - температура ф факела горіння, яка характеризувала інтенсивність окислювально5 10 15 20 25 відновних реакцій при термічній переробці водовугільної суспензії (більшій температурі ф відповідає вищий рівень енергоефективності процесу термічної переробки суспензії, що залежить за інших рівних умов від поверхневого натягу дисперсійної фази суспензії і витрат енергії на пароутворення); - різниця  температур: температури займання займ і температури суспензії  після її виходу з ємкості, де вироблялася її підготовка до термічної переробки, що характеризувало, зокрема, витрати енергії на пароутворення водної фази суспензії (меншим значенням  відповідав вищий рівень енергоефективності процесу термічної переробки суспензії). Керованість процесу термічної переробки паливної водовугільної суспензії оцінювали за повнотою вигорання паливної суспензії (по кількості СО і Н 2 в продуктах згорання згідно з даними газоаналізатора) і візуально - за коефіцієнтом варіації gф (у %) довжини факела. Меншим значенням коефіцієнта варіації gф і кількостей CO і Н2 відповідає більша керованість і стабільність процесу термічної переробки паливної водовугільної суспензії. Технологічність використання термічно переробленої паливної водовугільної суспензії оцінювали по стабільності (коефіцієнту варіації gв , %) показань витратоміру 11 при постійному тиску насоса 10, що подає паливо до форсунки 12, що визначається, зокрема, гомогенністю і в'язкістю суспензії (менші значення gв відповідають більшій технологічності паливної суспензії). Значення вказаних параметрів, узгоджені з варіантами реалізації способу з таблиць 1 і 2, представлені в таблиці 3. Аналіз приведених даних показує, що використання запропонованого винаходу згідно формулі винаходу в порівнянні з прототипом підвищує показники енергоефективності на 13…20 %, характеристики керованості на 18…23 % при повному виключенні недопалу палива; характеристики технологічності процесу термічної переробки паливної водовугільної суспензії підвищуються на 5…10 %. 7 UA 107165 C2 Таблиця 3 Параметри ефективності варіантів реалізації заявленого способу обробки паливної водовугільної суспензії Характеристики енергоефективності № варіанту по таблиці 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 (Прототип) 5 Температура займання займ , °C Температура факела горіння ф , °C 2 445 455 450 520 520 525 445 440 445 530 560 545 445 440 440 500 500 490 450 460 450 455 460 460 470 470 480 480 490 490 500 495 510 3 1150 1100 1130 1060 1060 1040 1150 1140 1150 1040 1025 1050 1145 1150 1150 1080 1070 1070 1120 1120 1125 1080 1070 1070 1090 1090 1090 1070 1060 1060 1110 1110 1105 560 1060 Характеристики керованості Різниця  температури займання Вміст займ і СО, % вихідної температури суспензії  , °C 4 5 365 0 375 0 370 0 440 1,50 440 1,50 445 1,50 365 0,70 360 0,30 365 0,60 450 3,20 480 4,10 465 1,50 365 0,40 360 0,30 360 0,30 420 4,10 420 4,10 410 4,30 370 4,30 380 4,10 370 4,10 375 3,80 380 3,80 380 3,80 390 1,50 390 0,80 400 0,80 400 4,20 410 4,50 410 4,40 420 2,50 415 2,50 430 2,30 480 4,70 Характеристика технологічності Вміст Н2, % Коефіцієнт варіації довжини факела gф , % Коефіцієнт варіації показань витратоміру gв , % 6 0 0 0 0,30 0,32 0,35 0,14 0,06 0,12 0,64 0,82 0,33 0,08 0,07 0,06 0,82 0,83 0,86 0,86 0,81 0,81 0,76 0,76 0,77 0,3 0,20 0,20 0,84 0,90 0,88 0,60 0,50 0,46 7 3,0 3,1 3,2 3,3 3,2 3,1 3,2 3,0 3,2 3,4 3,5 3,5 3,1 3,1 3,0 8,0 8,0 6,0 6,0 6,2 6,1 7,0 7,5 7,5 3,3 3,5 3,2 7,2 7,8 7,8 4,5 4,5 4,4 8 1,8 1,9 1,9 1,8 1,8 2,0 1,8 1,9 1,9 1,9 1,9 2,0 1,9 1,8 1,8 3,3 3,9 3,7 1,8 1,9 2,0 2,6 2,6 3,0 1,8 1,8 1,8 4,1 3,9 4,2 5,8 5,5 6,0 0,95 3,9 2,0 Вихід за вказаний діапазон вмісту колоїдного розчину в паливній суспензії і активуючого компонента в колоїдному розчині в меншу сторону у всьому діапазоні зміни характеристик електромагнітного поля знижує показники енергоефективності на 10-25 %, характеристик 8 UA 107165 C2 5 10 15 20 25 30 35 керованості - на 3-17 %, характеристик технологічності - на 5-11 %, роблячи їх в деяких випадках порівняними за ефективністю з прототипом. Вихід за вказаний діапазон вмісту колоїдного розчину в паливній суспензії і активуючого компонента в колоїдному розчині у всьому діапазоні зміни характеристик електромагнітного поля у більшу сторону слабкіше впливає на ефективність способу, але супроводжується підвищеними витратами ресурсів на підготовку паливної суспензії. Вихід за вказаний діапазон характеристик електромагнітного поля і часу підготовки суспензії в меншу сторону у всьому діапазоні зміни вмісту колоїдного розчину в паливній суспензії і активуючого компонента в колоїдному розчині супроводжується зниженням показників енергоефективності на 6-12 %, характеристик керованості в 2…2,7 разу, характеристик технологічності в 1,3…1,8 разу, роблячи в деяких випадках ефективність способу, що заявляється, порівняним з прототипом. Вихід за вказаний діапазон характеристик електромагнітного поля і часу підготовки суспензії у більшу сторону у всьому діапазоні зміни вмісту колоїдного розчину в паливній суспензії і активуючого компонента в колоїдному розчині супроводжується перегрівом водовугільної суспензії, погіршенням її якості, вимагає великих ресурсів на його реалізацію. Джерела інформації: 1. Ходаков Г.С. Водоугольные суспензии в энергетике // Теплоэнергетика. - 2007. - № 1. - С. 35-45. 2. Морозов А.Г., Мосин С.И., Мурко В.И. ВУТ в теплоэнергетике // Энергия: экономика, техника, экология. - 2007. - № 4. - С. 29-33. 3. Давыдова И.В. Некоторые свойства водоугольных суспензий / И.В. Давыдова, Г.Н. Делягин. - Труды ИГИ, 1962. 4. Патент України № 78239 Керролл Роберт В., Керролл Ноель, Керролл Вильям Ф., Керролл Майкл "Спосіб горіння пального (варіанти) та композиція пального (варіанти)". Бюл. № 3 от 15.03.2007. 5. Патент України на корисну модель № 37572 Ковалишин Б.М. "Спосіб підвищення ефективності паливних установок на вуглеводневому паливі та пристрій для його реалізації". Бюл. № 23 от 10.12.2008. 6. Агроскин А.А. Химия и технология угля. - М.: "Недра", 1969. - 240 с. 7. Патент України № 35787 Самойлік В.Г., Хілько С.Л., Тітов Є.В. "Спосіб отримання паливної композиції на основі вугілля". Бюл. № 3 от 18.04.2001. 8. Доманский И.В. Машины и аппараты химических производств. - Л.: Машиностроение, 1982. - 385 с. 9. Эмирджанов Р.Т. Основы технологических расчетов в нефтепереработке. - Л.: Химия, 1965. - 544 с. 10. Пинчук В.А., Должанский A.M. Исследование электрических свойств водоугольных суспензий // Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика: збірник наукових праць. Випуск 5. - Дніпропетровськ: Нова ідеологія, 2013. - С. 171-180. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Спосіб обробки паливної водовугільної суспензії, що включає попереднє до термічної переробки змішування подрібнених частинок вугілля розміром менше 250 мкм з активуючим компонентом у вигляді водного розчину і нагрівання до температури інтенсивного утворення парогазової фази з отриманням однорідної текучої композиції, який відрізняється тим, що як активуючий компонент використовують колоїдний розчин наночасток оксиду металу IV групи періодичної системи Менделєєва, переважно - оксиду титану, в кількості 1-5 мас. % із вмістом наночасток 0,1-1 мас. %, змішування здійснюють в циліндровому об'ємі одночасно з нагріванням суспензії в електромагнітному полі, що періодично обертається з частотою 0,5-5 Гц, напруженість магнітної складової якого визначають за формулою: d  f 2  d2  h2  (  43    d2  f ) , U протягом часу, що визначається за формулою: H  (0,3  0,4) t  ( 2  3) 55 d2      c p   , U2  (1  exp( 1,14 f ))2 де H - напруженість магнітної складової електромагнітного періодично обертового поля, А/м, U - напруга електричної складової струму живлення електромагнітного поля, В, 9 UA 107165 C2 5 10 π - математична константа, яка дорівнює 3,14, d - діаметр циліндричного об'єму, м, h - довжина по осі циліндричного об'єму, м, f - частота періодичного обертання електромагнітного поля (частота коливань зворотнообертального руху рідини), Гц, ρ - питомий електричний опір водовугільної суспензії, Ом • м, η - динамічна в'язкість водовугільної суспензії, Па • с, 3 γ - густина водовугільної суспензії, кг/м , cp - питома теплоємність водовугільної суспензії, Дж/(кг • К), ∆Θ - приріст температури від вихідного значення до температури початку інтенсивного утворення парогазової фази водовугільної суспензії. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10