Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Для успешного решения проблемы внедрения водоугольного топлива (ВУТ) в целом необходимо решение ряда частных задач.

При этом необходимо отметить, что в области технологии приготовления водоугольного топлива, несмотря на сложность самого процесса (выбор и подготовка угля заданного гранулометрического состава, подбор и четкое дозирование компонентов ВУТ, выбор условий и режимов работы основного и вспомогательного оборудования и т.д.) имеются существенные разработки и достижения как в практике научных исследований, так и внедрении полученных результатов. В настоящее время разработан ряд технологий и технических решений, таких как «Reocarb», «Fluidcarborn», «Co-Al» и др. [1, 2].

По имеющейся информации, в области использования водоугольного топлива (непосредственного сжигания) в котлах различного назначения также решен ряд теоретических и практических задач, а именно: разработаны и изготовлены различные типы горелочных устройств, проведены их испытания, оценены параметры сжигания водоугольного топлива.

Таким образом, технические и технологические задачи по технологии приготовления и использования ВУТ, хоть и решены неокончательно, но степень их завершенности все же в достаточной мере позволяет осуществить практическую реализацию таких процессов, о чем свидетельствует и мировой опыт.

Однако для комплексного решения проблемы и реализации идей создания топливно-энергетических комплексов различного назначения в ЛНР необходима детальная отработка процесса перемещения ВУТ (водоугольной суспензии (ВУС)) в рамках технологических процессов.

Одним из видов транспортировки водоугольной суспензии является гидравлический трубопроводный транспорт.

Однако вопросам изучения процессов гидротранспортирования высококонцентрированного водоугольного топлива, как сложной многокомпозиционной системы, в рамках технологических процессов до настоящего времени не уделялось должного внимания.

Имеющиеся данные в большинстве своем относятся к транспортированию водоугольных сред на основе углей кузбасских месторождений, в зарубежной информации приводятся только результаты отдельных реологических исследований [3].

Между тем качественные характеристики угля месторождений Донбасса, оказывающие существенное влияние на свойства ВУТ, значительно отличаются от углей Кузбасса и естественно углей зарубежных месторождений.

Возникает необходимость оценки возможных реологических параметров ВУС в различных климатических условиях (при различной температуре) и с учетом кислотности водной составляющей.

Цель исследования – провести исследования реологических параметров водоугольной суспензии в зависимости от ее температуры и водородного показателя жидкой фазы.

Материалы и методы исследования

Основным фактором внешнего воздействия на водоугольные среды является температура. Рассматривать это влияние в положительном или отрицательном аспекте необходимо с учетом технологии приготовления, транспортирования, хранения и применения ВУС. Терминалы приготовления находятся, как правило, в закрытых помещениях, и если они даже не отапливаются, то отрицательных температур там не бывает [1, 3, 4]. Тем не менее известно, что вязкость воды с изменением температуры от 0 до 20 °С уменьшается в 1,8 раза.

Научными сотрудниками НПО «Хаймек» (г. Донецк) проведены исследования реологических характеристик ВУТ на ротационном вискозиметре при изменении температуры в интервале (3÷50,0 ºС). Массовая концентрация твердой фазы в суспензии, приготовленной на основе угля различных марок и характеристик, составила 65 %. В качестве пластифицирующих химических добавок использовались «Дофен» и «НФУ» с расходом 1 % на сухую массу угля.

Для оценки степени изменения эффективной вязкости среды в диапазоне температур, характерных для процесса перемещения по трубам такого рода континуумов, введен коэффициент [1]:

Kμt = μэi / μэ20,

где μэi – эффективная вязкость при данной температуре; μэ20 – эффективная вязкость при температуре 20 °С.

Кроме того, произведена аппроксимация экспериментальных данных степенной зависимостью (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость коэффициента изменения эффективной вязкости от температуры

Из анализа представленных на рисунке 1 зависимостей следует: значительное (в 4,5 раза) изменение реологических характеристик ВУС наблюдается в диапазоне температур от 3 до 20 °С; при этом в диапазоне от 20 до 50 °С максимальное отклонение не превышает 25 %. Также следует отметить, что аппроксимационная зависимость для расчета коэффициента Kμt, предложенная в работе [1], имеет значительное отклонение при температуре более 35 °С.

Исследованиям влияния температурного режима на величину вязкости и напряжения сдвига для водоугольных суспензий уделено недостаточно внимания, а результаты носят разрозненный характер [5, 6]. Кроме того, отсутствуют данные о влиянии концентрации твердой фазы на изменение реологических характеристик ВУС при изменении ее температуры.

Влиянию кислотности жидкой фазы на реологические свойства водоугольных сред посвящен большой объем исследований [1, 4], при этом установлено, что с возрастанием водородного показателя наблюдается снижение величины напряжения сдвига [2, 3]. Однако данные о степени снижения касательных напряжений и эффективной вязкости суспензии разнятся.

В работе [1] в ходе исследований влияния водородного показателя диспергирующей среды на структурно-реологические характеристики ВУТ, использовалась водопроводная вода г. Донецка и техническая вода Ясиновского коксохимзавода (ЯКХЗ). Исследователями установлено, что эффективная вязкость ВУТ при использовании воды различного состава меняется слабо.

В работах [3, 4] авторы, наоборот, отмечают значительное (до 5 раз) снижение реологических показателей с ростом значения pH.

Результаты исследования и их обсуждение

Для определения зависимости величины касательного напряжения и эффективной вязкости от температуры проведен ряд опытов с водоугольной суспензией на основе угля марки Г для концентраций твердого компонента С, равных 62; 64,5 и 67 % в диапазоне температур t от 3 до 50 °С при значении водородного показателя pH = 7. Значения реологических параметров определены при скорости сдвига γ = 9 с-1 на ротационном вискозиметре. В качестве пластификатора использовался лигносульфонат (ЛСТ). На основании экспериментальных значений напряжения сдвига и эффективной вязкости рассчитаны значения коэффициента Kμt (табл. 1) и построены соответствующие зависимости (рис. 3).

Таблица 1

Значения коэффициента Kμt для различных температур t и концентраций С

Рис. 2. Зависимость коэффициента Kμt от температуры t

Рис. 3. Аппроксимация зависимостей коэффициента Kμt от температуры t и концентрации С: а) температура от 3 до 20°С; б) температура от 20 до 50°С

Анализ кривых, приведенных на рис. 2, позволил установить, что характер зависимости коэффициента Kμt от температуры носит сложный характер. Наблюдается его изменение при значении равном 1 для всех концентраций угля.

Следует отметить, что в диапазоне температур от 3 до 20 °С наблюдается резкое падение вязкостных характеристик ВУС (до 5 раз в зависимости от концентрации твердой фазы). При этом степень изменения вязкости стремится к 1,8 с увеличением доли жидкой фазы в ВУТ, что обусловлено степенью изменения вязкости воды.

В диапазоне температур от 20 до 50 °С наблюдается снижение темпов изменения реологических характеристик для ВУС всех концентраций (максимальное падение не превышает 35 %).

Для получения эмпирической зависимости коэффициента Kμt (вязкостных характеристик) произведена аппроксимация экспериментальных данных отдельно для участков до и более 20 °С (рис. 3, а и б).

Аппроксимационные выражения принимают следующий вид:

от 3 до 20 °С: Kμt = 8,30 + 2,00t – 0,84C + + 0,0007t2 + 0,012C2 – 0,033tC,

от 20 до 50 °С: Kμt = 6,04 + 0,054t – 0,17C + +0,00012t2 + 0,0014C2 – 0,0011tC

где t – температура ВУС, °С; C – концентрация твердой фазы, %.

Для внутрицеховых и промышленных гидросистем прокладку трубопроводов в пределах промплощадок следует производить над землей: на опорах или в каналах со свободным доступом. На открытых участках необходимо обеспечить подогрев (прокладка паровых спутников) либо теплоизоляцию. За пределами промышленных площадок трубопроводы для ВУС следует располагать под землей, при условии обеспечения температуры в верхней части трубопровода не ниже +1 °С (в зимний период).

В случае длительных остановок в зимнее время рекомендуется обеспечить слив водоугольной суспензии из трубопроводной системы для предотвращения аварийных ситуаций при последующем пуске.

Экспериментальные исследования по определению зависимости реологических характеристик от значения водородного показателя pH проведены для тех же концентраций твердого материала при γ = 9 с-1 и температуре 20 °С. Диапазон изменения кислотности водной фазы рН составил от 4 до 12.

Для оценки степени изменения касательного напряжения и эффективной вязкости среды в диапазоне изменения рН введен коэффициент KμpH , который определяется как

KμpH = τipH / τ0pH = μipH / μ0pH ,

где τipH, μipH – текущее значение касательного напряжения, эффективной вязкости; τ0pH, μ0pH – значение касательного напряжения, эффективной вязкости при рН = 7.

Таблица 2

Значения коэффициента KμpH при различных pH

Рис. 4. Зависимость коэффициента KμpH от значения водородного показателя pH

Следует отметить, что значения KμpH для различных концентраций твердого компонента С совпадают.

Результаты исследований приведены в табл. 2 и на рис. 4.

В ходе анализа приведенной на рис. 4 кривой установлено, что наблюдается монотонное снижение величины KμpH с ростом кислотности среды. Зависимость носит близкий к линейному характер и незначительным искривлением при значениях pH выше 8. При этом наблюдается значительное снижение реологических характеристик с ростом водородного показателя от 1,25 при pH = 4 до 0,5 при pH = 12.

С целью повышения точности аппроксимация произведена нелинейной функцией (R2 = 0,995) и имеет вид

KμpH = (2,17 – 0,31(ln pH)2)0,5.

Кислотность среды является одним из значимых факторов, влияющих на значения реологических показателей ВУС. При этом одним из путей получения ВУТ с заданными вязкостными характеристиками является изменение водородного показателя жидкой фазы.

При этом следует ограничить степень увеличения pH, так как чрезмерное увеличение щелочности среды может привести к преждевременному выходу из строя котельного оборудования.

Выводы

1. В ходе анализа результатов проведенных исследований по определению зависимости реологических характеристик ВУС от температуры установлено, что происходит резкое снижение (до 5 раз) вязкости среды при повышении температуры от 3 до 20 °С. Дальнейшее повышение температуры от 20 до 50 °С также приводит к падению реологических свойств, однако оно составляет порядка 30–35 %.

2. Произведена оценка влияния содержания твердой фазы на степень изменения вязкостных характеристик и установлено, что наблюдается значительное влияние концентрации угля в ВУС для интервала температур от 3 до 20 °С, с ее ростом от 62 до 67 % коэффициент Kμt возрастает с 1,83 до 4,78. При нагреве суспензии свыше 20 °С влияние содержания угольных частиц нивелируется.

3. Даны рекомендации по организации трубопроводной системы перемещения ВУС с учетом поддержания заданного температурного режима для промышленных площадок и за их пределами.

4. Зависимость коэффициента KμpH (касательного напряжения, эффективной вязкости) от величины водородного показателя носит слабовыраженный нелинейный характер, и с ростом значения pH наблюдается его значительное снижение (до 2,5 раз).

5. Одним из направлений получения заданных реологических характеристик ВУС является изменение кислотности жидкой составляющей.