Микровзрывная фрагментация капель на основе таллового масла

Keywords: микровзрывная фрагментация, таловое масло, двухжидкостные капли, испарение, задержки распада, child droplets, биотопливо.

В последние годы в научном сообществе все больше растет интерес к применению биотоплив на основе масел растительного происхождения в энергетике и транспортном секторе [1, 2]. Использование биотоплив в качестве альтернативы традиционным ископаемым топливам очень эффективно для сокращения выбросов оксидов углерода, оно производится из органического вещества, экологически безопасно и возобновляемо [3]. Одной из наиболее обещающих стратегий сокращения антропогенных выбросов в ряде отраслей является широкомасштабный переход на топливо из возобновляемых источников (растительного происхождения). В настоящий момент уже существуют и применяются методики и технологии производства таких видов альтернативных топлив, как биодизель, биокеросин, биоэтанол [4–9]. Однако потенциал возобновляемого сырья для эффективной замены существующих традиционных видов топлив еще недостаточно развит, а в настоящий момент с экономической точки зрения ни один производственный процесс пока не может конкурировать с ценами на ископаемое топливо [4]. Привлекательности биотоплив в настоящий момент способствует активное развитие данного направления и поддержка мирового научного сообщества, проводятся исследования и оценки, направленные на коммерциализацию биотоплив, повышение их экономической эффективности [10].

Биодизель как альтернативу дизельному топливу получают из возобновляемых источников, таких как растительные масла и животные жиры. Масло или жир реагируют со спиртом с образованием сложных эфиров (биодизеля) и глицерина. Для повышения скорости реакции и выхода продукта применяют щелочной или кислотный катализаторы. Такая реакция известна как переэтерификация или алкоголиз [11]. Свойства биодизеля очень близки к дизельному топливу, что позволяет использовать его как в чистом виде, так и в качестве добавки к традиционному дизельному топливу [12]. Преимущества такого вида топлива над традиционным дизельным топливом, полученным в результате нефтепереработки, заключаются в снижении выбросов CO, SO_x, твердых частиц, а также повышении эффективности сгорания [3]. Глицерин как побочный продукт производства биодизеля в дальнейшем может применяться в фармацевтике, производстве косметики и других отраслях промышленности.

Большой интерес в качестве сырья для производства биотоплив вызывает таловое масло [13]. Сырое таловое масло является основным побочным продуктом производства целлюлозы с использованием древесины хвойных пород деревьев и представляет собой темно-коричневую жидкость с запахом, похожим на древесную смолу [5, 14]. Сырое таловое масло является потенциально дешевым сырьем для производства биотоплив путем этерификации с предварительной очисткой для удаления канифольных кислот и прочих примесей [6, 15]. Это делает применение талового масла экологически и экономически привлекательным для дальнейшего применения в качестве сырья для биотоплива [13].

Еще одним перспективным направлением использования талового масла является производство биокеросина. Керосин широко применяется в различных отраслях (), однако основная часть потребления данного углеводородного топлива приходится на авиационные газотурбинные двигатели. На авиационную промышленность приходится почти 3 % мировых выбросов CO₂ из-за использования ископаемой энергии в качестве топлива для авиации [4]. Альтернативой для решения данной проблемы может стать использование биокеросина для снижения антропогенных выбросов []. Сырое таловое масло может быть использовано для производства биокеросина наравне с другими растительными маслами и жирами [7]. Существует несколько способов получения биокеросина, American Society for Testing and Material International сертифицировало биотоплива produced via the alcohol-to-jet, the biomass-to-liquids, the gas-to-liquids, the hydroprocessed esters and fatty acids, and the direct sugar to hydrocarbon process [16]. Однако из-за жестких требований и систем допуска максимальная добавка биокеросина к традиционному топливу, полученному в результате нефтепереработки, не должна превышать 50 % [17].

Одним из наиболее доступных и эффективных способов получения биотоплив является синтез Фишера-Тропша, известного химического процесса, происходящего в присутствии катализатора, в котором моноксид углерода и водород преобразуются в различные жидкие углеводороды [16]. Однако для получения устойчивого продукта важно, чтобы использованный газ был получен не из ископаемых топлив. Эта проблема может быть решена при использовании биомассы в качестве сырья для получения биогаза [18]. Однако получение биогаза из масел растительного происхождения является ресурсозатратной и энергоемкой задачей, поскольку они имеют малые скорости испарения [19].

Повысить эффективность процесса получения биотоплив можно за счет применения эффектов микровзрывного дробления двухжидкостных капель [20]. Данные процессы позволяют кратно увеличить площадь поверхности испарения жидкости и ее химического реагирования за счет измельчения исходных капель до уровней нескольких десятков микрон [21]. В наших ранних исследованиях установлено, что эффекты микровзрывного измельчения показывают себя наиболее эффективно, т.е. обеспечивают образование child droplets с минимальными размерами в случае с высоковязкими жидкостями, например рапсовым маслом [22, 23]. Применение данных эффектов может быть использовано для интенсификации процессов получения биогаза из талового масла как одного из наиболее доступных и распространенных продуктов. В связи с чем необходимо изучить предельные условия и режимы микровзрывной фрагментации, а также характеристики вторичных фрагментов для составов на основе талового масла, а также рассмотреть экологическую эффективность данных процессов.

Цель настоящей работы – установление по результатам экспериментальных исследований интегральных характеристик микровзрывной фрагментации неоднородных капель на основе талового масла.

Материалы и экспериментальная методика

В качестве исследуемых жидкостей использовались дистиллированная вода, керосин марки ТС-1, сырое (CTO) и отфильтрованное (DTO) талловое масло. Сырое таловое масло представляет собой вязкую темно-коричневую пахучую жидкость и является продуктом лесопереработки, получаемым путем разложения сульфатного мыла, который, в свою очередь, образуется во время варки древесного сырья. Сырое таловое масло является недорогим сырьем для производства биотоплив, что делает его применение в качестве сырья для производства биотоплива экономически и экологически оправданным [24]. Очищенное таловое масло получается путем процесса очистки сырого талового масла от примесей и загрязнений. Оно может быть использовано в пищевой промышленности для приготовления различных продуктов, таких как сладости, выпечка, сметана и масло [25].

Двухжидкостные капли формировались с помощью двух электронных дозаторов Finnpipette Novus (шаг варьирования генерируемого объема 0,1 µl). На первом этапе формировалась капля воды заданного объема, которая подвешивалась на держатель. Затем генерировалась капля горючего компонента, которая растекалась по поверхности первой, образуя на ее поверхности пленку. Концентрации компонентов при проведении экспериментов были следующими: вода – 20 vol. %, горючая жидкость – 80 vol. %. При таком соотношении компонентов можно добиться максимального

увеличения площади поверхности испарения [26]. Вязкость жидкостей определялась с помощью вискозиметра Brookfield DV3T LV при комнатной температуре жидкости (298 K). Для измерения вязкости жидкостей (в диапазоне µ = 0,001−6000 Pa · s) в стандартный набор вискозиметра входили четыре шпинделя [23]. Скорость вращения шпинделей варьировалась в диапазоне 10−250 rpm. Погрешность измерения установки в соответствии с ASTM D445 составила ±1 %. Измерение поверхностного натяжения проводилось с помощью тензиометра K6 фирмы KRUSS методом отрыва кольца (метод дю Нуи) при температуре 278 K. Калибровка прибора осуществлялась с помощью измерения поверхностного натяжения бидистиллированной воды (поправочный коэффициент 0,995). Свойства использованных компонентов приведены в таблице 1.

Методика проведения экспериментальных исследований аналогична использованной в работе [27]. Для изучения процессов микровзрывного распада применялся экспериментальный стенд представленный на Fig. 1. В качестве нагревательной системы использовалась трубчатая муфельная печь (диапазон температур от 293 до 1523 K), которая располагалась вертикально. Сверху на выходе муфельной печи устанавливался металлический теплоизолированный цилиндр (толщина стенки 10 мм, температура внешней стенки не более 333 K) с проделанными в нем отверстиями для поддержания постоянной температуры на выходе муфельной печи. В цилиндре выполнены отверстия для ввода капель в зону нагрева и регистрации процессов распада. Исследуемые капли вводились в область регистрации с помощью координатного механизма, на конце которого находился держатель тонкий нихромовый держатель диаметром 0,2 mm. Область регистрации подсвечивалась с помощью светодиодного прожектора. Процессы нагрева, испарения и фрагментации капель регистрировались с помощью высокоскоростной видеокамеры a slow-motion video camera Phantom Miro M310 (Vision Research, USA, with the following specifications: 3260 frames per second at resolution 1280×800 pixels; 12 bit depth; 1 μs minimum exposure; pixel size 20 μm; 12 Gb memory; image-based auto-trigger). Частота съемки при проведении экспериментов составляла 2000 pps при разрешении 512x512 pix. Полученные по результатам экспериментов видеофрагменты обрабатывались в программном обеспечении Phantom Camera Control. При обработке регистрировались время задержки начала распада неоднородных капель, время существования капель и их размеры. Систематические погрешности определения параметров не превышали 0,001 s, 0,025 mm и 0,05 mm соответственно. Размер капель измерялся в момент их непосредственного ввода в зону нагрева. Радиус капли рассчитывался как радиус круга, имеющего ту же площадь, что и область, занимаемая каплей на изображении, с интенсивностью отличной от фона (т.е. область, занимаемая каплей) . Последовательность обработки видеокадров с помощью разработанного кода приведена в [19]. Оценки несферичности исходных капель показали, что отличия размеров капель в продольном и поперечном сечениях не превышали 15 %. Анализ количества и размеров вторичных фрагментов осуществлялся с помощью метода SP, для этого применялся код, разработанный в системе Matlab. На основании полученных данных строились распределения по размерам вторичных фрагментов.

Температура внутри цилиндра регистрировалась с помощью системы, состоящей из комплекса сбора данных National Instruments и малоинерционных термопар with errors of temperature measurement less than ± 3 K and errors of time measurement less than 0,1 s. Для калибровки системы температура внутри цилиндра измерялась в нескольких сечениях потока на разном расстоянии от выходного отверстия с шагом 1 cm при разных температурах в муфельной печи. Для минимизации влияния градиента температур на характеристики взрывного дробления капель выбрано такое расстояние от выходного отверстия муфельной печи (3–4 cm), чтобы температура в области регистрации оставалась постоянной (изменения не более 10 K).

На рисунке 2 представлена схема экспериментального стенда. Методика проведения экспериментальных исследований аналогична использованной в работе [28, 29]. Процессы микровзрывного распада топлив протекали в горизонтальной трубчатой муфельной печи Nabertherm R 50/250/13 (диапазон варьирования температуры 293–1473 K; температура регулируется по сигналу встроенной термопары типа S). В ходе экспериментов температура газовоздушной среды внутри муфельной печи составляла 773 K. Выбор температуры обусловлен тем, что при данных условиях зарегистрированы максимальные последствия микровзрывного распада для всех исследуемых составов. Контроль и измерение состава газа, образующегося в процессе нагрева, испарения, фрагментации и горения двухжидкостных капель, осуществлялись с применением газоаналитической системы Тест 1 («Бонэр-ВТ», г. Новосибирск). В состав системы входил модульный зонд, система конденсации и фильтрации, измерительный блок с группой сенсоров (указаны диапазон и погрешность): электрохимические – NO (0–2000 ppm, ±5 %), оптические – СО₂ (0–30 %, ±2 %), СО (0–30 %, ±5%). Координатный механизм обеспечивал перемещение держателя с группой двухжидкостных капель, расположенных на равном расстояниях друг от друга L = 5 mm. Расстояние между каплями выбиралось таким образом, чтобы исключить влияние соседних капель на условия нагрева, puffing и micro-explosion [30]. Для управления движением координатным механизмом, а также для мониторинга и контроля за концентрациями газов использовался персональный компьютер.

Методика проведения экспериментов по изучению состава газовой среды при микровзрывном распаде двухжидкостных капель аналогична использованной в [31]. На первом этапе на держателе с помощью двух электронных дозаторов генерировалась группа двухжидкостных капель. Далее держатель с группой капель с помощью координатного механизма подавался в предварительно нагретую муфельную печь. Входное отверстие в печи после ввода образцов топлива закрывалось плотным слоем теплоизолирующего материала. С противоположной стороны в аналогичное выходное отверстие встраивался модульный зонд газоанализатора, после чего оно также закрывалось. На момент ввода образца топлива в печь регистрация концентраций состава газа уже инициировалась. Образующийся в процессе горения газ посредством тяги, создаваемой насосом, проходил через системы конденсации и фильтрации (для осушения и удаления загрязнений) и поступал для анализа в газоаналитические ячейки (сенсоры). В этот момент на мониторе компьютера с учетом инерционности сенсоров отображались тренды изменения концентраций компонентов газовой смеси. После завершения эксперимента (момент определялся по показаниям газоанализатора, когда концентрация кислорода достигала нормальных значений ≈ 20,9 %) держатель выводился из печи механизированным координатным устройством, а ее пространство продувалось потоком свежего воздуха для удаления оставшейся газовой пробы. При идентичных начальных условиях проводили от 5 до 10 экспериментов в рамках одной серии измерений.

Результаты и обсуждения

Предельные условия и режимы фрагментации капель

На рисунке 3 представлены типичные кадры с иллюстрацией фрагментации одиночных двухжидкостных капель при нагреве в высокотемпературной газовой среде. Установлено, что капли на основе сырого таллового масла во всем диапазоне исследуемых температур стабильно распадались в режиме полной фрагментации (микровзрыва), в то время как для капель на основе керосина и отфильтрованного таллового масла в процессе нагрева характерна смена режимов от частичной фрагментации (паффинга) к полной (микровзрыв). Например, после нескольких интенсивных частичных фрагментаций исходной капли регистрировался определенный временной интервал, за которым следовал микровзрыв, приводящий к ее полному распаду. Продемонстрированные видеокадры показывают, что для исходных капель на основе сырого таллового масла размеры вторичных фрагментов намного меньше, чем в случаях с каплями на основе керосина и отфильтрованного таллового масла, вторичные фрагменты с максимальными размерами формировались для капель на основе керосина.

Физический механизм реализации микровзрывной фрагментации двухжидкостных капель заключается в достижении на границе раздела «вода/топливо» температуры начала взрывного вскипания воды [32]. Топливо (талловое масло, керосин) имеет температуру кипения значительно выше, чем вода, что позволяет воде вблизи границы раздела фаз перегреваться выше своей температуры кипения (373,15 K). Поскольку граница раздела фаз имеет волнообразную структуру, то зародышеобразование и дальнейший рост пузыря происходят непосредственно вблизи нее (гетерогенная нуклеация), что подтверждается результатами ранних исследований [22]. Именно локальный перегрев воды в двухжидкостных каплях (приводит к цепной активации низкотемпературных центров парообразования [33]) является основной причиной их разрушения. Справедливо предположить, что для разрыва двухжидкостной капли необходимо достижение условий, когда силы давления паров воды в паровой пленке превышают силы поверхностного натяжения, удерживающие объем жидкости. Вязкость в данном случае влияет на долю энергии, необходимой для перемещения слоев жидкости относительно друг друга. Т.е. чем выше вязкость жидкости, тем больше должно быть давление паров воды в паровой пленке для формирования критического размера пузыря с последующим разрушением топливной оболочки. Это требует дополнительных затрат энергии и времени, необходимых для парообразования и роста давления паров воды. При этом в таких условиях достигается более интенсивная фрагментация капель. Соответствующие оценки влияния реологических свойств на характеристики микровзрывного распада представлены в [23].

В наших ранних исследованиях установлено, что эффекты микровзрывного измельчения реализуются наиболее эффективно, т.е. обеспечивают образование максимального числа вторичных фрагментов с минимальными размерами, в случае если топливная оболочка будет представлена высоковязкими жидкостями, например рапсовым маслом [22]. Поскольку вязкость сырого таллового масла намного выше, чем для остальных использованных жидкостей, это приводит к тому, что образующиеся при нагреве пузырьки пара не могут быстро выйти на поверхность и спровоцировать отрыв фрагментов жидкости от капли из-за высокой силы внутреннего трения. Требуется больше времени для того, чтобы силы давления паров в капле превысили силы ее внутреннего трения и поверхностного натяжения, внутри капли аккумулируется большее количество энергии, что стимулирует ее разрушение.

Результаты исследований по влиянию температуры газовой среды на времена задержки микровзрывного распада двухжидкостных капель представлены на рисунке 4. Видно, что времена задержки микровзрывного распада двухжидкостных капель нелинейно экспоненциально снижаются с ростом температуры греющей среды (Рис. 4). Это обусловлено главным образом нелинейными (экспоненциальными) зависимостями скоростей прогрева и испарения горючих и негорючих жидкостей от температуры. При этом, чем значительнее (масштабнее) изменения этих скоростей для разных жидкостей, тем существеннее менялись времена τ_p. Хорошо видно, что на времена задержки микровзрывного распада существенное влияние оказывает влияние тип горючей жидкости. Минимальные времена задержки микровзрывного распада соответствуют составу, где в качестве горючей жидкости использовался керосин, а максимальные – составу с сырым талловым маслом. Это обусловлено тем, что керосин в своем составе содержит более летучие компоненты в отличие от таллового масла, которое является трудно испаряемым веществом и содержит в своем составе более тяжелые компоненты (в частности, метиловые эфиры жирных кислот). Для капель на основе сырого талового масла характерен микровзрыв во всем диапазоне температур нагрева, а для керосина – паффинг. Для капель на основе отфильтрованного таллового масла наблюдался переход от паффинга к микровзрыву с ростом температуры газового потока.

На рисунке 5 приведены времена полного существования двухжидкостных капель горючих жидкостей (a), а также времена испарения гомогенных капель (b) на основе керосина, сырого и отфильтрованного таллового масла при варьировании температуры газовой среды. Из сравнения Fig. 4 и рисунка 5a видно, что для капель на основе сырого таллового масла времена задержки распада и полного существования достаточно близки, что говорит о стабильной реализации micro-explosion и малом времени, требуемому на формирование мелкодисперсного аэрозоля. В то же время капель на основе отфильтрованного таллового масла можно видеть, что времена существования таких капель наибольшие из всех исследуемых составов, что говорит о длительном протекании процесса puffing. Для капель на основе керосина времена существования минимальные, несмотря на то что такие капли распадались в режиме puffing, процесс протекал достаточно быстро, а исходная капля интенсивно испарялась вследствие высоких скоростей испарения керосина. На рисунке 5b продемонстрированы времена полного испарения однородных капель топлив аналогичных размеров при идентичных параметрах нагрева. Как можно видеть из рисунка 5, благодаря эффектам микровзрывного распада можно снизить времена существования капель более чем в 20 раз. Полученные данные позволяют обосновать эффективность применения процессов микровзрывного распада для повышения скоростей испарения высоковязких жидкостей, имеющих малые скорости испарения.

Микрокапли

На рисунке 6 представлены распределения вторичных фрагментов по размерам N_cd (r_cd) для трех типов двухжидкостных капель на основе различных горючих компонентов (керосин, отфильтрованное талловое масло и сырое талловое масло) при варьировании температуры газовой среды (673 K, 733 K, 783 K).Характерные размеры вторичных фрагментов в проведенных экспериментах регистрировались в диапазоне от 0,005 до 0,8 mm. На рисунке 6 видно, что для капель на основе сырого таллового масла количество вторичных фрагментов в несколько раз выше, чем для других топливных композиций. Полученные по результатам серии экспериментов распределения показывают, что за счет применения сырого таллового масла в качестве высококипящего компонента можно получить в 2–3 раза больше вторичных фрагментов с минимальными размерами, чем при использовании отфильтрованного таллового масла или керосина. Результаты демонстрируют, что чем выше вязкость горючего компонента, тем больше вторичных фрагментов с меньшими размерами формируется в результате микровзрывного распада. Число Лапласа, характеризующее отношение силы поверхностного натяжения и диссипативных сил для данных жидкостей, отличается на несколько порядков, причем чем выше вязкость и поверхностное натяжение горючего компонента, тем меньше данная характеристика. Чем более вязкая жидкость, тем больше энергии, затрачиваемой на рост пузыря и приводящей к разрушению исходной капли, переходит в теплоту. Накопление этой энергии в капле способствует повышению температуры жидкости и накоплению дополнительной энергии, выход которой интенсифицирует процесс фрагментации.

Сравнение отношения площадей после и до распада (рис. 7) также демонстрирует, что наибольшего увеличения площади поверхности жидкости можно добиться при использовании сырого таллового масла. Зарегистрирован рост площади свободной поверхности жидкости более чем в 70 раз при температуре газовой среды 783 K. Данный показатель для керосина не превысил 45, а для отфильтрованного таллового масла – 60. Эти результаты обосновали целесообразность применения микровзрывного измельчения капель на основе сырого таллового масла в реакторах для получения синтез-газа. Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод о том, что применение сырого таллового масла позволяет увеличить количество вторичных фрагментов более чем в три раза в сравнении с керосином и отфильтрованным талловым маслом.

Эмиссия

Для изучения состава продуктов испарения и сжигания однородных и двухжидкостных капель использовались два типа горючих жидкостей. Первый состав на основе керосина, второй – на основе сырого таллового масла. В экспериментах использовались однородные капли топлива и двухжидкостные капли. Данные составы были выбраны для оценки влияния процессов микровзрывного распада на антропогенные выбросы и выход продуктов синтез-газа для производства биотоплива.

На рисунке 8 представлены типичные тренды, демонстрирующие характерные выбросы, образующиеся при нагреве однородных и двухжидкостных капель. Из Fig. 8 видно, что добавление воды к горючей жидкости в концентрации 20 vol. % позволяет снизить концентрации CO₂ и NO_x. Пиковые значения концентраций CO₂ снижаются более чем на 54 % и 42 % для керосина и сырого таллового масла соответственно. Снижение концентрации CO₂ является подтверждением неполного сгорания топлива, вода эффективно поглощает тепло, а при реализации эффектов puffing/micro-explosion водяной пар значительно снижает температуру в локальной области камеры сгорания, где реализуется распад [34]. Выбросы NO_x также сокращаются при добавлении воды, пиковые значения концентраций NO_x сокращаются на 60 % для керосина и на 12 % для таллового масла. Полученные данные хорошо коррелирую с результатами других авторов [35]. Снижение выбросов оксидов азота может быть связано с паровой газификацией жидких продуктов термического разложения и неполным сгоранием испаряющегося таллового масла, за счет чего меньшее количество воздуха участвует в реакции в качестве окислителя [36]. Одной из возможных причин снижения выбросов оксида азота также можно отметить восстановление NO до N₂ в присутствии свободных радикалов H₂ [37].

Основными компонентами синтез-газа являются монооксид углерода (CO) и водород (H₂). Можно отметить, что добавление воды снижает выбросы CO и увеличивает H₂. Добавление воды к топливу снижает пиковые концентрации CO на 65 % для керосина и на 38 % для таллового масла. В ранних исследованиях отмечалось, что в целом добавление воды в топливо способствует снижению выбросов CO [38] за счет увеличения количества OH радикалов, которые способствуют окислению CO [39]. Благодаря добавлению воды наблюдается рост концентрации H₂ и длительности его выхода. Так, добавление воды позволяет увеличить пиковые концентрации H₂ на 16 % для составов на основе керосина и на 18 % для таллового масла.

Осредненные по времени концентрации антропогенных выбросов, образованных при сжигании однородных и двухжидкостных капель на основе керосина и сырого таллового масла представлены на рисунке 9, где видно, что видно добавление воды позволяет снизить средние концентрации CO₂, CO и NO_x, при этом для капель на основе таллового масла эффект в среднем на 35 % ниже, чем для капель на основе керосина. Также добавка воды способствует повышению выхода H₂ в среднем на 23 % и 35 % для капель на основе керосина и таллового масла соответственно. Важно отметить, что при нагреве и сжигании как однородных, так и двухжидкостных капель регистрировались малые значения выбросов оксидов серы (SO_x) – не более 1 ppm, что входит в диапазон абсолютной погрешности измерений газоанализатора, из-за чего данные результаты не были представлены на Figs 8, 9.

Обобщение результатов исследований

Для обобщения результатов экспериментальных исследований был рассчитаны показатели относительной эффективности сгорания топлива по методике, аналогичной [40]. Относительные показатели эффективности рассчитывались как отношение абсолютного значения показателя к аналогичному показателю для однородных капель или наоборот (абсолютное значение для однородных капель делилось на аналогичное значение для двухжидкостных капель). В качестве основных использовались следующие показатели evaporation time (τ^rel), carbon dioxide emissions (CO₂^rel), carbon monoxide emissions (CO^rel), hydrogen emissions (H₂^rel) and nitrogen oxides emissions (NO_x^rel). Относительные показатели рассчитывались следующим образом:

Таким образом, приведенные выше показатели демонстрируют, во сколько раз можно уменьшить или увеличить концентрации антропогенных выбросов, а также времени и энергии, затрачиваемых на испарение и зажигание топлива. Расчеты соответствующих показателей эффективности представлены в таблице 2. После расчета всех относительных показателей по формулам (1)–(5), рассчитывался общий показатель эффективности при условии, что значения всех весовых коэффициентов равны 1. Общий показатель эффективности рассчитывался как сумма произведений всех показателей, умноженных на соответствующие весовые коэффициенты [40]:

Данный подход аналогичен известному методу взвешенных сумм (WSM) по основным критериям и расчету общего показателя эффективности [41, 42]. Метод взвешенных сумм является одним из наиболее распространенных подходов к мультикритериальному анализу (MCDM), используемых в различных энергетических приложениях [41, 42].

На Рис. 10 представлены относительные показатели эффективности испарения и сжигания двухжидкостных капель на основе керосина (a) и сырого таллового масла (b). Полученные результаты демонстрируют большие перспективы для применения эффектов микровзрывного распада для улучшения экологических показателей при сжигании жидкого топлива, а также повышения эффективности испарения жидких топлив. За счет добавления воды к испаряемому или сжигаемому топливу можно значительно улучшить экологические показатели, снизить затраты энергии и времени, затрачиваемой на нагрев и испарение, а также повысить выход компонентов синтез-газа. Значения общего показателя эффективности демонстрируют, что добавление воды к топливу может повысить эффективность испарения и сжигания топлива в 9,18 раза для керосина и в 15,52 раза для таллового масла.

Выводы

- Установлены времена задержки микровзрывного распада для двухжидкостных капель на основе трех горючих компонентов: сырое таловое масло, очищенное таловое масло, керосин ТС-1 при варьировании начальных размеров капель и температуры газовой среды. По результатам экспериментов установлено, что времена задержки микровзрывного распада максимальны для капель на основе сырого талового масла и минимальны для капель на основе керосина. Благодаря эффектам микровзрывного распада можно снизить времена существования капель более чем в 20 раз. Полученные данные позволяют обосновать эффективность применения процессов микровзрывного распада для повышения скоростей испарения высоковязких жидкостей, имеющих малые скорости испарения.

- По результатам экспериментов получены распределения вторичных фрагментов по размерам. При микровзрывной фрагментации двухжидкостных капель на основе сырого таллового масла можно увеличить количество вторичных фрагментов более чем в три раза в сравнении с керосином и отфильтрованным талловым маслом. Зарегистрирован рост площади свободной поверхности жидкости более чем в 70 раз при температуре газовой среды 783 K. Данный показатель для керосина не превысил 45, а для отфильтрованного таллового масла – 60. Эти результаты обосновали целесообразность применения микровзрывного измельчения капель на основе сырого таллового масла в реакторах для получения синтез-газа.

- Добавление воды к горючей жидкости в концентрации 20 vol. % позволяет снизить пиковые концентрации CO₂ более чем на 42 %, NO_x – более чем на 12 %, CO – более чем на 38 %. Также добавление воды позволяет увеличить пиковые концентрации H₂ более чем на 16 %, что является важным результатом для получения синтез-газа для производства биотоплив из таллового масла.

- Рассчитанные значения общего показателя эффективности демонстрируют, что добавление воды к топливу можно повысить эффективность испарения и сжигания топлива в 9,18 раза для керосина и в 15,52 раза для таллового масла.

Литература

1. Maurya R, Gohil N, Nixon S, Kumar N, Noronha SB, Dhali D, et al. Rewiring of metabolic pathways in yeasts for sustainable production of biofuels. Bioresour Technol 2023:128668. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128668.

2. Mridha B, Ramana GV, Pareek S, Sarkar B. An efficient sustainable smart approach to biofuel production with emphasizing the environmental and energy aspects. Fuel 2023;336:126896. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.126896.

3. Dhiman S, Mukherjee G. Utilization of food waste for biofuel production: A biorefining perspective. Mater Today Proc 2022. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.12.009.

4. Achinas S, Margry S, Euverink GJW. A technological outlook of biokerosene production. In: Ray RC, editor. Sustain. Biofuels, Elsevier; 2021, p. 225–46. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820297-5.00011-6.

5. Keskin A, Guru M, Altiparmak D. Influence of tall oil biodiesel with Mg and Mo based fuel additives on diesel engine performance and emission. Bioresour Technol 2008;99:6434–8. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.11.051.

6. Albuquerque AA, Ng FTT, Danielski L, Stragevitch L. A new process for biodiesel production from tall oil via catalytic distillation. Chem Eng Res Des 2021;170:314–28. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.04.014.

7. Chiaramonti D, Prussi M, Buffi M, Tacconi D. Sustainable bio kerosene: Process routes and industrial demonstration activities in aviation biofuels. Appl Energy 2014;136:767–74. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.08.065.

8. Liu Y, Ma C, Shi C, Pan L, Xie J, Gong S, et al. Synthesis of strained high-energy rocket bio-kerosene via cyclopropanation of myrcene. Fuel Process Technol 2020;201:106339. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106339.

9. Bender LE, Lopes ST, Gomes KS, Devos RJB, Colla LM. Challenges in bioethanol production from food residues. Bioresour Technol Reports 2022;19:101171. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101171.

10. Amerit B, Ntayi JM, Ngoma M, Bashir H, Echegu S, Nantongo M. Commercialization of biofuel products: A systematic literature review. Renew Energy Focus 2023;44:223–36. https://doi.org/10.1016/j.ref.2022.12.008.

11. Ma F, Hanna MA. Biodiesel production: a review1Journal Series #12109, Agricultural Research Division, Institute of Agriculture and Natural Resources, University of Nebraska–Lincoln.1. Bioresour Technol 1999;70:1–15. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(99)00025-5.

12. M. Canakci, J. Van Gerpen. Biodiesel production via acid catalysis. Trans ASAE 1999;42:1203–10. https://doi.org/10.13031/2013.13285.

13. Churchill JGB, Borugadda VB, Dalai AK. A review on the production and application of tall oil with a focus on sustainable fuels. Renew Sustain Energy Rev 2024;191:114098. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.114098.

14. Norlin L-H. Tall Oil. Ullmann’s Encycl. Ind. Chem., Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2000. https://doi.org/10.1002/14356007.a26_057.

15. Roy MM, Islam MS, Alam MN. Biodiesel from Crude Tall Oil and Its NOx and Aldehydes Emissions in a Diesel Engine Fueled by Biodiesel-Diesel Blends with Water Emulsions. Processes 2021;9:126. https://doi.org/10.3390/pr9010126.

16. Neuling U, Kaltschmitt M. Techno-economic and environmental analysis of aviation biofuels. Fuel Process Technol 2018;171:54–69. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.09.022.

17. Why ESK, Ong HC, Lee HV, Gan YY, Chen W-H, Chong CT. Renewable aviation fuel by advanced hydroprocessing of biomass: Challenges and perspective. Energy Convers Manag 2019;199:112015. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112015.

18. Richter S, Braun-Unkhoff M, Naumann C, Riedel U. Paths to alternative fuels for aviation. CEAS Aeronaut J 2018;9:389–403. https://doi.org/10.1007/s13272-018-0296-1.

19. Fedorenko RM, Antonov DV, Strizhak PA, Sazhin SS. Time evolution of composite fuel/water droplet radii before the start of puffing/micro-explosion. Int J Heat Mass Transf 2022;191:122838. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122838.

20. Zhao Y, Shi X, Lan X, Gao J, Jing W, Xiong Q. Simulation analysis of micro-explosion during emulsification feeding of residue fluidized catalytic cracking. Appl Therm Eng 2024;250:123514. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123514.

21. Antonov D V, Fedorenko RM, Strizhak PA, Nissar Z, Sazhin SS. Puffing/micro-explosion in composite fuel/water droplets heated in flames. Combust Flame 2021;233:111599. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111599.

22. Antonov DV, Kuznetsov GV, Strizhak PA. Comparison of the characteristics of micro-explosion and ignition of two-fluid water-based droplets, emulsions and suspensions, moving in the high-temperature oxidizer medium. Acta Astronaut 2019;160:258–69. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2019.04.048.

23. Antonov D V, Kuznetsov G V, Strizhak PA, Fedorenko RM. Micro-explosion of droplets containing liquids with different viscosity, interfacial and surface tension. Chem Eng Res Des 2020;158:129–47. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.03.029.

24. Zhu J, Jiang W, Yuan Z, Lu J, Ding J. Esterification of tall oil fatty acid catalyzed by Zr4+-CER in fixed bed membrane reactor. Renew Energy 2024;221:119760.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119760.

25. Maki KC, Seeley MA, Veith PE, Quinn LC, Hallissey PJ, Temer A, et al. Food Products Containing Free Tall Oil-Based Phytosterols and Oat β-Glucan Lower Serum Total and LDL Cholesterol in Hypercholesterolemic Adults. J Nutr 2003;133:808–13. https://doi.org/10.1093/jn/133.3.808.

26. Antonov DV, Piskunov MV, Strizhak PA. Breakup and explosion of droplets of two immiscible fluids and emulsions. Int J Therm Sci 2019;142:30–41. https://doi.org/10.1016/J.IJTHERMALSCI.2019.04.011.

27. Antonov DV, Fedorenko RM, Strizhak PA, Castanet G, Sazhin SS. Puffing/micro-explosion of two closely spaced composite droplets in tandem: Experimental results and modelling. Int J Heat Mass Transf 2021;176:121449. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121449.

28. Antonov D V., Dorohov V V., Nyashina GS, Romanov DS. ANTHROPOGENIC EMISSIONS DURING THE COMBUSTION OF PERSPECTIVE LIQUID BIOFUELS. Koks i Khimiya 2022:23–30. https://doi.org/10.52351/00232815_2022_04_23.

29. Nyashina GS, Shlegel NE, Vershinina KY, Strizhak PA. Industrial Waste as Part of Coal–Water Slurry Fuels. Energy & Fuels 2018;32:11398–410. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b02826.

30. Antonov D V, Fedorenko RM, Strizhak PA. Micro-explosion and puffing of a group of two-component droplets. Appl Therm Eng 2020;181:116023. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116023.

31. Romanov DS, Dorokhov VV, Vershinina KY, Strizhak PA. Stabilized fuel slurries based on fine coal slime: Rheology, combustion and feasibility study. Fuel 2024;356:129560. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129560.

32. Sazhin SS, Bar-Kohany T, Nissar Z, Antonov D, Strizhak PA, Rybdylova OD. A new approach to modelling micro-explosions in composite droplets. Int J Heat Mass Transf 2020;161:120238. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120238.

33. Gasanov BM, Bulanov N V. Effect of the concentration and size of droplets of the dispersed phase of an emulsion on the character of heat exchange in a boiling emulsion. High Temp 2014;52:86–92. https://doi.org/10.1134/S0018151X13060102.

34. Antonov DV, Kovalev DN, Shahray MS, Fedorenko RM. Enhancing the vaporization and secondary atomization of two-liquid droplets for fire suppression. Fire Saf J 2024;146:104155. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2024.104155.

35. Ramlan NA, Yahya WJ, Ithnin AM, Abd Kadir H, Abu Kassim KA, Abdul Rahman H, et al. Emissions and performance analysis of diesel powered road vehicle equipped with real-time non-surfactant emulsion fuel supply system. Fuel 2020;273:117257. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117257.

36. Anufriev IS, Alekseenko SV, Sharypov OV, Kopyev EP. Diesel fuel combustion in a direct-flow evaporative burner with superheated steam supply. Fuel 2019;254:115723. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.115723.

37. Zhou H, Li Y, Li N, Qiu R, Cen K. Conversions of fuel-N to NO and N2O during devolatilization and char combustion stages of a single coal particle under oxy-fuel fluidized bed conditions. J Energy Inst 2019;92:351–63. https://doi.org/10.1016/j.joei.2018.01.001.

38. Abd Razak IF, Yahya WJ, Ithnin AM, Rashid M, Zuber MA, Abd Kadir H, et al. Effects of different water percentages in non-surfactant water-in-diesel emulsion fuel on the performance and exhaust emissions of a small-scale industrial burner. Clean Technol Environ Policy 2021;23:2385–97. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02151-7.

39. Basha JS, Anand RB. Effects of nanoparticle additive in the water-diesel emulsion fuel on the performance, emission and combustion characteristics of a diesel engine. Int J Veh Des 2012;59:164. https://doi.org/10.1504/IJVD.2012.048692.

40. Kurgankina MA, Nyashina GS, Strizhak PA. Advantages of switching coal-burning power plants to coal-water slurries containing petrochemicals. Appl Therm Eng 2019:998–1008. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.133.

41. Anwar M, Rasul MG, Ashwath N. The efficacy of multiple-criteria design matrix for biodiesel feedstock selection. Energy Convers Manag 2019;198:111790. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111790.

42. Kim IY, de Weck OL. Adaptive weighted sum method for multiobjective optimization: a new method for Pareto front generation. Struct Multidiscip Optim 2006;31:105–16. https://doi.org/10.1007/s00158-005-0557-6.