Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные и теоретические методы исследования горения и пиролиза угля 10
1.1 Воспламенение и горение углей при постоянном нагреве 10
1.2 Воспламенение угольной пыли с помощью физических методов в ударных волнах и использованием плазмотронов. 22
1.3 Лазерное зажигание углей и углеродных частиц 24
1.3.1 Экспериментальные и теоретические методы исследования механизма лазерного зажигания угля 24
1.3.2 Лазерное зажигание углеродных частиц 30
1.3.3 Лазерное зажигание углей с помощью подвода излучения через оптическое волокно 31
1.3.4 Лазерное зажигание угольных таблеток и таблеток из торфа 33
1.3.5 Изучение кинетики свечения пламени частиц углей при лазерном зажигании 37
1.4 Лазерный пиролиз углей 39
Глава 2. Объекты и методика 43
2.1. Объекты исследования 43
2.2. Методы подготовки экспериментальных образцов. 44
2.2.1 Методика приготовления прессованных образцов из угля 49
2.2.2 Методика приготовления смесевых составов на основе тэна и субмикронных частиц угля и композитов на их основе 51
2.3 Источник лазерного излучения 52
2.4. Функциональная схема измерения порогов и кинетики лазерного зажигания углей. 53
2.5 Измерение пороговых характеристик взрывчатого разложения под действием лазерного излучения смесевых составов на основе тэна и включений субмикронных частиц углей 56
2.6. Измерение спектрально-кинетических характеристик свечения пламени горения образцов угля при импульсном лазерном воздействии 59
2.7.Схема измерения показателя поглощения методом фотометрического шара 69
2.8.Методика измерения оптических характеристик оптико- акустическим методом 70
Глава 3. Измерение пороговых характеристик лазерного зажигания углей, кинетических и спектральных характеристик горения углей при лазерном воздействии 72
3.1 Пороговые характеристики зажигания и кинетические характеристики свечения пламени горения частиц углей марок Б и ДГ при лазерном воздействии 73
3.2. Влияние размера угольных частиц на время свечения пламени и пороги лазерного зажигания [92]80
3.3. Спектральные характеристики пламени бурого угля в различные моменты времени 88
3.4. Спектральные характеристики пламени горения угля марки ДГ, при лазерном зажигании. 96
3.5. Анализ результатов по лазерному зажиганию углей марок Б и ДГ 99
Глава 4. Исследование характеристик горения и взрыва смесевых составов на основе тэна и угля 103
4.1 Лазерное зажигание угольных таблеток в режиме модуляции добротности [100] 104
4.2 Спектральные характеристики лазерного зажигания угольных таблеток в режиме модуляции добротности 107
4.3 Измерение пороговых характеристик взрывчатого разложения тэна в зависимости от концентраций включения углей [100,101] 109
4.4 Измерение оптических характеристик смесевых составов на основе тэна и включений субмикронных частиц бурого угля [100] 115
4.5 Зажигание бурого угля с добавками тетранитропентаэритрита [99,102] 118
4.6 Анализ результатов главы 4 126
Заключение 129
Список литературы 132
- Экспериментальные и теоретические методы исследования механизма лазерного зажигания угля
- Измерение спектрально-кинетических характеристик свечения пламени горения образцов угля при импульсном лазерном воздействии
- Анализ результатов по лазерному зажиганию углей марок Б и ДГ
- Зажигание бурого угля с добавками тетранитропентаэритрита [99,102]
Введение к работе
Актуальность работы: Для более рационального использования сжигания
угольных частиц необходимо изучение фундаментальных процессов
зажигания и горения углей. Для изучения стадий горения необходимо
применение источника быстрого зажигания углей с последующей
регистрацией стадий горения. Для этого необходимо применение методик с
достаточно высоким временным разрешением. В данной работе для
зажигания углей используется импульсный YAG:Nd+3 лазер (длительность
импульса 14 нс, длительность импульса 120 мкс), позволяющий осуществить
быстрый подвод энергии к образцам углей и определить некоторые
характеристики горения в зависимости от плотности энергии, а также
развитие процессов горения во времени спектрально-кинетическим методом.
Большой интерес представляет инициирование смесевых составов и
пластифицированных взрывчатых веществ, порохов, горючих смесей и
полимеров, воспламеняющихся угольных частиц, других лабильных веществ
в условиях импульсного подвода энергии. В работе приведены результаты
исследования модельного экспериментов по лазерному зажиганию смесей
углей и энергетического материала тетранитропентаэритрита (тэна), с целью
получения композитов с высокой чувствительностью к лазерному
воздействию. Это позволило бы в качестве добавок во взрывчатые вещества
применять дешевый уголь, вместо дорогостоящих наночастиц металлов. При
высоких плотностях образцов тэна с включениями угольных частиц можно
получить смесевой состав с низким порогом взрывчатого инициирования
(Hcr 1 Дж/см2). Полученные в результате выполнения работы результаты
дадут вклад в развитие знаний модельных представлений о горении
многокомпонентных систем в условиях быстрого подвода энергии.
В данной работе приведены результаты исследования лазерного зажигания
смесей углей и энергетического материала тетранитропентаэритрита (тэна).
Для смесевых составов угля и тэна насыпной плотности, возможно
сокращение длительности сгорания при повышении температуры, что может дать экономический эффект.
Результаты работы дают вклад в создании научной базы для оптимизации зажигания и повышения эффективности сжигания угольного топлива. Все выше перечисленное и определяет актуальность работы.
Цели и задачи работы Целью работы является: 1. Исследование процессов лазерного зажигания двух марок угля с наибольшим содержанием летучих веществ: бурого (марка Б) и длиннопламенного газового (марка ДГ). 2. Исследование пороговых и спектрально-кинетических характеристик процессов быстрого разложения смесевых составов тэн-уголь (взрыв или горение) в зависимости от плотности лазерного импульса воздействия, плотности образцов и процентного соотношения компонентов в составе смеси.
Для достижения целей решались следующие задачи:
1. Определить пороговые характеристики зажигания и кинетические характеристики свечения пламени частиц углей марок Б и ДГ в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов воздействия, с длительностью 120 мкс.
2. Измерить спектрально-кинетические характеристики свечения
пламени горения частиц углей марок Б и ДГ, при лазерном воздействии.
3. Исследовать кинетику свечения пламени прессованных образцов
углей марок Б и ДГ при воздействии лазерными импульсами с
длительностью 14 нс.
4. Измерить вероятность взрыва тэна с добавками углей марок Б и ДГ
(плотность образцов =1.7 ± 0.03 г/см3) при использовании лазерных
импульсов с длительностью 14 нс.
5. Исследовать влияние концентрации содержания тэна в смесевом
составе уголь –тэн (плотность образцов = 0.5 ± 0.02 г/см3) на длительность
свечения пламени горения в зависимости от концентраций содержания тэна.
6. Определить пороги зажигания композитов уголь – тэн (с насыпной плотностью = 0.5 ± 0.02 г/см3) в зависимости от концентрации содержания тэна, с использованием импульса лазера с длительностью 120 мкс.
Научная новизна
1. Впервые измерены спектрально-кинетические характеристики свечения
пламени горения частиц углей марок Б (Кайчакское месторождение) и ДГ
(Соколовское месторождение), при воздействии лазерного импульса
длительностью 120 мкс.
2. Впервые определены пороги лазерного зажигания углей марок Б и ДГ в
зависимости от размеров частиц. Показано, что наименьшие пороги
лазерного зажигания имеют частицы с размером ~ 1 мкм.
-
Впервые исследовано взрывчатое разложение смесевого состава тэна с добавками субмикронных частиц угля, при инициировании лазерным импульсом длительностью = 14 нс.
-
Впервые определены длительности свечения пламени горения смесевого состава уголь-тэн в зависимости от концентрации добавок тэна, при лазерном зажигании (длительность лазерного импульса = 120 мкс).
Научная значимость работы Выполненная в работе совокупность экспериментальных данных лазерного зажигания углей марок Б и ДГ позволила выделить три последовательных стадии процесса горения углей их временной масштаб и необходимые критические плотности энергии для зажигания. Эти результаты вносят вклад в решении общей проблемы – изучения механизма зажигания этих углей.
Установленные закономерности лазерного зажигания смесевых составов уголь-тэн в зависимости от состава (концентрация добавок и плотность образца), позволяют получить как взрывчатый материал, так и составы с повышенной скоростью горения и температурой.
Практическая значимость Результаты работы по лазерному
зажиганию углей дают возможность развития направления лазерного
розжига пылевидного топлива применяемого в энергетических установках.
Развитие этого направления позволит в перспективе отказаться от мазута и даст большой экономический и экологический эффект. Исследование смесевых составов тэн-уголь позволили получить взрывчатые материалы с низкими порогами взрыва при лазерном инициировании, способными конкурировать с композитами тэн-металл.
Основные положения выносимые на защиту:
1.Процесс лазерного зажигания угольных частиц размером d 100 мкм, марок Б и ДГ имеет три стадии:
а) Во время действия лазерного импульса происходит нагрев частиц
углей с появлением теплового свечения с температурой T 3000 K.
б) Зажигание и воспламенение летучих веществ в газовой фазе, в
миллисекундном временном интервале.
в) Зажигание и горение коксового остатка во временном интервале
~100 мс, с температурой пламени 1800 K.
2. Пороги зажигания летучих веществ и зажигания коксового остатка,
при воздействии лазерного импульса для углей марок Б и ДГ в зависимости
от размера частиц имеют немонотонный характер. Наименьший порог
зажигания имеют частицы размером ~ 1 мкм.
3. Порог лазерного инициирования взрыва смесевого состава тэн-уголь,
для образцов с плотностью 1.7 г/см3 составляет величину 1 Дж/см2 при
концентрации включений для частиц углей марок Б и ДГ, 0.5% по массе.
4. Для смесевых составов угля и тэна насыпной плотности ( 0.5
г/см3) пороги зажигания монотонно уменьшаются от 2.8 Дж/см2 до 2 Дж/см2,
при увеличении концентрации тэна от 0 до 50%.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в экспериментах и обработке экспериментальных
данных. Результаты, изложенные автором в диссертации, получены в
совместной работе с научным руководителем и сотрудниками Лаборатории
энергетических соединений и нанокомпозитов Института углехимии и
химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН. В совместных
публикациях автору принадлежат результаты, сформулированные в разделах диссертации, соавторы публикаций согласны с включением результатов совместных работ в диссертацию.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференциях: Актуальные
вопросы углехимии и химического материаловедения: IV конф. молодых
ученых (Кемерово 2015г.); Углехимия и экология Кузбасса: Междунарожный
Российско-Казахстанский симпозиум (Кемерово 2015г.); Всероссийская
школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и
дисперсных систем»(Новосибирск 2016г.); Совместный IX Международный
Симпозиум «Физика и Химия Углеродных Материалов (Алма-Ата, 2016г);
Инновационный конвент «КУЗБАСС: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА,
ИННОВАЦИИ». Новокузнецк-Кемерово 2016; Ежегодная конференция
молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН "Развитие - 2016"(Кемерово2016г);
Ежегодная конференция молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН "Развитие -
2017"(Кемерово2017г).
Работа выполнена в соответствии с плановой темой НИР и при частичной
поддержки гранта РФФИ.
Публикации По теме диссертации опубликовано работ – 26 из них
публикаций в журналах рекомендованных ВАК – 4.
Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из
введения, 4-х глав, заключения и списка литературы.
Общий объм диссертации составляет 146 страниц 9 таблиц и 96 рисунков.
Список литературы включает 137 наименований.
Экспериментальные и теоретические методы исследования механизма лазерного зажигания угля
В работе [58] для зажигания углей использовался неодимовый лазер, параметры лазерного излучения: длина волны =1.06 мкм, максимальная энергия в импульсе 740 мДж, энергия менялась от импульса к импульсу с погрешностью 3 %, длительность импульса составлял 150 мкс. Процесс горения регистрировался фотоэлектронным умножителем. Для исследования были использованы образцы: Австралийский каменный уголь high-volatile (hv-уголь), Китайский антрацит и углеродный сорбент Unibeads C – коммерческий продукт, используемый в газовой хроматографии. Характерный размер частиц составлял величину в пределах 90 – 140 мкм. Авторами в работе измерялись кинетические характеристики горения угля и зависимость вероятности зажигания углей от энергии лазерного импульса.
Были получены вероятностные кривые зажигания для битумного угля двух размеров 96 и 136 мкм в чистом кислороде, размером 96 мкм в 51 % кислороде и антрацита в чистом кислороде. По этой зависимости можно найти так называемую пороговую энергию лазерного зажигания (энергия лазерного зажигания при 50 %-ой вероятности лазерного зажигания образцов угля). В данном ряду пороговая энергия импульса увеличивается (230, 260, 380 и 640 мДж соответственно – по уровню 50% вероятности). Наиболее низкий порог зажигания был получен для битуминозного угля (hv-уголь), по-видимому, связан с высокой долей летучих веществ (26.3 %) и содержанием водорода (5.1 %). Данный метод определения порогов зажигания не является более эффективным, потому что в этой модели не измеряется погрешность измерения пороговой энергии лазерного зажигания. Также в работе [58], авторами теоретически было показано, что выравнивание температуры внутри частицы происходит после окончания действия импульса, но до начала зажигания (менее чем за 1 мс).
Диффузия кислорода к поверхности так же рассматривалась в стационарном режиме. Авторы перешли к упрощенной модели учитывающей теплоотвод с поверхности в виде излучения и теплоотдачу с использованием критерия Нуссельта в стационарном режиме. В работе [59], в качестве источника зажигания использовался Nd:YAG лазер, с частотой 10 Гц, диаметр пучка 6 мм, длина волны 1.06 мкм. Длительность импульса 100 мс, энергия импульса 830 мДж, изменение энергии от импульса к импульсу флуктуаций энергии менее чем на 3 %. В качестве объектов исследования, были выбраны следующие марки углей: Сьюэлл (Vdef 25 %: C-88.2 %, H-4.9 %,O-4.71 %); Питсбурский (Vdef - 39 %: C-82 %; H-5.63 %; O-6.66 %); Иллиноиский (Vdef -41 %: C-76.3 %; H-5.3 %; O 10.7%). Измерялась зависимость вероятности лазерного зажигания углей от энергии лазерного зажигания. Вероятность зажигания имеют большой разброс по энергиям лазерного зажигания, и эта зависимость может подчиняться распределению Гаусса. В работе [60] изучался процесс образования плазмы при лазерном зажигании угля. В качестве источника зажигания применялся неодимовый лазер с длиной волны =1064 нм, длительность импульса около =200 мкс, энергия лазерного импульса до 800 мДж. Образец угля был представлен в виде угольной мишени. Образование плазмы контролировалось скоростной съемкой на цифровую камеру. Температуры появления плазмы порядка Т 5000 – 6000 К. Плазма появляется через 20 мкс от начала облучения, далее начинается ее расширение, и прекращение после окончания действия лазерного импульса. Образование плазмы наблюдается уже при энергии импульса 100 мДж. В работе [61], для воспламенения угля использовался CO2 –лазер, в качестве объектов исследования использовался каменный уголь. В эксперименте, было установлено, что при лазерном нагревании, сначала воспламеняется освещенная часть. Инициатором воспламенения являются неоднородности поверхности образца угля - микровыступы. Авторами было установлено, что полное время горения неоднородностей составляла величину 10-4 с. Процесс горения микровыступов и процесс выгорания летучих веществ, происходил в одно и то же время. По - видимому, во время зажигания, в местах, где имеются микровыступы и разломы, был большой выход летучих газов и поэтому летучие вещества загорались первыми вместе с выступами. В работе [62], для зажигания частиц угля, использовался неодимовый импульсный лазер, работающий в режиме свободной генерации, длительность лазерного импульса 10-3 с. Длина волны лазерного излучения составляла величину = 1.06 мкм, максимальная энергия лазерного излучения, составляла величину Hmax = 5 Дж. В качестве объекта исследования, использовались одиночные частицы каменного угля, с квадратным сечением 22 мм и толщиной 2 мм. Процесс горения, фиксировался на фотокамеру. Диаметр лазерного пучка был диаметром 3-4 мм. Зажигание происходило через обдувание образцов угля кислородом.
Сравнительно устойчивое зажигание углей было реализовано при плотностях энергии 30 - 90 Дж/см2, при данном интервале энергии наблюдалось стабильное горение. Авторами в [62], было установлено, что лазерное зажигание углей происходит в три стадии. Первая стадия связана с газодинамическими процессами, возникающими при испарениях, разлете и сгорании угольных частиц под действием лазерного излучения. На завершении первой стадии возникает высокотемпературный локальный очаг свечения на поверхности испытательного образца, температура которого высокая и меняется в интервале (970-1170) К. Вторая стадия характеризуется началом развития экзотермической реакции разложения и превращения в очаг горения. Третья стадия соответствует, самоподдерживающимся режиму горения. При начальной стадии процесса взаимодействие лазерного излучения происходило образование ударных волн, затухающих на расстоянии 5 мм от поверхности. В начале процесса нагревания энергия излучения тратилась на разогрев поверхностного слоя угля, а испарение началось через время прохождения импульса = 3 10-5 c. Сам процесс горения имел локальный характер из-за локальности процесса лазерного нагрева.
Вследствие локальности нагревания до определенной температуры происходят локальные области образования химических реакций. В работе [63], в качестве источника зажигания также применялся CO2 лазер (с плотностью мощности лазерного зажигания H = 210 104 Вт/м2, длина волны =10,6 мкм). В качестве образцов использовались частицы каменного угля, размеры которых составляли порядка 160 мкм. После воздействия лазерного излучения, воспламенение происходило через период времени t (50-90) 10-3 с, при этом процесс взаимодействия лазерного излучения носил характер пульсации интенсивности излучения, что было вызвано экранировкой частицы парами вещества. Однако во время горения, пульсаций излучения не наблюдалось, сам процесс горения характеризовался падением интенсивности свечения. Горение продолжалось и после прекращения действия лазерного излучения. Также изучалось воздействие лазерного излучения на частицы сажи, аэрозолей. Приводятся также результаты по лазерному зажиганию мелких частиц 1 мкм. Было установлено, что в момент облучения частиц каменного угля с размером 1 мкм, температура горения частиц достигает величины 3000 K. В работе [64], теоретически рассмотрен процесс зажигания тврдого топлива световым импульсом. Было выяснено, что в процессе облучения коротким импульсом, распределение температуры меняется экспоненциально в зависимости от времени. Также авторами было установлено, что для случая образцов с толщиной l 50 мкм, излучение с малой интенсивностью I 6 Дж/см2, вызывает значительный температурный рост на поверхности твердого топлива, который превышает температуру Т = 500 C и в результате воздействия лазерного излучения происходит вынужденная газификация. Было выяснено, также, что для зажигания тврдого топлива лазерным импульсом, нужно чтобы температура воспламенения топлива не превышала температуру кипения топлива. А для сгорания вещества под действием лазерного излучения нужно, чтобы энергия излучения превышала минимальную энергию зажигания топлива. В работе [65], при зажигании углей было установлено, что для углей с высоким выходом летучих, время зажигания составляло величину t = 10 мс. Для исследования авторами было выбрано несколько марок углей: Бурый уголь, битумные угли с высоким содержанием летучих газов и угли с низким содержанием летучих. Размеры частиц угля составляли величину 45-63 мкм, 75-90 мкм, 106-125 мкм. Для зажигания использовался неодимовый лазер, с длиной волны =1.06 мкм и мощностью лазерного излучения 1.2 Вт. Воспламенение происходило, после прекращения действия лазерного импульса. Наблюдалось выделение летучих газов и образование дыма. Авторы считали, что образование дыма происходит, из-за переконденсации летучих веществ с их последующим охлаждением, в результате смешивания летучих веществ с окружающим газом. После выбросов дыма следовало появление пламени, обволакивающее частицу. Было установлено, что высокий выход летучих веществ минимален, когда присутствует кислород в достаточной концентрации, чтобы попасть на поверхность угольных частиц, несмотря на большое скопление летучих. В [66], был установлен следующий механизм лазерного зажигания угольной пыли. В угольном порошке две любые угольные частицы расположенные рядом. Если одна частица зажигается, то другая частица воспламеняется за счет тепла сгорания первой горящей частицы. Когда зажигается первая частица, и вследствие пиролиза выделяются летучие газы, то эти летучие газы полностью обволакивают угольную частицу. Пламя растет за счет испарения летучих веществ. После испарения и сжигания летучих газов, пламя нагревает следующую частицу, которая еще пока не воспламенилась. Главное условие распространения пламени: если первая горящая частица может передавать пламя к следующим частицам до того момента, пока не закончатся летучие газы первой загоревшейся частицы. В работе [67], теоретически исследован процесс лазерного зажигания угля на примере антрацита.
Измерение спектрально-кинетических характеристик свечения пламени горения образцов угля при импульсном лазерном воздействии
На рисунке 2.15 представлена функциональная схема измерения спектрально-кинетических характеристик свечения углей под действием лазерного излучения.
В качестве источника воспламенения угля использовался YAG:Nd3+-лазер. Энергия излучения лазера регулируется с помощью нейтральных светофильтров (1). Часть излучения (9%-энергии излучения) с помощью светоделительной пластины отводилось на пироэлектрический приемник, с помощью которого измерялась энергия лазерного излучения. С помощью поворотного зеркала (2) и линзы (3) (F = 20 см) лазерное излучение фокусируется на образец (4).
Кинетика интегрального по спектру свечения регистрируется с помощью фотоумножителя Hamamatsu H-10707-21 (9). ФЭУ имеет временное разрешение 0.5 нс.
Спектрально-кинетические характеристики свечения образца и свечения пламени, возникающего при зажигании частиц угля, измерялись с помощью спектрофотохронографа. Спектрофотохронограф – состоит из полихроматора на базе дифракционной решетки и фотохронографа. Изображение свечения образца (либо участков пламени) с помощью линзы (фокусное расстояние линзы F = 20 см) (5) строится в плоскости пространственно-временной щели (6) (На рис.2.15 для наглядности щель развернута на 90). Отверстие в щели имеет размеры 0.20.1 мм и определяет спектральное и временное разрешение регистрирующей системы. Изображение спектрально-временной щели с помощью линзы (F=20 см) (7) передается на вход полихроматоратора, где разлагается на спектральные составляющие, усиливается и разворачивается во времени фотохронографом «Взгляд-2А» (S). Спектрофотохронограф работает на базе электронно-оптического преобразователя (ЭОП), работающего в режиме линейной развертки (стрик-камеры). Световая матрица с выходного экрана ЭОП считывается ПЗС-матрицей и передается на запоминающее устройство в компьютер (PC) для последующей цифровой обработки. Спектральное разрешение составляет величину 10 нм, а временное определяется используемой разверткой стрик-камеры и может достигать значение 2 нс при применении самой короткой развертки. Запуск лазера и развертки стрик-камеры в соответствующие моменты времени осуществляется с помощью импульсного генератора Г5-56 (G). Для снятия спектра с разных участков пламени мы меняли положение образца относительно оптической оси измерительной системы. Для измерения спектра свечения на поверхности, образец располагается под углом 45 к лазерному лучу и оптической оси измерительной схемы (положение образца 4a на рисунке 2.15.). Для измерения спектра пламени над поверхностью, плоскость образца располагается перпендикулярно лучу лазера и параллельно оптической оси установки (4b на рисунке 2.15 ). При этом образец может перемещаться относительно оптической оси для регистрации свечения наиболее ярких участков пламени.
Обработка регистограмм и восстановления истинных спектров применялась программа «Sight-2A Processing» [125-128], разработанная Швайко В.Н.
На примере регистограммы (рисунок 2.16), зарегистрированный сигнал представляет матрицу, вертикальные элементы которой, позволяют построить спектр свечения образца в диапазоне длин волн 350-750 нм в определенный момент времени, а горизонтальные элементы –кинетику свечения.
Для калибровки экрана полихроматора по длинам волн использовались лампа накаливания с известной цветовой температурой 2850-3000 K и светофильтры с разной длиной волны пропускания. Перед входной щелью монохроматора на пути луча света лампы ставились интерференционные фильтры (известной длины волны). Схема представлена на рисунке 2.17
Измерялось положение пятна по координате Y на экране компьютера, при данном значении длины волны светофильтра .
Далее строилась зависимость длины волны светофильтра от положения точки экрана по вертикали. Получалась зависимость типа Y=a0+a1 X. На рисунке 2.18 представлен калибровочный график полихроматора по длинам волн. длина волны, нм
Из полученной зависимости находились калибровочные коэффициенты a0 и a1, которые заносились в меню программы обработки спектров, для установки соответствия точек растра регистрограммы определенным длинам волн (рисунок 2.19).
Для калибровки чувствительности регистрирующего тракта по длинам волн, использовалась калибровочная лампа ТРШ-2850-3000, с цветовой температурой. В режиме развертки записывался в компьютер файл свечения лампы (рисунок 2.20). Рисунок 2.20. Файл свечения лампы ТРШ-2850-3000 для калибровки спектральной чувствительности регистрирующего тракта.
По известной цветовой температуре рассчитывался ее истинный спектр по формуле Планка Iпл(). При расчете истинного спектра учитывался коэффициент серости вольфрама.
Далее определялась чувствительность оптического тракта в любой точке экспериментального спектра, путем деления измеренной интенсивности свечения 1(Л)Г на рассчитанное значение 1(Я) ист .
Далее мы получали калибровочную кривую (рисунок 2.21).
При взрывчатом разложении энергетических материалов часто возникают спектры свечения теплового характера. Если температура недостаточна высока и максимум свечения не входит в спектральный диапазон нашей аппаратуры то можно воспользоваться методом спектральной пирометрии описанный в [129]. Этот метод был апробирован нами при лазерном инициировании тэна с включениями железа (d=75 нм, 0.4 % по массе) [136]. Одновременно проверялась методика измерения спектрально-кинетических характеристик на установке описанной выше. Рисунок 2.22 иллюстрирует кинетику взрывчатого разложения композитов тэн-железо.
Измерялись спектры взрывчатого разложения в различные моменты времени соответствующие различным пикам свечения (рисунок 2.23). Спектр свечения в моменты времени t=0.7 мкс (для кривых a и б рисунок 2.22- позиция 2), при воздействии лазерным импульсом H=0.7 Дж/см2 (рисунок 2.23) и плотностью энергии H=1.3 Дж/см2 (рисунок 2.24).
Спектр на рисунок 2.23 и рисунок 2.24, соответствуют максимуму второго пика кинетик (рисунок 2.22-а, позиция-2) и (рисунок 2.22-б, позиция-2). На рисунке 2.25 представлен спектр в момент времени — t = 3.5 мкс, при воздействии плотностью энергии лазерного импульса H = 1.3 Дж/см2. Рисунок 2.25. Спектр свечения в момент времени — t = 3.5 мкс, H = 1.3 Дж/см2[136].
Полученный спектр (рисунок 2.25), был снят в максимуме третьего пика кинетической кривой (рисунок 2.22-б,позиция-3).
Если наблюдаемое тепловое свечение находится в коротковолновой области, то формулу Планка переходит в формулу Вина
Если по оси абсцисс взять значение х=С2/, а по оси ординат 1п(5 1) , в случае теплового свечения должен выполняться линейный закон.
На рис. 2.26 представлены спектры рисунок 2.23, рисунок 2.24 и рисунок 2.25 построенные в координатах Вина. Рис.2.26. Спектры построенные в координатах Вина. а-для спектра представленного на рисунке 2.23;б-для спектра представленного на рисунке 2.24;в-для спектра представленного на рисунке 2.25 [136].
Линейность наблюдаемых спектров с большой вероятностью позволяет идентифицировать свечение, появляющееся при взрыве образца, как тепловое. Определяемая по наклону прямой температура на участке спектра 430 730 нм равна 3400 К, для всех трех представленных спектров.
Для свечения абсолютно черного тела, по наклону получившейся прямой, можно определить температуру светящегося тела [129]. Таким образом, метод спектральной пирометрии дает удовлетворительные результаты и будет использован в дальнейшем при исследовании спектров свечения.
Анализ результатов по лазерному зажиганию углей марок Б и ДГ
Из полученных экспериментальных данных по измерению кинетических, пороговых и спектральных характеристик были установлены следующие характеристики зажигания мелкодисперсных частиц углей марок Б и ДГ. При плотностях энергии лазерного излучения H 0.5 Дж/см2 появляется свечение поверхности образцов, совпадающее по длительности с длительностью лазерного импульса (=120 мкс). Критическая плотность энергии при которой происходит появление свечения с вероятностью P = 0.5 имеет значение Hcr(1) = 0.8 для угля марки Б и Hcr(1) = 0.3 Дж/см2 для угля марки ДГ. При плотностях энергии H Hcr(1), спектры свечения для обоих марок углей имеют тепловой характер, с температурой которая была определена методом спектральной пирометрии и составялет T 3000 K. Нагрев поверхности угольных частиц происходит во время импульса облучения, что приводит к их свечению. Возможно происходит воспламенение наиболее мелких частиц угля из распределения по размерам на поверхности угольной пыли во время действия импульса, появившеся пламя и дает температуру T 3000 K.
При повышении плотности энергии до H 1.5 Дж/см2 через 0.5-1 мс над поверхностью обеих марок углей появляется пламя длительность свечения которого составляет 2-6 мс для различных образцов. Пороги зажигания составляют величину для бурого угля Hсr(2)=1.8 Дж/см2 для угля марки ДГ Hсr(2)=1.2 Дж/см2. Спектры свечения углей в этом временном интервале не являются тепловыми. По-видимому при данном диапазоне плотностей энергий происходит прогрев более глубинных слоев частиц в результате теплопроводности возбуждения экзотермических реакций, что приводит к выделению и воспламенению летучих веществ. Спектральный состав излучения пламен определяется множеством факторов: качественный и количнственный состав горючего и окислителя, давление, наличие добавок и примесей и.т.д. Мало работ где рассматриваются спектральные измерения непосредственно для пламени углей. Была обнаружена только работа [95], в которой горение угля описывается спектром свечения черного тела с наложением линий K и Na. Работ по измерению свечения летучих продуктов не обнаружено. Поэтому попытки идентефикации спектров летучих продуктов на примере бурого угля делались с использованием монографии [93,94]. Пламя окиси углерода дает интенсивный сплошной спектр, простирающий от 300 нм до длинн волн 500 нм, а также большое количество узких полос, не имеющих кантов, которые накладываются на континум [93]. В [96], отмечается, что для органических веществ, спектральный состав излучения сильно сильно зависит от зондируемой зоны пламени. Для первичной зоны горения обычно видно излучение радикалов –OH. и излучение CO, обычно как квазиконтинум от 300 до 600 нм. В работе [97], получен спектр свечения пламени природного газа в горелке специальной конструкции. При обработке из него была вычтена тепловая составляющая, потом был получен «континуум» с максимумом при 410 нм, соответствующий СО2. Исходя из изложенного мы можем придти к выводу, что спектр на рисунке 3.25 связан с горением CO.
В работе [98], в которой изучались спектры кислород водородного пламени. Один из результатов работы [98], излучение в красной и ИК области, 600 - 6300 нм, интерпретируемое как колебательные полосы молекул воды и их обертона, заходящие даже в видимую область. Поэтому наибольшую трудность вызывает интерпретация спектров на рисунке 3.26. Из использованных литературных источников [93,94] можно предположить, что вклад в наблюдаемый спектр дают несколько составляющих. Во-первых, вращательно-колебательный спектр молекул H2O и H2. Линии свечения приведены в [93, 94]. Спектральное расстояние между линиями свечения H2O и H2 [93,94] гораздо меньше спектрального разрешения нашей аппаратуры. Примечательно, что для бурого угля в во врменном интервале t 4 мс, после выделения летучих веществ наблюдается тепловое свечение (рисунок 3.27) с температурой T=2100 K, что, по-видимому связано с вылетом раскаленных частиц сажи.
Для угля марки ДГ (рисунок 3.34) излучение, которое мы связывали с пламенем СO весьма слабо, в оранжево-красной области вклад в свечение, как и в буром угле дают свечение H2 и H2O.
При дальнейшем повышении плотности энергии H 2 Дж/см2 наряду с выше описанными составляющими свечения приблизительно через 10 мс возникает столп пламени, который продолжается 100-150 мс. Измерение спектров свечения (рисунок 3.30 и рисунок 3.35), этого пламени позволило установить его тепловой характер. Температура, измеренная методом спектральной пирометрии составила T=1800 K для обеих марок углей. Мы считаем, что в этом диапозоне плотностей энергии лазерного импульса наряду с выделением и воспламенением летучих веществ в милисекундном диапазоне происходит зажигание и сгорание коксового остатка угольных частиц.Тепловой характер спектра по-видимому, определяется преобладающим вылетом раскаленоой сажи. Этот вывод поддерживается тем, что на стекле ограничивающим столб пламени (см. рисунок 3.19) появляется сажа. Таким образом, установлен неэлементарный характер лазерного зажигания пылеугольного топлива и определены энергетические пороги, связанные с выделением и воспламенением летучих веществ и зажиганием коксового остатка. По - скольку длительность импульса лазера =120 мкс, а выше описанные процессы происходят в миллисекундном диапазоне, очевидно что лазерный импульс играет роль «спускового крючка» который приводит к запуску экзотермических реакций. Эти реакции приводят к выделению и воспламенению летучих веществ при Н=Hcr(2) и зажиганию коксового остатка при H = Hcr(3). Установлено, что пороги зажигания обеих марок углей немонотонно зависят от размеров образцов от 100 мкм до субмикронных размеров. Наименьшие пороги зажигания имеют частицы 1 мкм, причем значения значения Hcr(1) остаются практически неизменными, при уменьшении размеров. Уменьшение порога Hcr(3), связано с уменьшением размеров частиц и увеличения реакционной поверхности частиц углей марок Б и ДГ. Уменьшение порога Hcr(2), связано с увеличением выхода летучих см. Таблица . Увеличение порогов Hcr(2) и Hcr(3), связано с увеличением зольности согласно [36]. При уменьшении размеров частиц, происходит монотонное уменьшение времени свечения для всех трех типов кинетик.
Зажигание бурого угля с добавками тетранитропентаэритрита [99,102]
В данном параграфе приведены результаты измерения порогов зажигания и полученных кинетических характеристик зажигания смесевых составов на основе бурого угля насыпной плотности и тетранитропентаэритрита. В качестве объекта исследования использовался уголь марки Б (Кайчакское месторождение), в виде порошка с максимальным размером частиц d 100 мкм, данный порошок имеет широкое распределение по размерам. Тетранитропентраэритрит имел узкое распределение по размерам 1-2 мкм. Экспериментальные образцы имели насыпную плотность 0.5 г/см3.
За порог зажигания Hcr, принималась плотность энергии лазерного зажигания с вероятностью зажигания P=50 %. В качестве зажигания принималось визуальное появление пламени. Кинетика свечения пламени регистрировалась с помощью фотоэлектронного умножителя. В данном эксперименте рассматривалось полное зажигание частиц, включая коксовый остаток частиц угольной пыли изученных в главе 3, то есть появление кинетических кривых свечения пламени горения с длительностью в интервале t 10-100 мс. Как показано в главе 3, при горении коксового остатка, спектр имел тепловой характер с температурой T1800 K. В данном разделе эксперименты проводились со смесевым составом уголь-тэн.
Содержание последнего в образцах варьировалось от 0 до 90 % по массе (см. также гл.2). Для каждого смесевого состава измерялась вероятность появления пламени и появление сигнала с длительностью 10-100 мс и строились вероятностные кривые зажигания. Измерялись пороговые и кинетические характеристики смесевых составов. Измерялись спектры пламени в максимуме третьего миллисекундного пика кинетики свечения пламени горения. Методом спектральной пирометрии находилась температура пламени для различных концентраций включений тэна. Также исследовалось зависимость порога зажигания угля от содержания тэна в соотношениях от 0 до 50% масс. На рисунке 4.15, представлена вероятностная кривая зажигания для смесевого сотава бурого угля и 10 %-го содержания тэна.
Из вероятностной кривой (рисунок 4.15), был найден порог зажигания Hcr=2.7±0,45 Дж/см2. Для примера, на рисунке 4.16, представлена кинетика свечения пламени горения смесевого состава уголь-тэн, с содержанием тэна 20%. На рисунке 4.17, представлена вероятностная кривая появления пламени, при воздействии лазерного импульса, на смесевой состав бурого угля и тэна, с содержанием тэна-20%.
Из вероятностной кривой представленной на рисунке 4.17, определили порог лазерного зажигания Hcr=2.4±0.45 Дж/см2.
Далее процент содержания тэна в буром угле увеличивался до 50%, и также измерялась вероятность появления пламени.
На рисунке 4.18 представлена кинетика горения угля с добавлением 50%-тэна.
На рисунке 4.19, представлена вероятностная кривая появления пламени, при воздействии лазерного импульса на смесевой состав бурого угля с содержанием тэна-50 %.
Длительность горения составляет величину t 25-35 мс, а порог лазерного зажигания Hcr=1.8±0.4 Дж/см2.
На рисунке 4.20 для наглядности представлены кинетики интенсивности свечения, возникающие при горении смесевых составов с различным содержанием тэна 90%; 50%; 0%.
Из полученных кинетических кривых зажигания для различных концентраций тэна в угле, мы видим что при увеличении тэна от 0% до 90% по массе, происходит уменьшение времени горения от 100 мс до 15 мс. Отметим, что при воздействие на чистый тэн насыпной плотности зажигания не наблюдалось.
Из рисунка 4.20 видно, что происходит сливание второго пика свечения кинетической кривой с третьим пиком свечения пламени уже при 20% концентрации тэна, который характерен для горения бурого без добавок тэна.
На рисунке 4.21 представлена зависимость пороговой энергии лазерного зажигания смесевых составов на основе бурого угля и тэна от концентрации тэна в смесевом составе.
На рисунке 4.22 показана зависимость времени достижении максимума интенсивности пика кинетической кривой свечения пламени горения, при лазерном зажигании смесевых составов от концентрации содержания тэна –w,%.
Также измерялись спектральные характеристики свечения пламени горения смесевых составов, при различных концентрациях включений тэна в уголь. На рисунке 4.23 представлен спектр пламени смесевого состава бурого угля и 20%-ой концентрации содержания тэна в смесевом составе.