Фильтрационное горение углеродсодержащих систем в противотоке Глазов, Сергей Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы

Фильтрационное горение (ФГ) твердых углеродных топлив с противотоком, являющееся главным предметом исследований в настоящей работе, относится к разновидности газификации в плотном слое. Противоток твердого кускового горючего с газообразным окислителем повышает устойчивость и тепловую эффективность процесса. Высокая полнота сгорания достигается благодаря оптимальному сочетанию концентраций реагентов встречных потоков. Кроме того, значительно снижается вынос пыли отходящими газами, что позволяет упростить систему газоочистки.

Особый интерес для практики представляют «сверхадиабатические» режимы протекания процессов ФГ, где благодаря оптимизированному внутреннему теплообмену между продуктами газификации и исходными реагентами имеет место эффект сверхадиабатического разогрева. Оптимизация тепловых потоков фаз осуществляется посредством изменения концентрации реагентов: варьированием либо концентрации горючего (углерода) в твердом топливе, либо концентрации активного компонента (кислорода) в газообразном окислителе.

Подобные режимы могут оказаться наиболее эффективными методами получения тепловой и электрической энергии из низкосортных топлив и горючих отходов. Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования процессов сжигания твердого топлива. Развитие технологий, базирующихся на ФГ с противотоком сдерживается недостаточностью исследований (в частности, для углеродных систем) и отсутствием информации о зависимости характеристик процесса от начальных условий и управляющих параметров. Для надежного управления промышленными процессами требуется обоснованные всесторонние данные о явлении ФГ углеродсодержащих систем.

Цель диссертационной работы

Основными задачами настоящего исследования являются: Изучение основных закономерностей распространения волн ФГ с противотоком в гетерогенных системах на основе углерода и органических топлив. Получение

экспериментальных данных о влиянии управляющих факторов и внешних условий на характеристики волны горения.

1. Разработка простой и надежной математической модели ФГ, позволяющей качественно предсказывать поведение многих характеристик волны горения в твердом топливе на основе углерода при изменении управляющих параметров и определять условия оптимального проведения процесса.

2. Экспериментальное подтверждение энергетической эффективности волн ФГ, как перспективного метода получения тепловой и электрической энергии из низкосортного нетрадиционного сырья, и как экологически безопасного метода переработки горючих отходов различного происхождения.

Направление исследований

Работа проводилась в следующих направлениях:

3. исследование волн фильтрационного горения в твердых углеродных топливах и всей совокупности протекающих при этом физико-химических процессов;

4. выявление основных закономерностей и зависимости характеристик волны горения от управляющих факторов и начальных условий;

5. создание упрощенной математической модели газификации смесей углерода с твердым инертным материалом, позволяющей качественно характеризовать воздействие основных управляющих параметров;

6. получение экспериментальных данных по газификации твердых углеродных топлив в сверхадиабатических режимах ФГ;

7. оценка возможности использования метода фильтрационного горения в сверхадиабатическом режиме для переработки низкосортных топлив и горючих отходов с получением тепловой или электрической энергии.

Методы исследований

Реализованные подходы к исследованию фундаментальных проблем фильтрационного горения основаны на сочетании аналитических решений модельных задач, позволяющих устанавливать качественные закономерности процессов, физического эксперимента в контролируемых условиях и современных методов анализа экспериментальных данных и моделирования производственных процессов, что позволило выполнить все исследования на современном научно-техническом

уровне. Разработанные методики проведения экспериментов по фильтрационному горению отличаются простотой конструкций и надежностью систем сбора данных.

Достоверность представленных экспериментальных данных обусловлена использованием апробированных и широко используемых методик измерения температуры и состава газа (термопарная методика измерения температуры в различных зонах реактора с выдачей показаний на компьютер в режиме реального времени, а также хроматографический и масс-спектрометрические методы исследования состава газовой среды), а также сопоставлением полученных данных с известными литературными данными и общепризнанными теоретическими моделями.

Основные положения, выносимые на защиту

7. 1. Экспериментально полученные зависимости характеристик волны фильтрационного горения смесей углерода с инертным материалом от основных управляющих параметров (содержания углерода в смеси, его реакционной способности, размеров частиц, расхода и состава окислителя).

   2. Особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения смесей углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя.

   3. Упрощенная стационарная математическая модель фильтрационного горения смесей углерода с инертным материалом в режиме противотока при фильтрации газообразного окислителя, базирующаяся на предположении термодинамического равновесного состава продуктов.

   4. Результаты расчетов характеристик волны фильтрационного горения в зависимости от начальных условий и управляющих параметров системы.

   5. Особенности фильтрационного горения смесей с испаряющимися и пиролизующимися компонентами. Поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения.

   6. Экспериментальные данные о возможности и перспективности использования метода фильтрационного горения в режиме противотока для переработки горючих отходов различного происхождения, а также для получения тепловой и электрической энергии из низкосортных топлив, промышленных и бытовых отходов.

   Научная новизна

   Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты расширяют научные знания в области фильтрационного горения пористых систем на основе углерода. Основу работы составляют полученные и проанализированные автором многочисленные экспериментальные данные по закономерностям процессов фильтрационного горения пористых систем на основе углерода и органических топлив.

   7. 6. 1. Впервые проведено систематическое исследование основных закономерностей процессов фильтрационного горения углеродных систем и воздействие на их характеристики различных управляющих факторов и внешних условий. Показано, что тип тепловой структуры волны горения в значительной степени определяется долей инертных компонентов.

         2. Обнаружено явление автолокализации зон превращений в соответствии с температурой среды (зоны испарения и конденсации летучих компонентов, пиролиза органических компонентов, окисления коксового остатка), имеющее место в случае топлива сложного состава.

         3. В инверсной волне горения существует протяженная высокотемпературная зона, в которой продукты газификации пребывают достаточно длительное время. При этом может быть достигнуто состояние, близкое к термодинамически равновесному. Это может быть использовано при создании математических моделей фильтрационного горения. Были разработаны такие математические модели, позволяющие без использования кинетических параметров определить качественные зависимости характеристик фильтрационного горения углеродных систем от управляющих параметров для стехиометрических режимов на основании термодинамических расчетов. Качественные расчеты, выполненные по этим моделям, позволили определить область оптимальных параметров с точки зрения практической реализации процесса, подтвердили повышение КПД преобразования теплоты сгорания твердого топлива в теплосодержание продукт- газа при добавлении паров воды или диоксида углерода в газообразный окислитель.

         4. Впервые исследованы особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя.

         5. Впервые изучены особенности фильтрационного горения смесей с испаряющимся и с пиролизующимся компонентами, исследовано поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения.

         6. Впервые экспериментально показано, что метод фильтрационного горения в режиме противотока может быть успешно использован для переработки проблемных отходов различного вида и происхождения с получением тепловой или электрической энергии. В частности, для переработки автомобильных шин, маслоотходов и нефтешламов, твердых бытовых отходов, иловых осадков полей фильтрации, бумажных материалов и прочих отходов, включающих горючие компоненты. Процесс может быть надежно управляемым как по вариациям состава, так и по необходимому изменению производительности. При этом собственная зольность отходов не оказывает существенного влияния на протекание процесса. Высокая влажность не является препятствием, но сказывается на производительности и затрудняет сжигание продукт-газа.

         Практическая ценность

         В результате проведенных экспериментальных исследований, а также на основании выполненных с помощью математических моделей расчетов выявлены основные макрокинетические закономерности процесса фильтрационного горения углеродсодержащих систем в противотоке, на основании которых становится возможна разработка эффективных систем управления процессом. Изученные особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения смесей углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя имеют большое значение с точки зрения безопасности при использовании противоточных режимов фильтрационного горения в промышленнм масштабе. Установленные закономерности фильтрационного горения смесей с испаряющимся, либо пиролизующимся компонентами, а также поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения представляют большой интерес для практического использования процесса в целях совершенствования методов сжигания низкосортных топлив и горючих отходов.

         В работе представлен и проанализирован большой объем экспериментальных данных, на основании которых предложено научно обоснованное решение имеющей важное социально-экономическое и хозяйственное значение проблемы совершенствования процессов сжигания низкосортных топлив, а также экологически чистой переработки горючих отходов различного происхожления.

         Личный вклад автора

         Эксперименты, результаты которых представлены в диссертации, выполнены сотрудниками группы Фильтрационного горения отдела Горения и взрыва ИПХФ РАН при непосредственном участии автора. Автором лично разработана методика проведения экспериментов по фильтрационному горению, с его непосредственном участием созданы лабораторные установки фильтрационного горения различного масштаба с системами сбора и обработки данных. Автор принимал активное участие в постановке и обосновании основной части исследований, получении и обсуждении экспериментальных результатов и формулировке выводов. Обработка представленных результатов выполнена автором с обсуждением в научном коллективе сотрудников. Математические модели, представленные во второй главе диссертации, разработаны в соавторстве с сотрудником ИПХФ РАН Полианчиком Е.В. Расчеты характеристик волн горения по этой модели выполнены автором. Кроме того, автор принимал непосредственное участие в разработке и конструировании опытно-промышленных установок фильтрационного горения, а также в мероприятиях по их запуску и отладке.

         Апробация работы

         Представленные в работе материалы докладывались на ученых советах отдела Горения и взрыва ИПХФ РАН, на ученых советах ИПХФ РАН, а также на научных конференциях и симпозиумах, среди которых: XIII (2005 г.) и XIV (2008 г.) Всероссийские симпозиумы по горению и взрыву (г. Черноголовка), Международный симпозиум «Неравновесные процессы в горении и технологии на основе плазмы» (2006 г, Минск, Беларусь), Международный симпозиум «Неравновесные процессы, горение, плазма и атмосферные явления» (2007 г., Сочи), Восьмой азиатско- тихоокеанский международный симпозиум по горению и утилизации энергии (2006 г., Сочи), Первая (2007 г.) и Вторая (2010 г.) конференции по фильтрационному горению (г. Черноголовка), IV (2007 г.), V (2009 г.) и VI (2011 г.) Международные симпозиумы "Горение и Плазмохимия" (г. Алматы, Казахстан), Третья (2006 г.), Четвертая (2008 г.) и Пятая (2009 г.) в Украине международные конференции «Энергия из биомассы» (г. Киев, Украина), II (2006 г.) и III (2008 г.) Международные конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов» (г. Москва), Международная школа-семинар "Горение дисперсных систем" (2001 г., Одесса, Украина), XXIV Международная научная конференция "Горение дисперсных систем" (2010 г., г. Одесса, Украина), Всероссийская конференция «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов» (2002, г. Москва), Международная конференция по горению и детонации "Zel'dovich Memorial II" (2004, г. Москва), Международная конференция "Химическая и радиационная физика" (2009 г., Москва), Первая конференция серии ChemWasteChem "Химия и полная переработка биомассы леса" (2010 г., Санкт-Петербург), Молодежная международная школа-конференция по инновационному развитию науки и техники, (2005, г. Черноголовка), Всероссийские симпозиумы молодых ученых по химической кинетике (Московская обл., Россия) и "Современная химическая физика" (Туапсе).

         Работы по сверхадиабатическим режимам горения отмечены наградами на международных выставках («Архимед-2000», «Инновации-2000», «Брюссель-Эврика- 2003», «Высокие технологии XXI века», «Архимед-2006», «Архимед-2007»). По результатам исследований в ИПХФ РАН было получено более десяти патентов, как российских, так и международных.

         Практическая реализация результатов

         Процессы газификации на основе использования режимов фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами отрабатывались в ИПХФ РАН на лабораторных и пилотных установках. Первая опытно-промышленная установка с газификатором периодического действия и сжиганием продукт-газа в факеле была построена на заводе ЭЗТМ в городе Электросталь. Эта установка производительностью 150 тонн в год предназначена для переработки маслоотходов металлургического производства.

         Опытно-промышленные установки, непрерывного действия для газификации твердых бытовых отходов с получением энергии были построены в Финляндии (г.

         Лаппеенранта) и в Москве (ФГУП «Салют). Производительность установок по перерабатываемому материалу - 2 т/час, что отвечает тепловой мощности ~5 МВт при сжигании продукт-газа.

         В 2005-2006 годах при участии специалистов ИПХФ РАН (в том числе, автора) был разработан проект безотходного мусороперерабатывающего комплекса производительностью 100 тысяч тонн отходов в год для города Туапсе Краснодарского края. Реализация проекта была приостановлена в связи с принятым решением о проведении в 2014 году зимней олимпиады в г. Сочи.

         Публикации автора

         Основные научные результаты диссертационной работы представлены в публикациях автора, список которых приведен в конце автореферата. Среди публикаций 14 статей в рецензируемых научных журналах и сборниках, 3 патента РФ, 6 электронных публикаций.

         Структура и объем диссертации.

         Похожие диссертации на Фильтрационное горение углеродсодержащих систем в противотоке

         

         Закономерности горения "безгазовых" систем в спутном потоке инертного газаБрауэр Григорий Борисович

         Теория макроструктурных превращений при горении систем с конденсированными продуктамиСмоляков, Виктор Кузьмич

         

         Нестационарное горение гетерогенных систем со структурными и фазовыми превращениямиПрокофьев Вадим Геннадьевич

         Оптические и электрические аспекты процессов горения дисперсных системФлорко, Александр Владимирович

         Горение конденсированных систем под действием внешних источников энергииДворкович, Александр Викторович

         Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных системКоротких, Александр Геннадьевич

         Математическое моделирование фронтальных режимов горения смесевых конденсированных систем с различной степенью газификации продуктовФирсов, Анатолий Никитович

         Фрактальная структура и характеристики горения гетерогенных конденсированных системПивкина, Алевтина Николаевна

         

         Математическое моделирование горения структурированных гетерогенных системКришеник Петр Михайлович

         

         Закономерности горения высокоэнергетических гетерогенных систем, содержащих ультрадисперсный алюминий, в широком диапазоне давленийГорбенко Татьяна Ивановна