Введение к работе
Актуальность работы
Под фильтрационным горением понимается распространение волн экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации газа. Специфическим элементом, определяющим особенность горения этого класса систем, является фильтрация газа, выступающего не только в роли участника химической реакции, но и теплоносителя, формирующего структуру волны горения. Другим важным фактором является возможность сильного разбавления реагентов инертной примесью, которая не накапливается в зоне реакции, а уносится с потоком.
При фильтрационном горении может наблюдаться явление «сверхадиабатических разогревов» (температура в зоне горения становится выше адиабатической), обусловленное концентрацией выделяющегося тепла в зоне горения за счет внутреннего теплообмена между газовой и конденсированной фазами. Именно благодаря этому явлению становятся практически осуществимы различные технологические процессы в низкокалорийных системах, например, газификация низкосортных и альтернативных возобновляемых топлив, переработка горючих отходов и др.
Преимуществами сверхадиабатического метода газификации твердых топлив, по сравнению с известными техническими решениями, являются: высокий энергетический КПД процесса, позволяющий перерабатывать низкокалорийные смеси с минимальным содержанием горючего материала до 5%; низкое содержание токсичных веществ в газообразных продуктах сгорания; возможность эффективной переработки некоторых видов отходов, которые не могут быть утилизированы другими способами.
Фильтрационные системы, как правило, являются макрогетерогенными. Поэтому параметры состояния и состав продуктов, определяются как скоростями отдельных физико-химических стадий, так и условиями организации и проведения процесса. Наличие большого числа управляющих параметров, таких как величина, направление, состав газового потока, дисперсность и калорийность конденсированной фазы и т.д. вызывает потребность в качественной теории, позволяющей предсказать следствия тех или иных изменений параметров на характеристики процесса.
Настоящая работа выполнялась в течение 2000 - 2012 гг. в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ ИПХФ РАН. Макрокинетическое и математическое исследования проводились в группе фильтрационного горения ИПХФ РАН (рук. гр. Глазов СВ.).
Цель работы - теоретическое исследование закономерностей фильтрационного горения твердых топлив в сверхадиабатическом режиме.
Задачами работы являлись:
построение макрокинетической модели газификации твердого топлива в потоке газообразного окислителя, позволяющей учесть наличие стадии пиролиза топлива, сложную химическую схему протекающих реакций, наличие потерь тепла через стенку реактора, зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, конечный размер реактора;
классификация реализующихся тепловых структур волны горения топлива в зависимости от соотношения теплоємкостей потоков фаз;
исследование асимптотическими методами стационарных задач на примере фильтрационного горения углерода и пиролизующегося топлива в сверхадиабатическом режиме;
исследование численными методами нестационарной задачи с выходом на установившийся режим на примере фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме;
анализ влияния управляющих параметров на основные характеристики фильтрационного горения твердого топлива.
Научная новизна работы. Работа посвящена исследованию закономерностей и механизма фильтрационного горения твердых топлив, являющегося актуальным и перспективным направлением современных исследований. Разработана теория фильтрационного горения твердых пиролизующихся топлив в противотоке газообразного окислителя.
На примере газификации твердого органического топлива впервые теоретически показано, что в случае, когда теплоемкость потока газовой фазы превышает теплоемкость потока твердой фазы, имеет место автолокализация зон превращения (пространственное разделение стадий пиролиза и горения), и реализуется структура с полным протеканием пиролиза в зоне, отстоящей от фронта горения. В случае, когда теплоемкость потока твердой фазы превышает теплоемкость потока газовой фазы, пространственного разделения стадий не происходит. При этом наблюдается более полное сгорание топлива, что обеспечивается окислением части пиролизных смол во фронте горения. Наличие боковых теплопотерь приводит к стационарности структуры волны, когда скорости распространения фронтов превращения равны.
Впервые показано, что существует интервал значений доли горючего компонента, где не реализуются ни нормальная, ни инверсная структура волны горения. Для данного интервала предложен подход переходной структуры волны горения, когда нужно учитывать вынос тепла из реактора, как с твердыми, так и с газообразными продуктами реакции. Учет зависимости теплоємкостей фаз от температуры и от состава показал наличие дополнительного механизма ограничения максимальной температуры горения, вследствие выноса тепла химических реакций через торцы реактора одновременно твердыми и газообразными продуктами горения в области переходных волн.
Впервые показано, что резкое изменение состава одного из реагентов в ходе процесса при фильтрационном горении твердого топлива может привести к локальному повышению температуры горения, и сопровождается сменой тепловой структуры.
Практическая ценность работы. Развитые в работе модели представляют собой важный шаг в развитии теории фильтрационного горения твердого топлива и позволяют теоретически исследовать закономерности горения твердых топлив в фильтрационном режиме с целью определения влияния управляющих параметров на характеристики процесса и выбора оптимальных условий проведения технологических процессов, основанных на фильтрационном горении. Результаты работы необходимы для более глубокого понимания физико-химических основ фильтрационного горения твердого топлива и являются научной основой технологии газификации и переработки твердых топлив в фильтрационном режиме со сверхадиабатическими разогревами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель нестационарного процесса паровоздушной газификации твердого топлива, учитывающая наличие стадии пиролиза топлива, сложную химическую схему протекающих реакций, наличие потерь тепла через стенку реактора, зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, конечный размер реактора.
-
Классификация реализующихся тепловых структур волны горения в зависимости от соотношения теплоємкостей потоков фаз.
-
Аналитическое решение задачи для примера стационарного фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме.
-
Аналитическое решение задачи для примера стационарного фильтрационного горения твердого пиролизующегося топлива в сверхадиабатическом режиме.
-
Численное решение задачи для примера нестационарного фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме.
-
Результаты теоретического исследования зависимости основных характеристик фильтрационного горения твердого топлива от управляющих параметров.
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается применявшимися в работе классическими методами математической
физики (асимптотический подход узкой зоны горения, метод Ньютона, метод итераций), которые отличаются высоким уровнем разработки и надежностью, а также проведенным сравнением с экспериментальными результатами, опубликованными в литературе.
Выводы достаточно хорошо аргументированы, основные результаты диссертации неоднократно обсуждались на российских и международных конференциях, на семинарах и конкурсах научных работ ИПХФ РАН, а также опубликованы в авторитетных научных изданиях и доступны для широкого круга специалистов.
Личный вклад автора. Все включенные в диссертацию теоретические результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснованы и поставлены задачи исследования, разработаны математические модели и построены алгоритмы решения, написаны программные коды, с помощью которых осуществлялось теоретическое исследование закономерностей и механизмов фильтрационного горения твердых топлив в противотоке газообразного окислителя. Лично автором проводились обработка и анализ полученных данных, формулировка основных выводов и научных положений, а также написание теоретической части научных публикаций.
Публикации автора. Основные результаты диссертационной работы представлены в 31 публикации автора, список которых приведен в конце автореферата. Среди публикаций 14 научных статей в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, 10 научных статей в рецензируемых журналах и сборниках, 7 научных статей, опубликованных в сборниках конференций.
Апробация работы. Материалы работы опубликованы в журналах «Успехи химии», «Известия Академии наук. Серия химическая», «Физика горения и взрыва», «Химическая физика», «Горение и плазмохимия» и «Наука-Производству».
А также докладывались на ученых советах Отдела горения и взрыва ИПХФ РАН, ученых советах ИПХФ РАН и на следующих конференциях:
1. XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 2011; 2. Combustion Institute Central States Section 2012 Technical Meeting Combustion fundamentals and Applications; 3. VII Московский международный химический саммит, 2010; 4. International conference on combustion and detonation ZEL'DOVICH MEMORIAL II, 2004; 5. Всероссийская с международным участием школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, 2003, 2006, 2007, 2008, 2011; 6. Симпозиум "Современная химическая физика", 2001, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011; 7. Международный симпозиум "Горение и Плазмохимия", 2007, 2009, 2011; 8. I Дальневосточная междисциплинарная молодежная научная конференция "Современные методы научных исследований", 2011; 9. Всероссийская молодежная конференция "Успехи химической физики", 2011; 10. Конференция по фильтрационному горению,
-
2010; 11. Первая конференция серии ChemWasteChem "Химия и полная переработка биомассы леса", 2010; 12. Пятая Международная конференция "Энергия из биомассы",
-
2009; 13. Международная конференция "Химическая и радиационная физика", 2009; 14. Симпозиум по горению и взрыву, 2005, 2008; 15. Минский международный форум по тепло- и массообмену, 2008; 16. International Symposium on Nonequilibrium Processes, Combustion, Plasma, and Atmospheric Phenomena, 2005, 2007; 17. 8 Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, 2006; 18. International workshop "Nonequilibrum processes in combustion and plasma based technologies", 2004, 2006; 19. Международная школа-семинар "Горение дисперсных систем", 2001; 20. Научные исследования в наукоградах Московской области "Новые материалы и технологии. Инновации XXI века", 2001.
Автор выражает благодарность член-корреспонденту РАН Георгию Борисовичу Манелису, к.ф.-м.н. Евгению Викторовичу Полианчику и к.ф.-м.н. Виктору Прокофьевичу Фурсову за обсуждение полученных результатов и ценные замечания.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
