Введение к работе
Актуальность темы. Под фильтрационным горением понимается распространение волн экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации газа [1-4]. 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 [5, 6]. Именно благодаря этому явлению становятся практически осуществимы различные технологические процессы в низкокалорийных системах, например, агломерационный процесс, газификация низкосортных углей, переработка горючих отходов машиностроительного производства 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 макрогетеро-генными. 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 конден-
* нос национальна*!
БИБЛИОТЕКА L 1
сированной фазы и т. д. вызывает потребность в качественной теории, позволяющей предсказать следствия тех или иных изменений параметров на характеристики процесса.
К настоящему моменту подробно были рассмотрены существующие модели фильтрационного горения твердого топлива. В основном, в этих работах рассматривалось горение в однотемпературной постановке для бесконечного реактора. Однотемпературный подход предполагает очень узкую ширину зоны межфазного теплообмена, что сильно уменьшает интервал изменения управляющих параметров. Также, остается открытым вопрос о температурных профилях фаз в зоне реакции. Во многих работах исследовалась стационарная задача, что требует дополнительной проверки устойчивости найденных решений. В ряде работ учитывался такой вид теплопотерь, как теплопотери через стенку реактора. Для простоты анализа химическая схема процесса принималась максимально упрощенной, и влияние сложной кинетики на характеристики процесса не рассматривалось. Во всех работах теплофизические параметры системы принимались постоянными. При такой постановке задачи в случае адиабатического реактора (и в предположении постоянства теплового эффекта реакции) при равенстве теплоємкостей потоков фаз (теплоемкость потока фазы равна произведению теплоемкости, плотности и линейной скорости фазы) значение максимальной температуры в зоне горения может расти до бесконечности [7].
Однако, несмотря на принятые упрощения, эти модели объяснили многие явления, имеющие место при газификации твердого топлива. А именно: инверсию волны горения; рекуперацию тепла в зону химических реакций; режимы с неполным расходованием окислителя; ограничение максимальных разогревов боковыми теплопотерями и т. д. При этом, открытыми остались вопросы об ограничении максимальных разогревов в адиабатическом реакторе; подробной структуре зоны горения; температурных профилях фаз и скорости горения с учетом сложной химической схемы (влияние кинетики) и т. д.
В настоящей работе предлагаются макрокинетические модели, которые позволяют качественно и количественно описать газификацию твердого топлива в сверхадиабатической волне фильтрационного горения, дать классификацию структуры волн горения в зависимости от соотношения теплоємкостей потоков фаз, оценить поведение основных характеристик процесса при изменении управляющих параметров. В моделях учтены такие характеристики реального процесса, как: зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, сложная химическая схема протекающих реакций, конечный размер реактора,
Использование методов математического моделирования исходной задачи является одним из кардинальных путей улучшения качества и сокращения затрат на разработку создаваемых технологических процессов. Использование методов моделирования обусловлено общей тенденцией расширения и углубления исследования процессов в реальном физическом мире; длительностью ряда процессов; сложностью протекания реальных процессов и высокой стоимостью исследований объекта - оригинала, когда с экономических позиций более приемлемо перенести их на объект - модель; необходимостью проведения большого числа экспериментов с последующим обобщением результатов и многофакторной оптимизацией.
Работа направлена на создание полной распределенной количественной модели газификации коксовых материалов в условиях фильтрации газообразного окислителя.
Настоящая работа выполнялась в течение 2000-2004 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 фильтрационного горения твердых топлив в сверхадиабатическом режиме. Задачами работы являлись:
классификация реализующихся пространственных структур волны горения в зависимости от соотношения теплоємкостей потоков фаз;
построение макрокинетической модели газификации твердого топлива в потоке газообразного окислителя, позволяющей учесть зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, сложную химическую схему протекающих реакций, конечный размер реактора;
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.
Степень новизны работы. 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, таки 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.
Показано, что в области переходных волн реализуются случаи, когда даже достаточно длинный реактор становится 'коротким'. Это связано с тем, что теплоемкости потоков фаз близки и зоны теплообмена могут превышать размер реактора.
В зоне реакции может наблюдаться существенное различие температур газовой и конденсированной фаз. В зависимости от того в газофазных или гетерогенных реакциях происходит основное тепловыделение, температура выше может быть либо у газовой, либо у конденсированной фазы.
Подробное рассмотрение зоны горения и зоны восстановления (зоны вторичных химических реакций) показало существенное различие состава газообразных продуктов сгорания на выходе из зоны горения и после прохождения восстановительной зоны.
Практическая ценность работы. Развитые в работе модели представляют собой важный шаг в развитии теории фильтрационного горения 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 могут быть полезны для более глубокого понимания физико-химических основ фильтрационного горения твердого топлива. С практической точки зрения - для предварительного определения оптимальной области изменения управляющих параметров газификации твердых топлив в сверхадиабатическом режиме. На защиту выносятся:
1. Математическая модель стационарного процесса воздушной газификации твердого топлива, учитывающая зависимость тепло-физических характеристик фаз от температуры и состава, конечный размер реактора.
Классификация реализующихся пространственных структур волны горения в зависимости от соотношения теплоємкостей потоков фаз.
Математическая модель стационарного процесса паровоздушной газификации твердого топлива, учитывающая зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, конечный размер реактора.
Математическая модель нестационарного процесса паровоздушной газификации твердого топлива, учитывающая кинетику протекающих реакций, зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, конечный размер реактора.
Численные решения задачи для примера фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на ученых советах Отдела горения и взрыва ИПХФ РАН, ученых советах ИПХФ РАН, а также на следующих конференциях:
1. XIX, XX Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике, 2001; 2. Международная школа-семинар «Горение дисперсных систем», 2001; 3. Конференция научные исследования в наукоградах Московской области «Новые материалы и технологии. Инновации XXI века», 2001; 4. Всероссийская конференция «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов», 2002; 5. XV, XVI Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых «Современная химическая физика», 2003, 2004; 6. Всероссийская школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, 2003; 7. International workshop «Nonequilibrum processes in combustion and plasma based technologies», 2004; 8. International conference on combustion and detonation ZEL'DOVICH MEMORIAL II, 2004.
А также опубликованы в журналах Наука-Производству (№ 8, 2001) и Физика горения и взрыва (№ 1, Т. 39, 2003).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), изложения работы и обсуждения результатов (главы 2 и 3), заключения, выводов работы, списка принятых обозначений и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 94 листах машинописного текста, содержит 57 формул, 46 рисунков, 4 таблицы и 73 библиографических ссылки.
