Введение к работе
Актуальность работы. Под фильтрационным горением (ФГ) понимают распространение волн экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации газа, в частности, окислениe горючего при фильтрации газа-окислителя. Характеристики волны ФГ (скорость распространения, распределение температуры, состав продуктов горения) зависят от множества параметров (доля горючего в шихте, скорость подачи газа, уровень теплопотерь и т.д.), что вызывает большое многообразие режимов распространения волн ФГ [1]. Исследование процессов распространения и затухания волн ФГ представляет собой важную фундаментальную задачу (как часть общей теории волн и критических явлений), а также имеет очевидное практическое значение.
К настоящему времени выполнено значительное количество работ, посвященных исследованию закономерностей фильтрационного горения – изучены скорости, состав продуктов, температуры и т.д. [1 - 5]. На сегодняшний день достаточно хорошо изучено фильтрационное горение дисперсных систем с высоким содержанием горючего, для малых же долей горючего (менее 5% мас.) экспериментальных исследований недостаточно. Необходимо отметить, что именно при низком содержании углерода в шихте возможно проявление критических, не изученных ранее явлений, в которых сверхадиабатические разогревы играют определяющую роль.
Для экспериментальных и теоретических исследований в качестве горючего целесообразно рассматривать углерод, так как окисление углерода является, как правило, определяющей стадией горения большинства твердых топлив. Выбор углерода в качестве модельного горючего представляет и научный интерес, поскольку разнообразие структурных форм углерода дает возможность выбирать углеродные материалы с различной структурой и, соответственно, разной реакционной способностью, что позволяет при неизменном химическом механизме реакций в волне ФГ выявить зависимость макрокинетических характеристик ФГ от кинетических параметров реакций окисления [6, 7].
Цель работы:
I. Исследование закономерностей, определяющих условия существования стационарной волны ФГ бедных смесей углерод - инертный материал, что включает:
1. Исследование влияния концентрации горючего, скорости подачи окислителя, уровня тепловых потерь реактора на макрокинетические характеристики процесса.
2. Определение зависимости макрокинетических характеристик и условий затухания стационарной волны ФГ от реакционной способности углерода к окислению.
3. Исследование макрокинетических характеристик волны ФГ смесей углеродных материалов различной реакционной способности.
II. Cравнение экспериментальных значений нижнего концентрационного предела и макрокинетических характеристик волны ФГ вблизи предела с рассчитанными с помощью стационарной одномерной однотемпературной математической модели [10].
Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования использованы углеродсодержащие вещества: березовый уголь (ГОСТ 7657-84), березовый активированный уголь (ГОСТ 6214-74), композитный материал углерод - углеродное волокно, реакторный графит (МПГ-6) в смеси с техническим сапфиром. Экспериментальное исследование распространения стационарной волны ФГ углерода проводили в цилиндрическом реакторе. Температуру в реакторе определяли термопарами, анализ газа выполнен на масс-спектрометре. Скорость подачи газа определяли по перепаду давления на предварительно откалиброванном капилляре. Для определения массовой скорости горения углерода и уровня теплопотерь реакторов использовали методики, разработанные в настоящей работе.
Научная новизна:
1. Впервые в экспериментах показано, что при низкой концентрации горючего в шихте критически, при малом изменении управляющих параметров, происходит переход от устойчивого распространения стационарной волны ФГ твердого топлива к затуханию волны.
2. Показано, что кинетические закономерности окисления горючего в наибольшей степени влияют на макрокинетические характеристики волны ФГ вблизи границы области существования стационарной волны.
3. Установлено, что простая математическая модель позволяет удовлетворительно качественно описать границы параметрической области существования стационарной волны.
Практическая ценность. Главной особенностью ФГ при спутном распространении волны горения является наличие “cверхадиабатических” разогревов, когда температура в зоне горения значительно превосходит адиабатическую за счет концентрации тепла в относительно узкой зоне. Благодаря данной особенности появляется возможность существенно повысить экономическую эффективность таких многотоннажных технологических процессов как обжиг и агломерация руд, выжигание коксовых отложений на катализаторах, утилизация промышленных и бытовых отходов, прямое восстановление металлов из бедных руд, внутрипластовое извлечение нефти. Для оптимального проведения вышеперечисленных процессов необходимо учитывать закономерности распространения и затухания волн ФГ твердых топлив и механизмов, определяющих устойчивость волны ФГ.
Результаты работы позволяют предсказывать области управляющих параметров, обеспечивающих устойчивые технологические режимы процессов, проводимых при малом содержании горючего. Методики оценки эффективных коэффициентов теплопотерь реактора и теплопроводности шихты позволят проводить количественные сравнения расчетных и экспериментальных значений макрокинетических характеристик волны ФГ.
На защиту выносятся:
1. Экспериментально измеренные зависимости макрокинетических характеристик волны ФГ углеродных материалов (березового угля, березового активированного угля, углеродного композита) от скорости подачи воздуха и теплопотерь при концентрации углерода в шихте 2-7 % мас.
2. Экспериментально измеренные значения нижнего концентрационного предела устойчивого распространения волны ФГ и макрокинетических характеристик волны в зависимости от кинетических параметров окисления углерода.
3. Результаты верификации одномерной однотемпературной модели стационарной волны ФГ шихты с низким содержанием углерода.
4. Методика определения эффективного коэффициента тепловых потерь реактора и теплопроводности шихты.
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в постановке задач экспериментального исследования, обосновании и выборе экспериментальных методик. Автором лично изготовлены экспериментальные реакторы фильтрационного горения и системы сбора температурных данных, проведены экспериментальные измерения и обработка полученных экспериментальных данных. Совместно с научным руководителем разработана методика определения эффективных характеристик волны ФГ и сформулирована одномерная однотемпературная математическая модель стационарной волны ФГ углерода для случая низких концентраций углерода в шихте, Автором проведены оценки применимости допущений модели к условиям проводимых экспериментов.
Разработка проекта установки и ее монтаж выполнены автором совместно с к.ф.-м.н. А.П. Алексеевым в лаборатории химии горения Института проблем химической физики РАН.
Обсуждение и интерпретация полученных результатов и формулировка выводов автором проведены совместно с научным руководителем, к.ф.-м.н. Е.В. Полианчиком и член.-корр. РАН, д.х.н. Г.Б. Манелисом.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на семинарах отдела Горения и Взрыва ИПХФ РАН, а также на следующих конференциях: XIII Симпозиум по горению и взрыву, г. Черноголовка, 7-11 февраля 2005 г; Третья Всероссийская школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, 23-25 ноября 2005 г; Молодежная международная школа-конференция по инновационному развитию науки и техники, г. Черноголовка, 13-14 декабря 2005 г; XVIII Симпозиум «Современная химическая физика», г. Туапсе, 22 сентября – 3 октября 2005 г; XXIII всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике. Пансионат Березки, 2005 г; XIII всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике. Пансионат “Березки”, 2006 г; Первая конференция по фильтрационному горению, г. Черноголовка, 21-24 мая 2007 г; Пятая Всероссийская школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, 26-27 октября 2007 г; VIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов “Химия и химическая технология в XXI веке”, г. Томск, ТПУ 14-16 мая 2008; XX Симпозиум «Современная химическая физика», г. Туапсе, 22 сентября – 3 октября 2008 г; XIV Симпозиум по горению и взрыву, г. Черноголовка, 13-17 октября 2008 г; Международная конференция “Химическая и радиационная физика” (мемориал О.И. Лейпунского), г. Москва, 25-29 августа 2009 г.
Публикации автора. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи и 8 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, списка используемых обозначений, трех глав (обзор литературы, описание методик эксперимента, изложение результатов), заключения, выводов, приложения, списка цитируемой литературы, содержащего 67 наименований. Диссертация изложена на 106 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок и 7 таблиц.
