Введение к работе
Актуальность темы. При фильтрационном горении твердого топлива наблюдается ряд новых явлений: явление сверхадиабатических разогревов, когда отсутствует прямая зависимость температуры горения от содержания горючего; возможность протекания различных процессов (испарение и конденсация влаги, пиролиз топлива, горение коксового остатка) как в последовательном, так и в параллельном режимах; реализуется высокий энергетический КПД превращения [1-3]. Вследствие сложности изучаемого процесса в опубликованных моделях рассматривается только главная стадия - стадия окисления горючего [4,5]. Стадия окисления горючего (например, углерода) также хорошо исследована экспериментально. Однако для фильтрационного горения в плотном слое до сих пор нет общей теории, нет общих представлений о механизме ряда явлений.
В настоящий момент в ИПХФ РАН интенсивно ведутся работы по изучению закономерностей фильтрационного горения различных органических топлив (древесина, лигнин, торф и др). Сложность изучения таких систем заключается в том, что при нагреве твердого топлива сначала происходит испарение влаги, а затем пиролиз. При этом образуется коксовый остаток, а также выделяются газообразные и жидкие продукты В зависимости от условий процесса (скорости нагрева, максимальной температуры, времени пребывания топлива в высокотемпературной зоне) сильно меняется состав и выход продуктов пиролиза. При горении топлива в спутном фильтрационном режиме выход кокса влияет на тепловую структуру волны горения, что, в свою очередь, определяет условия пиролиза. Кроме того, в подобной системе возможно взаимное влияние стадий процесса: испарения, пиролиза и догорания коксового остатка. В общем случае все стадии могут проходить как в последовательном, так и в параллельном режимах. Т.к. эти процессы протекают в сложных температурно - временных условиях, неизученность протекания отдельных процессов, не позволяет предвидеть общий результат исследования В связи с этим возникает необходимость детального экспериментального исследования процессов фильтрационного горения твердого топлива, содержащего испаряющиеся (влага) и пиролизующиеся компоненты, например, полимерные материалы.
Изучение закономерностей фильтрационного горения смесей, содержащих полимеры, может представлять и серьезный практический интерес в связи с резко возрастающим многообразием и высокими темпами роста производства полимерных материалов во всем мире. Причем, вопрос утилизации этих материалов до сих пор не решен, несмотря на то, что, являясь продуктом высокотехнологичной химической промышленности, данный вид отходов представляет серьезную экологическую опасность. Поэтому, помимо решения чисто фундаментальных задач, работа строилась таким образом, чтобы результаты полученных исследований можно было применить при разработке конкретной технологии.
Настоящая работа выполнялась в течение 2001 - 2008 гг. в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ ИПХФ РАН. Экспериментальное исследование и обработка результатов проводились в группе фильтрационного горения ИПХФ РАН (руководитель Глазов СВ.).
Цель работы - исследование влияния процессов испарения и пиролиза на общие закономерности фильтрационного горения твердого топлива.
Задачами работы являлось:
исследование влияния процесса испарения и конденсации влаги, содержащейся в топливе, на закономерности фильтрационного горения коксоподобных топлив;
изучение влияния пиролиза полимеров менее склонных к коксообразованию (на примере полиэтилена) на характеристики волны горения;
изучение влияния пиролиза полимеров более склонных к коксообразованию (на примере полиуретана) на определяющую стадию процесса - стадию горения коксового остатка;
4. исследование устойчивости волны горения твердого топлива при наличии в системе последовательно-параллельных процессов (окисление и испарение в системе влажный уголь - инертный материал; окисление и термодеетрукция в системах, содержащих полимеры).
Степень новизны работы. На примере системы влажный уголь - инертный материал впервые установлено, что исходная влажность смеси не оказывает заметного влияния на основные характеристики волны фильтрационного горения коксоподобных топлив. Вся влага испаряется до зоны горения и не участвует в химических реакциях. Затраты тепла на испарение влаги компенсируются большим тепловыделением в зоне горения за счет преимущественного образования диоксида углерода. Обнаружено устойчивое распространение волны горения в широком интервале изменения влажности смеси (до 70%). Показано, что процесс термодеструкции полимеров оказывает существенное влияние на характеристики фильтрационного горения, т.к. при пиролизе полимерные материалы могут образовывать коксовый остаток, изменяющий соотношение «кокс - инертный материал» в зоне горения.
На примере полиэтилена установлено, что доля пиролизовавшегося полимера не зависит от его количества, а определяется содержанием угля в исходной смеси.
Впервые обнаружено, что при фильтрационном горении смесей, содержащих полимерные материалы возможно нарушение газопроницаемости исходной смеси вследствие плавления полимера, которое приводит к пространственной неустойчивости волны горения. Определена область значений параметров, при которых реализуется неустойчивость волны горения.
Практическая ценность работы. Полученные результаты позволили определить закономерности протекания различных процессов (испарение и конденсация влаги, пиролиз топлива, горение коксового остатка) в волне фильтрационного горения в последовательном и параллельном режимах. Полученные результаты и представления учитывались при разработке технологии утилизации ТБО и использовались при создании технологии по проекту "Разработка процесса и оборудования для обезвреживания мягких хозяйственных отходов, загрязненных тритием".
На защиту выносятся:
результаты исследования влияния процесса испарения и конденсации влаги на закономерности фильтрационного горения коксоподобных топлив;
результаты изучения влияния пиролиза полимеров менее склонных к коксообразованию (на примере полиэтилена) на характеристики волны горения,
результаты изучения влияния пиролиза полимеров более склонных к коксообразованию (на примере полиуретана) на определяющую стадию пиролиза - стадию горения коксового остатка;
результаты исследования устойчивости волны горения твердого топлива при наличии в системе последовательно-параллельных процессов (окисление и испарение в системе влажный уголь - инертный материал; окисление и термодеструкция в системах, содержащих полимеры)
Личный вклад автора. Автором диссертационной работы были спланированы и проведены эксперименты по исследованию протекания основных стадий фильтрационного горения твердых топлив в последовательно-параллельных режимах. Получены и обработаны температурные профили волны горения и проанализирован состав продуктов. На основании полученных результатов подготовлены научные публикации по теме диссертации.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на ученых советах Отдела горения и взрыва ИПХФ РАН, ученых советах ИПХФ РАН, а также на следующих конференциях: 1. Молодежная международная школа-конференция по инновационному развитию науки и техники, г. Черноголовка, 2005; 2. Всероссийская школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, 2006, 2007; 3. Asia-Pacific international
Symposium on Combustion and Energy Utilization, Sochi, 2006; 4. Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых "Современная химическая физика", Туапсе, 2006, 2007, 5. Первая конференция по фильтрационному горению, г. Черноголовка, 2007, 6. Third International Symposium on Nonequilibrium Processes, Combustion, Plasma, and Atmospheric Phenomena, Sochi, 2007; 7. Международный симпозиум "Горение и Плазмохимия", г. Алматы, 2007.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, их них 3 статьи в отечественных журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в электронных изданиях и 8 тезисов на Всероссийских и Международных конференциях
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), изложения методики экспериментов (глава 2), изложения работы и обсуждения результатов (главы 3 - 5), выводов работы, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 100 листах машинописного текста, содержит 21 формулу, 53 рисунка, 9 таблиц и 52 библиографических ссылки.
