Самовоспламенение и альтернативное сжигание традиционных топлив Трошин Кирилл Яковлевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию самовоспламенения и сжшапия традиционных топлив Этим вопросам уделялось достаючно мною внимания, и, її час пюсіи, кииеіике воспламенения топлив Однако до сих пор не существуем теорешчески обоснованного подхода к решению задачи ускорения задержки воспламенения активными добавками

Ра «работка теории промен ированпої о воспламенения позволит организован) целенаправленный поиск оптимальных активных добавок Важнейшая кинеї ичес кая характеристика - задержка вое нламенения го-10 или иною топлива в воздушной смеси имеет чрезвычайно важное практическое значение Она необходима для оценки взрывоопасноеги смеси, для определения минимальной энергии инициирования детонации в смесях топлива с воздухом, а іакже для моделирования переходных процессов дефлаїрационною юреиия в детонацию Последнее чрезвычайно важно для разработки нового поколения иульсирущих детонационных двигаї елей и силовых усіаповок па их основе, что позволит решиїь ряд зпері с гнческих проблем за счет повышения КПД и экономии юнлива В связи с этим необходима информация о значениях задержек вое нламенения традиционных топлив в широком диапазоне давлений и іемперагур для разработки кинетических механизмов, адекватно описывающих эиерювыделеиие в топливо-воздушных смесях

Друїая эиср1етическая проблема связана с истощением нефтяных ме-с юрождепий и уменьшением запасов нефіи Частично эха проблема может бьпь решена за счет синтеза жидких моторных топлив из сишез-газа Наиболее дешевым способом получения синтез-газа предетавляет-ся пскаїалит ичес кая реакция парциального окисления метана (основного компонента природною газа), реализуемая в пекаїалитических режимах юреиия На пути промышленной реализации этой реакции стоит прежде всего оісуїствис инерормации о закономерностях трения в сверх-богаїьгх смесях метана с воздухом или кислородом Крупнотоннажное

производство синтез-газа возможно п некаталитических режимах юре-ния Однако для реализации этого процесса необходимо сжигать смеси, в которых концентрация топлива превышает верхний концентрационный предел воспламенения при нормальных условиях Горение таких смесей практически но изученная область науки о горении, то есіь необходимо исследовать альтернативное сжигание топлив, понимая под этим сжигание с целью получения не з-нері этического, а химического эффекта

Таким образом, работа посвящена исследованию научных задач, связанных с ускорением самовоспламенения, определением кииеіичсских харакіерисгик самовоспламенения и алыернашвною сжигания традиционных топлив в различных режимах, необходимых для решения ряда аперге гических проблем

Цели работы

1. На примере¹ простейшей кинетической модели воспламенения углеводородных топлив, учитывающей все основные элемеп[арные реакции зарождение цепи, продолжение цепи, разветвление цепи, квадратичный обрыв цени, а также реакции с промотирующей добавкой, участвующей в зарождении и продолжении цени, получить аналитическое решение системы дифференциальных уравнений, соответствующей рассматриваемому механизму

2. Получить аналитическое соси ношение для задержки воспламенения как функции скоростей элементарных стадий и начальных условий (температуры, концентрации и тд)

3 Применить полученное решение для выяснения роли константы
скоросі и разложения промотора в случаях прямых и разветвленных це
пей

4 Применить полученное решение для задачи дискретного ускорения
сие іем с прямыми цепями

5 Измерить задержки воспламенения воздушных смесей пропана и
разработаїь детальный кинетический механизм окисления углеводоро
дов С] - С₃

6 Разработать методику экспериментального исследования воспламе-

ИСПИЛ ЖИДКИХ уГЛСиОДОрОДИЫХ 10ПЛІІВ В ВОЗДУШНЫХ СМеСЯХ При ТЄМНЄ-

рагурах ог 550Л' до 1000Я"

7. Измерил, задержки воспламенения жидких нормальных алканов (пеиьш, гексан, декан), бензола, суррогашых гоплив и авиационного керосина ТС-1 в воздушных смесях в диапазонах давлении от 1 аіа до 9 aia и температур от 550Л' до 1000Л"

8. Провести аналиіическос срапнепие результатов -экспериментов с лшерагурпыми данными

9. Исходя из термодинамических и кинетических расчетов оцепить ожидаемые параметры при сжигании сверхбогатых смесей мегана с кислородом или воздухом, а именно, оцепить температуру пламени, равновесный сосіав продуктов сіораиия, возможное влияние начальных условий (давление и температура) на указанные параметры Оцениіь время выхода продуктов сюраиия па равновесный сосіав и указагь возможные пути сокращения этого времени

10 Экспериментальными методами измерить скорости пормалыю-
ю распространения пламени и богатых смесях метана с кислородом и
воздухом Экспериментально установить роль турбулентного юрепия в
рас просі ранении пламени в сверхбогатых смесях Исследовать режимы
самовоспламенения Установиіь выход целевых продуктов в различных
режимах юрепия

11 Определить выход сажи и указаіь возможные пуіи ее подавления
Исследовать свойства сажи

Научная новизна

Проблема ускорения воспламенения реагирующих газовых смесей с помощью активных добавок (промоторов) долгое время привлекала внимание иселедоваїелей Было исследовано влияние различных классов химических соединений на ускорение воспламенения тех пли иных реагирующих систем Была установлена различная степень воздействия промоторов па сокращение задержки воспламенения Сложилось мнение, ню, чем выше собственная скорость разложения ггромотора, тем эффективнее его воздействие на самовоспламеняющуюся систему

Не существовало матсмаїичсской модели, хотя бы формально описывающей влияние активных добавок па протекание цепного воспламенения В работе впервые предложена математическая модель ценного самовоспламенения реагирующей среды с прямыми и разветвленными цепями в присутствии промотора В результате решения системы дифференциальных уравнений, соотнеіствующей упрощенному кинетическому механизму в присутствии промоторов разного класса, получено аналитическое решение, позволяющее оценивать характер поведения задержки воспламенения в зависимости си начальных условий, коне іаптьі скорости реакции, в которой расходуется промотор, и констант скоростей элементарных сіадий

Аналитическое решение позволяет утверждать, что в зависимости от с обе і венных термодинамических И КИІІСІИЧССКИХ СВОЙСТВ СИС1СМЫ возможны различные режимы промоіирования Так, например, в системах с пи жим тепловым эффектом и высокой скоростью рекомбинации ак-1ИВПЫХ центров возможно существование оптимальною промотора В этом случае существует оптимальный промотор, обеспечивающий максимальную с корос гь воспламенения Для систем, обладающих высоким тепловыделением и низкой скоростью рекомбинации активных центров, не сущее івует оптимальной активной добавки Однако и в атом случае задержка воспламенения системы имеет ограниченное значение

Впервые проведено измерение задержек воспламенения жидких углеводородных топлив в воздушных смесях в широком температурном диапазоне от 55ГЖ до 1030Л" и давлениях от 1ата до 9ата Во всех случаях обнаружены области отрицательного температурного коэффициента Сравнение с литературными данными позволяет утверждать, что для традиционных топлив повышение давления приводит к смещению облас їй отрицательного температурного коэффициента в более высокий температурный диапазон На начальном участке низкотемпературного воспламенения начальное давление практически не влияет на величину периода индукции В области отрицательного температурного коэффициента начальное давление оказывает значительное воздействие на

величину іадержки воспламенения, в то время, как температура песу-іцесіпенно влияеі на ^ог нарамеїр

Эксперимен1ал[)Пые исследования впервые покупали, что еуррогаїньїо топлива па основе п—гексапа, к—декана и бензола is определенных тем-пературпых условиях воспламеняются аналогично авиационному керосину

Горение сверхбогатых смесей углеводородов, те смесей, в которых содержание топлива превышает' верхний концентрационный предел воспламенения при нормальных условиях, остается практически по изученным, как с теоретической,так и с экспериментальной точек фения

Впервые проведено -экспериментальное исследование сжигания сверх-бсматых с мес ей метана в воздухе и кислороде Измерены скорости ла-мипарпот торепия таких смесей, исследовано самовоспламенение и их турбулентное сжигание Определен выход продуктов сгорания в различных режимах горения Установлен выход сажи при горении сверхбогатых смесей метана с кислородом Показано подавляющее дейс гвие паров воды и сиптсч-таза па выход сажи

Впервые изучены свойства сажи, возникающей при сжигании сверхбогатых смесей Показана возможность формирования углеродных наноструктур при юренгиг метана

Теоретическое и прикладное значение

Математическая модель промотированпого воспламенения реагирующих сие гем дает представление о роли отдельных стадий в общем процессе воспламенения Теоретическое решение дает возможность целенаправленного поиска оптимальных промоторов

Экспериментально измеренные задержки воспламенения дают представление о воспламенении традиционных углеводородных гоплив в широком диапазоне температур и давлений Кроме того, измеренные значения задержек воспламенения пополняют экспериментальную базу данных по задержкам воспламенения, необходимую для отладки детальных и глобальных кинетических механизмов воспламенения углеводородов

Результаты экс перимопгалытого исследования сжигания сверхбогатых

с мм ей Mcjana с по'ідухом и кислородом, во-иерпьтх, дают преде іаплепие о рапсе не изученной области науки о горении, а, во-вторых, позволя-Ю1 разрабо гаїь рекомендации для промышленной реализации реакции парциального окисления метана в некаталитических режимах горения Основные положения, представленные к защите

1 Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений,
соответствующей кинетической модели промотированного воспламене
ния с прямыми и рап$стленными цепями

2 Усыновленная аналитическим решением возможность существова
ния режимов оптимальною промотирования

3. Установленный аналитическим решением критерий определения оптимальною промотора, который формулируется равенством характерного времени реакции расходования промотора и характерного времени выхода системы на уровень квазистациопариой концентрации активных цепі ров

4. Эмпирическое глобальное соотношение для задержки воспламенения воздушных смесей пропана в широком диапазоне температур и давлений

5. Me годика экспериментального измерения задержек воспламенения жидких углеводородных тогглив в условиях статической установки ггере-пуекпою типа

6. Результаты экспериментального исследования воспламенения жидких углеводородных тогглив

7. Результаты аналитического сравнения собственных экспериментов и литературных данных

8. Ре іультагьі термодинамических и кинетических расчетов сжигания сверхбогатых смесей метана в кислороде и воздухе

9 Результаты экспериментального исследования ежиіаггия сверхбо
гатых смесей метана с кислородом и воздухом в различных режимах
горения

10 Результаты экспериментального исследования еджсобразования
и углеродных наноструктур при горении сверхбогатых смесей метана с

кислородом и воугухом

Апробация результатов работы.

Рсчультагы, преде гаилепиые » диссертации докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах

Всесоюзная научная конференция "Проблемы совершеїк і новация рабочих процессов в двшаїелях внутреннею поранил" Москва, 1986

Всесоюзная конференция по ингибированию цепных реакций Черпо-юловка, 1986

8-й Всесоюшый симпозиум но юрснию и взрыву Ташкеш, 1986

22-d Symposium (international) on combustion Seattle, USA, 1988

9-й Всесоюзный симпозиум по юреїшю и взрыву Черноголовка, 1989.

XI International Symposium on combustion Polsha, 1989

13-th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems Japan, 1991

International colloquium on the advanced computation and analysis of combustion Moscow, 1997

Международная научно-техническая конференция " Решение аколо-гических проблем в автотранспортном комплексе"(Environmental solution in autotianspoit) Москва, 1998

Всероссийская научная конференция "Физико-химические проблемы сжигания углеводородных т оплив'' Москва, 1998

12-й Симпозиум но горению и взрыву Черноголовка, 2000

Scmenov memorial International Symposium on Combustion and Atmospheiic Pollution St - Petersburg, 2003

41-th International petroleum conference Bratrslava, Slovak Republik, 2003

III Международный симпозиум 'Фуллерены и фуллерепоподобпые с іруктурьі" Минск, 2004

Zel'dovich Memorial International Conference on Combustion and Detonation Moscow, 2004

Треіья Международная конференция "Углерод фундаментальные проблемы пауки, материаловедение, технология" Москва, 2004

Физико-химические основы новейших технологий XXI века Международная конференция, посвященная 60-летию создания Иис іитуїа физической химии Российской академии наук Москва, 2005

The Second International Symposium on Noncquihbiium Processes Combustion and Atmospheric Phenomena Sochi, 2005

The Fifth Inter national Colloquium on Pulsed and Continuous Detonation Moscow, 2006

"Химическая технология"' Международная конференция по химической технологии ХТ07 (посшицаеня 100-летию со дня рождения Николая Михайловича Жаворонкова) Мое ква, 2007

The Thud Intel national Symposium on Noncquihbiium Processes Combustion, Plasma and Atmosphcrrc Phenomena Sochi, 2007

21-th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems Poitiers, France, 2007

XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии Москва, 2007

Результаты диссеріации неоднократно докладывались па ежетдных научных конференциях Инсгитуїа химической физики им Н Н Семенова Российской академии паук, а также на "Межипсгитутском семинаре по каїализу'' в ноябре 2007 г

Публикации. Основные резулыагы получены лично автором и опу-бтиковапы в 51 рабоїе, список которых приведен в конце автореферата

Структура и объем диссертации. Рабога сое гоит из 9 глав, введения и выводов Объем работы составляет 357 страниц, включая 78 рисунков, 16 таблиц и списка лигераіурьі, содержащего 144 работ