Моделирование фильтрационного горения твердого органического топлива и углерода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, доктор физико-математических наук Салганский, Евгений Александрович

• Салганский, Евгений Александрович
• доктор физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Салганский, Евгений Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор 16 ГЛАВА 2. Модель газификации твердого топлива в режиме фильтрационного

горения

2.1 Постановка задачи

ГЛАВА 3. Стационарный процесс воздушной газификации углерода

3.1 Модификация общей задачи для случая стационарного процесса воздушной газификации углерода

3.2 Нормальная тепловая структура волны фильтрационного горения

3.2.1 Зоны прогрева

3.2.2 Зона горения (зона окисления углерода)

3.2.3 Связь концентраций компонентов

3.2.4 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне горения

3.3 Инверсная тепловая структура волны фильтрационного горения

3.3.1 Зоны прогрева

3.3.2 Зона горения

3.3.3 Связь концентраций компонентов

3.3.4 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне горения

3.4 Результаты расчетов

3.4.1 Влияние уровня боковых теплопотерь на характеристики

фильтрационного горения углерода

3.4.2 Влияние расхода воздуха на характеристики фильтрационного горения

углерода

3.4.3 Влияние реакционной способности горючего на характеристики фильтрационного горения углерода

3.4.4 Влияние начальной концентрации кислорода в газе на характеристики фильтрационного горения углерода

3.4.5 Влияние теплоемкости инертного компонента на характеристики фильтрационного горения углерода

3.4.6 Сравнение с экспериментальными данными 118 3.5 Заключение

ГЛАВА 4. Стационарный процесс воздушной газификации твердого органического топлива

4.1 Модификация общей задачи для случая стационарного процесса воздушной газификации твердого органического топлива

4.2 Инверсная тепловая структура волны фильтрационного горения

4.2.1 Зоны прогрева

4.2.2 Зона окисления углерода кислородом

4.2.3 Зона пиролиза

4.2.4 Связь концентраций компонентов

4.2.5 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне горения

4.2.6 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне пиролиза

4.3 Инверсная тепловая структура волны фильтрационного горения. Случай нулевого теплового эффекта пиролиза

4.3.1 Зоны прогрева

4.3.2 Зона горения

4.3.3 Связь концентраций компонентов

4.3.4 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне горения

4.3.5 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне пиролиза

4.4 Нормальная тепловая структура волны фильтрационного горения

4.4.1 Зоны прогрева

4.4.2 Зона горения

4.4.3 Связь концентраций компонентов

4.4.4 Связь температуры и концентрации реагентов в зоне горения

4.5 Результаты расчетов '

4.6 Сравнение с экспериментальными данными

4.7 Заключение 178 ГЛАВА 5. Нестационарный процесс паровоздушной газификации углерода

5.1 Модификация общей задачи для случая нестационарного процесса паровоздушной газификации углерода

5.2 Результаты расчетов и обсуждение

5.2.1 Влияние содержания горючего в шихте на характеристики фильтрационного горения углерода

5.2.2 Влияние содержания пара в окислителе на характеристики фильтрационного горения углерода

5.2.3 Влияние расхода окислителя на характеристики фильтрационного горения углерода

5.2.4 Влияние начальной концентрации кислорода в газе на характеристики фильтрационного горения углерода

5.2.5 Сравнение с экспериментальными данными

5.2.6 Переходные процессы смены структуры волны горения

5.3 Заключение

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование фильтрационного горения твердого органического топлива и углерода»

ВВЕДЕНИЕ

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.

Автоволновые процессы в неизотермических условиях, типичным примером которых могут служить процессы фильтрационного горения с накоплением выделяющейся тепловой энергии, являются чрезвычайно интересными для изучения объектами химической физики и, с другой стороны, весьма привлекательными для практического использования. Режимы фильтрационного горения с противотоком имеют место в том случае, когда в системе координат, связанной с фронтом горения (зоной экзотермического превращения), происходит взаимодействие встречных потоков твердого горючего и газообразного окислителя, проходящих через зону химических реакций и преобразующихся в этой зоне с изменением состава и физико-химических свойств. Противоток газовой и конденсированной фаз через зону химических реакций обуславливает накопление выделяющейся энергии благодаря высокой интенсивности межфазного теплообмена при фильтрации.

Давно известно, что за счет передачи тепла от продуктов сгорания к исходным реагентам можно повысить температуру горения и осуществить эффективное сжигание даже низкокалорийных систем. Для этого могут использоваться устройства типа теплообменников. Однако, подобные устройства в промышленном исполнении сложны, дороги, требуют постоянного ремонта и обслуживания, а эффективность теплообмена в них не столь высока, как хотелось бы. Значительно привлекательнее осуществление процесса с внутренней рекуперацией тепла, что имеет место при фильтрационном горении в режиме противотока. Тепло, выделяющееся в химических реакциях, благодаря противотоку фаз, интенсивно передается исходным реагентам без использования внешних теплообменных устройств, лишь за счет чрезвычайно эффективного прямого межфазного теплообмена при фильтрации. Наличие области высокой температуры с интенсивными процессами межфазного тепло- и массообмена при противотоке фаз приводит к формированию зонной структуры. В каждой из зон протекают физико-химические процессы, соответствующие установившейся температуре, свойствам среды, концентрации реагентов и пр. в этой узкой зоне.

Первые научные наблюдения концентрации тепловой энергии в режиме автоволнового неизотермического процесса с противотоком были связаны с оптимизацией процессов агломерации металлургической шихты. Накопление тепла в относительно узкой зоне горения может быть столь значительным, что температура во фронте волны горения может многократно превышать адиабатическую температуру горения смеси, рассчитанную в предположении, что исходная температура реагентов равна температуре окружающей среды, а тепловой эффект окисления всего горючего распределяется по всему объему реактора.

Явление концентрации тепла обусловлено тем фактом, что при встречных потоках реагентов, инертные компоненты системы являются очень эффективным теплоносителем, благодаря которому как горючее, так и окислитель могут с максимальной эффективностью разогреться до попадания в зону химических реакций. Твердое горючее нагревается от газообразных продуктов сгорания, а газообразный окислитель - от зольного остатка и твердых продуктов сгорания. Поэтому при описании такого процесса часто используют термин «сверхадиабатический разогрев». Следует оговориться, что «сверхадиабатический разогрев» не является прямым термином, а используется для обозначения концентрации тепла в относительно узкой зоне. 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.

Наиболее интересной особенностью автоволновых процессов горения в таких системах является нелинейная зависимость температуры установившейся волны горения от теплового эффекта реакции.

В режимах фильтрационного горения с противотоком реагентов такая важная характеристика, как скорость горения, вследствие высокой температуры определяется не скоростью теплопередачи, а лишь поступлением реагентов в зону горения (скоростью фильтрации) и стехиометрией процесса.

Для углеродсодержащих систем с противотоком устанавливается режим горения, в котором происходит образование газообразных продуктов неполного окисления, то есть образуется горючий газ, содержащий СО и водород. Этот газ может быть использован как для энергетических целей, так и в качестве сырья для химической промышленности.

Эти особенности позволяют осуществить некоторые процессы в чрезвычайно эффективном и низкозатратном режиме, что является весьма привлекательным для практики, особенно в случаях, когда необходимо без дополнительных затрат сжечь топливо с низким содержанием горючего или обеспечить высокую температуру горения и максимальную полноту сгорания.

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. группы д.ф.-м.н. Глазов C.B.).

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 твердого топлива в зависимости от соотношения теплоемкостей 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.

Степень новизны 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 теплоемкостей 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. На защиту выносятся:

1. 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.

2. Классификация реализующихся тепловых структур волны горения в зависимости от соотношения теплоемкостей потоков фаз.

3. Аналитическое решение задачи для примера стационарного фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме.

4. Аналитическое решение задачи для примера стационарного фильтрационного горения твердого пиролизующегося топлива в сверхадиабатическом режиме.

5. Численное решение задачи для примера нестационарного фильтрационного горения углерода в сверхадиабатическом режиме.

6. Результаты теоретического исследования зависимости основных характеристик фильтрационного горения твердого топлива от управляющих параметров процесса.

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 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, 2007, 2010; 11. Первая

конференция серии ChemWasteChem "Химия и полная переработка биомассы леса", 2010; 12. Пятая Международная конференция "Энергия из биомассы", 2008, 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, 2012; 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; 21. Всероссийская конференция с международным участием "Горение твердого топлива", 2012.

А также опубликованы в журналах «Успехи химии», «Известия Академии

наук. Серия химическая» (Russian Chemical Bulletin, International Edition), «Физика

\

горения и взрыва» (Combustion Explosion and Shock Waves), «Химическая физика» (Russian Journal of Physical Chemistry В), «Горение и плазмохимия» и «Наука-Производству».

Часть результатов получена в рамках работ по проектам под руководством автора: гранта Президента РФ (МК-3125.2011.3), ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы ГК №14.740.11.1093, программы Отделения химии и наук о материалах РАН №7.

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.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Салганский, Евгений Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны макрокинетические модели фильтрационного горения твердого топлива в противотоке газообразного окислителя, учитывающие зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, различную длину реактора, боковые теплопотери, стадию пиролиза топлива. Разработанные модели позволили детально изучить закономерности протекания процесса.

2. Впервые теоретически показано, что при газификации твердого органического топлива, когда теплоемкость потока газовой фазы превышает теплоемкость потока твердой фазы, реализуется автолокализация зон превращения, иначе физико-химические превращения топлива проходят в одной зоне. Наличие боковых теплопотерь приводит к стационарности структуры волны, когда скорости распространения фронтов превращения равны.

3. Впервые показано, что существует интервал значений доли топлива в смеси с инертным компонентом, в котором реализуется структура переходной волны горения. В случае переходной волны обнаружен дополнительный механизм ограничения максимальной температуры горения, связанный с выносом тепла из зоны окисления твердой и газовой фазами одновременно.

4. 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.

5. Показано, что когда теплоемкость потока газовой фазы превышает теплоемкость потока твердой фазы, реализуются условия протекания вторичных химических реакций и наблюдается существенное различие состава газообразных продуктов на выходе из зоны окисления и на выходе из реактора. Учет кинетики протекающих реакций позволяет количественно описать состав газообразных продуктов и степень превращения реагентов.

6. Показано, что в зоне окисления наблюдается существенное различие температур газовой и конденсированной фаз, которое определяется распределением энергии в элементарных актах.

7. Показано, что при газификации твердого органического топлива, когда теплоемкость потока газовой фазы превышает теплоемкость потока твердой фазы, уменьшение теплового эффекта пиролиза, так же как и увеличение уровня боковых теплопотерь, приводит к сокращению расстояния между фронтами горения и пиролиза в стационарных режимах.

5.3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием математической модели, учитывающей кинетику протекающих реакций, зависимость теплофизических характеристик фаз от температуры и состава, конечные размеры реактора проведено исследование нестационарных режимов паровоздушной газификации смесей углерода с инертным материалом в фильтрационном режиме.

Подробное рассмотрение зоны горения и зоны восстановления показало существенное различие состава газообразных продуктов сгорания на выходе из зоны горения и после прохождения восстановительной зоны. Учет кинетики протекающих реакций позволяет описать режимы с неполным выгоранием реагентов, количественно описать значения температур фаз, состав газообразных продуктов сгорания и степень превращения реагентов. Показана относительная нечувствительность температуры конденсированной фазы к изменению управляющих параметров, которая объясняется конкуренцией гетерофазных и газофазных реакций, протекающих в реакторе. Показано, что в зоне горения может наблюдаться существенное различие температур газовой и конденсированной фаз.

Теоретически рассчитанные значения температуры конденсированной фазы находятся в хорошем соответствии с полученными экспериментально значениями температуры горения.

Расчетные значения концентраций водорода в продуктах газификации находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, однако, содержание СО значительно различается. Видимо, это происходит из-за теплопотерь, не учитываемых в расчете: снижение температуры вызывает сдвиг отношения С0/С02 в зоне реакции в сторону образования большего количества С02.

В целом разработанная макрокинетическая модель фильтрационного горения твердого топлива, позволяет давать количественную оценку исследуемого процесса. Модель может использоваться для предсказания основных параметров и оптимизации процесса в системе «горючее - инертный» материал для топлив, не содержащих влагу и пиролизующиеся компоненты.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Салганский, Евгений Александрович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Подземная газификация. Материалы опытных работ по подземной газификации углей за 1934-1936 гг. / Под ред. Д.М. Соловей, П.А. Чекина, В.А. Матвеева. - М.: ОНТИ НКТП СССР, 1936.

2. Шейнман А.Б., Дубровай К.К., Сорокин П.А., Чарыгин М.М., Закс С.Л., Зинченко К.Б. Опыты по подземной газификации нефтяных пластов. Нефтяное хозяйство, 1935, №4, с 21-37.

3. Бабушкин Н.М., Тимофеев В.Н. Анализ процесса горения топлива в слое агломерационной шихты // Сборник научных трудов ВНИИМТ. -Свердловск: Издательство литературы по черной и цветной металлургии, ВНИИМТ, 1962. - № 7. - с. 3-16.

4. Бабушкин Н.М., Тимофеев В.Н. Экспериментальное изучение процесса горения углерода в слое агломерационной шихты // Сборник научных трудов ВНИИМТ. - Свердловск: Издательство литературы по черной и цветной металлургии, ВНИИМТ, 1962. - № 7. - с. 16-46.

5. Voice, E.W., and Wild, R., Iron Coal Trade Review "Importance of Heat Transfer and Combustion in Sintering", v. 175, p. 841-850 (1957).

6. Киселев О.В., Матрос Ю.Ш., Чумакова H.A. Явление распространения теплового фронта в слое катализатора. В сб. Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Отв. Ред. Матрос Ю.Ш., Новосибирск, «Наука», 1988, с. 145-203.

7. Безденежных A.A., Орлов А.П., Тимофеев Н.В., Мунгалов В.Е., Григорьев Ю.А., Математическая модель процесса регенерации неподвижного слоя

катализатора в адиабатическом реакторе. Теоретические основы химической технологии, т. 10, 1976, № 2, с. 219-225.

8. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких соединений. Вестник АН СССР, 1976, №10, с. 76-84.

9. Мержанов А.Г., Филоненко А.К., Боровинская И.П., Новые явления при горении конденсированных систем, ДАН СССР, 1979, т. 228, №4, с. 892-894.

10. Мержанов А.Г. Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов // Успехи химии, 72 (4) 2003, с. 323-345.

11. Merzhanov A.G. The chemistry of self-propagating high-temperature synthesis // J. Mater. Chem., 2004, 14, 1779-1786.

12. Мержанов А.Г. 40 лет CBC: счастливая судьба научного открытия. Институт проблем химической физики. 2007. Ежегодник. - Т.4, - Черноголовка: Редакционно-издательский отдел ИПХФ РАН, 2008.

13. Менделеев Д.И. Сочинения. - JL: Литературное наследство, 1939. - Т. 19.-е. 568-569.

14. Лазаренко С.Н., Кравцов П.В. Новый этап развития подземной газификации угля в россии и в мире. Горный информационно-аналитический бюллетень. -2007, №5, с. 304-310.

15. Шейнман А.Б., Малофеев Г.Е., Сергеев А.И., Воздействие на пласт теплом при добыче нефти, М., 1969.

16. Амелин И.Д. Внутрипластовое горение, Москва, «Недра», 1980.

17. Weinberg F.J. Combustion temperatures: the future? // Nature, V. 233 (1971), P. 239-241

18. Алдушин А.П., Мержанов А.Г. Теория фильтрационного горения: общие представления и состояние исследований / Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Новосибирск: Наука, сиб. отд-ие, 1988, С. 9-52.

19. Манелис Г.Б. Сверхадиабатика // Природа. 1996. № 3-4. С. 43.

20. Aldushin А.Р., Seplyarsky. B.S. Sov. Phys. Dokl. 23:483-486 (1992).

21. Aldushin, A. P., in Progress in Aeronautics and Astronautics, vol. 173 (W. A. Sirignano, A. G. Merzhanov, and L. DeLuca, Eds.), American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1997. p. 95-115.

22. Schult, D. A., Matkowsky, B. J., Volpert, V. A., Fernandez-Pello, A. C., Combust. Flame 104:1-26(1996).

23. Schult, D. A., Matkowsky, B. J., Volpert, V. A., Fernandez-Pello, A. C., Combust. Flame 101:471-490(1995).

24. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., Combust. Sei. Technol. 00:1-67 (1997).

25. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., J. Eng. Math. 31:205-234 (1997).

26. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., Combust. Flame 107:51-175 (1996).

27. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Shkadinsky, K. G., Shkadinskaya, G. V., Volpert, V. A., Combust. Sei. Technol. 99:313-343 (1994).

28. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Combust. Sei. Technol. 140:259-293 (1998).

29. Wahle C.W., Matkowsky B.J., Combust. Flame 124:14-34 (2001).

30. Алдушин А.П. Теория фильтрационного горения: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Черноголовка, ОИХФ АН СССР, 1981 г.

31. Алдушин А.П., Сеплярский B.C. Распространение волны экзотермической реакции в пористой среде при продуве газа // Докл. АН СССР, 1978, Т. 241, № 1,С. 72-75.

32. Babkin V.S. Filtration combustion of gases. Present state of affairs and prospects // Pure and Appl. Chem. 1993. V. 65. P. 335-344.

33. Добрего K.B., Жданок С.A. Физика фильтрационного горения газов / Минск: Ин-т тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАНБ, 2002, 203 с.

34. Футько С.И., Жданок С.А. Химия фильтрационного горения газов / Минск: Бел. навука, 2004. - 319 с.

35. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / М.: Наука, 1967.

36. Алдушин А.П., Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. // Докл. АН СССР, 1974, Т. 215, №3.

37. Алдушин А.П., Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. // Докл. АН СССР, 1972, Т. 205, №2.

38. Алдушин А.П., Сеплярский Б.С. Инверсия структуры волны горения в пористой среде при продуве газа // Докл. АН СССР, 1979, Т. 249, № 3, С. 585-589.

39. Баренблатт Г.И., Зельдович Я.Б. // УМН, 1971, Т. 26, № 2.

40. Выжол Ю.А. Сверхадиабатический режим фильтрационного горения гетерогенных систем: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ОИХФ АН СССР, 1990 г.

41. Алдушин А.П. Теплопроводностный и конвективный режимы горения пористых систем при фильтрации теплоносителя // Физика горения и взрыва, 1990, Т. 26, № 2, С. 60-68.

42. Новожилов Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив / М.: Наука, 1973.

43. Рабинович О.С., Гуревич И.Г. Закономерности распространения встречной стационарной волны экзотермической реакции при вынужденной фильтрации газа-окислителя через пористый материал // ИФЖ, 1983, Т. 44, № 1,С. 75-80.

44. Алдушин А.П., Каспарян С.Г. // Физика горения и взрыва, 1981, Т. 17, № 6.

45. Aldushin А.Р., Rumanov I.E., Matkowsky B.J. Maximal Energy Accumulation in a Superadiabatic Filtration Combustion Wave // Comb, and flame, 1999, V. 118, pp. 76-90.

46. Тонкопий E.M., Манелис Г.Б., Куликов C.B. Численная модель гетерогенного горения в пористой среде // Химическая физика, 1992, Т. 11, № 12, С. 1649-1654.

47. Тонкопий Е.М., Манелис Г.Б., Куликов C.B. Численная модель горения углерода в пористой среде с учетом кинетики химических превращений // Физика горения и взрыва, 1993, Т. 29, № 3, С. 136-139.

48. Выжол Ю.А., Манелис Г.Б. // Тез. докл. Всесоюз. научно-практическая конф. «Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и нефтехимических продуктов из угля». Донецк, 1989, С. 206.

49. Беккер А.В., Полианчик Е.В., Глазов С.В. Неединственность стационарных режимов при фильтрационном горении углерода // Тез. докл. XXI Всероссийский симпозиум молодых ученых по химической кинетики. МО, Клязьма. 2003. С. 76

50. Беккер А.В. Макрокинетическое моделирование сверхадиабатического фильтрационного горения углеродосодержащих материалов: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2004 г.

51. Howard J.B., Williams G.C. and Fine D.H. Kinetics of Carbon Monoxide Oxidation in Postílame Gases // International Fourteenth Symposium on Combustion. The Combustion Institute. Pittsburgh. P.A. 1973. P. 975

52. Козлов B.H. Пиролиз древесины. Изд. АН СССР, М. 1952

53. Козлов В.Н., Нимвицкий А.А. Технология пирогенетической переработки древесины. Гослесбумиздат, М. 1954

54. Поляков А.Е. Сухая перегонка древесины. Гослесбумиздат, М. 1937

55. Ohlemiller T.J., Lucca D.A. Combustion and Flame. 1983. № 54, P. 131-147

56. Torero J.L., Fernandez-Pello A.C. Forward Smolder of Polyurethane Foam in a Forced Air Flow // Combustion and Flame. 1996. № 106, P. 89-109

57. Tse S.D., Fernendez-Pello A.C., Miyasaka K. Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute. 1996. Vol. 1. P. 15051513

58. Leach S.V., Rein G., Ellzey J.L., Ezekoye O.A., Torero J.L. Kinetic and fuel property effects on forward smoldering combustion // Combustion and Flame. 2000. № 120, P. 346-358

59. Aldushin A.P., Bayliss A., Matkowsky B.J. On the transition from smoldering to flaming // Combustion and Flame. 2006. № 145, P. 579-606

60. Салганский E.A. Типы структур волны фильтрационного горения при газификации твердого горючего // Ежегодник ИПХФ РАН, 2004, Т. 1, С. 132134.

61. Салганский Е.А., Фурсов В.П., Глазов С.В., Салганская М.В., Манелис Г.Б. Модель паровоздушной газификации твердого горючего в фильтрационном режиме // Физика горения и взрыва, 2003, Т. 39, № 1, С. 44-50.

62. Aldushin А.Р., Bayliss A., Matkowsky B.J. Is there a transition to flaming in reverse smolder waves? // Comb, and flame, 156(2009), 2231-2251

63. Torero J.I., Fernandez-Pello A.C., Kitano M. Opposed forced flow smoldering of polyurethane foam // Combust. Sci. Technol., 91(1993), 95

64. Leach S.V., Ellzey J.I., Ezekoye O.A. A numerical study of reverse smoldering // Combust. Sci. Technol., 130(1997), 244

65. Larfeldt J., Leckner В., Melaaen M.C. Modeling and measurements of the pyrolysis of large wood particles // Fuel. 2000. № 79, P. 1637-1643

66. Chan W.C., Kelbon M., Krieger B. Modeling and experimental verification of physical and chemical processes during pyrolysis of a large biomass particles // Fuel, 64(1985) 1505-1513

67. Gronli M. A theoretical and experimental study of the thermal degradation of biomass / PhD thesis, Division of thermal energy and hydro power, Trondheim, 1996

68. Broido A. Kinetics of solid-phase cellulose pyrolysis / In Shafizadeh F., Sarkaren K.V., Tillman D.A. editors. Thermal uses and properties of carbohydrates and lignins, New York: Academic press, 1976

69. Shafizadeh F. In Rowell R. editor. The chemistry of pyrolysis and combustion. The chemistry of solid wood. Washington, DC: ACS, 1984, p. 489-529

70. Boroson M.L., Howard J.B., Longwell J.P., Peters W.A. Product yields and kinetics from the vapor phase cracking of wood pyrolysis tars // AIChE Journal, V. 35, #1, 1989, p. 120-128

71. Antal M.J. Mathematical modeling of biomass pyrolysis phenomena // Fuel, 64(1985) 1483-1486

72. Kothari V., Antal M.J. Numerical studies of the flash pyrolysis of cellulose // Fuel, 64(1985) 1487-1494

73. Lede J., Panagopoulos J., Zhi Li H., Villermaux J. Fast pyrolysis of wood: direct measurement and study of ablation rate // Fuel, 64(1985) 1514-1520

74. Рубцов Ю.И., Казаков А.И., Андриенко Л.П., Манелис Г.Б. Кинетика тепловыделения при термическом разложении целлюлозы // ФГВ, Т. 29, №6, с. 49-52

75. Milosavljevic I., Suuberg Е.М. Cellulose thermal decomposition kinetics: global mass loss kinetics // Ind. Eng. Chem. Res., 1995, 34, 1081-1091

76. Milosavljevic I., Oja V., Suuberg E.M. Thermal effects in cellulose pyrolysis: relationship to char formation processes // Ind. Eng. Chem. Res., 1996, 35, 653662

77. Hajaligol M.R., Howard J.B., Longwell J.P., Peters W.A. Product compositions and kinetics for rapid pyrolysis of cellulose // Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1982,21,457-465

78. Simmons G.M., Gentry M. Kinetic formation of CO, C02, H2 and light hydrocarbon gases from cellulose pyrolysis // Journal of analytical and applied pyrolysis, 10(1986) 129-138

79. Bilbao R., Arauzo J., Salvador M.L. Kinetics and modeling of gas formation in the thermal decomposition of powdery cellulose and pine sawdust // Ind. Eng. Chem. Res., 1995, 34, 786-793

80. Simmons G.M., Gentry M. Particle size limitations due to heat transfer in determining pyrolysis kinetics of biomass // Journal of analytical and applied pyrolysis, 10(1986) 117-127

81. Caballero J.A., Font R., Marcilla A. Comparative study of the pyrolysis of almond shells and their fractions, holocellulose and lignin. Product yields and kinetics // Thermochimica Acta, 276(1996) 57-77

82. Avni E., Coughlin R.W., Solomon P.R., Hui King H. Mathematical modeling of lignin pyrolysis // Fuel, 1985, V. 64, p. 1495-1501

83. Suuberg E.M., Peters W.A., Howard J.B. Product composition and kinetics of lignite pyrolysis // Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. 1978, V. 17, #1, p. 37-44

84. Caballero J.A., Font R., Marcilla A., Conesa J.A. New kinetic model for thermal decomposition of heterogeneous materials // Ind. Eng. Chem. Res. 1995, 34, 806812

85. Волков Э.П., Герасимов Г.Я., Плешанов А.С. Кинетика и гидродинамика пиролиза углей и сланцев / М.: ЭНИН, 1994, 183 с.

86. Sorum L., Gronli M.G., Hustad J.E. Pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes // Fuel 80(2001) 1217-1227

87. Mohan D., Pittman C.U., Steele P.H. Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: a critical review // Energy Fuels, 2006, 20(3), 848-889

88. Boer K.W., Duffie J.A. Advances in solar energy / Plenum press: New York, V. 2, 1985

89. Antal M.J., Varhegyi G. Cellulose pyrolysis kinetics: the current state of knowledge // Ind. Eng. Chem. Res. 1995, 34, 703-717

90. Манелис Г.Б., Глазов C.B., Лемперт Д.Б., Салганский Е.А. Фильтрационное горение твердого топлива в противоточных реакторах // Известия Академии наук. Серия химическая, 2011, № 7, СС. 1278-1294.

91. Манелис Г.Б., Глазов С.В., Салганский Е.А., Лемперт Д.Б. Автоволновые процессы при фильтрационном горении в противоточных системах // Успехи химии, 2012, 81 (9), СС. 855-873

92. Салганский Е.А., Кислов В.М., Глазов С.В., Жолудев А.Ф., Манелис Г.Б. Фильтрационное горение смеси углерод - инертный материал в режиме со сверхадиабатическим разогревом // Физика горения и взрыва, 2008, Т. 44, № 3, СС. 30-38.

93. Канторович Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. М.: Металлургиздат, 1960.

94. Wakao N., Kaguil S. Heat and mass transfer in porous media. Gordon and Breach Science publ., 1982.

95. Беккер A.B., Полианчик Е.В., Волкова H.H., Манелис Г.Б. Фильтрационное горение углерода // Теоретические основы химической технологии, 2004, т. 38, №5, с. 510

96. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва / М.: Наука, 1980, с. 478

97. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.

98. Волкова H.H., Салганский Е.А., Жирнов A.A., Манелис Г.Б. Кинетические закономерности окисления углерода воздухом, водяным паром и С02 в условиях фильтрации газообразного реагента // Химическая физика, 2007, Т. 26, № 2, СС. 53-59

99. Колесникова Ю.Ю., Кислов В.М., Салганский Е.А. Изменение характеристик фильтрационного горения углерода с ростом теплопотерь // Тезисы докладов Девятой Всероссийской с международным участием школы-семинара по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, 2011, С. 39-41

100. Амелин И.И. Нижний концентрационный предел существования стационарной волны фильтрационного горения углерода: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2010 г.

101. Амелин И.И., Салганский Е.А., Волкова H.H., Жолудев А.Ф., Алексеев А.П., Полианчик Е.В., Манелис Г.Б. Область существования стационарной волны фильтрационного горения в шихте с малым содержанием углерода // Известия Академии наук. Серия химическая, 2011, № 6, СС. 1125-1132.

102. Фиалков A.C. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект пресс, 1997, 718 с.

103. Асеева P.M., Заиков Г.Е. Горение полимерных материалов // М.: «Наука», 1981,280 с.

104. Хайкин Б.И., Филоненко А.К., Худяев С.И., Мартемьянова Т.М. Стадийное горение нелетучих легкодиспергирующих веществ // Физика горения и взрыва. 1973. Т. 9, № 2. С. 169-185.

105. Салганский Е.А., Кислов В.М., Глазов С.В., Полианчик Е.В., Салганская М.В., Манелис Г.Б. Разделение зон превращения твердых топлив при фильтрационном горении / Космический вызов XXI века. М. TORUS PRESS, 2011, Т. 4, С. 313-316.

106. Салганский Е. А., Кислов В. М., Глазов С. В., Жолудев А. Ф., Манелис Г.Б. Особенности фильтрационного горения пиролизующегося твердого топлива // Физика горения и взрыва, 2010, Т. 46, № 5, СС. 42-47.

107. «Термодинамические свойства индивидуальных веществ» под ред. В.П.Глушко и др., изд. третье, Москва, «Наука», 1978.

108. Haslan R.T. // Industrial Engineering Chemistry, V. 15, P. 679, 1983

109. Лайров H.B., Розенфельд E.H., Хаустович Г.Н. Процессы горения топлива и защита окружающей среды / Москва: Металлургия, 1981

110. Baulch P.L. // Combustion and Flame, 98:59-79, 1994

111. Govind R., Shan J. Modeling and simulation of an entrained flow coal gasifire // AIlhE Journal, 1984,V. 30, № 1, P. 79-91

112. Bews I.M., Hayhurst A.N., Richardson S.M., Taylor S.G. // Combustion and Flame, 124:231-245 (2001)

113. Field M.A., Fill D.V., Morgan B.B., Hawksley P.G.W. Combustion of pulverized coal / BCURA, leaher head, England, 1967

114.

115.

116,

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

Dean A.J., Davidson D.F., Hanson R.R. // J. Phys. Chem. 95:183 (1983) Нечаев B.H., Рогайлин M.H., Новые методы сжигания топлива и вопросы горения / М.: Наука, 1972

Головина Е.С., Климов А.А., Об истинной кинетической константе гетерогенной газификации С+С02 // ФГВ, 1999, Т. 35, № 4, С. 48-51 Lee S., Angus J.C., Edwards R.V., Gardrer N.C. // AIlhE Journal 30:583 (1981) Предводителев A.C. и др. Горение углерода / Изд. АН СССР, M.-JL, 1949 Fritz O.W., Huttinger K.J., Active sites and intrinsic rates of carbon-gas reaction // Carbon, 1993, V. 31, № 6, P. 923-930

Young B.C. // Proceeding of the International conference on coal science, Verlag Glue Kauf Essen, 1981, P. 260

Glarborg P., Alzueta M.V. // Combustion and Flame, 115:1 (1998) Libby P.A., Blake T.R. // Combustion and Flame, 36:139 (1979) Головина E.C. // Физика горения и взрыва, 2002, Т. 38, № 4, С. 25-34 Lizzo A., Hong Jiang, Radovic R., On the kinetics of carbon (char) gasification: reconciling model with experiments // Carbon, 1990, V. 28, № 1, P. 7-19 Хитрин JI.H., О нестационарных диффузионно-кинетических процессах в гетерогенных системах // ХТТ, 1967, № 6, С. 110-117

Бабий В.Н., Буланов Д.В., Артемьев В.П., Макрокинетические константы процесса разложения NO, С02 и Н20 в восстановленной пылевидной среде // XII Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 2000, Технология, С. 120

Самсонов В.Г., Головина Е.С., Арабаджиев Б.Г., Якушев А.А., Газификация углерода водяным паром при температурах 1600-2400К // VI Всесоюзный

Симпозиум по горению и взрыву, (1980, Алма-Ата) ОПХФ АН СССР, Черноголовка, 1980, С. 66-68

128. Cho S.V., Yetter R.A., Dryer F.L. //J. Comp.Phys. 102:160 (1992)

129. Yetter R.A., Dryer F.L., Rabitz H. // Comb. Science Tech., 79:97-128 (1991)

130. Smith I.W. The intrinsic reactivity of carbons to oxygen // Fuel, 1978, V. 57, P. 409-414

131. Головина E.C. Высокотемпературное горение и газификация углерода / М.: Энергоатомпродукт, 1983

132. Li С., Brown Т.С. Carbon oxidation kinetics from evolved carbon oxide analysis during temperature- programmed oxidation // Carbon, 2001, V. 39, P. 725-732.

133. Головина E.C. Об окислении некоторых углей // Известия АН СССР. ОТН. 1949, №9, С. 1343-1351

134. Калинчак В.В. Влияние стефановского течения и конвекции на кинетику химических реакций и тепломассообмена углеродных частиц с газами // ИФЖ. 2001. Т. 74, № 2. С. 51-55.

135. Какуткина Н.А., Мбарава М. Переходные процессы при фильтрационном горении газов // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40, № 5. СС. 62-73.

136. Глазов С. В., Салганский Е. А., Кислов В. М., Салганская М. В., Жолудев А. Ф. Перестройка структуры волны фильтрационного горения при смене состава топлива // Физика горения и взрыва, 2010, Т. 46, № 3, СС. 52-58.

Список принятых обозначений.

t (с) - время

о (м/с) - скорость газа

и (м/с) - скорость твердой фазы

Т (К) -температура

г (м) - пространственная координата

г (м) - характерный размер частиц

р (моль/м3) - плотность (концентрация) вещества

С (Дж/моль*К) - удельная теплоемкость

д (Вт/м3) - теплоприход от химической реакции

() (Дж/моль) - тепловой эффект химической реакции

л

Ж (моль/м *с) - скорость химической реакции С (моль/м *с) — удельный расход газового компонента £> (м2/с) - коэффициент диффузии

а, (Вт/м3*К) - эффективный коэффициент межфазного теплообмена

а2 (Вт/м3*К) - эффективный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду

Л (Вт/м*К) - эффективный коэффициент теплопроводности фазы

е - доля тепла гетерогенных реакций остающаяся в твердой фазе

ц - вязкость воздуха

у - стехиометрический коэффициент

Е (Дж/моль) - энергия активации

к0 - предэкспоненциальный множитель

Я (Дж/моль*К) - универсальная газовая постоянная

АН (Дж/моль) - энтальпия образования вещества

Ь (м) - длина реактора.

Индексы:

5 - твердая фаза

g - газовая фаза

Г - исходное топливо

с - углерод (кокс)

г - инертный твердый компонент

I - смолы

с! - диоксид/монооксид углерода п - азот воздуха х - кислород рй - продукты ге - реагенты

Ь - значение в зоне горения р - значение в зоне пиролиза О - начальное состояние.