Последовательно-параллельные процессы при фильтрационном горении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Салганская, Марина Вячеславовна

• Салганская, Марина Вячеславовна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Салганская, Марина Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТОБЗОР

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ГЛАВА 3. ГАЗИФИКАЦИЯ ВЛАЖНОГО УГЛЯ

3.1 Литературные данные по газификации угля

3.2 Результаты экспериментов

3.3 Расчет материального баланса газификации угля

ГЛАВА 4. ГАЗИФИКАЦИЯ СМЕСЕЙ С ПОЛИЭТИЛЕНОМ

4.1 Литературные данные по пиролизу полиэтилена

4.2 Результаты экспериментов

4.3 Расчет материального баланса газификации смесей с полиэтиленом

ГЛАВА 5. ГАЗИФИКАЦИЯ СМЕСЕЙ С ПОЛИУРЕТАНОМ

5.1 Литературные данные по пиролизу полиуретана

5.2 Результаты экспериментов

5.3 Расчет материального баланса газификации смесей с полиуретаном 91 ВЫВОДЫ 95 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Последовательно-параллельные процессы при фильтрационном горении»

Процесс фильтрационного горения твердого топлива со сверхадиабатическими разогревами активно исследовался в последние несколько лет, в том числе в Институте проблем химической физики РАН в г. Черноголовка. Под фильтрационным горением понимается распространение волны экзотермической реакции в пористой среде, содержащей горючее, при фильтрации газообразного окислителя. При фильтрационном горении твердого топлива появляется 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. Существующие теоретические модели фильтрационного горения позволили объяснить многие явления: рекуперацию тепла в зону горения, возможность реализации различной тепловой структуры волны горения, существование переходной волны горения с максимально эффективной рекуперацией тепла и т.д. Однако для фильтрационного горения в плотном слое до сих пор нет общей теории, нет общих представлений о механизме ряда явлений. Вследствие сложности изучаемого процесса в моделях рассматривалась только главная стадия - стадия окисления горючего. Стадия окисления горючего (например, углерода) также хорошо исследована экспериментально.

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. 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 и пиролизующиеся компоненты.

Простейший случай подобной системы — топливо, содержащее кокс и влагу. Высокое содержание влаги присуще многим реальным топливам, в частности, древесине, биотопливам, твердым бытовым отходам и т.д. Несмотря на то, что процесс фильтрационного горения значительно более устойчив к повышенному содержанию воды в топливе, она может оказывать существенное влияние на характеристики волны горения.

Более сложным случаем является наличие в топливе пиролизующегося горючего компонента. При этом может происходить не только пиролиз компонента и вынос продуктов пиролиза газовым потоком, но и его окисление. Примером такого процесса может быть горение топлива, содержащего полимеры. Частичное разложение полимера обуславливает наличие в продуктах газификации целого комплекса органических веществ, как жидких, так и газообразных, с различными свойствами. Кроме того, еще одно принципиальное отличие от случая с водой состоит в том, что при попадании в зону горения полимер может окисляться. Некоторые полимеры при нагреве дают коксовый остаток, изменяющий соотношение «кокс / инертный материал» в волне горения. Выбор полимеров в качестве объекта исследования, обусловлен также тем, что в литературе имеются сведения о закономерностях и продуктах их термодеструкции.

Интенсивное изучение процессов горения при фильтрации газа через пористую среду обусловлено тем, что это явление обладает целым рядом интересных особенностей, которые открывают новые перспективы промышленного использования. Принцип фильтрационного горения встречается в СВС системах, при агломерации руды, при газификации углей и утилизации различных отходов. В частности, наличие сверхадиабатических разогревов позволяет организовать высокотемпературную волну горения в твердом пористом материале при минимальном тепловыделении химических реакций.

Изучение этого явления позволило иначе построить процесс газификации твердых топлив. Создаваемые на этой основе технологии строятся по двустадийной схеме. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается паровоздушной газификации в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами. Получаемый при этом энергетический продукт-газ, содержащий водород, оксид углерода и в ряде случаев углеводороды, сжигается на второй стадии в обычных устройствах (например, в паровых или водогрейных котлах) с получением тепловой и электрической энергии. При необходимости можно выделять из продукт-газа ценные жидкие углеводороды.

Преимуществами сверхадиабатического способа газификации твердых топлив, по сравнению с известными техническими решениями, являются:

• высокий энергетический КПД процесса (до 95%), позволяющий без дополнительных затрат энергии газифицировать низкокалорийные смеси с минимальным содержанием горючего материала.(до 5%);

• низкое содержание токсичных веществ в газообразных продуктах сгорания;

• возможность эффективного использования твердых топлив (в т.ч. высокозольных и высоковлажных), а также различных видов биомассы в качестве альтернативных возобновляемых источников энергии;

• возможность переработки некоторых видов отходов, которые не могут быть утилизированы другими способами.

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.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Салганская, Марина Вячеславовна

выводы

Проведено экспериментальное исследование закономерностей фильтрационного горения твердого топлива при наличии последовательно -параллельных процессов (окисление и испарение в системе влажный уголь — инертный материал; окисление и термодеструкция в системах, содержащих полимеры).

Показано, что для системы влажный уголь - инертный материал процесс испарения и конденсации влаги, протекающий впереди зоны окисления, не оказывает существенного влияния на закономерности горения. При всех значениях влажности угля (до 70%) наблюдается устойчивое распространение волны горения.

Обнаружено, что состав продуктов и характер термодеструкции полимеров (полиэтилен — менее склонный к коксообразованию, полиуретан -более склонный) оказывают существенное влияние на скорость горения и тепловую структуру волны. В условиях волны фильтрационного горения часть полимера может пиролизоваться и уноситься газовым потоком, а часть окисляться в зоне горения.

При фильтрационном горении смесей, содержащих полимерные материалы, обнаружено побочное явление, связанное с плавлением полимера, и приводящее к пространственной неустойчивости волны горения.

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".

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Салганская, Марина Вячеславовна, 2008 год

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

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

3. 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.

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

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

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

7. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., J. Eng. Math. 31:205-2341997).

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

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

10. Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Combust. Sci. Technol. 140:259-2931998).

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

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

13. 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.

14. 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. 952.

15. 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

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

17. Салганский E.A. Типы структур волны фильтрационного горения при газификации твердого горючего // Ежегодник ИПХФ РАН, 2004, Т. 1, С. 132-134.

18. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик JI.H., Кислов В.М., Жолудев А.Ф., Патронова Л.И., Ермолина И.Н. Газификация древесины при фильтрационном горении со сверхадиабатическим разогревом. // Отчет ИПХФ РАН, инв. № 33/ДСП, -Черноголовка, 2001.-72 е., 4 экз.

19. Манелис Г.Б., Стесик Л.Н., Кислов В.М., Жолудев А.Ф., Патронова Л.И. Горение и газификация целлюлозы в фильтрационном режиме со сверхадиабатическим разогревом. // Отчет ИПХФ РАН, инв. № 20-2002 г., -Черноголовка, 2002.-44 е., 3 экз.

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

21. Дудкина, Н.А. Газификация и ожижение гидролизного лигнина в сверхадиабатическом режиме фильтрационного горения. Дис. . канд. хим. наук. Черноголовка, ИХФ АН СССР, 1991 г.

22. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н., Кислов В.М. Материальный баланс воздушной газификации древесины в фильтрационном режиме со сверхадиабатическим разогревом.// Отчет ИПХФ РАН, инв. № 16/02-ДСП, -Черноголовка, 2002.-26 е., 4 экз.

23. Вещунов И.С. Экспериментальное исследование фильтрационного горения составов с активированным углем при различном соотношении компонентов. Дипломная работа. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2002.

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

25. Е.А. Салганский, Е.В. Полианчик, Г.Б. Манелис Моделирование горения углерода в фильтрационном режиме // Химическая физика, 2006, Т. 25, № 10, СС. 83-91

26. В.М. Кислов, Е.А. Салганский, С.В. Глазов, А.Ф. Жолудев, Г.Б. Манелис Влияние стадии пиролиза на фильтрационное горение твердых топлив // Материалы IV Международного симпозиума "Горение и Плазмохимия", г. Алматы, Казахстан, 2007, С. 95-97

27. Мадорский С. Термическое разложение органических полимеров // М.: «Мир», 1967, 328 с.

28. Rice F.O., Rice К.К., The Aliphatic Free Radicals, Baltimore, 1936

29. Simha R., Wall L.A., J.Phys.Chem., 56,707 (1952).33.34,35,36,3738,39,40,41.4445,46