Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Глазов Сергей Владимирович
Фильтрационное горение углеродсодержащих систем в противотоке
Специальность 01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Черноголовка - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН).
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук Ассовский Игорь Георгиевич, зав. лабораторией ИХФ РАН имени Н.Н. Семенова Доктор физико-математических наук, профессор Шкадинский Константин Георгиевич, зав. лабораторией ИПХФ РАН.
Доктор физико-математических наук, профессор Бабкин Вячеслав Степанович, зав. лабораторией ИХКГ СО РАН.
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук (ИСМАН)
Защита состоится л___ _____________ 2012 года в 10:00.
на заседании диссертационного совета Д 002.082.01, на базе ИПХФ РАН, по адресу: Московская обл., г. Черноголовка, пр-т Академика Семенова, д.1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПХФ РАН.
Автореферат разослан л____ _____________ 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н. Безручко Г.С.
Общая характеристика работы
Актуальность работы Фильтрационное горение (ФГ) твердых углеродных топлив с противотоком, являющееся главным предметом исследований в настоящей работе, относится к разновидности газификации в плотном слое. Противоток твердого кускового горючего с газообразным окислителем повышает устойчивость и тепловую эффективность процесса. Высокая полнота сгорания достигается благодаря оптимальному сочетанию концентраций реагентов встречных потоков. Кроме того, значительно снижается вынос пыли отходящими газами, что позволяет упростить систему газоочистки.
Особый интерес для практики представляют сверхадиабатические режимы протекания процессов ФГ, где благодаря оптимизированному внутреннему теплообмену между продуктами газификации и исходными реагентами имеет место эффект сверхадиабатического разогрева. Оптимизация тепловых потоков фаз осуществляется посредством изменения концентрации реагентов: варьированием либо концентрации горючего (углерода) в твердом топливе, либо концентрации активного компонента (кислорода) в газообразном окислителе.
Подобные режимы могут оказаться наиболее эффективными методами получения тепловой и электрической энергии из низкосортных топлив и горючих отходов. Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования процессов сжигания твердого топлива. Развитие технологий, базирующихся на ФГ с противотоком сдерживается недостаточностью исследований (в частности, для углеродных систем) и отсутствием информации о зависимости характеристик процесса от начальных условий и управляющих параметров. Для надежного управления промышленными процессами требуется обоснованные всесторонние данные о явлении ФГ углеродсодержащих систем.
Цель диссертационной работы Основными задачами
настоящего исследования являются:
Х Изучение основных закономерностей распространения волн ФГ с противотоком в гетерогенных системах на основе углерода и органических топлив. Получение экспериментальных данных о влиянии управляющих факторов и внешних условий на характеристики волны горения.
Х Разработка простой и надежной математической модели ФГ, позволяющей качественно предсказывать поведение многих характеристик волны горения в твердом топливе на основе углерода при изменении управляющих параметров и определять условия оптимального проведения процесса.
Х Экспериментальное подтверждение энергетической эффективности волн ФГ, как перспективного метода получения тепловой и электрической энергии из низкосортного нетрадиционного сырья, и как экологически безопасного метода переработки горючих отходов различного происхождения.
Направление исследований Работа проводилась в следующих направлениях:
Х исследование волн фильтрационного горения в твердых углеродных топливах и всей совокупности протекающих при этом физико-химических процессов;
Х выявление основных закономерностей и зависимости характеристик волны горения от управляющих факторов и начальных условий;
Х создание упрощенной математической модели газификации смесей углерода с твердым инертным материалом, позволяющей качественно характеризовать воздействие основных управляющих параметров;
Х получение экспериментальных данных по газификации твердых углеродных топлив в сверхадиабатических режимах ФГ;
Х оценка возможности использования метода фильтрационного горения в сверхадиабатическом режиме для переработки низкосортных топлив и горючих отходов с получением тепловой или электрической энергии.
Методы исследований Реализованные подходы к исследованию фундаментальных проблем фильтрационного горения основаны на сочетании аналитических решений модельных задач, позволяющих устанавливать качественные закономерности процессов, физического эксперимента в контролируемых условиях и современных методов анализа экспериментальных данных и моделирования производственных процессов, что позволило выполнить все исследования на современном научно-техническом уровне. Разработанные методики проведения экспериментов по фильтрационному горению отличаются простотой конструкций и надежностью систем сбора данных.
Достоверность представленных экспериментальных данных обусловлена использованием апробированных и широко используемых методик измерения температуры и состава газа (термопарная методика измерения температуры в различных зонах реактора с выдачей показаний на компьютер в режиме реального времени, а также хроматографический и масс-спектрометрические методы исследования состава газовой среды), а также сопоставлением полученных данных с известными литературными данными и общепризнанными теоретическими моделями.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Экспериментально полученные зависимости характеристик волны фильтрационного горения смесей углерода с инертным материалом от основных управляющих параметров (содержания углерода в смеси, его реакционной способности, размеров частиц, расхода и состава окислителя).
2. Особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения смесей углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя.
3. Упрощенная стационарная математическая модель фильтрационного горения смесей углерода с инертным материалом в режиме противотока при фильтрации газообразного окислителя, базирующаяся на предположении термодинамического равновесного состава продуктов.
4. Результаты расчетов характеристик волны фильтрационного горения в зависимости от начальных условий и управляющих параметров системы.
5. Особенности фильтрационного горения смесей с испаряющимися и пиролизующимися компонентами. Поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения.
6. Экспериментальные данные о возможности и перспективности использования метода фильтрационного горения в режиме противотока для переработки горючих отходов различного происхождения, а также для получения тепловой и электрической энергии из низкосортных топлив, промышленных и бытовых отходов.
Научная новизна Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты расширяют научные знания в области фильтрационного горения пористых систем на основе углерода. Основу работы составляют полученные и проанализированные автором многочисленные экспериментальные данные по закономерностям процессов фильтрационного горения пористых систем на основе углерода и органических топлив.
1. Впервые проведено систематическое исследование основных закономерностей процессов фильтрационного горения углеродных систем и воздействие на их характеристики различных управляющих факторов и внешних условий. Показано, что тип тепловой структуры волны горения в значительной степени определяется долей инертных компонентов.
2. Обнаружено явление автолокализации зон превращений в соответствии с температурой среды (зоны испарения и конденсации летучих компонентов, пиролиза органических компонентов, окисления коксового остатка), имеющее место в случае топлива сложного состава.
3. В инверсной волне горения существует протяженная высокотемпературная зона, в которой продукты газификации пребывают достаточно длительное время. При этом может быть достигнуто состояние, близкое к термодинамически равновесному. Это может быть использовано при создании математических моделей фильтрационного горения. Были разработаны такие математические модели, позволяющие без использования кинетических параметров определить качественные зависимости характеристик фильтрационного горения углеродных систем от управляющих параметров для стехиометрических режимов на основании термодинамических расчетов. Качественные расчеты, выполненные по этим моделям, позволили определить область оптимальных параметров с точки зрения практической реализации процесса, подтвердили повышение КПД преобразования теплоты сгорания твердого топлива в теплосодержание продуктгаза при добавлении паров воды или диоксида углерода в газообразный окислитель.
4. Впервые исследованы особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя.
5. Впервые изучены особенности фильтрационного горения смесей с испаряющимся и с пиролизующимся компонентами, исследовано поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения.
6. Впервые экспериментально показано, что метод фильтрационного горения в режиме противотока может быть успешно использован для переработки проблемных отходов различного вида и происхождения с получением тепловой или электрической энергии. В частности, для переработки автомобильных шин, маслоотходов и нефтешламов, твердых бытовых отходов, иловых осадков полей фильтрации, бумажных материалов и прочих отходов, включающих горючие компоненты. Процесс может быть надежно управляемым как по вариациям состава, так и по необходимому изменению производительности. При этом собственная зольность отходов не оказывает существенного влияния на протекание процесса. Высокая влажность не является препятствием, но сказывается на производительности и затрудняет сжигание продукт-газа.
Практическая ценность В результате проведенных экспериментальных исследований, а также на основании выполненных с помощью математических моделей расчетов выявлены основные макрокинетические закономерности процесса фильтрационного горения углеродсодержащих систем в противотоке, на основании которых становится возможна разработка эффективных систем управления процессом. Изученные особенности нестационарных процессов изменения тепловой структуры волны фильтрационного горения смесей углерода при резкой смене состава горючей смеси или состава газообразного окислителя имеют большое значение с точки зрения безопасности при использовании противоточных режимов фильтрационного горения в промышленнм масштабе. Установленные закономерности фильтрационного горения смесей с испаряющимся, либо пиролизующимся компонентами, а также поведение наиболее представительных разновидностей пластмасс в условиях волны фильтрационного горения представляют большой интерес для практического использования процесса в целях совершенствования методов сжигания низкосортных топлив и горючих отходов.
В работе представлен и проанализирован большой объем экспериментальных данных, на основании которых предложено научно обоснованное решение имеющей важное социально-экономическое и хозяйственное значение проблемы совершенствования процессов сжигания низкосортных топлив, а также экологически чистой переработки горючих отходов различного происхожления.
ичный вклад автора Эксперименты, результаты которых представлены в диссертации, выполнены сотрудниками группы Фильтрационного горения отдела Горения и взрыва ИПХФ РАН при непосредственном участии автора. Автором лично разработана методика проведения экспериментов по фильтрационному горению, с его непосредственном участием созданы лабораторные установки фильтрационного горения различного масштаба с системами сбора и обработки данных. Автор принимал активное участие в постановке и обосновании основной части исследований, получении и обсуждении экспериментальных результатов и формулировке выводов. Обработка представленных результатов выполнена автором с обсуждением в научном коллективе сотрудников.
Математические модели, представленные во второй главе диссертации, разработаны в соавторстве с сотрудником ИПХФ РАН Полианчиком Е.В. Расчеты характеристик волн горения по этой модели выполнены автором. Кроме того, автор принимал непосредственное участие в разработке и конструировании опытно-промышленных установок фильтрационного горения, а также в мероприятиях по их запуску и отладке.
Апробация работы Представленные в работе материалы докладывались на ученых советах отдела Горения и взрыва ИПХФ РАН, на ученых советах ИПХФ РАН, а также на научных конференциях и симпозиумах, среди которых: XIII (2005 г.) и XIV (2008 г.) Всероссийские симпозиумы по горению и взрыву (г. Черноголовка), Международный симпозиум Неравновесные процессы в горении и технологии на основе плазмы (2006 г, Минск, Беларусь), Международный симпозиум Неравновесные процессы, горение, плазма и атмосферные явления (2007 г., Сочи), Восьмой азиатскотихоокеанский международный симпозиум по горению и утилизации энергии (20г., Сочи), Первая (2007 г.) и Вторая (2010 г.) конференции по фильтрационному горению (г. Черноголовка), IV (2007 г.), V (2009 г.) и VI (2011 г.) Международные симпозиумы "Горение и Плазмохимия" (г. Алматы, Казахстан), Третья (2006 г.), Четвертая (2008 г.) и Пятая (2009 г.) в Украине международные конференции Энергия из биомассы (г. Киев, Украина), II (2006 г.) и III (2008 г.) Международные конференции Альтернативные источники энергии для больших городов (г.
Москва), Международная школа-семинар "Горение дисперсных систем" (2001 г., Одесса, Украина), XXIV Международная научная конференция "Горение дисперсных систем" (2010 г., г. Одесса, Украина), Всероссийская конференция Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов (2002, г.
Москва), Международная конференция по горению и детонации УZel'dovich Memorial IIФ (2004, г. Москва), Международная конференция "Химическая и радиационная физика" (2009 г., Москва), Первая конференция серии ChemWasteChem "Химия и полная переработка биомассы леса" (2010 г., Санкт-Петербург), Молодежная международная школа-конференция по инновационному развитию науки и техники, (2005, г. Черноголовка), Всероссийские симпозиумы молодых ученых по химической кинетике (Московская обл., Россия) и "Современная химическая физика" (Туапсе).
Работы по сверхадиабатическим режимам горения отмечены наградами на международных выставках (Архимед-2000, Инновации-2000, Брюссель-Эврика2003, Высокие технологии XXI века, Архимед-2006, Архимед-2007). По результатам исследований в ИПХФ РАН было получено более десяти патентов, как российских, так и международных.
Практическая реализация результатов Процессы газификации на основе использования режимов фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами отрабатывались в ИПХФ РАН на лабораторных и пилотных установках. Первая опытно-промышленная установка с газификатором периодического действия и сжиганием продукт-газа в факеле была построена на заводе ЭЗТМ в городе Электросталь. Эта установка производительностью 150 тонн в год предназначена для переработки маслоотходов металлургического производства.
Опытно-промышленные установки, непрерывного действия для газификации твердых бытовых отходов с получением энергии были построены в Финляндии (г.
аппеенранта) и в Москве (ФГУП Салют). Производительность установок по перерабатываемому материалу - 2 т/час, что отвечает тепловой мощности ~5 МВт при сжигании продукт-газа.
В 2005-2006 годах при участии специалистов ИПХФ РАН (в том числе, автора) был разработан проект безотходного мусороперерабатывающего комплекса производительностью 100 тысяч тонн отходов в год для города Туапсе Краснодарского края. Реализация проекта была приостановлена в связи с принятым решением о проведении в 2014 году зимней олимпиады в г. Сочи.
Публикации автора Основные научные результаты диссертационной работы представлены в публикациях автора, список которых приведен в конце автореферата. Среди публикаций 14 статей в рецензируемых научных журналах и сборниках, 3 патента РФ, 6 электронных публикаций.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из 242 ссылок, содержит 424 страницы, 155 рисунков и 41 таблицу.
Основное содержание работы
Во введении обозначена область исследований, отмечена актуальность работы и особенности наблюдаемых явлений.
В первой главе представлен литературный обзор по теме фильтрационного горения в режиме противотока, а также выполнена классификация режимов фильтрационного горения, в которой особое внимание уделено режимам с противотоком, где наблюдается явление сверхадиабатических разогревов. Кроме того, обоснована актуальность проблемы и перспективы использования процессов фильтрационного горения в режиме противотока.
Вторая глава посвящена вопросам моделирования процессов фильтрационного горения в режиме противотока. Выполнен небольшой обзор по математическим моделям и представлены разработанные упрощенные математические модели фильтрационного горения пористой углеродной системы при фильтрации кислородсодержащего газа. При разработке моделей использованы приближение тонкой зоны химических реакций, предположение полного расходования реагентов и отсутствия боковых теплопотерь. Одномерная однотемпературная модель стационарного процесса базируется на законах сохранения компонентов системы и законе сохранения энергии. Основной особенностью модели является то, что кинетические характеристики протекающих химических взаимодействий не используются. Вместо этого в качестве дополнительного условия выступает термодинамическое равновесие в продуктах сгорания. То есть, сделано предположение, что над поверхностью разогретого углерода, еще не дошедшего до зоны взаимодействия с кислородом, устанавливаются равновесные концентрации газообразных продуктов. В случае воздушной газификации, это равновесие монооксида и диоксида углерода, а при моделировании паровоздушной газификации условие равновесия включает водород, метан и пары воды.
С учетом условия термодинамически равновесного состава газообразных продуктов система уравнений становится полностью определенной без учета детальной кинетики окисления углерода. Совместное решение уравнений сохранения по компонентам системы, уравнения сохранения энергии и уравнений термодинамического равновесия позволяет рассчитывать концентрации продуктов и температуру горения при заданных составе твердого топлива (соотношении углерод/инерт), давлении и составе газообразного окислителя. Были получены аналитические решения вышеуказанной системы уравнений. С помощью специально созданной программы выполнены расчеты характеристик фильтрационного горения при заданных условиях.
Анализ полученных результатов показал, что даже в простейшем случае (горение углеродной системы в кислородсодержащем газе) решения имеют некоторые интересные особенности при малых содержаниях кислорода в газообразном окислителе и углерода в исходном материале. Это связано с изменением равновесного состава продуктов при увеличении температуры в волне фильтрационного горения. Неоднозначность состава продуктов горения приводит к появлению неоднозначности температуры в волне фильтрационного горения углерода. На Рис. 1 представлены расчетные температуры горения при малом содержании кислорода в газообразном окислителе. В области температур 400-800oС происходит переход с ветви, соответствующей диоксиду углерода в качестве продукта окисления (пунктирная кривая), на ветвь, соответствующую монооксиду в качестве продукта (точечная кривая). Существует область, в которой определенному содержанию углерода соответствуют три различных значения температуры горения (точки 1, 2 и 3 на графике). Следовательно, в данной области одному значению доли углерода соответствуют три стационарных режима горения. Точка 2 на рис. соответствует неустойчивому режиму горения, поскольку любое отклонение от нее приводит к усилению отклоняющих факторов, а точки 1 и 3 соответствуют устойчивым режимам инверсной волны горения.
12Указанная модель была T, C 1.23% Oиспользована и для тех случаев, 10Равновесие когда в состав газообразного Только CO Только CO8окислителя входит диоксид углерода. Кроме того, модель 6была расширена для расчетов 4паровоздушной газификации углерода. Как диоксид углерода, 20.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.так и пары воды при высоких Доля углерода, % Рис. 1. Расчетные температуры ФГ при 1.23% кислорода в температурах выполняют окислителе в случае равновесного состава продуктов (сплошная линия). Пунктирная линия показывает функцию окислителя. На рис. температуру при условии, что единственным продуктом окисления углерода является CO2, а точечная линия - представлены расчетные только CO.
изолинии температуры горения на диаграмме реагентов (состав газа и содержание углерода в твердом горючем) для горения смеси углерода с Al2CO3 при фильтрации смеси кислорода с диоксидом углерода. С помощью таких диаграмм можно определить расчетную температуру в волне горения, а также состав газообразных продуктов в зависимости от состава смеси и состава газообразного окислителя. Аналогичные диаграммы были рассчитаны для различных газообразных окислителей (азотно-кислородные смеси, воздух с диоксидом углерода, кислород с диоксидом углерода, воздух с водяным паром, кислород с водяным паром и др.).
Максимумы изотерм показывают линию сверхадиабатического резонанса, то есть область, где теплоемкости потоков твердой и газообразной фазы становятся близки (лобласть инверсии). Как видно из графика, в этой модели температура не может быть бесконечно большой даже для составов, соответствующих области инверсии. Область высоких температур ограничена треугольником изотерм. В соответствии с температурными областями на диаграмме составов реагентов располагаются области определенных концентраций газообразных продуктов.
0.На графике рис. Tемпература:
1 - 700 C;
представлен максимальный КПД 0.4 2 - 800 C;
3 - 1000 C;
1 4 - 2000 C.
1 паро-воздушной газификации 0.углеродных систем с учетом затрат на получение требуемого 0.количества пара. Исходя из 0.полученных результатов определена область параметров, 0.0.00.20.40.60.81.оптимальных для практической Доля углерода Рис. 2. Расчетные изолинии температуры на диаграмме реализации процесса ФГ состава реагентов при продуве смеси воздуха с CO2.
углерода смесью воздуха с 4. КПД: диоксидом углерода.
1 - 0.94;
2 - 0.92;
Теплотворная способность 3 - 0.88;
3.4 - 0.84;
5 - 0.80.
продукт-газа, соответствующая максимальному КПД (94%), 2.составляла ~7000 кДж/м3.
Однако эта область достаточно 1.мала и, кроме того, лежит в зоне высоких температур. Поэтому 0.0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.для практической реализации Доля углерода Рис. 3. Расчетные изолинии КПД газификации на процесса скорее следует диаграмме состава реагентов при продуве паровоздушной смеси.
ориентироваться на инверсную область содержания углерода 0.4-0.6 и соотношения вода/кислород 0.7-1.3, в которой температура волны - около 1000oС, а теплотворная способность - 5600-6000 КДж/м3.
При этом КПД составляет около 84-87 %.
Общее давление в вышеописанной схеме расчетов является независимым параметром, влияющим на состав продуктов. Нами были выполнены расчеты для паровоздушной газификации углеродных систем при давлениях 1, 3, 10, 25, 50 и атмосфер. Было установлено, что расчетные температуры горения при повышении давления в реакторе увеличиваются, причем этот эффект существенно сильнее для Доля COH2O/Oобласти невысоких температур, которая представляет наибольший интерес с точки зрения практического осуществления. При повышении давления уменьшается содержание водорода в продукт-газе, опять-таки, особенно резко в области невысоких температур. Содержание монооксида углерода изменяется не столь значительно. Эти два основных горючих компонента продукт-газа определяют его теплотворную способность. Расчетные значения теплотворной способности продукт газа представлены на рис. 4. Увеличение содержания метана в продукт-газе остается на уровне долей процента и не может компенсировать потерю общей теплотворной способности из-за снижения содержания водорода. Области максимальных значений КПД газификации соответствуют областям высокой теплотворной способности, изображенным на графике. КПД газификации меняется от 70 до 90 %, а в центре совсем узкой области максимальной эффективности достигает 95 %.
Таким образом, повышение давления, в основном, отрицательно сказывается на характеристиках волны горения. Кроме того, если при атмосферном давлении содержание пара в газообразном окислителе является хорошим управляющим параметром для контроля температуры, то при повышении давления этот параметр теряет свое значение. На основании оценочных расчетов, учитывая все конструкционные и технические сложности, связанные с газификаторами высокого давления, можно сделать вывод о нецелесообразности повышения давления в газификаторах, работающих по принципу фильтрационного горения в сверхадиабатическом режиме.
4.Характеристики волны H2O/O2 Теплота сгорания горения в реальных устройствах 1 - 6500 КДж/м3;
2 - 6000 КДж/м3;
3.3 - 5500 КДж/м3. могут быть несколько хуже из-за теплопотерь и малого времени 2.3 пребывания газа при расчетных температурах. Допущение о 1.термодинамическом равновесии газообразных продуктов 0.оправдано в случае инверсной 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.Доля углерода волны, где присутствует Рис. 4. Расчетные изолинии теплотворной способности продукт-газа на диаграмме состава реагентов при продуве протяженная паровоздушной смеси для атмосферного давления (сплошные линии) и для 50 атм. (пунктир).
высокотемпературная зона, содержащая как газообразные продукты реакции, так и углерод. В случае нормальной волны установление равновесных концентраций возможно только при достаточно медленной подаче кислородсодержащего газа и при достаточно высоких температурах в зоне химических реакций. Однако, несмотря на значительные упрощения, сделанные нами при постановке задачи, полученные результаты представляют некоторый интерес с точки зрения качественной оценки температуры и состава газообразных продуктов для волн фильтрационного горения.
В третьей главе диссертации изложены результаты экспериментальных исследований процессов ФГ наиболее простых углеродных систем, смесей углерода (древесный уголь, графит) с инертным материалом. На максимально простых системах изучены основные закономерности ФГ углерода и воздействие основных управляющих параметров на характеристики ФГ, что необходимо для разработки принципов управления промышленным процессом. В качестве основных управляющих параметров рассматривались: содержание углерода в смеси, реакционная способность углерода, расход и состав газообразного окислителя (содержание кислорода и паров воды), размер частиц.
Показано, что содержание углерода в твердом горючем определяет не только тип тепловой структуры волны горения, но и влияет на все характеристики процесса.
Для случая воздушной газификации экспериментально найдены области нормальных и инверсных волн горения, а также область теплового резонанса (при содержании углерода около 20%), в которой наблюдали максимальную концентрацию выделяющейся тепловой энергии (максимальную температуру горения и минимальную ширину волны). Уровень температуры в области резонанса зависит от реакционной способности углерода (см. рис. 5). Формы углерода с наименее активной поверхностью (например, графит) обеспечивают наиболее высокие максимальные температуры в волне горения, однако в области инверсных волн горения углерод с низкой реакционной способностью сгорает не полностью, что отражается на составе газообразных продуктов, их теплотворной способности и КПД газификации, то есть область оптимальных параметров процесса сужается.
При малом содержании углерода в смеси (область волн горения нормальной структуры) массовая скорость горения углерода резко снижается, что свидетельствует о том (см. рис. 6), что при этих условиях кислород воздуха расходуется не полностью.
Анализ продуктов горения согласуется с представленными данными.
Показано, что увеличение размеров частиц углерода (графита) приводит к уменьшению удельной реакционной поверхности и расширению зоны химических реакций при одновременном снижении максимальной температуры в ней. Кроме того, падает интенсивность межфазного теплообмена и, соответственно, эффективность рекуперации тепла от продуктов к исходным реагентам, что ведет к ухудшению основных характеристик продукт-газа.
16Установлено, что o T, C увеличение расхода 12газообразного окислителя практически не влияет на КПД 8процесса ФГ и уровень максимальной температуры, но 4несколько меняет состав газообразных продуктов - увеличивается доля монооксида 0 20406080 1C, % Рис. 5. Зависимость максимальной температуры во фронте углерода за счет диоксида. При ФГ от содержания углерода. Смесь крошки шамотного этом значительно увеличивается кирпича с углем БАУ-А (1) и с графитом (2).
160 ширина высокотемпературной V, зоны волны горения. Массовая кг/час/м1скорость горения углерода в исследованном диапазоне оставалась пропорциональной расходу окислителя.
Эксперименты показали, что при низкой интенсивности гетерогенных химических 0 20406080 1C, % реакций возможно достижение Рис. 6. Зависимость массовой скорости горения древесного угля от его содержания в исходном материале. ( - расчет кинетического предела путем по составу продукт-газа; - расчет по общему времени горения). Пунктиром показаны расчетные скорости горения увеличения расхода до CO (верхний) и до CO2 (нижний).
газообразного окислителя. При малом количестве и относительно большом размере частиц углерода (графита), когда реакционная поверхность частиц мала, наблюдали переход от фильтрационного (стехиометрического) режима, когда скорость процесса определяется количеством поступающего в зону горения окислителя, к кинетическому, когда скорость горения ограничена скоростью гетерогенных химических реакций. Термин кинетический здесь употребляется с оговоркой, поскольку весь процесс окисления лимитируется не скоростью реакций на поверхности углерода, а диффузией окислителя к ней. При большом количестве горючего, в связи с более высокими температурами и большей реакционной поверхностью, подобный кинетический предел может быть получен лишь при очень больших расходах.
Экспериментально обнаружено, что содержание кислорода в газообразном окислителе (как и содержание углерода в твердом топливе) может определять тепловую структуру волны горения углеродной системы, в связи с чем на зависимостях можно найти область максимального сверхадиабатического разогрева.
Подтверждена реализация трех характерных областей: область инверсных волн с неполным и с полным потреблением горючего и область нормальных волн горения с полным потреблением кислорода и горючего. При некотором соотношении кислорода и инертной компоненты газа возникает тепловой резонанс, соответствующий максимальным значениям температуры и КПД процесса газификации (см. рис. 7).
Экспериментальные результаты показывают неоднозначное влияние количества паров воды в газообразном окислителе на процесс фильтрационного горения. Пары воды могут вступать в реакцию с углеродом в высокотемпературной зоне волны горения, существенно улучшая теплоту сгорания продукт-газа за счет образования монооксида углерода и водорода. Однако это происходит лишь при выполнении определенных условий. Во-первых, температура во фронте горения должна быть достаточно высокой, по крайней мере, не ниже 900оС. Во-вторых, тепловая структура волны горения должна подразумевать наличие высокотемпературной бескислородной зоны, где реакции окисления парами воды станут преобладающими процессами. В-третьих, необходима развитая поверхность углерода, причем реакционная способность углерода тоже имеет большое значение.
Небольшое количество паров воды (мольное соотношение H2O/O2 до 1-2), как правило, дает положительный эффект. При достаточно высоком уровне температуры улучшение характеристик продукт-газа при увеличении доли подяного пара наблюдается вплоть до более высоких соотношений (H2O/O2 до ~4), и даже при большом количестве пара (по крайней мере, до H2O/O2=8-9) параметры процесса ФГ не слишком сильно меняются. Однако необходимо помнить, что при этом возрастает количество воды в продукт-газе, что затрудняет его дальнейшее использование.
1400 1000 800 600 500 4G, м/час 80 Выявленные в результате КПД, исследований закономерности % позволяют дать рекомендации по управлению процессом ФГ углеродного топлива в режиме противотока. Наиболее эффективными управляющими параметрами при промышленной реализации 0 4 8 12 16 20 O, % являются содержание инертных Рис. 7. КПД газификации в зависимости от содержания кислорода в окислителе при постоянном общем расходе компонентов в топливе и газа (1) и при постоянном расходе кислорода (2).
окислителе, которые определяют тип тепловой структуры волны горения, температуру и концентрации реагентов, а также их распределение по пространству. При этом скорость горения определяется поступлением реагентов и стехиометрией в зоне окисления.
В четвертой главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований процессов перестройки структуры волны ФГ, происходящие при изменении состава горючего (доли углерода) и при изменении состава газообразного окислителя. При значительном изменении доли инертной компоненты как в твердом горючем, так в газообразном окислителе тепловая структура волны горения может меняться. Такие процессы перестройки структуры должны приводить к значительному локальному повышению температуры во фронте горения. Это превышение обусловлено дополнительным подогревом твердой или газовой фазы в момент перестройки структуры по сравнению с обычным режимом распространения волны. Эксперименты на лабораторной установке показали, что нестационарные процессы перестройки структуры происходят без резкого повышения температуры в волне горения. В смысле практического использования режимов ФГ это означает устойчивость работы газификаторов к изменениям состава топлива и к составу газообразного окислителя. Обнаружено небольшое повышение температуры (~2градусов) при переходе с нормальной структуры волны горения на инверсную.
Повышение температуры носит временный характер, и через несколько минут после перехода температура устанавливается на уровне, характерном для инверсной структуры волны горения. На рис. 8 в качестве примера представлена динамика изменения состава газообразных продуктов в процессе перестройки структуры волны горения с инверсной на нормальную при смене состава окислителя.
При переходе с инверсной структуры волны горения на нормальную значительного подъема температуры горения тоже не зафиксировано, но в этом случае процесс перестройки структуры происходит значительно медленнее. По всей видимости, это связано с тем, что в формирующейся нормальной волне, в отличие от стационарной Рис. 8. Изменение содержания монооксида (1) и диоксида углерода (2) при перестройке структуры волны горения с нормальной волны горения, нормальной на инверсную. Точки - экспериментальные значения: - СО, - СО2. Штрихпунктирная линия - довольно долго остается характерное содержание для данного типа структуры.
Пунктиром показан момент смены состава окислителя.
протяженная область прогретого Сплошная линия - численный расчет.
исходного топлива, где протекают реакции восстановления диоксида до монооксида углерода. Вследствие этого преобладающим продуктом окисления оставался монооксид, и общее тепловыделение было существенно ниже. Во всех экспериментах наблюдалось полное сгорание углерода.
Пятая глава посвящена исследованиям процессов ФГ более сложных систем, в которых имеет место разделение зон превращений, в частности, систем с испаряющимся компонентом (влага), а также систем с органическими компонентами, склонными к термическому разложению (органические жидкости, полимеры, древесина). Наличие дополнительного испаряющегося компонента в твердом топливе (помимо горючего и твердого инертного вещества) обуславливает локализацию испаряющегося компонента в области прогрева топлива (см. рис. 9). Фильтрационное горение топлива органического происхождения является типичным случаем волны горения, сопровождающейся процессами термического разложения. Такие топлива, как правило, при нагреве подвергаются пиролизу с образованием жидких и газообразных продуктов, а также коксового остатка. И в том и в другом случае волна ФГ имеет сложную структуру и представляет собой комплекс процессов, локализующихся в соответствии с условиями (температурой и концентрациями реагентов).
Установлено, что в отличие от традиционных методов сжигания твердых топлив, влияние влажности топлива на характеристики горения в фильтрационном режиме определяется типом тепловой структуры волны. Эксперименты по газификации активированного угля с влажностью до 70% показали, что устойчивое распространение волны горения с полным сгоранием топлива наблюдалось во всем диапазоне изменения влажности. Показано, что характеристики процесса практически не зависели от влажности топлива, поскольку происходило саморегулирование волны горения по температуре за счет изменения стехиометрии процесса. Тепло, затрачиваемое на испарение, влияло на температуру в волне горения и, следовательно, на стехиометрию окисления углерода. Равновесие продуктов горения (соотношение СО2/СО) сдвигалось в сторону большего образования диоксида, что в свою очередь влияло на общее тепловыделение в зоне горения. То есть наблюдали отрицательную обратную связь, нивелирующую влияние влажности топлива на горение углерода. Такое саморегулирование температуры характерно для волн ФГ в углеродных системах.
Топлива органического происхождения в волне ФГ подвергаются пиролизу. При этом в газ выделяются пары воды и углеводородов (пиролизных смол).
При быстром нагреве топлива продукты пиролиза могут частично попадать в зону окисления, что сказывается на характеристиках Рис. 9. Тепловая структура волны горения при наличии в топливе испаряющегося и пиролизующегося волны горения. Это явление компонента.
наблюдали при распространении волн ФГ нормальной тепловой структуры (при малом содержании углерода). В целом, полученные зависимости характеристик волны ФГ в системах с органическими компонентами аналогичны полученным на простых углеродных системах (углерод + инертный материал), что подтверждает слабое влияние испаряющегося компонента на характеристики волны горения.
1.Проведено обширное X исследование процессов ФГ 0.составов с полимерами, в качестве представителей 0.которых были выбраны 0.полиэтилен, полиуретан и поливинилхлорид.
0.Экспериментально показано, что процессы ФГ составов с 0.0 10203040полимерами могут устойчиво Доля ПЭ, % Рис. 10. Коэффициент окисления ПЭ в волне горения (1) протекать даже при отсутствии и стехиометрический коэффициент окисления углерода (2) в зависимости от содержания ПЭ в смеси.
нелетучего компонента 4горючего. Так нами было Vm, кг/час/мустановлено, что при горении 3смеси полиэтилена (ПЭ) с инертным материалом часть 2продуктов деструкции полимера окислялась в зоне 1горения, в результате чего поддерживалось устойчивое распространение волны 0 204060Доля угля, % горения. За счет окисления Рис. 11. Зависимость массовых скоростей переработки угля ( ) и ПЭ ( ), от содержания угля при неизменном части продуктов деструкции во содержании ПЭ (20%). Круглые точки - суммарная скорость переработки (ПЭ + уголь). фронте горения поддерживалась достаточно высокая температура. При увеличении содержания ПЭ в смеси от 10 до 40% максимальная температура в зоне горения возрастала с 650-800oС до ~1000oС. На Рис. 10 показана зависимость коэффициента окисления от содержания ПЭ в смеси УПЭ+инертФ. Коэффициент окисления определен как отношение затраченного кислорода к необходимому для полного окисления полиэтилена до COи H2O. При увеличении количества пластика в составе смеси до 40% коэффициент окисления снижался до 0.2 и даже меньших значений. Это подтверждает, что в таких условиях большая часть пластика деструктирует и уносится газовым потоком, не попадая в зону окисления. На этом же графике представлен стехиометрический коэффициент окисления углерода, подсчитанный по составу газообразных продуктов.
Причиной снижения коэффициента окисления с ростом доли ПЭ является повышение температуры в волне горения, приводящее к более интенсивному плавлению пластика и натеканию его на фронт горения. Оценки, выполненные по массовому балансу, показывают, что при этом доля пиролизовавшегося пластика значительно возрастает.
Похожие зависимости получены для полиуретана (ПУ), который относится к разновидности коксующихся пластиков (выход кокса 20-25%).
При фильтрационном горении тройных смесей Уполиэтилен - уголь - инертФ характеристики процесса зависели от типа тепловой структуры волны. Для случая инверсных волн ФГ (содержание угля 30% и более) полимер полностью пиролизовался и продукты пиролиза уносились с потоком газа, не попадая в зону окисления и не оказывая влияние на характеристики процесса горения (температуру горения и состав газообразных продуктов). В нормальных волнах горения (содержание угля менее 20%) полимер частично попадал в зону окисления, снижая массовую скорость горения угля. Эксперименты показали, что для такой системы максимальная температура во фронте волны ФГ не зависит ни от содержания угля, ни от содержания ПЭ, и остается на уровне 1300100oC.
Несмотря на нелинейный характер зависимостей массовых скоростей расходования угля и ПЭ от состава смеси (см. рис. 11), их сумма, т.е. общая скорость переработки горючего, хорошо описывается линейной зависимостью. Для смесей с различным содержанием ПЭ эти зависимости имеют различный наклон, но в целом хорошо описываются эмпирической формулой:
Vm = Vc +Vp p (1 - c), где Vm - общая массовая скорость расходования горючего, c и p - доли угля и ПЭ в смеси, соответственно. Коэффициент Vc имеет смысл скорости сгорания чистого угля.
Для условий наших экспериментов его величина составляла 145 кг/час/м2.
Коэффициент Vp = 590 кг/час/м2. Эта величина имеет физический смысл массовой скорости переработки ПЭ.
Тройные смеси полиуретана с углем и крошкой шамотного кирпича исследовали аналогично смесям с полиэтиленом. На диаграмме составов (см. рис. 12) представлены изолинии массовой скорости горения полиуретана. Видно, что характер зависимости скорости от состава меняется в зависимости от типа тепловой структуры. В частности, в области симметричных волн горения массовая скорость горения ПУ значительно ниже, чем в смежных областях, что объясняется более высоким уровнем температур. Таким образом, при варьировании содержания компонентов системы можно получить немонотонные зависимости скорости горения от состава топлива.
Рис. 12. Массовая скорость горения ПУ (кг/час/м2) Рис. 13. Область составов, где происходило в зависимости от состава смеси. По осям нарушение газопроницаемости смеси.
указаны доли компонентов в процентах.
Необходимо отметить, что при горении смесей пластика с углем и инертом в некоторой области составов отмечали нарушение газопроницаемости смеси на начальных стадиях эксперимента. Это связано с интенсивным осажденим продуктов пиролиза в верхних холодных слоях загрузки. Сплошная линия на диаграмме составов (рис. 13) ограничивает область нарушения газопроницаемости при горении смесей с полиуретаном в лабораторной установке.
При фильтрационном горении смесей с ПУ, как и при горении систем с ПЭ, характеристики процесса зависели от типа структуры волны, но область влияния количества ПУ на характеристики процесса горения значительно шире, поскольку при термодеструкции полиуретана всегда остается коксовый остаток, увеличивающий устойчивость волны горения.
Эксперименты по ФГ смеси влажной древесины с инертным материалом показали, что во всем диапазоне влажности (до 65%) волна горения распространяется по смеси устойчиво, без затухания, древесина сгорает полностью. Увеличение влажности древесины приводило к линейному снижению максимальной температуры во фронте горения (см. рис. 14). Несмотря на значительное снижение температуры в волне горения, для смесей с большим количеством инертного материала (70%), состав газообразных продуктов практически не зависел от влажности древесины. Отсутствие влияния влажности древесины на состав газообразных продуктов (при том, что затраты на испарение влаги возрастали с 3-4 до 50-65% от общего тепловыделения) можно объяснить изменением состава пиролизных газов, частично компенсирующим изменение состава продуктов окисления коксового остатка. Для составов с малым содержанием инертного материала (37%) наблюдали возрастание доли CO2 в продуктах за счет CO. В отличие от экспериментов с влажным древесным углем, для древесины увеличение влажности приводит к значительному снижению температуры и массовой скорости газификации (см. рис. 15). Это объясняется увеличением длительности сушки древесины и сокращению продолжительности пиролиза. Как следствие, количество топлива, попадающего в зону горения, растет, а массовая скорость снижается.
Tmax, 0C 121211111010998870 10 20 30 40 50 60 Влажность древесины, % Рис. 14. Зависимость максимальной температуры Рис. 15. Зависимость массовой скорости во фронте горения от влажности древесины для газификации древесины от ее влажности составов с 30% древесины - 1, и для составов с для составов с 30% древесины - 1, и для 63% древесины - 2. составов с 63% древесины - 2.
В шестой главе диссертации рассмотрены перспективы энергетического использования низкосортных топлив посредством сжигания в режме ФГ с противовтоком. В начале главы представлен небольшой обзор по методам энергетического использования альтернативных топлив (отходов древесины, бедных углей, горючих сланцев, твердых бытовых отходов), затем представлены результаты экспериментальных исследований ФГ некоторых низкосортных топлив, в частности, торфа и низкокачественных углей, а также рассмотрена возможность получения жидкого топлива из продуктов пиролиза органических компонентов топлива.
Экспериментальные исследования газификации древесины, целлюлозы, лигнина, торфа и резины подтвердили, что в сверхадиабатических режимах фильтрационного горения возможна эффективная переработка некоторых видов биомассы с получением энергетического продукт-газа. Это означает вовлечение в энергетический оборот целого ряда практически неиспользуемых ресурсов (торф, сельскохозяйственные отходы, углесодержащие отходы, отходы лесной и лесоперерабатывающей промышленности, другие промышленные и бытовые отходы).
Исследования ФГ торфа показали, что как кусочки исходного торфа, так и прессованные брикеты могут быть использованы в качестве сырья для получения энергии при использовании метода фильтрационного горения в режиме противотока.
Однако брикеты удобнее, поскольку плотность брикетов существенно выше, что сказывается на параметрах процесса ФГ в частности, на качестве продукт-газа, а кроме того, прочность брикетов значительно облегчает процедуру обращения с ними.
В таблице 1 представлены экспериментальные результаты по характеристикам газификации торфа различной влажности в режиме фильтрационного горения с противотоком.
Таблица 1. Параметры воздушной газификации торфа различной влажности (размер частиц 3-5 мм) Влажность Параметры 0% 25.4% 45.5% Удельная скорость горения торфа, кг/м3 0.75 0.73 0.воздуха СО2 8.2 8.0 11,Средний состав Ar 0.7 0.7 0,сухого продукт-газа, % об.
N2 56.7 58.3 57,СО 25.2 23.3 17,СН4 1.0 0.9 0,H2 8.3 8.8 11,Теплота сгорания продукт-газа, МДж/м3 4.44 4.20 3.Выход сухого продукт-газа, 1.84 1.86 2.куб. м на кг сухого торфа Выход смол, 11.2 7.0 4.% от массы сухого торфа Метод фильтрационного горения в режимах с противотоком целесообразно использовать для переработки бедных, высокозольных углей и даже угольных отвалов. Эксперименты на материалах, взятых с углеотвалов некоторых шахт Восточного Донбасса, позволили определить балансовые характеристики процесса газификации. Подтверждена целесообразность создания производств переработки угольных отвалов. Эксперименты на укрупненной лабораторной установке показали возможность масштабного перехода к промышленным объемам производства. При этом иногда отмечалось спекание зольных остатков. Выяснено, что основной технической сложностью такого производства может быть необходимость периодического разрушения спёков, образующихся при газификации некоторых углеотвалов, обладающих особенно низкой температурой размягчения золы.
Седьмая глава диссертации полностью посвящена проблемам переработки горючих отходов различного вида с помощью метода ФГ в режиме противотока. В частности, представлены данные экспериментальных исследований по переработке твердых бытовых отходов (ТБО) и некоторых других видов промышленных отходов.
Показано, что перспективы промышленного внедрения процесса фильтрационного горения в режиме противотока для переработки горючих отходов весьма обширны.
Благодаря некоторым особенностям процесса открываются возможности создания экологически безопасных предприятий по выработке энергии из низкосортных топлив. Комплексный подход к проблеме утилизации отходов с использованием технологий ФГ в режиме противотока обеспечивает не только получение энергии из низкокачественных топлив с высоким энергетическим КПД, но и существенные экологические преимущества перед традиционными технологиями, что, в конечном счете, делает производство по переработке экономически привлекательным.
Результаты по переработке ТБО содержат экспериментальные данные по газификации четырех видов типичных отходов, полученные на укрупненной лабораторной установке. Как показали результаты экспериментов, все исследованные типы модельных отходов могут быть с успехом газифицированы в сверхадиабатическом режиме фильтрационного горения. Во всех случаях уже на масштабе лабораторного реактора достижимы высокая производительность по ТБО и высокий химический КПД газификации. Значительная доля калорийности продуктгаза при этом приходится на калорийность пиролизных смол. Во всех случаях обеспечивается высокое качество выгорания органических составляющих из зольного остатка. В полном соответствии с установленным ранее, подтверждено, что процесс наиболее эффективен для более калорийных и более сухих отходов. При этом собственная зольность не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на протекание процесса. Высокая влажность перерабатываемого материала сказывается на производительности реактора по ТБО и, кроме того, высокое содержание пара в продукт-газе затрудняет его сжигание на стадии получения энергии. Проведенное исследование влияния изменения расхода газообразного окислителя на параметры газификации также подтвердило, что производительность процесса по ТБО практически линейно связана с расходом газообразного окислителя. Соответственно, процесс надежно управляется подачей в реактор воздуха и пара. Исследование характеристик при смене состава отходов подтвердило, что не происходит резких колебаний состава продукт-газа и температуры в волне горения. Процесс может быть надежно управляемым как по вариациям состава, так и по необходимому изменению производительности.
Следует особо отметить, что даже при полном прекращении подачи газообразного окислителя процесс газификации лишь приостанавливается, и, если за время остановки реактор не успевает остыть, при возобновлении подачи воздуха снова формируется волна горения. В этом смысле данная технология является максимально устойчивой к различного рода экстренным ситуациям. Наш опыт показывает, что в кварцевой лабораторной установке (диаметром около 45 мм) допустимы остановки на 2-4 минуты; в установках типоразмера укрупненной лабораторной установки (диаметр 160 мм) можно приостанавливать процесс на 30-минут; установки промышленного масштаба (диаметром 1.5-2.0 метра) позволяют приостанавливать процесс газификации более чем на сутки без каких либо осложнений.
В качестве примера представлен расчет массово-энергетического баланса мусороперерабатывающего производства производительностью 100 тысяч тонн отходов в год. Описан производственный цикл предприятия и основные характеристики производства. Оценка экономической эффективности вышеописанного комплекса дает срок окупаемости около 6 лет, что является вполне разумным для такого рода предприятия.
На примере набора конкретных проблемных промышленных отходов, предоставленных нам ГП Промотходы с некоторых предприятий Московского региона, была продемонстрирована отработка технологии процесса термической переработки методом ФГ в режиме противотока. Перечень промышленных отходов для экспериментальной отработки режимов включал: загустевшие нефтешламы со стенок отстойников очистных сооружений, отработанную фильтрующую загрузку очистки дождевых вод и мойки автомашин, промасленные опилки и ветошь, осадок гидрофильтров окрасочных камер, лакокрасочные материалы в сухом и пастообразном состоянии и пр. Использованные виды отходов являются типичными для промышленности городского хозяйства и представляют определенную экологическую опасность. Было показано, что образцы промышленных отходов могут быть эффективно обезврежены предлагаемым методом при их совместной переработке в различных сочетаниях. При выборе сочетаний компонентов и их соотношений необходимо учитывать их свойства и объемы, образующиеся на промышленных предприятиях региона. Как правило, всегда можно найти подходящий для подобной переработки набор отходов, как на одном предприятии, так и на нескольких соседних.
Режим фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами может быть использован не только для переработки твердых горючих, но и для сжигания горючих жидкостей. Роль пористого каркаса в этом случае играет инертный материал, а жидкое горючее может попадать в зону химических реакций с твердым инертным материалом, который пропитан или покрыт слоем горючего.
Специалистами ИПХФ РАН было предложено методом фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами эффективно и экологически чисто перерабатывать маслоотходы и нефтешламы, содержащие тяжелые жидкие или твердые углеводороды, твердые негорючие вещества, воду и т.д. Большая серия экспериментов на лабораторных установках различного масштаба показала, что при сжигании отходов закалочных и отпускных масел с предприятия ОАО "ЭЗТМ" (г.
Электросталь) выбросы продуктов сгорания удовлетворяли самым жестким требованиям по содержанию в них окиси углерода, окислов азота, сажи и пыли. При тесном сотрудничестве со специалистами ОАО ЭЗТМ была разработана конструкция и создана установка опытно-промышленного масштаба. На этой установке была проведена серия отладочных запусков, после чего установка была использована для регулярной переработки маслоотходов термического производства, образующихся на ОАО ЭЗТМ.
Кроме того, представлены результаты исследования возможности использования метода фильтрационного горения для переработки автомобильных шин, макулатуры бумажной специальной, которая является продуктом уничтожения вышедших из употребления денежных билетов, а также иловых осадков полей фильтрации, представляющих собой важную и сложную проблему для любого крупного города. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что производство по переработке указанных видов отходов методом фильтрационного горения в режиме противотока может оказаться относительно простым и эффективным решением, отличающимся невысокими затратами при обеспечении всех экологических норм. В некоторых случаях методом ФГ в режиме противотока можно перерабатывать и чрезвычайно опасные радиоактивные отходы.
В этом случае метод используется как эффективное средство компактирования, поскольку объем зольного остатка, как правило, на порядки меньше объема исходных радиоактивных отходов.
В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации:
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Впервые проведено систематическое исследование основных закономерностей фильтрационного горения углеродных систем в режиме противотока.
Установлено, что основными управляющими параметрами процесса являются содержание инертных компонентов в топливе и окислителе, которые определяют тип тепловой структуры волны горения, температуру и концентрации реагентов, а также их распределение по пространству; при этом скорость горения определяется поступлением реагентов и стехиометрией в зоне окисления.
2. Установлено, что в системах, где возможны различные превращения, наблюдаются разделение и автолокализация зон превращений в пространстве (испарение и конденсация влаги, соединений металлов и др. летучих компонентов, термического разложения, пиролиза органических компонентов, окисления коксового остатка и др.), а наличие теплопотерь приводит к выравниванию скоростей распространения этих зон.
3. Впервые разработаны математические модели, основанные на предположении термодинамического равновесия в продуктах сгорания и позволяющие без использования кинетических параметров системы определить качественные зависимости характеристик фильтрационного горения углеродных систем от управляющих параметров для стехиометрических режимов, а также выявить области оптимальных параметров практической реализации процесса.
4. Экспериментально показано, что самоподдерживающийся процесс газификации систем на основе углерода и органических топлив может протекать в широком диапазоне содержания инертного компонента в горючем (до 97%). Установлено, что даже в случае резкого изменения состава топлива, потока и состава окислителя процесс газификации легко перестраивается.
5. Установлено, что в процессе газификации твердого углеродного топлива органического происхождения продукт-газ представляет собой аэрозоль, содержащий горючие газообразные продукты, воду и мелкие капли жидких углеводородов (продукты термического разложения органических компонентов).
Определено, что малый размер капель позволяет легко сжигать образующийся аэрозоль в газовых горелках.
6. Впервые показано, что при достаточно большом количестве пиролизующегося компонента волна фильтрационного горения способна распространяться по пористой смеси даже в отсутствие кокса и дополнительного углерода.
7. Впервые получено экспериментальное подтверждение перспективности использования метода фильтрационного горения в режиме противотока для переработки проблемных отходов различного вида и происхождения с получением тепловой или электрической энергии. Показано, что процесс может быть надежно управляемым как по вариациям состава, так и по необходимому изменению производительности.
_______________ В работе представлены результаты исследований, выполненных в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ ИПХФ РАН, при частичной поддержке проектов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты РФФИ № 09-03-00623а, 06-03-32813a, 03-03-32750), Московского областного гранта (2004 г.) по приоритетному направлению Создание благоприятной экологической обстановки, рациональное природопользование, Программы фундаментальных исследований РАН №7 (2006-2008 г.) Фундаментальные проблемы энергетики, Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 19 (2009 г.) Химические аспекты энергетики, Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (2010-2011 г.) № 3, Химические аспекты энергетики, Международного фонда технологий и инвестиций, проект № DPG.55229907.000 (2005 г.), Международного научнотехнического центра (МНТЦ), проекты № 126 и № 2687.
Публикации автора по теме диссертации Статьи в научных журналах и сборниках:
1. Глазов С.В., Манелис Г.Б., Стесик Л.Н., Фурсов В.П., Яковлева Г.С. Экологически чистая переработка горючих отходов металлургического производства // Машиностроитель. - 1996. - № 1. - с. 26-28.
2. Манелис Г.Б., Салганский Е.А., Фурсов В.П., Глазов С.В., Салганская М.В.
Численное исследование газификации углерода в волне фильтрационного горения // Наука-Производству. - 2001. - т. 46 - № 8. - с. 28-32.
3. 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. - 2006. - т. 42. - № 1. - с. 65-72.
4. Салганский Е.А., Фурсов В.П., Глазов С.В., Салганская М.В., Манелис Г.Б.
Модель воздушной газификации твердого горючего в фильтрационном режиме // Физика горения и взрыва. - 2003. - т. 39. - № 1. - с. 44-50.
5. 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.
- с. 30-38.
6. Салганский Е.А., Кислов В.М., Глазов С.В., Салганская М.В., Манелис Г.Б.
Переходные процессы в волне фильтрационного горения при резкой смене состава топлива. // Горение и плазмохимия. - 2007. - т. 5. - № 3. - с. 205-208.
7. Кислов В.М., Салганский Е.А., Глазов С.В., Жолудев А.Ф., Манелис Г.Б. Влияние стадии пиролиза на фильтрационное горение твердых топлив. // Горение и плазмохимия. - 2007. - т. 5. - № 3. - c. 209-214.
8. Салганская М.В., Глазов С.В., Салганский Е.А., Кислов В.М., Жолудев А.Ф., Манелис Г.Б. Фильтрационное горение влажного топлива // Химическая физика. - 2008. - т. 27. - № 1. - с. 27-32.
9. Кислов В.М., Глазов С.В., Червонная Н.А., Патронова Л.И., Салганская М.В., Манелис Г.Б. Газификация биомассы в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом // Химия твердого топлива. - 2008. - № 3. - с. 914.
10. Полианчик Е.В., Манелис Г.Б., Глазов С.В. Разработка технологии комплексного безотходного производства по переработке твердых бытовых отходов, основанной на газификации в сверхадиабатическом режиме // Институт проблем химической физики. Ежегодник 2007. - т. 4. Черноголовка: Редакционно-издательский отдел ИПХФ РАН, 2008. - c. 98-105.
11. Кислов В.М., Салганский Е.А., Глазов С.В., Салганская М.В., Манелис Г.Б.
Получение жидкого углеводородного сырья при фильтрационном горении твердых топлив. // Горение и плазмохимия. - 2009. - т. 7. - № 2. - с. 167-175.
12. 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. - с. 42-47.
13. 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. - с. 52-58.
14. Салганская М.В., Глазов С.В., Салганский Е.А., Жолудев А.Ф. Фильтрационное горение древесного угля с полиэтиленом // Химическая физика. - 2010. - т. 29. - № 11. - с. 63-68.
15. Bernstein L.A., Perevezentsev A.N., Rivkis L.A., Semenov A.A., Safronov B.V., Chukanov A.P., Polianczyk E.V., Manelis G.B., Glazov S.V., Revelsky I.A., Brodsky E.S., Kapinus E.N. Study of JET soft housekeeping waste treatment by plasma arc centrifuge combustion and gasification in countercurrent regime // Fusion science and technology. - 2010. - v. 58. - p. 625-657.
16. David Lempert, Sergei Glazov, Georgy Manelis. Mass Transfer in Filtration Combustion Processes // In book ДMass Transfer in Multiphase Systems and its ApplicationsУ, InTech, 2011, ISBN 978-953-307-215-9, p. 483-498.
17. Манелис Г.Б., Глазов С.В., Лемперт Д.Б., Салганский Е.А. Фильтрационное горение твердого топлива в противоточных реакторах // Известия Российской академии наук. Серия химическая. - 2011. - № 7. - с. 21-37.
Патенты:
1. Патент РФ № 2089786. С1 МПК F 23 G 5/00. Способ обезвреживания и уничтожения твердых отходов, преимущественно госпитальных, и устройство для его осуществления. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П., Червонный А.Д., Альков Н.Г., Глазов С.В., Яковлева Г.С., Стесик Л.Н., Никулин Ю.Г.; Опубл. в Б.И. № 25 1997 г.
2. Патент РФ № 2089787. С1 МПК F 23 G 5/00. Способ обезвреживания и уничтожения твердых отходов, преимущественно больничных, и устройство для его осуществления. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П., Червонный А.Д., Альков Н.Г., Глазов С.В., Яковлева Г.С., Стесик Л.Н., Никулин Ю.Г.; Опубл. в Б.И. № 25 1997 г.
3. Патент РФ № 2116570. C1 МПК F 23 G 7/00, 7/05. Способ переработки отходов, содержащих углеводороды. / Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н., Яковлева Г.С., Глазов С.В., Полианчик Е.В. Альков Н.Г.; Заявл. 25.09.1996. Опубл.
27.07.1998, Б.И. № 21.
Электронные публикации:
1. Кислов В.М., Манелис Г.Б., Глазов С.В., Жолудев А.Ф., Патронова Л.И.
Газификация древесины в фильтрационном режиме со сверхадиабатическим разогревом. // Материалы XIII Симпозиума по Горению и Взрыву / 7-11 февраля 2005 г., Черноголовка, Россия. / Электронная публикация:
2. Манелис Г.Б., Глазов С.В., Тимофеев А.В., Яковлева Г.С., Жолудев А.Ф.
Газификация графита в фильтрационном режиме, Материалы XIII Симпозиума по Горению и Взрыву, 7-11 февраля 2005 г., Черноголовка, Россия. / Электронная публикация: content/Glazov.pdf.
3. Салганский Е.А., Кислов В.М., Глазов С.В., Жолудев А.Ф., Патронова Л.И., Манелис Г.Б. Горение углерода в фильтрационном режиме со сверхадиабатическим разогревом // Первая конференция по фильтрационному горению, 21 - 24 мая 2007 г., Черноголовка, МО. / Электронная публикация:
4. Салганская М.В., Глазов С.В., Салганский Е.А., Манелис Г.Б. Фильтрационное горение смесей, содержащих полимерные материалы // Первая конференция по фильтрационному горению, 21 - 24 мая 2007 г., Черноголовка, МО. / Электронная публикация:
5. Салганская М.В., Кислов В.М., Глазов С.В., Салганский Е.А., Жолудев А.Ф., Манелис Г.Б. Фильтрационное горение влажного топлива // Первая конференция по фильтрационному горению, 21 - 24 мая 2007 г., Черноголовка, МО. / Электронная публикация:
6. Кислов В.М., Глазов С.В., Червонная Н.А., Жолудев А.Ф., Манелис Г.Б.
Фильтрационное горение биомассы // Первая конференция по фильтрационному горению, 21 - 24 мая 2007, г. Черноголовка, МО. / Электронная публикация: