Экспериментальные исследования горения твердого топлива в среде с активированным окислителем

УДК 621.311

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СРЕДЕ С АКТИВИРОВАННЫМ ОКИСЛИТЕЛЕМ

© 2013 г. А.В. Рыжков, А.С. Ощепков

ООО НИИ «Этап» Scientific Research Institute «Etap»

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса сжигания твердого топлива в среде с активированным окислителем. Анализ динамических характеристик показывает, что при активации кислорода воздуха интенсивность исследуемого процесса возрастает. Это, в свою очередь, влияет на качество выгорания угольной пыли.

Ключевые слова: окисление углерода; термогравиметрический анализ; генератор синглетного кислорода; астрален; ксеноновая лампа.

In article are presented results of experimental researches of solid fuel burning in the environment with the activated oxidizer. The analysis of dynamic characteristics shows that intensity of researched process increases after activation of air oxygen. That influences the quality of a coal dust burning.

Keywords: carbon oxidation; thermogravimetric analysis; generator of singlet oxygen; astralen; xenon lamp.

Теоретические исследования изменения интенсивности процессов воспламенения и горения твердого топлива [1] показали необходимость проведения экспериментов с целью подтверждения влияния нано-материалов на активность окислителя. Для подтверждения выработанных предположений был проведен ряд испытаний, основанных на термогравиметрическом методе. Метод термогравиметрического анализа заключается в непрерывном взвешивании массы образца при нагревании в окислительной среде. Окислительная способность оценивалась по потере массы образца и скорости потери массы (скорости окисления) в среде воздуха.

В качестве твердого топлива использовался антрацитовый штыб (АШ) месторождения Восточного Донбасса. Характеристики твердого топлива, участвовавшего в экспериментальных исследованиях, приведены в табл. 1. В качестве контактной поверхности, оказывающей влияние на кислород воздуха, использовались стеклянные пластины с нанесенным на них углеродным наноматериалом - «Астраленом» [2].

Таблица 1

Характеристики твердого топлива

Параметр Величина

Рабочая зольность топлива, % 30,23

Серы в рабочей массе топлива, % 0,35

Выход летучих, % 8,76

Теплота сгорания по бомбе, МДж/кг 23,62

В табл. 2 представлены основные параметры, характеризующие используемые в исследованиях наноструктуры.

Таблица 2

Общая характеристика углеродного наноматериала «Астрален»

Параметр Величина

Насыпная плотность, г/ см3 0,6 - 0,8

Межслоевые расстояния, нм 0,342

Термобароустойчивость (3000 °С), не менее,кбар 50

Степень графитации, не более 0,2

Средний размер частиц, нм 80 - 150

Средний размер пор, нм 20 - 60

Содержание углерода, не менее, % 99,99

Истинная плотность, г/ см3 2,2

Пластины подвергались излучению, испускаемому импульсным источником света - стробоскопической ксеноновой лампой. Характерными особенностями ксеноновых ламп являются максимальное приближение спектра излучения к солнечному и высокая интенсивность светового потока [3]. В исследованиях частота вспышки ксеноновой лампы была установлена на значение 2 Гц.

Основной задачей проведения экспериментальных исследований стало определение динамики изменения массы навески горящей угольной пыли в среде с активированным окислителем и сравнение результатов с экспериментами горения в обычном воздухе.

В процессе обработки экспериментальных данных при построении термогравиметрических кривых, отражающих динамику горения, определялись следующие величины [4]:

1. Степень окисления (потеря массы) навески антрацита в текущий момент времени т, %:

g=ш^-Шм. юс.

Ш;

2. Скорость окисления массы образца в данном температурном или временном интервале йт, %/мин:

dGt dG;+1 - dGt

d т.

d т+1 - d т

где т(, т(+1 - вес навески образца антрацита в момент времени I, /+1 соответственно; тг-, тг-+1 - момент времени;

Обобщенные результаты термогидравлического анализа при сжигании топлива весом 2 г в воздушной среде и в среде с активированным окислителем представлены на рис. 1 и 2.

100

200

300

400

500

600

700

800

J Температура, оС

Рис. 1. Обобщенные экспериментальные данные по потерям массы антрацита в зависимости от температуры при сжигании в воздушной среде и в среде с синглетным кислородом: ♦ - в воздушной среде;  - в среде с активным окислителем (¿пл. = 200 см2);  - в среде с активным окислителем (¿пл. = 100 см2); • - в среде с активным окислителем

3,5

2,5

1,5

0,5

-0,5

100

200

300

400

500

600

700

800

Температура, оС

Рис. 2. Обобщенные экспериментальные данные по скоростям потери массы антрацита в зависимости от температуры при сжигании в воздушной среде и в среде с синглетным кислородом: ♦ - в воздушной среде;  - в среде с активным окислителем (¿пл. = 200 см2);  - в среде с активным окислителем (¿пл. = 100 см2); • - в среде с активным окислителем

Первая серия экспериментов по сжиганию навесок топлива была проведена в среде обычного воздуха при изменении температуры от 20 до 950 °С. Расход воздуха составлял 400 мл/с. При сжигании навески в воздушной среде наблюдалась зависимость, говорящая о химических реакциях, протекающих на поверхности топливных частиц при взаимодействии с составляющими воздуха, и основной из этих реакций является окисление углерода. Анализ этих зависимостей говорит о том, что в диапазоне температур 100 -500 °С происходит выделение влаги и, как следствие, потеря массы здесь мала, скорость потери массы не превышает 0,5 %/с.

При подъеме температуры выше 500 °С скорость потери массы резко возрастает, достигая пика при 700 - 750 °С, а затем снова снижается до нуля при 950 °С. Изменение массы останавливается на значении 72 % от общей массы навески топлива.

В соответствии с методикой экспериментальных исследований были проведены опыты по сжиганию навески антрацита с включенным генератором синг-летного кислорода в линию воздушного дутья (рис. 1 и 2). Число пластин с нанесенным на них астраленом в эксперименте изменялось от 2 до 6, за счет чего менялась и площадь поверхности контакта в следующем порядке: 100, 200 и 300 см2.

Результаты термогравиметрических исследований по сжиганию навески твердого низкореакционного топлива в среде активированного окислителя свидетельствуют о том, что синглетный кислород, образующийся посредством фотохимии при контакте с углеродным наноматериалом, действительно повышает качественные характеристики процесса горения топлива. А именно во всех опытах (рис. 1 и 2) кривая изменения массы навески в большей или меньшей

степени смещалась влево, в сторону более низких температур на 40 - 50 °С, при этом увеличивается угол ее наклона, что говорит об ускорении процесса горения. За счет этого предел выгорания в 72 % достигается раньше, чем в среде молекулярного кислорода воздуха. Явный пик кривой скорости потери массы приходится на интервал температур 650 - 750 °С. Таким образом, экспериментально установлено, что использование наноматериала с целью генерации синглетного кислорода ускоряет процесс окисления антрацита, повышая качество процесса горения топлива.

Кривые скорости потери массы имеют скачкообразный вид. Это явление объясняется образованием оболочки вокруг частиц топлива, состоящей из СО и СО2, плотность которых выше плотности воздуха. Оболочка блокирует доступ кислорода к углероду в течение некоторого времени. Затем целостность оболочки нарушается, вследствие чрезмерного ее расширения, и окисление углерода возобновляется.

Стоит отметить, что немаловажным результатом экспериментальных исследований является тот факт, что наибольший эффект при сжигании 2 г твердого топлива в среде с активированным окислителем наблюдался при использовании пластин астралена общей площадью 200 см2. Дальнейшее увеличение суммарной площади до 300 см2 не вело к ускорению процесса реагирования, а в некоторых опытах даже снижалось в сравнении с результатами использования пластин площадью 200 см2. Это может быть связано с тем, что при заданных начальных условиях эксперимента - расхода воздуха, мощности импульсной лампы, длине волны испускаемого ею излучения - объем вырабатываемого синглетного кислорода не может превысить определенной величины.

Таблица 3

Показатели процесса горения антрацита в среде синглетного кислорода

Площадь пластин Среда 20 -- 200 °С Интервал основной потери массы Потеря массы, при 950 °С, % V

Vmax., %/с Т °С 1 тах> ^ Т - Т °С L нач L кон ^ Vmax, %/с Т °С 1 тах> ^

- Воздух 0,2 50 450 - 925 2,2 715 72

100 см2 Воздух + сингл. кислород 0,25 90 510 - 880 2,5 695 72

200 см2 Воздух + сингл. кислород 0,4 70 490 - 855 2,8 740 72

300 см2 Воздух + сингл. кислород 0,4 100 520 - 860 2,7 680 72

Примечание. Тнач - начало потери массы (начало выхода летучих веществ), °С; 7кон - конечная температура интервала, °С; Ттах - температура максимума скорости потери массы в данном временном интервале, °С.

Также предполагается, что не весь кислород воздуха вступает в реакцию с углеродом топлива, и дальнейшее увеличение выработки его активированной формы не сможет привести к увеличению числа элементарных реакций между этими химическими элементами.

Полученные показатели процесса окисления антрацита с различной суммарной площадью пластин приведены в табл. 3.

Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 3, говорит об уменьшении интервала температур, при которых выгорает основная масса навески топлива. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что скорость процесса окисления в воздухе, в котором некоторая доля кислорода имеет синглетную форму, возрастает. Увеличение скорости лежит в пределах 2 - 3 %.

Данная статья подготовлена в ходе работ по государственному контракту № 16.516.11.6012 Министерства образования и науки РФ, в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным на-

правлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 - 2013 гг.»

Литература

1. Исследование принципов активации окислителя горения органического топлива и разработка способа интенсификации сжигания низкореакционного угля в котлах ТЭС : Отчет о НИР по теме в рамках государственного контракта от «18» апреля 2011 г. № 16.516.11.6012, Шифр 2011-1.6-516-020-039, 2 этап (промежуточный отчет).

2. Тороподобные углеродные фуллероидные наночастицы Астрален-А, Астрален-В [Электронный ресурс] / Сайт ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий» - Режим доступа: http://www.nanoteh.ru/production/astralen.html , свободный, - Загл. с экрана. Яз. рус. (дата обращения 25.08.12).

3. Левашов Ю. Лампы-вспышки компании РегЫпЕ1тег Ор^эе1е^гошс // Компоненты и технологии. 2004. № 2. С. 34 - 38

4. Уэндландт У. Термические методы анализа. М., 1978. 526 с.

Поступила в редакцию 27 сентября 2012 г.

Рыжков Антон Владимирович - инженер, ООО НИИ «Этап». Тел. (8635)22-73-11. E-mail: ryzhkov.anton@mail. ru

Ощепков Андрей Сергеевич - инженер, ООО НИИ «Этап». Тел. (8635)22-73-11. E-mail: andrewos@rambler.ru

Ryzhkov Anton Vladimirovich - engineer, Scientific research institute «Etap». Ph. (8635)22-73-11. E-mail: ryzhkov. anton@mail.ru

Oshepkov Andrey Sergeevich - engineer, Scientific research institute «Etap». Ph. (8635)22-73-11. E-mail: andrewos@rambler.ru