Моделирование фильтрационного горения твердого органического топлива и углерода
Диссертация
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… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. Литературный обзор
- 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
- 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
Список литературы
- 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.
- 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.
- Voice, E.W., and Wild, R., Iron Coal Trade Review «Importance of Heat Transfer and Combustion in Sintering», v. 175, p. 841−850 (1957).
- 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.
- Безденежных A.A., Орлов А. П., Тимофеев Н. В., Мунгалов В. Е., Григорьев Ю. А., Математическая модель процесса регенерации неподвижного слоякатализатора в адиабатическом реакторе. Теоретические основы химической технологии, т. 10, 1976, № 2, с. 219−225.
- Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких соединений. Вестник АН СССР, 1976, № 10, с. 76−84.
- Мержанов А.Г., Филоненко А. К., Боровинская И. П., Новые явления при горении конденсированных систем, ДАН СССР, 1979, т. 228, № 4, с. 892−894.
- Мержанов А.Г. Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов // Успехи химии, 72 (4) 2003, с. 323−345.
- Merzhanov A.G. The chemistry of self-propagating high-temperature synthesis // J. Mater. Chem., 2004, 14, 1779−1786.
- 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.
- 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.
- Шейнман А.Б., Малофеев Г. Е., Сергеев А. И., Воздействие на пласт теплом при добыче нефти, М., 1969.
- Амелин И.Д. Внутрипластовое горение, Москва, «Недра», 1980.
- Weinberg F.J. Combustion temperatures: the future? // Nature, V. 233 (1971), P. 239−241
- 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.
- Манелис Г. Б. Сверхадиабатика // Природа. 1996. № 3−4. С. 43.
- Aldushin А.Р., Seplyarsky. B.S. Sov. Phys. Dokl. 23:483−486 (1992).
- 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.
- Schult, D. A., Matkowsky, B. J., Volpert, V. A., Fernandez-Pello, A. C., Combust. Flame 104:1−26(1996).
- Schult, D. A., Matkowsky, B. J., Volpert, V. A., Fernandez-Pello, A. C., Combust. Flame 101:471−490(1995).
- Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., Combust. Sei. Technol. 00:1−67 (1997).
- Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., J. Eng. Math. 31:205−234 (1997).
- Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Schult, D. A., Combust. Flame 107:51−175 (1996).
- Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Shkadinsky, K. G., Shkadinskaya, G. V., Volpert, V. A., Combust. Sei. Technol. 99:313−343 (1994).
- Aldushin, A. P., Matkowsky, B. J., Combust. Sei. Technol. 140:259−293 (1998).
- Wahle C.W., Matkowsky B.J., Combust. Flame 124:14−34 (2001).
- Алдушин А.П. Теория фильтрационного горения: Дис.. д-ра физ.-мат. наук. Черноголовка, ОИХФ АН СССР, 1981 г.
- 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.
- Babkin V.S. Filtration combustion of gases. Present state of affairs and prospects // Pure and Appl. Chem. 1993. V. 65. P. 335−344.
- Добрего K.B., Жданок С.A. Физика фильтрационного горения газов / Минск: Ин-т тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАНБ, 2002, 203 с.
- Футько С.И., Жданок С. А. Химия фильтрационного горения газов / Минск: Бел. навука, 2004. 319 с.
- Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / М.: Наука, 1967.
- Алдушин А.П., Хайкин Б. И., Мержанов А. Г. // Докл. АН СССР, 1974, Т. 215, № 3.
- Алдушин А.П., Хайкин Б. И., Мержанов А. Г. // Докл. АН СССР, 1972, Т. 205, № 2.
- 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.
- Баренблатт Г. И., Зельдович Я. Б. // УМН, 1971, Т. 26, № 2.
- Выжол Ю.А. Сверхадиабатический режим фильтрационного горения гетерогенных систем: Дис.. канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ОИХФ АН СССР, 1990 г.
- Алдушин А.П. Теплопроводностный и конвективный режимы горения пористых систем при фильтрации теплоносителя // Физика горения и взрыва, 1990, Т. 26, № 2, С. 60−68.
- Новожилов Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив / М.: Наука, 1973.
- 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.
- Алдушин А.П., Каспарян С. Г. // Физика горения и взрыва, 1981, Т. 17, № 6.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Беккер А.В. Макрокинетическое моделирование сверхадиабатического фильтрационного горения углеродосодержащих материалов: Дис.. канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2004 г.
- Howard J.B., Williams G.C. and Fine D.H. Kinetics of Carbon Monoxide Oxidation in Postilame Gases // International Fourteenth Symposium on Combustion. The Combustion Institute. Pittsburgh. P.A. 1973. P. 975
- Козлов B.H. Пиролиз древесины. Изд. АН СССР, М. 1952
- Козлов В.Н., Нимвицкий А. А. Технология пирогенетической переработки древесины. Гослесбумиздат, М. 1954
- Поляков А.Е. Сухая перегонка древесины. Гослесбумиздат, М. 1937
- Ohlemiller T.J., Lucca D.A. Combustion and Flame. 1983. № 54, P. 131−147
- 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
- Tse S.D., Fernendez-Pello A.C., Miyasaka K. Twenty-Sixth Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute. 1996. Vol. 1. P. 15 051 513
- 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
- Aldushin A.P., Bayliss A., Matkowsky B.J. On the transition from smoldering to flaming // Combustion and Flame. 2006. № 145, P. 579−606
- Салганский E.A. Типы структур волны фильтрационного горения при газификации твердого горючего // Ежегодник ИПХФ РАН, 2004, Т. 1, С. 132 134.
- 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.
- 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
- Torero J.I., Fernandez-Pello A.C., Kitano M. Opposed forced flow smoldering of polyurethane foam // Combust. Sci. Technol., 91(1993), 95
- Leach S.V., Ellzey J.I., Ezekoye O.A. A numerical study of reverse smoldering // Combust. Sci. Technol., 130(1997), 244
- Larfeldt J., Leckner В., Melaaen M.C. Modeling and measurements of the pyrolysis of large wood particles // Fuel. 2000. № 79, P. 1637−1643
- 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
- Gronli M. A theoretical and experimental study of the thermal degradation of biomass / PhD thesis, Division of thermal energy and hydro power, Trondheim, 1996
- 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
- Shafizadeh F. In Rowell R. editor. The chemistry of pyrolysis and combustion. The chemistry of solid wood. Washington, DC: ACS, 1984, p. 489−529
- 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
- Antal M.J. Mathematical modeling of biomass pyrolysis phenomena // Fuel, 64(1985) 1483−1486
- Kothari V., Antal M.J. Numerical studies of the flash pyrolysis of cellulose // Fuel, 64(1985) 1487−1494
- 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
- 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
- Milosavljevic I., Suuberg Е.М. Cellulose thermal decomposition kinetics: global mass loss kinetics // Ind. Eng. Chem. Res., 1995, 34, 1081−1091
- Milosavljevic I., Oja V., Suuberg E.M. Thermal effects in cellulose pyrolysis: relationship to char formation processes // Ind. Eng. Chem. Res., 1996, 35, 653 662
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Avni E., Coughlin R.W., Solomon P.R., Hui King H. Mathematical modeling of lignin pyrolysis // Fuel, 1985, V. 64, p. 1495−1501
- 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
- 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, 806 812
- Волков Э.П., Герасимов Г. Я., Плешанов А. С. Кинетика и гидродинамика пиролиза углей и сланцев / М.: ЭНИН, 1994, 183 с.
- Sorum L., Gronli M.G., Hustad J.E. Pyrolysis characteristics and kinetics of municipal solid wastes // Fuel 80(2001) 1217−1227
- 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
- Boer K.W., Duffie J.A. Advances in solar energy / Plenum press: New York, V. 2, 1985
- Antal M.J., Varhegyi G. Cellulose pyrolysis kinetics: the current state of knowledge // Ind. Eng. Chem. Res. 1995, 34, 703−717
- 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.
- 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
- 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.
- Канторович Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. М.: Металлургиздат, 1960.
- Wakao N., Kaguil S. Heat and mass transfer in porous media. Gordon and Breach Science publ., 1982.
- 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
- Зельдович Я.Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва / М.: Наука, 1980, с. 478
- Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.
- 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
- Амелин И.И. Нижний концентрационный предел существования стационарной волны фильтрационного горения углерода: Дис.. канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2010 г.
- Фиалков A.C. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект пресс, 1997, 718 с.
- Асеева P.M., Заиков Г. Е. Горение полимерных материалов // М.: «Наука», 1981,280 с.
- 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.
- 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.
- Haslan R.T. // Industrial Engineering Chemistry, V. 15, P. 679, 1983
- Лайров H.B., Розенфельд E.H., Хаустович Г. Н. Процессы горения топлива и защита окружающей среды / Москва: Металлургия, 1981
- Baulch P.L. // Combustion and Flame, 98:59−79, 1994
- Govind R., Shan J. Modeling and simulation of an entrained flow coal gasifire // AIlhE Journal, 1984, V. 30, № 1, P. 79−91
- Bews I.M., Hayhurst A.N., Richardson S.M., Taylor S.G. // Combustion and Flame, 124:231−245 (2001)
- Field M.A., Fill D.V., Morgan B.B., Hawksley P.G.W. Combustion of pulverized coal / BCURA, leaher head, England, 1 967 114.115.116,117 118 119 120 121 113 458 319 250 423 808
- 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
- Young B.C. // Proceeding of the International conference on coal science, Verlag Glue Kauf Essen, 1981, P. 260
- 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
- Cho S.V., Yetter R.A., Dryer F.L. //J. Comp.Phys. 102:160 (1992)
- Yetter R.A., Dryer F.L., Rabitz H. // Comb. Science Tech., 79:97−128 (1991)
- Smith I.W. The intrinsic reactivity of carbons to oxygen // Fuel, 1978, V. 57, P. 409−414
- Головина E.C. Высокотемпературное горение и газификация углерода / М.: Энергоатомпродукт, 1983
- Li С., Brown Т.С. Carbon oxidation kinetics from evolved carbon oxide analysis during temperature- programmed oxidation // Carbon, 2001, V. 39, P. 725−732.
- Головина E.C. Об окислении некоторых углей // Известия АН СССР. ОТН. 1949, № 9, С. 1343−1351
- 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.
- Какуткина Н.А., Мбарава М. Переходные процессы при фильтрационном горении газов // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40, № 5. СС. 62−73.
- 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.
- С (Дж/моль*К) удельная теплоемкостьд (Вт/м3) теплоприход от химической реакции (Дж/моль) тепловой эффект химической реакциил
- Ж (моль/м *с) скорость химической реакции С (моль/м *с) — удельный расход газового компонента ?> (м2/с) — коэффициент диффузииа, (Вт/м3*К) эффективный коэффициент межфазного теплообменаа2 (Вт/м3*К) эффективный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду
- Л (Вт/м*К) эффективный коэффициент теплопроводности фазые доля тепла гетерогенных реакций остающаяся в твердой фазец вязкость воздухау стехиометрический коэффициент
- Е (Дж/моль) энергия активациик0 предэкспоненциальный множитель
- Я (Дж/моль*К) универсальная газовая постоянная
- Ь значение в зоне горения р — значение в зоне пиролиза О — начальное состояние.