ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И КИНЕТИКО-ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
|
направлено диссертационное исследование, заключается в недостаточном развитии теории термохимической конверсии твердых топлив (ТТ), в том числе низкосортных топлив, таких как биомасса и низкосортные угли. При численном описании конверсии и проектировании ее аппаратов важно знать количественные закономерности целого ряда одновременно протекающих процессов. Развитие методов численного моделирования процессов конверсии НТТ существенно тормозится как дефицитом представлений об их механизмах (и вследствие этого - высокой вариабельностью кинетических коэффициентов), так и отсутствием общих методов получения и учета этих коэффициентов. Одной из трудностей описания реальных процессов конверсии выступает наличие в них смешанного газифицирующего агента, включающего несколько индивидуальных окислителей: кислорода, водяного пара, углекислого газа. Кроме того, в силу высокой значимости переходных процессов при моделировании конверсии НТТ , необходимо учитывать как технические характеристики исходного топлива, так и изменение этих характеристик по ходу конверсии. Выработка рекомендаций, направленных на создание единого подхода к описанию кинетики термохимической конверсии топлива и формирование унифицированного банка данных кинетических коэффициентов, является актуальной научной задачей. Само существование единого подхода и стандартизованных референтных данных повышает прогнозные свойства моделей, что делает их эффективным инструментом для проектирования энергетических процессов и аппаратов.
Результаты диссертационной работы соответствуют приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ (энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и перечню критических технологий РФ (Технологии новых и возобновляемых источников энергии; Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе).
Степень разработанности темы исследования. Термохимическая конверсия твердых топлив - это многостадийный гетерогенный процесс, объединяющий в себе большое количество элементарных реакций, экспериментальное разделение которых затруднено. Поэтому построение адекватного механизма этого процесса является нетривиальной задачей. В связи с этим, большинство исследователей используют укрупненные механизмы, а кинетику конверсии твердых топлив аппроксимируют реакцией первого порядка при одностадийном протекании процесса, без учета индивидуальной кинетики смолообразования, выхода летучих, конверсии кокса. Этот подход приводит к значительному отклонению расчетных профилей температуры, состава газа и т.д. при численном моделировании изучаемого процесса от экспериментально полученных данных.
В справочной литературе приводятся значения технических характеристик многих твердых топлив. Вместе с тем, естественная изменчивость свойств топлив в пределах отдельного месторождения и освоение новых месторождений делают список справочных значений весьма неполным для практических целей. В справочной литературе отсутствуют данные о технических характеристиках низкосортных и композитных топлив, полученных из биомассы, смесей углей, торфов, сланцев, либо из промышленных отходов, твердых бытовых отходов. В настоящее время определение технических характеристик регламентируется большим числом стандартов, в которых описано использование методов теплофизического анализа. Согласно этим стандартам нельзя одновременно определить весь набор технических характеристик. В случае комплексного исследования свойств топлива использование большого числа параллельных проб при определении технических характеристик увеличивает погрешность их определения. Данный факт делает актуальным поиск более универсального и экспрессного метода. В диссертационной работе в качестве такого метода рассмотрен комплексный термический анализ. Термический анализ позволяет в ходе исследования одной навески определить практически весь набор технических характеристик топлива, за исключением выхода летучих. Вместе с тем, пока не существует стандартной методики определения этих характеристик, поэтому актуален вопрос разработки такой методики. Кроме того, сложность ее разработки заключается в том, что при наиболее распространенной масс-спектрометрической регистрации продуктов конверсии ряд компонентов газовой фазы имеет одинаковые массовые числа, например, молекулярный азот и моноксид углерода, поэтому необходимо разработать процедуру корректного учета вклада компонента газовой фазы в сигнал по соответствующему массовому числу.
При термохимической конверсии топлив с высоким содержанием окислителя, таких как биомасса, имеется стадия внутреннего горения, которая существенно влияет на процесс. Данная стадия сопровождается образованием радикалов, которые могут инициировать реакции между газообразными продуктами термолиза и искажать результаты измерений. В этой связи важно знать пределы погрешности масс-спектрометрических измерений. В российской и зарубежной литературе отсутствуют сведения об оценке влияния свободных радикалов на результаты измерений при термохимической конверсии твердых топлив в условиях термического анализа.
Цели работы: комплексное исследование теплофизических свойств низкосортных твердых топлив. Кинетический анализ термохимической конверсии ТТ, определение их реакционной способности. Использование данных, полученных с помощью термического анализа, при составлении упрощенных кинетических уравнений для численного моделирования термохимической конверсии твердых топлив.
Задачи работы:
— Определение потенциала современных методов комплексного термического анализа в обеспечении исходными данными численных моделей процессов горения и переработки топлив.
— Определение технических характеристик твердых топлив и смол методом термического анализа.
— Установление механизма и кинетических закономерностей взаимодействия НТТ с разными газифицирующими агентами.
- Формирование банка кинетических коэффициентов для термохимической конверсии твердых топлив.
- Формирование упрощенных кинетических уравнений для численного моделирования.
- Кинетико-термодинамическое моделирование процессов термохимической конверсии НТТ.
Научная новизна:
1. Разработана методика определения технических характеристик твердых топлив и угольных смол в ходе одного измерения. Прежде такой общности достигнуть не удавалось. Данная методика протестирована на различных образцах твердых топлив - углей разной степени метаморфизма, биомассы разных видов, шлам-лигнинов, коксов и др. Исследовано изменение элементного состава топлива и теплоемкости по ходу конверсии твердых топлив.
2. Впервые установлено влияние процессов, протекающих в поверхностном слое частицы, на концентрацию радикалов в газовой фазе и дана количественная оценка этого влияния.
3. Исследована стадия выхода летучих веществ для конверсии углей из месторождений Красноярского края, Иркутской и Кемеровской области, Урала и Дальнего Востока, антрацита и сибирской сосны (РтилЗТЪтсил). Установлена реакционная способность углей. Установлена динамика газовыделения и кинетические закономерности стадии выхода летучих изучаемых топлив. Ранее постадийное исследование конверсии большинства этих топлив методами термоанализа не выполнялось.
4. Определены значения кинетических коэффициентов термохимической конверсии древесной биомассы и азейского бурого угля. Показано влияние концентрации газифицирующего агента (пар, воздух, аргон, углекислота) в составе газа на процесс газификации азейского угля. Результаты этих измерений впервые позволили создать самосогласованный массив кинетических данных для моделирования параллельных взаимодействий в условиях практической конверсии.
5. Проведено кинетико-термодинамическое моделирование процессов конверсии древесной биомассы, с использованием данных термического анализа (зависимость элементного состава и теплоемкости от степени конверсии топлива, кинетические коэффициенты). Сделано сопоставление рассчитанных концентраций газов и профилей температур с экспериментальными данными, с термодинамически равновесными концентрациями. Кроме того, сравнивалось влияние на концентрации газов и профилей температур, различных способов расчета теплоемкости топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что исследования, проведенные с использованием комплексного термического анализа, позволили выяснить особенности кинетики реакций ТТ в атмосферах различных окислителей и получить уравнения для расчета скорости срабатывания топлива, которые позволяют объяснить наблюдаемые эффекты в реальных установках. Рассчитанные кинетические константы применяются для формирования макрокинетических ограничений в термодинамических моделях расчета процессов конверсии ТТ. Учет макрокинетических ограничений позволил получить реалистичное описание процессов газификации топлив вдали от состояния конечного равновесия. В ходе работы получено несколько результатов, представляющих самостоятельную ценность. В первую очередь, разработана методика технического анализа твердых и жидких образцов средствами термоаналитических измерений, а также оценка точности масс- спектрометрических измерений в условиях быстропротекающих термохимических превращений. Разработанные методики являются универсальными и могут быть применены как для качественного сортового топлива (каменные угли), так и для низкосортных твердых топлив (шлам-лигнины, ТБО, отходы углеобогатительных фабрик и промышленных производств).
Основные результаты диссертации получены в рамках НИР, выполняемой по гранту РНФ «Решение проблемы применения бедных промышленных и синтез - газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле» (2014-2016 гг. соглашение от 26.06.2014 г. № 14-19-00524). В рамках программы стипендий Президента РФ 2013 - 2015 гг.
Методология и методы исследования. В работе использовано сочетание методов математического моделирования, физического эксперимента и инструментальных исследований.
Физический эксперимент проводился на лабораторном стенде термохимической конверсии твердого топлива.
Инструментальные исследования теплофизических свойств топлив и образцов различной степени термического превращения, а также установление кинетических зависимостей проводились с применением комплекса синхронного термического анализа производства компании №1/зей, Германия.
Разработанные математические модели основаны на уравнениях термодинамики и химической кинетики и методах математического программирования.
Положения, выносимые на защиту:
- Методика определения технических характеристик твердых топлив, образцов разной степени конверсии и пиролитических смол;
- оценка количества радикалов, образующихся при газификации биомассы;
- результаты экспериментальных исследований динамики газовыделения и кинетики конверсии углей на стадии выхода летучих;
- результаты экспериментальных исследований кинетики конверсии углей на стадии выгорания коксового остатка в разных газовых средах;
- формирование информации (элементный состав топлива и огарков, технические характеристики, теплофизические свойства), необходимой для численного кинетического и термодинамического моделирования.
Личный вклад автора:
- проведен анализ теплотехнических свойств твердого топлива;
- проведен кинетический анализ стадий выхода летучих и конверсии кокса;
- сформирован банк кинетических коэффициентов для термохимической конверсии твердых топлив;
- выполнено формирование данных для численного моделирования конверсии;
- произведено сопоставление результатов численного моделирования термохимической конверсии биомассы (осины) с использованием в качестве исходной информации результатов термического анализа и экспериментальных данных;
- выполнено обобщение полученных результатов.
Часть работы выполнена автором совместно с коллегами:
- численное моделирование выполнено совместно с к.т.н. И.Г. Донским;
- в получении огарков с различной степенью конверсии автору помог инж. Д.А. Свищев;
- в обсуждении результатов работы приняли участие д.т.н. Б.М. Каганович и к.ф.-м.н. М.С. Зароднюк.
Достоверность результатов обеспечивается применением современного высокоточного оборудования для исследования термохимической конверсии НТТ, воспроизводимостью результатов измерений и сопоставлением полученных результатов с известными литературными данными, а также сопоставлением численных оценок с результатами физического эксперимента.
Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2006-2016 гг.); на XXXII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2015); на IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложение» (Новосибирск, 2015); на 39-ой и 42-ой конференции Североамериканского термоаналитического общества (Des Moines, Iowa, 2011, Santa Fe, New Mexico, 2014); на 15-ом международном конгрессе «ICTAC» (International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry, Higashi-Osaka, Japan, 2012); на 4-ом международном симпозиуме по газификации (Vienna, Austria, 2014); на 7, 11, 12 и 13-ой международной конференции «Sustainable Energy Technologies» (2006, 2012, 2013, 2015); на VIII всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012); на XIV Симпозиуме по горению и взрыву, г. Черноголовка (2008), на Х Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем», г. Красноярск (2007); на 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», г. Екатеринбург (2007).
По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК и 4 работы в журналах, индексируемых в Web of Science, одна глава монографии, 10 работ в трудах российских и зарубежных конференций и 3 работы в прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 158 наименований, и двух приложений. Диссертация изложена на 151странице и снабжена 50 рисунками и 21 таблицей.
Результаты диссертационной работы соответствуют приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ (энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и перечню критических технологий РФ (Технологии новых и возобновляемых источников энергии; Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе).
Степень разработанности темы исследования. Термохимическая конверсия твердых топлив - это многостадийный гетерогенный процесс, объединяющий в себе большое количество элементарных реакций, экспериментальное разделение которых затруднено. Поэтому построение адекватного механизма этого процесса является нетривиальной задачей. В связи с этим, большинство исследователей используют укрупненные механизмы, а кинетику конверсии твердых топлив аппроксимируют реакцией первого порядка при одностадийном протекании процесса, без учета индивидуальной кинетики смолообразования, выхода летучих, конверсии кокса. Этот подход приводит к значительному отклонению расчетных профилей температуры, состава газа и т.д. при численном моделировании изучаемого процесса от экспериментально полученных данных.
В справочной литературе приводятся значения технических характеристик многих твердых топлив. Вместе с тем, естественная изменчивость свойств топлив в пределах отдельного месторождения и освоение новых месторождений делают список справочных значений весьма неполным для практических целей. В справочной литературе отсутствуют данные о технических характеристиках низкосортных и композитных топлив, полученных из биомассы, смесей углей, торфов, сланцев, либо из промышленных отходов, твердых бытовых отходов. В настоящее время определение технических характеристик регламентируется большим числом стандартов, в которых описано использование методов теплофизического анализа. Согласно этим стандартам нельзя одновременно определить весь набор технических характеристик. В случае комплексного исследования свойств топлива использование большого числа параллельных проб при определении технических характеристик увеличивает погрешность их определения. Данный факт делает актуальным поиск более универсального и экспрессного метода. В диссертационной работе в качестве такого метода рассмотрен комплексный термический анализ. Термический анализ позволяет в ходе исследования одной навески определить практически весь набор технических характеристик топлива, за исключением выхода летучих. Вместе с тем, пока не существует стандартной методики определения этих характеристик, поэтому актуален вопрос разработки такой методики. Кроме того, сложность ее разработки заключается в том, что при наиболее распространенной масс-спектрометрической регистрации продуктов конверсии ряд компонентов газовой фазы имеет одинаковые массовые числа, например, молекулярный азот и моноксид углерода, поэтому необходимо разработать процедуру корректного учета вклада компонента газовой фазы в сигнал по соответствующему массовому числу.
При термохимической конверсии топлив с высоким содержанием окислителя, таких как биомасса, имеется стадия внутреннего горения, которая существенно влияет на процесс. Данная стадия сопровождается образованием радикалов, которые могут инициировать реакции между газообразными продуктами термолиза и искажать результаты измерений. В этой связи важно знать пределы погрешности масс-спектрометрических измерений. В российской и зарубежной литературе отсутствуют сведения об оценке влияния свободных радикалов на результаты измерений при термохимической конверсии твердых топлив в условиях термического анализа.
Цели работы: комплексное исследование теплофизических свойств низкосортных твердых топлив. Кинетический анализ термохимической конверсии ТТ, определение их реакционной способности. Использование данных, полученных с помощью термического анализа, при составлении упрощенных кинетических уравнений для численного моделирования термохимической конверсии твердых топлив.
Задачи работы:
— Определение потенциала современных методов комплексного термического анализа в обеспечении исходными данными численных моделей процессов горения и переработки топлив.
— Определение технических характеристик твердых топлив и смол методом термического анализа.
— Установление механизма и кинетических закономерностей взаимодействия НТТ с разными газифицирующими агентами.
- Формирование банка кинетических коэффициентов для термохимической конверсии твердых топлив.
- Формирование упрощенных кинетических уравнений для численного моделирования.
- Кинетико-термодинамическое моделирование процессов термохимической конверсии НТТ.
Научная новизна:
1. Разработана методика определения технических характеристик твердых топлив и угольных смол в ходе одного измерения. Прежде такой общности достигнуть не удавалось. Данная методика протестирована на различных образцах твердых топлив - углей разной степени метаморфизма, биомассы разных видов, шлам-лигнинов, коксов и др. Исследовано изменение элементного состава топлива и теплоемкости по ходу конверсии твердых топлив.
2. Впервые установлено влияние процессов, протекающих в поверхностном слое частицы, на концентрацию радикалов в газовой фазе и дана количественная оценка этого влияния.
3. Исследована стадия выхода летучих веществ для конверсии углей из месторождений Красноярского края, Иркутской и Кемеровской области, Урала и Дальнего Востока, антрацита и сибирской сосны (РтилЗТЪтсил). Установлена реакционная способность углей. Установлена динамика газовыделения и кинетические закономерности стадии выхода летучих изучаемых топлив. Ранее постадийное исследование конверсии большинства этих топлив методами термоанализа не выполнялось.
4. Определены значения кинетических коэффициентов термохимической конверсии древесной биомассы и азейского бурого угля. Показано влияние концентрации газифицирующего агента (пар, воздух, аргон, углекислота) в составе газа на процесс газификации азейского угля. Результаты этих измерений впервые позволили создать самосогласованный массив кинетических данных для моделирования параллельных взаимодействий в условиях практической конверсии.
5. Проведено кинетико-термодинамическое моделирование процессов конверсии древесной биомассы, с использованием данных термического анализа (зависимость элементного состава и теплоемкости от степени конверсии топлива, кинетические коэффициенты). Сделано сопоставление рассчитанных концентраций газов и профилей температур с экспериментальными данными, с термодинамически равновесными концентрациями. Кроме того, сравнивалось влияние на концентрации газов и профилей температур, различных способов расчета теплоемкости топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что исследования, проведенные с использованием комплексного термического анализа, позволили выяснить особенности кинетики реакций ТТ в атмосферах различных окислителей и получить уравнения для расчета скорости срабатывания топлива, которые позволяют объяснить наблюдаемые эффекты в реальных установках. Рассчитанные кинетические константы применяются для формирования макрокинетических ограничений в термодинамических моделях расчета процессов конверсии ТТ. Учет макрокинетических ограничений позволил получить реалистичное описание процессов газификации топлив вдали от состояния конечного равновесия. В ходе работы получено несколько результатов, представляющих самостоятельную ценность. В первую очередь, разработана методика технического анализа твердых и жидких образцов средствами термоаналитических измерений, а также оценка точности масс- спектрометрических измерений в условиях быстропротекающих термохимических превращений. Разработанные методики являются универсальными и могут быть применены как для качественного сортового топлива (каменные угли), так и для низкосортных твердых топлив (шлам-лигнины, ТБО, отходы углеобогатительных фабрик и промышленных производств).
Основные результаты диссертации получены в рамках НИР, выполняемой по гранту РНФ «Решение проблемы применения бедных промышленных и синтез - газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле» (2014-2016 гг. соглашение от 26.06.2014 г. № 14-19-00524). В рамках программы стипендий Президента РФ 2013 - 2015 гг.
Методология и методы исследования. В работе использовано сочетание методов математического моделирования, физического эксперимента и инструментальных исследований.
Физический эксперимент проводился на лабораторном стенде термохимической конверсии твердого топлива.
Инструментальные исследования теплофизических свойств топлив и образцов различной степени термического превращения, а также установление кинетических зависимостей проводились с применением комплекса синхронного термического анализа производства компании №1/зей, Германия.
Разработанные математические модели основаны на уравнениях термодинамики и химической кинетики и методах математического программирования.
Положения, выносимые на защиту:
- Методика определения технических характеристик твердых топлив, образцов разной степени конверсии и пиролитических смол;
- оценка количества радикалов, образующихся при газификации биомассы;
- результаты экспериментальных исследований динамики газовыделения и кинетики конверсии углей на стадии выхода летучих;
- результаты экспериментальных исследований кинетики конверсии углей на стадии выгорания коксового остатка в разных газовых средах;
- формирование информации (элементный состав топлива и огарков, технические характеристики, теплофизические свойства), необходимой для численного кинетического и термодинамического моделирования.
Личный вклад автора:
- проведен анализ теплотехнических свойств твердого топлива;
- проведен кинетический анализ стадий выхода летучих и конверсии кокса;
- сформирован банк кинетических коэффициентов для термохимической конверсии твердых топлив;
- выполнено формирование данных для численного моделирования конверсии;
- произведено сопоставление результатов численного моделирования термохимической конверсии биомассы (осины) с использованием в качестве исходной информации результатов термического анализа и экспериментальных данных;
- выполнено обобщение полученных результатов.
Часть работы выполнена автором совместно с коллегами:
- численное моделирование выполнено совместно с к.т.н. И.Г. Донским;
- в получении огарков с различной степенью конверсии автору помог инж. Д.А. Свищев;
- в обсуждении результатов работы приняли участие д.т.н. Б.М. Каганович и к.ф.-м.н. М.С. Зароднюк.
Достоверность результатов обеспечивается применением современного высокоточного оборудования для исследования термохимической конверсии НТТ, воспроизводимостью результатов измерений и сопоставлением полученных результатов с известными литературными данными, а также сопоставлением численных оценок с результатами физического эксперимента.
Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2006-2016 гг.); на XXXII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2015); на IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложение» (Новосибирск, 2015); на 39-ой и 42-ой конференции Североамериканского термоаналитического общества (Des Moines, Iowa, 2011, Santa Fe, New Mexico, 2014); на 15-ом международном конгрессе «ICTAC» (International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry, Higashi-Osaka, Japan, 2012); на 4-ом международном симпозиуме по газификации (Vienna, Austria, 2014); на 7, 11, 12 и 13-ой международной конференции «Sustainable Energy Technologies» (2006, 2012, 2013, 2015); на VIII всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012); на XIV Симпозиуме по горению и взрыву, г. Черноголовка (2008), на Х Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем», г. Красноярск (2007); на 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», г. Екатеринбург (2007).
По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 5 работ в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК и 4 работы в журналах, индексируемых в Web of Science, одна глава монографии, 10 работ в трудах российских и зарубежных конференций и 3 работы в прочих изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 158 наименований, и двух приложений. Диссертация изложена на 151странице и снабжена 50 рисунками и 21 таблицей.
По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:
1. Определен круг задач, решаемых с использованием термического анализа и масс-спектрометрии при изучении и моделировании процессов конверсии НТТ.
2. Выполнено комплексное исследование термохимической конверсии низкосортных твердых топлив. Исследовано изменение элементного состава и удельной теплоемкости. Для этого были разработаны методики определения технических характеристик твердых топлив и угольных смол. Усовершенствована стандартная методика определения удельной теплоемкости для топлив с низкой насыпной плотностью. Установлено, что в условиях проведения термохимической конверсии твердых топлив (соломы), радикалы образуются в незначительном количестве и не способны повлиять на состав образующихся газовых компонентов.
3. Исследована стадия выхода летучих углей, антрацита и древесины в зависимости от степени метаморфизма. Выведено кинетическое уравнение, описывающее связь между предэкспоненциальным множителем и энергией активации, из которого следует, что чем выше значение предэкспоненциального множителя, тем больше энергия активации.
4. Исследована кинетика конверсии кокса бурого азейского угля в зависимости от содержания пара и углекислоты в составе реагирующей среды с использованием модели объемного реагирования. Показано, что в случае паровой конверсии кокса происходит смена механизма взаимодействия пара с углеродом кокса. При низкой концентрации пара (2 - 10%) проходит гетерогенный процесс взаимодействия пара с углеродом с образованием СО2, затем с увеличением содержания пара доминирующим механизмом становится гомофазная реакция водяного сдвига. В случае углекислотной конверсии проходит реакция Будуара и содержание образующегося СО не зависит от начального содержания СО2 в составе газа. Сформирован банк данных о кинетике конверсии твердых топлив и кокса.
5. Установлено, что разные исходные данные о значениях удельной теплоемкости приводят к близким по суммарной погрешности результатам расчета, однако использование измеренных с помощью термического анализа данных предпочтительнее, поскольку они позволяют более реалистично описать тепловые и химические процессы в слое топлива. Сопоставление и верификация расчетов были выполнены с использованием рекомендованных Эйзерманом формул для определения теплоемкостей, а также экспериментальных данных, полученных на лабораторном стенде конверсии.
6. Показано, что применяемые в диссертационной работе методы исследования могут быть использованы для описания теплофизических свойств, элементного состава, технических характеристик, кинетических закономерностей, численного моделирования не только древесины и углей, но и для изучения термохимической конверсии качественных топлив.
Предложенная в диссертационной работе методика определения химического анализа газового потока может быть использована для исследования процессов образования и разложения смолы, а также процессов улетучивания отдельных компонентов зольного остатка при термохимической конверсии твердых топлив.
Проведенное в работе комплексное исследование теплофизических свойств твердых топлив может быть использовано для дифференцирования и классификации твердых топлив по их реакционной способности.
Полученные в работе кинетические данные могут быть использованы при моделировании различных термохимических процессов и их отдельных стадий.
Дальнейшие исследования будут проводиться в направлении изучения динамики прогрева отдельной частицы топлива при ее конверсии в интенсивном потоке газа-реагента. Планируется осуществить математическое моделирование и численное воспроизведение закономерностей, наблюдаемых при термохимической конверсии частицы топлива.
1. Определен круг задач, решаемых с использованием термического анализа и масс-спектрометрии при изучении и моделировании процессов конверсии НТТ.
2. Выполнено комплексное исследование термохимической конверсии низкосортных твердых топлив. Исследовано изменение элементного состава и удельной теплоемкости. Для этого были разработаны методики определения технических характеристик твердых топлив и угольных смол. Усовершенствована стандартная методика определения удельной теплоемкости для топлив с низкой насыпной плотностью. Установлено, что в условиях проведения термохимической конверсии твердых топлив (соломы), радикалы образуются в незначительном количестве и не способны повлиять на состав образующихся газовых компонентов.
3. Исследована стадия выхода летучих углей, антрацита и древесины в зависимости от степени метаморфизма. Выведено кинетическое уравнение, описывающее связь между предэкспоненциальным множителем и энергией активации, из которого следует, что чем выше значение предэкспоненциального множителя, тем больше энергия активации.
4. Исследована кинетика конверсии кокса бурого азейского угля в зависимости от содержания пара и углекислоты в составе реагирующей среды с использованием модели объемного реагирования. Показано, что в случае паровой конверсии кокса происходит смена механизма взаимодействия пара с углеродом кокса. При низкой концентрации пара (2 - 10%) проходит гетерогенный процесс взаимодействия пара с углеродом с образованием СО2, затем с увеличением содержания пара доминирующим механизмом становится гомофазная реакция водяного сдвига. В случае углекислотной конверсии проходит реакция Будуара и содержание образующегося СО не зависит от начального содержания СО2 в составе газа. Сформирован банк данных о кинетике конверсии твердых топлив и кокса.
5. Установлено, что разные исходные данные о значениях удельной теплоемкости приводят к близким по суммарной погрешности результатам расчета, однако использование измеренных с помощью термического анализа данных предпочтительнее, поскольку они позволяют более реалистично описать тепловые и химические процессы в слое топлива. Сопоставление и верификация расчетов были выполнены с использованием рекомендованных Эйзерманом формул для определения теплоемкостей, а также экспериментальных данных, полученных на лабораторном стенде конверсии.
6. Показано, что применяемые в диссертационной работе методы исследования могут быть использованы для описания теплофизических свойств, элементного состава, технических характеристик, кинетических закономерностей, численного моделирования не только древесины и углей, но и для изучения термохимической конверсии качественных топлив.
Предложенная в диссертационной работе методика определения химического анализа газового потока может быть использована для исследования процессов образования и разложения смолы, а также процессов улетучивания отдельных компонентов зольного остатка при термохимической конверсии твердых топлив.
Проведенное в работе комплексное исследование теплофизических свойств твердых топлив может быть использовано для дифференцирования и классификации твердых топлив по их реакционной способности.
Полученные в работе кинетические данные могут быть использованы при моделировании различных термохимических процессов и их отдельных стадий.
Дальнейшие исследования будут проводиться в направлении изучения динамики прогрева отдельной частицы топлива при ее конверсии в интенсивном потоке газа-реагента. Планируется осуществить математическое моделирование и численное воспроизведение закономерностей, наблюдаемых при термохимической конверсии частицы топлива.
Подобные работы
- Экспериментальное определение теплофизических характеристик и кинетико-термодинамический анализ гетерогенных систем на примере твёрдых топлив
Диссертации (РГБ), теплоэнергетика и теплотехника. Язык работы: Русский. Цена: 4215 р. Год сдачи: 2016