Помощь студентам в учебе
ЗАЖИГАНИЕ И ПИРОЛИЗ МИКРОЧАСТИЦ УГЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЗАЖИГАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ И УГЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ. ЛАЗЕРНЫЙ ПИРОЛИЗ УГЛЕЙ 16
1.1. Лазерное зажигание углеродных частиц 16
1.2. Лазерное зажигание углей 20
1.2.1. Зажигание углей излучением неодимового лазера 21
1.2.2. Зажигание углей излучением СО2-лазера 26
1.2.3. Зажигание углей с использованием системы подвода излучения через
оптическое волокно 29
1.2.4. Теоретические исследования механизма лазерного зажигания углей .... 32
1.3. Лазерный пиролиз углей 39
1.3.1. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения неодимового
лазера 40
1.3.2. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения СО2-лазера .... 42
1.3.3. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения рубинового
лазера 46
1.3.4. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения других типов
лазеров 53
1.3.5. Иные методы инициирования пиролиза углей 57
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА 61
2.1. Объекты исследования 61
2.1.1. Частицы углей с максимальным размером 63 мкм 62
2.1.2. Частицы углей с максимальным размером 100 мкм 63
2.2. Методы подготовки экспериментальных образцов 64
2.2.1. Методика подготовки порошкообразных образцов из микронных частиц
углей 64
2.2.2. Методика подготовки таблетированных образцов из микронных частиц
углей 65
2.3. Источник лазерного излучения 66
2.4. Методика исследования спектров излучения поверхности образцов углей во
время воздействия лазерных импульсов 66
2.4.1. Функциональная схема экспериментальной установки 66
2.4.2. Калибровка оптического тракта спектрофотохронографа по длинам волн 69
2.4.3. Калибровка спектральной чувствительности регистрирующего тракта 71
2.4.4. Обработка результатов измерений спектров излучения поверхности
образцов углей методом спектральной пирометрии 73
2.5. Методика исследования зависимостей интенсивности излучения пламен образцов углей от времени и определения пороговых характеристик зажигания
образцов углей 74
2.6. Методика определения доли поглощенной энергии импульса лазера
продуктами термического разложения образцов углей и пламенем 77
2.7. Методика измерения коэффициента отражения образцов углей методом
фотометрического шара 79
2.8. Методика проведения масс-спектрометрических исследований
газообразных продуктов 80
2.8.1. Анализатор газов 80
2.8.2. Калибровка анализатора газов 81
2.8.3. Методика исследования состава газообразных продуктов воздействия
лазерного излучения на образцы углей 84
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ ЧАСТИЦ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЙ МЕТАМОРФИЗМА ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ 87
3.1. Спектры излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов при различных плотностях энергии 87
3.2. Зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей от времени
после воздействия единичных лазерных импульсов в режиме свободной генерации 96
3.3. Пороговые характеристики зажигания частиц углей различных стадий
метаморфизма лазерными импульсами в режиме свободной генерации 105
3.4. Выводы по третьей главе 122
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 'ТАБЛЕТИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ УГЛЕЙ МАРОК Б И ДГ В СРЕДЕ ВОЗДУХА, ПИРОЛИЗА ТАБЛЕТИРОВАННЫХ ОБАРЗЦОВ УГЛЯ МАРКИ Б В СРЕДЕ АРГОНА МАСС- СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 123
4.1. Исследование процесса горения таблетированных образцов углей марок Б и
ДГ при лазерном воздействии в среде воздуха масс-спектрометрическим методом 123
4.1.1. Оценка эффективности лазерного зажигания таблетированнных
образцов угля марки Б 132
4.2. Исследование лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б
в среде аргона масс-спектрометрическим методом 133
4.2.1. Лазерный пиролиз таблетированных образцов угля марки Б 133
4.2.2. Лазерный пиролиз таблетированных образцов частично
деминерализованного угля марки Б 150
4.3. Выводы по четвертой главе 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
ГЛАВА 1. ЗАЖИГАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ И УГЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ. ЛАЗЕРНЫЙ ПИРОЛИЗ УГЛЕЙ 16
1.1. Лазерное зажигание углеродных частиц 16
1.2. Лазерное зажигание углей 20
1.2.1. Зажигание углей излучением неодимового лазера 21
1.2.2. Зажигание углей излучением СО2-лазера 26
1.2.3. Зажигание углей с использованием системы подвода излучения через
оптическое волокно 29
1.2.4. Теоретические исследования механизма лазерного зажигания углей .... 32
1.3. Лазерный пиролиз углей 39
1.3.1. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения неодимового
лазера 40
1.3.2. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения СО2-лазера .... 42
1.3.3. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения рубинового
лазера 46
1.3.4. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения других типов
лазеров 53
1.3.5. Иные методы инициирования пиролиза углей 57
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА 61
2.1. Объекты исследования 61
2.1.1. Частицы углей с максимальным размером 63 мкм 62
2.1.2. Частицы углей с максимальным размером 100 мкм 63
2.2. Методы подготовки экспериментальных образцов 64
2.2.1. Методика подготовки порошкообразных образцов из микронных частиц
углей 64
2.2.2. Методика подготовки таблетированных образцов из микронных частиц
углей 65
2.3. Источник лазерного излучения 66
2.4. Методика исследования спектров излучения поверхности образцов углей во
время воздействия лазерных импульсов 66
2.4.1. Функциональная схема экспериментальной установки 66
2.4.2. Калибровка оптического тракта спектрофотохронографа по длинам волн 69
2.4.3. Калибровка спектральной чувствительности регистрирующего тракта 71
2.4.4. Обработка результатов измерений спектров излучения поверхности
образцов углей методом спектральной пирометрии 73
2.5. Методика исследования зависимостей интенсивности излучения пламен образцов углей от времени и определения пороговых характеристик зажигания
образцов углей 74
2.6. Методика определения доли поглощенной энергии импульса лазера
продуктами термического разложения образцов углей и пламенем 77
2.7. Методика измерения коэффициента отражения образцов углей методом
фотометрического шара 79
2.8. Методика проведения масс-спектрометрических исследований
газообразных продуктов 80
2.8.1. Анализатор газов 80
2.8.2. Калибровка анализатора газов 81
2.8.3. Методика исследования состава газообразных продуктов воздействия
лазерного излучения на образцы углей 84
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ ЧАСТИЦ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЙ МЕТАМОРФИЗМА ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ В РЕЖИМЕ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ 87
3.1. Спектры излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов при различных плотностях энергии 87
3.2. Зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей от времени
после воздействия единичных лазерных импульсов в режиме свободной генерации 96
3.3. Пороговые характеристики зажигания частиц углей различных стадий
метаморфизма лазерными импульсами в режиме свободной генерации 105
3.4. Выводы по третьей главе 122
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 'ТАБЛЕТИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ УГЛЕЙ МАРОК Б И ДГ В СРЕДЕ ВОЗДУХА, ПИРОЛИЗА ТАБЛЕТИРОВАННЫХ ОБАРЗЦОВ УГЛЯ МАРКИ Б В СРЕДЕ АРГОНА МАСС- СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 123
4.1. Исследование процесса горения таблетированных образцов углей марок Б и
ДГ при лазерном воздействии в среде воздуха масс-спектрометрическим методом 123
4.1.1. Оценка эффективности лазерного зажигания таблетированнных
образцов угля марки Б 132
4.2. Исследование лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б
в среде аргона масс-спектрометрическим методом 133
4.2.1. Лазерный пиролиз таблетированных образцов угля марки Б 133
4.2.2. Лазерный пиролиз таблетированных образцов частично
деминерализованного угля марки Б 150
4.3. Выводы по четвертой главе 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
Актуальность работы
Диссертационная работа направлена на исследование термических процессов, протекающих в микрочастицах углей при зажигании в среде воздуха и пиролизе в среде аргона. Исследование процессов термического разложения углей является важным направлением для совершенствования технологий глубокой переработки угля.
Использование импульсного лазерного излучения в сочетании с электроннооптическими методами регистрации позволяет проводить инициирование и изучение быстропротекающих процессов термического разложения углей и обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами: возможность изучения первичных процессов зажигания и пиролиза углей, легкость контроля интенсивности и длительности воздействия.
В литературе накоплен материал по физико-химии термического разложения углеводородных топлив, в частности ископаемого угля, к примеру, обзоры [1-4]. Однако большая часть исследований посвящена описанию процессов на макроуровне. Для уточнения процессов зарождения термических явлений в ископаемых углях под воздействием лазерного излучения необходимо проведение комплексных фундаментальных исследований на начальных стадиях зажигания угля.
В диссертационной работе исследованы быстропротекающие термические процессы горения углей марок Б (бурый), ДГ (длиннопламенный газовый), Г (газовый), Ж (жирный), К (коксовый) в реальном масштабе времени, протекающие во временном интервале от микросекунд до сотен миллисекунд. Исследованы термические процессы, протекающие при лазерном пиролизе угля марки Б в инертной атмосфере.
Помимо фундаментального аспекта, результаты диссертационной работы имеют и практическую значимость, так как результаты исследования позволят выработать новые подходы к управлению процессами зажигания и пиролиза углей.
Все вышеперечисленное определяет актуальность диссертационной работы.
Цели и задачи работы
Целью работы является установление закономерностей развития термических процессов в углях Кузнецкого угольного бассейна марок Б, ДГ, Г, Ж, К в воздушной и инертной средах при воздействии лазерных импульсов.
Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать спектры излучения поверхности образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия единичного лазерного импульса в среде воздуха.
2. Исследовать зависимости интенсивности излучения пламен образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К от времени после воздействия единичного лазерного импульса в среде воздуха.
3. Установить пороговые характеристики зажигания образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К при воздействии единичным лазерным импульсом в среде воздуха.
4. Идентифицировать продукты горения образцов углей марок Б и ДГ при импульсно-периодическом лазерном воздействии в среде воздуха масс- спектрометрическим методом.
5. Идентифицировать продукты пиролиза образцов угля марки Б при импульсно-периодическом лазерном воздействии в инертной среде масс- спектрометрическим методом.
6. Установить влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов и на структуру поверхности образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия в инертной среде.
Научная новизна
1. Впервые исследованы спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия лазерных импульсов (2 = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде воздуха при различных плотностях энергии.
2. Впервые исследованы зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К от времени после воздействия единичных лазерных импульсов (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) с различными плотностями энергии в среде воздуха.
3. Впервые установлены пороговые характеристики зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К при воздействии единичным лазерным импульсом (А = 1064 нм, Ти = 120 мкс) в среде воздуха.
4. Впервые установлен состав газообразных продуктов горения таблетированных образцов углей марок Б и ДГ при импульснопериодическом лазерном воздействии (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде воздуха.
5. Впервые установлен состав газообразных продуктов пиролиза таблетированных образцов угля марки Б при импульсно-периодическом лазерном воздействии (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде аргона, определен выход горючих компонентов в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов.
6. Впервые установлено влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов и на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия (А = 1064 нм, Ти = 120 мкс) в среде аргона.
Научная значимость
Полученная в работе совокупность экспериментальных данных лазерного зажигания углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К в среде воздуха позволила установить, что состав спектров излучения поверхности образцов углей, возникающих во время воздействия лазерных импульсов, зависит от плотности энергии лазерного излучения и связан с различными вкладами излучения возбужденных молекул CO2*, H2*, H2O* и раскаленных углеродных частиц; установить различные стадии зажигания частиц углей с характерными порогами Hcr и характерными временными интервалами горения; идентифицировать продукты горения таблетированных образцов углей марок Б и ДГ.
Полученная в работе совокупность экспериментальных данных лазерного пиролиза угля марки Б в среде аргона позволила идентифицировать продукты пиролиза таблетированных образцов угля; определить выход горючих газов в условиях эксперимента; установить влияние минеральной составляющей угля на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия.
Результаты дают новую информацию о физико-химических процессах, инициируемых в углях при лазерном воздействии.
Результаты диссертации могут быть использованы в научноисследовательских и проектных организациях (Национальном исследовательском Томском государственном университете, г. Томск; Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск; АО «Восточный научноисследовательский углехимический институт», г. Екатеринбург; Федеральном исследовательском центре «Красноярский научный центр СО РАН», г. Красноярск; ОАО «Всероссийский теплотехнический институт», г. Москва; Кемеровском государственном университете, г. Кемерово; Кузбасском государственном техническом университете имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово), ориентированных на разработку технологий термического разложения топлив, обеспечивающих повышение эффективности их использования.
Практическая значимость
Полученные результаты по лазерному зажиганию частиц углей в перспективе дадут возможность разработки системы безмазутного розжига пылеугольного топлива, позволяющей значительно повысить экологические и техникоэкономические показатели объектов крупной угольной теплоэнергетики. Результаты по лазерному зажиганию таблетированных образцов углей могут найти применение при разработке системы розжига гранулированных топлив, позволяющей повысить технико-экономические показатели на объектах малой угольной теплоэнергетики.
Установленные пороги зажигания частиц углей в условиях быстрого теплового нагрева можно использовать при оценке пожаро-, взрывоопасности теплоэнергетических объектов и угольных шахт.
Полученные результаты по лазерному пиролизу угля могут найти применение при разработке газогенераторов, предназначенных для преобразования угля в газообразное топливо (получение бурого водорода) и в сырье для синтеза химических продуктов (получение синтез-газа с последующим производством метанола, диметилового эфира, аммиака). Определен набор условий, при которых объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов лазерного пиролиза угля составляет 93 %.
Установленная зависимость выхода горючих компонентов лазерного пиролиза угля от его минеральной составляющей позволит разработать технологии газификации топлив с повышенным выходом целевых продуктов, что даст возможность решить задачу рационального использования низкосортных углей и отходов углеобогащения.
Результаты по формированию квазипериодической столбчатой структуры на поверхности образца угля могут найти применение в технических областях, где необходимо производить текстурирование поверхности углеродных материалов или имплантацию в поверхность углеродных материалов мелкодисперсных частиц.
Результаты диссертации можно использовать при разработке лабораторных стендов по лазерному зажиганию и пиролизу углей, необходимых для проведения исследований, связанных с масштабированием стендов и отработкой аппаратурнотехнологических решений.
Связь работы с научными программами и грантами
Работа выполнена в рамках программы ФНИ СО РАН V.49.1.5 «Изучение механизмов преобразования энергии электронно-пучкового и лазерного излучения в высокоэнергетических материалах и углях для создания материалов для компонентов и устройств специального назначения» (№ АААА-А17-
117041910150-2) и при поддержке фонда содействия инновациям (№ 12834ГУ/2018).
Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899; в редакции от 16.12.2015 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», также соответствует перечню критических технологий Российской Федерации: «Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе».
Защищаемые положения
1. Спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К с размером l < 63 мкм во время воздействия лазерных импульсов имеют неэлементарный характер. При плотности энергии лазерного излучения H = H-^, соответствующей порогу обнаружения зажигания, в спектры дают вклады свечение пламени CO, возбужденных молекул H2* и H2O*. При увеличении плотности энергии лазерного излучения до значений Н > H^2 дополнительный вклад дает свечение вылетающих углеродных частиц.
2. Для частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К с размером l < 63 мкм имеются три характерных временных интервалов горения, которым соответствуют пороги зажигания Hcr(1), Hcr(2) и Hcr(3).
3. Продуктами лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона являются: H2, CH4, H2O, CO и CO2. При лазерном импульснопериодическом воздействии (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в течение 104 с выход горючих компонентов (H2, CH4, CO) достигает ~ 1,3-103 см3/г, объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %.
4. В результате импульсно-периодического лазерного воздействия (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в среде аргона на поверхности таблетированного образца угля марки Б формируется столбчатая структура.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась современным высокоточным оборудованием (лазер Solar Laser System LQ-929, анализатор газов Stanford Research System QMS 300, осциллограф LeCroy WJ332A, фотоэлектронный умножитель Hamamatsu H10721-01), калибровкой аппаратуры на тест-объектах, статистикой эксперимента, согласием с имеющимися литературными экспериментальными и теоретическими данными.
Личный вклад автора состоит в участии в подготовке исследований, непосредственном проведении исследований, обработке и анализе экспериментальных результатов, апробации полученных результатов. Постановка задач исследования, обсуждение результатов осуществлялись совместно с научным руководителем. В статьях, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах работы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российский конференциях: Всероссийская школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и дисперсных систем» (Новосибирск, 2016), Совместный IX Международный Симпозиум «Физика и Химия Углеродных Материалов/Наноинженерия» и Международная Конференция «Наноэнергетические Материалы и Наноэнергетика» (Алма-Ата, 2016), International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, 2016, 2020), Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016; Санкт- Петербург, 2019), Ежегодная конференция молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН «Развитие» (Кемерово, 2016, 2017, 2019), Международный Российско-
Казахстанский симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса» (Кемерово, 2017, 2018, 2019, 2020), IX International Voevodsky Conference «Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes» (Новосибирск, 2017), VII Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики - 2017» (Томск, 2017), 9th International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2017), XVI Международная молодежная конференция по люминесценции и лазерной физике, посвященная 100-летию Иркутского государственного университета (Аршан, 2018).
Публикации по теме работы
По теме диссертационной работы опубликовано 27 работ, из них 7 публикаций в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, и приравненных к ним, из которых 5 публикаций в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»: Optics and Spectroscopy, Eurasian Chemico-Technological Journal, Chemistry for Sustainable Development.
Структура диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 68 рисунков. Список литературы содержит 198 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и определены задачи работы, описана научная новизна, научная и практическая значимости, сформулированы защищаемые положения, обоснована достоверность результатов работы, описан личный вклад автора, описана апробация работы, указано количество публикаций по теме работы, подробно раскрыта структура диссертации.
В первой главе представлен литературный обзор работ, посвященных исследованию лазерного зажигания углеродных материалов и углей, лазерного пиролиза углей.
Вторая глава посвящена описанию методик и техники экспериментов. Описаны объекты исследования и методы подготовки экспериментальных образцов.
В третьей главе приведены результаты исследования процесса зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К лазерными импульсами в режиме свободной генерации.
Измерены спектры излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов в режиме реального времени при различных плотностях энергии. Установлено, что спектры излучения поверхности частиц углей при воздействии импульсов лазера с плотностью энергии Hcr(1), соответствующей порогу обнаружения зажигания, не являются тепловыми. Над поверхностью образцов углей наблюдается пламя высотой ~ 1 мм. Природа спектров при воздействии лазерного излучения с плотностью энергии Hcr(1) на частицы угли объясняется свечением, преимущественно связанным с зажиганием на воздухе окиси углерода и возбужденных молекул H2* и H2O*. При достижении плотности энергии лазерного импульса значения, соответствующего Hcr(2), характерного для каждой марки угля, над поверхностью образцов углей наблюдается пламя высотой 3-5 мм. При этом регистрируются неэлементарные спектры излучения, включающие тепловую составляющую, на которую накладывается свечение летучих веществ, образующихся в результате зажигания поверхности частицы угля. Тепловая составляющая спектров обусловлена как свечением поверхности частиц углей, так и свечением раскаленных углеродных частиц, вылетающих с поверхности порошкообразного образца угля. При дальнейшем увеличении плотности энергии лазерного импульса H > Hcr(2), при определенных плотностях энергии Hcr(3), характерных для каждой марки угля, над образцами наблюдается пламя высотой до 10 см для бурого угля и до 5 см для каменных углей. Спектры излучения во время воздействия лазерного импульса также имеют неэлементарный характер. Вид спектров позволяет предположить, что во время воздействия лазерного импульса протекают те же процессы, что и при плотности энергии Hcr(2), но с большей интенсивностью свечения.
Проведено исследование зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей от времени после воздействия единичных лазерных импульсов. По характеру зарегистрированных зависимостей интенсивности излучения пламен частиц углей от времени, так же как при исследовании спектров излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов, выделено три стадии зажигания с характерными временными интервалами. Установлено, что длительность горения частиц исследованных марок углей на первой стадии зажигания совпадает с длительностью лазерного импульса и повторяет его пичковую структуру. Исследование зависимостей интенсивности излучения пламен частиц углей от времени показало, что длительность горения частиц углей на второй стадии зажигания лежит во временном интервале ~ 10 мс, длительность горения на третьей стадии зажигания лежит во временном интервале 40-150 мс для частиц углей различных марок.
Проведено исследование влияния продуктов термического разложения частиц углей и пламени, возникающего во время импульса лазера, на плотность энергии, достигающей поверхность образца угля. Определены истинные значения плотности энергии лазерного импульса, достигающие поверхности образца угля. С уменьшением содержания летучих веществ наблюдаются практически постоянные значения первого порога зажигания Нсг(1ист) с значительным статистическим разбросом. Второй порог зажигания Нсг(2ист) частиц углей слабо зависит от содержания летучих веществ. Третий порог зажигания Нсг(3ист) частиц углей возрастает с уменьшением содержания летучих веществ.
В четвертой главе приведены результаты исследования процесса горения образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха при воздействии лазерного излучения, а также лазерного пиролиза образцов угля марки Б в среде аргона масс- спектрометрическим методом.
При лазерном зажигании таблетированных образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха обнаружены следующие продукты горения: CO2, H2, H2O.
Проведена оценка эффективности лазерного зажигания образцов угля марки Б.
Выполнено исследование лазерного пиролиза таблетированных образцов, изготовленных из частиц недеминерализованного и частично
деминерализованного угля марки Б. Обнаружены следующие продукты лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона: H2, CH4, H2O, CO, CO2. Установлено, что при воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на недеминерализованные образцы угля марки Б за время 104 с выход горючих компонентов достигает ~ 1,3-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %. В этих условиях облучения температура поверхности образца угля может достигать T > 2000 K. Частичная деминерализация угля приводит к резкому уменьшению выхода горючих компонентов.
Выполнено исследование морфологии поверхности таблетированных образцов угля до и после частичной деминерализации с помощью сканирующего электронного микроскопа. Показано, что при воздействии лазерных импульсов на недеминерализованные образцы угля формируется столбчатая структура на их поверхности, при воздействии на частично деминерализованные образцы - губчатая структура.
Таким образом установлено влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов при лазерном пиролизе и на структуру поверхности образца угля, формирующуюся в результате воздействия лазерного излучения.
В заключении сформулированы выводы работы.
Диссертационная работа направлена на исследование термических процессов, протекающих в микрочастицах углей при зажигании в среде воздуха и пиролизе в среде аргона. Исследование процессов термического разложения углей является важным направлением для совершенствования технологий глубокой переработки угля.
Использование импульсного лазерного излучения в сочетании с электроннооптическими методами регистрации позволяет проводить инициирование и изучение быстропротекающих процессов термического разложения углей и обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами: возможность изучения первичных процессов зажигания и пиролиза углей, легкость контроля интенсивности и длительности воздействия.
В литературе накоплен материал по физико-химии термического разложения углеводородных топлив, в частности ископаемого угля, к примеру, обзоры [1-4]. Однако большая часть исследований посвящена описанию процессов на макроуровне. Для уточнения процессов зарождения термических явлений в ископаемых углях под воздействием лазерного излучения необходимо проведение комплексных фундаментальных исследований на начальных стадиях зажигания угля.
В диссертационной работе исследованы быстропротекающие термические процессы горения углей марок Б (бурый), ДГ (длиннопламенный газовый), Г (газовый), Ж (жирный), К (коксовый) в реальном масштабе времени, протекающие во временном интервале от микросекунд до сотен миллисекунд. Исследованы термические процессы, протекающие при лазерном пиролизе угля марки Б в инертной атмосфере.
Помимо фундаментального аспекта, результаты диссертационной работы имеют и практическую значимость, так как результаты исследования позволят выработать новые подходы к управлению процессами зажигания и пиролиза углей.
Все вышеперечисленное определяет актуальность диссертационной работы.
Цели и задачи работы
Целью работы является установление закономерностей развития термических процессов в углях Кузнецкого угольного бассейна марок Б, ДГ, Г, Ж, К в воздушной и инертной средах при воздействии лазерных импульсов.
Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать спектры излучения поверхности образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия единичного лазерного импульса в среде воздуха.
2. Исследовать зависимости интенсивности излучения пламен образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К от времени после воздействия единичного лазерного импульса в среде воздуха.
3. Установить пороговые характеристики зажигания образцов углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К при воздействии единичным лазерным импульсом в среде воздуха.
4. Идентифицировать продукты горения образцов углей марок Б и ДГ при импульсно-периодическом лазерном воздействии в среде воздуха масс- спектрометрическим методом.
5. Идентифицировать продукты пиролиза образцов угля марки Б при импульсно-периодическом лазерном воздействии в инертной среде масс- спектрометрическим методом.
6. Установить влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов и на структуру поверхности образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия в инертной среде.
Научная новизна
1. Впервые исследованы спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия лазерных импульсов (2 = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде воздуха при различных плотностях энергии.
2. Впервые исследованы зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К от времени после воздействия единичных лазерных импульсов (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) с различными плотностями энергии в среде воздуха.
3. Впервые установлены пороговые характеристики зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К при воздействии единичным лазерным импульсом (А = 1064 нм, Ти = 120 мкс) в среде воздуха.
4. Впервые установлен состав газообразных продуктов горения таблетированных образцов углей марок Б и ДГ при импульснопериодическом лазерном воздействии (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде воздуха.
5. Впервые установлен состав газообразных продуктов пиролиза таблетированных образцов угля марки Б при импульсно-периодическом лазерном воздействии (А = 1064 нм, ти = 120 мкс) в среде аргона, определен выход горючих компонентов в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов.
6. Впервые установлено влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов и на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия (А = 1064 нм, Ти = 120 мкс) в среде аргона.
Научная значимость
Полученная в работе совокупность экспериментальных данных лазерного зажигания углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К в среде воздуха позволила установить, что состав спектров излучения поверхности образцов углей, возникающих во время воздействия лазерных импульсов, зависит от плотности энергии лазерного излучения и связан с различными вкладами излучения возбужденных молекул CO2*, H2*, H2O* и раскаленных углеродных частиц; установить различные стадии зажигания частиц углей с характерными порогами Hcr и характерными временными интервалами горения; идентифицировать продукты горения таблетированных образцов углей марок Б и ДГ.
Полученная в работе совокупность экспериментальных данных лазерного пиролиза угля марки Б в среде аргона позволила идентифицировать продукты пиролиза таблетированных образцов угля; определить выход горючих газов в условиях эксперимента; установить влияние минеральной составляющей угля на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного воздействия.
Результаты дают новую информацию о физико-химических процессах, инициируемых в углях при лазерном воздействии.
Результаты диссертации могут быть использованы в научноисследовательских и проектных организациях (Национальном исследовательском Томском государственном университете, г. Томск; Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск; АО «Восточный научноисследовательский углехимический институт», г. Екатеринбург; Федеральном исследовательском центре «Красноярский научный центр СО РАН», г. Красноярск; ОАО «Всероссийский теплотехнический институт», г. Москва; Кемеровском государственном университете, г. Кемерово; Кузбасском государственном техническом университете имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово), ориентированных на разработку технологий термического разложения топлив, обеспечивающих повышение эффективности их использования.
Практическая значимость
Полученные результаты по лазерному зажиганию частиц углей в перспективе дадут возможность разработки системы безмазутного розжига пылеугольного топлива, позволяющей значительно повысить экологические и техникоэкономические показатели объектов крупной угольной теплоэнергетики. Результаты по лазерному зажиганию таблетированных образцов углей могут найти применение при разработке системы розжига гранулированных топлив, позволяющей повысить технико-экономические показатели на объектах малой угольной теплоэнергетики.
Установленные пороги зажигания частиц углей в условиях быстрого теплового нагрева можно использовать при оценке пожаро-, взрывоопасности теплоэнергетических объектов и угольных шахт.
Полученные результаты по лазерному пиролизу угля могут найти применение при разработке газогенераторов, предназначенных для преобразования угля в газообразное топливо (получение бурого водорода) и в сырье для синтеза химических продуктов (получение синтез-газа с последующим производством метанола, диметилового эфира, аммиака). Определен набор условий, при которых объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов лазерного пиролиза угля составляет 93 %.
Установленная зависимость выхода горючих компонентов лазерного пиролиза угля от его минеральной составляющей позволит разработать технологии газификации топлив с повышенным выходом целевых продуктов, что даст возможность решить задачу рационального использования низкосортных углей и отходов углеобогащения.
Результаты по формированию квазипериодической столбчатой структуры на поверхности образца угля могут найти применение в технических областях, где необходимо производить текстурирование поверхности углеродных материалов или имплантацию в поверхность углеродных материалов мелкодисперсных частиц.
Результаты диссертации можно использовать при разработке лабораторных стендов по лазерному зажиганию и пиролизу углей, необходимых для проведения исследований, связанных с масштабированием стендов и отработкой аппаратурнотехнологических решений.
Связь работы с научными программами и грантами
Работа выполнена в рамках программы ФНИ СО РАН V.49.1.5 «Изучение механизмов преобразования энергии электронно-пучкового и лазерного излучения в высокоэнергетических материалах и углях для создания материалов для компонентов и устройств специального назначения» (№ АААА-А17-
117041910150-2) и при поддержке фонда содействия инновациям (№ 12834ГУ/2018).
Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899; в редакции от 16.12.2015 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», также соответствует перечню критических технологий Российской Федерации: «Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе».
Защищаемые положения
1. Спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К с размером l < 63 мкм во время воздействия лазерных импульсов имеют неэлементарный характер. При плотности энергии лазерного излучения H = H-^, соответствующей порогу обнаружения зажигания, в спектры дают вклады свечение пламени CO, возбужденных молекул H2* и H2O*. При увеличении плотности энергии лазерного излучения до значений Н > H^2 дополнительный вклад дает свечение вылетающих углеродных частиц.
2. Для частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К с размером l < 63 мкм имеются три характерных временных интервалов горения, которым соответствуют пороги зажигания Hcr(1), Hcr(2) и Hcr(3).
3. Продуктами лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона являются: H2, CH4, H2O, CO и CO2. При лазерном импульснопериодическом воздействии (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в течение 104 с выход горючих компонентов (H2, CH4, CO) достигает ~ 1,3-103 см3/г, объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %.
4. В результате импульсно-периодического лазерного воздействия (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в среде аргона на поверхности таблетированного образца угля марки Б формируется столбчатая структура.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась современным высокоточным оборудованием (лазер Solar Laser System LQ-929, анализатор газов Stanford Research System QMS 300, осциллограф LeCroy WJ332A, фотоэлектронный умножитель Hamamatsu H10721-01), калибровкой аппаратуры на тест-объектах, статистикой эксперимента, согласием с имеющимися литературными экспериментальными и теоретическими данными.
Личный вклад автора состоит в участии в подготовке исследований, непосредственном проведении исследований, обработке и анализе экспериментальных результатов, апробации полученных результатов. Постановка задач исследования, обсуждение результатов осуществлялись совместно с научным руководителем. В статьях, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах работы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российский конференциях: Всероссийская школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и дисперсных систем» (Новосибирск, 2016), Совместный IX Международный Симпозиум «Физика и Химия Углеродных Материалов/Наноинженерия» и Международная Конференция «Наноэнергетические Материалы и Наноэнергетика» (Алма-Ата, 2016), International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, 2016, 2020), Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016; Санкт- Петербург, 2019), Ежегодная конференция молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН «Развитие» (Кемерово, 2016, 2017, 2019), Международный Российско-
Казахстанский симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса» (Кемерово, 2017, 2018, 2019, 2020), IX International Voevodsky Conference «Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes» (Новосибирск, 2017), VII Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики - 2017» (Томск, 2017), 9th International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2017), XVI Международная молодежная конференция по люминесценции и лазерной физике, посвященная 100-летию Иркутского государственного университета (Аршан, 2018).
Публикации по теме работы
По теме диссертационной работы опубликовано 27 работ, из них 7 публикаций в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, и приравненных к ним, из которых 5 публикаций в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»: Optics and Spectroscopy, Eurasian Chemico-Technological Journal, Chemistry for Sustainable Development.
Структура диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 68 рисунков. Список литературы содержит 198 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и определены задачи работы, описана научная новизна, научная и практическая значимости, сформулированы защищаемые положения, обоснована достоверность результатов работы, описан личный вклад автора, описана апробация работы, указано количество публикаций по теме работы, подробно раскрыта структура диссертации.
В первой главе представлен литературный обзор работ, посвященных исследованию лазерного зажигания углеродных материалов и углей, лазерного пиролиза углей.
Вторая глава посвящена описанию методик и техники экспериментов. Описаны объекты исследования и методы подготовки экспериментальных образцов.
В третьей главе приведены результаты исследования процесса зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К лазерными импульсами в режиме свободной генерации.
Измерены спектры излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов в режиме реального времени при различных плотностях энергии. Установлено, что спектры излучения поверхности частиц углей при воздействии импульсов лазера с плотностью энергии Hcr(1), соответствующей порогу обнаружения зажигания, не являются тепловыми. Над поверхностью образцов углей наблюдается пламя высотой ~ 1 мм. Природа спектров при воздействии лазерного излучения с плотностью энергии Hcr(1) на частицы угли объясняется свечением, преимущественно связанным с зажиганием на воздухе окиси углерода и возбужденных молекул H2* и H2O*. При достижении плотности энергии лазерного импульса значения, соответствующего Hcr(2), характерного для каждой марки угля, над поверхностью образцов углей наблюдается пламя высотой 3-5 мм. При этом регистрируются неэлементарные спектры излучения, включающие тепловую составляющую, на которую накладывается свечение летучих веществ, образующихся в результате зажигания поверхности частицы угля. Тепловая составляющая спектров обусловлена как свечением поверхности частиц углей, так и свечением раскаленных углеродных частиц, вылетающих с поверхности порошкообразного образца угля. При дальнейшем увеличении плотности энергии лазерного импульса H > Hcr(2), при определенных плотностях энергии Hcr(3), характерных для каждой марки угля, над образцами наблюдается пламя высотой до 10 см для бурого угля и до 5 см для каменных углей. Спектры излучения во время воздействия лазерного импульса также имеют неэлементарный характер. Вид спектров позволяет предположить, что во время воздействия лазерного импульса протекают те же процессы, что и при плотности энергии Hcr(2), но с большей интенсивностью свечения.
Проведено исследование зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей от времени после воздействия единичных лазерных импульсов. По характеру зарегистрированных зависимостей интенсивности излучения пламен частиц углей от времени, так же как при исследовании спектров излучения поверхности частиц углей во время воздействия лазерных импульсов, выделено три стадии зажигания с характерными временными интервалами. Установлено, что длительность горения частиц исследованных марок углей на первой стадии зажигания совпадает с длительностью лазерного импульса и повторяет его пичковую структуру. Исследование зависимостей интенсивности излучения пламен частиц углей от времени показало, что длительность горения частиц углей на второй стадии зажигания лежит во временном интервале ~ 10 мс, длительность горения на третьей стадии зажигания лежит во временном интервале 40-150 мс для частиц углей различных марок.
Проведено исследование влияния продуктов термического разложения частиц углей и пламени, возникающего во время импульса лазера, на плотность энергии, достигающей поверхность образца угля. Определены истинные значения плотности энергии лазерного импульса, достигающие поверхности образца угля. С уменьшением содержания летучих веществ наблюдаются практически постоянные значения первого порога зажигания Нсг(1ист) с значительным статистическим разбросом. Второй порог зажигания Нсг(2ист) частиц углей слабо зависит от содержания летучих веществ. Третий порог зажигания Нсг(3ист) частиц углей возрастает с уменьшением содержания летучих веществ.
В четвертой главе приведены результаты исследования процесса горения образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха при воздействии лазерного излучения, а также лазерного пиролиза образцов угля марки Б в среде аргона масс- спектрометрическим методом.
При лазерном зажигании таблетированных образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха обнаружены следующие продукты горения: CO2, H2, H2O.
Проведена оценка эффективности лазерного зажигания образцов угля марки Б.
Выполнено исследование лазерного пиролиза таблетированных образцов, изготовленных из частиц недеминерализованного и частично
деминерализованного угля марки Б. Обнаружены следующие продукты лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона: H2, CH4, H2O, CO, CO2. Установлено, что при воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на недеминерализованные образцы угля марки Б за время 104 с выход горючих компонентов достигает ~ 1,3-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %. В этих условиях облучения температура поверхности образца угля может достигать T > 2000 K. Частичная деминерализация угля приводит к резкому уменьшению выхода горючих компонентов.
Выполнено исследование морфологии поверхности таблетированных образцов угля до и после частичной деминерализации с помощью сканирующего электронного микроскопа. Показано, что при воздействии лазерных импульсов на недеминерализованные образцы угля формируется столбчатая структура на их поверхности, при воздействии на частично деминерализованные образцы - губчатая структура.
Таким образом установлено влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход горючих компонентов при лазерном пиролизе и на структуру поверхности образца угля, формирующуюся в результате воздействия лазерного излучения.
В заключении сформулированы выводы работы.
Таким образом, серией разноплановых экспериментов, проведенных на частицах углей марок Б, ДГ, Г, Ж и К показана перспектива использования лазерного излучения для разработки новых методов лазерного розжига пылеугольного топлива; показана перспектива использования лазерного излучения для газификации угля, получения синтез-газа с помощью лазерного пиролиза углей.
Ниже приведена сводка выводов работы.
1. Спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия лазерных импульсов зависят от плотности энергии излучения: при плотностях энергии лазерного излучения, соответствующих порогу обнаружения зажигания Hcr(1), обнаружено свечение пламени CO и возбужденных молекул H2* и H2O*. При превышении плотности энергии лазерного излучения значений H > Hcr(2) происходит зажигание поверхности частиц угля с выходом летучих веществ. Спектры включают свечение вылетающих углеродных частиц, пламени CO, возбужденных молекул H2* и H2O* [144, 145].
2. Временная спектроскопия процессов лазерного зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К позволила обнаружить три стадии зажигания с характерными временами и характерными порогами Hcr для каждой марки угля [146-148].
3. Длительность горения частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К на первой стадии зажигания совпадает с длительностью лазерного импульса и составляет 120 мкс. Длительность горения на второй стадии зажигания лежит во временном интервале ~ 10 мс, длительность горения на третьей стадии зажигания лежит во временном интервале 40-150 мс для частиц углей различных марок [146-148].
4. Для частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К наблюдаются близкие значения первого порога зажигания Нсг(1ист). Второй порог зажигания Нсг(2ист) частиц углей слабо зависит от содержания летучих веществ. Третий порог зажигания Нсг(3ист) частиц углей возрастает с уменьшением содержания летучих веществ.
5. При лазерном зажигании таблетированных образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха обнаружены следующие продукты горения: CO2, H2, H2O [192, 193].
6. При лазерном пиролизе таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона обнаружены следующие продукты пиролиза: H2, CH4, H2O, CO и CO2 [194].
7. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на недеминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время 104 с выход горючих компонентов достигает ид ~ 1,3-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %. В этих условиях облучения температура поверхности образца может достигать T > 2000 K [194].
8. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на частично деминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время 104 с выход горючих компонентов достигает ид ~ 0,33-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 69 % [195, 196].
9. Минеральная составляющая угля марки Б влияет на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате воздействия лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в среде аргона в течение 104 с. При воздействии лазерных импульсов на недеминерализованный образец образуется столбчатая структура, при воздействии на частично деминерализованный образец - губчатая структура [197, 198].
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю академику РАН, д.х.н., профессору Исмагилову З.Р., д.ф.-м.н., профессору Адуеву Б.П. и к.ф.-м.н. Нурмухаметову Д.Р. за всестороннюю помощь в работе, постоянное внимание и поддержку на протяжении всех этапов исследования, а также к.ф.-м.н. Белокурову Г.М. за непосредственное участие в разработке методик экспериментов, д.ф.-м.н. Звекову А.А. за помощь в работе и обсуждение полученных результатов, к.х.н. Михайловой Е.С. за помощь в работе и проведение частичной деминерализации угля, к.х.н. Нелюбиной Н.В., к.ф.-м.н. Никитину А.П. за помощь в работе, к.т.н. Заостровскому А.Н. за проведение технического и элементного анализа углей, к.ф.-м.н. Созинову С.А. за проведение исследования морфологии поверхности угля методом сканирующей электронной микроскопии, к.х.н. Колмыкову Р.П. за проведение исследования элементного состава золы углей.
Ниже приведена сводка выводов работы.
1. Спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время воздействия лазерных импульсов зависят от плотности энергии излучения: при плотностях энергии лазерного излучения, соответствующих порогу обнаружения зажигания Hcr(1), обнаружено свечение пламени CO и возбужденных молекул H2* и H2O*. При превышении плотности энергии лазерного излучения значений H > Hcr(2) происходит зажигание поверхности частиц угля с выходом летучих веществ. Спектры включают свечение вылетающих углеродных частиц, пламени CO, возбужденных молекул H2* и H2O* [144, 145].
2. Временная спектроскопия процессов лазерного зажигания частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К позволила обнаружить три стадии зажигания с характерными временами и характерными порогами Hcr для каждой марки угля [146-148].
3. Длительность горения частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К на первой стадии зажигания совпадает с длительностью лазерного импульса и составляет 120 мкс. Длительность горения на второй стадии зажигания лежит во временном интервале ~ 10 мс, длительность горения на третьей стадии зажигания лежит во временном интервале 40-150 мс для частиц углей различных марок [146-148].
4. Для частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К наблюдаются близкие значения первого порога зажигания Нсг(1ист). Второй порог зажигания Нсг(2ист) частиц углей слабо зависит от содержания летучих веществ. Третий порог зажигания Нсг(3ист) частиц углей возрастает с уменьшением содержания летучих веществ.
5. При лазерном зажигании таблетированных образцов углей марок Б и ДГ в среде воздуха обнаружены следующие продукты горения: CO2, H2, H2O [192, 193].
6. При лазерном пиролизе таблетированных образцов угля марки Б в среде аргона обнаружены следующие продукты пиролиза: H2, CH4, H2O, CO и CO2 [194].
7. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на недеминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время 104 с выход горючих компонентов достигает ид ~ 1,3-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 93 %. В этих условиях облучения температура поверхности образца может достигать T > 2000 K [194].
8. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) на частично деминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время 104 с выход горючих компонентов достигает ид ~ 0,33-103 см3/г, при этом объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза составляет 69 % [195, 196].
9. Минеральная составляющая угля марки Б влияет на структуру поверхности таблетированного образца, формирующуюся в результате воздействия лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fu = 6 Гц) в среде аргона в течение 104 с. При воздействии лазерных импульсов на недеминерализованный образец образуется столбчатая структура, при воздействии на частично деминерализованный образец - губчатая структура [197, 198].
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю академику РАН, д.х.н., профессору Исмагилову З.Р., д.ф.-м.н., профессору Адуеву Б.П. и к.ф.-м.н. Нурмухаметову Д.Р. за всестороннюю помощь в работе, постоянное внимание и поддержку на протяжении всех этапов исследования, а также к.ф.-м.н. Белокурову Г.М. за непосредственное участие в разработке методик экспериментов, д.ф.-м.н. Звекову А.А. за помощь в работе и обсуждение полученных результатов, к.х.н. Михайловой Е.С. за помощь в работе и проведение частичной деминерализации угля, к.х.н. Нелюбиной Н.В., к.ф.-м.н. Никитину А.П. за помощь в работе, к.т.н. Заостровскому А.Н. за проведение технического и элементного анализа углей, к.ф.-м.н. Созинову С.А. за проведение исследования морфологии поверхности угля методом сканирующей электронной микроскопии, к.х.н. Колмыкову Р.П. за проведение исследования элементного состава золы углей.
