Помощь студентам в учебе
ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И НИЗКОКАЛОРИЙНЫХ ТОПЛИВ ПРИ НАГРЕВЕ СВЕТОВЫМ ПОТОКОМ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. НИЗКОКАЛОРИЙНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ ТОПЛИВА, ОТХОДЫ
УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 18
1.1. Низкокалорийные ископаемые топлива и отходы обогащения углей 18
1.2. Зажигание и горение топлив с низкой реакционной способностью 25
1.3. Методики термохимической переработки низкокалорийных топлив 34
1.4. Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 48
2.1. Приготовление топливных смесей 48
2.2 Методики исследований 53
2.2.1. Методика исследования активации ВУС под действием лазерных
импульсов 54
2.2.2. Методика исследования влияния неорганических примесей на зажигание
и горение ВУС 62
2.2.3. Методика экспериментального исследования процесса аллотермического
пиролиза ВУС 67
2.3. Математическое моделирование процесса аллотермического пиролиза ВУС 73
2.4. Выводы по второй главе 80
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ПРОЦЕСС
РАСПЫЛЕНИЯ И ЗАЖИГАНИЯ ВУС 82
3.1. Исследование структуры аэрозольного потока ВУС, получаемого с помощью
традиционных подходов 83
3.2. Использование мощных лазерных импульсов для сверхтонкого распыления
ВУС 97
3.2.1. Эффект сверхтонкого распыления ВУС 99
3.2.2. Частичная газификация ВУС под действием лазерных импульсов 102
3.3. Влияние влажности топливной смеси на процесс лазерного распыления ВУС
в высокотемпературной среде 106
3.4. Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4. ЗАЖИГАНИЕ И ГОРЕНИЕ ВУС, СОДЕРЖАЩИХ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГОРЮЧИЕ ПРИМЕСИ 119
4.1. Закономерности зажигания ВУС 120
4.2. Влияние горючих неорганических примесей на процессы зажигания и
горения ВУС при различных механизмах нагрева 129
4.2.1. Влияние неорганических примесей на времена задержки зажигания
ВУС 132
4.2.2. Влияние неорганических примесей на режим горения ВУС 140
4.2.3. Влияние неорганических примесей на состав продуктов сгорания ... 147
4.3. Выводы по четвертой главе 154
Глава 5. Пиролиз смесей на основе отходов обогащения каменных углей, бурых углей и торфов под действием потока светового излучения 157
5.1. Пиролиз отходов углеобогащения под действием наносекундных лазерных
импульсов 158
5.2. Пиролиз отходов углеобогащения под действием непрерывного лазерного
излучения 172
5.3. Пиролиз торфа и бурого угля под действием непрерывного светового
излучения 186
5.4. Выводы по пятой главе 201
ГЛАВА 6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПИРОЛИЗА СМЕСЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОТОКА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 203
6.1. Пространственно-временная динамика характеристик слоя топлива 205
6.2 Влияние влажности топлива на протекание процесса пиролиза 217
6.3 Выводы по шестой главе 223
ГЛАВА 7. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 225
7.1. Применение предложенных методик 226
7.2. Выводы по седьмой главе 233
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 234
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 236
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 240
Приложение А 262
Акт об использовании результатов диссертационного исследования 262
Приложение Б 263
Справка об использовании результатов диссертационной работы 263
Приложение В 264
Акт об использовании результатов диссертационной работы 265
ГЛАВА 1. НИЗКОКАЛОРИЙНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ ТОПЛИВА, ОТХОДЫ
УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 18
1.1. Низкокалорийные ископаемые топлива и отходы обогащения углей 18
1.2. Зажигание и горение топлив с низкой реакционной способностью 25
1.3. Методики термохимической переработки низкокалорийных топлив 34
1.4. Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 48
2.1. Приготовление топливных смесей 48
2.2 Методики исследований 53
2.2.1. Методика исследования активации ВУС под действием лазерных
импульсов 54
2.2.2. Методика исследования влияния неорганических примесей на зажигание
и горение ВУС 62
2.2.3. Методика экспериментального исследования процесса аллотермического
пиролиза ВУС 67
2.3. Математическое моделирование процесса аллотермического пиролиза ВУС 73
2.4. Выводы по второй главе 80
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ПРОЦЕСС
РАСПЫЛЕНИЯ И ЗАЖИГАНИЯ ВУС 82
3.1. Исследование структуры аэрозольного потока ВУС, получаемого с помощью
традиционных подходов 83
3.2. Использование мощных лазерных импульсов для сверхтонкого распыления
ВУС 97
3.2.1. Эффект сверхтонкого распыления ВУС 99
3.2.2. Частичная газификация ВУС под действием лазерных импульсов 102
3.3. Влияние влажности топливной смеси на процесс лазерного распыления ВУС
в высокотемпературной среде 106
3.4. Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4. ЗАЖИГАНИЕ И ГОРЕНИЕ ВУС, СОДЕРЖАЩИХ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГОРЮЧИЕ ПРИМЕСИ 119
4.1. Закономерности зажигания ВУС 120
4.2. Влияние горючих неорганических примесей на процессы зажигания и
горения ВУС при различных механизмах нагрева 129
4.2.1. Влияние неорганических примесей на времена задержки зажигания
ВУС 132
4.2.2. Влияние неорганических примесей на режим горения ВУС 140
4.2.3. Влияние неорганических примесей на состав продуктов сгорания ... 147
4.3. Выводы по четвертой главе 154
Глава 5. Пиролиз смесей на основе отходов обогащения каменных углей, бурых углей и торфов под действием потока светового излучения 157
5.1. Пиролиз отходов углеобогащения под действием наносекундных лазерных
импульсов 158
5.2. Пиролиз отходов углеобогащения под действием непрерывного лазерного
излучения 172
5.3. Пиролиз торфа и бурого угля под действием непрерывного светового
излучения 186
5.4. Выводы по пятой главе 201
ГЛАВА 6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПИРОЛИЗА СМЕСЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОТОКА СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 203
6.1. Пространственно-временная динамика характеристик слоя топлива 205
6.2 Влияние влажности топлива на протекание процесса пиролиза 217
6.3 Выводы по шестой главе 223
ГЛАВА 7. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 225
7.1. Применение предложенных методик 226
7.2. Выводы по седьмой главе 233
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 234
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 236
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 240
Приложение А 262
Акт об использовании результатов диссертационного исследования 262
Приложение Б 263
Справка об использовании результатов диссертационной работы 263
Приложение В 264
Акт об использовании результатов диссертационной работы 265
Актуальность работы. Проблема использования отходов углеобогащения и низкокалорийных ископаемых топлив (НИТ) в качестве энергетических ресурсов представляет интерес в связи с удорожанием традиционных энергоносителей и развитием геополитических конфликтов. На протяжении многих десятилетий разработки угольных месторождений в отвалах накоплены сотни миллионов тонн мелкодисперсных горючих отходов обогащения углей [1, 2]. Эти отходы
характеризуются широкой доступностью, высокой зольностью (до 50-60 мас.%), низкими по сравнению с угольным концентратом теплотой сгорания и реакционной способностью. Отвалы занимают значительные территории, служат источником пылеобразования, а также представляют объекты повышенной пожарной опасности из-за горючести самой пыли и высокого содержания в отходах высокомолекулярных углеводородов (до 30 мас.%), которые даже при солнечном нагреве выделяют легко воспламеняемые летучие вещества (в первую очередь, метан). Разработка эффективных методов утилизации таких отходов позволит существенно улучшить экологическую обстановку в регионах традиционной угледобычи, а также даст промышленности дополнительное дешевое сырье, способное выступить в качестве промышленного топлива и удовлетворить потребности химической промышленности в исходных компонентах для синтеза высокомолекулярных соединений. Твердые НИТ (бурый уголь, торф) обладают рядом свойств, близких к свойствам отходов углеобогащения (относительно низкая теплотворная способность, высокая зольность). Это позволяет применить разработанные подходы для расширения областей использования таких топлив в промышленности. В частности, попытки использования фильтр-кеков, шламов и прочих углеродсодержащих отходов, а также торфов и бурых углей в промышленном производстве тепловой энергии предпринимаются в течение длительного периода времени. Во второй половине ХХ в. выделены основные проблемы, характерные сжиганию таких отходов [1, 2]. Показано, что данный тип топлива характеризуется значительными временами задержки зажигания и низкой
калорийностью. Как следствие, попытки его широкого использования сопряжены с высокими капитальными затратами на модификацию топочных агрегатов. В последние годы данная тема снова набирает актуальность в связи с исчерпанием угольных месторождений в странах Европы, Китае, России и других государствах. В [3] обосновано, что сжигание отходов углеобогащения и низкокалорийных топлив в виде водоугольных смесей (ВУС) позволяет улучшить экологические показатели процесса горения вместе с повышением удобства хранения и транспортировки топлива. Горение таких смесей достаточно полно исследовано в области пониженных температур (до 700 °С) [3]. Наиболее эффективный (с учетом довольно низкой реакционной способности смесей) высокотемпературный режим рассмотрен недостаточно глубоко из-за необходимости дополнительных затрат на разогрев топлива (совместное сжигание с высокосортным топливом, применение плазменных горелок и кислородного дутья). Методы термохимической переработки (пиролиз, газификация) с применением традиционных автотермических технологий [4] также не получили широкое распространение из- за низкой калорийности топлива, не позволяющей конвертировать значительную массу за счет сжигания малой порции. Таким образом, пока отсутствует понимание того, какие физические механизмы могут оказаться наиболее эффективными при использовании низкокалорийного топлива в промышленных цепочках. С точки зрения энергетики целесообразно подтянуть параметры смесей на основе отходов углеобогащения, торфа и бурого угля к показателям традиционных топлив. Ранее исследованные подходы (например, при низкотемпературном сжигании [5]) не дают такой возможности. С другой стороны, использование сторонних источников энергии (или специальных примесей) для форсирования химических реакций в топливе на разных этапах горения смесей, приготовленных из низкокалорийного горючего, является задачей многопараметрической и требует детального исследования как с точки зрения энергетики, так и с позиций экологии. Известные попытки использования аллотермических подходов [6, 7] для переработки
углеродсодержащего сырья с пониженной теплотой сгорания в промышленно применимое состояние также далеки от масштабного практического применения. Показано [6, 7], что наиболее перспективным путем переработки отходов с помощью сторонних источников тепла является использование экстремального нагрева, позволяющего получать генераторный газ с максимальной калорийностью наравне с высокой производительностью таких систем.
Степень проработанности темы исследования. Проблема утилизации отходов углеобогащения в применении к мелкодисперсным отходам (шламы, фильтр-кеки), а также порошкам НИТ решается как в разрезе непосредственного их сжигания (в сухом и влажном виде) [8, 9], так и при их использовании в составе смесевых водоугольных топлив с добавлением отработанных нефтепродуктов [3, 5]. Применение методов термохимической переработки (газификация в плотном слое, фильтрационное горение) выделило проблемы, требующие переработки ранее отработанных подходов, а использование методик сжигания в мощном световом потоке по аналогии с углями [10, 11] показало необходимые пределы мощностей светового потока, обеспечивающие наиболее полное выгорание углерода. Использование упомянутых методов позволило понять основные особенности горения таких топлив, однако показало и совокупность их недостатков. Основной проблемой при непосредственном сжигании является необходимость предварительного прогрева топочных агрегатов до температур, обеспечивающих устойчивое зажигание ВУС. При этом более эффективные смеси, содержащие нефтепродукты, демонстрируют ухудшение экологических показателей. Освоенные промышленностью термохимические методы применимы к достаточно калорийным композициям, а использование прямого лазерного инициирования горения является достаточно проблематичным для высокозольных материалов.
Значительный прогресс в разработке экспериментальных методов сжигания отходов углеобогащения, достигнутый в начале XXI в. группой профессоров Кузнецова Г.В. и Стрижака П.А. [3, 5] на базе ТПУ (г. Томск) прояснил основные моменты, связанные с зажиганием разных видов ВУС при использовании схем с
доминированием кондуктивного, радиационного, конвективного и смешанного теплообмена. Работы группы академика Алексеенко С.В. и профессора Мальцева Л.И. (ИТ СО РАН, г. Новосибирск) по экспериментальному исследованию [12, 13] горения ВУС, а также коллективов профессоров
Кузнецова Г.В. и Саломатова В.В. [14, 15] по моделированию зажигания и горения низкореакционных топлив (ИТ СО РАН, г. Новосибирск, ТПУ, г. Томск) показали перспективные пути к практическому применению ВУС в народном хозяйстве. Методики снижения выбросов при утилизации отходов углеобогащения [16, 17] предложены в Санкт-Петербургском горном университете. Проблемы горения и экологические аспекты применения отходов углеобогащения и НИТ исследовались на крупномасштабных установках [18, 19] под руководством профессора
Мурко В.И. (СибГИУ, г. Новокузнецк). Исследования зажигания и горения углей под действием лазерного излучения [20, 21] являются одним из основных
направлений исследований в группе профессора Адуева Б.П. (Институт углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН, г. Кемерово). Несмотря на достигнутые результаты в исследовании горения смесевых топлив, пока не установлены закономерности инициирования горения ВУС на основе низкокалорийных топлив (в том числе и отходов) с применением безуглеродных примесей. Этот путь выглядит перспективным, с точки зрения снижения выбросов оксидов углерода в атмосферу. Воздействие лазерного излучения преимущественно рассматривается, с точки зрения непосредственного нагрева и зажигания топлива, игнорируя возможность его применения для микрофрагментации топлива, позволяющей многократно ускорить зажигание в печах. Применение мощного светового потока для реализации аллотермических процессов термохимической переработки отходов в условиях экстремального нагрева рассмотрено фрагментарно и требует дополнительных исследований несмотря на относительную простоту реализации таких экспериментов. Основные закономерности окисления топлив с низкой реакционной способностью при высоких температурах исследованы недостаточно глубоко, что делает актуальным поиск оптимальных режимов конверсии и наиболее эффективных составов смесей. Математическое моделирование окисления НИТ в условиях экстремального нагрева позволит установить характеристики аллотермических процессов, использующих мощные тепловые потоки, в сравнении с традиционными подходами, основанными на нагреве за счет сгорания самого топлива.
Постановка проблематики исследований. Известные методы утилизации мелкодисперсных отходов углеобогащения, а также применения НИТ в основном опираются на существенный научно-технический задел по их непосредственному сжиганию в составе суспензий, а также смесей с другими углеродсодержащими отходами (отработанные нефтепродукты и нефтяные шламы). Несмотря на некоторый прогресс в развитии технологий сжигания таких топлив, проблемы, связанные с высокими значениями выбросов углекислого газа, не могут быть решены с использованием вышеперечисленных органических добавок. С другой стороны, переработка с помощью ранее освоенных автотермических методов термохимической конверсии ограничена в силу недостаточной удельной теплотворной способности НИТ и требует поиска путей дополнительной интенсификации нагрева. Как следствие, целесообразно изучить возможность использования отходов углеобогащения, а также подобных им по совокупности свойств топлив (как сжиганием и в ходе термохимической конверсии), с задействованием сторонних источников тепла (в виде высокотемпературных неорганических включений в объеме топлива или потоков излучения, приходящих извне). Вместе с тем, известные наработки по применению лазерного излучения для инициации и поддержания горения углей рассматривают преимущественно прямой нагрев частиц топлива излучением, игнорируя возможность непрямого воздействия излучения на горение топлива (лазерная микро-фрагментация порций топлива на входе в камеру сгорания и др.).
Мотивация к написанию данной диссертационной работы опирается на необходимость изучения особенностей физических механизмов и основных закономерностей процессов, протекающих при термическом воздействии на мелкодисперсные топливные суспензии в условиях экстремального нагрева с применением сторонних источников тепла или неорганических горючих примесей, а также оценки влияния внешних условий на протекание процессов разложения и окисления горючего, а также состав газообразных продуктов.
Целью работы является разработка научных основ термохимической утилизации отходов углеобогащения и низкокалорийных ископаемых твердых топлив при интенсивном нагреве на базе результатов экспериментальных исследований и численного моделирования физико-химических процессов их термического разложения и горения. Основной интерес представляет определение характеристик зажигания (времена задержки зажигания в различных условиях), горения (температуры, длительности горения и состав газообразных продуктов сгорания) и пиролиза (температурные режимы и состав газообразных продуктов) влажных мелкодисперсных суспензий отходов обогащения каменных углей и НИТ в условиях воздействия мощных тепловых потоков от сторонних источников (неорганические горючие включения, радиационный нагрев высокой интенсивности) в экспериментальных исследованиях. На базе экспериментальных данных важно разработать математическая модель для изучения характеристик термохимических превращений, протекающих в слое топлива под действием интенсивного нагрева за счет мощного потока излучения от стороннего источника
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка нового подхода к изучению термохимической утилизации отходов углеобогащения и низкокалорийных ископаемых твердых топлив при интенсивном нагреве под воздействием потока лазерного излучения (процессы распыления смесей из отходов углеобогащения, пиролиза, зажигания и горения).
2. Установление фундаментальных закономерностей процессов зажигания и горения топливных смесей с примесями порошков металлов и известняка, а также определение влияния таких примесей на режим горения и состав газообразных выбросов.
3. Анализ динамических характеристик и закономерностей протекания аллотермического процесса разложения топливных смесей из отходов углеобогащения под действием мощного светового потока, определение граничных условий этого процесса, состава газообразных продуктов и возможных режимов.
4. Определение характеристик термического разложения смесей из низкокалорийных ископаемых топлив под действием светового нагрева в сравнении с аналогичными параметрами протекания процесса термохимической переработки отходов обогащения каменных углей.
5. Разработка математической модели термического разложения смесей из отходов углеобогащения под действием радиационного нагрева на основе полученных экспериментальных данных, исследование динамики процессов окисления углерода, а также ряда значимых факторов, которые не могут быть определены при прямых измерениях.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработан подход (включает фундаментальные основы методики исследований, основные зависимости, границы применимости, методология оценки затрат энергии) к детальному изучению закономерностей и характеристик физико-химических процессов при аллотермическом разложении топливных смесей, приготовленных из отходов углеобогащения, а также НИТ, под действием интенсивного потока света.
2. Определен высокий потенциал практического применения неорганических примесей для улучшения свойств топливных смесей, приготовленных из отходов. Обоснован значительный положительный экологический эффект добавления к топливным смесям частиц алюминия, железа и меди, а также известняка. Установлены закономерности зажигания и горения ВУС с неорганическими примесями.
3. Получены уникальные данные и новые представления о физике горения и основных закономерностях протекания термохимических процессов в низкокалорийных ископаемых топливах под действием тепловых потоков, значительно отличающиеся от протекающих процессов при их сжигании в камерах энергетических установок и реакторах (более 300 Вт/см2).
4. Получены новые данные об основных закономерностях процесса взаимодействия лазерного излучения с жидкими отходами обогащения углей в ходе распыления смесей из отходов углеобогащения с использованием лазерных импульсов. Оценен потенциал и границы применимости лазерного распыления к задаче зажигания топливных смесей.
5. Сформированы новые знания о закономерностях протекания термического разложения топливных смесей из отходов по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе подходы, разработанные методики и выявленные закономерности позволили сформировать общие принципы переработки отходов углеобогащения и НИТ с использованием интенсивного нагрева под действием сфокусированного солнечного света, а также света от искусственных источников.
Оценка экологического и энергетического эффектов неорганических примесей в условиях зажигания и горения ВУС позволила выделить новые способы повышения эффективности использования топлив по характеристикам: температура горения, концентрации выбросов, времена задержки зажигания, предельные тепловые потоки.
Разработана математическая модель процесса свето-индуцированного пиролиза, позволяющая прогнозировать развитие газогенерации в различных условиях в зависимости от свойств топлива.
Предложенные в диссертационной работе подходы, выявленные закономерности, разработанные методики исследований (в частности методики «настольного» эксперимента) позволяют сформировать общие подходы к переработке отходов углеобогащения и НИТ с использованием сфокусированного солнечного света.
Положения, выносимые на защиту:
1. Воздействие лазерных импульсов (80 мДж, 10 нс) на каплю суспензионного топлива, приготовленного из отходов углеобогащения, приводит к ее сверхтонкому распылению (размер фрагментов менее 100 мкм) при условии влажности приповерхностного слоя не ниже 40 мас.%. Этот эффект позволяет существенно (в 1.5-2 раза) снизить времена задержки зажигания капли топлива.
2. Добавление в топливную смесь менее 5 мас.% неорганических примесей (порошков алюминия, железа, известняка) ведет к повышению температур горения (более чем на 100 °С по сравнению с композиционным жидким топливом без таких добавок), а также к снижению в 2-10 раз концентраций газообразных антропогенных выбросов. Времена задержки зажигания топливных смесей без неорганических примесей и с добавлением последних сопоставимы.
3. Нагрев композиционных жидких топлив из отходов углеобогащения сфокусированным световым излучением (как непрерывным лазерным, так и некогерентным, с интенсивностями свыше 800 Вт/см2) позволяет интенсифицировать термическое разложение, обеспечивая производство синтез- газа, имеющего малое содержание негорючих компонентов. Использование наносекундных импульсов с интенсивностью около 8 Дж/см2 позволяет получать генераторный газ с концентрациями СО2 менее 0,01 %.
4. Нагрев композиционных жидких топлив, приготовленных из торфа и бурого угля, световым потоком (с интенсивностью около 100 Вт/см2) позволяет в условиях преимущественно аллотермического процесса реализовать их преобразование в генераторный газ с высоким содержанием водорода и метана. Контролируемое изменение влажности смеси позволяет минимизировать концентрации негорючих компонентов в составе генераторного газа.
5. На основе результатов математического моделирования термического
разложения суспензий из отходов углеобогащения в аллотермическом режиме установлено, что практически полная (выше 95 %) утилизация углерода достигается при толщине слоя топливной смеси, соответствующей менее, чем двум характерным размерам пятна нагрева.
Достоверность полученных результатов и обоснованность положений работы подтверждаются сопоставлением результатов тестовых исследований с ранее известными данными, полученными другими авторами. Применение высокоточных средств измерений, а также корректная организация экспериментов дает обоснованную уверенность в полученных числовых результатах. Удовлетворительная корреляция результатов численного моделирования с экспериментальными данными является дополнительным критерием достоверности полученных данных.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, формулировке задач, определении необходимых условий проведения экспериментов, выделении ключевых параметров и разработке алгоритмов решения поставленных задач. Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований и математического моделирования получены при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования представлялись на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: «Thermophysical basis of energy technologies 2015» (Томск, 2015), «Heat and mass transfer in the system of thermal modes of energy - technical and technological equipment, HMTTSC 2016» (Томск, 2016), «Nanoworkshop 2016» (Томск, 2016), «Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов» (Саратов, 2018), «XXII Международный симпозиум имени академика М.А. Усова» (Томск, 2018), «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Томск, 2018), «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018), III Всероссийская научная конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2018), X Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2018), V
Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2019), XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2021).
Связь работы с государственными программами и НИР. Основные диссертационные исследования выполнялись в рамках программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета: проект ВИУ-НУ-44-2014 «Постдок в Томском политехническом университете», проект «Разработка оптимизированных методик конверсии горючих промышленных отходов для создания альтернативных топлив» (ВИУ-ИШФВП-299/2018), проект «Разработка экологически выгодных аллотермических методик утилизации горючих отходов углеобогащения с попутной выработкой тепловой энергии» (ВИУ-ИШФВП-197/2019), а также в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований «Оценка жизненного цикла снижения выбросов CO2 путем энергоэффективного пиролиза и газификации композиционной биомассы» (№19-53-80019) и программ госзадания «Наука» проект № 1.0031.ГЗБ.2020 и проект № 2.0001.ГЗБ.2023.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемых источников, включающего 207 наименований, и 3 приложений. Полный объем диссертации - 265 страниц машинописного текста, в том числе 91 рисунок и 9 таблиц.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 25 научных трудах, включая 2 реферируемых журнала, рекомендованных ВАК РФ (Химия твердого топлива, Кокс и Химия), 20 статьях в международных журналах, индексируемых в SCOPUS и Web of Science (Fuel, Applied Thermal Engineering, Energy, Renewable Energy, Fuel Processing Technology, Energy&Fuels - большинство из которых соответствуют первому и второму квартилю в базах Scopus и WoS), 3 сборниках материалов конференций различного уровня.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены основные составляющие новизна и практической значимости полученных результатов.
В первой главе приведены свойства объектов исследования (отходы обогащения каменных углей, торфы, бурые угли). Указаны основные месторождения, масштабы залежей, а также приведены основные прогнозы по производству отходов на ближайшую перспективу. Рассмотрены подходы, применяемые в настоящее время для утилизации мелкодисперсных отходов углеобогащения, извлечения из них тепловой энергии, а также наиболее популярные способы использования НИТ. Обозначены достоинства различных используемых и перспективных методов термохимической переработки данных типов горючего сырья. Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований, производимых в смежных направлениях в течение ряда последних лет. Определены слабо изученные факторы, процессы, режимы, которые требуют прояснения для решения поставленных в диссертационной работе задач.
....
характеризуются широкой доступностью, высокой зольностью (до 50-60 мас.%), низкими по сравнению с угольным концентратом теплотой сгорания и реакционной способностью. Отвалы занимают значительные территории, служат источником пылеобразования, а также представляют объекты повышенной пожарной опасности из-за горючести самой пыли и высокого содержания в отходах высокомолекулярных углеводородов (до 30 мас.%), которые даже при солнечном нагреве выделяют легко воспламеняемые летучие вещества (в первую очередь, метан). Разработка эффективных методов утилизации таких отходов позволит существенно улучшить экологическую обстановку в регионах традиционной угледобычи, а также даст промышленности дополнительное дешевое сырье, способное выступить в качестве промышленного топлива и удовлетворить потребности химической промышленности в исходных компонентах для синтеза высокомолекулярных соединений. Твердые НИТ (бурый уголь, торф) обладают рядом свойств, близких к свойствам отходов углеобогащения (относительно низкая теплотворная способность, высокая зольность). Это позволяет применить разработанные подходы для расширения областей использования таких топлив в промышленности. В частности, попытки использования фильтр-кеков, шламов и прочих углеродсодержащих отходов, а также торфов и бурых углей в промышленном производстве тепловой энергии предпринимаются в течение длительного периода времени. Во второй половине ХХ в. выделены основные проблемы, характерные сжиганию таких отходов [1, 2]. Показано, что данный тип топлива характеризуется значительными временами задержки зажигания и низкой
калорийностью. Как следствие, попытки его широкого использования сопряжены с высокими капитальными затратами на модификацию топочных агрегатов. В последние годы данная тема снова набирает актуальность в связи с исчерпанием угольных месторождений в странах Европы, Китае, России и других государствах. В [3] обосновано, что сжигание отходов углеобогащения и низкокалорийных топлив в виде водоугольных смесей (ВУС) позволяет улучшить экологические показатели процесса горения вместе с повышением удобства хранения и транспортировки топлива. Горение таких смесей достаточно полно исследовано в области пониженных температур (до 700 °С) [3]. Наиболее эффективный (с учетом довольно низкой реакционной способности смесей) высокотемпературный режим рассмотрен недостаточно глубоко из-за необходимости дополнительных затрат на разогрев топлива (совместное сжигание с высокосортным топливом, применение плазменных горелок и кислородного дутья). Методы термохимической переработки (пиролиз, газификация) с применением традиционных автотермических технологий [4] также не получили широкое распространение из- за низкой калорийности топлива, не позволяющей конвертировать значительную массу за счет сжигания малой порции. Таким образом, пока отсутствует понимание того, какие физические механизмы могут оказаться наиболее эффективными при использовании низкокалорийного топлива в промышленных цепочках. С точки зрения энергетики целесообразно подтянуть параметры смесей на основе отходов углеобогащения, торфа и бурого угля к показателям традиционных топлив. Ранее исследованные подходы (например, при низкотемпературном сжигании [5]) не дают такой возможности. С другой стороны, использование сторонних источников энергии (или специальных примесей) для форсирования химических реакций в топливе на разных этапах горения смесей, приготовленных из низкокалорийного горючего, является задачей многопараметрической и требует детального исследования как с точки зрения энергетики, так и с позиций экологии. Известные попытки использования аллотермических подходов [6, 7] для переработки
углеродсодержащего сырья с пониженной теплотой сгорания в промышленно применимое состояние также далеки от масштабного практического применения. Показано [6, 7], что наиболее перспективным путем переработки отходов с помощью сторонних источников тепла является использование экстремального нагрева, позволяющего получать генераторный газ с максимальной калорийностью наравне с высокой производительностью таких систем.
Степень проработанности темы исследования. Проблема утилизации отходов углеобогащения в применении к мелкодисперсным отходам (шламы, фильтр-кеки), а также порошкам НИТ решается как в разрезе непосредственного их сжигания (в сухом и влажном виде) [8, 9], так и при их использовании в составе смесевых водоугольных топлив с добавлением отработанных нефтепродуктов [3, 5]. Применение методов термохимической переработки (газификация в плотном слое, фильтрационное горение) выделило проблемы, требующие переработки ранее отработанных подходов, а использование методик сжигания в мощном световом потоке по аналогии с углями [10, 11] показало необходимые пределы мощностей светового потока, обеспечивающие наиболее полное выгорание углерода. Использование упомянутых методов позволило понять основные особенности горения таких топлив, однако показало и совокупность их недостатков. Основной проблемой при непосредственном сжигании является необходимость предварительного прогрева топочных агрегатов до температур, обеспечивающих устойчивое зажигание ВУС. При этом более эффективные смеси, содержащие нефтепродукты, демонстрируют ухудшение экологических показателей. Освоенные промышленностью термохимические методы применимы к достаточно калорийным композициям, а использование прямого лазерного инициирования горения является достаточно проблематичным для высокозольных материалов.
Значительный прогресс в разработке экспериментальных методов сжигания отходов углеобогащения, достигнутый в начале XXI в. группой профессоров Кузнецова Г.В. и Стрижака П.А. [3, 5] на базе ТПУ (г. Томск) прояснил основные моменты, связанные с зажиганием разных видов ВУС при использовании схем с
доминированием кондуктивного, радиационного, конвективного и смешанного теплообмена. Работы группы академика Алексеенко С.В. и профессора Мальцева Л.И. (ИТ СО РАН, г. Новосибирск) по экспериментальному исследованию [12, 13] горения ВУС, а также коллективов профессоров
Кузнецова Г.В. и Саломатова В.В. [14, 15] по моделированию зажигания и горения низкореакционных топлив (ИТ СО РАН, г. Новосибирск, ТПУ, г. Томск) показали перспективные пути к практическому применению ВУС в народном хозяйстве. Методики снижения выбросов при утилизации отходов углеобогащения [16, 17] предложены в Санкт-Петербургском горном университете. Проблемы горения и экологические аспекты применения отходов углеобогащения и НИТ исследовались на крупномасштабных установках [18, 19] под руководством профессора
Мурко В.И. (СибГИУ, г. Новокузнецк). Исследования зажигания и горения углей под действием лазерного излучения [20, 21] являются одним из основных
направлений исследований в группе профессора Адуева Б.П. (Институт углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН, г. Кемерово). Несмотря на достигнутые результаты в исследовании горения смесевых топлив, пока не установлены закономерности инициирования горения ВУС на основе низкокалорийных топлив (в том числе и отходов) с применением безуглеродных примесей. Этот путь выглядит перспективным, с точки зрения снижения выбросов оксидов углерода в атмосферу. Воздействие лазерного излучения преимущественно рассматривается, с точки зрения непосредственного нагрева и зажигания топлива, игнорируя возможность его применения для микрофрагментации топлива, позволяющей многократно ускорить зажигание в печах. Применение мощного светового потока для реализации аллотермических процессов термохимической переработки отходов в условиях экстремального нагрева рассмотрено фрагментарно и требует дополнительных исследований несмотря на относительную простоту реализации таких экспериментов. Основные закономерности окисления топлив с низкой реакционной способностью при высоких температурах исследованы недостаточно глубоко, что делает актуальным поиск оптимальных режимов конверсии и наиболее эффективных составов смесей. Математическое моделирование окисления НИТ в условиях экстремального нагрева позволит установить характеристики аллотермических процессов, использующих мощные тепловые потоки, в сравнении с традиционными подходами, основанными на нагреве за счет сгорания самого топлива.
Постановка проблематики исследований. Известные методы утилизации мелкодисперсных отходов углеобогащения, а также применения НИТ в основном опираются на существенный научно-технический задел по их непосредственному сжиганию в составе суспензий, а также смесей с другими углеродсодержащими отходами (отработанные нефтепродукты и нефтяные шламы). Несмотря на некоторый прогресс в развитии технологий сжигания таких топлив, проблемы, связанные с высокими значениями выбросов углекислого газа, не могут быть решены с использованием вышеперечисленных органических добавок. С другой стороны, переработка с помощью ранее освоенных автотермических методов термохимической конверсии ограничена в силу недостаточной удельной теплотворной способности НИТ и требует поиска путей дополнительной интенсификации нагрева. Как следствие, целесообразно изучить возможность использования отходов углеобогащения, а также подобных им по совокупности свойств топлив (как сжиганием и в ходе термохимической конверсии), с задействованием сторонних источников тепла (в виде высокотемпературных неорганических включений в объеме топлива или потоков излучения, приходящих извне). Вместе с тем, известные наработки по применению лазерного излучения для инициации и поддержания горения углей рассматривают преимущественно прямой нагрев частиц топлива излучением, игнорируя возможность непрямого воздействия излучения на горение топлива (лазерная микро-фрагментация порций топлива на входе в камеру сгорания и др.).
Мотивация к написанию данной диссертационной работы опирается на необходимость изучения особенностей физических механизмов и основных закономерностей процессов, протекающих при термическом воздействии на мелкодисперсные топливные суспензии в условиях экстремального нагрева с применением сторонних источников тепла или неорганических горючих примесей, а также оценки влияния внешних условий на протекание процессов разложения и окисления горючего, а также состав газообразных продуктов.
Целью работы является разработка научных основ термохимической утилизации отходов углеобогащения и низкокалорийных ископаемых твердых топлив при интенсивном нагреве на базе результатов экспериментальных исследований и численного моделирования физико-химических процессов их термического разложения и горения. Основной интерес представляет определение характеристик зажигания (времена задержки зажигания в различных условиях), горения (температуры, длительности горения и состав газообразных продуктов сгорания) и пиролиза (температурные режимы и состав газообразных продуктов) влажных мелкодисперсных суспензий отходов обогащения каменных углей и НИТ в условиях воздействия мощных тепловых потоков от сторонних источников (неорганические горючие включения, радиационный нагрев высокой интенсивности) в экспериментальных исследованиях. На базе экспериментальных данных важно разработать математическая модель для изучения характеристик термохимических превращений, протекающих в слое топлива под действием интенсивного нагрева за счет мощного потока излучения от стороннего источника
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка нового подхода к изучению термохимической утилизации отходов углеобогащения и низкокалорийных ископаемых твердых топлив при интенсивном нагреве под воздействием потока лазерного излучения (процессы распыления смесей из отходов углеобогащения, пиролиза, зажигания и горения).
2. Установление фундаментальных закономерностей процессов зажигания и горения топливных смесей с примесями порошков металлов и известняка, а также определение влияния таких примесей на режим горения и состав газообразных выбросов.
3. Анализ динамических характеристик и закономерностей протекания аллотермического процесса разложения топливных смесей из отходов углеобогащения под действием мощного светового потока, определение граничных условий этого процесса, состава газообразных продуктов и возможных режимов.
4. Определение характеристик термического разложения смесей из низкокалорийных ископаемых топлив под действием светового нагрева в сравнении с аналогичными параметрами протекания процесса термохимической переработки отходов обогащения каменных углей.
5. Разработка математической модели термического разложения смесей из отходов углеобогащения под действием радиационного нагрева на основе полученных экспериментальных данных, исследование динамики процессов окисления углерода, а также ряда значимых факторов, которые не могут быть определены при прямых измерениях.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработан подход (включает фундаментальные основы методики исследований, основные зависимости, границы применимости, методология оценки затрат энергии) к детальному изучению закономерностей и характеристик физико-химических процессов при аллотермическом разложении топливных смесей, приготовленных из отходов углеобогащения, а также НИТ, под действием интенсивного потока света.
2. Определен высокий потенциал практического применения неорганических примесей для улучшения свойств топливных смесей, приготовленных из отходов. Обоснован значительный положительный экологический эффект добавления к топливным смесям частиц алюминия, железа и меди, а также известняка. Установлены закономерности зажигания и горения ВУС с неорганическими примесями.
3. Получены уникальные данные и новые представления о физике горения и основных закономерностях протекания термохимических процессов в низкокалорийных ископаемых топливах под действием тепловых потоков, значительно отличающиеся от протекающих процессов при их сжигании в камерах энергетических установок и реакторах (более 300 Вт/см2).
4. Получены новые данные об основных закономерностях процесса взаимодействия лазерного излучения с жидкими отходами обогащения углей в ходе распыления смесей из отходов углеобогащения с использованием лазерных импульсов. Оценен потенциал и границы применимости лазерного распыления к задаче зажигания топливных смесей.
5. Сформированы новые знания о закономерностях протекания термического разложения топливных смесей из отходов по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе подходы, разработанные методики и выявленные закономерности позволили сформировать общие принципы переработки отходов углеобогащения и НИТ с использованием интенсивного нагрева под действием сфокусированного солнечного света, а также света от искусственных источников.
Оценка экологического и энергетического эффектов неорганических примесей в условиях зажигания и горения ВУС позволила выделить новые способы повышения эффективности использования топлив по характеристикам: температура горения, концентрации выбросов, времена задержки зажигания, предельные тепловые потоки.
Разработана математическая модель процесса свето-индуцированного пиролиза, позволяющая прогнозировать развитие газогенерации в различных условиях в зависимости от свойств топлива.
Предложенные в диссертационной работе подходы, выявленные закономерности, разработанные методики исследований (в частности методики «настольного» эксперимента) позволяют сформировать общие подходы к переработке отходов углеобогащения и НИТ с использованием сфокусированного солнечного света.
Положения, выносимые на защиту:
1. Воздействие лазерных импульсов (80 мДж, 10 нс) на каплю суспензионного топлива, приготовленного из отходов углеобогащения, приводит к ее сверхтонкому распылению (размер фрагментов менее 100 мкм) при условии влажности приповерхностного слоя не ниже 40 мас.%. Этот эффект позволяет существенно (в 1.5-2 раза) снизить времена задержки зажигания капли топлива.
2. Добавление в топливную смесь менее 5 мас.% неорганических примесей (порошков алюминия, железа, известняка) ведет к повышению температур горения (более чем на 100 °С по сравнению с композиционным жидким топливом без таких добавок), а также к снижению в 2-10 раз концентраций газообразных антропогенных выбросов. Времена задержки зажигания топливных смесей без неорганических примесей и с добавлением последних сопоставимы.
3. Нагрев композиционных жидких топлив из отходов углеобогащения сфокусированным световым излучением (как непрерывным лазерным, так и некогерентным, с интенсивностями свыше 800 Вт/см2) позволяет интенсифицировать термическое разложение, обеспечивая производство синтез- газа, имеющего малое содержание негорючих компонентов. Использование наносекундных импульсов с интенсивностью около 8 Дж/см2 позволяет получать генераторный газ с концентрациями СО2 менее 0,01 %.
4. Нагрев композиционных жидких топлив, приготовленных из торфа и бурого угля, световым потоком (с интенсивностью около 100 Вт/см2) позволяет в условиях преимущественно аллотермического процесса реализовать их преобразование в генераторный газ с высоким содержанием водорода и метана. Контролируемое изменение влажности смеси позволяет минимизировать концентрации негорючих компонентов в составе генераторного газа.
5. На основе результатов математического моделирования термического
разложения суспензий из отходов углеобогащения в аллотермическом режиме установлено, что практически полная (выше 95 %) утилизация углерода достигается при толщине слоя топливной смеси, соответствующей менее, чем двум характерным размерам пятна нагрева.
Достоверность полученных результатов и обоснованность положений работы подтверждаются сопоставлением результатов тестовых исследований с ранее известными данными, полученными другими авторами. Применение высокоточных средств измерений, а также корректная организация экспериментов дает обоснованную уверенность в полученных числовых результатах. Удовлетворительная корреляция результатов численного моделирования с экспериментальными данными является дополнительным критерием достоверности полученных данных.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, формулировке задач, определении необходимых условий проведения экспериментов, выделении ключевых параметров и разработке алгоритмов решения поставленных задач. Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований и математического моделирования получены при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования представлялись на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: «Thermophysical basis of energy technologies 2015» (Томск, 2015), «Heat and mass transfer in the system of thermal modes of energy - technical and technological equipment, HMTTSC 2016» (Томск, 2016), «Nanoworkshop 2016» (Томск, 2016), «Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов» (Саратов, 2018), «XXII Международный симпозиум имени академика М.А. Усова» (Томск, 2018), «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Томск, 2018), «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018), III Всероссийская научная конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2018), X Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2018), V
Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2019), XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2021).
Связь работы с государственными программами и НИР. Основные диссертационные исследования выполнялись в рамках программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета: проект ВИУ-НУ-44-2014 «Постдок в Томском политехническом университете», проект «Разработка оптимизированных методик конверсии горючих промышленных отходов для создания альтернативных топлив» (ВИУ-ИШФВП-299/2018), проект «Разработка экологически выгодных аллотермических методик утилизации горючих отходов углеобогащения с попутной выработкой тепловой энергии» (ВИУ-ИШФВП-197/2019), а также в рамках проекта Российского фонда фундаментальных исследований «Оценка жизненного цикла снижения выбросов CO2 путем энергоэффективного пиролиза и газификации композиционной биомассы» (№19-53-80019) и программ госзадания «Наука» проект № 1.0031.ГЗБ.2020 и проект № 2.0001.ГЗБ.2023.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемых источников, включающего 207 наименований, и 3 приложений. Полный объем диссертации - 265 страниц машинописного текста, в том числе 91 рисунок и 9 таблиц.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 25 научных трудах, включая 2 реферируемых журнала, рекомендованных ВАК РФ (Химия твердого топлива, Кокс и Химия), 20 статьях в международных журналах, индексируемых в SCOPUS и Web of Science (Fuel, Applied Thermal Engineering, Energy, Renewable Energy, Fuel Processing Technology, Energy&Fuels - большинство из которых соответствуют первому и второму квартилю в базах Scopus и WoS), 3 сборниках материалов конференций различного уровня.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены основные составляющие новизна и практической значимости полученных результатов.
В первой главе приведены свойства объектов исследования (отходы обогащения каменных углей, торфы, бурые угли). Указаны основные месторождения, масштабы залежей, а также приведены основные прогнозы по производству отходов на ближайшую перспективу. Рассмотрены подходы, применяемые в настоящее время для утилизации мелкодисперсных отходов углеобогащения, извлечения из них тепловой энергии, а также наиболее популярные способы использования НИТ. Обозначены достоинства различных используемых и перспективных методов термохимической переработки данных типов горючего сырья. Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований, производимых в смежных направлениях в течение ряда последних лет. Определены слабо изученные факторы, процессы, режимы, которые требуют прояснения для решения поставленных в диссертационной работе задач.
....
1. Разработан подход к утилизации мелкодисперсных влажных отходов обогащения каменных углей, основанный на использовании нагрева световым потоком высокой интенсивности (свыше 300 Вт/см2).
2. Создана методика лазерного распыления водоугольных суспензий, приготовленных из отходов обогащения каменных углей. Показано, что воздействие лазерных импульсов (10 нс, до 100 мДж) на каплю композиционного топлива ведет к ее диспергированию.
3. Сформулированы фундаментальные основы методики повышения энергетических и экологических показателей продуктов термического разложения водоугольных топлив за счет добавления в их состав неорганических примесей (порошки алюминия, железа, а также известняка).
4. Установлены граничные параметры процесса пиролиза водных суспензий (пороговые интенсивности излучения, уровни затрат энергии на производство единицы массы генераторного газа, рабочие температуры), приготовленных на основе отходов обогащения каменных углей и низкокалорийных топлив.
5. На основе полученных экспериментальных данных, выявленных закономерностей и граничных значений, разработана математическая модель процесса пиролиза водоугольных суспензий под действием светового потока высокой интенсивности.
6. В результате проведенных широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований установлено влияние большой совокупности факторов (интенсивность излучения, температура поверхности топлива, влажность суспензии, размеры частиц аэрозоля, тип и количество неорганических примесей) на характеристики протекания процесса термохимической переработки и горения суспензий, приготовленных из отходов углеобогащения и низкокалорийных топлив.
7. Новые знания, полученные в результате проведенных исследований процесса свето-индуцированного пиролиза водоугольных суспензий, представляют интерес для разработки перспективных методов утилизации отходов обогащения углей за счет сфокусированного солнечного света, а также переработки низкокалорийных ископаемых
2. Создана методика лазерного распыления водоугольных суспензий, приготовленных из отходов обогащения каменных углей. Показано, что воздействие лазерных импульсов (10 нс, до 100 мДж) на каплю композиционного топлива ведет к ее диспергированию.
3. Сформулированы фундаментальные основы методики повышения энергетических и экологических показателей продуктов термического разложения водоугольных топлив за счет добавления в их состав неорганических примесей (порошки алюминия, железа, а также известняка).
4. Установлены граничные параметры процесса пиролиза водных суспензий (пороговые интенсивности излучения, уровни затрат энергии на производство единицы массы генераторного газа, рабочие температуры), приготовленных на основе отходов обогащения каменных углей и низкокалорийных топлив.
5. На основе полученных экспериментальных данных, выявленных закономерностей и граничных значений, разработана математическая модель процесса пиролиза водоугольных суспензий под действием светового потока высокой интенсивности.
6. В результате проведенных широкомасштабных экспериментальных и теоретических исследований установлено влияние большой совокупности факторов (интенсивность излучения, температура поверхности топлива, влажность суспензии, размеры частиц аэрозоля, тип и количество неорганических примесей) на характеристики протекания процесса термохимической переработки и горения суспензий, приготовленных из отходов углеобогащения и низкокалорийных топлив.
7. Новые знания, полученные в результате проведенных исследований процесса свето-индуцированного пиролиза водоугольных суспензий, представляют интерес для разработки перспективных методов утилизации отходов обогащения углей за счет сфокусированного солнечного света, а также переработки низкокалорийных ископаемых
