Помощь студентам в учебе
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ ЗАЖИГАНИИ И ГОРЕНИИ ЧАСТИЦ, ПЕЛЛЕТ И КАПЕЛЬ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ТОПЛИВ
|
Оглавление 2
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ЗАЖИГАНИИ ПЕЛЛЕТ, КАПЕЛЬ И ЧАСТИЦ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ТОПЛИВ 12
Выводы по главе 1 19
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ
ЗАЖИГАНИИ ПЕЛЛЕТИЗИРОВАННОГО ТОПЛИВА 21
2.1 Тепломассоперенос при воспламенении угольной пеллеты в условиях радиационноконвективного теплового воздействия 21
2.2 Воспламенение топливных пеллет в условиях радиационно-конвективно-микроволнового
теплового воздействия 36
Выводы по главе 2 39
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ЗАЖИГАНИИ ЧАСТИЦЫ ВЛАЖНОЙ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО И МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА 41
3.1 Решение задачи прогрева топливной частицы до инициирования процесса испарения
внутрипоровой воды 46
3.2 Решение задачи сушки частицы древесины в условиях сложного теплового воздействия...49
3.3 Решение задачи зажигания частицы древесины 63
Выводы по главе 3 71
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА
ПРИ ЗАЖИГАНИИ КАПЛИ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА 72
4.1 Сравнительный анализ процессов тепломассообмена при зажигании и горении капель
водоугольных топлив, выполненных из природного и торрефицированного (коксовый остаток) углей 72
4.2 Математическое моделирование процессов зажигания капель водоугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания газотурбинных установок (высокие температуры
и давления) 88
Выводы по главе 4 102
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106 ПРИЛОЖЕНИЕ A. Методы численного решения поставленных в работе задач воспламенения
пеллетизированного (глава 2) и водоугольного (глава 4, параграф 4.2) топлив 122
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Условные обозначения 126
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ЗАЖИГАНИИ ПЕЛЛЕТ, КАПЕЛЬ И ЧАСТИЦ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ТОПЛИВ 12
Выводы по главе 1 19
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ
ЗАЖИГАНИИ ПЕЛЛЕТИЗИРОВАННОГО ТОПЛИВА 21
2.1 Тепломассоперенос при воспламенении угольной пеллеты в условиях радиационноконвективного теплового воздействия 21
2.2 Воспламенение топливных пеллет в условиях радиационно-конвективно-микроволнового
теплового воздействия 36
Выводы по главе 2 39
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ЗАЖИГАНИИ ЧАСТИЦЫ ВЛАЖНОЙ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО И МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА 41
3.1 Решение задачи прогрева топливной частицы до инициирования процесса испарения
внутрипоровой воды 46
3.2 Решение задачи сушки частицы древесины в условиях сложного теплового воздействия...49
3.3 Решение задачи зажигания частицы древесины 63
Выводы по главе 3 71
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА
ПРИ ЗАЖИГАНИИ КАПЛИ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА 72
4.1 Сравнительный анализ процессов тепломассообмена при зажигании и горении капель
водоугольных топлив, выполненных из природного и торрефицированного (коксовый остаток) углей 72
4.2 Математическое моделирование процессов зажигания капель водоугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания газотурбинных установок (высокие температуры
и давления) 88
Выводы по главе 4 102
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106 ПРИЛОЖЕНИЕ A. Методы численного решения поставленных в работе задач воспламенения
пеллетизированного (глава 2) и водоугольного (глава 4, параграф 4.2) топлив 122
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Условные обозначения 126
Устойчивая и независимая энергетика является фундаментом безопасности любого государства. Анализ энергетического рынка последних лет позволяет сделать вывод о том, что попытки внедрения в глобальную энергетику так называемых нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) - ветрогенераторов [1], солнечных панелей [2], приливных электростанций [3] и т. п. - оказались безуспешными. Это обусловлено рядом весомых причин, среди которых можно выделить зависимость данных источников энергии от погодных условий и времени года. Кроме того, стоит отметить длительный срок окупаемости подобных проектов [4].
В свете этого обстоятельства традиционные источники энергии, такие как уголь и древесина, продолжают оставаться актуальными. Электростанции, функционирующие на таком топливе [5], характеризуются стабильной производительностью в течение всего года и не подвержены влиянию погодных условий.
Доля угольной энергетики в России сохраняет свою стабильность и демонстрирует тенденцию к росту в обозримом будущем [5]. Уголь играет ключевую роль в энергетическом секторе, являясь одним из основных источников тепловой и электрической энергии [6]. В настоящее время угольные электростанции составляют значительную часть энергетической системы страны, обеспечивая стабильное и надёжное энергоснабжение населения и промышленности. Угольные месторождения на территории России являются одними из крупнейших в мире, что позволяет стране полностью обеспечивать себя собственным сырьём для производства электроэнергии [7].
Одним из ключевых аспектов, способствующих активному применению угля в энергетической отрасли России, является его относительная доступность в сравнении с альтернативными видами топлива, такими как газ или нефть [8, 9].
Однако использование угля в энергетике имеет ряд негативных последствий для окружающей среды. Сжигание угля на электростанциях сопровождается выбросом в атмосферу вредных веществ, таких как диоксид серы, оксиды азота и тяжелые металлы. Эти вещества негативно влияют на природу и здоровье людей [10]. Кроме того, добыча угля часто осуществляется с нарушением экологических стандартов, что приводит к разрушению природных экосистем и загрязнению водных ресурсов [11-13].
Древесина также занимает важное место в современной энергетике [14]. Она представляет собой один из древнейших и наиболее доступных источников энергии, который человечество использует уже очень давно [14, 15].
Одной из главных причин, по которой древесина является столь значимым ресурсом для производства энергии, является её возобновляемость. Древесина - это природный ресурс, который можно воспроизводить, высаживая новые леса [16, 17]. В отличие от нефти или угля, древесина не истощится со временем, что делает её особенно ценным ресурсом для генерации энергии.
Кроме того, древесина обладает рядом экологических преимуществ. В процессе её сжигания не выделяются вредные для окружающей среды вещества, такие как сера или азотные соединения [18]. Более того, использование древесины в энергетике способствует снижению выбросов парниковых газов, так как при её сгорании выделяется только углекислый газ, который впоследствии поглощается растениями [19].
Древесина также является относительно дешёвым видом топлива. Её добыча и переработка, а также восстановление лесов обходятся гораздо дешевле, чем добыча, обработка и транспортировка нефти или угля [20]. Благодаря этому использование древесины позволяет снизить затраты на производство энергии и, как следствие, сделать её более доступной для потребителей.
В современном мире древесина представляет собой важный и многообещающий источник энергии. Очевидно, что необходимо продолжать разработку энергоэффективных технологий для более эффективного использования этого природного ресурса в производстве электроэнергии и тепла.
Обращение с отходами деревообработки в России - это актуальная проблема, которая возникает в процессе производства и переработки древесины. Ежегодно в стране образуется огромное количество отходов, которые требуют правильной утилизации и переработки [21, 22]. Одним из основных способов решения проблемы отходов деревообработки в России является их повторное использование. Восстановление и переработка отходов могут привести к созданию новых строительных материалов, тепловой энергии или биотоплива. Например, опилки и щепа могут быть использованы в производстве плит и панелей, а обрезки и обломки древесины - в производстве биотоплива [23, 24]. Такой подход не только минимизирует негативное воздействие на окружающую среду, но и способствует более рациональному использованию природных ресурсов.
В целом, повторное использование и переработка отходов деревообрабатывающий промышленности в России являются важными направлениями развития отрасли. Внедрение современных и эффективных технологий позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду, обеспечить рациональное использование природных ресурсов, а также уменьшить затраты на хранение и переработку отходов, а также на производство электроэнергии и тепла [25, 26].
Однако следует отметить, что моделей, описывающих горение древесных частиц, значительно меньше, чем моделей, посвященных горению угля. Для оптимизации процессов горения угольных и древесноугольных топлив необходимо разработать единую физико-математическую теорию, которая будет описывать процессы тепло- и массопереноса при воспламенении и горении частиц топлива в среде окислителя. Создание такой теории представляет собой сложную задачу, включающую целый комплекс физических и химических аспектов. Среди них особое внимание заслуживает анализ возможности внутрипорового воспламенения топлива.
Важно отметить, что современные математические модели не учитывают ряд важных факторов, таких как влияние высоких давлений окислителя и использование микроволнового излучения для повышения эффективности процесса горения. Кроме того, они учитывают лишь ограниченное число химических реакций, протекающих во время прогрева, воспламенения и горения топлива.
Научно-техническая проблема. Отсутствие математических моделей и методов решения соответствующих задач тепломассопереноса при зажигании и горении группы перспективных композитных топлив в условиях, соответствующих топочным устройствам котельных агрегатов ТЭС. В настоящее время в мировой научной литературе отсутствуют публикации, представляющие теоретические результаты исследований процессов зажигания топливных частиц (угля, биомассы и др.) под действием сложного радиационно-конвективного и микроволнового нагрева.
Цель работы. Разработка математического аппарата, позволяющего с высокой достоверностью прогнозировать процессы тепломассопереноса, протекающие в период, предшествующий воспламенению частиц топливных композиций, изготовленных из угля и древесной биомассы, и описывающего процессы тепло- и массопереноса, происходящие при интенсивных термохимических и фазовых трансформациях во внутрипоровой структуре топлива и в пристенной газовой области в условиях сложного радиационно-конвективномикроволнового теплового воздействия.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Создание физических и математических моделей, которые с высокой точностью описывают процессы тепло- и массопереноса в течение индукционного периода нагрева в угольных пеллетах, с учётом комплекса термохимических реакций, протекающих в пористой структуре топливных пеллет и во внешней среде окислителя;
2. Разработка математической модели, которая отражает процессы тепломассопереноса при термической подготовке и воспламенении влажных частиц древесной биомассы, в условиях сложного комбинированного конвекционно-радиационного и микроволнового нагрева, а также создание аналитического решения для соответствующей задачи;
3. Обоснование по результатам теоретических и экспериментальных исследований возможности использования коксового остатка в качестве базовой компоненты водоугольного топлива. Разработка математической модели процесса тепломассопереноса при зажигании капли водоугольного топлива, выполненного на основе коксового остатка;
4. Разработка математической модели процессов тепло- и массообмена во время термической подготовки и воспламенения капель (на начальном этапе нагрева), а также отдельных частиц (после испарения поверхностного слоя влаги) водоугольного топлива при высоких температурах и давлениях;
5. Разработка алгоритмов решения поставленных задач и их программная реализация на языке высокого уровня.
Научная новизна. Существенно расширена математическая база, необходимая для описания процессов термической подготовки и воспламенения частиц перспективных композитных топлив (впервые рассмотрена возможность) при существенном варьировании режимов нагрева, в том числе при использовании дополнительного микроволнового воздействия на частицы топлива. Также впервые разработана модель процессов тепломассопереноса при воспламенении капли водоугольного топлива в условиях высоких давлений и температур.
Практическая значимость работы. Созданы несколько математических моделей, которые могут быть использованы для определения конструктивных параметров камер сгорания котельных агрегатов и газотурбинных установок, работающих на перспективных композитных топливах. Эти модели также находят применение при опытно-конструкторских работах по разработке новых энерго- и экологически эффективных технологий сжигания топлива.
Достоверность. Определяется проведением сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных, полученных в ходе выполнения экспериментальных исследований, проводившихся с целью проверки математических моделей. Для проведения экспериментальных исследований были использованы современные стенды с минимальными методическими погрешностями.
Также достоверность результатов исследований обеспечивается проверкой консервативности используемых разностных схем, и сопоставлением результатов решения группы тестовых задач на менее сложных постановках задач тепломассопереноса с известными данными.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Зажигание угольных пеллет в результате внутрипорового реагирования кислорода, выделяющегося при термическом разложении органической части угля, с твёрдыми (углерод коксового остатка) и газообразными (летучие) продуктами пиролиза угля невозможно в условиях нагрева, соответствующих топочным устройствам (температуры внутрикотловой среды Tg = 873-1273 K) котельных агрегатов ТЭС;
2. Аналитическое решение задачи зажигания частиц влагонасыщенной древесной биомассы применительно к низкотемпературным (в диапазоне температур окислителя Tg = 650-850 K) топкам котлов в условиях комбинированного радиационно-конвективного и микроволнового нагрева;
3. Обоснована возможность использования коксового остатка каменного угля в качестве базовой горючей компоненты водоугольного топлива;
4. Увеличение давления окислителя в диапазоне от 0,1 МПа до 3 МПа приводит к росту значений времени задержки зажигания (tign) типичных капель водоугольного топлива (изготовленного из угля марки Д) на 72%, при этом дальнейшее увеличение давления внешней среды с 3 МПа до 20 МПа ведёт к уменьшению значений tign на 63%.
Личный вклад. Автор произвёл программную реализацию разработанных математических моделей, занимался написанием статей, готовил доклады и выступал на конференциях.
Связь работы с научными программами и грантами.
Исследования проводились в рамках выполнения работ по проектам:
1. Гос. задания "Наука" проект № 8.13264.2018/8.9 ВИУ-НРиР-161/2020 «Разработка математической модели процесса воспламенения частиц древесноугольного смесевого топлива в потоке окислителя», 2020 г;
2. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук № МК-89.2021.4 («Разработка основных элементов теории воспламенения капель существенно неоднородных водоугольных композитов в условиях высоких температур и давлений», 2021 г.);
3. Грант РНФ 18-79-10015 («Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов», 2021 г.).
Апробация работы. Основные положения, перечисленные в диссертационной работе, были представлены на следующих научных конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках докладов:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (28-30 октября 2020 г., Томск, Россия);
2. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (26-28 октября 2021 г., Томск, Россия);
3. XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (09-12 ноября 2021 г., Новосибирск, Россия);
4. XVII Всероссийский симпозиум по горению и взрыву (16-20 сентября 2022 г., Суздаль, Россия);
5. II Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения» (13-15 декабря 2022г., Томск, Россия);
6. XXXVI Сибирский теплофизический семинар (5-7 октября 2020 г.,
Новосибирск, Россия);
7. XXXVII Сибирский теплофизический семинар (14-16 сентября 2021 г., Новосибирск, Россия);
8. XXXVIII Сибирский теплофизический семинар (29-31 августа 2022 г., Новосибирск, Россия);
9. XXXIX Сибирский теплофизический семинар (28-31 августа 2023 г., Новосибирск, Россия);
10. XIII Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (12-14 октября 2023 г., Нижний Новгород, Россия);
11. VII Минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации (2-5 октября 2023 г., Минск, Беларусь);
12. XVII Минский международный форум по тепломассообмену (20-24 мая 2024 г., Минск, Беларусь).
Публикации. Научные результаты, представленные в диссертации, приведены в 4 статьях, опубликованных в международных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science» и входящими в Q1 и Q2: «Energy» [27], «Combustion and Flame» [28, 29], «Combustion Science and Technology» [30], а также в 1 статье в журнале, включённом Высшей аттестационной комиссией России в перечень изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук: «Химическая Физика» [31]. Получено одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ [32].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений; изложена на 131 странице, содержит 31 рисунок и 3 таблицы. Список литературы состоит из 151 источника.
В свете этого обстоятельства традиционные источники энергии, такие как уголь и древесина, продолжают оставаться актуальными. Электростанции, функционирующие на таком топливе [5], характеризуются стабильной производительностью в течение всего года и не подвержены влиянию погодных условий.
Доля угольной энергетики в России сохраняет свою стабильность и демонстрирует тенденцию к росту в обозримом будущем [5]. Уголь играет ключевую роль в энергетическом секторе, являясь одним из основных источников тепловой и электрической энергии [6]. В настоящее время угольные электростанции составляют значительную часть энергетической системы страны, обеспечивая стабильное и надёжное энергоснабжение населения и промышленности. Угольные месторождения на территории России являются одними из крупнейших в мире, что позволяет стране полностью обеспечивать себя собственным сырьём для производства электроэнергии [7].
Одним из ключевых аспектов, способствующих активному применению угля в энергетической отрасли России, является его относительная доступность в сравнении с альтернативными видами топлива, такими как газ или нефть [8, 9].
Однако использование угля в энергетике имеет ряд негативных последствий для окружающей среды. Сжигание угля на электростанциях сопровождается выбросом в атмосферу вредных веществ, таких как диоксид серы, оксиды азота и тяжелые металлы. Эти вещества негативно влияют на природу и здоровье людей [10]. Кроме того, добыча угля часто осуществляется с нарушением экологических стандартов, что приводит к разрушению природных экосистем и загрязнению водных ресурсов [11-13].
Древесина также занимает важное место в современной энергетике [14]. Она представляет собой один из древнейших и наиболее доступных источников энергии, который человечество использует уже очень давно [14, 15].
Одной из главных причин, по которой древесина является столь значимым ресурсом для производства энергии, является её возобновляемость. Древесина - это природный ресурс, который можно воспроизводить, высаживая новые леса [16, 17]. В отличие от нефти или угля, древесина не истощится со временем, что делает её особенно ценным ресурсом для генерации энергии.
Кроме того, древесина обладает рядом экологических преимуществ. В процессе её сжигания не выделяются вредные для окружающей среды вещества, такие как сера или азотные соединения [18]. Более того, использование древесины в энергетике способствует снижению выбросов парниковых газов, так как при её сгорании выделяется только углекислый газ, который впоследствии поглощается растениями [19].
Древесина также является относительно дешёвым видом топлива. Её добыча и переработка, а также восстановление лесов обходятся гораздо дешевле, чем добыча, обработка и транспортировка нефти или угля [20]. Благодаря этому использование древесины позволяет снизить затраты на производство энергии и, как следствие, сделать её более доступной для потребителей.
В современном мире древесина представляет собой важный и многообещающий источник энергии. Очевидно, что необходимо продолжать разработку энергоэффективных технологий для более эффективного использования этого природного ресурса в производстве электроэнергии и тепла.
Обращение с отходами деревообработки в России - это актуальная проблема, которая возникает в процессе производства и переработки древесины. Ежегодно в стране образуется огромное количество отходов, которые требуют правильной утилизации и переработки [21, 22]. Одним из основных способов решения проблемы отходов деревообработки в России является их повторное использование. Восстановление и переработка отходов могут привести к созданию новых строительных материалов, тепловой энергии или биотоплива. Например, опилки и щепа могут быть использованы в производстве плит и панелей, а обрезки и обломки древесины - в производстве биотоплива [23, 24]. Такой подход не только минимизирует негативное воздействие на окружающую среду, но и способствует более рациональному использованию природных ресурсов.
В целом, повторное использование и переработка отходов деревообрабатывающий промышленности в России являются важными направлениями развития отрасли. Внедрение современных и эффективных технологий позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду, обеспечить рациональное использование природных ресурсов, а также уменьшить затраты на хранение и переработку отходов, а также на производство электроэнергии и тепла [25, 26].
Однако следует отметить, что моделей, описывающих горение древесных частиц, значительно меньше, чем моделей, посвященных горению угля. Для оптимизации процессов горения угольных и древесноугольных топлив необходимо разработать единую физико-математическую теорию, которая будет описывать процессы тепло- и массопереноса при воспламенении и горении частиц топлива в среде окислителя. Создание такой теории представляет собой сложную задачу, включающую целый комплекс физических и химических аспектов. Среди них особое внимание заслуживает анализ возможности внутрипорового воспламенения топлива.
Важно отметить, что современные математические модели не учитывают ряд важных факторов, таких как влияние высоких давлений окислителя и использование микроволнового излучения для повышения эффективности процесса горения. Кроме того, они учитывают лишь ограниченное число химических реакций, протекающих во время прогрева, воспламенения и горения топлива.
Научно-техническая проблема. Отсутствие математических моделей и методов решения соответствующих задач тепломассопереноса при зажигании и горении группы перспективных композитных топлив в условиях, соответствующих топочным устройствам котельных агрегатов ТЭС. В настоящее время в мировой научной литературе отсутствуют публикации, представляющие теоретические результаты исследований процессов зажигания топливных частиц (угля, биомассы и др.) под действием сложного радиационно-конвективного и микроволнового нагрева.
Цель работы. Разработка математического аппарата, позволяющего с высокой достоверностью прогнозировать процессы тепломассопереноса, протекающие в период, предшествующий воспламенению частиц топливных композиций, изготовленных из угля и древесной биомассы, и описывающего процессы тепло- и массопереноса, происходящие при интенсивных термохимических и фазовых трансформациях во внутрипоровой структуре топлива и в пристенной газовой области в условиях сложного радиационно-конвективномикроволнового теплового воздействия.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Создание физических и математических моделей, которые с высокой точностью описывают процессы тепло- и массопереноса в течение индукционного периода нагрева в угольных пеллетах, с учётом комплекса термохимических реакций, протекающих в пористой структуре топливных пеллет и во внешней среде окислителя;
2. Разработка математической модели, которая отражает процессы тепломассопереноса при термической подготовке и воспламенении влажных частиц древесной биомассы, в условиях сложного комбинированного конвекционно-радиационного и микроволнового нагрева, а также создание аналитического решения для соответствующей задачи;
3. Обоснование по результатам теоретических и экспериментальных исследований возможности использования коксового остатка в качестве базовой компоненты водоугольного топлива. Разработка математической модели процесса тепломассопереноса при зажигании капли водоугольного топлива, выполненного на основе коксового остатка;
4. Разработка математической модели процессов тепло- и массообмена во время термической подготовки и воспламенения капель (на начальном этапе нагрева), а также отдельных частиц (после испарения поверхностного слоя влаги) водоугольного топлива при высоких температурах и давлениях;
5. Разработка алгоритмов решения поставленных задач и их программная реализация на языке высокого уровня.
Научная новизна. Существенно расширена математическая база, необходимая для описания процессов термической подготовки и воспламенения частиц перспективных композитных топлив (впервые рассмотрена возможность) при существенном варьировании режимов нагрева, в том числе при использовании дополнительного микроволнового воздействия на частицы топлива. Также впервые разработана модель процессов тепломассопереноса при воспламенении капли водоугольного топлива в условиях высоких давлений и температур.
Практическая значимость работы. Созданы несколько математических моделей, которые могут быть использованы для определения конструктивных параметров камер сгорания котельных агрегатов и газотурбинных установок, работающих на перспективных композитных топливах. Эти модели также находят применение при опытно-конструкторских работах по разработке новых энерго- и экологически эффективных технологий сжигания топлива.
Достоверность. Определяется проведением сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных, полученных в ходе выполнения экспериментальных исследований, проводившихся с целью проверки математических моделей. Для проведения экспериментальных исследований были использованы современные стенды с минимальными методическими погрешностями.
Также достоверность результатов исследований обеспечивается проверкой консервативности используемых разностных схем, и сопоставлением результатов решения группы тестовых задач на менее сложных постановках задач тепломассопереноса с известными данными.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Зажигание угольных пеллет в результате внутрипорового реагирования кислорода, выделяющегося при термическом разложении органической части угля, с твёрдыми (углерод коксового остатка) и газообразными (летучие) продуктами пиролиза угля невозможно в условиях нагрева, соответствующих топочным устройствам (температуры внутрикотловой среды Tg = 873-1273 K) котельных агрегатов ТЭС;
2. Аналитическое решение задачи зажигания частиц влагонасыщенной древесной биомассы применительно к низкотемпературным (в диапазоне температур окислителя Tg = 650-850 K) топкам котлов в условиях комбинированного радиационно-конвективного и микроволнового нагрева;
3. Обоснована возможность использования коксового остатка каменного угля в качестве базовой горючей компоненты водоугольного топлива;
4. Увеличение давления окислителя в диапазоне от 0,1 МПа до 3 МПа приводит к росту значений времени задержки зажигания (tign) типичных капель водоугольного топлива (изготовленного из угля марки Д) на 72%, при этом дальнейшее увеличение давления внешней среды с 3 МПа до 20 МПа ведёт к уменьшению значений tign на 63%.
Личный вклад. Автор произвёл программную реализацию разработанных математических моделей, занимался написанием статей, готовил доклады и выступал на конференциях.
Связь работы с научными программами и грантами.
Исследования проводились в рамках выполнения работ по проектам:
1. Гос. задания "Наука" проект № 8.13264.2018/8.9 ВИУ-НРиР-161/2020 «Разработка математической модели процесса воспламенения частиц древесноугольного смесевого топлива в потоке окислителя», 2020 г;
2. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук № МК-89.2021.4 («Разработка основных элементов теории воспламенения капель существенно неоднородных водоугольных композитов в условиях высоких температур и давлений», 2021 г.);
3. Грант РНФ 18-79-10015 («Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов», 2021 г.).
Апробация работы. Основные положения, перечисленные в диссертационной работе, были представлены на следующих научных конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках докладов:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (28-30 октября 2020 г., Томск, Россия);
2. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (26-28 октября 2021 г., Томск, Россия);
3. XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (09-12 ноября 2021 г., Новосибирск, Россия);
4. XVII Всероссийский симпозиум по горению и взрыву (16-20 сентября 2022 г., Суздаль, Россия);
5. II Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения» (13-15 декабря 2022г., Томск, Россия);
6. XXXVI Сибирский теплофизический семинар (5-7 октября 2020 г.,
Новосибирск, Россия);
7. XXXVII Сибирский теплофизический семинар (14-16 сентября 2021 г., Новосибирск, Россия);
8. XXXVIII Сибирский теплофизический семинар (29-31 августа 2022 г., Новосибирск, Россия);
9. XXXIX Сибирский теплофизический семинар (28-31 августа 2023 г., Новосибирск, Россия);
10. XIII Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (12-14 октября 2023 г., Нижний Новгород, Россия);
11. VII Минский международный коллоквиум по физике ударных волн, горения и детонации (2-5 октября 2023 г., Минск, Беларусь);
12. XVII Минский международный форум по тепломассообмену (20-24 мая 2024 г., Минск, Беларусь).
Публикации. Научные результаты, представленные в диссертации, приведены в 4 статьях, опубликованных в международных журналах, индексируемых базами «Scopus» и «Web of Science» и входящими в Q1 и Q2: «Energy» [27], «Combustion and Flame» [28, 29], «Combustion Science and Technology» [30], а также в 1 статье в журнале, включённом Высшей аттестационной комиссией России в перечень изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук: «Химическая Физика» [31]. Получено одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ [32].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений; изложена на 131 странице, содержит 31 рисунок и 3 таблицы. Список литературы состоит из 151 источника.
Наиболее значимые результаты исследований, представленные в диссертации, перечислены ниже:
1. Впервые создана высокоточная математическая модель, описывающая совокупность теплофизических и физико-химических процессов при воспламенении и горении твердого топлива на основе угля (в виде пеллет), включающая интенсивные термохимические преобразования;
2. Установлено, что зажигание угольных пеллет в условиях, соответствующих типичным котельным агрегатам (Tg = 873-1273 К), происходит в газовой фазе. При этом показано, что концентрация кислорода, выделяющегося при термическом разложении органической части угля, недостаточна для возникновения внутрипорового горения в результате взаимодействия кислорода с летучими угля. Содержание кислорода во внутрипоровой структуре угля не превышает 4,5%;
3. Математическое моделирование процесса воспламенения твёрдого пеллетезированного топлива показало, что применение дополнительно микроволнового воздействия при низкотемпературном (Tg < 870 К) нагреве топлива ведёт к существенному снижению времен задержки зажигания (до 7 раз);
4. Создана математическая модель, которая описывает совокупность основных теплофизических процессов, происходящих при нагреве и зажигании влажных древесных частиц биомассы в условиях сложного радиационноконвективного и микроволнового нагрева. Кроме того, разработано приближенноаналитическое решение этой сложной задачи. Сравнение времён задержки зажигания, полученных теоретически и экспериментально, продемонстрировало их хорошее совпадение;
5. Показано, что применение микроволнового излучения при низкотемпературном (Tg = 650-850 K) нагреве в окислительной среде влажной древесной биомассы приводит к значительному сокращению времени задержки зажигания. По результатам математического моделирования установлено, что при температурах внешней среды Tg < 700 K использование СВЧ-излучения снижает время задержки зажигания более чем на 50%;
6. Показано различие механизмов горения частиц ВУТ из угля и коксового остатка: у первых зажигание происходит в газовой фазе, у вторых - на поверхности частицы (гетерогенное горение). При этом горение ВУТ из коксового остатка сопровождается меньшим выделением оксидов азота и серы;
7. Создана математическая модель тепломассопереноса при воспламенении капель водоугольного топлива из коксового остатка; разработано приближенно - аналитическое решение задачи зажигания. Сравнение теоретических расчётов с экспериментальными данными показало их высокое совпадение;
8. Показан немонотонный характер зависимости времени задержки зажигания капель ВУТ от давления внешней среды. При относительно низких давлениях среды (Pg < 3 МПа) увеличение давления вызывает рост времени задержки зажигания на 72%, при этом зажигание происходит в газовой фазе. В то время как при давлениях выше 3 МПа (Pg > 3 МПа) увеличение давления приводит к сокращению времени задержки зажигания на 63%, а воспламенение происходит преимущественно на поверхности частицы.
Благодарности. Автор выражает глубокие благодарности научному руководителю - доктору технических наук Семену Владимировичу Сыродою, а также доктору физико-математических наук, профессору Гению Владимировичу Кузнецову и доктору технических наук, профессору Владимиру Васильевичу Саломатову за обсуждение результатов выполненных исследований и полезные рекомендации при подготовке диссертации.
1. Впервые создана высокоточная математическая модель, описывающая совокупность теплофизических и физико-химических процессов при воспламенении и горении твердого топлива на основе угля (в виде пеллет), включающая интенсивные термохимические преобразования;
2. Установлено, что зажигание угольных пеллет в условиях, соответствующих типичным котельным агрегатам (Tg = 873-1273 К), происходит в газовой фазе. При этом показано, что концентрация кислорода, выделяющегося при термическом разложении органической части угля, недостаточна для возникновения внутрипорового горения в результате взаимодействия кислорода с летучими угля. Содержание кислорода во внутрипоровой структуре угля не превышает 4,5%;
3. Математическое моделирование процесса воспламенения твёрдого пеллетезированного топлива показало, что применение дополнительно микроволнового воздействия при низкотемпературном (Tg < 870 К) нагреве топлива ведёт к существенному снижению времен задержки зажигания (до 7 раз);
4. Создана математическая модель, которая описывает совокупность основных теплофизических процессов, происходящих при нагреве и зажигании влажных древесных частиц биомассы в условиях сложного радиационноконвективного и микроволнового нагрева. Кроме того, разработано приближенноаналитическое решение этой сложной задачи. Сравнение времён задержки зажигания, полученных теоретически и экспериментально, продемонстрировало их хорошее совпадение;
5. Показано, что применение микроволнового излучения при низкотемпературном (Tg = 650-850 K) нагреве в окислительной среде влажной древесной биомассы приводит к значительному сокращению времени задержки зажигания. По результатам математического моделирования установлено, что при температурах внешней среды Tg < 700 K использование СВЧ-излучения снижает время задержки зажигания более чем на 50%;
6. Показано различие механизмов горения частиц ВУТ из угля и коксового остатка: у первых зажигание происходит в газовой фазе, у вторых - на поверхности частицы (гетерогенное горение). При этом горение ВУТ из коксового остатка сопровождается меньшим выделением оксидов азота и серы;
7. Создана математическая модель тепломассопереноса при воспламенении капель водоугольного топлива из коксового остатка; разработано приближенно - аналитическое решение задачи зажигания. Сравнение теоретических расчётов с экспериментальными данными показало их высокое совпадение;
8. Показан немонотонный характер зависимости времени задержки зажигания капель ВУТ от давления внешней среды. При относительно низких давлениях среды (Pg < 3 МПа) увеличение давления вызывает рост времени задержки зажигания на 72%, при этом зажигание происходит в газовой фазе. В то время как при давлениях выше 3 МПа (Pg > 3 МПа) увеличение давления приводит к сокращению времени задержки зажигания на 63%, а воспламенение происходит преимущественно на поверхности частицы.
Благодарности. Автор выражает глубокие благодарности научному руководителю - доктору технических наук Семену Владимировичу Сыродою, а также доктору физико-математических наук, профессору Гению Владимировичу Кузнецову и доктору технических наук, профессору Владимиру Васильевичу Саломатову за обсуждение результатов выполненных исследований и полезные рекомендации при подготовке диссертации.
