СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ОБОЗНАЧЕНИЯ 6
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
1.1. Математические модели фильтрационного горения
твердых топлив 8
1.2. Критические условия существования стационарной волны фильтрационного горения твердых топлив 19
1.3. Исследования кинетических закономерностей окисления
и макрокинетических характеристик фильтрационного горения углеродных материалов 29
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ
2.1 .Экспериментальная установка 36
2.2. Методика проведения эксперимента и область
неустойчивого распространения волны фильтрационного горения 37
2.3. Характеристика исследуемых веществ 42
2.4. Методики измерения скорости подачи газа и
макрокинетических характеристик волны фильтрационного горения 45
2.5. Методика определение эффективных
теплофизических характеристик шихты и реактора 50
3. ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ УГЛЕРОДА ПРИ НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧЕГО 56
3.1. Экспериментальные значения макрокинетических характеристик стационарной волны фильтрационного
горения березового активированного угля 56
3.2. Экспериментальное определение критических
условий существования стационарной волны фильтрационного горения березового активированного угля 60
2
3.3. Влияние тепловых потерь реактора на значение нижнего предела по концентрации углерода и критические значения макрокинетических характеристик стационарной волны фильтрационного горения 63
3.4. Влияние реакционной способности углерода к окислению на макрокинетические характеристики стационарной волны и значения нижнего предела
по концентрации углерода в шихте 65
3.4.1. Фильтрационное горение смесей углеродных материалов из компонентов, различающихся реакционной способностью к окислению 67
3.5. Математическая модель спутной стационарной волны фильтрационного горения углерода при низком содержании
горючего в шихте 73
3.6. Макрокинетические характеристики стационарной
волны фильтрационного горения углерода. Расчет и эксперимент 81
3.7. Влияние тепловых потерь и кинетических характеристик окисления углерода на параметрическую область существования стационарной волны фильтрационного горения.
Расчет и эксперимент 84
ЗАКЛЮЧЕН РТЕ 87
ВЫВОДЫ 91
ПРИЛОЖЕНИЕ 93
ЛИТЕРАТУРА 100
3
ВВЕДЕНИЕ
Под фильтрационным горением (Ф1') понимают распространение волн экзотермического превращения горючего в пористой среде при фильтрации газа-реагента [1]. Характеристики волны ФГ (скорость распространения, температура и ширина зоны горения) зависят от множества параметров (доля горючего в шихте, скорость подачи газа, уровень теплопотерь и т.д.)» чт0 вызывает большое многообразие режимов распространения волн ФГ [1, 2]. Исследование процессов распространения и затухания волн ФГ представляет собой важную фундаментальную задачу (как часть общей теории волн и критических явлений), а также имеет очевидное практическое значение.
Главной особенностью ФГ при спутном распространении волны горения является наличие “сверхадиабатических” разогревов, когда температура в зоне горения значительно превосходит адиабатическую за счет концентрации тепла в относительно узкой зоне. Благодаря данной особенности появляется возможность существенно повысить максимальную температуру в волне ФГ, экономическую эффективность таких многотоннажных технологических процессов как обжиг и агломерация руд, выжигание коксовых отложений на катализаторах, утилизация промышленных и бытовых отходов, прямое восстановление металлов из бедных руд, внутрипластовое извлечение нефти. Для оптимального проведения вышеперечисленных процессов необходимо знать закономерности распространения и затухания волн ФГ твердых топлив.
К настоящему времени выполнено значительное количество теоретических работ, посвященных исследованию закономерностей фильтрационного горения твердых топлив - изучены скорости, состав продуктов, температуры и т.д. [1 -4]. В эксперименте подробно изучено фильтрационное горение дисперсных систем с высоким содержанием горючего, для систем с концентрацией горючего менее 5% мае. - эксперименты не носили систематический характер [1]. Необходимо отметить, что именно при низком содержании углерода в шихте возможно проявление критических, не изученных ранее явлений, в которых сверхадиабатичсскис разогревы играют определяющую роль.
4
Для экспериментальных и теоретических исследований в качестве горючего материала целесообразно рассматривать углерод, так как определяющей стадией горения большинства твердых топлив, как правило, является окисление углерода. Выбор углерода в качестве модельного горючего представляет и научный интерес, поскольку разнообразие структурных форм углерода дает возможность выбирать углеродные материалы с различной реакционной способностью, что позволяет выявить зависимость макрокинетических характеристик ФГ от кинетических параметров и механизма реакций, протекающих при окислении горючего [5 - 10].
В настоящей работе предпринято исследование закономерностей распространения и затухания стационарной волны ФГ в пористой среде углерод - инертный материал при содержаниях горючего в шихте менее 5-10% мае., что включает:
1. Исследование влияния концентрации горючего, скорости подачи окислителя, уровня тепловых потерь реактора на закономерности процесса.
2. Определение зависимости макрокинетических характеристик ФГ ог кинетических параметров химических реакций, протекающих при окислении углерода.
3. Определение макрокинетических характеристик волны ФГ смесей углеродных материалов различной реакционной способности.
Поскольку механизм затухания волны ФГ до сих пор не ясен, необходимо создание физико-химической модели изучаемого процесса.
5
ОБОЗНАЧЕНИЯ а -доля окислителя в газе;
В - доля расходуемого окислителя; с - теплоемкость, Дж/(мольхК);
Еа - энергия активации, Дж/моль;
Р- удельная поверхность частиц, 1/м; в - массовый поток, кг/(м2*с)
У-теплоемкость потока, Вт/(м2хК);
Я-толщина, перепад уровней масляного манометра, м;
К - константа скорости химической реакции;
- предэкспоненциальный множитель, 1/с, 1/су;
Ь - длина, м;
М- молярная масса, кг/моль;
Р - давление, Па;
<2-тепловой эффект химической реакций, Дж/моль, Дж/кг;
К - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К); г - радиус сечения реактора, м;
5 - площадь, м2;
Г - время, с;
Т— температура, К;
и - скорость распространения фронта волны горения, м/с;
V-скорость подачи окислителя, м/с; х - координата вдоль оси реактора, м; у - массовая доля, % мае;
а - эффективный коэффициент теплопотерь, Вт/(м2хК);
/?-эффективный коэффициент межфазного теплообмена, Вт/(м2хК); у - стехиометрический коэффициент горючего;
3 - стехиометрический коэффициент окислителя; г} - степень выгорания; в - пористость;
Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(мхК); р - плотность, кг/м3, моль/м3;
Х~ температуропроводность, м2/с.
ИНДЕКСЫ
ad — адиабатический;
b - burning (горение);
с - углерод;
cond- кондуктивпый;
conv — конвективный;
сг - критический;
g - газовая фаза;
ig - воспламенение;
in - инертный компонент;
к - катализатор;
L — линейный;
LCL- нижний концентрационный предел;
т - массовый;
max ~ максимальный;
min — минимальный;
п - азот;
О - начальный, окружающая среда;
Р - частица;
г - реактор;
rad — радиационный;
ге - химическая реакция;
s - твердая фаза;
х - кислород;
V - объемный;
W- стенка.
7
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Математические модели фильтрационного горения твердых топлив.
Горение твердых топлив, при котором окислитель поступает в зону горения путем фильтрации сквозь пористую среду, используется человечеством достаточно давно (печи для отопления жилищ, промышленные печи для выплавки металлов). Наиболее широко процессы фильтрационного горения применяли при выплавке черных и цветных металлов из руд или агломерации.
По мере развития промышленности объемы и производительность процессов агломерации росли. В начале XX века опытным путем было выяснено, что для повышения эффективности и производительности агломерации руд черных и цветных металлов, необходимо увеличивать максимальную температуру в волне горения и массовую скорость горения твердого топлива (кокса). Уже в практических исследованиях [11, 12] было отмечено, что наибольшее влияние на максимальную температуру в волне горения агломерационной шихты оказывает соотношение скоростей фронта волны реакции и конвективного теплообмена. Как показали эксперименты, максимально возможная температура реализуется в случае равенства скоростей конвективной тепловой волны и фронта горения.
Впервые теоретическое исследование процесса агломерации было проведено в конце пятидесятых годов [13]. Была построена нестационарная одномерная двухтемпературная математическая модель, которая включала уравнение энергии с точечным источником тепла и межфазного теплообмена:
(1-і)
При формулировании (1.1) полагали, что: тепловыделение имеет место при температуре, выше температуры воспламенения Г«,, которую считали постоянной для выбранного типа твердого топлива; мощность тепловыделения
- Київ+380960830922