ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2010, том 29, № 11, с. 55-61
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.46+541.12
ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ С ПОЛИЭТИЛЕНОМ
© 2010 г. М. В. Салганская, С. В. Глазов, Е. А. Салганский*, А. Ф. Жолудев
Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка
*Е-таП: sea@icp.ac.ru Поступила в редакцию 26.02.2010
В работе проведено экспериментальное исследование закономерностей горения смеси углерода, полиэтилена и инертного материала в фильтрационном режиме со сверхадиабатическими разогре-вами. Обнаружено, что состав продуктов и характер термодеструкции полимера оказывают существенное влияние на скорость горения и тепловую структуру волны. В условиях волны фильтрационного горения часть полимера может пиролизоваться и уноситься газовым потоком, а часть — окисляться в зоне горения.
Ключевые слова: горение фильтрационное, углерод, смеси углерод—полиэтилен.
Результаты исследований фильтрационного горения (ФГ) твердого топлива, содержащего только углерод и инертный компонент, было представлено в работах [1—3]. Однако когда говорят о перспективных технологиях переработки, основанных на фильтрационном горении в сверхадиабатических режимах, чаще всего подразумевают именно сжигание топлив с компонентами органического происхождения или продуктами органической химии.
Изучение закономерностей ФГ твердых топ-лив с пиролизующимся компонентом затруднено тем, что в подобных системах имеет место взаимное влияние стадий пиролиза и догорания коксового остатка, которое значительно усложняет теоретическое описание процесса и трактовку экспериментальных результатов. Типичным примером пиролизующегося компонента является полимер. Цель настоящей работы — экспериментальное исследование основных характеристик волн ФГ, распространяющихся по твердому топливу, содержащему углерод, твердый инертный материал и полимер.
Несмотря на многообразие химических реакций при пиролизе, все полимеры по отношению к тепловому воздействию могут быть подразделены на две группы [4]. К первой группе следует отнести полимеры, которые под действием тепла претерпевают деструкцию с разрывом связей основной цепи и образованием низкомолекулярных газообразных и жидких летучих продуктов. Полимеры этого типа деструктируют при температурах 300—600°С практически нацело или образуют очень небольшое количество нелетучего остатка (кокса). В эту группу полимеров
входят полиэтилен (ПЭ), полиметилметакрилат, полистирол и пр. Вторая группа включает полимеры, проявляющие склонность к реакциям, которые приводят к образованию нелетучих карбонизированных продуктов [5].
В экспериментах в качестве полимерного материала использовался полиэтилен как наиболее распространенный представитель первой группы полимеров. Так как процесс термодеструкции ПЭ относительно простой, кинетика и механизм его пиролиза хорошо изучены. Так, известно [6], что при пиролизе ПЭ летучие продукты деструкции состоят в основном из соединений, представляющих собой осколки полиэтиленовой цепи. Полиэтилен в отсутствие кислорода стабилен до температуры не выше 290°С. Выше этой температуры полимер начинает разлагаться с образованием продуктов меньшего молекулярного веса, напоминающих твердые углеводородные воски. Элементный состав продуктов деструкции и исходного полимера близок к эмпирической формуле [СЩВ.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты по исследованию характеристик волны фильтрационного горения, распространяющейся по зернистому слою засыпки, содержащему твердый инертный материал, углерод и полиэтилен, проводили в цилиндрическом кварцевом реакторе диаметром 45 мм и толщиной стенок около 2 мм со специальными ввода-
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — реактор, 2 — воспламеняющий состав, 3 — исходный материал, 4 — электроспираль инициатора, 5 — зона горения, 6 — экран, 7 — вентиль, 8 — ротаметр, 9 — термопары, 10 — компьютер.
Газообразный продукт 3 5'
ми для термопар. Схема установки представлена на рис. 1.
В нижнюю часть реактора 1 помещали небольшое количество опилок и угля 2, которые воспламенялись при продуве горячим воздухом и инициировали волну горения в исследуемой смеси 3, засыпанной выше. После воспламенения в реактор подавали воздух комнатной температуры. Расход воздуха контролировали с помощью вентиля 7 и ротаметра 8. Волна фильтрационного горения 5 распространялась по загруженному слою материала снизу вверх. Для уменьшения боковых теплопотерь вокруг рабочей поверхности реактора помещали экран 6 из полированной алюминиевой фольги.
Температурные измерения проводили с помощью термопар 9, спаи которых располагались непосредственно в исследуемом материале, возле внутренней стенки реактора. Информация с термопар через АЦП выводилась на компьютер 10. В ходе эксперимента проводили отбор проб газообразных продуктов, а также регистрировали профили температур. Состав проб газообразных продуктов определяли на масс-спектрометре МХ-1302, позволяющем анализировать соединения, находящиеся при нормальных условиях в газообразном состоянии.
Исследуемая смесь состояла из частиц размером 3—5 мм. Высота загруженного слоя составляла, как правило, 300—350 мм. Содержание ПЭ в
смеси варьировали в пределах от 10 до 50 мас. %. Массовую долю угля изменяли от 0 до 90%. Содержание каждого компонента рассчитывали от общей массы. Удельный расход воздуха во всех экспериментах поддерживали постоянным и равным 680 м3/ч на 1 м2 сечения реактора.
В экспериментах использовали полиэтилен высокой плотности марки РЕ 100. Элементный анализ полиэтилена показал следующий усредненный состав по массе: С — 85.7%, Н — 14.3%, что соответствует формуле [СН2]И. Теплота сгорания полиэтилена, оцененная по формуле Менделеева, составляет 47.2 МДж/кг. В качестве углерода использовали березовый уголь (ГОСТ 7657-84, элементный состав (по массе) — С/Н/О = 91.0/3.6/5.4). В качестве инертного материала использовали крошку шамотного кирпича ПД/Ш5-8.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При фильтрационном горении смесей ПЭ с инертным материалом без угля реализовалась так называемая "нормальная" структура волны горения с крутым передним фронтом и относительно плавным снижением температуры за зоной горения. В этом случае холодное топливо сразу попадало в зону горения, где оно очень быстро нагревалось до максимальной температуры (скорость нагрева — 500—1000 град/мин). В зоне горения одновременно проходили пиролиз ПЭ и окисление
продуктов деструкции. Поскольку другое горючее (уголь) отсутствует, именно за счет окисления продуктов деструкции части ПЭ поддерживалась достаточно высокая температура во фронте горения. Температура не зависела от содержания ПЭ и составляла 700—800°С (см. таблицу). Состав газообразных продуктов изменялся в зависимости от количества полиэтилена в смеси, но оставался в следующих пределах: СО2, СО и О2 — менее 7%, Н2 — менее 3% и С2Н4 — менее 6 об. %.
Поднять содержание полиэтилена выше 50% по массе было затруднительно, поскольку интенсивное плавление его перед зоной горения создавало препятствия для фильтрующегося газа и волна горения теряла устойчивость.
При добавлении к смеси ПЭ с инертным материалом 10% угля тепловая структура волны горения оставалась "нормальной", но близкой к "переходной". Максимальная температура волны не зависела от содержания ПЭ в смеси и составляла примерно 1250°С (см. таблицу). Температурные профили (рис. 2) были более симметричными по сравнению со случаем смесей без добавления угля. Состав газообразных продуктов с увеличением количества пластика от 10 до 40% изменялся слабо: содержание СО2 составляло 1011%; содержание СО снижалось с 12 до 8%; содержание этилена увеличивалось от 0 до 4%. Кислород в продуктах, как правило, отсутствовал. Содержание водорода увеличилось с 1.5 до 3% при увеличении доли полимера с 10 до 20%, но дальнейшее увеличение количества ПЭ не сказывалось на содержании водорода в газообразных продуктах.
Добавление к смеси ПЭ с инертным материалом 20% угля привело к формированию структуры волны горения с симметричными температурными профилями. При увеличении содержания ПЭ от 10 до 40% максимальная температура в волне горения оставалась постоянной и равнялась примерно 1300°С (таблица). Состав газообразных продуктов практически не зависел от содержания пластика: оксид углерода — 16—20%, диоксид углерода — 8%, водород — 4% и этилен — до 2%. Малое содержание этилена может быть вызвано либо его разложением, либо окислением. Возможно, из-за относительно небольшой скорости пиролиза ПЭ при деструкции образуется мало этилена, но больше соединений с большим молекулярным весом.
При горении смесей ПЭ с инертным материалом и 30% угля характеристики процесса также практически не зависели от содержания ПЭ. Максимальная температура горения во всем диапазоне изменения доли ПЭ составляла 1300°С (таблица), профиль температуры также имел симметричный вид (рис. 2). Состав продуктов гази-
Зависимость температуры горения от содержания угля в смеси
Содержание угля, % Среднее значение Т, °С
0 750
10 1250
20 1300
30 1300
50 1300
60 1300
фикации был следующим: СО — примерно 18— 21%, СО2 - 6-8%, Н2 - 3-4%, С2Н4 - до 2%. При горении смесей, содержащих 30% и более угля, начинала формироваться так называемая "инверсная" структура волны горения с относительно длительным подъемом температуры на переднем фронте и резким остыванием за зоной горения.
Характеристики фильтрационного горения смесей, содержащих 50% угля, 60% угля и смесей, не содержащих инертного материала (смесь ПЭ с углем), практически идентичны. При увеличении содержания ПЭ в смеси максимальная температура горения во всех случаях была постоянна и равнялась 1300°С (таблица). Увеличение доли пластика от 10 до 40% приводило к небольшому снижению доли монооксида углерода с 24 до 18% и увеличению доли диоксида с 5 до 8%. Содержание водорода оставалось в пределах 3-4%, этилен и кислород отсутствовали.
х, см
Рис. 2. Профили температуры по длине реактора для случая смеси, содержащей 20% полиэтилена, при различном содержании угля в смеси: 1 - 10%, 2 - 30%,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.