научная статья по теме СТАБИЛИЗАЦИЯ ФРОНТА ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ Математика

Текст научной статьи на тему «СТАБИЛИЗАЦИЯ ФРОНТА ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 418, № 5, с. 635-637

== ХИМИЯ

УДК 536.46

СТАБИЛИЗАЦИЯ ФРОНТА ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ

© 2008 г. А. Ю. Зайченко, А. А. Жирнов, член-корреспондент РАН Г. Б. Манелис,

Е. В. Полианчик, А. Ф. Жолудев

Поступило 24.07.2007 г.

При рассмотрении процессов фильтрационного горения в пористой системе, содержащей твердое горючее и пористый негорючий материал, при вынужденной фильтрации газообразного окислителя в ряде случаев наблюдается возникновение и развитие неустойчивости фронта горения. Причиной возникновения гидродинамической неустойчивости плоского фронта волны горения является как различие газопроницаемостей твердого пористого материала перед зоной горения и в твердых продуктах [1, 2], так и общая газопроницаемость смеси, которая зависит от фракционного состава. Газопроницаемость твердой фазы может меняться вследствие плавления твердых продуктов и образования каналов с характерным размером заметно большим, чем размеры частиц шихты [3]. Явления неустойчивости фронта горения могут создавать трудности при практической реализации технологий, основанных на использовании фильтрационного горения. В связи с этим вопрос о стабилизации фронта горения достаточно актуален.

В современной теории горения не рассматривается движение твердой фазы или же рассматривается равномерное движение в направлении, перпендикулярном фронту горения. Однако если создать условия, когда можно осуществить радиальное движение частиц материала в зоне горения со скоростью большей, чем скорость развития неустойчивости, это позволит избежать возникновения прогаров. Для этого реактор располагается под углом к горизонту и приводится во вращательное движение вокруг своей оси. При этом наклонное положение провоцирует образование одного прогара в верхней части зоны горения, а вращательное движение реактора обеспечивает засыпку прогара не-сгоревшим материалом. Перемешивание способствует как заполнению пустот и каналов, так и перераспределению раскаленных твердых частиц в плоскости сечения реактора [4].

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию влияния основных управляющих параметров механического воздействия - угла наклона и скорости вращения реактора - на условия стабилизации плоского фронта горения в системе, содержащей твердое горючее и пористый негорючий материал, при вынужденной фильтрации газообразного окислителя.

Эксперименты по изучению влияния угла наклона и частоты вращения реактора проводили на смеси инертного компонента (дробленый шамот фракции 5-7 мм) с древесным углем фракции 3-5 мм при постоянном расходе газообразного окислителя (воздух) 0.19 м/с (среднеобъемная скорость) в цилиндрическом реакторе внутреннего диаметра 66 мм, выполненном из кварцевого стекла. Древесный уголь (березовый, марки А, ГОСТ 7657-84) использовали в экспериментах как простейшее модельное горючее, состоящее не менее чем на 92% из чистого углерода. В качестве основного параметра, характеризующего стабильность фронта горения, принимали ширину светящейся зоны, где температура превышала 700°С. Определение мгновенной ширины зоны горения проводили по результатам обработки кадров видеосъемки эксперимента. Средняя ширина зоны горения определялась как усредненная для всего времени эксперимента. Такой подход к определению средней ширины зоны горения был возможен, так как в наших экспериментах не происходило развития прогара, искривления фронта горения, и разброс мгновенных значений в течение каждого эксперимента не превышал 17% от среднего. На всех экспериментальных зависимостях влияния основных управляющих параметров механического воздействия на условия стабилизации фронта горения ширина зоны горения выражена в относительных единицах, за единицу принят внутренний диаметр реактора.

Экспериментальная установка схематически представлена на рис. 1. Конденсированное топливо с добавлением инертного материала (шихта) загружалось во вращающийся реактор 1 через загрузочное устройство 2. После инициирования горения углерода в реакторе, осуществляемого

Институт проблем химической физики Российской Академии наук, Черноголовка Московской обл.

636

ЗАЙЧЕНКО и др.

в

Рис. 1. Схема установки: 1 - цилиндрический реактор; 2 - загрузочный механизм; 3 - зона горения; 4 - разгрузочный механизм; А - газифицирующий агент, О -продукт-газ, Я - твердый остаток горения.

Относительная ширина зоны горения, Б реактора

0.9 г

0.3 -

0 2_1_1_1_1_1_1_1_1_1

■ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Угол наклона реактора, град

Рис. 2. Зависимость ширины зоны горения от угла наклона реактора.

Относительная ширина зоны горения, Б реактора 0.5

0.3 0.2

'6 9 12 15 18 21 24 27 30 Частота вращения реактора, об/мин

Рис. 3. Зависимость ширины зоны горения от частоты вращения реактора.

внешним нагревателем в нижней части реактора, в течение 1-2 мин формировался стационарный фронт горения. Шихта в реакторе проходила последовательно через стадии подогрева, горения 3

и охлаждения. Твердый остаток горения Я по мере вращения реактора выгружали через разгрузочное устройство 4. Загрузку шихты и выгрузку твердого остатка горения осуществляли так, чтобы положение зоны горения в реакторе оставалось постоянным, т.е. в средней части реактора. Газообразный окислитель (воздух) А подавали в нижнюю часть реактора. Газообразные продукты О частично отбирали для анализа, а основная часть дожигалась. Анализ состава газообразных продуктов горения проводили с использованием масс-спектрометра марки МХ1302.

Следует отметить, что даже для используемой простейшей модельной системы древесный уголь-инертный материал в вертикальном реакторе наблюдается образование прогара, и плоский фронт горения воспроизводится далеко не в каждом эксперименте. В тех случаях, когда наблюдался плоский фронт горения, его ширина составляла 0.6 диаметра реактора. В наклонном вращающемся реакторе образование прогара не происходит и плоский фронт горения воспроизводится постоянно.

Зависимость ширины светящейся зоны от угла наклона реактора при частоте вращения реактора 12 об/мин приведена на рис. 2.

При углах наклона реактора менее 40° происходит увеличение средней ширины зоны горения, что можно объяснить образованием зоны с менее плотной упаковкой материала по верхней образующей реактора, это приводит к увеличению скорости потока окислителя в верхней части зоны. При углах наклона реактора больше 50° происходит увеличение средней ширины зоны горения, что можно объяснить ухудшением перемешивания материала шихты. С возрастанием угла наклона выше 60°-65° происходит некоторое сужение ширины зоны горения, по-видимому, это следствие более равномерного распределения газового потока по сечению реактора.

Для сравнения на графике приведено значение ширины зоны горения для вертикального реактора. Значение показано для той реализации, в которой в эксперименте наблюдался стабильный плоский фронт горения. Как видно из графика, для углов наклона реактора 40°-45° ширина зоны горения у же, чем при 90° (когда наблюдался плоский фронт горения).

На рис. 3 представлена зависимость ширины зоны горения от частоты вращения реактора при угле наклона реактора 40°. Как видно, зависимость ширины зоны горения от скорости вращения реактора для исследуемого материала слабая в широком диапазоне значений. Линейная скорость движения фронта горения по шихте составляла «0.23 мм/с. При такой скорости прохождения фронта материал в зоне горения сгорает за 1-1.5 мин. За это время реактор совершает не менее шести оборотов, что достаточно для достиже-

СТАБИЛИЗАЦИЯ ФРОНТА

637

(а)

(б)

(в)

Рис. 4. Подавление прогара: (а) начальное состояние прогара в момент возобновления вращения; (б) через 1 с; (в) через 6 с (один оборот).

ния перемешивания материала, необходимого для создания узкого плоского фронта горения.

В экспериментах в наклонном вращающемся реакторе визуально наблюдался стабильный плоский фронт горения, однако само по себе это достоверно не гарантирует сохранения условий равномерного горения (газификации) твердого топлива. В качестве индикатора равномерности протекания горения в слое можно рассматривать состав газообразных продуктов горения. Было проведено сравнение состава конечного продукта - газа, образующегося при горении древесного угля в вертикальном и наклонном вращающихся реакторах.

В табл. 1 приведены сравнительные данные анализа компонентного состава полученного газа при газификации аналогичных смесей угля (30%) с инертным компонентом (70%) в наклонном и вертикальном реакторах при одинаковом расходе газообразного окислителя, равном 0.19 м/с. Как видно из табл. 1, состав газообразных продуктов, полученных в наклонном и вертикальном реакторах, близок по значениям, т.е. в наклонном вращающемся реакторе сохраняются условия газификации, аналогичные условиям газификации в вертикальном реакторе.

Рассматриваемый метод стабилизации фронта горения иллюстрируется на рис. 4. На фотографиях представлена картина стабилизации фронта горения, в котором был заранее спровоцирован (с помощью остановки вращения реактора) прогар при возобновлении вращения реактора. Для подавления прогара, превышающего среднюю ши-

Таблица 1. Сравнительные данные анализа компонентного состава полученного газа

Вид реактора Содержание в газообразном продукте, %

CO H2 CO2

Наклонный Вертикальный 17.4-18.9 20.0-21.4 3.7-6.1 4.0-4.5 6.2-7.3 5.9-6.2

рину зоны горения в два раза, достаточно двух-трех оборотов реактора.

Таким образом, рассматриваемый способ стабилизации фронта фильтрационного горения, основанный на том, что при вращении вокруг своей оси наклонного реактора происходит подавление прогара за счет перемешивания частиц шихты в зоне горения, позволяет обеспечить устойчивое протекание процесса в широком диапазоне углов наклона и частоты вращения реактора. По результатам экспериментальных исследований найдены диапазоны оптимальных значений управляющих параметров: для угла наклона - 40°-50° и скорости вращения - 10-15 об/мин. Сравнение состава газообразных продуктов, полученных при газификации в наклонном и вертикальном реакторах, свидетельствует, что в нак

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.

Показать целиком