Оптическая диагностика конверсии частиц твердых топлив в низкотемпературной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Конверсия мелкодисперсного твердого топлива.

1.1. Процессы конверсии твердого топлива.

1.1.1 Макромодель реагирования частиц твердых топлив

1.1.2 Кинетика газификации

1.1.3 Режимы гетерогенного реагирования

1.2. Методы изучения процессов конверсии мелкодисперсного топлива.

1.2.1 Определение кинетических констант при воспламенении угольных частиц

1.2.2 Определение кинетических констант при конверсии угольных частиц

1.2.3 Конверсия частиц в низкотемпературной плазме

5.4. Выводы по пятой главе.

Проведены измерения радиационных характеристик иылеугольного факела на разных этапах конверсии частиц топлива, в результате которых получены спектральные зависимости вероятности выживания кванта и излучательной способности по высоте для различных режимов работы горелки. Приведенные данные показывают, что характер зависимостей по высоте величин в и со для определенного типа угля практически не зависит от режима горения, а наблюдается зависимость от среднего размера частиц. Предложены объяснения полученным зависимостям 8 и со по высоте для различных частиц.

Получены профили по высоте над срезом горелки температуры газа, размеров и температуры угольных частиц при различных режимах горения. Показано, что конверсия углерода в данных условиях происходит в основном за счет газификации. По измеренным параметрам частиц определены эффективные кинетические константы и предложена макромодель газификации микронных угольных частиц в плазме продуктов сгорания пропана в воздухе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Получены новые спектральные аппроксимации излучательной способности дисперсной фазы продуктов сгорания, которые позволяют определять температуру оптически несерых частиц методами спектральной пирометрии.

2. Предложен новый спектрометрический метод, который в комбинации с методом апертурной прозрачности позволяет проводить одновременные измерения средних размеров, концентрации и оптических постоянных частиц дисперсной фазы, а также получать информацию о спектральной зависимости комплексного показателя преломления. Разработанная методика прошла успешную апробацию для диагностики частиц в плазменных потоках.

3. Создана экспериментальная установка для исследования конверсии мелкодисперсных угольных частиц в потоке низкотемпературной плазме. Диагностический комплекс включал в себя набор традиционных и оригинальных методов, позволяющих измерять следующие параметры плазменного потока: размеры, концентрацию, комплексный показатель преломления и температуру частиц дисперсной фазы; температуру газовой фазы.

4. Проведены измерения основных параметров дисперсной фазы плазменного потока, в результате которых:

• получены спектральные радиационные характеристики пылеугольного факела на разных этапах конверсии частиц топлива;

• определены размеры, концентрация, температура и оптические константы частиц угля, золы и окиси церия. 5. Проведены экспериментальные исследования процессов конверсии мелкодисперсного угля в потоке плазмы продуктов сгорания пропана в воздухе при температурах 1700-2200К. Определены эффективные кинетические константы. Предложена макромодель газификации микронных угольных частиц в низкотемпературной плазме.

1. Альтернативные сценарии развития энергетики СССР. Прогнозные оценки. -М.: Наука, 1990.-30с.

2. Низкотемпературная плазма: Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. Под ред. В.Е.Мессерле, B.C. Перегудов, Новосибирск: Наука, Сиб. Изд. Фирма РАН, 1995.-303с.

3. Плазменная газификация и пиролиз низкосортных углей: Сб. Научн. Тр. Под ред. З.Б. Сакипова. -М.:ЭНИН, 1987.-139с.

4. Ноздренко Г.В., Овчинников Ю.В., Чуранев В.Н Эффективное применение на Экибастузкой ГРЭС плазмотермической подготовки угля. Изв.ВУЗов (Энергетика). 1993. №3-4. С.91.

5. Плазменная активация горения углей: Сб. Научн. Тр. Под ред. З.Б. Сакипова. -Алма-Ата:КазНИИЭ, 1989,-139с.

6. Жуков М.Ф., Мессерле В.Е., Перегудов B.C., Энгелыпт B.C. Розжиг и стабилизация горения пылеугольных топлив. Изв. АН СССР. Энергетика. №2, с. 128. 1993.

7. Ибрагимов М.Х., Марченко Е.М., Тувальбаев Б.Г. Разработка новых решений по сжиганию низкореакционных углей. Энергетика и электрофикация. №1, с. 11, 1987.

8. Шиллинг Г.Д., Бонн Б., Краус У., Газификация угля. М.: Недра, 1986, 175 с.

9. Виленский Т.В., Хазмалян Д.М., Динамика горения пылевидного топлива, М.: Энергия, 1978.-246с.

10. Худятов A.M. и др Опыт сжигания природного газа и пыли Челябинского бурого угля. Изв. ВУЗов. Энергетика №3-4, 1993, с.77.

11. Худятов A.M. и др. Комбинирование сжигание природного газа и пыли Челябинского бурого угля в вихревых горелках Электрические станции, 1987, №6, с.25-28.

12. Повышение эффективности радиационного обмена в топках с плотным факелом Сб. Научных трудов ВТИ. Уральский филиал Челябинск. Южно-Уральское кн. Изд-во. 1992.-78с.

13. Автоматизированные системы контроля физико-энергетических комплексов, сб. Научных трудов МИФИ, 1989.-132с.

14. Диагностика электроэнергетического оборудования с использованием микропроцессорных средств, М.: Энергия, 1990.

15. Накоряков и др. Экологически чистая тепловая электростанция на твердом топливе. Новосибирск, 1990, 138 с.

16. Померанцев В.В., Арефьев и др. Основы практической теории горения, JL: Энергия, 1986.

17. Fild М. A. et al. BCURA, Month. Bull., 1976. p.285-346.

18. Головина E.C. Высокотемпературное горение и газификация углерода. М.: Энергоатомиздат, 1983, 173с.

19. Горячев B.JL, Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А. Перспективы применения низкотемпературной плазмы в котельных агрегатах ТЭС Изв. АН Наук Энергетика, №5, 1993, с.110.

20. Резников В.М., Липов Н.Г. Котельные установки электростанций М.: Энергооатомиздат, 1987.

21. Pulverized Coal Combustion and Gasification / Edited by L.D. Smoot and D.T. Pratt. Plenum Press, New-York and London, 1979.

22. N.M.Laurendou // Heterogeneous kinetics of coal char gasification. Prog.Energ.Combust. Vol.4. P.221. Pergamon Press 13 Ltd. 1978.

23. L. L. Baxter Char fragmentation and fly ash formation during pulverized-coal combustion. Comb, and Flame V.90, p. 174, 1992.

24. В.И. Бабий, Ю.Ф. Куваев Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986.

25. JI.H. Хитрин Физика горения и взрыва, М.: МГУ, 1957.

26. D.A. Tichenor et al. Simulteneous in situ measurement of size temperature and velocity of particles in a combustion enviroment. Proc. XII Symp. on Combuston. p.1213, 1984.

27. Dong-ke Zhang, T.F. Wall and A.G. Tate The reactivity of pulverized coal char particles: experiments using ignition, burnout and DGT techniques and partly burnt chars. Fuel, V. 75, p. 1247, 1996.

28. A.T. Pyatenko et al. Experimental investigation of single coal particles by laser heating. Fuel, V.71, p. 701, 1992.

29. M. Herrzberg Autoignition temperatures for coal particles dispersed in air. Fuel, V.70,p.lll5, 1991.

30. T.F. Wall, R.P. Gupta, V.S. Gururiajan The ignition of coal particles, Fuel, 1991, V.70, p. 1011.

31. W.B. Fu and T. F. Zeng A General method for determination chemical kinetic parameters during ignition of coal char particles. Comb, and Flame, V.88, p.413, p.1992.

32. W.B. Fu and T. F. Zeng A Universal correlation between the heterogeneous ignition temperatures of coal char particles and coals. Comb, and Flame, V.96, p. 103, 1994.

33. T.F. Wall, V.S. Gururiajan A.G. Tate et al. Indicators of ignition for clouds of pulverized coal. Comb, and Flame, V.72, p.l 11, 1988.

34. R.H. Essehigh, M.K. Misra, and D.W. Shaw Ignition of Coal Particles: A Review. Comb, and Flame, V.77, p.3, 1988.

35. J.C. Chen, et al. Laser Ignition of Pulverized Coals. Comb, and Flame, V.99, p.107, 1995.

36. H. Karcz, W.Kordylewski and W. Rybak Evaluation of kinetic parameters of coal ignition. Fuel, 1980, V.59, p.799, 1980.

37. Saito, M. Sadakata, M. Sato at al // Combustion of Pulverized Coal Particles in High-Temperature/High-Oxygen Concentration Atmosphere. Comb, and Flame. V. 87. p. 1, 1991.

38. Littlewod K. Gasification: theory and application. Progress in energy and combustion science. 1977. V.3, p.36.

39. Панченков Г.Н., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. М.: Химия, 1985.

40. Розовский А .Я. Гетерогенные химические реакции. Кинетика и макрокинетика. М.: Наука, 1980.

41. Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении. Новосибирск: Наука, 1973.

42. Майстренко А.Ю. Особенности горения и газификации высокозольного антрацитового штыба в кипящем слое. Проблемы энергосбережения. Киев: Наукова думка, вып. 4, с. 51, 1990.

43. Байбуз В.Ф., Зицерман В.Ю., Голубушкин JT.M., Чернов Ю.Г. Химическое равновесие в неидеальных системах, М.: ИВТАН, 1986.

44. Мика В.И. и др. Расчет состава, термодинамических и переносных свойств продуктов сгорания органических топлив. Сравнение методов и результатов. НТО (СССР-СФРЮ-ЧСФР), М.: ИВТАН, 1989.-/г?

45. Smith W.R., Missen R.W., Calculation complex chemical equilibrium by an improved relation adjustment method. Canad.J.Chem.Engn. V.46, p.269.

46. Brown B.W., Smith P.J., Smoot L.D., et al. Measurement and Prediction of Entrained-Flow Gasification Processes. AlChe Journal V.34, № 3. p.435,1988.

47. Асланян Г.С. Создание математических моделей, разработка расчетных програм и численное исследование процессов сжигания и газификации пылеугольного топлива. Дисс. на соискание ученой степени д.ф.-м.н., М.:ИВТАН, 1994.

48. Tseng Н.Р. , Edgar T.F. ^identification of the combustion behavior of lignite char between 350 and 900°C. Fuel. V.63, №3, 1984.

49. Ezra Bar-Ziv, D.B. Jones, R.E. Spjut et al. Measurement of combustion kineticcs of a single char particle in an electrodynamic thermogravimetric analyzer. Comb, and flame. V.75, p. 81, 1989.

50. Григорьев Г.Ю., Дорофеев С.Б., Смирнов Б.М., Скорости тепловыделения при горении угля. Препринт№3532/12. М.: ИАЭ.1982.

51. Жирнов Б.С., Муртазин Ф.Р., Ахметов С.А. Метод исследования взаимодействия коксов с кислородом воздуха. ХТТ, №4. с.133, 1987.

52. М. Loewenberg and Y.A. Levendis. Comb, and Flame. V.84, p. 47, 1991.

53. B.C. Young and S.Niksa. Combustion rates for selected low -rank coal chars. Fuel, V.67, №2, p. 155. 1988.

54. W.F.Wells and L.D. Smoot. Fuel, V.70, №3, p. 454. 1991.

55. О. I. Ogunsola and R.J. Mikula A Study of spontaneous combustion characteristics of Nigerian coals. Fuel, V.70, №2, p. 258. 1991.

56. W. Seeker,T.W. Lester, and J.F. Merkin Shok tube techniques in the study of pulverized coal ignition and burnout. Rev.Sci.Insrum. 51(11), Nov. p.1523.1990.

57. Федосеев A.M. Экспериментальное определение кинетических параметров реакции углерода с водяным паром. ХТТ, 1992, №1, с.75.

58. Ваганова Н.И. и др. Методология термоаналитического определения кинетических параметров сложных реакций. VII Всесоюзный симпозиум ХФПГ и В, КХР, Ташкент, с. 108. 1987.

59. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции, М.: Химия, 1978, 360с.

60. Вегнер, Неизотермическая кинетика многостадийных процессов термического разложения. Препринт №16, ИТМД АН БССР, Минск, 1983.

61. Абрамзон М.Н., Малышева О.М., Подобедова J1.H. // Расчет радиационных потоков в энергетических агрегатах при факельном сжигании. ИФЖ. 1993. Т.64. № 3. стр. 287.

62. Блох В.Г., Клабуков В.Я., Кузьмин В.А. Радиационные характеристики полидисперсных систем сферических частиц. Горький: Волго- Вятское кн. изд-во, 1976.

63. Журавлев Ю.А. Радиационный теплообмен в огнетехнических установках. Красноярск, 1983.

64. El-Walkil S.A., Attia М.Т., Madkour М.А. // Radiative transfer in spherical and cylindrical media containing aerosols. JQSRT1991. V. 45. p. 235.

65. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986.

66. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. Ленинград: Гостех- издат, 1951.

67. Latimer P., Brunsting A., Pyle В.Е., Moore С. Appl. Opt. 1978. V. 17. № 19. p. 3152.

68. Welch R.M., Cox S.K., Appl. Opt. 1978. V. 17. № 19. p. 3159.

69. Bottlinger M., Umhauer H. // Modeling of lightscattering by irregularly shaped particles using a ray-tracing method. Appl. Opt. 1991. V. 30. №33. p. 4732.

70. Mishchenko M.I., Travis L.D. // Lightscattering by polydisperse, rotetionally symmetric nonspherical particles: linear polarization. JQSRT. 1994. V. 51. p. 759.

71. Linder J.S. etal.// Efficiency measurements of downstream particulate retention components atthe coal-fired flow facility. 27th. Symposium on Engineering end Aspects of MHD, Mississippi 1988. V. 8. p. 8.5-1.

72. Hitzenberger R., Rizzi R.// Retrieved and measured aerosol mass size distributions: a comparison. Appl. Opt. 1986. V. 25. №.4. p. 546.

73. Dobbins R.A., Crocco L., Glassman I. // Measurementof mean particle sizes of sprays from diffractively scattered light. AIAA J. 1963. v. 37. p. 1882.

74. Ваулина O.C., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А. // Влияние распределения частиц по размерам на оптические характеристики дисперсной фазы продуктов сгорания твердых топлив. ТВТ. 1997. № 2.

75. Bohren C.F., Hirleman E.D., eds.// Feature on optical particle sizing. App. Opt. 1991. V.30. p. 4685-4986.

76. Knight J.C.,Ball D., Robert son G.N.// Analytical inversion for laser diffraction spectrometry giving improved resolution and accuracy in size distribution. Appl. Opt. 1991. V. 30. p. 4795.

77. Riley J.B., Agrawal Y.C. // Sampling and inversion of data in diffraction particle sizing. Appl.Opt. 1991. V. 30. p. 4800.

78. Ariesson P.C., Self S.A., Eustis R.H. // Two-Wavelength Laser Transmissometer for Measurements of the Mean Size and Concentration of Coal Ash Droplets in Combustion Flows. Appl. Opt. 1980. V. 19, p. 3775.

79. Perelman A. Ya., Shifrin K.S. // Impruvements to the spectral transparency method for determining particle-size distribution, Appl. Opt. 1980. V. 19. N 11. p. 1787.

80. Зимин Э.П. и др. Оптическая диагностика свойств мелких частиц в высокотемпературных газах. Варшава: INR-1748/XVIII/PP/A 1978.

81. Shaw Glenn Е. // Inversion of optical scattering and spectral extinction measurements to recover aerosol size spectra", App. Opt. 1979. V. 18. p. 988.

82. Felske J.D., Ku J.C. // A technique for determining the spectral refractive indices, size and number density of soot particles from light scattering and spectral extinction measurements in flames", Combustion and Flame. 1992. V. 91. p. 1.

83. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Чернышев А.Г.// Метод определения средних размеров, показателя преломления и концентрации частиц в высокотемпературных потоках. Препринт ИВТАН. №1-466. Москва, 1994.

84. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Чернышев А.Г. // Одновременное определение размеров и показателяпреломления слабопоглощающих частиц. ЖПС. 1995. Т. 63. № 2. стр. 314.

85. Nefedov А.Р., Petrov О.Р., Vaulina O.S.// Analysis of particle sizes, concentration and refractive index in measurements of light transmittance in the forward scattering angle range. Appl. Opt. (to be published before Marti 996)

86. Jones M.R., Curry B.P., Brewster M.Q., Leong K.H.// Inversion of Light-scattering measurements for particle size and optical constants: theoretical study. Appl.Opt. 1994. V. 33. p. 4025.

87. Jones M.R., Leong K.H., Brewster M.Q., Curry B.P.// Inversion of Light-scattering measurements for particle size and optical constants: experimental study. App. Optl994. V. 33. p. 4035.

88. Nefedov A.P., Petrov O.P., Vaulina O.S. // Analysis of radiant energy emission from high temperature medium with scattering and absorbing particles. JQSRT. 1995. V. 54. p. 435.

89. Paul P. and. Self S. // Method for spectroradiometric temperature measurements in two phase flows. l:Theory. App. Opt. 1989. V.28. № 11. p.2143.

90. Ваулина O.C., Нефедов А.П., Петров О.Ф. // Перенос излучения в двухфазных высокотемпературных средах различной геометрии в приближении конечной кратности рассеяния. 4.1. ТВТ. 1994. Т.32. № 4. стр.558.

91. Васильева И.А. // Основы спектральной диагностики газа с конденсированной дисперсной фазой. УФН. 1993. Т. 163. N 8. стр. 47.

92. Zardecki A., Tam W.G. // Multiple scattering corrections to the Beer-Lambert law. 1: Open detector. 1982. Appl. Opt. 21. p. 2405.

93. Tam W.G., Zardecki A. // Multiple scattering corrections to the Beer-Lambert law. 1: Detector with a variable field of view. Appl. Opt. 1982. V. 21. p. 2413.

94. King M.D. // Comparative accuracy of diffuse radiative properties computed using selected multiple scattering approximations. American Metrological Society. 1993. V.50. N 2. p. 247.

95. Wilson S.J., Nanda T.R. // Radiative transfer in absorbing, emitting and lineary anisotropically scattering inhomogeneous solid spheres. JQSRT. 1995. V. 44. № 3. p. 345.

96. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф.// Анализ переноса излучения в двухфазных высокотемпературных средах различной геометрии в приближении конечной кратности рассеяния. ТВТ. 1994. Т.32. № 5. стр.707.

97. Гребенщиков J1.T., Клабуков В.Я., Косолапов Е.А., Щварцблат Л.Д. // Исследование распределения температур в поперечных сечениях осесимметричных факелов. ИФЖ. 1993. Т. 64. № 3. стр. 313.

98. Физико-химические свойства окислов. Справочник под ред. Г.В. Самсонова. Москва: Металлургия, 1978.

99. Menguc М.Р., Manickavasagam S., D'Sa D.A. // Determination of radiative properties of pulverized coal particles from experiments. Fuel. 1994. V. 73. №4. p. 613.

100. Hottel H. and Sarofim A.F. // Radiative transfer. McGraw-Hill: New-York, 1967.

101. Wall T.F., Lowe A., Wibberley LJ., Mai-VietT., Gupta R.P., Fly ash characteristics and radiative heat transfer in pulverized coal-fired furnaces. Combust. Sci. and Tech. 1981. V. 26. p. 107.

102. Gupta R.P., Wall T.F.// The optical properties of fly ash in coal fired furnaces. Comb, and Flame. 1985. V. 61. p. 145.

103. Charalampopoulos T.T., Chang H. // In situ optical properties of soot particles in the wavelength range from 340nm to 600nm. Combust.Sci.and Tech. 1988. Y.59, p.401.

104. Wertheimer A.L., Wilcock W.L. // Light scattering measurements of particle distributions. Appl. Opt. 1976. V.15. №6. p. 1616. Coston S.D., George N. // Particle sizing by inversion of the optical ransform pattern. Appl. Opt. 1991. V.30. №33. p.4785.

105. Riley J.B., Agrawal Y.C. // Sampling and inversion of data in diffraction particle sizing. Appl. Opt. 1991. V.30. №33, p. 4800.

106. Vaulina O.S., Nefedov A.P., Petrov O.F., Samarian A.A, and Chernyschev A.V. Spectral Diagnostics of Particles in Dusty Plasma. Contributed papers at the ESCAMPIG XIII (European Physical Society), August 27-30, Poprad, Slovakia, p.3 (1996).

107. Ваулина O.C., Липаев A.M., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А., Чернышев А.В. Метод определения средних размеров, концентрации и показателя преломления частиц в высокотемпературных потоках. ТВТ, 35, №4, 1997.

108. Svet D.Ya.// Determination of the emissivity of a substance from the spectrum of its radiation and optimal methods of optical pyrometry. High Temperatures High Pressures. 1976. V.8. p.493.

109. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур.М.: Наука, 1982.

110. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф. Перенос излучения в двухфазных высокотемпературных средах различной геометрии в приближении конечной кратности рассеяния. 4.1. Тепл. выс. темп., 1994. Т.32, №4, С.558.

111. Гладкий В.А., Голобородько В.Т., Каштаньер B.JL, Шульман Е.С.// Разработка методов измерения температуры гетерогенной плазмы. ТВТ. 1985. Т.23. No 3. с.556.

112. Bauman L.E. // Combust. Flame. 1994. V. 98. p. 46.

113. Абрикосов А.А., Основы теории металлов. M., 1987.

114. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А. // Влияние распределения частиц по размерам на оптические характеристики дисперсной фазы продуктов сгорания твердых топлив. ТВТ. 1997. №2.

115. Ваулина О.С., Нефедов А.П., Петров О.Ф. // Расчет рассеивающих и поглощающих характеристик сферических частиц в высокотемпературных потоках. ТВТ. 1992. Т. 30 стр. 983.

116. Методы исследования плазмы/Под ред. В.Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971.

117. Ванин А.А., Каспаров М.Г., Мохов А.В. и др. Автоматизированная система диагностики плазмы продуктов сгорания. Препринт ИВТАН №3-286. М., 1990.

118. Paul P. and. Self S. // Method for spectroradiometric temperature measurements in two phase flows. 2:Experimental verification. App. Opt. 1989. V.28. № ll.p.2150.

119. Paul P. and. Self S. // Method for spectroradiometric temperature measurements in two phase flows. l:Theory. App. Opt. 1989. V.28. 1 11. p.2143.

120. Ваулина O.C., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А. // Спектральная пирометрия "несерых" частиц в двухфазных высокотемпературных потоках. ТВТ. 1997. №3.

121. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., Справочник по математике. М.: Наука. 1986.

122. GouesbetG., Grehand G., Maheu В. // Single scattering characteristics of volume elements in coal clouds, Appl. Opt. 1983. V. 22. № 13. P. 2038.

123. Петров О.Ф., Самарян А.А. // ТВТ. Т.31, №2. С.334, 1993.

124. Излучательная способность твердых материалов. Справочник под ред. Шейндлина А.Е. М.: Наука, 1974.

125. Кондратьев А.Б., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А.// Оптическая диагностика конверсии угольных частиц в потоке плазмы продуктов сгорания. ТВТ. 1994. Т. 32. №3. с. 452.

126. Kunimoto Т., Osumi М., Emissiviti and Band Model Parameters of Sulfur Dioxide, Proc. VI Int. Heat Transfer Conference, V.3, p. 319324, 1978.

127. Оцисик P., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.-934с.