КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-13-20041
НазваниеЛазерное инициирование процессов горения и пиролиза углей
Руководитель Адуев Борис Петрович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" , Кемеровская обл (Кузбасс)
Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-401 - Неравновесные процессы – воспламенение, горение, детонация, взрыв
Ключевые слова лазерное излучение, зажигание, уголь, пиролиз, горение, кинетика, нестационарная спектроскопия пламён
Код ГРНТИ31.15.27
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на исследование лазерного инициирования процессов горения и пиролиза твердых топлив сложного состава – углей Кузнецкого угольного бассейна (Кузбасс).
Исследование процессов горения топлив содержащих твердую пористую структуру и широкий набор конденсированных летучих компонентов является важным направлением для теории и практики сжигания твердых топлив в энергетике и смежных областях.
Ископаемые угли относятся к классу топливных веществ, которые условно состоят из двух основных компонентов: твердого углеродного вещества и летучих органических соединений. При подводе энергии (в том числе лазерного излучения) происходит частичное выделение летучих органических соединений в газовую фазу и их воспламенение с последующим зажиганием нелетучего остатка. В силу особенностей строения угольной матрицы физико-химические процессы, протекающие в углях при воздействии мощных лазерных импульсов, будут отличаться от ранее изученных процессов, протекающих в однокомпонентных материалах: дисперсные металлы, графит и т.п.
Уголь является главным полезным ископаемым Кемеровской области-Кузбасс. На территории Кузбасса расположен Кузнецкий каменноугольный бассейн и Западная часть Канско-Ачинского буро-угольного бассейна. Кузбасс — один из самых крупных по запасам угля и объемов его добычи бассейнов России и главный, а по некоторым позициям единственный в стране поставщик технологического сырья для российской промышленности. Некоксующие энергетические угли составляют около 70% от общих запасов углей в Кузбассе. Кузбасские угли уникальны по своему качеству. Они представлены практически всеми технологическими марками и группами от бурых до антрацитов. Но самое главное их природное преимущество перед углями других бассейнов мира — это сочетание таких качественных показателей как высокая теплота сгорания (6250 ккал/кг), низкое содержание серы (0,4-0,6%), незначительное содержание влаги (7,8-10%) и средняя зольность (15,3-23,2%). Эти показатели значительно лучше средних по угольной отрасли России [https://ako.ru/oblast/obshchaya-informatsiya/minerals.php].
В связи с вышеизложенным в качестве объекта исследования будут выбраны ископаемые угли Кузбасса разной степени метаморфизма марок: бурый (Б) Тисульского месторождения, длинно-пламенный газовый (ДГ) Соколовского месторождения, газовый (Г) Ленинское месторождение, жирный (Ж) Никитинское месторождение, коксовый (К) Киселевско-Прокопьевского месторождения и антрацит (А) Бунгурского месторождения. Образцы углей будут предоставлены Банком углей ФИЦ УУХ СО РАН. Выбор объектов обусловлен их уникальными свойствами и областью применения в быту и промышленности.
Бурый уголь одновременно является и видом, и маркой. Это самая молодая разновидность полезного ископаемого. Бурый уголь получил свое название из-за цвета. Используется для отопления частных домов, хозяйственных построек, промышленных объектов. Применяют бурый уголь и в химической промышленности – его используют как источник органических веществ (горного воска, бензола, гуминовых кислот). Его можно перерабатывать на жидкое топливо.
Уголь марки ДГ черного или темно-серого цвета. Он легко разжигается в котлах, не требует поддува. Используется уголь ДГ в основном для отопления. Его применяют в домашних котлах и печах, в котельных, реже на тепловых электростанциях.
Газовый уголь – это одна из универсальных марок. Он относится к энергетическим, но из него уже можно получать кокс. Цвет у материала черный. Газовый уголь хорошо горит и продуцирует много тепла. Применяется газовый уголь в первую очередь в энергетике. Марка подходит для изготовления кокса. Может являться ценным сырьем для получения жидкого топлива.
Жирный уголь это материал черного цвета с матовым блеском. Жирный уголь используется исключительно для изготовления кокса, выплавки чугуна и стали.
Коксовый уголь – одна из самых ценных металлургических марок. Цвет угля серый. Применяется марка только в металлургии, для изготовления кокса.
Антрацит, наряду с бурым углем, одновременно является и видом, и маркой. Это уголь с самой высокой степенью углефикации. Он считается лучшей энергетической разновидностью. Цвет у антрацита черный или темно-серый. Антрацит используется в основном как промышленное топливо для ТЭЦ и предприятий. Из него делают электроды, полупроводники, фильтры.
Достоинством использования лазерного излучения для инициирования быстропротекающих процессов горения и пиролиза углей является возможность контролировать подводимую энергию и длительность ее воздействия.
В качестве источника быстрого подвода энергии будут применяться импульсный неодимовый лазер с излучением второй гармоники на длине волны 532 нм при длительности импульса лазерного излучения 14 нс (режим модуляции добротности), лазеры с диодной накачкой на 808 и 450 нм, которые могут использоваться как в непрерывном режиме излучения, так и в импульсном с длительностью от 1 мс. Применение разных видов лазерного излучения для воздействия на угольное вещество позволит установить влияние длины волны и длительности излучения на инициирование процессов горения и пиролиза.
Предполагается, что в результате воздействия лазерного излучения на угольное вещество в нем инициируются быстропротекающие процессы, приводящие к воспламенению угольных частиц, которые можно исследовать в режиме реального времени с помощью регистрирующей аппаратуры с высоким временным разрешением.
Процессы начальных стадий лазерного инициирования горения углеводородных топлив и ископаемых углей в зависимости от их химического состава в настоящее время изучены недостаточно.
В связи с эти фундаментальные исследования в этом направлении актуальны как для теоретических построений, так и для нахождения оптимальных условий зажигания пылеугольного топлива. В настоящей работе будут выполнены экспериментальные исследования лазерного инициирования горения и пиролиза уникального набора ряда метаморфизма имеющегося в Кузбассе углей.
Таким образом, целью проекта является формирование основных фундаментальных представлений о механизмах преобразования энергии различных видов лазерного излучения в ископаемых углях и обозначение перспектив практического применения полученных фундаментальных результатов.
В рамках проекта предполагается:
1. Изучить физико-химические характеристики, состав и структуру углей в выбранном ряду метаморфизма от бурого до антрацита.
2. Впервые осуществить экспериментальное определение критических условий лазерного инициирования (энергия, мощность, длительность излучения) зажигания углей в ряду метаморфизма излучением различных длин волн наносекундой длительности (532 нм) и непрерывного действия (450, 808 нм), с возможностью выделения импульсов длительностью от 1 мс.
3. Впервые исследовать временные характеристики процесса горения и спектры свечения углей под действием лазерного излучения с применением методов оптической спектроскопии с высоким временным разрешением, установить временные интервалы горения летучих веществ и нелетучего остатка, и определить температуру горения нелетучего остатка методом оптической пирометрии.
4. Впервые изучить процессы лазерного пиролиза исследуемых марок углей в инертной атмосфере, установить состав продуктов пиролиза и выхода каждого продукта в зависимости от плотности энергии лазерного излучения.
5. Впервые установить взаимосвязи между характеристиками углей (химический состав, структура и т.д.) и критическими условиями лазерного инициирования процесса горения.
5. Разработать экспериментально обоснованную модель лазерного инициирования горения и пиролиза угля.
Научная новизна исследований заключается в том, что для инициирования процессов горения и пиролиза уникального набора углей Кузбасса впервые используется излучение второй гармоники лазерного излучения (532 нм) наносекундной длительности (14 нс), а также применение для инициирования этих процессов непрерывного (с возможностью выделения импульсов длительностью от 1мс) лазерного излучения на длинах волн 450 и 808 нм. Таким образом охватывается широкий диапазон временных (наносекунды, миллисекунды, секунды) и оптических (450, 532, 808 нм) характеристик лазерного излучения.
Практическая значимость заключается в перспективе использования полученных фундаментальных результатов для разработки технологии лазерного инициирования термохимических процессов переработки углей, в том числе для подсветки пылеугольного топлива лазерным излучением в котельных установках и создания новых эффективных камер сгорания.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Лисков И.Ю., Нурмухаметов Д.Р., Исмагилов З.Р.
Ignition of Low-Metamorphized Coal with Continuous Lasers at Wavelengths 450 nm and 808 nm
Eurasian Chemico-Technological Journal, № 2, Т. 24, С. 93-101 (год публикации - 2022)
10.18321/ectj1321
2.
Адуев Б.П., Крафт Я.В., Нелюбина Н.В., Волков В.Д., Исмагилов З.Р.
Пиролиз бурого угля под воздействием частотно-импульсного наносекундного лазерного излучения
Химия в интересах устойчивого развития, Т. 30, № 5, С. 515-525 (год публикации - 2022)
10.15372/KhUR2022409
3.
Адуев Б.П., Крафт Я.В., Нелюбина Н.В., Волков В.Д., Исмагилов З.Р.
Pyrolysis of High Volatile C Bituminous Coal under the Action of Nanosecond Laser Radiation
Eurasian Chemico-Technological Journal, №3, Т.24, 173-181 (год публикации - 2022)
10.18321/ectj1430
Публикации
1.
Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Лисков И.Ю., Исмагилов, З.Р.
Зажигание каменных углей лазерами непрерывного действия с длинами волн 450 и 808 нм
Химия твердого топлива, № 4, С. 31–38 (год публикации - 2023)
10.31857/S0023117723040023
2. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Лисков И.Ю., Исмагилов З. Р. Зажигание микрочастиц бурого угля второй гармоникой импульсного неодимового лазера наносекундной длительности Квантовая электроника, № 5, Т. 53, 430-435 (год публикации - 2023)
3.
Крафт Я.В., Адуев Б.П., Нелюбина Н.В., Волков В.Д., Исмагилов З.Р.
Пиролиз каменных углей под воздействием наносекундного лазерного излучения
Кокс и химия, № 9, С. 8-17 (год публикации - 2023)
10.52351/00232815_2023_03_8
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном периоде проведены работы по исследованию зажигания углей марок К (коксовый) и А (антрацит) при импульсном воздействии излучения YAG:Nd3+ лазера (длина волны излучения 532 нм, длительность импульса 10 нс, максимальная плотность мощности в импульсе 5*10^8 Вт/см^2); работы по исследованию пиролиза углей марок К и А в атмосфере аргона при импульсно-периодическом лазерном воздействии (длина волны излучения 532 нм, длительность импульса 10 нс, максимальная плотность мощности в импульсе 1*10^8 Вт/см^2, частота следования импульсов 6 Гц); зажигание углей марок К и А при воздействии излучения полупроводниковых лазеров непрерывного действия (длины волн излучения 450 и 808 Вт, максимальная мощность 20 и 10 Вт соответсвенно) с временем экспозиции 1 сек.
При зажигании углей наносекундными лазерными импульсами выделены две стадии, отличающиеся по кинетическим характеристикам свечения и критическим плотностям энергии, соответствующим 50% вероятности зажигания. Первая стадия наблюдается при превышении критической плотности энергии (порога) H ≥ Hcr1 = 0.18 Дж/см2 для угля марки К и Hcr1 = 0.15 Дж/см2 для угля марки А. Анализ результатов позволил связать процессы на этой стадии с испарением вещества, развитием электронной лавины, оптическим пробоем и образованием плазменного факела со сплошным спектром свечения во время воздействия лазерного импульса. По мере разлета и разрежения плазмы в спектрах свечения обеих марок углей регистрируются линии свечения ионизированных атомов углерода CII, возбужденных атомов азота N, возбужденных молекул углерода C2. Максимум интенсивности свечения, связанного с плазмой, наблюдается в момент окончания лазерного импульса. Время релаксации свечения составляет ≤ 5 мкс. Амплитуда свечения плазмы нелинейно возрастает с ростом плотности энергии лазерных импульсов при H > Hcr1 для соответствующей марки угля, что свидетельствует о лавинном характере процесса образования центров свечения во время лазерного импульса. При плотности энергии излучения H ≥ Hcr2 = 2.3 Дж/см2 для угля марки К и H ≥ Hcr2 = 2.1 Дж/см2 для угля марки А происходит инициирование термохимических реакций в объеме микрочастиц углей, выход и зажигание летучих веществ и нелетучего остатка угольных частиц в субмиллисекундном временном интервале.
При пиролизе таблетированных образцов углей марок К и А в среде аргона при импульсно-периодическом воздействии наносекундных лазерных импульсов (532 нм, 10 нс, 6 Гц, 0.2 ÷ 6 Дж/см2) обнаружены следующие продукты пиролиза: H2, CH4, С2H2, CO и CO2. Доля горючих газов (H2, CH4, С2H2, CO) в смеси газообразных продуктов пиролиза исследованных углей возрастает с увеличением плотности энергии лазерного излучения от 0.3 до 0.6 Дж/см2 для угля марки К от 90 до 94% и для угля марки А от 74 до 90%. Воздействие наносекундного лазерного излучения с превышением порогового значения Hcr = 0.18 Дж/см2 для угля марки К и Hcr = 0.26 Дж/см2 для угля марки А приводит к абляции угольных образцов. Величина аблированной массы линейно возрастает с ростом плотности энергии лазерных импульсов. Выход газообразных продуктов пиролиза углей марок К и А нелинейно увеличивается с ростом плотности энергии лазерных импульсов. Для объяснения этого эффекта предложена модель, основанная на нелинейной зависимости концентрации первичных радикальных центров, образующихся во время оптического пробоя образцов, от плотности энергии лазерных импульсов. Из первичных центров развиваются термохимические реакции, приводящие к образованию наблюдаемых газообразных продуктов лазерного пиролиза.
Горение образцов насыпной плотности углей марок К и А при воздействии излучения полупроводниковых лазеров непрерывного действия с длинами волн 450 и 808 нм осуществляется только во время излучения.
Процесс лазерного зажигания пылеугольного топлива имеет статистический характер. Это проявляется как в статистике времени зажигания образцов tz на фиксированной мощности излучения, так и в вероятностном характере значения критической энергии зажигания.
Для фиксированной длины волны лазерного излучения энергетические затраты Ecr на зажигание углей марок К и А возрастают с ростом степени углефикации и уменьшением выхода летучих веществ.
Энергетические затраты для зажигания каждой из марок углей меньше при использовании излучения с λ = 450 нм, чем излучения с λ = 808 нм.
Результаты измерения спектров свечения показывают, что в начальные моменты времени в спектрах угля марки К наблюдается свечение пламени CO и раскаленных углеродных частиц с Планковским спектром при T = 2000 К; в последующие моменты времени свечение связано только с углеродными частицами, нагретыми до температуры ~1800 К.
В спектрах свечения угля марки А наблюдается только свечение раскаленных углеродных частиц с Планковским спектром при T = 1500 К.
При воздействии единичных лазерных импульсов с плотностью мощности W = 10^8 - 10^9 Вт/см2 наиболее важным результатом является обнаружение лазерно-индуцированной плазмы, что не наблюдалось при воздействии лазерными импульсами в режиме свободной генерации (τ = 120 мкс) при тех же плотностях энергии.
При импульсно-периодическом воздействии на образцы углей в среде аргона установлен состав продуктов пиролиза и их эволюция в зависимости от плотности энергии лазерных импульсов. Обнаружены следующие газообразные продукты: H2, CH4, C2H2, CO и CO2. При аналогичных исследованиях с использованием режима свободной генерации, в числе продуктов отсутствовал ацетилен C2H2.
При зажигании углей излучением лазеров непрерывного действия основным результатом является измерение энергетических затрат на зажигание углей. Установлено, что энергетические затраты, необходимые для зажигания исследованных марок углей меньше для излучения с λ = 450 нм, чем для λ = 808 нм.
В целом представленные результаты получены впервые, поэтому являются новыми и актуальными, как в фундаментальном плане для установления деталей механизмов зажигания и пиролиза углей, так и в практическом плане, так как дают импульс для дальнейших исследований возможности разработки лазерного розжига пылевидного топлива в угольных топках.
Публикации
1. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Лисков И.Ю Зажигание антрацита лазерным импульсом Химическая физика (год публикации - 2025)
2.
Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Крафт Я.В., Исмагилов З.Р.
ЗАЖИГАНИЕ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ НЕОДИМОВОГО ЛАЗЕРА В РЕЖИМЕ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ
Химическая физика, № 3, Т. 43, С. 55-67 (год публикации - 2024)
10.31857/S0207401X24030067
3. Адуев Б.П., Волков В.Д., Нелюбина Н.В. Лазерный пиролиз высокометаморфизированных углей Химия в интересах устойчивого развития (год публикации - 2024)
4.
Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Лисков И.Ю., Нурмухаметов Д.Р.
ЗАЖИГАНИЕ МИКРОЧАСТИЦ АНТРАЦИТА ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛАЗЕРОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ДЛИНАМИ ВОЛН 450 И 808 НМ
Химия твердого топлива, № 3, C. 40–48 (год публикации - 2024)
10.31857/S0023117724030069
Возможность практического использования результатов
Практическая значимость заключается в перспективе использования полученных фундаментальных результатов для разработки технологии лазерного инициирования термохимических процессов переработки углей, в том числе для лазерной подсветки пылеугольного топлива в котельных установках и создания новых эффективных камер сгорания, в том числе в режиме "псевдоожижженого" слоя.
Актуальность полученных фундаментальных результатов для Кемеровской области-Кузбасс определяется тем, что в перспективе найдут практическое применение в экономике региона:
-решить проблему повышения эффективности сгорания пылеугольного топлива;
-способствовать экономичности работы ТЭЦ и ГРЭС за счет снижения расхода дорогостоящего мазутного топлива при растопке котлов и подсветки пылеугольного факела лазерным излучением;
-способствовать расширению области применения пылеугольного топлива в энергогенерирующих установках малой и средней мощности.
- разработать технологию лазерного зажигания пылеугольного топлива (в том числе низкосортного) в котельных установках