Лазерное инициирование процессов горения и пиролиза углей.

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. 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. 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.