Исследование процессов пиролиза, газификации и зажигания ископаемых углей под воздействием лазерного излучения. 2024 - 2025 г.

1. Актуальность проблемы, предлагаемой к решению Актуальность проблемы определяется тем, что процессы лазерного зажигания углеводородных топлив и ископаемых углей в зависимости от их химического состава и выхода летучих веществ в настоящее время изучены недостаточно. Фундаментальные исследования в этом направлении важны как для развития теоретических моделей, так и для нахождения оптимальных условий зажигания пылеугольного топлива. В настоящем проекте будут выполнены экспериментальные исследования зажигания и пиролиза уникального набора образцов углей ряда метаморфизма имеющегося в Кузнецком бассейне при воздействии импульсного лазерного излучения с длиной волны 1064 нм с длительностью импульса 14 нс и 120 мкс. Лазерное зажигание углей исследовалось в основном в поле излучения неодимового лазера с длительностью импульса 0.1–5 мс [1, 2]. Процесс зажигания состоит из стадий пиролиза, зажигания летучих веществ и горения твердого остатка [1, 2]. Наиболее реакционноспособными являются угли с большим количеством летучих веществ, для них фронт пламени лежит в газовой фазе. Для образцов с малой долей летучего вещества фронт пламени лежит на поверхности частицы [2]. Важной особенностью является поглощение большей части радиации продуктами пиролиза, что приводит к экранированию твердой частицы [3]. Показана возможность образования фронта горения угольной пыли взвешенной в воздухе при лазерном облучении [4] и пробоя кислород-водородной смеси вблизи угольной поверхности [5]. Предложены модели лазерного зажигания угля, включающие в себя процессы тепло-массопереноса, пиролиза (с постоянной и распределенной энергией активации), горения в газовой фазе, гетерогенного горения твердого вещества [6], поглощения излучения твердым веществом и продуктами пиролиза [7]. Таким образом, лазерное зажигание углей представляет значительный интерес в мировой науке. Все экспериментальные работы, осуществленные к настоящему времени, проведены при использовании длинных импульсов лазерного излучения. Использованные для исследования кинетики реакции методы не позволяли выделить возможные промежуточные продукты и их температуру, поэтому весь комплекс результатов имеет полуколичественный характер и малопригоден для построения обоснованных математических моделей актуальных процессов. Работы по зажиганию углей короткими мощными лазерными импульсами (длительность 0.01–100 мкс) практически отсутствуют и будут проведены впервые в Российской Федерации. В связи с выше изложенным, задачи, которые будут решаться в данном проекте являются актуальными и внесут вклад в разработку более точного механизма лазерного зажигания и пиролиза углей, нежели существующие в настоящее время. 1. J. C. Chen, M. Taniguchi, K. Narato, K. Ito. // Comb. Flame. V. 97, № 1, 1994, pp 107-117. 2. D. Zhang. // Combustion and flame. V. 90. 1992. pp. 134 - 142. 3. T.X. Phuoc, M.P. Mathur, J.M. Ekmann. // Comb. Flame. V. 93. 1993. pp. 19 – 30. 4. M. Taniguchi, H. Kobayashi, K. Kiyama, Y. Shimogori. // Fuel. V. 88. 2009, pp. 1478–1484. 5. Q. Yang, Z. Peng // Int. J. of Hydr. En. V. 35. 2010, pp. 4715–4722. 6. K. Annamalai, P. Dubertaki. // Comb. Flame. V. 29. 1977. pp. 193 – 208. 7. T. X. Phuoc, M. P. Mathur, J. M. Ekmann, P. Durbetaki. // Comb. Flame. V. 94. 1993. pp. 349-362. Практическая значимость заключается в использовании полученных фундаментальных результатов для разработки технологии лазерного инициирования термохимических процессов переработки углей, в том числе зажигания пылеугольного топлива в котельных установках и создания новых эффективных камер сгорания. Рекомендации, выработанные в результате выполнения проекта могут, быть использованы для разработки топок с кипящим слоем с использованием лазерного зажигания. Это даст возможность разработки системы безмазутного розжига угольного топлива, что приведет к значительному экономическому эффекту. Полученные результаты по лазерному пиролизу углей в перспективе могут найти применение при разработке реакторов для получения синтез газа. Задачи на 2024 год 1. Исследование влияние добавок щелочных и щелочноземельных металлов, металлов подгруппы железа на лазерный пиролиз углей. 2. Исследование влияние добавок щелочных и щелочноземельных металлов, металлов подгруппы железа на лазерное зажигание углей. Результаты 2024 года 1. Результаты исследований влияния добавок щелочных и щелочноземельных металлов, металлов подгруппы железа на лазерный пиролиз углей. 2. Результаты исследований влияния щелочных и щелочноземельных металлов, металлов подгруппы железа на лазерное зажигание углей. Задачи на 2025 год 1. Исследование лазерного зажигания углей и топлива из возобновляемых источников энергии с использованием технологии «кипящего слоя». 2. Исследование лазерного зажигания смесевых составов из углей и возобновляемых источников энергии с использованием технологии «кипящего слоя». Результаты 2025 год 1. Результаты исследований лазерного зажигания углей и топлива из возобновляемых источников энергии с использованием технологии «кипящего слоя». 2. Результаты исследований лазерного зажигания смесевых составов из углей и возобновляемых источников энергии с использованием технологии «кипящего слоя».