Мобил Сергеева


Правила воспламенения

Зажигание бурого угля мощным лазерным излучением


Воспламенение угольной пыли на шахтах и элеваторах является одним из главных факторов пожароопасности, в связи с чем необходимо детальное изучение этого процесса. Но это не единственная причина интереса к «правилам воспламенения». Эффективность эксплуатации ряда оборудования определяется затратами на разжигание угольной пыли. Представляет интерес поиск нестандартных способов. В настоящей работе, в частности, исследуется возможность снижения порога зажигания за счет применения смеси угля и энергетического материала, например бризантного взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита (тэна).

Впрочем — читайте сами.

Графики здесь >>>

Для инженерных расчетов принято условно делить суммарный процесс горения угольной частицы на четыре этапа: 1. прогрев до воспламенения летучих веществ; 2. горение летучих в газовом объеме; 3. прогрев коксового остатка до воспламенения; 4. выгорание коксового остатка.

В научной литературе имеются работы, посвященные лазерному зажиганию углей, однако использование угля Кузнецкого бассейна в данной работе проводится впервые. Применение лазерного зажигания имеет преимущество перед другими способами из-за отсутствия печи или излучающих стен и позволяет прямое, например, оптоэлектронное наблюдение воспламенения и горения углей с временным разрешением после воздействия лазерного импульса. Сочетание с методами регистрации свечения с высоким временным разрешением, например с помощью фотоумножителя и быстродействующей стрик-камеры, позволяет разделить во времени воспламенение одного или нескольких летучих веществ, а также зажигания коксового остатка, при вариации энергии лазерных импульсов.

В настоящей работе изучены критические пороги воспламенения летучих веществ и коксового остатка бурого угля, а также временные зависимости интенсивности свечения пламени летучих веществ и горения коксового остатка.

В качестве объектов исследования была выбрана угольная пыль (размером < 100 мкм) бурого угля Кайчакского месторождения (рис. 1).

В рамках работы была создана экспериментальная установка для лазерного зажигания углей. Основой этой установки является импульсный лазер с длиной волны излучения 1064 нм, позволяющий получать лазерные импульсы с длительностью 120 мкс и 12 нс. Для регистрации воспламенения и горения углей в данной установке используются два способа: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и спектрофотохронограф (быстродействующая стрик-камера в сочетании с полихроматором, позволяющая регистрировать спектрально-кинетическую зависимость процесса горения в реальном режиме времени).

Параметры установки:

                энергия излучения до 1 Дж.

                Длина волны излучения —1064 нм.

                Длительность импульса —12 нс, 120 мкс.

                Спектральный диапазон —300-800 нм.

                Временной диапазон —160 нс — 2,3 мс.

                Временное разрешение — 10 нс.

По результатам экспериментов можно выделить три критических порога Hcr зажигания бурого угля (рис.  2), соответствующих различным процессам в образцах (Hcr — плотность энергии лазерного импульса, соответствующая 50% вероятности зажигания образца).

Кинетики свечения пламени, соответствующие этим процессам, представлены на рисунке 3. Минимальный порог зажигания (рис. 3а) имеет величину Hcr(1) = (0,6±0,1) Дж/см2. Длительность импульса свечения, соответствующее этому процессу совпадает с длительностью импульса лазера. Для определения истинной кинетики этого процесса необходимо использовать лазер с более короткой длительностью импульса. Второму процессу соответствует плотность энергии Hcr(2) =(1,9±0,2) Дж/см2. Типичная кинетика свечения образца, возникающая при плотности энергии, соответствующей Hcr(2) представлена на рис. 3б. Здесь наблюдается «короткое свечение», возникающее в результате первого процесса и через t~1мс свечение с фронтом нарастания t~1 мс с последующим спадом при t>3мс. Третьему процессу соответствует плотность энергии Hcr(3)=(2,8±0,3) Дж/см2. Соответствующая кинетика свечения образца представлена на рис. 3в. В этом случае, наряду со свечением, обнаруженным при более низких плотностях энергии лазерных импульсов, наблюдается свечение с фронтом нарастания во временном интервале 30-70мс с последующим спадом за время ~100мс.

Как видно из таблицы 1, исследуемый уголь содержит большое количество летучих веществ. При воздействии лазерных импульсов с плотностью энергии Hcr(1) происходит зажигание наиболее легко воспламеняемых летучих веществ. С увеличением плотности энергии лазерных импульсов до Hcr(2) происходит нагрев угольных частиц и, по-видимому, инициируется химическая экзотермическая реакция, о чем свидетельствует нарастание свечения (рис. 3). В результате этого процесса происходит зажигание другого сорта летучих веществ, которые имеют более высокую температуру воспламенения. И, наконец, порог Hcr(3) следует отнести к зажиганию коксового остатка частиц угля. Это следует из сравнения зарегистрированной кинетики горения с имеющимися литературными данными по лазерному зажиганию углей других составов, частицы которых сгорают во временном интервале ~100мс.

По-видимому, и на этом этапе поглощенной энергии достаточно для инициирования экзотермических химических реакций, развивающихся после воздействия лазерного импульса, которые приводят к повышению температуры частиц угля до значения, необходимого для воспламенения коксового остатка.

Таким образом, как и следовало, ожидать, наиболее пожароопасным, по-видимому, является выделение наиболее легковоспламеняемых летучих веществ. Для этого процесса требуется энергия значительно меньшая, чем для зажигания коксового остатка угольной частицы (рис. 3).

Измерение спектра свечения горения коксового остатка с помощью скоростного спектрофотохронографа и применения метода оптической пирометрии позволило определить температуру горения, которая составила значение ~1600 градусов Цельсия.

В настоящее время в энергетике широко применяются пылеугольные котлы. Экологичность эксплуатации определяется затратами на разжигание угольной пыли. Для снижения порога зажигания в настоящее время применяют мазут, что снижает экономические показатели. Представляет интерес поиск других способов разжигания угольной пыли без использования мазута. Например, ведется изучение и внедрение разжигания угольной пыли СВЧ-излучением. В настоящей работе изучена возможность снижения порога зажигания за счет применения смеси угля и энергетического материала, например бризантного взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита (тэна).

Исследовались пороги зажигания смесей бурого угля и тэна в соотношениях от 0 до 99,5 процента по массе образца.

Как упоминалось выше, для порошка угля без добавок тэна Hсr=2,8 Дж/см2. Порошок тэна без добавок угля не зажигается при максимальных возможных использованных энергиях 10 Дж/см2. Отчетливое снижение порога зажигания наблюдается при увеличении содержания тэна 0-50% по массе (рис. 4). В интервале 50-90% содержания тэна в порошке порог зажигания слабо зависит от плотности энергии лазерного излучения, при увеличении содержания тэна от 90-99.5% наблюдается резкое возрастание Hсr.

Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. Известно, что чистый порошок тэна практически прозрачный длине волны 1064 нм. Лазерное излучение поглощается частицами угля. В результате их нагрева до температуры вспышки тэна T≈250°C в результате экзотермической реакции загораются частицы тэна и поджигают окружающие частицы угля. Это приводит к снижению порога зажигания смеси в интервале 0-50% содержания тэна. При дальнейшем увеличении содержания тэна вследствие уменьшения содержания поглощающих частиц угля Hсr сначала слабо зависит от состава, а при содержании поглощающих частиц угля < 10% по массе начинает резко возрастать.

Кинетики свечения, сопровождающие сгорание смесей, в зависимости от содержания тэна представлены на рисунке 5. Увеличение концентрации включений тэна от 0 до 50% ведет к увеличению скорости сгорания угля. При помощи скоростного спектрофотохронографа измерены спектры свечения и определены температуры горения смесей (рис. 6). Увеличение содержания тэна в угле ведет к увеличению температуры горения.

Таким образом, использование смесевых составов энергетических материалов и углей с применением лазерного зажигания открывает перспективу для разработки новых способов разжигания топлива в пылеугольных котлах.

Борис Адуев,

Денис Нурмухаметов,

Родион Ковалев,

Зинфер Исмагилов,

Анатолий Заостровский