Зажигание и пиролиз микрочастиц углей при воздействии импульсного лазерного излучения

Крафт, Ярослав Валерьевич
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 5
ГЛАВА 1. ЗАЖИГАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ И УГЛЕЙ ЛАЗЕРНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ. ЛАЗЕРНЫЙ ПИРОЛИЗ УГЛЕЙ ……………………………………………. 16
1.1. Лазерное зажигание углеродных частиц …………………………………………………. 16
1.2. Лазерное зажигание углей ………………………………………………………………………. 20
1.2.1. Зажигание углей излучением неодимового лазера …………………………….. 21
1.2.2. Зажигание углей излучением CO2-лазера ………………………………………….. 26
1.2.3. Зажигание углей с использованием системы подвода излучения через
оптическое волокно …………………………………………………………………………………… 29
1.2.4. Теоретические исследования механизма лазерного зажигания углей …. 32
1.3. Лазерный пиролиз углей ………………………………………………………………………… 39
1.3.1. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения неодимового
лазера ………………………………………………………………………………………………………… 40
1.3.2. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения CO2-лазера …. 42
1.3.3. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения рубинового
лазера ………………………………………………………………………………………………………… 46
1.3.4. Пиролиз углей, инициируемый воздействием излучения других типов
лазеров ………………………………………………………………………………………………………. 53
1.3.5. Иные методы инициирования пиролиза углей …………………………………… 57
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ……………………………………………………………… 61
2.1. Объекты исследования …………………………………………………………………………… 61
2.1.1. Частицы углей с максимальным размером 63 мкм …………………………….. 62
2.1.2. Частицы углей с максимальным размером 100 мкм …………………………… 63
2.2. Методы подготовки экспериментальных образцов………………………………….. 64
2.2.1. Методика подготовки порошкообразных образцов из микронных частиц
углей …………………………………………………………………………………………………………. 64
2.2.2. Методика подготовки таблетированных образцов из микронных частиц
углей …………………………………………………………………………………………………………. 65
2.3. Источник лазерного излучения ………………………………………………………………. 66
2.4. Методика исследования спектров излучения поверхности образцов углей во
время воздействия лазерных импульсов ……………………………………………………….. 66
2.4.1. Функциональная схема экспериментальной установки ……………………… 66
2.4.2. Калибровка оптического тракта спектрофотохронографа по длинам волн
………………………………………………………………………………………………………………….. 69
2.4.3. Калибровка спектральной чувствительности регистрирующего тракта 71
2.4.4. Обработка результатов измерений спектров излучения поверхности
образцов углей методом спектральной пирометрии ……………………………………. 73
2.5. Методика исследования зависимостей интенсивности излучения пламен
образцов углей от времени и определения пороговых характеристик зажигания
образцов углей ……………………………………………………………………………………………… 74
2.6. Методика определения доли поглощенной энергии импульса лазера
продуктами термического разложения образцов углей и пламенем ……………….. 77
2.7. Методика измерения коэффициента отражения образцов углей методом
фотометрического шара ……………………………………………………………………………….. 79
2.8. Методика проведения масс-спектрометрических исследований
газообразных продуктов ……………………………………………………………………………….. 80
2.8.1. Анализатор газов ………………………………………………………………………………. 80
2.8.2. Калибровка анализатора газов …………………………………………………………… 81
2.8.3. Методика исследования состава газообразных продуктов воздействия
лазерного излучения на образцы углей ………………………………………………………. 84
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ ЧАСТИЦ УГЛЕЙ
РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЙ МЕТАМОРФИЗМА ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ В
РЕЖИМЕ СВОБОДНОЙ ГЕНЕРАЦИИ …………………………………………………………… 87
3.1. Спектры излучения поверхности частиц углей во время воздействия
лазерных импульсов при различных плотностях энергии ………………………………. 87
3.2. Зависимости интенсивности излучения пламен частиц углей от времени
после воздействия единичных лазерных импульсов в режиме свободной
генерации …………………………………………………………………………………………………….. 96
3.3. Пороговые характеристики зажигания частиц углей различных стадий
метаморфизма лазерными импульсами в режиме свободной генерации ………. 105
3.4. Выводы по третьей главе ……………………………………………………………………… 122
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННЫХ
ОБРАЗЦОВ УГЛЕЙ МАРОК Б И ДГ В СРЕДЕ ВОЗДУХА, ПИРОЛИЗА
ТАБЛЕТИРОВАННЫХ ОБАРЗЦОВ УГЛЯ МАРКИ Б В СРЕДЕ АРГОНА МАСС-
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ……………………………………………………….. 123
4.1. Исследование процесса горения таблетированных образцов углей марок Б и
ДГ при лазерном воздействии в среде воздуха масс-спектрометрическим
методом ……………………………………………………………………………………………………… 123
4.1.1. Оценка эффективности лазерного зажигания таблетированнных
образцов угля марки Б ……………………………………………………………………………… 132
4.2. Исследование лазерного пиролиза таблетированных образцов угля марки Б
в среде аргона масс-спектрометрическим методом ……………………………………… 133
4.2.1. Лазерный пиролиз таблетированных образцов угля марки Б ……………. 133
4.2.2. Лазерный пиролиз таблетированных образцов частично
деминерализованного угля марки Б ………………………………………………………….. 150
4.3. Выводы по четвертой главе ………………………………………………………………….. 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 165

Актуальность работы
Диссертационная работа направлена на исследование термических
процессов, протекающих в микрочастицах углей при зажигании в среде воздуха и
пиролизе в среде аргона. Исследование процессов термического разложения углей
является важным направлением для совершенствования технологий глубокой
переработки угля.
Использование импульсного лазерного излучения в сочетании с электронно-
оптическими методами регистрации позволяет проводить инициирование и
изучение быстропротекающих процессов термического разложения углей и
обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами:
возможность изучения первичных процессов зажигания и пиролиза углей, легкость
контроля интенсивности и длительности воздействия.
В литературе накоплен материал по физико-химии термического разложения
углеводородных топлив, в частности ископаемого угля, к примеру, обзоры [1–4].
Однако большая часть исследований посвящена описанию процессов на
макроуровне. Для уточнения процессов зарождения термических явлений в
ископаемых углях под воздействием лазерного излучения необходимо проведение
комплексных фундаментальных исследований на начальных стадиях зажигания
угля.
В диссертационной работе исследованы быстропротекающие термические
процессы горения углей марок Б (бурый), ДГ (длиннопламенный газовый),
Г (газовый), Ж (жирный), К (коксовый) в реальном масштабе времени,
протекающие во временном интервале от микросекунд до сотен миллисекунд.
Исследованы термические процессы, протекающие при лазерном пиролизе угля
марки Б в инертной атмосфере.
Помимо фундаментального аспекта, результаты диссертационной работы
имеют и практическую значимость, так как результаты исследования позволят
выработать новые подходы к управлению процессами зажигания и пиролиза углей.
Все вышеперечисленное определяет актуальность диссертационной работы.
Цели и задачи работы
Целью работы является установление закономерностей развития
термических процессов в углях Кузнецкого угольного бассейна марок Б, ДГ, Г, Ж,
К в воздушной и инертной средах при воздействии лазерных импульсов.
Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать спектры излучения поверхности образцов углей марок Б, ДГ, Г,
Ж, К во время воздействия единичного лазерного импульса в среде воздуха.
2. Исследовать зависимости интенсивности излучения пламен образцов углей
марок Б, ДГ, Г, Ж, К от времени после воздействия единичного лазерного
импульса в среде воздуха.
3. Установить пороговые характеристики зажигания образцов углей марок Б,
ДГ, Г, Ж, К при воздействии единичным лазерным импульсом в среде
воздуха.
4. Идентифицировать продукты горения образцов углей марок Б и ДГ при
импульсно-периодическом лазерном воздействии в среде воздуха масс-
спектрометрическим методом.
5. Идентифицировать продукты пиролиза образцов угля марки Б при
импульсно-периодическом лазерном воздействии в инертной среде масс-
спектрометрическим методом.
6. Установить влияние минеральной составляющей угля марки Б на выход
горючих компонентов и на структуру поверхности образца,
формирующуюся в результате импульсно-периодического лазерного
воздействия в инертной среде.
Научная новизна
1. Впервые исследованы спектры излучения поверхности частиц углей марок Б,

Таким образом, серией разноплановых экспериментов, проведенных на
частицах углей марок Б, ДГ, Г, Ж и К показана перспектива использования
лазерного излучения для разработки новых методов лазерного розжига
пылеугольного топлива; показана перспектива использования лазерного излучения
для газификации угля, получения синтез-газа с помощью лазерного пиролиза
углей.
Ниже приведена сводка выводов работы.
1. Спектры излучения поверхности частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К во время
воздействия лазерных импульсов зависят от плотности энергии излучения:
при плотностях энергии лазерного излучения, соответствующих порогу
обнаружения зажигания Hcr(1), обнаружено свечение пламени CO и
возбужденных молекул H2* и H2O*. При превышении плотности энергии
лазерного излучения значений H ≥ Hcr(2) происходит зажигание поверхности
частиц угля с выходом летучих веществ. Спектры включают свечение
вылетающих углеродных частиц, пламени CO, возбужденных молекул H2* и
H2O* [144, 145].
2. Временная спектроскопия процессов лазерного зажигания частиц углей
марок Б, ДГ, Г, Ж, К позволила обнаружить три стадии зажигания с
характерными временами и характерными порогами Hcr для каждой марки
угля [146–148].
3. Длительность горения частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К на первой стадии
зажигания совпадает с длительностью лазерного импульса и составляет
120 мкс. Длительность горения на второй стадии зажигания лежит во
временном интервале ~ 10 мс, длительность горения на третьей стадии
зажигания лежит во временном интервале 40–150 мс для частиц углей
различных марок [146–148].
4. Для частиц углей марок Б, ДГ, Г, Ж, К наблюдаются близкие значения
первого порога зажигания Hcr(1ист). Второй порог зажигания Hcr(2ист) частиц
углей слабо зависит от содержания летучих веществ. Третий порог зажигания
Hcr(3ист) частиц углей возрастает с уменьшением содержания летучих веществ.
5. При лазерном зажигании таблетированных образцов углей марок Б и ДГ в
среде воздуха обнаружены следующие продукты горения: CO2, H2, H2O [192,
193].
6. При лазерном пиролизе таблетированных образцов угля марки Б в среде
аргона обнаружены следующие продукты пиролиза: H2, CH4, H2O, CO и CO2
[194].
7. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fи = 6 Гц) на
недеминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время 104 с
выход горючих компонентов достигает nfl ~ 1,3·103 см3/г, при этом объемная
доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов пиролиза
составляет 93 %. В этих условиях облучения температура поверхности
образца может достигать T > 2000 K [194].
8. При воздействии лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fи = 6 Гц) на
частично деминерализованный образец угля марки Б в среде аргона за время
104 с выход горючих компонентов достигает nfl ~ 0,33·103 см3/г, при этом
объемная доля горючих компонентов в смеси газообразных продуктов
пиролиза составляет 69 % [195, 196].
9. Минеральная составляющая угля марки Б влияет на структуру поверхности
таблетированного образца, формирующуюся в результате воздействия
лазерного излучения (H = 1,95 Дж/см2, Fи = 6 Гц) в среде аргона в течение
104 с. При воздействии лазерных импульсов на недеминерализованный
образец образуется столбчатая структура, при воздействии на частично
деминерализованный образец – губчатая структура [197, 198].

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность
научному руководителю академику РАН, д.х.н., профессору Исмагилову З.Р.,
д.ф.-м.н., профессору Адуеву Б.П. и к.ф.-м.н. Нурмухаметову Д.Р. за всестороннюю
помощь в работе, постоянное внимание и поддержку на протяжении всех этапов
исследования, а также к.ф.-м.н. Белокурову Г.М. за непосредственное участие в
разработке методик экспериментов, д.ф.-м.н. Звекову А.А. за помощь в работе и
обсуждение полученных результатов, к.х.н. Михайловой Е.С. за помощь в работе и
проведение частичной деминерализации угля, к.х.н. Нелюбиной Н.В., к.ф.-м.н.
Никитину А.П. за помощь в работе, к.т.н. Заостровскому А.Н. за проведение
технического и элементного анализа углей, к.ф.-м.н. Созинову С.А. за проведение
исследования морфологии поверхности угля методом сканирующей электронной
микроскопии, к.х.н. Колмыкову Р.П. за проведение исследования элементного
состава золы углей.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Анна К. ТГПУ им.ЛН.Толстого 2010, ФИСиГН, выпускник
    4.6 (30 отзывов)
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помог... Читать все
    Я научный сотрудник федерального музея. Подрабатываю написанием студенческих работ уже 7 лет. 3 года назад начала писать диссертации. Работала на фирмы, а так же помогала студентам, вышедшим на меня по рекомендации.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 Выполненных работ
    Татьяна Б.
    4.6 (92 отзыва)
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!
    #Кандидатские #Магистерские
    138 Выполненных работ
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Развитие физико-химических подходов для рационального дизайна новых производных нуклеиновых кислот
    📅 2022год
    🏢 ФГБУН Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук
    Макрокинетика электротеплового взрыва в системах Ti-C и Ta-C в условиях квазиизостатического сжатия
    📅 2022год
    🏢 ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук
    Компрессионная и температурная динамика кристаллической структуры комплексов Cu(II) с нитроксильными радикалами
    📅 2022год
    🏢 ФГБУН Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук