Зажигание и пиролиз микрочастиц углей при воздействии импульсного лазерного излучения

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

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.