Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 495, № 1, стр. 71-76

Ранее в [1, 2] был предложен новый (детонационный) способ получения сильно перегретого водяного пара (СПП) при атмосферном давлении. Такой пар образуется в импульсно-детонационном пароперегревателе (ИДП) за счет циклической детонации тройной газовой смеси горючее–окислитель–водяной пар, причем СПП дополнительно получается как продукт детонации горючего. В качестве горючего может использоваться водород, энергетический газ (СО + Н₂), природный газ, пропан и др., а в качестве окислителя – кислород, воздух или обогащенный кислородом воздух. В [3, 4] было показано, что циклическая детонация тройных смесей пропан–кислород–водяной пар позволяет получать СПП с температурой выше 2250 К при атмосферном давлении, причем продукты детонации стехиометрической тройной смеси могут состоять в основном из СПП (80%) и СО₂ (20%). При обработке промышленных, коммунальных и токсичных отходов таким газом можно добиться полной конверсии органической составляющей отходов в газовую смесь СО и Н₂ [5], которую в дальнейшем можно использовать как в качестве энергетического газа для ИДП и производства тепла/электричества, так и в качестве сырья для производства синтетических моторных топлив (например, из отходов угольной промышленности). В связи с высокой привлекательностью рассматриваемой идеи, встает вопрос о ее практической реализации.

В данной статье приведены результаты трехмерных газодинамических расчетов двухфазного течения в модельном проточном реакторе, предназначенном для газификации/обезвреживания отходов (например, угольных отходов, лигнина, древесных опилок, летучей золы и др.) с помощью СПП, получаемого детонационным способом. Цель расчетов – получить представление о структуре течения в реакторе и оценить основные характеристики рабочего процесса. Для определенности приняты следующие упрощающие допущения: (1) реактор имеет сферическую форму; (2) стенки реактора охлаждаемые и имеют постоянную температуру T_w; (3) продукты детонации состоят только из СПП; (4) отходы представляют собой сферические частицы одинакового диаметра d_p; (5) прогрев частиц и убыль их массы не учитываются.

На рис. 1 показаны схема, расчетная сетка и граничные условия для сферического реактора объемом V_R. С диаметрально противоположных сторон к реактору присоединены два ИДП в виде соосных детонационных труб диаметром d_in и длиной L. Вблизи выходных сечений детонационных труб расположены дозаторы частиц; каждый обеспечивает массовый расход частиц m_p,in. В верхней части реактора предусмотрен выхлопной патрубок диаметром d_out для отвода газов и частиц. Выхлопной патрубок расположен в диаметральной плоскости, перпендикулярной оси детонационных труб.

Рис. 1.

Схема, расчетная сетка и граничные условия для модельного проточного сферического реактора.

Расчет двухфазного течения в реакторе проводится с помощью проверенной вычислительной программы [6, 7]. Турбулентное течение газа рассчитывается на неподвижной структурированной сетке, а движение частиц – методом Лагранжа. Численный сеточный метод основан на конечно-объемной дискретизации уравнений течения c первым порядком аппроксимации по времени и вторым порядком по пространству с использованием пристеночных функций на твердых стенках. Уравнения движения частиц решаются по явной схеме. Расчетная сетка содержит 1 × 10⁵ ячеек. При уменьшении среднего размера ячеек структура течения практически не изменяется.

Рассмотрена следующая схема работы реактора. Сначала детонационные трубы заполняются стехиометрической тройной газовой смесью горючее–окислитель–водяной пар с температурой T_m до входных сечений в реактор. Затем по трубам с постоянной сверхзвуковой скоростью D пробегают детонационные волны, которые проникают в реактор в виде сильных встречных ударных волн с сопутствующими сверхзвуковыми струями горячих продуктов детонации. Вместе со струями в реактор выбрасываются порции частиц отходов, подаваемые дозаторами частиц. После снижения давления в детонационных трубах до начального уровня они вновь заполняются тройной смесью и процесс повторяется. Частота детонационных выстрелов f. Частицы отходов, поступив в реактор, вовлекаются в вихревое движение, формируемое встречными сверхзвуковыми струями СПП. Циркулируя в реакторе, частицы отходов периодически попадают в высокотемпературные зоны в центральной области реактора, где, вообще говоря, происходит их термическая деструкция и газификация. Периодические сильные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй СПП, предотвращают агломерацию частиц, циркулирующих в реакторе, а также их седиментацию и стратификацию в поле силы тяжести. По истечении начального переходного периода в реакторе устанавливается квазистационарный рабочий процесс, при котором все средние параметры (давление, температура СПП и др.) остаются постоянными: с одной стороны, с каждым детонационным выстрелом в реактор поступают новые порции СПП и частиц, а с другой стороны, из реактора через выхлопной патрубок непрерывно вытекает газ и выносятся частицы. Задача состоит в подборе таких значений определяющих параметров V_R, d_in, d_out, L, m_p, d_p, f и T_w, которые обеспечат продолжительное пребывание частиц в вихревых зонах c температурой выше 2000 К.

Ниже приведен конкретный пример расчета, демонстрирующий структуру течения в реакторе и все основные характеристики рабочего процесса после выхода на квазистационарный режим работы. В примере заданы следующие определяющие параметры: V_R = 0.11 м³, d_in = 0.05 м, d_out = = 0.012 м, L = 2 м, m_p = 0.005 кг с^–1, d_p = 100 мкм, f = 5 Гц, T_w = 650 К, T_m = 395 K. На входе в реактор задаются переменные во времени t: массовый расход m_g,in(t) и температура T_g,in(t) газообразных продуктов детонации стехиометрической тройной смеси 60% H₂ + 30% O₂ + 10% H₂O, а также массовый расход частиц m_p,in(t). На вставке рис. 1 показаны зависимости m_g,in(t) и T_g,in(t), полученные в предварительном трехмерном расчете для детонационной трубы длиной L = 2 м, присоединенной к реактору. Расчетная скорость детонации такой смеси D ≈ 2800 м с^–1.

На рис. 2 показана структура течения в виде трех мгновенных полей температуры и вектора скорости в диаметральной плоскости реактора, проходящей через ось детонационных труб, в моменты времени t₁, t₂ и t₃. Период времени, охватываемый полями, составляет около 100 мс, что соответствует половине интервала времени между детонационными выстрелами. Похожая структура течения на рис. 2 повторяется 5 раз в секунду ( f  = 5 Гц). В объеме реактора, где температура превышает 2000 К, отчетливо видны вихревые структуры.

Рис. 2.

Расчетная структура течения СПП в реакторе в три момента времени одного детонационного выстрела.

На рис. 3 представлены расчетные зависимости мгновенных значений максимальной (кривая 1), среднемассовой (кривая 2) и минимальной (кривая 3) температуры СПП в реакторе, а также мгновенных (точки 4) значений температуры СПП, омывающего каждую частицу (приблизительно 20 000 значений), от времени. Регулярные пики температуры СПП соответствуют состояниям в детонационных волнах. Регулярные участки спада температуры связаны с расширением продуктов детонации и их охлаждением вследствие взаимодействия со стенками реактора. Минимальные значения температуры СПП реализуются в окрестности стенок реактора. Вертикальные пунктирные прямые соответствуют моментам времени t₁, t₂ и t₃ на рис. 2. Расположение точек, соответствующих мгновенной температуре СПП, омывающего частицы, показывает, что частицы в основном передвигаются вдали от стенок реактора: температура СПП, омывающего частицы, всегда выше мгновенной минимальной температуры газа. Действительно, гистограммы на рис. 3 показывают, что при выходе детонационной волны в реактор большинство частиц (97%) омывается СПП с температурой 1700–2100 К. Через 0.6 мс после детонационного выстрела около 93% частиц омывается СПП с температурой 1900–3500 К, а через ~100 мс после выстрела практически все частицы омываются СПП с температурой 1900–2300 К. Непосредственно перед следующим детонационным выстрелом лишь 3% частиц омываются СПП с температурой 1400–1500 К.

Рис. 3.

Мгновенные функции распределения температуры СПП, омывающего частицы (сверху) и расчетные зависимости мгновенных температур СПП от времени (снизу): максимальная температура (кривая 1); среднемассовая температура (кривая 2); минимальная температура (кривая 3); температура СПП, омывающего частицы (точки 4).

На рис. 4 показано расчетное распределение времени пребывания частиц в реакторе. В рассматриваемом примере частицы пребывают в реакторе до 10–15 с со средним медианным временем пребывания, близким к 2 с. Оценки показывают, что в этих условиях более 80% частиц омываются СПП с температурой выше 2000 К как минимум в течение 1 с. В этих условиях гарантированно произойдет полная газификация частиц. Например, время испарения капель метилового эфира (С₁₈Н₃₄О₂), произведенного из рапсового или подсолнечного масла переэтерификацией масла и метанола с катализаторами (гидроксид натрия или калия), диаметром d_p = 0.1 и 1 мм даже при температуре 1000 К составит менее 10 мс и 1 с соответственно [8]. Используя данные [9], легко показать, что при температурах выше 2000 К скорость газофазного окисления органических веществ и сажи водяным паром и диоксидом углерода чрезвычайно высока, так что скорость суммарной реакции газификации лимитируется скоростью термической деструкции или испарения частиц.

Рис. 4.

Расчетная функция распределения времени пребывания частиц в реакторе.

Таким образом, нами впервые показано, что сильно перегретый водяной пар с температурой выше 2000 К может быть получен детонационным способом, что позволит использовать его для газификации/обезвреживания промышленных, коммунальных и токсичных отходов (угольных отходов, лигнина, древесных опилок, летучей золы и др.) в сферическом проточном реакторе с импульсно-детонационными пароперегревателями. С помощью трехмерных газодинамических расчетов двухфазного течения в реакторе изучена структура течения с высокотемпературными вихревыми зонами и установлены основные характеристики рабочего процесса. Дальнейшая работа будет направлена на экспериментальную реализацию заявленной технологии.