Химия твердого топлива, 2021, № 3, стр. 65-70

ВВЕДЕНИЕ

Физические методы зажигания пылевидного угольного топлива пока не получили широкого применения, что связано с решением ряда технических проблем и фундаментальных исследований. Лазерное излучение в перспективе может быть использовано для разработки технологии лазерного инициирования термохимических процессов переработки углей, в том числе зажигания пылеугольного топлива в котельных установках и создания новых эффективных камер сгорания. Детальное изучение механизма зажигания пылевидного топлива представляет также интерес для разработки методов предотвращения взрывов угольной пыли в шахтах или методов стабилизации пламени при сжигании пылеугольного топлива [1–3]. Такие исследования удобно вести с использованием импульсного лазерного излучения в сочетании регистрации свечения пламен с использованием времяразрешающих методик регистрации. Работы по лазерному зажиганию ведутся давно с использованием лазерных импульсов длительностью 10^–4–10^–3 с [4–9].

В работах [10, 11] при воздействии YAG:Nd³⁺-лазера, работающего в режиме свободной генерации (τ_i = 120 мкс), исследовали зажигание углей марок ДГ и 2Б. Установлено три характерных порога воспламенения в различных временных интервалах. Во время импульса происходит нагрев частиц до T ~ 3000 К и зажигание микровыступов при плотностях энергии $H_{{cr}}^{{(1)}}$ ~ 0.5 Дж/см². При $H_{{cr}}^{{(2)}}$ ~ 1 Дж/см² в микросекундном временном интервале происходит выход и зажигание летучих веществ. При $H_{{cr}}^{{(3)}}$ ~ 2.5 Дж/см², через 10 мс происходит воспламенение и горение во временном интервале 50–150 мкс коксового остатка.

Представляет интерес проведение таких экспериментов с использованием лазера с наносекундной длительностью импульса. Такого рода работы по зажиганию угольных частиц практически отсутствуют, что, по-видимому, связано с определенными экспериментальными трудностями. Однако такие эксперименты с использованием времяразрешающих методов регистрации позволят получить информацию о первичных физико-химических процессах в частицах угля.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Использовались образцы каменных углей Кузбасса марок ДГ, Г, Ж и К. Для получения экспериментальных образцов проводился помол углей всех исследуемых марок на щековой мельнице, затем – просеивание через сито с ячейкой 63 мкм. Просеянные порошки собирались в специальной посуде, закрытой для доступа воздуха. Был проведен технический анализ образцов на содержание влаги W ^a, зольности A^d, летучих веществ V ^daf и углерода С^daf согласно ГОСТ-Р53357-2013. Результаты представлены в табл. 1.

В экспериментах использовались прессованные образцы в виде таблеток с плотностью ρ = 1 г/см³, диаметром 5 мм и толщиной 2 мм. Схема эксперимента приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема эксперимента: 1 – нейтральные светофильтры; 2 – светоделительная пластинка; 3 – поворотное зеркало; 4 – линза; 5 – образец; 6 – осциллограф. Л – лазер; ПП – пироэлектрический приемник; ФЭУ – фотоэлектронный умножитель.

Зажигание углей осуществлялось при помощи единичных импульсов излучения первой гармоники (λ = 1064 нм) YAG:Nd³⁺-лазера (Л), работающего в режиме модуляции добротности с длительностью импульса τ_i = 14 нс и энергией в импульсе до 1 Дж.

Регулирование энергии излучения осуществлялось с помощью стеклянных нейтральных светофильтров (1) с известным коэффициентом ослабления. Для контроля энергии часть излучения (8%) отводилось прозрачной стеклянной пластиной (2) на пироэлектрический приемник OphirPhotonicsPE50BF-C (ПП). При помощи фокусирующей линзы (4) с фокусным расстоянием F = 25 см и поворотного зеркала (3) излучение направлялось на образец (5), находящийся на массивном основании. Диаметр лазерного пятна на образце составлял d = 2.5 мм. Свечение образца регистрировалось при помощи фотоэлектронного умножителя Hamamatsu H 10707-09 (ФЭУ) и осциллографа LeCroy WY332A (6).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе проведены исследования порогов воспламенения всех указанных марок углей и кинетических характеристик их свечения в зависимости от плотности энергии лазерного импульса.

Для определения пороговых характеристик последовательно облучались 10 образцов единичным импульсом лазера определенной энергии и регистрировались кинетики свечения с помощью фотоумножителя. Вероятность воспламенения определялась как p = n/10, где n – число зарегистрированных вспышек. Далее плотность энергии увеличивалась, и эксперимент повторялся. Таким образом, измерялась вероятность появления вспышки от плотности энергии лазерного импульса. За порог воспламенения принимали плотность энергии, соответствующую 50%-ной вероятности появления вспышки.

Для примера на рис. 2 представлены осциллограммы свечения угля марки Ж при двух плотностях лазерного воздействия, из которых видна возможность выделения пороговых характеристик. За первый порог $H_{{cr}}^{{(1)}}$ в дальнейшем принимали плотность энергии излучения, при которой вероятность появления осциллограмм равнялась 50% (рис. 2,а). За второй порог $H_{{cr}}^{{(2)}}$ принимали плотность энергии, при которой вероятность появления осциллограмм равнялась 50% (рис. 2,б). При достижении плотности энергии $H_{{cr}}^{{(1)}}$ (рис. 2,а) кинетика свечения состоит из двух компонентов. Интенсивность первого компонента возрастает за время лазерного импульса и далее спадает за время ~20 нс (рис. 2,а). Амплитуда второго компонента свечения возрастает за время ~50–100 нс от начала импульса, далее следует релаксация интенсивности свечения в микросекундном временном интервале. Над образцом наблюдается вспышка пламени высотой ~2–3 мм. При плотностях энергии, соответствующих $H_{{cr}}^{{(2)}}$, помимо описанных компонентов появляется компонент свечения во временном интервале ~ 150–1000 мкс. При этом над образцами наблюдается вспышка пламени высотой до 3–4 см. Аналогичного типа осциллограммы свечения наблюдаются для всех исследованных марок углей. При определении H_cr проводились измерения на 10 образцах, вычислялись среднее значение H_cr и погрешность измерений по методу Стьюдента. Пороги зажигания углей на различных стадиях представлены в табл. 2.

Рис. 2.

Типичные кривые свечения образцов угля марки “Ж” при воздействии лазерных импульсов: 0.2 Дж/см²(а); 2.3 Дж/см² (б). На врезке: 1 – лазерный импульс, 2 – свечение образца.

На рис. 3 представлены пороги $H_{{cr}}^{{(1)}}$ в графическом виде в зависимости от их степени углефикации и содержания летучих веществ в образцах каменных углей. Аналогичные результаты представлены на рис. 4 для порогов $H_{{cr}}^{{(2)}}$ для всех исследованных марок углей. На рис. 5 представлены амплитуды свечения всех марок углей в зависимости от плотности энергии лазерного излучения.

Рис. 3.

Зависимости порога $H_{{cr}}^{{(1)}}$ от степени углефикации (а) и содержания летучих веществ в образцах углей (б).

Рис. 4.

Зависимости порога $H_{{cr}}^{{(2)}}$ от степени углефикации (а) и содержания летучих веществ в образцах углей (б).

Рис. 5.

Зависимости амплитуды свечения образцов от плотности энергии лазерных импульсов: уголь марки ДГ (а); уголь марки Г (б); уголь марки Ж (в); уголь марки К (г).

Отметим еще одну особенность воздействия наносекундных лазерных импульсов на таблетки углей. Если таблетка не закреплена, то после импульса происходит ее смещение из зоны облучения. Визуально на поверхности таблетки наблюдается кратер, свидетельствующий о выбросе части вещества. При воздействии лазерными импульсами на образцы насыпной плотности (ρ = = 0.5 г/см³) наблюдается разлет частиц из зоны облучения, что свидетельствует о возникновении импульса отдачи при воздействии лазерного импульса.

Было проведено измерение акустического импульса, возникающего в угольной таблетке при лазерном воздействии с использованием акустической методики, которую применили при исследовании таблеток взрывчатых образцов [12]. Результат представлен на рис. 6.

Рис. 6.

Типичный оптико-акустический сигнал, возникающий в угольной таблетке при лазерном воздействии. Плотность энергии лазерного излучения 0.5 Дж/см².

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сравнение экспериментальных результатов с литературными данными [10, 11], в которых воздействие на угли проводилось лазерными импульсами длительностью ~10^–4 с, показывает, что кинетика процессов, протекающих в углях при воздействии лазерных импульсов наносекундной длительности при близких значениях плотности энергии, значительно различается. Очевидно, что это различие связано с существенным различием мощности лазерных импульсов. В режиме свободной генерации диапазон использованных плотностей энергий составлял E ≈ (0.4–4) Дж/см², что при длительности импульса τ = 120 мкс соответствует диапазону плотности мощности W = (3–30) ⋅ ⋅ 10³ Вт/см², а в данной работе плотность мощности больше на пять порядков W = (0.15–9) ⋅ 10⁸ Вт/см². В этом диапазоне интенсивностей лазерных импульсов с длительностью 10^–8 с при воздействии на непрозрачные материалы (например, графит, металлы) происходят процессы нагрева и испарения вещества [13, 14].

В паре, образующемся над образцом, процессы лавинной ионизации и оптического пробоя облегчаются [13]. Считается также, что снижается порог пробоя воздуха в слоях, прилегающих к нагретому до высокой температуры веществу [13]. Наличие акустического импульса и кратера на поверхности образца также позволяет сделать вывод, что происходит испарение и выброс вещества во время воздействия лазерного импульса.

Второй компонент – нарастание свечения за время ~ 50–100 нс и с последующей релаксацией в микросекундном временном интервале по кинетике второго порядка, что свидетельствует о рекомбинационном характере свечения.

Порог $H_{{cr}}^{{(1)}}$ в пределах погрешности измерений не зависит от степени углефикации и содержания летучих веществ: $H_{{cr}}^{{(1)}}$ = 0.15–0.17 Дж/см². В работе [3] показано, что на поверхности угольных частиц имеются микровыступы, в окрестности которых напряженность поля при воздействии лазерных импульсов длительностью >10^–4 с происходит нагрев и воспламенение этих выступов. При воздействии лазерных импульсов наносекундной длительности, предположительно, во время импульса начинаются испарение вплоть до взрыва микровыступов и частичная ионизация пара в результате возникновения электронной лавины. Интенсивность этих процессов возрастает с увеличением H_cr > $H_{{cr}}^{{(1)}}$, о чем свидетельствует нелинейное возрастание амплитуды свечения (рис. 5), что характерно для лавинного процесса ионизации испаренного вещества.

При плотностях энергии H_cr > $H_{{cr}}^{{(1)}}$ в результате нагрева угольных частиц до высоких температур, по-видимому, начинаются также выход и воспламенение летучих веществ. В результате образуется парогазопламенный факел высотой 2–3 мм, наблюдаемый визуально.

В случае выхода CO возможно его воспламенение по цепному механизму в присутствии паров воды [15], что также может объяснить наблюдаемую нелинейную зависимость амплитуды свечения. Вывод о происхождении парогазоплазменного факела, сделанный по результатам кинетических измерений, можно будет обосновать после проведения спектрально-кинетических измерений, аналогичных проведенным в работе [10].

Свечение, соответствующее $H_{{cr}}^{{(2)}}$, наблюдается во временном интервале τ ~ 0.2–1 мс (рис. 2,б) после лазерного импульса, т.е. возникает в результате протекания химических реакций в частицах углей. При этом, как указывалось выше, возникает пламя высотой 3–4 см, кроме того, наблюдается напыление сажи на поворотное зеркало (рис. 1, кривая 5). По аналогии с зажиганием углей микросекундными импульсами [10, 11] наблюдаемый эффект можно связать с зажиганием коксового остатка.

Уменьшение порога $H_{{cr}}^{{(2)}}$ с ростом углефикации, по-видимому, связано с увеличением показателя поглощения излучения угольным веществом в ряду метаморфизма углей, что приводит к увеличению скорости химических реакций и снижению $H_{{cr}}^{{(2)}}$.

При воздействии на таблетки углей марок ДГ, Г, Ж и К плотностью 1 г/см³ лазерными импульсами длительностью 14 нс, мощностью (0.15–9) ⋅ ⋅ 10⁸ Вт/см² получены следующие результаты.

1. Выделены стадии, связанные с испарением, ионизацией пара и зажиганием углей. Первая связана с образованием пароплазменного факела, выходом и зажиганием летучих веществ; вторая стадия включает первую и воспламенение коксового остатка в микросекундном временном интервале. Измерены пороги зажигания обеих стадий для всех марок углей.

2. Амплитуда свечения I всех марок углей нелинейно возрастает с увеличением плотности энергии лазерных импульсов при H_cr > $H_{{cr}}^{{(1)}}$, что свидетельствует о лавинном нарастании концентрации центров свечения во время лазерного импульса.

3. При плотностях излучения H_cr > $H_{{cr}}^{{(2)}}$ в миллисекундном временном интервале в результате протекания химических реакций в частицах углей возникает пламя, соответствующее горению коксового остатка. Порог зажигания $H_{{cr}}^{{(2)}}$ уменьшается при возрастании степени углефикации и уменьшении содержания летучих веществ.