5. Процессы фильтрационного горения. Фильтрационное горение газов. Фильтрационное горение конденсированных систем. Сверхадиабатические режимы горения.

1. Фильтрационное горение конденсированных систем – ФГКС

2. Фильтрационное горение газов – ФГГ

3. Каталитическое фильтрационное горение – КФГ

Примеры: ФГКС – агломерация руд, внутрипластовое горение нефти, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС); ФГГ – инфракрасные горелки, огнепреградители.

С вободная конвективная тепловая волна

СТРУКТУРЫ ВОЛН ФГКС

Встречные волны

Спутные волны

Концентрационно-тепловые структуры спутных волн ФГКС.

а) - «нормальная» волна, кинетический режим (КР);

б) - «нормальная» волна, фильтрационный режим (ФР);

в) - «инверсная» волна, режим полного выгорания конденсированного горючего (РПВ);

г) - «инверсная» волна, режим неполного выгорания конденсированного горючего (РНВ) (режим закалки).

Сверхадиабатические волны ФГ

Фильтрационное горение газов (ФГГ)

Режим низких скоростей – РНС – сильная тепловая связь с каркасом:

скорости волны ~ см/мин,

ширина зоны горения в газе ~ 1 мм, но пористый каркас «размывает» зону горения до сантиметра и более.

Режим высоких скоростей – РВС – слабая тепловая связь с каркасом:

скорости волны ~ 0.3-10 м/с, ширина зоны горения ~ 1 см.

Зависимости скорости фронта горения (u) при ФГГ от скорости фильтрации газа

Газовая смесь: 1,2,3 – 65% H2 + воздух;

4- 65% H2 + воздух;

тв. фаза: 1 – SiC (0.25-0.41 мм); 2 – SiC (0.41-0.63);

3 – SiC (1-1.25 мм); 4 – сталь, 3 мм.

Области существования РНС и РВС (Бабкин В.С. И др). Расчёт для той же модельной системы, что и на предыдущем рисунке.

7. Экологические аспекты процессов горения. Механизмы образования токсичных и экологически вредных продуктов горения.

Основные загрязняющие атмосферу полютанты:

окислы азота NOx, окислы серы SOx, сажа, CO и СO2

NOx – источник фотохимического смога и обеднения озонового слоя;

СО – токсичен, СО2 – вызывает парниковый эффект;

SOx – источник кислотных дождей;

Сажа – основной источник мелких атмосферных аэрозолей;

Несгоревшие углеводороды, формальдегиды также наносят вред людям и окружающей среде.

Механизмы образования окислов азота

Термический путь образования NO (механизм Зельдовича)

Реакция (1) - самая медленная. Она имеет большую энергию активации и ускоряется только при высокой температуре (> 1800 K).

Быстрое образование NO (механизм Фенимора)

NO обнаруживается в холодной области пламени перед фронтом горения; кроме того было обнаружено, что количество NO, образующегося во фронте пламени, увеличивается если исходная смесь переобогащена топливом.

Быстрое образование NO происходит и при относительно низких температурах (около 1000 К).

Образование NO из закиси азота

Путь образования NО через образование N₂О является основным источником NО при горении бедных предварительно перемешанных смесей в газотурбинных двигателях.

Превращение топливного азота в NO

Уменьшение выхода NO за счет модификации процесса горения

Ступенчатое сжигание

: сжигание переобогащённой смеси, Ф =1,4;

(минимум NOx+HCN+NH3, см. пред. слайд)

2: сжигание стехиометрической или обеднённой смеси (добавка воздуха)

3: повторное обогащение смеси (снова добавка топлива, NO + CHi → продукты)

Введение инертного компонента в пламя (азот, вода):

1: рециркуляция выхлопных газов (ДВС)

2: рециркуляция топочных газов (ЭУ)

Газотурбинные установки:

1: добавка H2O даёт снижение NOx до тех пор, пока не начинает сильно возрастать СО;

2: сжигание бедных смесей, Ф <1

Каталитическое горение

Уменьшение выхода NO за счет процессов дожигания

В автомобилях λ-датчик определяет содержание О2 в выхлопных газа и

электронная схема поддерживает её на необходимом (малом) уровне для окисления СО и восстановления NO до N₂.

Для стационарных тепловых электростанций (включая топочные устройства, газотурбинные двигатели и некоторые дизельные двигатели)

катализаторы часто используются вместе с добавками аммиака,

который на катализаторе реагирует с NО с образованием N2 и воды.

Механизмы образования углеводородов и сажи

Средством от появления сажи и дыма являются три «т» («t's») процесса горения: время, температура и турбулентность [Babcock, Wilcox, 1972].

Однако эти условия часто находятся в противоречии с желанием уменьшить образование NOx

Несгоревшие углеводороды

Другие технологии повышения экологического качества процессов горения

1. Газификация угля

2. Горение в кипящем слое

3. Горение в стационарном пористом слое фильтрационное горение