Экспериментальные исследования тепловых эффектов и процесса формирования сажевых частиц при ударно-волновом пиролизе углеводородов

• Автор: Михеева (Попова), Екатерина Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Оглавление

1. ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Актуальность темы исследования

1.2. Обзор литературных данных

1.2.1. Модели образования сажевых частиц, формирующихся в процессах горения и пиролиза

углеводородов

1.2.2. Формирование сажевых частиц при пиролизе ацетилена и смесей ацетилена с водородом
1.2.3. Формирование сажевых частиц при пиролизе бензола и смесей бензола с этанолом

1.2.4. Тепловые эффекты при пиролизе углеводородов и конденсации углерода

1.2.5. Влияние температуры на процесс формирования и оптические свойства сажевых частиц
1.2.6. Испарение углеродных частиц под действием лазерного излучения
1.3. Постановка задачи
2. ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
2.1. Ударная труба
2.1.1. Расчет параметров за ударной волной
2.1.2. Приготовление рабочих смесей
2.2. Метод эмиссионно-абсорбционной спектроскопии
2.2.1. Теоретические основы метода
2.2.2. Описание методики измерения
2.2.3. Тестовые эксперименты в смеси 10% С02 +Аг
2.3. Метод лазерной экстинкции
2.3.1. Теоретические основы метода
2.3.2. Описание методики измерения
2.4. Метод лазерно-индуцированной инкапдесценции
2.4.1. Описание методики измерений
2.4.2. Модель ЛИИ
2.5. Метод просвечивающей электронной микроскопии
2.6. Постановка эксперимента по исследованию испарения углеродных частиц
2.7. Выводы
3. ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
САЖЕВЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ПИРОЛИЗЕ С6Н

3.1. Измеренные временные профили температуры, оптической плотности среды и размеров частиц
3.2. Изменение температуры при пиролизе С6Н
3.3. Температурные зависимости оптической плотности среды и размеров частиц
3.4. Расчет теплопоглощенпя при распаде С6Н
3.5. Определение величины теплоты конденсации углеродных частиц
3.6. Влияние добавки С2Н5ОН на тепловые эффекты и процесс формирования сажевых частиц при
пиролизе С6Н
3.7. Выводы
4. ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ САЖЕВЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ПИРОЛИЗЕ С2Н
4.1. Имеренные временные профили температуры, оптической плотности среды и размеров частиц
4.2. Температурные зависимости оптической плотности среды н размеров частиц
4.3. Время индукции появления конденсированной фазы углерода
4.4. Влияние добавки Н2 на процесс формирования сажевых частиц при пиролизе С2Н
4.5. Выводы
5. ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА
5.1. Влияние плотности энергии лазера на процесс испарения углеродных частиц
5.2. Влияние размера частиц и условий их формирования па процесс испарения
5.3. Выводы
6. ГЛАВА 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Литература
Перечень сокращений

1. Глава 1. Введение
1.1. Актуальность темы исследования
Одной из важнейших проблем науки о горении является неполное сгорание топлива, которое может возникать при локальном тушении вследствие деформации и растяжения фронта пламени, а также из-за наличия холодных стенок и зазоров; при плохом смешении топлива и окислителя; при недостаточном времени нахождения топлива в реакторе. В результате отклонения от стехиометрии в сторону увеличения концентрации горючего кроме нежелательных выбросов оксидов азота происходят вредные выбросы углерода в виде аморфных частиц сажи.
Аморфными углеродными частицами, или по-другому, частицами сажи называют углеродный продукт неполного сгорания или термического разложения (пиролиза) углеводородов, состоящий из сферических частиц чёрного цвета. Средний размер первичных (не агрегированных) сажевых частиц составляет в зависимости от условий их образования 10-50 нанометров (нм) [I].
Техногенные выбросы сажевых частиц оказывают негативное влияние на изменение климата и здоровье человека. По оценкам, представленным в недавнем обзоре [2], масса выбросов углеродных частиц выросла с 1400 млн. тонн/год в 1750 году до 14000 млн. тонн/год в 2005. Порядка 90% выбросов углерода являются выбросами техногенного характера. Согласно недавним оценкам, представленным в работе [2], выброс конденсированных углеродных частиц стоит на втором месте после выбросов СОг по влиянию на изменение климата. В 2005 году плотность теплового потока, приводящего к дополнительному разогреву атмосферы из-за выбросов ССЬ составляла 1,56 Вт/м2, из-за выбросов сажевых частиц - 1,1 Вт/м2 (погрешность оценки составляла 90%), па третьем месте находится влияние выбросов метана - 0,86 Вт/м2. Выбросы углеродных частиц влияют на изменение климата вследствие существенного преобладания поглощения над отражением солнечного излучения (осаждение на снежных покровах и ледниках), участия в образовании облаков. Наличие сажевых частиц в атмосфере ухудшает видимость, а также изменяет химический состав атмосферы в результате протекания гетерогенных химических реакций на частицах сажи. В верхних слоях тропосферы частицы сажи являются центрами конденсации для образования частиц льда, что приводит к формированию перистых облаков. Поглощение тепла частицами приводит к изменению распределения температуры атмосферы и соответственно расположению облаков. Повышение температуры планеты вследствие влияния сажевых частиц по оценкам [2] составляет от 0,1 до 2 К. Мелкодисперсные частицы углерода вызывают заболевания легких у человека, а также респираторные и сердечные заболевания [3]. Наибольший вред приносят частицы, размер

А(Х,т)
= Р{,ТУ
(2.17)
где Ах(А,Т) иАл(А,Т) - излучательная и поглощательная способности нечерного тела, зависящие от длины волны и температуры, соответственно, Р(А,Т) - излучательная способность абсолютно черного тела.
Закон излучения Планка для абсолютно черного тела:
Р(ХТ) =
2тг he

(2.18)
где /г - постоянная Планка, с - скорость света, А —длина волны, кв— постоянная Больцмана, Т— температура тела.
Тогда, интенсивность падающего света от лампы:
10=Р(Х,Т0). (2.19)
где То -яркостная температура источника сравнения, соответствующая длине волны Л.
Интенсивность излучения от газовой среды, содержащей конденсированную фазу:
1С = А1Р(Х,Т) = !-^Р(Х,Т) = (1 -ехр(-а(Х,Т)1)Р(Х,Т)'

Суммарная интенсивность вследствие излучения и поглощения:
4 = 4 + I0exp(-a(X,T)l)-
Аналитическое выражение, полученное из решения системы (2.18-2.21): Не . . /.(/)-/,

XkTaJ

(2.20)
(2.21)
(2.22)
Из соотношения (2.22) следует, что для вычисления истинной температуры не нужно дополнительных сведений о излучательной способности среды, которая априори неизвестна ввиду неоднозначности свойств углеродных частиц. Данный факт является основным преимуществом выбранного метода измерения температуры.
2.2.2. Описание методики измерения
Для регистрации сигналов излучения и поглощения была выбрана длина волны 589 нм, соответствующая О-линии натрия для возможности измерения температуры газовой среды до появления конденсированной фазы. Углеродные частицы поглощают свет в широком диапазоне частот, тогда как газовые компоненты, присутствующие в реакторе (аргон и различные углеводородные радикалы), прозрачны для видимой области. Время достижения термического равновесия между углеродными частицами и молекулами окружающего буферного газа не превышает порядка сотен наносекунд. В некоторых условиях процесс конденсации протекает