Тепломассоперенос при зажигании и горении массива торфа

Торф является* достаточно перспективным энергоносителем для традиционной энергетики [1, 2]. Значение таких малоиспользуемых (пока), но очень перспективных энергоносителей, как торф, в ближайшие годы будет непрерывно * расти в связи8 с надвигающимся на мировое сообщество дефицитом* традиционных энергоресурсов, который обусловлен истощением запасов нефти и газа. По разным подсчетам нефти^ например, хватит на период от 15 до 40 лет (в зависимости от интенсивности сжигания первичных нефтепродуктов — бензина, керосина, мазута). Запасы же торфа очень велики [1]. Кроме того, в приповерхностных слоях земли идут процессы, I ведущие к расширению его запасов.

Маломасштабное использование торфа энергетической отраслью в настоящее время обусловлено, с одной стороны, наличием больших (пока) запасов традиционных топлив (нефти, газа, угля) и отсутствием, с другой стороны, эффективных научно-обоснованных технологий его сжигания. При этом торф является также и ценным сельскохозяйственным, сырьем, возможности его использования в данной области также велики.

Реальное использование торфа в энергетике и в сельскомхозяйстве сдерживается также и* потому, что торф является пожароопасным веществом [3], хранение, транспортировка и переработка которого связаны с опасностью его возгорания [4]. В то же время пока не разработано как общей теории зажигания и горения торфа, так и процессов тепломассопереноса, протекающих в торфе при зажигании и горении. Отсутствуют и экспериментальные данные об основных закономерностях этих процессов. Развитие теории' сдерживается отсутствием сведений о теплофизических и термохимических характеристиках торфа, а также промежуточного продукта его пиролиза — кокса и коксового продукта сгорания — золы. Известны публикации [5.9], в которых приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований! процессов тепломассопереноса при зажигании и горении торфа. В этих статьях, в частности, представлены результаты математическогомоделирования процессов заглубления и распространения торфяного пожара применяющихся внешних условиях и разной-влажности-торфа. Кроме тогопоказаны условия^ при" которых очаг возгорания локализуется и не имеет дальнейшего распространения.

В* этих работах используется достаточно точная теоретическая основа, но не опирающаяся • на непосредственно полученные в экспериментах сведения о механизмах процессов, протекающих в’торфе при его нагреве до высоких температур. Кроме того, экспериментальные данные о свойствах торфа [10. 12] также пока^ недостаточны для-адекватного описания при математическом-'моделировании условий его зажигания и горения. Известны работы по экспериментальному сжиганию торфа [13]- проведенному в реальных полевых условиях, в которых изучалось распространение пожара в слое торфа: Но* полученной информациинедостаточно не только для разработки общей теории тепломассопереноса при зажигании и горении торфа, но1 даже и для’разработки эффективных средств' борьбы с торфяными пожарами, возникновение которых часто приводит к очень тяжелым последствиям [14, 15].

По, этим причинам экспериментальное исследование основных закономерностей процессов тепломассопереноса, протекающих при высокотемпературном нагреве, зажигании и горении торфа, является актуальной, имеющей большое практическое значение, нерешенной до настоящего времени задачей теоретической теплотехники и теории тепломассопереноса в пористых реагирующих средах.

Так, большое практическое значение для теории тепломассопереноса в торфе имеют экспериментальные данные о:

— температурных полях в этом веществе при его высокотемпературном нагреве, зажигании и горении;

— теплофизических характеристиках торфа в исходном состоянии, а также кокса и торфяной золы;

— временных периодах. задержки зажигания торфа/ взависимости: от температуры источника и его геометрических характеристик-.

— физических/ особенностях тепломассопереноса в торфе: при его высокотемпературном’зажиганити горении-,.

— условиях (тепловых режимах) прекращения горения торфа;

— физической модели зажигания: торфа локальным-источником энергии. Целью работы является экспериментальное определение основных закономерностей тепломассопереноса. прт зажигании и. горении) торфа, обусловленное тем, что существующие математические модели рассматриваемого явления имеютряд допущений, применение которых должно подтверждаться экспериментально. ,.

Для достижениянамеченной целибыли поставлены следующие задачи:

— физическое моделирование процесса возгорания и горения торфа, в том числе проведение соответствующих: экспериментов-: в широких пределах изменения определяющих параметров и выделение основных закономерностей процессов тепломассопереноса при зажигании и горении торфа;

— получение новых данных по свойствам: торфа и продуктов его термического разложения для использования при реализации имеющейся математической модели;

— проведение численных экспериментов и сравнение: их с результатами физического моделирования;

— обоснование: рекомендаций по технологии, хранениядобычи и переработки торфа? с минимизацией возгораний и аварийных ситуаций, связанных с ними.

Актуальность решаемых в данной работе задач определяется тем, что недостаточность опубликованных экспериментальных данных по процессам 6 тепломассопереноса в слое торфа при его зажигании и горении является одним из существенных факторов, сдерживающих как расширение масштабов использования" торфа в качестве энергоносителя, так и значительный прогресс в*области разработки"и эффективной реализации мер I предотвращения пожаров в* естественных условиях залегания и при хранении торфа. • Ежегодно ухудшающуюся" обстановку с пожарами (в! том числе 1 торфяными) в Российской Федерации ^ в мире трудно переоценить, в связи с чем исследования в данном направлении являются особенно значимыми.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности Национального исследовательского Томского с политехнического университета («Научные основы, моделирование и оптимизация5 технологий' переработки горючих ископаемых»), а также.

Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы" (научно-исследовательские работы по> лоту 2010;1.1−229−093 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области производства топлива^и энергии из органического сырья») и соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техникиРФ («Топливо и энергетика», «Экология4 и рациональное природопользование»!, «Энергетика и энергосбережение»), а также находится в сфере критических технологий Федерального уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспектив развития («Системы, математического моделирования»).

Научная новизна заключается в-следующем: — впервые экспериментально установлены пределы теплофизических условий зажигания торфа и его горения в широком! диапазоне изменениявлажности и в разных условиях теплообмена' источника зажигания с окружающей средой и торфом;

— сформулированы новые положения общей физической модели тепломассопереноса при зажигании и горении торфа;

— впервые определены теплофизические характеристики вещества^ кокса и зольного остатка торфа (истинные значения);

— на основе новых экспериментальных данных протестирована известная математическая модель и получена удовлетворительная сходимость численных расчетов с экспериментальными данными. Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается применением апробированных методик экспериментальных исследований, проведением поверки установок на эталонных образцах, оценками" систематических и случайных ошибок, системой повторяемости опытов при фиксированных значениях основных факторов, а также удовлетворительной сходимостью результатов экспериментов с результатами других авторов:

Практическая значимость работы:

— полученные данные по теплофизическим свойствам промежуточных продуктов горения торфа применимы в математических моделях возгорания1 и горения торфав том числе при оценке и прогнозах пожарной обстановки, что повышает их достоверность;

— на основе экспериментально установленных параметров предельных теплофизических условий зажигания торфа от внешнего теплового источника обоснованы рекомендации по минимизации возгораний торфа при его добыче, хранении и переработке, применимые в различных технологиях;

— отдельные положения работы используются Сибирским научно-исследовательским институтом сельского хозяйства и торфа СО Россельхозакадемии;

— основные результаты используются в учебном процессе в дисциплинах по специальности 140 502 «Котлои реакторостроение» «Основы физико-химических процессов производства тепловой энергии», «Технология сжигания органических топлив», «Моделирование физических процессов и объектов проектирования», при выполнении выпускных квалификационных работ и в магистерской программе «Технология воды и топлива в энергетике» по направлению 140 100 «Теплоэнергетика».

Личный вклад автора состоит в разработке и планировании экспериментальных исследований, разработке и изготовлении экспериментальной установки для исследования условий зажигания и распространения очага горения в слое торфа, проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации. В научном руководстве работой в части планирования экспериментальных исследований, методологии математического моделирования процессов возникновения и распространения торфяного пожара принимал участие к. ф.-м. н. А. Н. Субботин.

На защиту выносятся:

— методика экспериментальных и численных исследований температурных полей и процессов теплообмена в системе «нагретый источник — торф»;

— результаты экспериментальных и численных исследований по определению характеристик, состава и теплофизических свойств, параметров тепломассообмена, зажигания и горения торфа;

— физическая модель тепломассообмена при зажигании и горении торфа от внешнего теплового источника.

Апробация работы. Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробировались на международных и региональных конференциях, в том числе на XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2009) (2009 г., Томск), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (2009 г., Красноярск), Региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (2009 г., г. Томск), Международной научно-практической конференции."Проблемы изучения и использования торфяных ресурсов Сибири" (2009 г., Томск), VII Всероссийской конференции с международным участием: «Горение твердого' топлива» (2009 г., Новосибирск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в центральной печати в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит' из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований, содержит 40-рисунков, 31 таблицу и 134 страницы текста.

Во введении обоснована актуальность темы, показаны ее научное и практическое значение, сформулирована цель, изложены положения, вносимые на защиту.

В первой главе дается, краткий анализ состояния изучаемой проблемы, включая основные направления применения торфа. На основе обобщающего анализа публикаций сформулированы задачи исследований, соответствующие поставленной цели работы.

Во второй главе представлены основные методические положения исследований, их назначение, последовательность и схема проведения, в том числе методика экспериментов для определения условий возгорания, торфа, а также для определения теплофизических характеристик рассматриваемых веществ.

В третьей главе дана характеристика объекта исследования в сравнении с известными данными по торфу, результаты всех экспериментальных исследований и их обсуждение.

В четвертой главе приведена физическая и математическая постановка задачи, описана используемая математическая модель возгорания и начального этапа горения торфа. Даны результаты численных расчетов условий возникновения и распространения торфяного пожара в широком диапазоне начальных параметров, основные положения физической модели исследованного явления, а также сопоставление полученных данных с экспериментальными.

В заключении подведены итоги анализа научных результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, обоснованы рекомендации по основным направлениям их использования и сформулированы основные выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе в соответствии с поставленными, целями и задачами^{выполнен} комплекс экспериментальных и численных исследований параметров, характеризующих процесс зажигания и начального периода горения торфяного массива, применительно как к природным залежам торфа, так и к условиям хранения в штабелях. Объект исследованиякак установлено по результатам определения теплотехнических свойств для изучавшихся образцов, в достаточной мере соответствует большинству российских торфяных месторождений, что дает основания для расширения сферы использования полученных в работе результатов.

Экспериментальным путем определены теплофизические характеристики торфа и конденсированных веществ, являющихся продуктами его термических преобразований, в диапазоне температур до 673 К, соответствующем начальным стадиям процесса теплового зажигания. Полученные данные о значениях истинной плотности, коэффициента теплопроводности и теплоемкости торфа, его коксового остатка и золы в зависимости от температуры дополняют известные сведения о теплофизических свойствах этих материалов. Установлено, что средняя истинная теплоемкость золы и кокса в пределах температур 273.673 К и 273.473 К соответственно для практических расчетов может приниматься равной для золы 884,9 Дж/(кг-К), для кокса — 706,7 Дж/(кг-К), а теплоемкость торфа с изменением температуры от 273 до 373 К увеличивается с 1230 Дж/(кг-К) до 1650 Дж/(кг-К). В рассматриваемом диапазоне температур коэффициент теплопроводности исследованных образцов торфа и кокса в среднем равен соответственно 0,493 Вт/(м-К) и 0,398 Вт/(м-К),' для золы данная характеристика является возрастающей с 0,5 до 0,79 Вт/(м-К). Полученные значения характеристик теплофизических свойств использованы в качестве параметров при численных исследованиях по математической модели, описывающей процессы теплои массообмена при зажигании и горении торфа.

На специально созданной^ экспериментальной установке проведены серии-экспериментов по моделированию условий зажигания массива торфа I при контакте его верхней поверхности с внешним тепловым источником, различающиеся влажностью, торфа и условиями теплообмена с окружающей средой. Различия в теплообмене имитировались опытами с источником зажигания в тепловой изоляции, температура внешней, поверхности которой контролировалась с помощью термопар. В качестве основных исследуемых параметров процесса зажигания в экспериментах приняты, температура зажигания и временной период задержки зажигания. Наряду с этим получены данные о распределении температур в зависимости от времени непосредственно под тепловым источником и в пространственно отстоящих от него точках в массиве торфа, а также значения температурытеплового источника, необходимой для зажигания торфа, при всех перечисленных вариациях определяющих параметров:

По результатам экспериментов установлено, что с повышением влажности в диапазоне 10.30% процесс испарения влаги из массива торфа становится продолжительнее, более интенсивно охлаждает начальную зону реакции горениями приводит к уменьшению размеров образующегося очага. Вместе с тем локализация зоны горения является следствием, с одной стороны, общего дефицита кислорода, необходимого для реакции горения, с другой* стороны — увеличения расхода энергии на испарение внешней составляющей влажности. В свою очередь, миграция испаренной влаги в порах массива торфа приводит к распространению прогрева торфа по глубине и простиранию прилежащих слоев.

Опыты с теплоизолированным источником зажигания свидетельствуют о сокращении разброса температур в массиве с увеличением периода задержки зажигания. Первое из этих явлений связано с увеличением температурного перепада между источником зажигания" и массивом торфа и, как следствие, с интенсификацией теплообмена посредством теплопроводности в рассматриваемом массиве. Период задержки зажигания увеличивается при этом из-за быстрого прогрева объема торфа, непосредственно примыкающего к источнику зажигания и, как следствие, из-за интенсивной газификации (пиролиза) этого и прилегающего объема торфа. Образовавшиеся продукты пиролиза, смешиваясь с парами воды, способствуют увеличению выноса тепла из массива торфа в создавшихся конвективных потоках. Последние создают дополнительный изолирующий слой, состоящий из горячих продуктов газификации и паров^ воды, что способствует снижению теплообмена источника зажигания" с окружающей средой и увеличивает время снижения его температуры. Производимый эффект усиления выхода газообразных и парообразных продуктов также препятствует проникновению кислорода в массив торфа, что тоже способствует увеличению периода времени зажигания.

Критической для процесса*зажигания торфа используемым источником зажигания является-влажность 35%, когда энергетического запаса источника I тепла недостаточно для испарения"имеющегося количества влаги. При этом под источником-зажигания быстро образуется озоленный слой, а энергии, передаваемой через этот теплоизолирующий слой, достаточно лишь на поддержание испарения влаги. Водяные пары, в свою очередь, создавая конвективные восходящие потоки, вытесняют необходимый для реакции кислород и препятствуют его проникновению под очаг горения. К моменту, когда установятся необходимые условия воздухообмена зоны горения с окружающей средой, источник зажигания уже не обладает энергией, необходимой для инициализации горения.

Использование экспериментально установленных фактов позволило развить главные положения физической модели зажигания торфяного массива от внешнего теплового источника и вместе с экспериментально определенными теплофизическими характеристиками применить их при: реализациишатематической модели процесса, в своёш основе: разработанной А. Н. Субботиным и совместно сним? дополненной* субпрограммами численных расчетов:. ,, , '" .' ' :": ', ^.

Тестовые расчеты процесса зажигания, и горения торфапоказали хорошую сходимость, результатов с полученнымш. экспериментальнымиданными: и подтвердили решающее значениевлажности торфа при возгорании массива.- Установленочто при увеличении? тепловых: потерь, в окружающую среду очаг, горения-заглубляется,' в. толщу массива торфа, а при минимизации рассматриваемой составляющей тепловых потерь источника способен полностью выйтина поверхность. Наряду с влажностью и. условиями, г теплообмена, действенным.- фактором-: для*', исследованных процессов является плотность торфа.

Совокупность. результатовисследований' позволяет обоснованно-: вырабатывать практические рекомендации по предотвращению и ликвидации возгоранийторфа" при: егоиспользовании втехнологиях, связанных с добычей, хранением и переработкой. Исключая*. из рассмотрения кардинальные меры, препятствующие прпвносу внешних источников зажигания, что в значительной мере связано с «человеческими фактором», наиболее эффективным, исходя из физической модели, являются пути воздействиянаправленные на характеристикивлажностиуплотненности и теплового режима торфяного массива: Некоторые мероприятиянапримерприкатывание штабелей тяжелой* техникой, оснащение ее средствами искроулавливания выхлопных газов и пр., известны" как найденные из практического опыта. В этом случае по итогам проведенных исследований можносистематизировать и. дополнять, ттх на единой" тегогофизической основе, что позволяет исключать противоположно направленные' и получать более качественные результаты.

При разработке технологических регламентов использования торфа главенствующим принципом профилактики возгорания должна быть система контроля и управления влажностью: что предполагает разделение единого массива" на штабели (участки) по влажности и влечет за собой организацию соответствующего входного контроля поставляемого торфасоответствующий график их расходования, который подразумевает организацию подачи осушенного до критической влажности торфа непосредственно к технологическому процессу с доведением его до требуемой влажности в одной из технологических операцийтепловизионное обследование поверхности (периодический обход складированных запасов, торфа с использованием соответствующей техники с целью выявления участков локального повышения температуры) и др.

Меры ликвидации возгорания должны предусматривать наряду с прочими изменение условий тепломассообмена поверхности штабелей с целью предотвращения заглубления имеющихся очагов горения, локализации и вывода их на поверхность (минимизация теплоотвода с использованием негорючих теплоизоляционных покрытий (пожарная пена и т. д.) мест проявления очагов, прогнозирование их распространения методами моделирования, что позволит, используя данные экспресс-анализа отобранных проб, с достаточной степенью точности определять пространственное местоположение очага горения):

Применение совокупности приведенных рекомендаций позволит существенно снизить количество возгораний торфа при хранении, а также затраты при тушении имеющихся возгораний. Некоторые из приведенных мероприятий используются при складировании торфа и угля, что подтверждает их. эффективность и достоверность полученных в работе I результатов.

Итогом выполненных в настоящей работе исследований являются следующие основные результаты и выводы.

1. Экспериментальным путем для массива торфа в зависимости от влажности. и условий теплообмена определены параметры зажигания, инициированного внешним тепловым источникомкоторые позволили реализовать численные исследования процесса зажигания и горения с использованием математической модели.

2. Экспериментально определены коэффициенты теплоемкости и теплопроводности торфа, кокса и золы в-диапазоне температур их пребывания в массиве торфа в процессе образования очагов горения, а также значения истинных плотностей для этих веществ. Установлено, что среднюю истинную теплоемкость золы и кокса в пределах температур 273. .673 К и 273. .473 К соответственно можно считать постоянной и равной для золы 884,9 Дж/(кг-К), длякокса -706,7 Дж/(кг-К), а теплоемкость торфа с изменением температуры 273.373 К увеличивается с 1230 Дж/(кг-К) до 1650 Дж/(кг-К). В рассматриваемом диапазонетемператур теплопроводность торфа и кокса в среднем равна соответственно 0,493 Вт/(м-К) и 0,398 Вт/(м-К), для золы данная характеристика^ является* возрастающей с 0,5 до 0,79 Вт/(м-К). Найденные значения использованы в базе данных для уточнения математической модели.

3. Установлено, что влажность торфа имеет решающее значение для зажигания торфяного массива, существования и развития в нем очагов горения. С повышением влажности размеры очага горения I уменьшаются при сохранении запаса тепловой энергии для последующего распространения. Выявлено наличие критического для процесса зажигания значения влажности торфа, при котором тепловая энергия затрачивается лишь на испарение влаги. В проведенных исследованиях такой величиной является ¥-р=35%.

4. Условия теплообмена системы «источник зажигания — массив торфа» с окружающей средой влияют на распространение очага возгорания.

Увеличение тепловых потерь в окружающую среду приводит к заглублению очага горения в массиве торфа, а при их минимизации очаг горения способен полностью выходить на поверхность.

5. Выявленные обобщенные закономерности сложных теплофизических процессов, базирующиеся на использовании методов численного моделирования в сочетании с экспериментальным сопровождением, являются развитием физической модели тепломассопереноса при зажигании и распространении горения в массиве торфа и позволяют обосновывать технологические регламенты при использовании торфа, направленные на предотвращение и устранение аварийных ситуаций.