О книге С. И. Футько, С. А. Жданка
"Химия фильтрационного горения газов".
Фильтрационное горение газов (ФГГ) является новым быстро
развивающимся разделом науки о горении. Актуальность работ в этой
области обусловлена не только чисто научным интересом к недостаточно
изученному явлению, но и рядом особенностей процесса, которые обеспечивают
существенные преимущества новых технологий с ФГГ по сравнению с традиционными.
В монографии белорусских ученых изложены результаты оригинальных
теоретических и экспериментальных исследований по химии ФГГ, выполненных
авторами на протяжении последних лет.
Несомненным достоинством книги является то, что в ней впервые
систематически изложены результаты по химической структуре волн ФГГ
с использованием детальных кинетических механизмов химических реакций
при горении углеводородов. Проведены расчеты для ряда конкретных систем,
имеющих практическую ценность, выполнены исследования кинетики химических
реакций и определены скелетные схемы каналов окисления газообразного
топлива (метана) в различных зонах волны ФГГ для обедненных и обогащенных
смесей, где применение ФГГ особенно эффективно. Это позволило, в частности,
определить пути как образования оксидов азота - вредных примесей
в продуктах сгорания, так и снижения их концентрации, а также повысить
эффективность термохимической конверсии углеводородных топлив в синтез-газ
при ФГГ. Приведенные научные результаты являются во многом новыми.
Монография состоит из предисловия, четырех частей (12 глав)
и списка литературы из 305 наименований.
В первой части кратко изложена история вопроса и рассмотрены базовые модели
волн ФГГ, которые составляют методологическую основу дальнейшего анализа.
Для математического описания выбрана двухтемпературная модель в приближении
узкой зоны реакции. Полученные решения в дальнейшем применяются для анализа
двух практически важных задач: 1) при определении локализации фронта горения
в радиационном нагревателе дискового типа; 2) для исследования фильтрационного
горения в пористой среде с десорбцией органических веществ (углеводородов)
из засыпки - восстановлением сорбционных свойств цеолитов, очисткой
загрязненных катализаторов и т. п. Экспериментально на лабораторной
установке показана принципиальная возможность восстановления загрязненных
цеолитов в реакторе ФГГ. Проведено моделирование данного процесса
в приближении стационарной волны ФГГ и определены его основные
характеристики, в частности условия реализации режима полного выгорания
загрязняющих примесей. Модель с узкой реакционной зоной обобщена на случай
детальных кинетических схем. Такой подход в отличие от известных аналогичных
моделей с брутто-кинетикой аррениусовского вида позволяет рассчитывать
характеристики волн ФГГ в широком диапазоне составов (от сильно обедненных
топливом смесей до сильно обогащенных). Модель учитывает как прямые реакции
в смеси, так и обратные в продуктах горения и результирующее тепловыделение.
Вторая часть (гл. 4, 5) посвящена динамическим характеристикам
волн ФГГ. В главе 4 рассмотрен важный вопрос о физических механизмах,
ограничивающих максимально достижимые температуры в сверхадиабатических
волнах ФГГ (по результатам некоторых работ температура сверхадиабатического
фильтрационного горения может возрастать неограниченно, что противоречит
экспериментальным данным). Показано, что предложенная модель с узкой
зоной реакции хорошо описывает экспериментальные данные. Выявлен физический
механизм, обусловливающий резкое замедление роста максимальной температуры
с увеличением расхода газа, и дано объяснение наблюдаемому явлению,
состоящее в том, что выравнивание температур газа и твердого каркаса,
т. е. дальнейший нагрев засыпки, прекращается. Получено аналитическое
решение задачи. Обнаружено, что в волне ФГГ в данной области параметров
достигается предельная эффективность рекуперации тепла. Найдено соответствующее
асимптотическое выражение в аналитическом виде. На основе полученных
решений сформулированы важные для практики способы повышения эффективности
устройств на основе ФГГ.
В главе 5 рассмотрено влияние турбулентности пламени
на характеристики волн ФГГ. Данная проблема является весьма существенной
для практики, поскольку есть основания полагать, что турбулизация
течения в пористых средах с увеличением расхода газа значительно повышает
массовую скорость сгорания смеси в фильтрационных устройствах. Предложен
способ корректировки базовой системы уравнений ФГГ и проведено сравнение
с экспериментальными данными. Показано лучшее соответствие модели
эксперименту в случае учета влияния турбулентности. С помощью диаграммы
Борги проанализирован диапазон режимов турбулентности, соответствующий
этим экспериментальным данным. Установлено, что наиболее характерным
для ФГГ является слаботурбулентный режим складчатого пламени.
В третьей части книги (гл. 6-9) изучена структура волн
ФГГ для обедненных и обогащенных смесей с учетом детальной кинетики
химических реакций при использовании пакета CHEMKIN-II и базы данных
по кинетике газофазных реакций GRI-Mech.
Шестая глава посвящена исследованию детальных химических
реакций в волне ФГГ на обедненных низкокалорийных смесях. Проведены
экспериментальные исследования на установке ФГГ с использованием
газохроматографического анализа. На основе модели с детальным кинетическим
механизмом и анализа чувствительности построены скелетные схемы химического
взаимодействия в различных участках волны ФГГ и определены изменения
кинетики реакций с повышением температуры в волне. Рассчитана тепловая
структура волны ФГГ для обедненных метановоздушных смесей, содержащая
два экзотермических пика. Определена природа возникновения этих пиков:
они обусловлены реакциями окисления метана и водорода OH-радикалами
и реакцией окисления CO соответственно. Установлены ведущие цепные
механизмы образования радикалов в трех температурных областях волны
ФГГ: низкотемпературной и промежуточной (зона подогрева) и высокотемпературной
(зона реакции по общепринятой классификации.
В главе 7 представлены результаты исследования химической
структуры волн ФГГ на сильнообогащенных метановоздушных смесях. Установлено,
что в волне протекает процесс парциального окисления метана и выходной
состав продуктов является существенно неравновесным. Проведен детальный
кинетический анализ химических процессов в различных областях волны
ФГГ. Рассчитана структура тепловыделения и показано, что в волне имеются
экзотермический пик и эндотермическая область. Построены скелетные
схемы образования и поглощения основных радикалов и общая схема химических
каналов окисления метана в различных зонах волны горения. Выявлены
основные отличия кинетики химических реакций в таких волнах ФГГ от
кинетики для волн на обедненных смесях при той же калорийности.
В главе 8 полученные ранее данные о кинетике химического
взаимодействия в волнах ФГГ на обогащенных и обедненных смесях использованы
для исследования влияния кинетических свойств смеси на основные макроскопические
характеристики волн ФГГ (температуру и скорость горения). Выяснено,
что важную роль играет конкуренция молекулярного кислорода и метана
за атомарный водород. Определены основные различия в тепловой структуре
волн ФГГ между бедными и богатыми смесями. Избыток метана в сильнообогащенных
смесях приводит к значительному поглощению радикалов H, что оказывает
ингибирующее действие в целом и приводит к существенному увеличению
зоны предварительного подогрева, расширению зоны реакции и снижению
максимального тепловыделения по сравнению с обедненными смесями. Показано
наличие сильной обратной связи, которая стабилизирует волну ФГГ и
проявляется в экспериментально наблюдаемом повышении максимальной
температуры каркаса и скорости распространения фронта при переходе
от обедненных смесей к обогащенным.
Интересной представляется глава 9, в которой подробно проанализированы
механизмы образования оксидов азота (NOx) в волнах на обогащенных
смесях по сравнению с обедненными. Показано, что в сильнообедненных
смесях в условиях ФГГ имеет место нетермический NNH-механизм генерации
оксидов азота, а в смесях с большим избытком топлива - механизм
Фенимора (тоже нетермический). Утверждается, что при ФГГ более низкие
концентрации NOx по сравнению с диффузионными пламенами обусловлены
меньшим временем пребывания газа в высокотемпературной зоне и более
низкой температурой в зоне реакции.
В четвертой части книги приведены примеры практического
приложения теоретических и экспериментальных исследований, включая
оптимизацию конструкции радиационных дисковых горелок, использование
фильтрационного горения для выжигания органических примесей (регенерации
катализаторов или восстановления загрязненных цеолитов), получение
синтез-газа и эффективную утилизацию биомассы (городских отходов).
Материал книги богато иллюстрирован, четко структурирован
и легко читается. Имеется обширная библиография работ в этой области
знаний за последние 10-15 лет.
Книга будет интересна и полезна широкому кругу специалистов,
студентов и аспирантов, инженерам и преподавателям в области горения,
химической технологии, тепло- и массопереноса, теплоэнергетики и смежных
областях и может быть использована в спецкурсе по теории и практике
фильтрационного горения для теплотехнических, теплофизических и химико-
технологических специальностей вузов.
Чл.-кор. НАН Беларуси В. А. Бородуля
По вопросам приобретения книги просьба обращаться
по тел./факс.: (375-17) 284-22-12; эл. почта.: foutko@itmo.by