Разработка фундаментальных основ СВЧ активационных процессов в угле разного типа и методов их исследования.

География – Кемеровская область, Томская область,  Новосибирская область, Казахстан, Монголия

 

Работа по созданию новых методов раннего обнаружения внутренних очагов  возгорания в угольных карьерах, свалках, угольных шахтах.

География – Кемеровская область, Казахстан

Основные темы исследований лаборатории за последние 10 лет.

- Исследование физико-химических основ новых методов приготовления и  сжигания в режиме запаздывающего воспламенения угольного кускового топлива, покрытого тонкой оболочкой из  квазипористого оксида кремния с вводом  СВЧ и  (или) тепловой энергии в матрицу угля.

 - Разработка  физико-химических основ новых методов  сжигания каменных  углей,  модифицированных специальной высокотемпературной оболочкой, например   из окиси кремния. Параметры этой оболочки (проницаемость, плотность, адгезия) должны изменяться по определенным закономерностям  от времени и величины нагрева поверхности угля. Режимы  начального ввода энергии в уголь для его разогрева выбираются как классический - последовательный нагрев через поверхность угля, в котлах, например. Так  и с применением СВЧ  энергии, с вводом энергии непосредственно в угольную  матрицу под оболочку.

 

- Мы установили,  что на начальном этапе высокоградиентный по объёму угля СВЧ нагрев создаёт  условия для эффективного выделения водорода через микротрещины в угле. В основном за счет активации процесса развала углеводородных сложных молекул  в матрице  угля. В условиях больших давлений от захваченной поровой воды и высоких температур (>600-700C) в зоне СВЧ воздействия. Процесс проходит по цепочке реакций с высокоэффективным  отщеплением краевых атомов водорода и последующим выделения через микротрещины молекул водорода  с содержанием более 80-90% от общего газового выноса.  Установлено, что важнейшим звеном в этой цепочке становится момент раскрытия угля в микротрещины и выброс газовых и легколетучих составляющих.

             

             - В экспедициях по грантам РФФИ  сотрудники лаборатории отработали методы нанесения  на уголь оболочек для сохранения его энергетических характеристик в карьерах и холодных складах в условиях Сибирского климата. 

Базовая идея -  создание на поверхности угля специальной тонкой оболочки из окиси кремния с определенными добавками.  Параметры такой оболочки  должны меняются во время  прогрева, обеспечивая необходимую твердость, газонепроницаемость, торможение процесса образования трещин.  Уголь с  высокотемпературными, газонепроницаемыми оболочками является по сути   новым  видом угольного топлива.  Характеристики зажигания и горения такого угля резко  отличаются от  характеристик классического сжигания угля. И такое угольной топливо будет более эффективным, универсальным, экологичным, чем обычный уголь.

Рис. Водородные (70-85% по Н2) факела  из  щелей СВЧ  активированного  угля.

СВЧ эксперименты 2012-2015 года с полевым масс- спектрометром ОПФ.

 

- Разработаны математические модели  для ряда процессов, протекающих в СВЧ и термически нагреваемом куске угля, включая стадию коагуляционного  образования аэрозолей в трещинах и над ними.  

 

            ВОПРОСЫ защиты угольного топлива  от окисления и влажности.

             В лаборатории отработаны стендовые и полупромышленные методы нанесения  на уголь высокотемпературных сверхтонких оболочеке для сохранения его энергетических характеристик в карьерах и холодных складах в условиях Сибирского климата. 

 

НОВЫЙ ВИД ТОПЛИВА

Мы считаем,  что уголь с  высокотемпературными, газонепроницаемыми оболочками является по сути   новым  видом угольного топлива.  Характеристики зажигания и горения которого резко  отличаются от  характеристик классического сжигания угля. И есть уже понимание, на экспериментальном и теоретическом уровне, что такое угольной топливо может быть более эффективным, универсальным, экологичным, чем обычное.

 

БАЗОВЫЕ ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРИИ на 2017-2020 года

- Изучить физико-химические процессы процессов формирования тонких защитных оболочек, в основном из SiO2, на поверхности  угля и в  его трещинах, при различных  условиях нанесения и прогрева, включая облучение  начальной основы полимерной компоненты  будущей оболочки тепловыми и оптическими потоками энергии разной интенсивности.

 

- Изучить процессы не классического  зажигания и начала горения угля с SiO2 оболочками. Как в режимах обычного термического нагрева поверхности с оболочкой, которые типичны для  угольных котлах малой и средней мощности. Так и в режиме СВЧ ввода  энергии в матрицу  угля прямо под оболочку SiO2, по методам, которые интенсивно развивалась нами в предыдущие годы.

 

- Обобщить полученные  экспериментальные данные в полуэмпирической модели, с возможностью проведения численных расчётов по каждому типа протекающих процессов.

Ввод СВЧ энергии,  нагрев с учетом  давления и движения в матрице угля пористой воды. Учесть брутто реакции активации в матрице угля, движение сквозь пористую оболочку газовых и летучих продуктов матричной активации. Затем воспламенение факела над поверхностью угля в щелевом режиме горения.

 

 - Оптимизировать по максимуму  выход водорода в системе - СВЧ нагрев  внутренней матрицы угля плюс поверхность угля с заданными характеристиками  термической оболочки.

 

-  Изучить процессы влияния оболочек конкретного типа, созданных под разные типы   угля на режимы оптимального длительного хранения  угля. С обязательным учетом  в модельных экспериментах в климатической лабораторной камере больших изменения амплитуд  температуры и влажности в зимнем и летнем, и в суточных циклах в нашем Сибирском регионе.

 

- Запатентовать рецептуру первичных  растворов для изготовления оболочек  и способы их применения  в карьерах и на обогатительных фабриках. И одновременно внедрить их в Сибирском регионе (в основном в Кемеровской области). С технической и правовой поддержкой от Новосибирского Государственного Университета. Провести натурные карьерные эксперименты по созданию  малых партий угля с оболочками, с применением мощной  карьерной техники по промывке углей от заинтересованных угольных предприятий. На  этих предприятиях мы раньше проводили экспедиции по  грантам РФФИ, по исследованию трещиноватости углей и процессов СВЧ  активации в реальных Сибирских условиях.     Наша оценка даёт, что на 20-30 тонн угля потребуется не более  4-5 литров первичного раствора со специально разрабатываемыми нами присадками с учетом особенностей  минеральной фракцию конкретных углей. Присадки вводятся для оптимизации величины поверхностной энергии на границе раствор-уголь для SiO2 оболочки на поверхности и в трещинах  угля. Включая и летние и  зимние температуры углей и растворов.

                

              Будут  применены методы и подходы, часть из  которых  создавалась  еще 20-30 лет  назад для работы по ракетным аэрозольным  темам.  А другая часть методик создана в последние годы,  во многом благодаря  переоснащению Новосибирского Государственного Университета и Института Теплофизики СО РАН  новыми современными приборами. В рамках предыдущих наших  грантов РФФИ эти методики были  адоптированы для угольной СВЧ тематики. Большая часть наших последних разработок  защищена новыми патентами и публикациями.

За последние несколько лет мы  уже изучили в определенной степени сложность и комплексность процессов,  возникающих при воздействии СВЧ градиентным полем на матрицу угля. Ведь  сама  матрица  угля состоит не только  из  углеводородов,  но и  из минеральной  фракции (оксиды кремния, алюминия и другие элементы), из воды   внешней  влажности, пористой, химически  связанной.

Однако идея новых разработок - создание устойчивой высокотемпературной пленки на реальной поверхности угля, неожиданно привела к созданию нового, по многим характеристикам,  вида угольного топлива.

 

            ЛАБОРАТОРИЯ РАЗРАБОТАЛА РЯД  НОВЫХ БАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УГЛЕЙ С ОБОЛОЧКОЙ

  -   На основе водно- щелочного раствора силикатов натрия Na2O(SiO2)n  с силикатным модулем более 3,5-4 разработаны методы получения плёнки  на угле толщиной не более 2 мкм. Как сплошной, так и покрывающая только дефекты поверхности, трещины, выступы.  Освоены методы световой кратковременный экспозиции (засветки)  первичной силикатной плёнки непосредственно на поверхности угля.  Для увеличения её  объема  на 20- 40% и получения нужных параметров газопроницаемости для  молекулярного водорода. Световой подогрев может  производиться импульсно, диапазон длин волн,  мощность и  интервал между ними и количество импульсов определяется  критерием создания из поверхностной плёнки    пористого SiO2  фильтра с суммарным поглощением  летучих углеводородов более 95% в интервале до 750С. 

При засветке  происходит два эффекта – как образование в пленке малых центров зародышей кластеров SiO2, так и прямой нагрев плёнки с выходом  воды и частично натриевых соединений.  При этом плёнка начинается расширяться, увеличиваясь в объеме.   

 

 -  Разработаны лабораторные и полевые методы введения зародышеобразующей   добавки-кластеров  SiO2 в жидкое стекло. Непосредственно перед началом процесса формирование плёнок на угле как в лабораторных, так и в карьерных условиях обогатительных фабрик.  Наши  эксперименты и расчеты  показывают, что диаметр таких добавок должен быть не более 90 нм. А их изготовление надо проводить непосредственно из растворов силикатов натрия Na2O(SiO2)n, с выдержкой на воздухе не более 10 минут до введения в раствор для приготовления плёнки в условиях карьеров.  

 

-   Разработаны методы получения значительных объёмов (до 20 литров) жидкого стекла  с большим  силикатным модулем непосредственно в угольных карьерах и на обогатительных фабриках.

-  Созданы оптимальные методы заполнения трещин в углях в производственных условиях. Особенно в окисленных  углях, хранящихся давно в угольных карьерах, и потерявших уже свою первоначальную стоимость.  На рис ниже приведены фотографии наших первых экспериментов, где представлены изображения в видимом и  ИК диапазонах  изображения  рельефа и температур на поверхности  угля во время его прогрева.  Важная особенность жидкого стекла с большим силикатным модулем – это заполнения им трещин на  угле. И потом, при поднятии температуры поверхности угля, полная изоляция трещины     пузырьковой структурой пленки из частиц SiO2.

        

 

 

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРИИ

 - Добиться  увеличение  полноты  сгорания  топлива,  уменьшение скорости зашлаковывания внутренних поверхностей котельного оборудования за счёт  уменьшения доли  аэрозолей в отходящих дымовых газах.

 

- Исследование механизмов классической паровой конверсии в щелях с оболочкой SiO2.

При воздействии на уголь проникающим в глубь угля СВЧ излучением часто образуется выброс газов и тяжелых углеводородов в аэрозольном состоянии через образующиеся в матрице угля щели. Если в щели находится плёнка SiO2, то процесс будет совершенно другим, что и необходимо исследовать. Мы уже сейчас видим, что образования аэрозолей (дыма)  при прогреве  угля с оболочкой падает в 50 – 1000 раз (метод лазерного малоуглового светорассеяние) по сравнению с прогревом  угля без оболочки

-    Выяснение роли коагуляционно-конденсационных процессов тяжелых углеводородов при СВЧ инициирования воспламенения углей потребует проведение экспериментальных аэрозольных исследований прямо над поверхностью угля и над щелями. И проведение численного моделирование процесса конденсационного и коагуляционного роста углеводородных аэрозолей внутри щелей с пористыми оболочками. Наш коллектив имеет разработанные ранее программы коагуляции (решение уравнений Смолуховского для щелей и  каналах ракеты на твердом топливе), которые и будут применены в расчетах.

Важно учесть и  трансформация спектра распределения нано-кластеров тяжелых углеводородов в процессе отбора образцов для анализа на аналитических химических приборах.  Для каждого типа наших приборов  методы отбора принципиально важны. Крайние случаи: для электронных микроскопов отбор на вакуумные отборники с характерным временем отбора от 0.001 секунды, и другой предельный случай, отбор в микрошприцы для масс-хроматографа, с временем нахождения углеводородов в ограниченном пространстве до 10 секунд (перенос и «вкалывание» шприца). В обоих случаях используются подходы и расчетные модели, ранее развитые нами для отбора проб при сжигании ракетных топлив. По данным вопросам Пащенко С.Э. имеет в соавторстве более 16 авторских  свидетельств СССР и патентов России, две монографии, и около 50 статей. 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Исследование на рентгеновском малоугловом спектрометре процессов фазовых переходов водный щелочной растворсиликатов натрия Na2O(SiO2)n и (или) калия K2O(SiO2)n.       

 

 

    Одним из  основным достоинством СВЧ воздействия на горения  угле, кроме введение источника мощного локального нагрева в матрицу  угля, является возможность  управлять как мощностью этого источника, так и  изменением этой мощности во времени.

     График воздействия СВЧ-энергии на микрокотел с углем и динамика нагрева угля представлены на рисунке ниже.

Данные о температуре получены при помощи тепловизора Fluke Ti25 и видеокамеры со специальными оптическими  насадками при скорости съемки от 1 и до 3500 кадров в секунду.

Рисунок Динамика нагрева угля под воздействием СВЧ-энергии синие точки

График работы магнетрона – температура его керамического носика для выхода СВЧ излучения - красная линия

 

Имеющийся у коллектива лаборатории научный задел.

 

          Наш коллектив имеет более 55 публикаций по теме работы горения, работы с углем  и  с  СВЧ  активацией,    3  монографии  по  теме  энергетики.  Более  6  наших  новых патентов  будут    задействованы  в  этой  работе. Мы    имеем  опыт  проведения  более  10 грантов РФФИ по  этой и близким  темам,  включая и СВЧ  воздействия на    уголь  и  неконденсационное  топливо. Мы  имеем  оборудование  включая    полевые  приборы,    отборники,  фильтры,  генераторы электричества и другое  на  сумму  более 10 миллионов рублей.

Особо  дорогое    оборудование    стоимостью  в  десятки миллионов  мы    используем  непосредственно  в  Новосибирском  Государственном Университете .

           Мы  эксплуатируем  два  огневых стенда в НГУ и в ИТ СО РАН, где имеем возможность  сжигать  в  любое  время    года    до  1  кг    угля  в  СВЧ    активаторах разного типа.

           У нас есть большой  опыт проведение 5-6 экспедиций на угольные карьеры в Сибирском регионе, которые также были поддержаны грантами РФФИ.   И опыт работ на полигонах и карьерах с новыми техническими устройствами и с горением  сложных объектов.    

 

 Список основных последних публикаций по данной теме.         

 

- Пащенко С. Э.,  Алексенко С. В., Пащенко С. С., Каляда В. В., Саломатов В. В. Способ свч-градиентной активации угольного топлива с использованием защитной пленки. Патент.   (РФ № 2514826) 10.05.2014

-  Пащенко  С.Э."Способ  СВЧ  -  градиентной  активации  угольного  топлива"  Патент  ( РФ N2458107)  10.08.2012

- Пащенко  С.Э.,  Саломатов  В.В.,  Алексеенко  С.В. Способ  сжигания углеводородного  топлива"   Патент  (РФ № 2407947) 27.12.2010

- Пащенко С.Э., Пащенко С.С. Способ  создания термозависимых угольных оболочек.  Регистрационный номер 2015130717- РФ . 23.07.2015.  

- Саломатов  В.В.,  Сладков  С.О.,  Пащенко  С.Э. СВЧ-ТЕХНОЛОГИИ  В

УГОЛЬНОЙ  ЭНЕРГЕТИКЕ  Инженерно-физический  журнал.  -  Минск:  ИФЖ,

2012. - 3: - стр. 1-15. ISSN 0021-0285.

- Алексеенко   СВ.,  Пащенко  С.Э.,  Саломатов  В.В.  Нанокластерное инициирование  горения  некондиционных  углеводородных  топлив  // Инж.-физ.ж., 2010, т. 10, №4.  С. 682-693:

- Phenomenological models of microwave heating of a flat coal mass with release of absorbed heat by the convection law  Vl. V. Salomatov · S. O. Sladkov· S. E. Pashchenko· Vas. V. Salomatov . Journal of Engineering Thermophysics 04/2013; 22(2). DOI:10.1134/S1810232813020057 ·           

-  Vl.  V.  Salomatov,  S.O.  Sladkov,  S.  E.  Pashchenko,    Vas.  V.  Salomatov. Phenomenological models of microwave heating   of   a    flat coal   mass   with  release of  absorbed  heat  by  the convection law.  Journal of Engineering  Thermophysics. Vol. 22.  No.2. pp.134-142. C Pleiades Publishing.    Ltd. , 2013.  ISSN 1810- 2328.

 -  Саломатов В.В., Сладков С.О., Пащенко С.Э., Саломатов В.В.Аналитическое исследование СВЧ-нагрева плоского угольного слоя. Журнал Горение и плазмохимия.. - Алматы: Институт проблем горения совместно с научным советом по горению и взрыву при Президиуме Российской Академии наук, 2012. - 2: - стр. 106-112. - ISSN 1683-3902

 

 Опыт  выполнения  грантов.

 

Руководитель лаборатории, Пащенко С.Э, имеет  большой систематический  опыт работы и руководства по  научным и экспедиционными грантами  РФФИ. Список некоторых  грантов представлен ниже.

 

Грант 06-08-08140-офи 2006-2007 Разработка научных основ нанокластерного горения некодиционных топлив для создания экологоперспективных и энергоэффективных генераторов тепла
Грант 07-08-00811-а 2007-2009 Исследование процесса зажигания частиц водоугольного топлива (ВУС) с принудительным введением нано-сажевых катализаторов для интенсификации разложения Н2О в факеле. Рук. Пащенко С.Э.
Грант 10-08-01220-а 2010-2011 Исследование и оптимизация процессов сверхбыстрого нагрева ТГ и СВЧ излучением внутренних объёмов угля с одновременным образованием каталитических нано-кластеров для инициирования ОН радикала в факеле горения. Рук. Пащенко С.Э.

Грант 14-08-00907 Исследование СВЧ активированных процессов медленного двухстадийного низкотемпературного водородо-гетерогенного горения углей, включая окисленные угли с повышенной влажностью в объёме угольной матрицы. 2014 год. Рук. Пащенко С.Э

     Экспедиционные гранты
Грант 09-08-02100-э_к 2009 Организация и проведение экспедиций на угольные карьеры и шахты Новосибирской и Кемеровской областей с целью подтверждения в природных условиях обнаруженных в лаборатории эффектов генерации нано-частиц в напряженной матрице угля.  2009 год. Рук. Пащенко С.Э.
Грант 10-08-02102-э_к 2010 Организация и проведение экспедиционных работ на угольных обогатительных фабриках Новосибирской области с целью испытания и внедрения новых методов СВЧ активации и сжигания брикетированных отходов из заброшенных мокрых угольных отвалов.  2010 год. Рук. Пащенко С.Э.
Грант 10-08-10001-к 2010 Организация и проведение экспедиций на угольные карьеры и шахты Новосибирской и Кемеровской областей с целью исследования минеральной окисной пленки кремния и алюминия на углях в природных условиях и эффектов генерации нано-частиц в напряженной матрице угля.  2010 год. Рук. Пащенко С.Э.

Грант 13-08-10004  Научный проект проведения экспедиций на угольные карьеры Кемеровской и Новосибирской областей для исследования полевыми масс-спектроскопическими и хроматографическими методами процессов СВЧ активации углей в трещинах и скважин.  2013 год.  Рук. Пащенко С.Э. Грант 15-08-10194 Научный проект проведения экспедиций на угольные карьеры и обогатительные фабрики Новосибирской и Кемеровской областей для отработки методик создания покрытий на угле - для оптимизации процессов СВЧ активации, окисления и смерзания углей.  2015 год. Рук. Пащенко С.Э.

 

 

 

  Перечень оборудования и материалов, имеющихся в лаборатории, для проведения экспедиции

Экспедиционный  аэрозольный  спектрометр Grimm 55-40-26-Uni SMPS + 5.403 CPC  - фото внизу порог регистрации аэрозолей 3 -4 нм.

  

 

Аэрозольные фотоэлектрические спектрометры типа АЗ-6 – порог регистрации 0.3  аэрозолей – 0.4 мкм.  Переносные ноутбуки  в спец-кейсах,  согласованные с аппаратурой полевой – 3 шт.

Условно наше полевое оборудование можно подразделить на три категории: физические,  оптические, контактные методы.

Из  контактных  методов  нами  будет  использованы:

 - многопозиционный  вакуумный  пробоотборник  типа  «Кепк»  по  забору  аэрозолей  и  газовых  компонентов  из  факела  на концентрацию частиц до 10**12 – 10**13 част/см3;

- микротермопарный зонд с диаметром термодатчиков  15–100  мкм  для  регистрации  температурного  поля  факела  с  выдачей данных по ноутбуки;

– фотоэлетрический  счетчик  аэрозолей  типа АЗ–6  с  камерой  быстрой  прокачки; – нефелометр ФАН с камерой быстрой прокачки – до 0.2 секунды разрешение;

 -  Экспедиционный  аэрозольный  спектрометр Grimm 55-40-26-Uni SMPS + 5.403 CPC  - порог регистрации аэрозолей 3 -4 нм.

- конденсационный  укрупнитель  малых  кластеров  с  пороговым  размером  в  3–3.5  нм;

– переносной хроматограф «ЭХО», переносной  газоанализатор на СО, СН, СО2, O2, NO

-  ряд  специальных  ловушек  для  аэрозолей  и  газов  с  последующим  исследованиях  на

лабораторных  приборах:  масс-спектрометр  «Элемент»;  электронные  микроскопы

сканирующего и просвечивающего типа

             Привлечены  в  экспедиции  и  адаптированы  для  отрицательных температур  следующие  оптические  методы:

 –  видеокамера  «Canon  MV  20i»;

 – фотодиодная  приставка  «Комби»  для  регистрации  аэрозольных  частиц 

–  тепловизоры  Ti  25  и  Ti  35  со  сменными  кремниевыми  линзами  с  увеличением

изображения  до  х40  и  с  частотой  до  10  кадр/с;

 –  аппаратура  по  измерению  лазерного рассеяния  на  аэрозолях;

 -  –  ультрафиолетовая  калибровочная  лампа;

 - оптический переносной спектрометр открытого типа с базой до 5-8 метров со скоростью регистрации  до 4000 кадров в секунду

 

Из  физических  методов  будем  использовать  следующие:;

–  высокочувствительный  быстрый  барометрический  регистратор;  специальные  СВЧ  и  оптические интерференционные фильтры;

-   Переносной экспедиционный масс- спектрометр с входом с атмосферы UGA 200

ФОТО внизу

  

 

Для  измерения  концентрации,  дисперсного  состава  и  установления морфологии  образующегося  аэрозоля  созданная  нами  экспериментальная полевая установка содержит следующие устройства:

•  Фотоэлектрический  счетчик  аэрозольных  частиц АФАЧ  для измерения концентрации  и  дисперсного  состава  аэрозольных  частиц  в  размерном диапазоне 0.3 – 10мкм.

•  Диффузионный  спектрометр  аэрозолей  ДСА  ,  позволяющий измерять  концентрацию  и  дисперсный  состав  аэрозольных  частиц  в  диапазоне 0.003 - 0.2мкм.  Прибор  состоит  из  последовательно  соединенных 8-ми  канальной  диффузионной  батареи  сетчатого  типа, конденсационного укрупнителя частиц и фотоэлектрического счетчика.  Распределение  аэрозоля  по  размерам  восстанавливается  из  счетной  концентрации  частиц,  измеренной  в  разных  каналах  диффузионной батареи,  с  использованием  известной  зависимости  коэффициента диффузии аэрозольных частиц от их размера.

•  Вакуумный  пробоотборник (ВПО) и серии СП,  на  который  с  помощью форвакумного  насоса  проводился  отбор  частиц  для  исследования  на электронном микроскопе. Минимальный  размер  частиц,  определяемый  по микрофотографиям, составлял 0.01мкм.

  Эти устройства и методы описаны в монографии [Пащенко  С.Э.,  Сабельфельд  К.К.  Атмосферный  и  техногенный  аэрозоль. - Часть 2. ВЦ СО РАН, Новосибирск. – 1992. - C. 118.]

 

Зав. лаборатории Пащенко С.Э.

 

 

 

 

Разработка фундаментальных основ и методов получения водорода из угля в режиме СВЧ воздействия на матрицу угля.

Сотрудничество НГУ, ИТ СО РАН, ООО СВЧ АСТ