Горение и плазмохимия

ПРЕДИСЛОВИЕ

З.А. Мансуров — 2024-10-20

К 85-летнему юбилею академика РАН В.А. Левина

Визуализация фронта водородно-воздушного пламени по излучению гидропероксила

В.М. Бочарников — 2024-10-20

Современное развитие энергетики и промышленности связано с использованием водорода в качестве энергоносителя, промежуточного или побочного продукта процесса. Обеспечение безопасности является одной из приоритетных задач при разработке новых установок. В данном контексте развитие методов диагностики горения является актуальной фундаментальной и прикладной задачей. В статье предложен способ визуализации пламени с выделением излучения гидропероксила (HO₂) – промежуточного продукта горения водорода в воздухе. Проведена серия экспериментов по инфракрасной визуализации фронта пламени с использованием светофильтров для выделения излучения с длиной волны 3040 нм, соответствующей максимуму излучения гидропероксила (HO₂). Анализ результатов показывает перспективность метода для уточнения моделей химических реакций и валидации кодов численного моделирования.

Управление детонационным горением водородно-воздушной смеси

В.А. Левин — 2024-10-20

В работе представлены результаты численных исследований, проведенных с целью определения новых способов управления детонационным горением стехиометрической водородно-воздушной смеси в плоском канале. Предложен ряд конструктивных решений, усиливающих разрушающее воздействие расположенных в канале множественных препятствий на распространяющуюся детонационную волну. Исследовано влияние добавок пероксида водорода и гелия в рассматриваемую горючую смесь на параметры волны детонации с целью снижения температуры продуктов горения без существенного изменения размера детонационной ячейки и уменьшения скорости волны.

Получение и оптимизация активированного угля из растительных отходов с высокой удельной поверхностью для влагосберегающих применений в сельском хозяйстве

Е.О. Досжанов — 2024-10-20

В условиях дефицита водных ресурсов устойчивое развитие сельского хозяйства требует применения влагосберегающих технологий, включая использование влагоудерживающих субстратов на основе активированного угля. В данной работе исследованы текстурные и адсорбционные характеристики активированного угля, полученного из растительных отходов при различных массовых соотношениях сорбента и KOH (1:1, 1:2, 1:3 и 1:4). Целью исследования было определение оптимальных условий активации для создания материала с высокой удельной поверхностью и развитой пористой структурой.
Результаты исследования показали, что наибольший объем пор (1.6 см³/г) и высокая степень микропористости достигаются при соотношении 1:3, что подтверждено анализом распределения пор методами «Теория функционала плотности» и «Метод Барретта-Джойнера-Халенды». ИК-Фурье спектроскопия выявила наличие функциональных групп (O–H, C=O и C–O), способствующих влагосбережению. Дифференциальное распределение объема пор (dv(r), см³/Å/г) также продемонстрировало, что при соотношении сорбента и КОН (1:3) структура образца оптимально сочетает микропоры и мезопоры, что повышает адсорбционную способность угля.

Эффективность плазменной технологии подготовки твердых топлив к сжиганию

В.Е. Мессерле — 2024-10-20

Выполнен термодинамический анализ, позволивший найти рабочие параметры плазменной технологии подготовки твердых топлив к сжиганию. Кинетические расчеты плазменного воспламенения и устойчивого сжигания пылеугольного факела выполнены с использованием программы PlasmaKinTherm. Получены профили температур, скоростей и концентраций горючего газа и угольных частиц по длине реакционной зоны плазменно-угольной горелки. В экспериментах по плазменной подготовке энергетического угля к сжиганию достигнуто устойчивое воспламенение пылеугольного факела, измерены температура и состав полученного высокореакционного двухкомпонентного топлива, а также определена степень конверсии углерода высокозольного Экибастузского угля. Сопоставление результатов экспериментов и расчетов показало их приемлемое согласие. Показано, что основным продуктом плазменного воспламенения и стабилизации горения угля является высокореакционное двухкомпонентное топливо, а концентрации вредных выбросов – оксидов азота и серы при этом меньше, чем в дымовых газах тепловых электростанций на два порядка.

Моделирование и эксперименты по плазменному воспламенению Экибастузского угля в виде пыли

М.Н Орынбасар — 2024-10-20

Благодаря низкой стоимости угля и его доступности в большинстве регионов мира уголь является удобным источником топлива. Несмотря на неэффективность систем при преобразовании тепловой энергии в электроэнергию, необходимы новые технологии для повышения их эффективности. В отличие от традиционных методов запуска котлов и стабилизации горения плазменное воспламенение и стабилизация горения (ПВСГ) пылеугольного пламени предлагает эффективную и устойчивую альтернативу использованию мазута или газа. Эта технология заключается в нагреве аэросмеси плазмой электрической дуги до тех пор, пока уголь не улетучится, а коксовый остаток частично не газифицируется. В результате низкосортный уголь преобразуется в высокореакционное двухкомпонентное топливо (ВРДТ), состоящее из горючего газа и коксового остатка. Для этих процессов в плазменно-угольной горелке (ПУГ) с использованием Экибастузского угля в виде пыли был проведен кинетический анализ с использованием программы PlasmaKinTherm. Моделирование кинетики ПВСГ пылевидного топлива позволило определить изменения температуры, скорости и концентрации по длине ПУГ. Состав, степень газификации углерода и температура устойчивого пылеугольного пламени были определены с использованием плазменного воспламенения твердого топлива. На основе сравнения экспериментальных и расчетных данных установлено, что результаты являются удовлетворительными.

Физико-химические характеристики и активность модифицированных никелем кобальт-железосодержащих катализаторов в реакции углекислотной конверсии метана

Л.К. Мылтыкбаева — 2024-10-20

В процессе углекислотной конверсии метана исследована активность низкопроцентных катализаторов на основе оксидов кобальта и железа и их модификации оксидом никеля. Установлено, что введение оксида никеля в состав Fe₂O₃/γ-Al₂O₃ катализатора повышает степень конверсии метана от 14 до 89%, а также увеличивает выход целевых продуктов реакции Н₂ – до 43,0 об.%, СО - до 46,1 об.% при 850 °С. На Co₃О₄-NiО/γ-Al₂O₃ катализаторе при 850 °С конверсия метана достигает 88,1%, выход водорода и монооксида углерода составляет 44,8%. ТПВ анализы показали, что при добавлении никеля в состав Fe₂O₃/γ-Al₂O₃, в отличие от Co₃O₄/γ-Al₂O₃ катализатора, температурные пики восстановления Fe₂O₃-NiО/γ-Al₂O₃ смещаются в сторону более низких температур и ослабляют взаимодействие металлов с носителем - γ-Al₂O₃ и, тем самым, увеличивая количество активных восстановленных частиц оксидов железа и никеля и обеспечивая хорошую каталитическую активность Fe₂O₃-NiО/γ-Al₂O₃. Согласно результатам РФА, на исследуемых катализаторах образуются фазы в виде Fe₂O₃ и шпинелеподобные формы -NiFe₂O₄, NiAl₂O₄ и CoAl₂O₄. Это свидетельствует о том, что на разработанных катализаторах образуются новые фазы, которые являются активными при высоких температурах для получения синтез-газа в окислительно-восстановительных процессах во время реакции УКМ.

Высокочастотное магнетронное осаждение тонких пористых пленок на основе LSCF, полученных из мишеней наноразмерных оксидов для катодов твердотельных оксидных топливных элементов

Б.П. Базарбаев — 2024-10-20

В данной статье представлены пористые нанокристаллические пленки La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O₃ (LSCF), полученные с помощью высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления из композитной мишени LSCF. Выбор состава La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O₃ обусловлен его более высокой электронной и ионной проводимостью, более низкой энергией активации и высокой электрокаталитической активностью. Тонкие пленки LSCF были получены методом осаждения при температуре 550 °C на поверхности коммерческого несущего электролита оксида иттрия-стабилизированного диоксида циркония (YSZ). Проведенные исследования методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) показали, что тонкие пленки LSCF имеют высокую пористость и нанокристаллическую структуру, что делает их перспективными для использования в среднетемпературных или низкотемпературных катодах твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Влияние размера пор углеродных материалов на характеристики гибридных суперконденсаторов в водном окислительно-восстановительном электролите

Ж.А. Супиева — 2024-10-20

В данной работе исследуется влияние пористой структуры углеродных материалов на характеристики гибридных суперконденсаторов с использованием водного окислительно-восстановительного электролита 5M NaNO₃ + 0,5M NaI. Были синтезированы три различных углеродных материала, включая активированный уголь из рисовой шелухи, углерод из цитрата магния и углерод, полученный с использованием темплата кремнезема. Оптимизация пористой структуры положительного электрода позволила достичь удельной емкости 403 Ф/г и удельной энергии 30 Вт‧ч/кг при плотности тока 0,5 А/г для ячейки с положительным электродом со средним размером пор 3,4 нм. Результаты экспериментов показали, что размер пор и площадь поверхности существенно влияют на способность удерживать иодиды, что, в свою очередь, определяет емкость и удельную энергию гибридного суперконденсатора. Использование активированного угля с порами менее 1 нм позволило достичь высокой энергетической эффективности в 79%.

Получение и исследование композита на основе пористого графеноподобного углерода с наночастицами нитрида титана для литий-серных аккумуляторов

А. Дангалиева — 2024-10-20

Литий-серные аккумуляторы (ЛСА) являются одними из перспективных систем хранения энергии благодаря их чрезвычайно высоких значений плотности энергии (2600 Втч/кг) и теоретической удельной емкости (1675 мАч/г), а также из-за низкой стоимости и широкой доступности серы, которая наряду с этим экологически безопасна и нетоксична. Однако коммерциализация ЛСА и их промышленное применение затруднены низкой электропроводностью серы, эффектом «шаттла» полисульфидов лития и значительным объемным расширением электрода при длительном заряд-разрядном циклировании. Перечисленные проблемы ведут к потере активного материала, быстрому снижению разрядной емкости и низкой стабильности ячейки ЛСА при длительном циклировании. Для устранения этих проблем в рамках данного исследования был разработан, исследован и опробирован композит на основе графеноподобного пористого углерода (GPC), полученного из отходов биомассы и частиц нитрида титана (TiN). Данный композит использовался в качестве пористой проводящей матрицы для иммобилизации серы и формирования серных катодов. При исследовании электрохимических характеристик разработанные катоды на основе GPC-TiN@S продемонстрировали высокое значение начальной разрядной емкости (1154 мАч/г) с ее средним снижением на 0,1% за цикл в течение 100 циклов при плотности тока 0,2 С. Полученные результаты подтверждают, что композит на основе углерода, полученного из биомассы с нанесенными частицами TiN, является перспективным материалом для формирования серных катодов высокой производительности.

Выделение концентратов железа и углерода из твердых отходов тепловых электростанций физическими методами

К. Камунур — 2024-10-20

В данном исследовании изучались процессы физического обогащения летучей золы угля (ЛЗУ) 2-й ТЭЦ Алматы. Для разделения магнетитовой и углеродистой частей золы угля использовались методы магнитного сепаратора и флотационного обогащения. В ходе исследования на лабораторном магнитном сепараторе из зольных остатков разных фракций выделен гематит с содержанием от 4,49 до 5,57% по массе. В качестве флотореагентов для флотационного обогащения использовались дешевые и доступные керосин и flotol-b. Размер частиц угольной золы составляет 63-100 мкм, количество углеродного концентрата ~16,3% по массе. Оставшийся минерал угольной золы является важным сырьем для строительных материалов.

Морфологические и структурные различия наночастиц магнетита, синтезированных методом жидкофазного горения при использовании различных топлив

А. Кенешбекова — 2024-10-20

В данной работе исследованы морфологические и структурные особенности наночастиц магнетита, синтезированных методом жидкофазного горения с использованием различных топлив – мочевины и глицина. Полученные результаты показали значительные различия в морфологии и кристалличности наночастиц в зависимости от типа топлива. Мочевина способствует формированию однородных и мелкодисперсных наночастиц с высокой степенью кристалличности, тогда как глицин приводит к образованию агломерированных частиц с примесями оксида углерода. Результаты рентгенофазового анализа подтвердили успешное получение магнетита с различной степенью кристалличности и неодинаковым фазовым составом, зависящим от использованного топлива. Выбор топлива показал значительное влияние на качество и свойства наночастиц магнетита, что подчеркивает необходимость оптимизации условий синтеза для различных приложений.

Влияние параметров механоактивации на формирование сверхпроводящей фазы в YBCO композите

С. Төлендіұлы — 2024-10-20

верхпроводниковые материалы на основе купратов, относящиеся к высокотемпературным сверхпроводникам, характеризуются неустойчивостью формирования фазового состава в зависимости от метода их получения. Настоящая работа посвящена синтезу сверхпроводника YBCO с применением предварительной механообработки исходных компонентов шихты, в процессе которой за счет высокой дисперсности и повышения концентрации образования наночастиц из исходных компонентов шихты повышается их реакционная способность и вследствие этого увеличивается формирование полезной сверхпроводящей фазы в конечном композите. Применение предварительной механоактивации (МА) инициирует процесс диспергации и активации компонентов шихты. Исследуемые образцы в условиях МА обрабатывались в течение 10, 20, 30, 40 и 50 минут. Из полученных механоактивированных порошков далее методом твердофазного горения синтезированы композиты, исследование которых показало, что они отличаются по свойствам и структуре в зависимости от длительности процесса МА. Исследование микроструктуры и фазового состава показало, что оптимальные свойства проявили образцы с 30-ти минутной механоактивацией. Структура композита характеризуется мелкозернистой субстанцией с практическим отсутствием пор и высокой концентрированной плотностью, однородным фазовым составом YBCO, что позволило получить сверхпроводник с высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние при 80 К.

Механохимическая обработка частиц алюминия для получения энергоемких материалов

А.Б. Артықбаева — 2024-10-20

В данной работе исследовано применение двух марок порошкообразного алюминия различной дисперсности: крупнодисперсного алюминия (КД) с размерами частиц более 200 мкм и Al ПА4 с размерами частиц от 20 до 63 мкм в качестве компонентов для энергоемких материалов. Пластичность алюминиевых частиц затрудняет их механическое измельчение, поэтому для облегчения процесса диспергирования были добавлены модификаторы, такие как стеариновая кислота, графит и поливиниловый спирт. После механохимической обработки Al ПА4 с 20% графитом размер частиц полученного порошка составлял менее 20 мкм. При добавлении 3% ПВС средний размер частиц составил 16,1 мкм, а при использовании 20% ПВС – увеличился до 30,5 мкм. Удельная поверхность после механического воздействия также возросла до 4,976 и 14,648 м²/г, соответственно. Увеличение содержания графита и поливинилового спирта в композитах приводит к росту активности алюминия, тогда как содержание стеариновой кислоты выше 3% вызывает снижение прироста активности. Таким образом, механохимическая обработка порошков алюминия с использованием различных органических модификаторов позволяет значительно изменить их морфологические и структурные свойства. Полученные результаты открывают новые перспективы для создания энергоемких материалов с улучшенными характеристиками, которые могут найти широкое применение в различных областях, включая энергетику и топливные технологии.

Получeниe тeплоизоляционных мaтeриaлов нa оcновe диaтомитa и тeхногeнных отходов мeтодом гидрaтaционного твeрдeния

А.C. Хaйруллинa — 2024-10-20

Дaннaя иccлeдовaтeльcкaя рaботa поcвящeнa рaзрaботкe эффeктивных тeплоизоляционных мaтeриaлов на основе диaтомита и тeхногeнных отходов, полученных методом гидрaтaционного твeрдeния. Примeнeниe мeтодa гидрaтaционного твeрдeния позволяeт cоздaвaть cтруктурно cтaбильныe теплоизоляционные мaтeриaлы c выcокими тeплоизоляционными свойствами. В процecce иccлeдовaния оптимизировaны cоотношeния компонeнтов, a тaкжe пaрaмeтры гидрaтaционного твeрдeния для доcтижeния оптимaльных режимов получения тeплоизоляционных материалов. Рaзрaботaнныe мaтeриaлы облaдaют потeнциaлом для примeнeния в cтроитeльcтвe и других отрacлях, cпоcобcтвуя улучшeнию энeргоэффeктивноcти и cокрaщeнию иcпользовaния трaдиционных мaтeриaлов, что cодeйcтвуeт уcтойчивому рaзвитию и cнижeнию экологичecкого воздeйcтвия. В данном исследовании разработаны составы теплоизоляционных материалов на основе природного диатомита и техногенных отходов (золошлак и золоунос) с использованием цемента и гипса в качестве вяжущих веществ. Полученные материалы демонстрируют хорошие физико-механические свойства: низкий коэффициент теплопроводности 0,336 Вт/м*К и высокая прочность 10,2 МПа после 30 суток твердения. Материалы обладают приемлемыми коэффициентами водопоглощения, что обеспечивает их долговечность и устойчивость к влаге. Таким образом, настоящее исследование открывает новые возможности для создания экологически чистых, экономически эффективных теплоизоляционных материалов на основе диатомита и техногенных отходов. Разработанные материалы могут найти широкое применение в различных областях промышленности, что подчеркивает важность и актуальность проведенной работы.

Активированный уголь полученный из пищевых отходов для суперконденсаторов

M. Нажипкызы — 2024-10-20

В данном исследовании рассматривается использование активированного угля, синтезированного из пищевых отходов, а именно кожуры апельсина, яблока, огурца и луковой шелухи, в качестве электродных материалов для высокоэффективных суперконденсаторов. Для определения потенциала использования кожуры в качестве электродных материалов, сырую кожуру предварительно подвергают карбонизации при 600 °C и последующей активации при 700 °C с использованием КОН. В данном исследовании предложен суперконденсатор, в котором в качестве электродного материала используется синтезированный активированный уголь, а в качестве электролита – 6 М КОН. Результаты показали, что электроды из апельсиновой, яблочной, огуречной кожуры и луковой шелухи обеспечивали удельную емкость 238,5 Ф/г, 201,2 Ф/г, 236,9 Ф/г и 118,9 Ф/г, соответственно, при плотности тока 1 А/г. При увеличении плотности тока до 2 А/г электроды сохраняли свою емкость на уровне 90%.