Горение и плазмохимия

ПРЕДИСЛОВИЕ

З.А. Мансуров — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Визуализация фронта водородно-воздушного пламени по излучению гидропероксила

В.М. Бочарников, В.В. Володин, В.В. Голуб, В.В. Стаханов, В.А. Симоненко — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, Т.А. Журавская — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, М.Н Орынбасар, А.Б. Устименко — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, В.Е. Мессерле, А.Б. Устименко — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, К.Д. Досумов, Г.Е. Ергазиева — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, А.Ю. Захаров, Ж.Е. Аяганов, В.В. Павленко — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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, А. Баткал, Л. Мусапирова, T.A. Кетегенов — Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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

Sun, 20 Oct 2024 00:00:00 +0000

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%.