Вплив фізичних факторів на запалювання та горіння твердого палива та газових сумішей: історія досліджень в Україні

Ще первісні люди обігрівали свої помешкання, готували харчі, користуючися вогнем при спалювані різного палива. Але  значного прогресу при спалюванні твердого палива було досягнуто у 1784 р., коли Джеймс Уатт (1736-1819) збудував універсальну двоциліндрову парову машину, яка швидко завоювала увесь світ. Наступив «Вік її Величності Водяної Пари», і перед теплотехніками виникла проблема — як економічно вигідно спалювати тверде паливо та газові суміші, які утворювалися при цьому? Винахідниками було запропоновано використання різноманітних за конструкцією колосникових решіток та автоматизованих систем завантаження палива. Ідею безперервного завантаження палива у топку запропонував Джеймс Уатт, який у 1785 р. отримав патент на піч з механічним завантаженням палива.
Для зручного обслуговування колосникова решітка розміщувалася на висоті 700-800 мм від підлоги і мала  довжину не більше 2500 мм. Для ефективного створення полум’я і повного спалювання газових сумішей, які утворювалися при цьому, висота простору над решітками котлів повинна була бути не менше1000 мм. Простота конструкції топок з можливістю використання колосникових решіток для спалювання різних твердих палив, відкрило  шлях до широкого їх використання і до сьогодення. Необхідне повітря для спалювання палива підводилося горизонтально. До 1900 року було запатентовано і поставлено під котлами значну кількість різних механічних топок.
Досягнення царської Росії при дослідженні впливу фізичних факторів на спалювання твердого палива та газових сумішей пов’язані з ім`ям ученого інженера Олександра Бородіна (1848-1898). У 1877 р. він був призначений керуючим Києво-Брестською залізницею. При Київських головних майстернях О.П. Бородін 1879 р. створює першу на теренах царської Росії хімічну лабораторію. 1881 року лабораторія була переведена в орендоване приміщення по вул. Безаківській (нині Комінтерна) площею в 120 м², яке мало водо- та газопостачання та було обладнане сучасними на той час приладами. Завідував лабораторією старший хімік Іван Адамович Бардівський.
Під керівництвом гірничого інженера М. Печківського тут виконувалися дослідження якості різних сортів вугілля і дров на стаціонарному паровому котлі в Київських головних майстернях. Ці дослідження з урахуванням результатів, отриманих в хімічній лабораторії (хімічний склад палива, калориметричний аналіз), дали можливість визначити порівняльні характеристики порід дров і вугілля, зупинитися на тих сортах вугілля, які дають найбільшу паропродуктивність котлів і відмовитися від сортів, які містили велику кількість сірки і негативно впливали на стан котлів. Таким чином, вдалося замінити англійське вугілля російським без збільшення його маси і зменшити шкідливий вплив на котельне обладнання.
Розширяючи поступово свою діяльність і удосконалюючися, хімічна лабораторія досягла свого повного розквіту 1898 р. і була переведена у спеціально збудоване нове приміщення площею в 424 м².
До теперішнього часу збереглася будівля хімічно-технічної лабораторії служби тяги і майстерень Південно-Західної залізниці (м. Київ, вул. Фурманова, 3/8). Тут, як і раніше, знаходиться хіміко-технічна лабораторія.
Перше успішне використання пиловугільного палива відноситься до 1896 року, коли товариство з виготовлення портландського цементу „Аtleis Portland Cement Co” почало використовувати пиловугільне паливо для цементних печей.
Факельне спалювання пиловугільного палива в камерних топках отримало широке розповсюдження лише в ХХ сторіччі.
В Україні 8 жовтня 1926 року було введено в експлуатацію першу чергу Штерівська ДРЕС потужністю 20 тис. кВт. Це була перша в світі електростанція, яка використовувала пиловугільне паливо - антрацитовий „штиб” з копалень Донбасу.
Сьогодні установлена потужність теплових електростанцій (ТЕС) України становить 36,3 млн.кВт, з яких 26,1 млн. кВт розміщено на твердопаливних ТЕС. Це дозволяє розглядати твердопаливну енергетику як основу теплової. До того ж при рівні видобутку вугілля 100-120 млн.т на рік його балансових записів в Україні вистачить більш, ніж на 450 років, що значно перевищує резерви рідкого і газоподібного палива. Встановлено, що запаси солоного вугілля Богданівского, Новомосковського і Петриківського родовищ складають приблизно 10 млрд.т. Домінуючими засолюючими домішками у вугіллі є водорозчинні сполуки натрію. З урахуванням низької зольності, помірної вологості, високого виходу летучості і теплоти згоряння, невеликої глибини залягання і того що українське солоне вугілля не потребує збагачення, його можна назвати найбільш перспективним кам'яним вугіллям для теплових електричних станцій. При сьогоднішніх рівнях виробітку розвіданих запасів природного газу (1120 млрд.м³) достатньо на 50-60 років, а нафти (227 млн.т) – на 40-50 років.
Наведені факти дають підставу вбачати у вугіллі єдиний енергоносій органічного походження, запасів якого в Україні достатньо на тривалу перспективу. У структурі виробництва електроенергії вугілля також відіграє істотну роль.Питання ефективності використання вугілля слід розглядати у контексті сучасного стану твердопаливної енергетики. У 1990-х роках в Інституті вугільних енерготехнологій НАН України за результатами наукових досліджень українськими вченими було розроблено низку нових високоефективних вугільних технологій. Серед таких досліджень слід відзначити наступні:
- «Процеси зміни фізико-хімічних властивостей високозольного антрациту у ході термохімічної обробки в процесі його спалювання.» (Ю.П. Корчевой, Н.И. Дунаевская, Я.И. Вовчук, А.Ю.Майстренко). Були встановлені закономірності змін дисперсного складу, пористої структури, вуглемінеральних зростків, умов займання частинок пилоподібного антрациту.
- «Вплив різних параметрів (діаметра та концентрації частинок, тиску та швидкості газу тощо) на процес горіння коксозольних частинок.» (Ю.П. Корчевой, А.Ю. Майстренко, Б.Б. Рохман). Встановлено, що за певних початкових умов виникає внутрішньотопкова циркуляція газу. Було вивчено її вплив на процеси переносу у надшаровому просторі. Показано, що кільцева зона внаслідок малої концентрації окиснювача практично не бере участі у горінні, а виконує роль екрана, який захищає реакційну зону (ядро потоку) від впливу холодної стінки.
- «Моделювання процесів спільного спалювання біомаси та вугілля.» (Ю.П. Корчевий, Н.І. Дунаєвська, Я.І. Засядьмо, Т.С. Худло)
- «Застосування когенераційних енергетичних установок з використанням паливних елементів дозволяє збільшити коефіцієнт використання органічного палива з одержанням термічного ККД понад 90%.» (О.М. Дудник, Ю.П. Корчевой, Г.В. Мухопад, С.В. Оніщенко, А.Р. Щокін). На таких енергоустановках одержано найкращі показники з електричної та теплової ефективності у порівнянні з іншими енергетичними установками потужністю від 1 до 600 кВт.
- «Технології попередньої термічної підготовки вугілля, спалювання в «арочних» топках, котлоагрегатах атмосферного циркулюючого киплячого шару, парогазових установках з внутрішньоцикловою газифікацією та спалюванням вугілля.» (Ю.П. Корчевой, Г.Г. Півняк). Наведено приклади впровадження деяких з цих технологій на ТЕС України та дані щодо розширення паливної бази енергетики за рахунок залучення до енергетичного балансу бурого та "солоного" вугілля, а також відходів вуглезбагачення - шламів і мулів.
- «Оцінка приросту ефективності вловлювання частинок пилу електростатичним фільтром під час впровадження системи попередньої зарядки дисперсних частинок у коронному розряді в умовах змінної швидкості потоку димових газів.» (Ю.П. Корчевой, И.А. Вольчин, В.А. Ращепкин, С.Г. Доманский, Н.Г. Гусар). Запропоновано спрощену модель попередньої зарядки у випадку встановлення коронувальних електродів на дільниці газорозподільної решітки електрофільтра. Одержано аналітичні висновки, що пов'язують приріст ефективності електрофільтра зі швидкістю димових газів та рівнем попередньої зарядки дисперсних частинок. Візначено, що за умови застосування системи попередньої зарядки може бути досягнуто збільшення ефективності вловлювання частинок електрофільтром до 1%.
Досліджено було також сучасні факельні методи спалювання вугілля із системами сірко- і азотоочистки димових газів.
Початок досліджень і вивчення запалювання, горіння та вибухів газових сумішей починається з праць Хемфрі Деві (1776-1829). 1815 року він започаткував основні напрямки щодо спостереження вибухів газових сумішей від електричних іскор та умов поширення горіння в трубках малого діаметру.
В Україні напевно першим, хто почав вивчати процеси горіння газових сумішей, був М. Чернай. Він працював у хімічній лабораторії Імператорського Харківського університету. Підсумком його спостережень за явищами запалювання та розподілу кисню при неповному згорянні газових сумішей стала книга, яку було надруковано в 1876 році.
М. Чернай, вивчаючи твори Хемфрі Деві (1776-1829), Бунзена, Мейера та інших, робить самостійні дослідження з вивчення здатності газових сумішей до запалювання. І відзначає, що на запалювання суміші мають вплив: 1) тиск, з зростанням якого суміші, які не запалювалися, набувають цю властивість; 2) температура, підвищенням якої можна сприяти запалюванню; 3) кількість та якість компонентів газової суміші.
На початку ХХ століття бурхливо починає розвиватися іонна теорія запалювання та горіння газових сумішей. Початок досліджень у цьому напрямку заклав Дж. Дж. Томсон, котрий у 1897 р. був відзначений Нобелівською премією за відкриття електрону. Дж. Дж. Томсон висунув гіпотезу, що у полум’ї виникають електрони і саме вони є джерелами поширення полум’я, тобто відіграють роль передавачів енергії.
В Україні, починаючи з 1920 року, центром досліджень з фізики горіння та вибуху стають лабораторії Дніпропетровського гірничого та фізико-технічного інститутів. Саме з праці професора Г.В. Єврєінова 1923 року починається бурхливий розвиток досліджень впливу фізичних факторів на запалювання та горіння газових сумішей. Г.В. Єврєінов описує дослідження іноземних вчених, що вивчали іонні процеси запалювання та горіння, і ґрунтуючися на цих працях, самостійно намагається теоретично пояснити ці процеси з іонної точки зору. В 1934 р. продовжили розвивати іонну теорію А.Е. Маліновський, В.С. Россіхін, В.П. Тимковський, П.П. Піроцький, М.В. Поляков, М.М. Семенов. Таким чином, з другої чверті ХХ століття в Дніпропетровську починає працювати декілька наукових груп, які вивчають процеси запалювання, горіння та вибуху газових сумішей. Потрібно відзначити, що в цей період розвиток фізики горіння і вибуху в Україні виходить на європейський рівень.
У європейському контексті великий внесок у становлення фізики горіння та вибуху зробив А.Е. Маліновський. Він вперше експериментально встановив можливість гасіння полум’я горючої газової суміші електричним полем, розробив методику отримання нерухомого полум’я при різних значеннях тиску вибухової газової суміші; виконав безліч досліджень, за допомогою яких встановив іонний характер запалювання газових сумішей, вплив змінного та постійного електричних полів на швидкість поширення вибухової хвилі та на швидкість горіння вибухових газів, які широко використовуються в сучасній енергетиці.

Володимир Циганенко

Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua

в начало