Том 335, № 7 (2024)

Актуальность. Анализ современного состояния глобальной энергетической повестки показывает, что проблема антропогенного воздействия на атмосферу планеты объектами теплоэнергетики является одной из самых главных для человечества. В то же время рост потребления электроэнергии стимулирует к введению все новых электрогенерирующих мощностей. Долгое время считалось, что решением этой проблемы является масштабное внедрение нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ветрогенераторов и солнечных батарей) в общий баланс электрогенерации. Однако сейчас уже становится очевидно, что возобновляемые источники энергии не могут полностью покрыть все потребности в электроэнергии. Последнее создает стимулы для введения в эксплуатацию новых тепловых электростанций, работающих, как правило, на угольном топливе. Но основная проблема угольной энергетики – ее антропогенное воздействие – до сих пор остается нерешенной. Такая ситуация создает предпосылки для разработки новых «чистых» угольных технологий с полным циклом секвестирования продуктов сгорания. Одной из наиболее перспективных технологий сжигания угля с низким уровнем выбросов является сжигание угля в составе водоугольного топлива. Однако технология водоугольного топлива имеет ряд недостатков. Один из наиболее существенных – высокие задержки зажигания типичных (с характерным размером 3–5 мм) капель водоугольного топлива. Одним из самых перспективных методов решения этой проблемы является распыление водоугольного топлива в ультрадисперсном состоянии (с характерным размером капель 0,1–1 мм). Цель. Экспериментальное исследование условий и характеристик дробления капель водоугольного топлива в высокоскоростном потоке воздуха. Объект. Водоугольное топливо, приготовленное на основе угля марки Т. Метод. Для установления основных характеристик и условий процесса диспергирования капель водоугольного топлива использовался специальный экспериментальный стенд. Результаты экспериментальных исследований показываюn, что для стабильного дробления типичных капель водоугольного топлива скорость последних (в процессе распыления) должна быть не менее 40 м/с. 

Актуальность исследования связана с поиском подходящих материалов для создания нового поколения анодов в литий-ионных аккумуляторах, обладающих не только большой емкостью, но и высокой электропроводностью. С этой целью предпринимались попытки использовать кремний Si, имеющий высокую удельную емкость, вместо графита C, однако этот материал не обладает высокой электропроводностью. Силициды меди, помимо высокой удельной емкости, обладают большими значениями электропроводности, а также не вступают в реакции с литием в процессе эксплуатации, поэтому могут быть использованы для решения задач по разработке вышеупомянутых литий-ионных анодов. Цель: получить дисперсные материалы в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы системы Cu-Si-C. Объекты: дисперсные материалы, полученные в системе Cu-Si-C. Методы: плазмодинамический синтез, рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ); сканирующая электронная микроскопия; просвечивающая электронная микроскопия. Результаты. Проведены экспериментальные исследования по получению дисперсных материалов системы Cu-Si-C в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы. Исследованы микроструктура и состав синтезированных материалов. Выявлено, что продукт состоит из нанодисперсных частиц, что подтверждается результатами сканирующей и электронной микроскопии. Согласно результатам рентгеновской дифрактометрии, в составе синтезированного материала идентифицируются кристаллические фазы меди кубической сингонии и силицидов меди Cu₃Si и Cu₇Si гексагональной сингонии.

Актуальность. Понимание механизмов взаимодействия капель жидкостей между собой важно для многих промышленно-технических приложений, связанных с решением ряда задач, например, шлакоудаление в высокотемпературной среде, получение компонентов нужной фракции в пищевой промышленности и др. Цель. Установление основных закономерностей взаимодействия капель суспензии в газовоздушной среде при варьировании температуры. Методы. При помощи теневой высокоскоростной видеосъемки определялись основные закономерности процессов бинарного столкновения капель суспензий. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик соударений капель водоугольных суспензий в газовоздушной среде при варьировании температуры среды от 90 до 120 °С. Параметры генерируемых капель: радиус 1,0–2,2 мм, скорость движения 0,5–2,0 м/с. Результаты и выводы. Выделены режимы соударения капель (коагуляция и разрушение), а также определены основные характеристики вторичных фрагментов. Построены карты режимов взаимодействия капель суспензий между собой при варьировании концентрации суспензии, температуры газовоздушной среды и времени нахождения капли-мишени в газовоздушной среде с повышенной температурой. Установлены условия коагуляции капель, а также их интенсивного вторичного измельчения с целью интенсификации их сушки, зажигания и горения в топках котлов. Определено, что повышение температуры газовоздушной среды приводит к существенному изменению размеров и свойств капель, а также к возникновению колебательных явлений. Обосновано, что процесс соударения капель суспензий в газовоздушной среде с повышенной температурой является сложным и многопараметрическим. Его характеристики зависят от совокупности факторов (поверхностного натяжения и вязкости жидкости, размера и формы капель, скорости их движения, плотности и вязкости газовоздушной среды). Получены математические выражения для описания границ режимов исследованных процессов.

Актуальность. Подземные воды являются основным источником производственно-технического водоснабжения горнодобывающих объектов. Геологические строение исследуемых площадей бывает осложнено различными факторами, которые затрудняют поиск и локализацию подземных вод. В связи с этим часто в комплекс поисково-разведочных работ включают геофизические исследования электроразведочными методами, перед проведением которых необходимо обосновать применение выбранного метода для решения поставленных задач путем выполнения численного моделирования. Цель: обосновать применение метода электротомографии на поиск подземных вод с учетом осложняющих факторов в виде многолетнемерзлых пород, таликов и разломной зоны путем численного моделирования. Объекты: геологическая среда, представленная породами четвертичной системы и многолетнемерзлыми породами меловых отложений Зазинской межгорной впадины, разломная зона, таликовые зоны. Методы: решение прямой задачи электроразведки, решение обратной задачи электроразведки, наземные геофизические исследования методом электротомографии. Результаты. На основании выполненного численного моделирования показано, что применение метода электротомографии целесообразно при поиске подземных вод на площади, осложненной различными факторами: многолетнемерзлыми породами, таликами и разломной зоной. По результатам решения прямых и обратных задач электроразведки на примере выполненных в 2020 г. производственных работ в Еравнинском районе Республики Бурятия показано, что электротомографические исследования трехэлектродной установкой с шагом по профилю 5 м, успешно заверенные буровыми работами, позволяют достоверно оконтурить перспективные зоны водопритока. Эти зоны, характеризующиеся низкими значениями удельного электрического сопротивления, на данной площади приурочены к таликовым зонам, питание которых поступает за счет теплового потока с недр земли.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью расширения минерально-сырьевой базы Забайкальского края. Цель: изучение геохимического состава техноземов хвостохранилищ золоторудных месторождений Забайкальского края, соответствие их, по содержанию золота, техногенным месторождениям, расчет превышения предельно-допустимых концентраций токсичных элементов в техноземах хвостохранилищ. Объекты: техноземы хвостохранилищ золоторудных месторождений Забайкальского края. Методы: силикатный, рентгенофлуоресцентный, ICP-AES методы в аналитических лабораториях Геологического института СО РАН (г. Улан-Удэ) и ЗАО «SGS Vostok Limited» (г. Чита). Результаты. Установлено, что по содержанию золота (Au>0,4 г/т) техноземы хвостохранилищ золоторудных месторождений Забайкальского края в целом соответствуют техногенным месторождениям золота. Техноземы хвостохранилищ золоторудных месторождений характеризуются следующими содержаниями золота: Любавинское – 1,79 г/т, Балейское – 1,20 г/т, Ключевское – 0,77 г/т, Александровское – 0,5 г/т, Карийское – 0,35 г/т. Среди хвостохранилищ золоторудных месторождений наибольшими объемами выделяются хвостохранилище Балейского месторождения – 5350 (тыс. м³) и Ключевского месторождения – 4860 (тыс. м³). Сравнительно небольшие объемы составляют хвостохранилища Любавинского – 190 (тыс. м³) и Карийского – 143 (тыс. м³) месторождений. Определено, что по химическому составу техноземы хвостохралищ зависят от состава вмещающих пород, развитых в районах месторождений. Они соответствуют породам как основного, так и среднего составов. Отличительные особенности содержаний элементов-примесей в техноземах хвостохранилищ обусловлены разными составами исходных руд золоторудных месторождений. Данные отличия отражаются в значениях превышения предельно допустимых концентраций относительно почв. Среди токсичных элементов максимальными превышениями предельно допустимых концентраций характеризуется мышьяк. Концентрации мышьяка в техноземах Любавинского месторождения превышают в 933 раза предельно допустимые концентрации почв, Илинского месторождения – в 473 раза, Балейского месторождения – в 397 раз. 

Актуальность исследования определяется необходимостью знания условий и форм концентрирования W в углях для решения целого ряда научных и инженерных задач при комплексном освоении месторождений угля. Цель: комплексная оценка форм нахождения W в углях для разработки мероприятий по рациональному экологически безопасному использованию угля. Методы: корреляционный анализ, сканирующая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, групповой анализ угля, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, инструментальный нейтронно-активационный анализ. Результаты. Комплексом методов изучены формы нахождения W в углях. В большинстве месторождений угля, обогащенных W, установлена отрицательная значимая корреляционная связь его содержания в углях и золах углей с зольностью, что указывает на его связь с органическим веществом. Методом анализа группового состава угля установлено, что основным носителем и концентратором W в изученных месторождениях бурых углей является органическое вещество. Вклад минеральной фазы в целом в обогащенных W углях и в углях с рядовым его содержанием не превышает 20 %, обычно менее 5 %. Эти выводы подтверждаются и данными инфракрасной спектроскопии, согласно которым с минеральными фазами связано не более 15 % металла в исследованных образцах. Преобладает связь W с высокомолекулярными гуминовыми кислотами. В аномально обогащенных W бурых углях на фазу гуминовых кислот приходится от 76 до 88 % валового содержания металла. Роль битумов и низкомолекулярных гумусовых кислот в балансе W, при разном его содержании в углях, незначительна. Минеральные фазы W для углей не характерны. В качестве единичных находок выявлены нано-микровключения шеелита, вольфрамита, гюбнерита и ферберита. Основные минеральные фазы связаны с гидроксидами Fe и Mn, в которые W входит в виде примеси в количестве 1–5 % наряду с другими элементами (Ge, As и др.). В более метаморфизованных каменных углях и антрацитах выявлены аутигенные минеральные образования, представленные тунгститом, филлотунгститом, самородным W и сложными Fe-Mn-Ca-W-O минеральными фазами.

Актуальность исследования определяется практической важностью задач проектирования сетей инженерных коммуникаций, а именно задач оптимизации структуры магистрального трубопровода по нескольким критериям, таким как экономичность, надежность и другим, в условиях ограничений, например, совместимость различных типов инженерных коммуникаций. Так как магистральный трубопровод прокладывается на местности с различными физико-геологическими факторами, природными и ситуацинными условиями, в качестве глобального критерия целесообразно принять надежность его функционирования. Задача оптимизации сетей впервые представлена как отображение магистрального трубопровода по выбранным маршрутам в трехмерном простарнстве, учитывая различные существующие коммуникации и объекты, а также высотные отметки местности. В работе представлены задачи оптимизации сетей как непрерывной, так и дискретной постановках, а также изучены различные показатели надежности функционирования магистрального трубопровода. Цель: разработка модели прокладывания магистрального трубопровода в трехерном пространстве, которая также учитвает надежность функционирования трубопроводного транспорта; сравнительный анализ для различных показателей надежности и топологий магистрального трубопровода. Объекты: инженерные коммуникации и сети, прокладываемые в трехмерном пространстве. Методы: методы вариационного исчисления, методы дискретной оптимизации, методы теории графов и теории гиперсетей, методы анализа надёжности сетей. Результаты. Задача оптимизации магистрального трубопроводного транспорта поставлена с учетом его вложенности по маршруту в трехмерном пространстве с выбором критерия оптимизации (экономичность, надежность и т. п.). Задача представлена в виде непрерывной и дискретной постановок, что важно для ее развития в рамках теории вариационного исчисления и дискретной оптимизации. В настоящей работе задача была исследована в рамках теории графов и гиперсетей, которые позволяют, во-первых, учитывать вложенность одной структуры (магистрального трубопровода) в другую (дискретный аналог трехмерного пространства) и, во-вторых, наглядно проиллюстрировать результаты численных экспериментов. Показано, что в условиях заданного множества способов прокладки вторичной сети по каналам первичной получаются различные оптимальные структуры при рассмотрении в качестве критерия различных показателей надежности, что может быть использовано для реализации проектного решения по строительству и эксплуатации трубопроводного транспорта различного назначения.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью выпаривания больших количеств рассолов на предприятиях калийной промышленности. Выпаривание рассолов в поверхностных выпарных аппаратах затруднено вследствие инкрустации теплообменных поверхностей осадками солей. Поэтому такое выпаривание целесообразнее всего осуществлять в аппаратах погружного горения, так как они не содержат теплопередающих поверхностей. Однако и в этом типе аппаратов возможно возникновение неисправностей из-за неуправляемого осаждения твёрдой фазы. В настоящий момент динамика твёрдой фазы в аппаратах погружного горения слабо изучена. Данное исследование является частью научной программы, направленной на всесторонне рассмотрение закономерностей движения твёрдых частиц в аппаратах с погружным горением. Цель: изучить гидродинамические процессы в установке погружного горения в промежуток времени, соответствующий началу её работы; описать закономерности движения твёрдой фазы в зависимости от времени. Объект: лабораторная установка погружного горения. Проанализирована упрощенная модель теплового режима работы без последующего перехода жидкой фазы в пар. Методы: численный эксперимент. При моделировании применялся гибридный метод конечных объёмов в сочетании с технологией метода конечных элементов. Многофазная система рассматривалась как две сосуществующих подсистемы: газ–жидкость и жидкость–твёрдые частицы. Результаты. Рассмотрен конечный временной интервал работы установки. Обнаружено, что за рассматриваемое время достигается стационарный режим осаждения твёрдых частиц. Обнаружены осцилляции скорости потока жидкости, приводящие к колебаниям массового расхода твёрдых частиц на дне установки. Обнаружено, что схожую форму колебаний имеют скорость на кончике струи дымовых газов, вырывающейся из сопла горелки, а также давление на срезе сопла. Обоснована гипотеза об определяющем влиянии неустойчивости струйного движения дымовых газов на осцилляционное поведение всей гидродинамической системы.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью увеличения использования возобновляемых источников энергии в экономике для снижения вредного воздействия на окружающую среду. Цель: оценка возможности получения термохимическим методом высококачественных углеродистых адсорбентов из гранулированной смеси различных отходов растительного происхождения. Объекты: образцы неликвидной кусковой древесины березы, скорлупы грецкого ореха, лузги семян подсолнечника, костры льна, каменный уголь-антрацит. Методы: физические эксперименты: кондуктивного пиролиза, водопаровой активации и дифференциально-термического анализа. Зольность и влажность образцов определены согласно ГОСТ Р 56881-2016 и ГОСТ 33503-2015. Измерение изотерм адсорбции по азоту проводили на анализаторе N OVA-1200е. Равновесная активность по толуолу определена согласно ГОСТ 8703-74, адсорбционная активность по йоду – согласно ГОСТ 6217-74. Определение плотности гранул осуществлялось по ГОСТ 15139-69. Результаты. Установлены рациональные параметры получения углеродистых адсорбентов из гранул растительного сырья. Определен удельный выход продуктов пиролиза смеси растительного сырья с пиролизной смолой. Удельный выход продуктов карбонизации гранулированной уплотнённой массы показал рост в 25 % в сравнении с неуплотненной смесью растительного сырья. Показано, что наиболее значимыми параметрами, влияющими на развитие микропористой структуры углеродных гранул из уплотнённой массы растительного сырья, являются плотность исходных гранул растительного сырья и степень выгорания активируемых карбонизатов. Рациональными параметрами для получения активированного угля с наиболее высокими адсорбционными способностями являются гранулы плотностью 1200 кг/м³ при степени выгорания продукта карбонизации 70 %. Установлено, что полученные образцы адсорбентов из гранул растительного сырья имеют высокие адсорбционные характеристики, сравнимые с активированными углями, полученными из ископаемого сырья.

Актуальность. Использование противотурбулентных присадок при трубопроводном транспорте углеводородных жидкостей по магистральным трубопроводам позволит заметно снизить энергопотребление силовых насосных станций. Цель: сравнительный анализ эффективности противотурбулентного действия высокомолекулярных полимеров и композиций поверхностно-активных веществ. Методы: лабораторные эксперименты по изучению текучести разбавленных растворов полимеров и дисперсных систем поверхностно-активных веществ через цилиндрический канал турбулентного реометра. Результаты. Проведены сравнительные экспериментальные исследования противотурбулентной эффективности предельно разбавленных растворов полимеров и коллоидных систем. Получены результаты, свидетельствующие о более высокой противотурбулентной эффективности высокомолекулярных полимеров по сравнению с мицеллярными системами поверхностно-активных веществ. В качестве образцов при экспериментальном сравнении гидродинамической эффективности использованы растворы высокомолекулярного полибутадиена и полигидроксидикарбокилаты алюминия в бензине. Описана лабораторная установка, на которой проводились исследования, и представлены использованные формулы для количественных расчетов. Рассмотрена структура полимерных растворов и коллоидных систем, и дано теоретическое объяснение предпочтительному использованию в промышленной практике на реальных трубопроводах высокомолекулярных полимеров в предельно малых концентрациях. Установлен различный механизм деградации противотурбулентных свойств полимерных растворов и дисперсных систем поверхностно-активных веществ, обусловленный различным строением макромолярных клубков полимеров с иммобилизованным растворителем и мицелл из низкомолекулярных соединений дифильного строения. Приведены аргументы, которые объясняют деградацию противотурбулентных свойств полимеров не деструкцией карбоцепных макромолекул, а распадом в турбулентном потоке исходных крупных ассоциатов, состоящих из большого числа цепей, на индивидуальные и более мелкие макромолекулярные клубки с иммобилизованным растворителем.