Новая технология газификации органических отходов высокотемпературным газифицирующим агентом (ВГА) на основе продуктов газовой детонации метанокислородной смеси с температурой выше 1500-2000 ◦С применена для газификации трех видов нефтеотходов: грунтового нефтешлама (ГН), резервуарного нефтешлама (РН) и нефтекокса - продукта вторичной переработки нефти, которые представляют собой смеси разветвленных алифатических углеводородов с небольшим количеством ароматических углеводородов, содержат большое количество углерода (77-85 %(вес.)) и серы (2,1-3,5 %(вес.)) и имеют высшую теплоту сгорания на уровне 28-36 МДж/кг. Эксперименты показывают, что сухие продукты газификации содержат 80-90 %(об.) горючего газа, который содержит 40%-45% СО, 28%-32% Н2, 5%-10% СН4 и 4%-7% неконденсируемых С2-С3 углеводородов. Процесс газификации сопровождается уносом массы из реактора в виде ультрадисперсных твердых зольных частиц размером около 1 мкм. Зольные частицы имеют мезопористую структуру с удельной поверхностью от 3,3 до 15,2 м2/г и широким разбросом размеров пор от 3 до 50 нм. Измеренные температуры стенки реактора-газификатора (600-630 ◦С) хорошо согласуются с расчетным значением термодинамической равновесной температуры продуктов газификации (приблизительно 730 ◦С). Измеренное содержание СО в продуктах газификации хорошо согласуется с термодинамическим расчетом, а пониженное содержание H2 и повышенные содержания СH4, CO2 и СxНy , по-видимому, связаны с неоднородным распределением массового отношения «отходы/ВГА» в реакторе-газификаторе. Для повышения выхода водорода необходимо улучшать смешение отходов с ВГА. Предложено смешивать измельченный нефтекокс с нефтешламом с образованием пасты и подавать комбинированные отходы в реактор-газификатор с помощью поршневого податчика специальной конструкции.

Продолжена работа по развитию технологии импульсно-детонационной пушки (ИДП) для конверсии органических отходов в синтез-газ в двухкомпонентной среде ультраперегретого водяного пара (УПП) и диоксида углерода, полученной в результате импульсной детонации смеси природный газ -кислород с рабочей частотой 1 Гц. Проведены экспериментальные исследования на конвертере отходов с проточным реактором объемом 40 дм21 и двумя ИДП суммарным объемом 2,4 или 3,2 дм21 , что приблизительно в 6 и в 4,5 раз меньше, чем в предыдущих исследованиях. Цель исследований состояла в поиске таких конструктивных и режимных параметров конвертера жидких органических отходов, при которых продукты газификации содержали бы минимальное количество СО2 при работе конвертера с частотой 1 Гц. В качестве отходов использовалось отработанное машинное масло. Показано, что по сравнению с экспериментами, проведенными ранее при более высокой средней температуре стенки реактора-газификатора и при использовании ИДП значительно большего объема, содержание Н2, СО, СН4 и CO2 в синтез-газе практически не изменилось, однако экономичность процесса газификации существенно повысилась: с помощью 1 г природного газа удалось газифицировать до 4 г сырья. Показано, что определяющую роль в процессе газификации жидкого сырья играет время, в течение которого сырье пребывает в ИДП, а не в самом реакторе-газификаторе. Определены минимальное отношение между расходами УПП и жидкого органического сырья, минимальное отношение между расходами горючего газа и жидкого органического сырья и степень использования УПП в процессе газификации жидкого сырья.

Технология импульсно-детонационной пушки (ИДП) применена для автотермической высокотемпературной конверсии природного газа и аллотермической бескислородной газификации жидких/твердых органических отходов ультраперегретым водяным паром (УПП) при атмосферном давлении с использованием двух проточных реакторов существенно разного объема: 100 и 40 л. Импульсно-детонационная пушка работала с частотой 1 Гц на смеси природного газа с кислородом. В качестве жидких и твердых органических отходов использовались отработанное машинное масло и древесные опилки влажностью от 10 до 30 %(вес.). Ожидалось, что уменьшение объема проточного реактора от 100 до 40 л, с одной стороны, не должно повлиять на конверсию природного газа, а с другой стороны, могло привести к повышению температуры газификации в проточном реакторе и, соответственно, к повышению качества получаемого синтез-газа (H2 + CO). Как и ожидалось, в ИДП была достигнута полная конверсия природного газа в синтез-газ с объемными отношениями Н2/СО и СО2/СО, равными 1,25 и 0,25, которые не зависели от объема реактора. Жидкие и твердые отходы конвертировались в проточных реакторах в газ, содержащий Н2, СО, СН4 и CO2. Установившиеся значения отношений H2/CO и CO2/CO в синтез-газе, полученном из отработанного машинного масла, составили 0,8 и 0,5 в 100-литровом реакторе и 0,9 и 0,2 в 40-литровом реакторе соответственно, что указывает на ожидаемое повышение качества синтез-газа. При этом максимальный массовый расход сырья в 40-литровом реакторе увеличился более чем в 4 раза по сравнению со 100-литровым реактором. Установившиеся значения отношений Н2/СО и СО2/СО в синтез-газе, полученном из порции древесных опилок фиксированной массы (2 кг), составили 0,5 и 0,8 для обоих реакторов, а время газификации в обоих реакторах составило около 5-7 мин. Показано, что измеренные объемные доли H2, СО и CO2 в синтез-газе, полученном как при автотермической высокотемпературной конверсии природного газа, так и при аллотермической бескислородной газификации жидких/твердых органических отходов в среде УПП при атмосферном давлении и f = 1 Гц, почти не зависели от исходного сырья и объема реактора, что связано с высокими значениями локальной мгновенной температуры газификации.

In [1], the innovative technology is proposed for pulsed detonation stamping of thin sheet parts. The technology consists in periodically exposing a workpiece to detonation waves and hot gaseous detonation products. The distinctive feature of the technology is the absence of a punch (the mating part of a pro¦led matrix). Compared to the detonation of condensed explosives, the use of gaseous detonation for stamping allows multiple periodic gasdynamic and thermal impact on a workpiece and simpli¦es the execution of technical supervision requirements. Due to the combined gasdynamic and thermal e¨ects of gas detonation on the workpiece, the new technology makes it possible to stamp workpieces made from brittle heat-resistant alloys without the use of expensive hot stamping technologies. A laboratory setup (Fig. 1) for pulsed detonation stamping has been created. The main part of the installation is a thick-walled expanding §at vertical channel with a volume of 30 l. In the lower narrow part of the channel, there is a prechamber with a mixing device and spark plugs. In the upper wide part of the channel, there is a §at §ange with a pro- ¦led matrix and fastening for a workpiece. The setup allows heating the workpiece and matrix with gas burners and operates as follows. Firstly, the channel is ¦lled through the prechamber with a stoichiometric methane oxygen mixture. Secondly, the mixture is ignited by spark plugs, and the arising §ame is transitioned to detonation. Finally, once a detonation wave is formed, it propagates along the channel and re§ects from the heated workpiece exerting a mechanical and thermal e¨ect on it. By changing the degree of channel ¦ll with an explosive mixture and cycle frequency, one can vary the intensity of the impact on the workpiece as well as the temperature of the workpiece and matrix. The duty cycle of the pulses can vary from 10 to 30 s. The shape of the expanding §at vertical channel must ensure that the workpiece is subjected to a planar detonation wave to avoid nonuniform deformation. For estimating the §ow pattern ahead of the workpiece and the parameters of the incident detonation wave, multivariate three-dimensional numerical simulations were performed. Calculations provided pressure and temperature ¦eld evolution ahead of the workpiece for di¨erent shapes of the expanding channel and allowed choosing the optimal channel shape. The characteristic time of mechanical and thermal action of a detonation wave on the workpiece was estimated at 0.1 and 10 ms, respectively. Experiments showed that the developed technology made it possible to stamp thin sheet parts of complex shape made from various materials, including brittle heat-resistant alloys. As an example, Fig. 2 shows a photograph of the stamping product.

Впервые экспериментально продемонстрирована технология импульсно-детонационной пушки (ИДП) для газификации органических отходов ультраперегретым водяным паром (УПП). Проведены эксперименты по автотермической детонационной конверсии природного газа, а также по аллотермической газификации жидких (отработанного машинного масла) и твердых (древесных опилок) отходов продуктами детонации смеси природный газ - кислород при частоте детонационных импульсов f = 1 Гц, обеспечивающей осредненную по времени среднемассовую температуру продуктов детонации в проточном реакторе на уровне 1200 К при среднем абсолютном давлении в реакторе на уровне 0,1 МПа. Показано, что технология ИДП может обеспечить полную (100%) конверсию природного газа в синтез-газ, содержащий H2 и СО с соотношением H2/CO « 1,25. При детонационной газификации жидких и твердых отходов суммарная объемная доля горючих газов (H2, СО и CH4) в получаемом синтез-газе составила 80 и 65 %(об.) с соотношениями H2/CO = 0,8 и 0,5 соответственно. Сравнение составов синтез-газа, полученного в экспериментах с богатыми кислородными смесями природного газа без подачи отходов, а также с подачей жидких и твердых отходов, в одинаковых условиях при f = 1 Гц показало, что состав синтез-газа, получаемого в детонационном конвертере отходов почти не зависит от типа сырья.

Работа посвящена дальнейшему развитию технологии импульсно-детонационной пушки (ИДП) для конверсии органических отходов в синтез-газ в двухкомпонентной среде ультраперегретых водяного пара и диоксида углерода, полученной в результате импульсной детонации смеси природный газ – кислород [1–3]. В [2, 3] технологию ИДП применили для автотермической высокотемпературной конверсии природного газа и аллотермической бескислородной газификации жидких/твердых органических отходов при атмосферном давлении с использованием ИДП объемом ∼15 дм3, работающей с частотой 1 Гц, и проточных реакторов объемом 100 [2, 3] и 40 дм3 [3]. Оказалось, что измеренные концентрации Н2, СО и СО2 в синтез-газе, полученном конверсией природного газа и газификацией жидких/твердых органических отходов, практически не зависели от исходного сырья и объема проточного реактора, что объясняется высокими значениями локальной мгновенной температуры в реакторе (выше 2000 °С). В данной работе аналогичные исследования провели на конвертере отходов с проточным реактором объемом 40 дм3, но вместо ИДП объемом 15 дм3 использовали две ИДП суммарным объемом в ∼6 раза меньше: 2,4 дм3 (см. рисунок).

Instead of applying mechanical propellers for producing thrust in water vehicles, patent [1] proposed using a pulsed detonation hydrojet consisting of a pulsed detonation tube inserted into a water guide. It was implied that the pulsed detonation tube could periodically detonate a fuel oxidizer mixture and generate shock waves pushing water out of the guide and producing thrust. For e¨ective shock-to-water momentum transfer, it was proposed to increase water compressibility by saturating it with bubbles of a chemically inert or reactive gas. It was found in [2] that the optimal gas content required for the maximum shock-to-water momentum transfer was about 20 %(vol.). However, experiments and calculations in [2] were made for a single shock interacting with bubbly water, thus implying that this ¦nding was valid for relatively low frequencies of shock generation. The shock-to-water momentum transfer is obviously dependent of operation frequency as shock waves propagating in a compressible medium tend to merge with each other and each preceding shock wave changes the gas content ahead of the succeeding shock wave. The objective of this work was to study the e¨ect of shock generation frequency on the §ow pattern in the water guide and on the e©ciency of shock-to-water momentum transfer. The frequency of shock-wave pulses entering a column of bubbly water was about ∼ 7 kHz which is characteristic of continuous-detonation combustors rather than pulsed detonation tubes. Interaction of the wave package in the form of the high-frequency sequence of three shock waves with bubbly water (see the ¦gure) and the shock-to-water momentum transfer were studied experimentally. The wave package was generated by detonating the gaseous stoichiometric propane oxygen mixture in a detonation tube with three tube branches of di¨erent lengths submerged in a column of bubbly water with free surface. In the experiments, the initial gas content in water was varied from 2 to 16 %(vol.) at the average diameter of air bubbles 3 4 mm and shock wave velocity in bubbly water in the range of 40 to 180 m/s. Experiments showed that the use of high-frequency shock-wave pulses in a hydrojet is pointless because of the arising interference of pulses which worsens the momentum transfer: on the one hand, the waves penetrating water quickly merge, thus feeding each other and increasing the bubbly water velocity, but on the other hand, the initial gas content for each successive shock wave decreases and, accordingly, the e©ciency of the momentum transfer decreases. The maximum operation frequency of the pulsed detonation tube in the hydrojet was shown to be limited by 50 60 Hz.

The pulsed detonation gun technology for gasi¦cation of organic waste with ultrasuperheated steam [1, 2] has been demonstrated experimentally for the ¦rst time. The organic waste converter consisted of a pulsed detonation gun and water-cooled spherical §ow reactor (Fig. 1). Experiments on methane conversion as well as on the gasification of liquid (waste machine oil) and solid (sawdust) waste by the high-temperature gaseous detonation products of methane oxygen mixture were performed. The pulsed detonation gun was operated at a relatively low frequency of f = 1 Hz which provided a timeaveraged mean temperature of detonation products in a spherical §ow reactor at a level of 1200 K at a time-averaged absolute pressure in the reactor slightly higher than P = 1 atm. The novel technology was shown to provide complete (100%) conversion of methane into syngas containing H2 and CO with a ratio of H2/CO ≈ 1.25 2. Gasi¦cation of liquid and solid wastes led to the production of syngas containing reactive components H2, CO, and CH4 in the total amounts of 80 and 65 %(vol.) dry basis (d. b.), respectively. The corresponding H2/CO ratios in the product syngas were 0.8 and 0.5. Overall, experiments on methane conversion as well as liquid and solid waste gasi¦cation showed that under the same conditions at f = 1 Hz and P = 1 atm, the composition of syngas in terms of H2 and CO almost did not depend on the type of feedstock (Fig. 2).

Детонационное горение в энергетических установках — предмет нарастающего интереса во всем мире, что объясняется более высокой эффективностью термодинамического цикла Зельдовича с детонационным горением по сравнению с обычным циклом с горением при постоянном давлении [1, 2]. Это и другие преимущества цикла Зельдовича — теплоподвод с повышением давления, высокая кинетическая энергия продуктов детонации и высокая полнота реакции, обусловленная объемным самовоспламенением, — делают его привлекательным для перспективных аэрокосмических силовых установок на основе импульсной [3] и спиновой [4] детонации. Данная работа посвящена использованию цикла Зельдовича в движителях водного транспорта. В работах [5–7] предложен, изготовлен и испытан новый тип движителя — импульсно-детонационный гидрореактивный двигатель (ИДГРД), который представляет собой детонационную трубу, вставленную в прямоточный водовод (см. рисунок).

Исследование посвящено выяснению и устранению причин цикловой неидентичности при работе инновационного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ИД ГРД), которая снижает его тяговые характеристики. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец ИД ГРД в виде импульсно-детонационной трубки (ДТ), соединенной с оптически прозрачным водоводом. Проведены экспериментальные исследования с вертикальным погружением образца в воду. Обнаружено, что межцикловая неидентичность связана с перерасширением газообразных продуктов детонации в детонационной трубке вследствие инерции водяного столба в водоводе. Перерасширение газа вызывает обратное течение механической газоводяной смеси, которая не только заполняет водовод, но и проникает в ДТ, оказывая сильное влияние на циклический рабочий процесс. Для устранения межцикловой неидентичности разработан, изготовлен и испытан новый лабораторный образец ИД ГРД, оснащенный вращающимся механическим клапаном и работающий на пропанокислородной смеси. Его огневые испытания показали, что при прочих равных условиях применение клапана позволяет в значительной мере устранить межцикловую нестабильность и увеличить средний удельный импульс более чем вдвое: до 550 с вместо 250 с при рабочей частоте 14 Гц.

A mathematical model for simulating combustion and detonation of a fuel–air mixture in the gas cavity above the free water surface is developed. The model is based on solving the conservation equations of mass, momentum, and energy for a two-phase reacting gas–water medium with the phases treated as interacting interpenetrating continua having their own values of velocity, temperature, and turbulence characteristics. The model is validated by laboratory experiments. The test rig included a transparent cylindrical tube with one closed-end, a pool with an optically transparent window, as well as power, ignition, control, and measurement systems. The tube was vertically immersed with its open end in water and filled with a gaseous explosive mixture. In the experiments, a stoichiometric propane–air mixture was ignited and burned in the semi-closed 60 mL cylindrical volume above the free surface of water. The model is shown to predict satisfactorily the lift force acting on the tube, the time history of pressure in the volume, and the dynamics of the flame and gas–water interface motion during combustion in the volume. The model is intended to be applied for the design of boats with propulsion solely by combustion/detonation of fuel–air mixture in cavities constructed into a bottom surface of the boat. This propulsion system replaces conventional propellers, thereby reducing hydrodynamic resistance.

For reducing the hydrodynamic drag of a boat, a gas cavity can be made under the boat bottom, which will partially isolate the bot- tom from direct contact with water and provide ¤gas lubrication¥ by forced supply of atmospheric air or exhaust gases from a boat motor.

It is proposed to produce highly superheated steam (HSS) for environmentally friendly steam assisted gasification of organic municipal and industrial wastes using cyclic detonations of ternary propane/methane-oxygen-steam mixtures. Systematic experiments to determine the detonation limits of such mixtures in terms of steam dilution have been conducted. The experiments are performed in an innovative pulse-detonation steam superheater (PDSSH) with cyclic detonations of ternary mixtures at variation of fuel-to-oxygen equivalence ratio (from 0.14 to 1.77 in propane mixtures and from 0.3 to 1.84 in methane mixtures) and steam volume fraction (from 0 to 0.7) at normal atmospheric pressure. The experiments are supplemented by thermodynamic calculations. Cyclic detonations of ternary propane/methane-oxygen-steam mixtures are proved to generate HSS with temperature exceeding 2250 K, when expanded to the atmospheric pressure. The detonation products of stoichiometric ternary mixtures under consideration can contain up to 80% HSS and up to 17% CO2 with trace amounts of CO, O-2 and H-2. As a result of deep processing (gasification) of organic wastes by such products a gaseous mixture of CO and H-2 is obtained, which can be further used as a fuel gas for PDSSH operation, heat/electricity production, and as a raw material for production of methanol and synthetic motor fuels. Due to periodic filling of the PDSSH with the cool ternary gas mixture, the temperature of PDSSH walls and inner elements increases insignificantly, so that conventional (not heat-resistant) construction materials can be used for its production.

To reduce the hydrodynamic drag force to the movement of the boat, an artificial gas cavity is organized under its bottom. Such a cavity partially insulates the bottom from direct contact with water and provides “gas lubrication” by means of forced supply of atmospheric air or exhaust gases from the main propulsion system. A proper longitudinal and transverse shaping of the gas cavity can significantly (by 20%-30%) reduce the hydrodynamic drag of the boat at low (less than 3%) consumption of the propulsion system power for gas supply.

The paper presents the results of testing of the innovative laboratory-scale installation for organic waste anaerobic gasification to syngas (CO and H2) with highly superheated steam (HSS) produced by cyclic detonations of ternary methane-oxygen-steam mixtures in the pulsed detonation steam superheater (PDSSH).

A water transportation engine of a new type—a pulsed detonation hydroramjet (PDH)—has been designed, manufactured, and tested. The PDH is a pulsed detonation tube (DT) inserted in an open-ended water guide. The thrust is developed by shock-induced pulsed water jets periodically emanating from the water guide nozzle. Numerical simulations indicate that valveless and valved PDH models can produce thrust with the specific impulse on the level ranging from 600 to 2400 s. Test firings of PDH models of various designs with a 2-liter DT were carried out on a specially designed test rig, which provides the approaching water flow in the form of a submerged jet at a speed of up to 10 m/s. The measured average specific impulse of valveless and valved PDH models was on the level of 350–400 s when the first operation cycle was not considered. The measured values of the average thrust and specific impulse in the first operation cycle were shown to be always much higher than those in the subsequent cycles: In the tests, the average value of thrust in the first cycle varied from 300 to 480 N, and the value of the specific impulse varied from 960 to 2690 s, which indicates the potential of increasing the thrust performance.

Проведены экспериментальные исследования процессов пульсирующего горения пропано-воздушной смеси в модельной днищевой каверне судна (без обводов судна), погруженной в бассейн с покоящейся водой. В экспериментах регистрировались расходы воздуха и горючего, распространение пламени, а также выталкивающая и толкающая силы, действующие на модельную каверну. Результаты экспериментов сравниваются с результатами трехмерных расчетов, основанных на физико-математической модели горения подготовленной горючей смеси в полузамкнутом объеме над свободной поверхностью воды, разработанной ранее: по форме и положению фронта пламени и границы раздела сред«газ-вода» в разные моменты времени и по динамике изменения сил, действующих на днище и на редан каверны. Получено удовлетворительное качественное и количественное согласие результатов расчетов и измерений.