ДонНТУ > Портал магістрів ДонНТУ
	Семковський Станіслав Володимирович Факультет екології і хімічної технології Кафедра хімічної технології палива та вуглецевих матеріалів Спеціальність: Хімічна технологія палива
Тема магістерської роботи: Можливості удосконалення складу шихт для коксування в сучасних умовах Донбасу Науковий керівник: проф. Бутузова Людмила Федірівна
Матеріали на тему магістерської роботи:   Про автора
Реферат на тему магістерської роботи ВСТУП І ОБГРУНТУВАННЯ АКТУАЛЬНОСТІ ТЕМИ       Удосконалення технології доменного виробництва завжди супроводжувалося посилюванням вимог до показників якості металургійного коксу з метою зниження його витрати на виробництво тони чавуну. Якщо раніше ці вимоги зводилися до необхідності поліпшення технічних характеристик (зольність, сірка), величність (гранулометричний склад) і міцності коксу, то останнім часом у зв'язку з розробкою технології доменної плавки з вдуванням пилоподібного вугільного палива вони доповнилися показниками реакційної здатності (CRI) і послереакційної міцності (CSR).       Кокс, що забезпечує мінімально можливу витрату в доменній печі, повинен характеризуватися наступними показниками: Wr - 3-5%, Ad – 8-9%, Sdt – 0,5-1,0%, Vdaf – 0,3-0,5%; вміст класів > 80 мм 3-5%, < 25 мм 3-4%; М25 90%, М10 6%; CRI 20-25%, CSR 65-70% [1, 23-24].       Рівень цих показників свідчить про підвищену увагу доменщиків до якості коксу.       Показник сірчистості є одним з основних показників якості при встановленні придатності вугілля для різних видів використання, перш за все, в процесах напівкоксування і коксування. У твердому паливі розрізняють сірку органічну So, що входить до складу органічної маси палива, сірку сульфідну Sc і піритову (бісульфідну) Sp, що входять в сульфіди і бісульфіди металів, сульфатну Ss, що знаходиться у вигляді сульфатів металів, і елементну Se, присутню у вугіллі у вільному стані. Сума вказаних різновидів сірки складає загальну сірку St. Показник технічного аналізу – загальна сірка вугілля (Sdt, %) – вказує на сумарний зміст сірки у всіх з'єднаннях, перераховане умовно на елементну сірку (%) по відношенню до аналізованого вугілля.       При спалюванні вугілля виділяються сірчисті з'єднання, які корродуют устаткування, а також шкідливо діють на навколишнє середовище. Сірка коксу погіршує його якість як металургійного палива, оскільки в домні вона переходить в чавун, додаючи йому крихкість і знижуючи якість отримуваною з нього сталі, оскільки повідомляє їй красноломкість [2, 304].       Наприклад, збільшення сірчистості вугілля на 0,1% призводить до зниження продуктивності доменної печі і зростання витрати коксу на 1,8% [3]. Перевищення змісту загальної сірки у вугіллі, призначеному для коксування, на 0,1% в порівнянні з середніми розрахунковими нормами спричиняє за собою зниження оптової ціни вугілля на 0,5%.       На жаль, сировинна база Донбасу, як і України в цілому, характеризується невеликим змістом малосірчистого вугілля марок К, Ж і ОС і вугілля, технічний склад якого дозволяє отримувати кокс заданої якості. Методи збагачення і знесірчування вугільних шихт, а також впровадження нових технологій в процес коксування на даному етапі розвитку промисловості, дозволяє тільки частково вирішити дану проблему. До того ж власники коксохімічних підприємств, в основному, використовують шихти з вугілля, що добре спікається, і малосірчистого вугілля, не думаючи, при цьому, що ресурси такого вугілля не вічні.       У зв'язку з вище сказаним, актуальним представляється завдання забезпечення необхідних показників якості коксу в рамках існуючої вугільної сировинної бази і існуючої технології коксування.       Враховуючи обмеженість істотного вдосконалення технології підготовки і коксування шихти, основним чинником поліпшення якості коксу слід вважати складання раціональних варіантів вугільних шихт з планованих ресурсів з урахуванням економіки його виробництва.       Важливість проблеми пов'язана з широким розповсюдженням сірчистого вугілля. Високим вмістом сірки відрізняється вугілля Болгарії (родовище Зельненград – 3,18%, Горно-озірово – 8,88%, більшість вугілля США і більше 70% вугілля Донецького басейну) [4, 124]. ЦІЛІ І ЗАВДАННЯ       Метою даної наукової роботи є дослідження поведінки вугілля різних типів за відновленістю в шихті в процесі термофільтрації і в процесі напівкоксування, вдосконалення складу шихт і зниження кількості сірки в напівкоксі за допомогою попередньої хімічної обробки.       Основне завдання – на підставі отриманих даних, дати рекомендацію по оптимальному складу шихти для забезпечення необхідної якості коксу з урахуванням існуючої сировинної бази Донбасу. НАУКОВА НОВИЗНА І ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ       Проблемою відновленості і складанням раціональних шихт займалися багато вчених. Професором Бутузовой Л.Ф. розглядався вплив типу по відновленості на вихід продуктів напівкоксування окремих марок вугілля [4, 124-133].       Наукова новизна – застосування методу термофільтрації і напівкоксування для шихт різновідновленого вугілля і складання шихти оптимального складу.       Практична цінність – розширення сировинної бази коксування за рахунок використання в шихтах середньосірчистого і високосірчистого вугіллі Донбасу з отриманням коксу, що відповідає вимогам доменщиків. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ технічний аналіз; елементний аналіз; метод термофільтрації; метод ІЧ-спектроскопії; метод напівкоксування. Цей метод є одним з наибільш перспективних і високоінформативних методів термічної переробки твердого палива, оскільки перетворення, що протікають на стадії напівкоксування, лежать в основі більшості інших процесів промислової переробки ТГК. ОГЛЯД ДОСЛІДЖЕННЬ В ДАНІЙ ГАЛУЗІ На університетському рівні       У Донецькому національному технічному університеті розробки по цій і іншим темам, пов'язаним з проблемою відновленості вугілля ведуться під керівництвом професора Людмили Федірівни Бутузовой. У роботі [5] розглянута проблема переробки сірчистого вугілля і зроблені наступні важливі висновки: встановлені значні відмінності у виході і складі продуктів напівкоксування ізометаморфних пар низько- і високосірчистого вугілля; показано, що смола напівкоксування сірчистого вугілля по своєму складу є ціннішою сировиною для отримання СЖТ в порівнянні із смолою малосірчистого вугілля; встановлено, що газ відновленого вугілля збагачений Н2, Н2S і СН4; продемонстрована можливість хімічної модифікації вугілля з метою інтенсифікації процесів їх спікання і знесірчування при термічній переробці;       В статті [6] виявлено ряд нових показників, що характеризують генетичний тип вугілля за відновленістю: вміст Н2, Н2S и СН4 в напівкоксовому газі; вміст асфальтенів і нейтрального масла в смолі напівкоксовання; відносний вміст алканів, вуглеводнів нафталінового ряда і тіофенів у фракції нейтрального масла та ін. Сайт магістрів ДонНТУ       Пошук по сайту магістрів ДонНТУ не видає не однієї магістерської роботи, пов'язаної з розглядом цієї теми. Огляд у світі       На світовому рівні цією проблемою займаються російські вчені, з яких слід виділити Гюльмалієва А.М. і Гагарина С.Г. В статті [7] С.Г. Гагарин описує важливість проблеми відновленості і умови утворення різновідновленого вугілля. У роботі [8] для кількісної оцінки опису вугілля різного генетичного типу за відновленістю в рамках структурно-хімічної класифікації пальних копалин запропонований параметр (В, %), що характеризує хімічну відновленість вуглецевого остову похідних органічних структур, що містять атоми С, Н, N, O, S. По величині В групи мацералів вугілля складають ряд: ліптініт L > вітрініт Vt > інертініт I, а серед мацералів групи Vt: коллініт > теллініт. При цьому ступінь відновленості равнометаморфізованного вугілля схожого петрографічного складу визначається співвідношенням різновідновлених мацералів групи вітрініта. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА       Об'єктом дослідження є дві пари ізометаморфного газового і жирного вугілля Донбасу однорідних по петрографічному складу, але що розрізняються генетичним типом. У таблиці 1 дана характеристика вихідного вугілля: Таблиця 1 – Характеристика досліджуваного вугілля. Шахта Марка вугілля Тип Технічний аналіз, % Елементний аналіз, % daf Wr Ad Sdt Vdaf C H O+N Центральна Г, k7 a 2,2 5,2 1,22 36,0 85,1 5,11 8,71 Димитровa Г, l1 в 2,1 4,4 2,49 38,7 83,8 5,34 9,50 Засядько Ж, l1 a 2,3 8,2 1,1 32,7 86,1 5,4 7,4 Засядько Ж, k8 в 2,2 2,6 4,1 30,5 85,4 5,2 5,3       Для дослідження склали 4 пари шихт різних комбінацій із співвідношенням Ж : Г = 70 : 30. Таке співвідношення є оптимальним, оскільки мінімальна кількість вугілля, що добре спікається, повинна складати не менше 65% [9, 88].       Дослідження проводилися методом термофільтрації у відцентровому полі на установці ХПІ [10, 190]. Установка є металевим циліндровим апаратом. Навішування шихти 6г поміщають в скляну судину і накривають фільтрувальною сіткою. Далі судину поміщають у фарфоровий патрон і поміщають в залізний приймач, який направляють в апарат і закріплюють. Після включення апарату під дією відцентрових сил і градієнтного нагрівання протягом 20 хвилин до температури 600 0С відбувається відділення пластичної маси від твердого залишку.       Перевага цього методу – це єдиний метод, що дозволяє відокремити пластичну масу без початку вторинних перетворень.       Методом термофільтрації спочатку були знайдені виходи пластичної маси для кожної марки вугілля. Далі цим методом були знайдені виходи для 4 пар шихт із співвідношенням Ж : Г = 70 : 30, а також розраховані теоретичний вихід пластичної маси для цих же шихт з урахуванням аддитивності по формулі: s=a*w(a)+b*w(b) где s – выхід пластичної маси; a, b – кількість компонентів шихти; w(a), w(b) – вміст цих компонентів в шихті.       Результати досвідчених і розрахункових даних представлені в таблиці 2. Таблиця 2 – Виходи пластичної маси для марок вугілля і шихт. Рідкорухомі продукти, % Центральна Г, а Димитровa Г, в Засядько Ж, а Засядько Ж, в 12,2962 4,7781 17,1 42 Жв+Гв, 70/30% Жв+Га, 70/30% Жа+Га, 70/30% Жа+Гв, 70/30% по розрахунку по опитним даним по розрахунку по опитним даним по розрахунку по опитним даним по розрахунку по опитним даним 30,83343 17,6245 33,08886 26,5243 15,65886 20,9517 13,40343 13,7767 Залежність виходу пластичної маси розрахункової і опитної представлена на рис. 1 Рисунок 1 – Порівняльна характеристика розрахункових і опитних виходів пластичної маси Кількість кадрів – 5, кількість повторів – 10       Як видно з рисунка, експериментальні дані по виходу продуктів ТФЦ не аддитивні теоретично розрахованим. Вихід продуктів і відхилення у виході пластичної маси від розрахунку найістотнішим чином залежать від типу за відновленістю і різні при однаковому марочному складі шихт. Це свідчить про хімічну взаємодію компонентів шихт. Оптимальним складом, що дає максимальний вихід рідкорухомої фази при вказаному вище співвідношенні 70 : 30 є шихта, що містить відновлене вугілля марки Ж і слабовідновлене вугілля марки Г. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ МЕТОДОМ ІЧ-СПЕКТРОСКОПІЇ       Для оцінки складу і властивостей продуктів термічної переробки шихт використовується метод ІЧ-спектроскопії з Фур'є перетвореннями (DRIFT).       Метод ІЧ-спектроскопії з Фур'є перетвореннями (DRIFT) займає особливе місце серед інструментальних методів дослідження вугілля і процесів їх термічної деструкції, оскільки він дозволяє отримувати якісні спектри цих складних природних об'єктів. Інфрачервоне випромінювання з частотою менше I00 см-1 поглинається органічною молекулою і перетворюється в енергію її обертання, а випромінювання в діапазоні близько 1000-100 см-1 – в енергію коливальних рухів атомів в молекулі. Застосування поширеного методу зняття ІЧ-спектрів пропускання шляхом таблетування вугілля з KBr не дозволяє зробити напівкількісну оцінку спектрів вугілля і продуктів їх термодеструкциі [11].       Великою перевагою FT-IR методу є можливість використання комп'ютера для цифрового накопичення і обробки даних, що дозволяє проводити операції розширення і звуження спектрів, їх порівняння або синтез, факторний або кореляційний аналіз, віднімання спектру розчинника або мінеральних домішок, показ і розпечатування кривих, програмований контроль експерименту і корекцію базової лінії.       ІЧ-спектри вугілля реєстрували на спектрометрі «Bruker» FTS-7 з використанням техніки DRIFT в Інституті органічної хімії з центром фітохимії Болгарської Академії Наук. Вугілля для аналізу готували у формі 5%-ких сумішей з бромідом калія.       Корекцію базової лінії проводили з використанням комп'ютерної програми «Origin». Побудову базової лінії проводили по відомих точках локальних мінімумів на спектрі, які реєструються при певній довжині хвилі і є характеристичними для всіх ІЧ-спектрів. Метод дозволяє частково усунути наслідки відхилення від закону Ламберта-Бера, обумовлені неоднорідністю зразків, присутністю частинок більшого розміру в порівнянні з довжиною хвилі і ін. Аналіз DRIFT спектрів проводили шляхом відшукання характеристичних смуг поглинання. Даний метод дає добре відтворні результати і широко застосовується в углехимії.       За даними DRIFT-спектроскопії, основними структурними фрагментами досліджуваного вугілля є наступні [12, 170]: ароматичні вуглеводні (зокрема карбоніл- і фенолмістящі), про що свідчить наявність характерних смуг поглинання С=С зв'язку при ~1600 см-1; 0=0 зв'язки в області 1705-1650 см-1 (включаючи хиноїдниє групи в області 1653-1663 -1), поглинання в області валентних коливань ОН-груп (3700-3300 см-1), інтенсивне поглинання -С-О-груп (1300-1100 см-1), яке відносять до деформаційних коливань фенолових і ефірних груп, а також списи поглинання інфрачервоних хвиль в області валентних і деформаційних коливань Сар-Н зв'язків при 3100-3000 см-1 і 900-700 см-1 відповідно; аліфатичні насичені Сал-Н групи, які ідентифікували по наявності інтенсивного поглинання в області валентних коливань 3000-2800 см-1 (СН3, СН2, СН групи) і в області деформаційних коливань: 1480-1430 см-1, 1380-1370 см-1 (СН3-групи); 1485-1445 см-1, 1305 см-1, 1250 см-1, 720 см-1 (СН2-групи); 1340 см-1 (СН-групи); -С=0 групи в насичених з'єднаннях, добре визначувані по смугах поглинання в інтервалі частот 1750-1700 см-1 (альдегіди, кетон, карбонові кислоти, складні ефіри).       На рисунку 2 показані спектри пластичної маси (ЖНП) двох шихт складених із слабовідновленого вугілля марок Г і Ж (рис. 2а) і відновленого вугілля тих же марок (рис. 26). Як видно з рисунка, тип вугілля за відновленістю визначає функціональний склад шихти. Вугілля типа «в» дає пластичний шар, що відрізняється високим вмістом ароматичного водню (V = 700-900 см-1) і мостікових кисневих груп і груп, що містять сіркосполуки (V = 1200-1250 см-1). Вихід рідкорухомої фази і твердого залишку для пари відновленого вугілля складає 17,6% і 59,8%, а для пари слабовленого – 20,9% і 54,3% відповідно. Заміна відновленого газового вугілля на слабовлене різко збільшує вихід рідкорухомих продуктів, відповідальних за спікання вугілля. Вплив типу за відновленістю жирного вугілля менш помітно. Рисунок 2 – ІЧ-спектри пластичної маси шихт, складених із слабовідновленого вугілля марок Г і Ж (рис. 2а) і відновленого вугілля тих же марок (рис. 2б).       Наприклад, в рідкорухомих продуктах отриманих з шихти Га + Жв різко збільшується відносний зміст СНар/СНал по відношенню до цього показника в продуктах отриманих з початкового вугілля. Неаддитивно зменшується так само кількість двох сусідніх атомів водню при ароматичних кільцях. Збільшується зміст мостікових -О- і -S- зв'язків. Ці дані свідчать про збільшення ступеня ароматної ЖНП, зміні способу упаковки ароматичних кілець в шихті і додатковому утворенні тривимірних зшитих структур при термічній обробці суміші вугілля. Напівкількісні дані обробки спектрів показали, що відбувається хімічна взаємодія компонентів шихт, яке залежить від типу початкового вугілля і визначає якість пластичного шару. Висновки       На даному етапі магістерської роботи можна зробити наступні висновки: Отримані методом термофільтрациі виходи пластичних мас 4 пар шихт не аддитивні розрахунковим виходам, що свідчить про хімічну взаємодію шихт. Оптимальним складом, що дає максимальний вихід рідкорухомої фази при вказаному вище співвідношенні 70 : 30 є шихта, що містить відновлене вугілля марки Ж і слабовідновлене вугілля марки Г. По результатам ІЧ-спектроскопії видно, що тип вугілля за відновленням визначає функціональний склад шихти і якість пластичного шару. Далі ці шихти будуть схильні до термічної деструкції методом напівкоксування в реторті Фішера. Склад напівкоксового газу буде визначений в апараті ВТІ. Смола напівкоксування буде розділена екстракцією розчинниками по відомій схемі. Бібліографічний список Рубчевский В.Н., Чернышев Ю.А., Овчинникова С.А. Разработка рациональных угольных шихт ОАО «Запарожкокс» для получения кокса, отвечающего современным требованиям доменного производства // Кокс и химия. 2007. №7. c. 23-27. Саранчук В.И., Ошовский В.В., Власов Г.А. Физико-химические основы переработки горючих ископаемых. – Донецк: Изд-во. ДонГТУ, Східний видавничий дім.– 2001.– 304 с. В. Я. Долгий, А. А. Кривченко, М. Д. Шамало. Содержание общей серы в угольных пластах Украины. Статья из журнала «Уголь Украины» №1, 2000. Бутузова Л.Ф., Сафін В.О., Бондаренко О.В., Бутузов Г.М. Теоретичні та експериментальні дослідження термодеструкції сірчистого вугілля Донбасу // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. – Донецк: Изд-во ДонНТУ – 2007. – вып.119(9). – С. 124 - 133. Бутузова Л.Ф., Сафин В.А., Гонсалвеш Л-Н.Д., Маринов С. Проблемы переработки сернистых углей // Труды IV международной научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов».– Москва.– 2007.– c. 249 – 253. Бутузова Л. Ф., Сафин В. А., Маценко Г. П., Гонсалвеш Л-Н. Д. Новые показатели восстановленности углей // Сборник докладов конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых» – Санкт-Петербург.– 2006.– c. 234 Электронный источник: Материалы научной конференции С.Г. Гагарин // Проблема восстановленности углей. Условия образования и характерные признаки разновосстановленных углей. Журнал Кокс и химия.- 2004.- №4.- с. 2-4. Гюльмалиев А.М., Гагарин С.Г. Проблема восстановленности в структурно-химической классификации углей // Химия твердого топлива.– 2007.– №2 – c. 20 - 26. Луазон Р. Технология коксохимического производства. М.: Металлургия, 1975. В.А. Сафин, А.И. Удодова Л.Ф. Бутузова. Исследование термодеструкции спекающихся углей методом термофильтрации // Сборник докладов VII международной конференции студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». – Донецк.– 2008.– Т.2.– c. 190-191. ИК-спектроскопия Маковский Р.В., Наливкина А.О., Бутузов Г.Н. О взаимодействии компонентов шихт, составленных из углей разных типов по восстановленности // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів / Збірка доповідей VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2009, с. 170-171. Важливе зауваження       Під час написання даного автореферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення грудень 2009 р. Повний текст роботи і матеріали з теми можуть бути отримані у автора чи його керівника після зазначеної дати.
ДонНТУ > Портал магістрів ДонНТУ || Про автора