Вєтров Iгор Валерійович

Факультет екології та хімічної технології

Кафедра хімічної технології палива

Специальність Хімічна технологія палива та вуглецевих матеріалів

Вплив газового середовища на термічні перетворення сірчистого вугілля

Науковий керівник: д.х.н., професор Бутузова Людмила Федорівна

Реферат

Зміст:

1. Вступ
2. Аналітичний огляд
3. Експериментальна частина
4. Висновок
5. Список літератури

Вступ

Актуальність теми. Сучасні умови вуглезабезпечення коксохімічних підприємств України характеризуються недостатньою кількістю малосірчистих і коксівних компонентів шихти для коксування. На українському ринку вугілля спостерігається постійний дефіцит якісного низько сірчистого коксівного вугілля власного видобутку. Це пов'язано з тим, що сировинна база Донбасу, як і Україна в цілому, характеризується невеликим вмістом малосірчистого вугілля марок К, Ж і ПС. При цьому збільшується частка видобутку слабо спікливого і не спікливого сірчистого вугілля, які переважають в нашій країні [1].

Таким чином, актуальною є задача отримання якісного коксу з наявної вугільної сировинної бази і на основі існуючої технології коксування, що може бути реалізовано шляхом розробки найбільш раціональних варіантів складання вугільних шихт і можливого застосування в них різних органічних добавок.

Мета роботи – дослідження коксів отриманих на основі шихт з використанням сірчистих вугіль і добавок речовин які впливають на процес термічної деструкції.

Задачі роботи:

1. Визначити пластометричні показники шихт які містять вугілля різних типів за відновленістю;
2. Визначити вплив добавок на пластометричні характеристики шихт з різним вмістом сірчистих вугіль;
3. 3Визначити якісні показники отриманих з цих шихт високотемпературних коксів (міцність, вміст сірки);
4. З'ясувати можливість зменшення частки добре спікливих вугіль в шихті зі збереженням якості коксу.

Об'єктом дослідження в роботі є шихти з вугілля Донецького басейну шахт Центральна і Засядько з різним поєднанням компонентів слабо відновленого (Га, Жа) і відновленого (Жв) типів.

Науковою значимістю є вивчення якісних показників коксів з шихт з використанням сірчистих вугіль і застосуванням різних органічних добавок.

Практична цінність результатів роботи полягає в розширенні сировинної бази коксування за рахунок використання в шихту сірчистих вугіль Донбасу і відходів коксохімічного виробництва з отриманням якісного коксу.

Аналітичний огляд

Одним з найбільш простих способів підвищення спікливості вугільних шихт в умовах погіршення сировинної бази коксування є застосування органічних добавок. Передбачуване використання в якості добавок хімічних відходів коксохімічного виробництва дозволить одночасно вирішити проблему їх утилізації. Так як в даний час значна кількість смолистих відходів коксохімічних цехів не знаходить кваліфікованого використання, то виникає доцільність їх використання в якості добавок в шихту при виробництві коксу [2].

Встановлено, що відходи коксохімічного виробництва беруть активну участь в процесі коксообразування, змінюючи характер реакцій термохімічного розкладання вугілля і збільшуючи вихід і якість коксу. Застосування подібних добавок до шихти дозволить розширити сировинну базу коксування за рахунок застосування в шихті великої кількості слабоспікливого і газового вугілля. При цьому утилізуються небезпечні органічні сполуки [3].

Застосування органічних добавок становить великий інтерес у зв'язку з їх здатністю впливати на спікливість вугілля, вихід і якість коксу, а також на вихід хімічних продуктів коксування.

У літературі описано вплив таких добавок, як тверді полімери (поліетилен, полістирол, поліетилентерефталат), відходи коксохімічного виробництва (кисла смолка сульфатного відділення, полімери поглинального масла, кисла смолка цеху ректифікації бензолу, кам'яновугільна смола, фуси), мазут, кам'яновугільний пек, відходи нафтової промисловості та ін.

Разом з тим, розглядаючи весь спектр можливих органічних добавок до вугілля при вивченні їх впливу на процес спікання, відзначимо, що є дані, що вказують на важливу роль органічних добавок у процесах термохімічного перетворення вугілля і їх спікання. При цьому одні з них можуть вступати в хімічну взаємодію з продуктами первинної деструкції вугілля і тим самим докорінним способом впливати на процеси формування вугільної пластичної маси, роблячи її більш-менш текучої, більш-менш реакційноздатною, затвердіваючою з більшою чи меншою швидкістю та ін. Інші можуть і не вступати в хімічну взаємодію з вугіллям або первинними продуктами його термічної деструкції, але самі, переходячи до пластичного стану, беруть участь у формуванні вугільної пластичної маси і запікають не спікливі компоненти вугільної шихти.

Як у першому, так і в другому випадку органічна добавка впливає на характеристичні показники утворення вугільної пластичної маси, однак у першому випадку вплив добавки більш глибоке. Воно не тільки зачіпає пластичні властивості, але й вносить істотний вклад у формування молекулярної структури затвердіваючої пластичної маси, роблячи її, зокрема вуглецевий скелет, більш-менш графітуемим. В другому випадку добавка практично не впливає на молекулярну структуру твердого залишку термічної деструкції, а лише підвищує або знижує його міцність. Іншими словами, добавка в цьому випадку виконує роль додаткової кількості зв'язуючого у вугільній пластичній масі. Якщо його і так достатньо у вугільній пластичній масі, то добавка може знизити міцність твердого залишку. Якщо ж у вугільній пластичній масі зв'язуючої складової недостатньо, то добавка призведе до підвищення міцності утвореного коксу.

Наприклад, показано, що при добавці до газового вугілля 5–20% кам'яновугільного пеку або смоли текучість отриманої вугільної пластичної маси, характеризується виходом рідко рухливих продуктів за методом ХПІ, значно збільшується. Істотно покращується при цьому і міцність одержуваного твердого залишку (напівкоксу і коксу) [4].

Так само в літературі були описані досліди з коксування вугілля з добавкою до 10% смоляного пеку, гатча нейтрального масла і стеаринового пеку, а також різних кількостей суміші з двох цих речовин. Було встановлено, що при добавці нейтрального масла або стеаринового пеку до коксівного вугілля значно збільшується вихід газу, бензолу, етилену і метану. При добавці смоляного пеку значного збільшення зазначених продуктів не спостерігається [5].

Згідно [6], добавка ДАК (динитро азобісізомасляной кислоти – C₈H₁₂N₄), що є ініціатором радикальної полімеризації, до зразків вугілля відновленого типу при напівкоксування призводить до збільшення виходу напівкоксу, зниження виходу води і парогазових продуктів. А для зразків слабо відновленого типу, навпаки, спостерігається зниження виходу напівкоксу і різке збільшення виходу газу.

Останнім часом цікавить дослідження впливу на процеси напівкоксування і коксування деяких найбільш широко поширених твердих полімерів (поліетилен, поліетилентерефталату, полістиролу), які при нагріванні деструктируют практично в тих же температурних інтервалах, що і спікливе вугілля.

Досліджено можливості утилізації поліетилентерефталату у процесах напівкоксування і коксування газового вугілля різних типів за відновленістю. Показано, що добавка пластика в невеликих кількостях (1%) є достатнім для збільшення ресурсів рідкої фази пластичної маси, що дозволяє збільшити вихід коксу зі збереженням його міцності, збільшити вміст в газі цінних горючих компонентів, таких як Н₂, СО, С_nН_m. Були відзначені істотні відмінності в ході процесів термічної деструкції низько і високо сірчистих вугіль [7].

Експериментальна частина

Вивчення шихт і вугілля проводили пластометричним методом (ГОСТ 1186–87). ОВизначення міцності коксів здійснювали копровим методом (ГОСТ 5953–81). Визначення загальної сірки проводили за методом Ешка (ГОСТ 8606–93).

Як добавки вводили динитро азобіcізомасляной кислоти (ДАК) для ініціювання процесів радикальної полімеризації, а також кам'яновугільний пек, пінополістирол (ППС), поліетилентерефталат (ПЕТФ), феноли.

Для вивчення шихт використовували стандартний пластометричний метод. Коксування зразків шихт масою 100 г. і крупністю 0–3,6 мм проводили в апараті Сапожникова, поданому на рисунку 1, при швидкості нагріву 3°С/хв до кінцевої температури 1010°С з ізотермічної витримкою при максимальній температурі протягом 10 хвилин. Сутність методу полягає в однобічному нагріві вугільного завантаження з періодичним визначенням товщини пластичного шару і подальшим вимірюванням осьової усадки. Ці параметри в поєднанні з автоматично записаною пластометричною кривою і з характеристикою коксового залишку дають уявлення про коксуємість вугілля [8].

Рисунок 1 — Пластометричний апарат:
1 – плита, 2 – стійка, 3 -– муфта для кріплення важеля, 4,6 – шарнірні валики, 5 – важіль, 7 – штемпель, 8 – стакан, 9 – трубка для термопари, 10 – плівка притискна, 11 – дно склянки, 13 – цегла верхня, 14 – цегла нижня, 15 – електрод, 16 – скоба напрямна, 17 – стійка напрямна, 18 – вантаж, 19 – підвіска вантажу, 20 – стійка барабана, 21 – барабан з годинниковим механізмом, 22 – перо, 23 – гвинт інсталяційний.

Механічну міцність коксів оцінювали копровим методом на лабораторній установці представленою на рисунку 2. Для проведення випробування готували пробу коксу, подрібненого до крупності 10–13 мм. Потім відбирали наважку 20 г, зважували з точністю 0,01 г і насипали рівним шаром на дно сталевого стакана. Стакан 1 встановлювали на спеціальну підставку 2 і вводили в нього металеву трубку 3. Після цього на досліджувану пробу скидали вантаж 5 масою 1 кг 15 разів, так що при відстані від основи до дна стакана в 1 м відбувалася робота 147 Дж. Отриманий роздроблений кокс розсіювали через сита 10, 5, 3, 1, 0,5 мм з наступним зважуванням кожної фракції. За цими даними обчислювали індекс міцності П, рівний роботі руйнування А, необхідної для утворення одиниці нової поверхні S, тобто

П=dА/dS,

Показник опору подрібнення (Р,%) обчислювали по виходу класу більше 3 мм і висловлювали, як:

Р=100*ai/G,

де ai – відповідна вага фракцій коксу 3–5, 5–10 і 10-–13 мм, а G – загальна вага всіх фракцій коксу. Крім того, по виходу класу менше 0,5 мм (%) був визначений індекс стирання (І) [8].

Рисунок 2 — Лабораторна установка для визначення механічної міцності коксу копровим методом:
1 – стакан; 2 – підставка; 3 – трубка; 4 – схил; 5 – вантаж.

Суть методу Ешка полягає в тому, що аналітичну пробу палива разом з сумішшю Ешка спалюють в окислюємому середовищі з метою видалення горючої маси і перетворення сірки в сульфати. Далі сульфати екстрагують розчином соляної кислоти або водою і визначають гравіметричним способом після осадження їх хлоридом барію.

Результати досліджень

У таблиці 1 наведена характеристика досліджуваного вугілля.

Таблиця 1 - Характеристика досліджуваного вугілля

Як видно з таблиці, вугілля відновленого типу (в) відрізняються більш високим вмістом сірки в порівнянні зі слабко відновленим вугіллям типу (а).

Аналіз даних, отриманих в ході вивчення шихт, що характеризують хід газовиділення у процесі піролізу показав що характер кривих для шихти Жв:Га із співвідношенням компонентів 50:50% не змінюється при додаванні ДАК. Однак, відбувається інтенсифікація процесу газовиділення з характерним підвищенням частоти піків, що свідчить про збільшення кількості виділяемих рідко рухливих продуктів піролізу які відповідальні за процеси спікання компонентів шихти.

Рисунок 3 — Пластометричні криві для шихт.

Рисунок 4 — Графіки товщини пластичного шару для шихт.

Результати досліджень наведені в таблиці 2 і 3.

Таблиця 2 - Пластометичні показники шихт.

З таблиці видно, що використання відновлених жирних вугіль в коксовій шихті (Жв:Га, 70:30) призводить до істотного збільшення товщини пластичного шару, величини пластометричної усадки і виходу коксу в порівнянні з шихтою, складеної з малосірчистих компонентів (Жа:Га, 70 : 30).

Введення 5% добавки ДАК, як і пеку до шихти Жв:Га 50:50 збільшує товщину пластичного шару і тим самим збільшує здатність компонентів шихти до спікання.

Таблиця 3 - Показники міцності коксу і зміст загальної сірки

*у разі маломіцного коксу індекс П може виявитися перекривленим

Дані, наведені в таблиці 3, вказують на різке збільшення показників міцності коксу з шихти зі співвідношенням компонентів 70:30 при заміні жирного вугілля типу (а) на тип (в). Шихта 50:50 також має показники І та Р, кращі в порівнянні з шихтою Жа:Га, 70:30. Добавка ДАК призводить до зниження стиранності при приблизно однаковій величині опору дроблення. Добавка пеку значно покращує показники міцності коксу.

Висновок

Отримані результати свідчать про можливість зниження частки добре спікливих компонентів у шихті і можливості управляти процесом переходу вугілля до пластичного стану шляхом введення спеціальних органічних добавок.

Можливе використання відходів коксохімічного виробництва в якості добавки до вугільної шихті для коксування.

Очевидна необхідність врахування генетичного типу за відновленістю при складанні шихт для коксування.

Список літератури:

1. Производство и потребление коксующихся углей в Украине и России [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uaenergy.com.ua/
2. Васючков Е.И., Музычук В.Д., Журавлева Л.А., Глущенко И.М., Панченко Н.И., Ивченко А.Ю. Исследование возможности использования отходов коксохимического производства в шихте для коксования // Кокс и химия. – 1985. – №11. – с. 16–18.
3. Салтанов А.В., Павлович Л.Б., Пьянков Б.Ф., Калинина А.В., Гайниева Г.Р. Утилизация углеродсодержащих отходов в процессе высокотемпературного пиролиза каменного угля: спекающие и обмасливающие присадки // Кокс и химия. – 2002. – №4. – с. 17–25.
4. Рафальский П.Н., Шульга А.А., Репка Л.В., Бессмертная В.И., Рымарчук Л.А. Комплексное исследование влияния добавок каменноугольного пека на качество угольных шихт и кокса // Углехимический журнал. – 2010. – № 5–6. – с.11–14.
5. Грязнов М.С. Особенности процесса коксования углей с масляными добавками // Кокс и химия. – 1961. – № 6. – с.17–22.
6. Бутузова Л.Ф., Сафин В.А. Полукоксование высокосернистых спекающихся углей в присутствии добавок // Матеріали III наук.–практ. конф. «Донбас–2020: Наука і техніка – виробництву». – Донецьк, 2006. – с. 404–408.
7. Бутузова Л.Ф., Исаева Л. Н., Маковский Р. В., Шевкопляс В. Н., Булыга О. С., Бутузов Г.Н. Влияние добавок пластика на процессы термодеструкции сернистых углей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. – Донецк: ДонНТУ – 2008. – вып.137(11). – с. 96–101.
8. Методические указания к лабораторному практикуму «Исследование технологических показаний твердых горючих ископаемых» / сост.: Акимова Л.М., Новицкий П.Л. – Донецк: ДПИ, 1986. – 36с.

Резюме | Біографія