ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

За геологічними запасами основною енергетичною сировиною в Україні є вугілля, запаси якого сягають близько 120 млрд т, у тому числі розвідані – приблизно 50 млрд т.[1] Вугілля – єдиний енергоносій, розвідані запаси якого можуть забезпечити потреби енергетики і промисловості України на тривалий час – за різними оцінками до 300-400 років. В Україні частка запасів вугілля у паливно-енергетичному балансі складає відповідно 94,5%, нафта – 2% і газ – 3,6%.[3]

Хімічна будова вугілля низької стадії вуглефікації

Рис. 1.1 – Хімічна будова вугілля низької стадії вуглефікації

Розвиток української економіки пов'язаний з інтенсифікацією споживання енергоносіїв, основним з яких, в умовах відсутності власної розвиненої газо- й нафтодобувної промисловості безальтернативно стає вугілля. Збільшити його видобуток можна лише шляхом корінної реконструкції та будівництва нових вугільних розрізів, шахт, що, в свою чергу, потребує тривалого часу та великих капітальних вкладень.

Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є розширення сфери використання у великій та малій теплоенергетиці бурого вугілля, що сприятиме у певній мірі стабілізації паливно-енергетичного балансу країни та створенню резерву часу для розвитку вугільної промисловості.

1. Мета роботи

Буре вугілля специфічна сировина і має ряд негативних властивостей: : високу вологість і гігроскопічність, високу реактивну здатність до кисню, занижену теплоту згоряння. Ці характеристики обумовлюють неможливість його тривалого зберігання, перевезення на великі відстані, велику імовірність самозаймання.

Мета роботи: розглянути способи первинної переробки і облагородження бурого вугілля для його подальшого транспортування, зберігання і ефективного використання – зрідження, газифікації, піролізу тощо.

2. Актуальність

Таким чином є необхідність в розробці такої технології первинної переробки і грудкування бурого вугілля, яка б враховувала специфічні властивості вихідного бурого вугілля, умови процесу гідравлічного транспортування вугілля і вимоги до характеристик вугільної сировини подальших операцій по його переробці – піролізу, спалювання, зрідження, брикетування, зневоднення. Рішенням цієї проблеми може стати технологія обробки вугілля масляними реагентами – масляна агрегація.

Селективна масляна агрегація вугілля поєднує сукупність процесів структурування тонкої полідисперсної вугільної фази у водному середовищі за допомогою масляних реагентів. В основі процесів селективної масляної агрегації вугілля лежить механізм адгезійної взаємодії олеофільної вугільної поверхні з маслами, в результаті якого досягається її селективне змочування і агрегатування в турбулентному потоці води. Гідрофільні часточки, не змочувані маслом у структуру агрегатів не входять, що дозволяє виділяти їх у вигляді породної суспензії.

Обробка бурого вугілля селективною масляною агрегацією усуває його дезінтеграцію і розмокання “консервуючи” органічну речовину у гідрофобних агрегатах, що легко зневоднюються механічними методами і є доброю сировиною для піролізу, брикетування, газифікації.

3. Буре вугілля як об’єкт первинної переробки і грудкування

3.1 Брикетування

Брикетування вугілля – фізико-хімічний процес отримання механічно і термічно міцного сортового продукту – брикету, що має задану геометричну форму, розміри і масу.

Технологічний процес брикетування бурого вугілля без зв’язуючого складається з наступних операцій: підготовка вугілля по крупності і вологості, та пресування. Технологічні показники, яким повинні відповідати буровугільні брикети: маса брикету 100-500 г, механічна міцність на стирання 75-80%, на стискання і вигин відповідно 70-90 і 10-15 МПа, вологовбирання 3-4%, теплота згоряння 24000-30000 кДж/кг, зольність 10-25%.[1]

3.2 Гідрогенізація

Гідрогенізація бурого вугілля – процес прямої переробки вугілля в синтетичні палива рідкого і газоподібного агрегатних станів, що відбувається при високому тиску і відносно високій температурі.

Даний напрямок переробки вугілля досліджується в різних країнах світу. За кордоном найбільше промислове впровадження ця технологія отримала в ПАР, де працюють чотири заводи, із загальною річною продуктивністю близько 8-10 млн тонн рідкого палива. Роботи ведуться за запатентованою технологією SASOL на основі вдосконаленого методу Фішера-Тропша. Враховуючи, що SASOL проводить політику по підтримці високих платежів за право користування технологією, це зумовлює високу вартість її промислової реалізації в інших країнах.[17]

Підготовка бурого вугілля включає подрібнення, сушку, приготування пасти вугілля-гідрогенізат. Подрібнення здійснюється до крупності менше 0,1 мм – для підвищення реакційної здатності поверхні, реалізується у дезінтеграторах.. Зовнішня питома поверхня при цьому зростає в 20-30 разів, об'єм перехідних пор – в 5-10 разів. Потім вугілля сушать. Пори заповнені вологою, яка перешкоджає проникненню у вугільну речовину реагентів, вона виділяється в ході процесу в реакційній зоні, знижуючи парціальний тиск Н2, а також збільшує кількість стічних вод. Для сушки використовують трубчаті парові сушарки, вихрові камери, труби-сушарки у яких вугілля сушать до залишкового вмісту вологи 1,5%. Теплоносієм служать гарячі топкові гази з мінімальним вмістом О2 (0,1-0,2%), щоб вугілля не піддавалося окисненню. Вугілля не нагрівають вище ніж 150-200 °С, щоб уникнути зниження реакційної здатності.

Вимоги до бурого вугілля, яке подають на зрідження

На основі великого експериментального матеріалу доведено, що вугілля з доброю гідрованістю містить від 65 до 85% С, понад 5% H, і має понад 30% вихід летких(V). Раціональна вологість вихідного вугілля для процесу гідрогенізації – Wrt = 10-15%, зольність Ad = 10-12%, крупність d<0,1 мм, показник відбиття вітриніту 0,35-0,95%.

Найбільш поширена схема гідрогенізації показана на рисунку 1.2[15]

Рис. 1.2 - Схема отримання синтетичного рідкого палива з бурого вугілля

Рис. 1.2 – Схема отримання синтетичного рідкого палива з бурого вугілля

3.3 Піроліз і газифікація

Піроліз

Піроліз – розкладання бурого вугілля при нагріванні без доступу повітря. Розрізняють чотири основні процеси піролізу:

  1. напівкоксування до 500–550 °С;
  2. середньотемпературне коксування 700–750 °С;
  3. високотемпературне коксування до 900–1100°С;
  4. графітизація 1300–3000 °С.

Буре вугілля при нагріванні не розм'якшується, при цьому відбувається виділення летких речовин, які частково розкладаються. В залишку утворюється більш або менш монолітний напівкокс, що зазнав сильної усадки. При напівкоксуванні бурого вугілля розрізнюють три температурні зони [3]:

  1. зона попереднього нагрівання до 100°С;
  2. зона сушки 100-125°С;
  3. зона напівкоксування 225-500°С.

Під час піролізу під дією температури у вугіллі відбуваються істотні зміни. Перший етап – випаровування вологи при температурах до 125-160°С, потім починається розклад органічної маси бурого вугілля. По мірі протікання процесу видаляються кисень, водень і азот, а твердий залишок збагачується вуглецем. На початкових стадіях при температурах до 200°С кисень виділяється в основному у вигляді діоксиду вуглецю і пірогенетичної води за рахунок відщеплення функціональних груп, що супроводжується реакціями конденсації радикалів, які залишаються.

Азот палива виділяється у вигляді аміаку, інших азотистих сполук і у вільному стані.

При температурі 200-350°С відбувається плавне зменшення твердого залишку, виділення пари і газів збільшується лише на 6-7%. Зона від 350 до 450°С характеризується підвищенням швидкості виходу парогазової фази і більш різким зменшенням виходу твердого залишку. У температурному інтервалі 450-550°С відбуваються невеликі зміни виходу як твердого залишку, так і парогазової суміші.

Процес піролізу схематично зображено на рисунку 1.3. [6]

Рис. 1.3 – Структурна схема процесу піролізу

Рис. 1.3 – Структурна схема процесу піролізу

Газифікация

Процес перетворення органічної маси вугілля в газоподібні горючі речовини носить назву газифікація. У процесі газифікації вуглець частіше перетворюється у монооксид вуглецю, водень – у водяні пари і разом з сіркою, яка знаходиться в органічній масі вугілля, – в сірководень, азот – в оксиди азоту. Мінеральна частина вугілля залежно від температури газифікації переходить в золу або шлак.

Газифікація вугілля лежить в основі багатьох технологічних процесів, пов'язаних з його застосуванням. Перші процеси газифікації розроблялися з метою отримання з вугілля горючих газів, які застосовувалися як побутове паливо для вуличного освітлення, як промислове паливо для різних високотемпературних процесів.

Перед цими процесами буре вугілля подрібнюють, а при необхідності зневоднюють. Дуже важливо привести до необхідної крупності буре вугілля перед газифікацією – це може бути газифікація грудкового (>3мм), дрібнодисперсного (1-3мм) та тонкодисперсного (<0,1мм) вугілля. [7]

Вимоги до бурого вугілля, яке подають на піроліз і газифікацію

Раціональна вологість вихідного вугілля для процесу піролізу – волога (Wrt ) до 15%, зольність (Ad) до 10%, вугілля повинно бути малосірчистим. Для процесу газифікації – волога (Wrt ) до 65%, зольність (Ad) до 40%.

4. Гідротранспортування бурого вугілля: стан проблеми

Гідравлічне транспортування твердих сипких матеріалів набуло розвитку у другій половині ХХ сторіччя. У цей час набув поширення трубопровідний транспорт нафти, природного газу та нафтопродуктів. За допомогою магістральних гідротранспортних систем здійснювалося переміщення корисних копалин і будівельних матеріалів, промислових відходів та хімічної сировини.

Існує дві принципово різні технології гідравлічного транспортування вугілля.

Перша технологія – транспортування у гідросумішах масовою концентрацією С=50% з подальшим зневодненням на приймальному терміналі. Вугілля дроблять до крупності 0–1 (3–6) мм і змішують з водою (співвідношення рідини і твердого складає 1 : 1).

Один з перших у світі – магістральний вуглепровід шахти Блек-Меса (Арізона, США), довжиною 439 км і продуктивністю 5,8 млн. т. / рік. У 1964 р. енергетична компанія Peabody Energy підписала контракт з племенами навахо і тапі про використання їх водних ресурсів для створення гідросуміші і її подальшого транспортування на ТЕС в Мохейві, потужністю 790 МВт.

Процес потребував великої кількості води, що викликало екологічну кризу на цих територіях. Під натиском соціальних та етнічно-релігійних рухів вуглепровід попри технологічну придатність та економічну ефективність був законсервований 31 грудня 2005 року .

На зневоднюючій фабриці вуглепровода Блек Меса вся маса пульпи підігрівалася до 70°C, потім зневоднювалася в центрифугах з діаметром ротора 1000 мм і швидкістю обертання 1000 хв . Кек вологістю 20% піддавався термічній сушці в млинах-сушарках. Нагрів пульпи перед центрифугуванням знижував вологість кеку з 28 до 20%. Фугат, в який йшло 6,5% вугілля, або спалювався у вигляді ВВВС, або скидався у мулонакопичувач. Внаслідок складності отримання ВВВС в перші роки роботи вуглепровода, у мулонакопичувачі зібралася велика кількість твердої фази фугату, що являло небезпеку для навколишнього середовища.

Друга технологія гідравлічного транспортування вугілля – у вигляді висококонцентрованих водо-вугільних суспензій (ВВВС). [10] На приймальному терміналі ВВВС використовують як водо-вугільне палива (ВВП).

Класичний спосіб приготування ВВВС складається з трьох основних стадій (рис.1.4):

  1. Дроблення рядового вугілля до крупності 10 .. 20мм;
  2. Мокрий помел вугілля (в присутності води і добавок пластифікаторів) до 0.1-0.2 мм;
  3. Гомогенізація, зберігання, транспортування.

Рис. 1.4 – Схема приговуння ВВП

Для помелу використовують кульові або стержневі барабанні млини зі спеціальним набором помольних тіл, що забезпечує потрібний бінарний гранулометричний склад вугільної фази. Цей етап є ключовим при приготуванні ВВП, оскільки визначає подальші характеристики ВВП (гранулометричний склад, в'язкість, стабільність і т.д.). Крім того, даний етап зазвичай є найбільш енерговитратним.

На стадії мокрого помелу до складу ВВП можуть бути включені різні добавки, необхідні для збільшення статичної стабільності ВВП, зниження в'язкості та інші.

Висновки

Одним з напрямків технічного прогресу є розвиток трубопровідного транспорту. Найбільші перспективи має промисловий та магістральний гідротранспорт нафти та гідросумішей сипких матеріалів. Гідротранспорт характеризується безперервністю і рівномірністю вантажопотоку, підвищеною надійністю, можливістю повної автоматизації, незалежністю від погодних умов; має економічну перевагу над залізничним транспортом, особливо, коли шахти знаходяться у віддалених районах; створює менше шуму; має суттєво менші транспортні втрати та техногенне навантаження на довкілля; малі терміни будівництва.

Існує декілька способів гідравлічного транспортування вугілля:

  1. пульпопроводами з подальшим зневодненням;
  2. транспортування висококонцентрованого водовугільного палива.

Негативні властивості бурого вугілля, перешкоджають використанню гідротранспорту, для вирішення цієї проблеми запропонована технологія обробки вугілля аполярними реагентами – масляна агрегація.

Під масляною агрегацією вугілля розуміють сукупність процесів структурування тонкої полідисперсної вугільної фази (розмір зерен до 3-5 мм) у водному середовищі за допомогою масляних реагентів. В основі цих процесів лежить механізм адгезійної взаємодії олеофільної вугільної поверхні з маслами, в результаті якого досягається її селективне змочування і агрегатування в турбулентному потоці води. Гідрофільні частинки не змочуються маслом і не входять до складу агрегатів, що дозволяє виділяти їх у вигляді породної суспензії.

Виходячи з викладеного для облагородження бурого вугілля при його гідротранспортуванні нами обрана технологія масляної агрегації вугілля, яка добре поєднується з технологіями його подальшої переробки і використання: брикетування, зрідження, газифікація, піроліз.

Перелік посилань

  1. Смирнов В. О., Сергєєв П.В., Білецький В.С. Технологія збагачення вугілля. Навчальний посібник. — Донецьк: Східний видавничий дім, — 2011. — 476 с.
  2. Chun - Zhu Li. Advances in the Science of Victorian Brown Coal – Book, 2004. – 459p.
  3. Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С. Основи хімії і фізики горючих копалин. (Підручник з грифом Мінвузу). – Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. – 640 с.
  4. Світлий Ю.Г., Білецький В.С. Гідравлічний транспорт (монографія). - Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. - 436 с.
  5. Мала гірнича енциклопедія. т.1,2 / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004, 2007.
  6. Липович В.Г., Калабин Г.А., Калечиц И.В Химия и переработка угля - М.: Химия, 1988. – 336 с.
  7. Чистяков А.Н. Справочник по химии и технологии твердых горючих ископаемых. – СПб.: издат. Компания “Синтез”. – 1996. – 363 с.
  8. Святец И.Е., Агроскин А.А Бурые угли как технологическое сырье. – М., Недра, 1976. - 223 с.
  9. Ходаков Г.С, Горлов Е.Г., Головин Г.С. Производство и трубопроводное транспортирование суспензионного водоугольного топлива// Химия твердого топлива. - 2006. - №4. - С. 22—39
  10. Круть О.А Водовугільне паливо. – Київ: Наук. Думка, 2002. – 172 с.
  11. Трайнис В.В. Магистральные трубопроводы в США // Уголь. – 1978 - №11, с. 74-77.
  12. Білецький В.С., Сергєєв П.В., Папушин Ю.Л. Теорія і практика селективної масляної агрегації вугілля. Донецьк: МКП Грань, 1996. - 264 с.
  13. Гордеев Г.П., Федотова В. М. О критическом влагосодержании бурых углей// Химия твёрдого топлива. – 1989. - №6. – 76-78 с.
  14. Елишевич А.Т., Оглоблин Н.Д., Белецкий В.С., Папушин Ю.Л. Обогащение ультратонких углей. – Донецк, Донбас, 1986. – 64 с.
  15. Тамко В.О., Білецький В.С., Шендрик Т., Красілов О.О Вплив механічного подрібнення бурого вугілля Олександрійського родовища на його піроліз// Донецький вісник Наукового товариства ім. Шевченка. Т. 21 – Донецьк: Східний видавничий дім. – 2008. – С. 97-103.
  16. Калечица И.В Химические вещества из угля. – М.: Химия, 1980. – 616 с.
  17. Твердов А.А., Жура А.В., Никишичев С.Б Перспективные направления использования углей// Глобус. – 2009. - №2. – С. 16-19.
  18. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1988. – 592 с.
  19. Крылова А.Ю., Козюков Е.А Состояние процессов получения синтетических жидких топлив на основе синтеза Фишера-Тропша// Химия твёрдого топлива. – 2007. - №6. – С. 16-25.
  20. Energy & Environmental Research Center (EERC). [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.undeerc.org/default.aspx
  21. Борук С.Д., Вінклер І.А., Макарова К.В. Вплив стану поверхні частинок дисперсної фази на фізико-хімічні характеристики водо-вугільних суспензій на основі бурого вугілля. - Наук. вісник ЧНУ. Вип. 453.: Хімія. – Чернівці, 2009, с. 40-45.
  22. Касаточкин В.И., Ларина Н.К. Строение и свойства природних углей. – М.: Недра, 1975. – 158 с.
  23. Кегель К. Брикетирование бурого угля. – М., Углетехиздат, 1957. – 659 с.
  24. Саранчук В.И. Надмолекулярная организация, структура и свойства угля. – Киев: Наук. Думка, 1988. – 190 с.