Реферат по теме выпускной работы

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня доля нефти и газа в общем балансе использования первичных энергоресурсов Украины составляет около 50 %. Приоритетным энергоресурсом является природный газ, доля которого в энергобалансе за последние годы составляет 38–41 %. Украина относится к странам с дефицитом собственных природных углеводных ресурсов, удовлетворяя потребность в газе за счет собственной добычи на 35 % (2010 год), в нефти – на 12–15 %. В 1991 году потребление газа составляло 118,1 млрд.куб.м и страна занимала ІІІ место в мире по уровню потребления газа, уступая только США и России. Использование природного газа в Украине в 2010 году составило 57,6 млрд.куб.м.[1].

При современном уровне цен на газ газификация углей или термическая переработка является для Украины наиболее экономически выгодным решением.

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Полукоксовый газ, полученный с помощью термической переработки, по составу сходен с природным газом и имеет ценные продукты, но в промышленности не используется.

Литературные данные по составу полукоксового газа не передают особенности процесса термической деструкции сернистых углей, какими являются угли Донбасса.

В данной научной работе изучены сернистые угли Донбасса марки Д разных генетических типов по востановленности, в полукоксовом газе этих углей присутствует ряд ценный продуктов: водород, метан, в том числе сероводород. При сжигании и коксовании сернистых углей происходят выбросы вредных газов (сероводорода) – это происходит потому что концентрация этого продукта настолько мала, что не позволяет его собрать и квалифицировано использовать.

2 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель работы – оптимизация условий полукоксования малометамирфизованных сернистых углей, использование полукоксового газа и возможностей его дальнейшего использования в качестве топлива, сырья для химической промышленности и дополнительного источника для получения сероводорода. Для осуществления этой цели проведено дериватографическое исследование угля, на основании которого видно, что температура полукоксования 550 °С не соответствует максимальной температуре основного разложения данной марки угля. Это происходит в связи с тем, что ГОСТ на выход продуктов полукоксования расчитан не на все марки углей. С целью усовершенствования метода проводим полукоксование с максимальной температурой, полученной для данного угля на дериватограмме.

3 ПОЛУКОКСОВЫЙ ГАЗ

Полукоксовый газ, первичный газ, горючий газ, образующийся при полукоксовании. Горючая часть газа состоит в среднем из 50 % CH4, 20 % H2, около 8 % непредельных углеводородов (главным образом этилена)[2]. Применяется как отопительный газ на установках полукоксования.

Полукоксовый газ имеет плотность 0,9 – 12 кг/нм3, содержит метан и его гомологи (до 65 мас). Очищенный газ, поступающий на обогрев печей называется обратным. Охлажденный обратный полукоксовый газ используется в печах некоторых конструкций для охлаждения горячего полукокса. Избыток полукоксового газа может быть использован для органического синтеза и как коммунально-бытовое топливо.

Полукоксовый газ может быть использован для бытового газоснабжения, для энергетических целей на установках полукоксования и как газовый теплоноситель. Такой газ может быть успешно применен для синтезов химических продуктов.

4 ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Термический анализ основан на том, что большинство физических и химических процессов сопровождаются тепловыми эффектами. Такие процессы можно изучать путем измерения температуры, характера потери массы и природы регистрируемых тепловых эффектов. Термохимические превращения ТГИ в общем случае включают три группы процессов. Это прежде всего передача теплоты, затем прохождение химических реакций, приводящих к образованию новых соединений, и, наконец,— удаление образующихся жидких и газообразных продуктов из зоны реакции. Все эти процессы могут в той или иной мере накладываться друг на друга[3, стр.117].

Для нахождения кинетических параметров химических реакций необходимо либо проводить термическую деструкцию в кинетической области, для чего нужно отделить ее от влияния массо– и теплопереноса, либо учитывать это влияние. Поэтому следует создавать такие экспериментальные условия, которые обеспечивали бы протекание термической деструкции в кинетической области. Обеспечить такие условия можно, используя установку для комплексного термического анализа – дериватограф и специальные приемы работы[4].

Принципиальная схема дериватографа

Рисунок 1 – Принципиальная схема дериватографа

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

В результате пиролиза ископаемых углей при температуре не выше 550 °С без доступа воздуха образуются следующие продукты: нелетучий остаток (полукокс), смола, вода (влага угля и пирогенетическая вода) и полукоксовый газ. В зависимости от условий нагревания, наряду с первичными процессами термической деструкции, могут происходить вторичные реакции, которые влияют на состав продуктов пиролиза. Чтобы уменьшить эти нежелательные процессы, необходимо четко определить температуру, соответствующую максимальной скорости термического разложения органической массы угля. Оптимальную температуру для получения первичных продуктов полукоксования определяли методом дериватографиии (Тмак).

Дериватограмма

Рисунок 2 – Дериватограмма

Определение выхода продуктов полукоксования и получение полукоксового газа проводили в реторте Фишера при конечной температуре нагрева 520 °С, средней скоростью нагрева 6,5 °С/мин по ГОСТу 3168–66 и при температуре Тмак = 405 °С со средней скоростью нагрева 6,5 °С/мин и 16,3 °С/мин для исследуемого угля (рис.3). В качестве объекта исследования использовали низкокачественный уголь марки Д шахты Трудовская, пласта К8 с содержанием серы 5,85 %, крупностью < 3 мм.

Выход продуктов полукоксования

Рисунок 3 – Выход продуктов полукоксования

5.1 Анализ полукоксового газа

Для анализа газа использовали установку ВТИ[5] (Всесоюзного теплотехнического института) (рис. 4). Определение содержания таких компонентов анализируемого газа, как: CnHm, O2 и CO, суммы кислотных газов проводили путем их избирательного поглощения соответствующими поглотительными растворами. H2, CnH2n+2 анализировали путем фракционированного сжигания над окисью меди при разных температурах. При этом процентное содержание компонентов определяли путем замера сокращения объема анализируемой пробы газа при последовательно проводимых операциях поглощения или сжигания.

Газоанализатор ВТИ

Рисунок 4 – Газоанализатор ВТИ

Как видно из рисунка 5, в составе полученного полукоксового газа идентифицировали следующие компоненты: углекислый газ, непредельные углеводороды, кислород, окись углерода, водород, метан и его гомологи, азот и сероводород.

При увеличении конечной температуры нагрева количество полукоксового газа увеличивается, изменяется его состав. Проведение пиролиза при Тмак = 405 °С приводит к увеличению в газе количества наиболее ценных компонентов – водорода и непредельных углеводородов – в 3,2 и 3,9 раз соответственно. Кроме того, этот газ может служить сырьем для получения сероводорода, так как концентрация последнего возрастает до 28 %.

Состав полукоксового газа

Рисунок 5 – Состав полукоксового газа

5.2 Газовая хроматограия

Газовая хроматография – хроматография, в которой подвижная фаза находится в состоянии газа или пара – инертный газ (газ-носитель). Неподвижной фазой (НЖФ) является высокомолекулярная жидкость, закрепленная на пористый носитель или на стенки длинной капиллярной трубки[6, стр.3].

Газовая хроматография – универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа–носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделения – неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.

Хроматография один из наиболее распространенных физико–химических методов исследования. Хроматографические методы широко используются в химии и биохимии, находят применение в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. С повышением экологических требований к среде обитания, продуктам питания, лекарствам естественно находят свое отражение в исследовании охраны окружающей среды и медицине, а также в других областях науки и промышленности. Круг решаемых задач и практическое использование хроматографии непрерывно расширяется.

Принципиальная схема газового хроматографа[6, стр.4]

Газовый хроматограф представляет собой прибор, использующий принцип хроматографии в системах газ − адсорбент или газ − жидкость. В аппаратурном оформлении это совокупность нескольких самостоятельных, параллельно функционирующих систем: источник газа–носителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хроматографические колонки, детектор, система регистрации и обработки данных. Типичная блок–схема газового хроматографа изображена на рисунке 6.

Система подготовки газов служит для установки, стабилизации и очистки потоков газа–носителя и дополнительных газов. Она включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа–носителя в колонку, а также других газов, необходимых для работы детектора, например, воздуха и водорода для пламенно – ионизационнго детектора. Система дозирования позволяет вводить в поток газа–носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии. Представляет собой устройство с самоуплотняющейся резиновой мембраной или кран–дозатор. Устройство ввода пробы необходимо термостатировать при температуре, равной температуре колонки или выше на 20 − 30°С.

Рисунок 5 – Принципиальная схема газового хроматографа

Система детектирования преобразует соответствующие изменения физических или физико–химических свойств бинарных смесей (компонент — газ–носитель по сравнению с чистым газом носителем) в электрический сигнал. Величина сигнала зависит как от природы компонента, так и от содержания его в анализируемой смеси.

Система термостатирования служит для установки и поддерживания рабочих температур термостатов колонок (до 350°С), испарителя, детектора и других узлов хроматографа. Система регистрации преобразует изменения физико–химических параметров в электрический сигнал, величина и форма которого регистрируются на ленте самописца или в современном варианте − на мониторе компьютера. Прибор должен быть снабжен соответствующим электрометрическим усилителем, обеспечивающим получение на выходе электрического сигнала, пропорционального концентрации определяемого компонента в газе–носителе, выходящем из колонки.

Система инструментальной обработки данных позволяет вести управление экспериментом и обработку результатов в диалоговом режиме. С помощью компьютерных программ, имеющих алгоритм распознавания и сформированных банков данных, можно решать задачи расшифровки сложных хроматограмм и количественного определения компонентов. Рассмотренная схема типична для обычного газового хроматографа, используемого в количественном анализе, однако газовый хроматограф может иметь гораздо более сложную схему, содержащую несколько колонок и детекторов, включающий автоматические устройства для подготовки и дозирования пробы.

Выводы

Более высокая концентрации углекислого газа и водорода в составе первичных газов и одновременно снижение в них концентрации СО по сравнению с газом стандартного полукоксования свидетельствует о том, что происходят вторичные процессы по реакции:

CO + H2O → CO2 + H2 + 42,8 кДж/моль

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что основным недостатком метода полукоксования по ГОСТу является фиксированная температура проведения пиролиза, которая по данным дериватографии, не соответствует температуре максимума скорости разложения наименее устойчивых компонентов ОМУ (Тмак). Следовательно, метод не может быть распространен на угли всего ряда метаморфизма. Кроме того, полученые результаты показывают что стандартное полукоксование не позволяет получать первичные продукты разложения углей, так как температура процесса для низкометамерфизованных углей завышена. С практической точки зрения проведение полукоксования при оптимальной температуре, установленной по дериватограмме, позволяет увеличить выход ценных жидких и газообразных продуктов, которые могут служить сырьем для химической промышленности и энергетики.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Мировые запасы природного газа,автор статьи – Александр Долгих 2010г. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dolgikh.com/index/0-39
  2. Большая советская энциклопедия: В 30 т. – М.: «Советская энциклопедия», 1969–1978.[электронный ресурс].–Режим доступа:http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Полукоксовый%20газ/
  3. Химические вещества из угля. Под редакцией И.В. Калечица – М.:Химия, 1980, 616с.[электронный ресурс].–Режим доступа:http://www.twirpx.com/file/144764/
  4. Кафтанов С.В. (ред.) Общая химическая технология топлива,Учебное пособие для вузов. – Москва–Ленинград, ГХИ НКТП СССР, 1941. – 770 с.[электронный ресурс].–Режим доступа:http://www.twirpx.com/file/942348/
  5. Газоанализатор ВТИ–2, инструкция по эксплуатации, Москва – 1965.[электронный ресурс].–Режим доступа:http://www.ngpedia.ru/cgi-bin/getimg.exe?usid=205&num=0
  6. Н.И.Царев, В.И.Царев, И.Б.Катраков. Практическая газовая хроматография: Учебно–методическое пособие для студентов химического факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа». — Барнаул: Изд–во Алт. ун–та, 2000. − 156 с.[электронный ресурс].–Режим доступа:http://www.chem.asu.ru/org/crom/chrom.pdf
  7. Стаскевич Н. Л. – Справочник по сжиженным углеводородным газам, 1986г., 543 стр.
  8. Методические указания к лабораторному практикуму «Исследование технологических показателей твердых горючих ископаемых», Донецк ДПИ - 1985.