Интенсификация процесса термической деструкции углей в температурном интервале полукоксования
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Методы исследования
- 4. Эксперементальная часть
- Выводы
- Список источников
Введение
Донбасс богат запасами твёрдых горючих ископаемых. Это важнейший источник энергии и химических продуктов не только для нашего региона. Термическая переработка твердых топлив применяется для получения облагороженных углеродистых твердых материалов, а также для жидких и газообразных продуктов [1].
Способы использования добываемого угля различные. Его используют в промышленности и в быту. В промышленности, зачастую, уголь является сырьём для производства полукокса и кокса. Не все угли подходят для получения высококачественного кокса. Низкокачественные молодые угли подходят для полукоксования.
Полукоксование – один из способов комплексной переработки низкосортных твёрдых топлив с получением полукокса и целого ряда продуктов, являющихся сырьём для химической промышленности. Полукокс используют как легко загорающееся бездымное твёрдое топливо в промышленности и быту [2].
1. Актуальность темы
Уголь – самый распространенный в мире невозобновляемый энергетический ресурс. Он стал первым видом ископаемого топлива, используемым человеком. Применение угля в современном мире многообразно. Его используют для получения электрической энергии, как сырье для металлургической, химической промышленности и др.
Донецкий угольный бассейн – один из важнейших угольных бассейнов на территории бывшего СССР. Расположен, главным образом, в Донецкой, Днепропетровской и Ростовской областях [4]. Это говорит о том, что развитие и усовершенствование угольной промышленности всегда актуально для нашего региона.
Основная масса углей, таких марок как Г, Ж, К и ОС, идёт на коксование. Однако, около 70 % углей Донбасса – высокосернистые и непригодные для коксования. Перспективных методом их переработки является полукоксование (процесс нагревания специально заготовленной угольной шихты без доступа воздуха до 500-550 °C. Этот процесс проходит при температуре приблизительно вдвое ниже, чем температура коксования). В настоящее время полукоксование твердого топлива рассматривается не только в качестве поставщика углеводородного сырья, но и как одна из основных стадий различных производственных процессов (заводы по производству искусственного жидкого топлива, энерготехнологические и газохимические установки переработки твердого топлива) [3].
Таким образом, интенсификация и усовершенствование процессов, проходящих в температурном интервале полукоксования, получение большего количества ценных продуктов из низкосортных углей, является актуальным вопросом современной углехимической промышленности.
2. Цель и задачи исследования
Цель настоящей работы – сравнительное исследование продуктов полукоксования после интенсификации процесса с помощью различных химических добавок; оценка влияния добавок на выход, состав и свойства продуктов пиролиза.
Объектом исследования являются каменный угль в чистом виде и каменный уголь предварительно обработанный химическими добавками для получения большего выхода продуктов..
Предметом исследования является термические превращения углей в температурном интервале полукоксования, а также изучение продуктов полукоксования.
3. Методы исследования
Для реализации поставленной задачи, использовали совокупность термических и физико-химических методов исследования. Полукоксование проводили классическим методом в реторте Фишера – «Метод определения выхода продуктов полукоксования» (ГОСТ 3168-93, ИСО 647-74). Элементный и технический анализ образцов, выполнены по ГОСТ 12113-94, ГОСТ 27314-91, ГОСТ 11022-95.
Рисунок 1 – Лабораторная установка полукоксования
(анимация: 7 кадров, 10 циклов повторения, 40 килобайт)
ИК-спектры углей и полукоксов регистрировали на спектрометре «Bruker» FTS-7 с использованием техники DRIFT в Институте органической химии с центром фитохимии Болгарской Академии Наук. Угли для анализа готовили в форме 5 %-ных смесей с бромидом калия. ИК-спектры образцов снимали в области волновых чисел γ = 4000 – 400 cм-1. Коррекцию базовой линии проводили с использованием компьютерной программы «Оrigin». Корреляционные связи были выявлены c помощью программы «Microsoft Excel 2016».
4. Эксперементальная часть
В качестве объектов исследования использовали пары восстановленных и слабовосстановленных углей Донецкого бассейна разных стадий метаморфизма. Характеристика исходных углей приведена в Табл.1.
Таблица 1 – Характеристики исследуемых углей
Как видно из таблицы, угли восстановленного типа в сравнении с их изометаморфными парами типа а, отличаются повышенным содержанием водорода, серы и большим выходом летучих веществ. Все отобранные угли содержат более 80 % микрокомпонентов группы витринита.
Изучение изменений элементного и группового состава исследуемых углей позволило установить новые, неизвестные ранее корреляционные связи, которые представлены на Рис.1-4.
Как видно из Рис.1, степень конверсии органической массы угля в жидкие и газообразные продукты изменяется симбатно с изменением растворимости в дихлорметане. Расчётное значение коэффициента корреляции между выходом растворимых продуктов и степенью конверсии в парогазовые продукты в температурном интервале полукоксования составляет 0,986.
Этот факт, по нашему мнению, согласуется с данными Грязнова [5] о том, что уменьшение содержания кислорода при нагревании выше 3000 °С приводит к увеличению растворимости в органических растворителях. Однако, в настоящем эксперименте не обнаружено вышеупомянутой связи между выходом растворимых продуктов и потерей кислорода (R2≤0,5).
Необходимо отметить, что описанные в углехимической литературе корреляции, как правило, касаются связи между свойствами углей и их элементным составом.
В данной работе проведено изучение взаимосвязи между групповым составом углей, определённым методом ИК-спектроскопии, и их технологическими характеристиками. Как следует из Рис.2 и 3, имеет место превосходная корреляция между растворимостью углей, выходом паро-газовых продуктов полукоксования, с одной стороны, и изменением содержания ароматичнского водорода, с другой стороны.
Исходя из представлений о том, что в процессе низкотемпературного пиролиза и растворения происходит разрушение межмолекулярных взаимодействий в структуре высокомолекулярных соединений, входящих в органическую массу угля, представлялось интересным проанализировать изменение этого параметра при полукоксовании. Прочность межмолекулярных взаимодействий оценивали по отношению интенсивностей полос поглощения I1700⁄I2920. Как следует из Рис.4, существует тесная корреляционная связь между прочностью межмолекулярных взаимодействий и выходом пирогенетической воды.
Вторым этапом работы является интенсификация процесса разложения органической массы угля в температурном интервале полукоксования путём введения добавок, способствующих разрушению межмолекулярных взаимодействий.
В качестве добавки мы использовали 25% раствор тетраметиламмония в метаноле. Это четвертичное аммонийное соединение. Оно используется как анизотропный травитель для кремния. Также используется как основной растворитель. Является катализатором фазового перехода. Также используется как поверхностно-активное вещество при синтезе ферромагнитных жидкостей, чтобы препятствовать слипанию её частиц.
Раствор тетраметиламмония является сильным основанием. Его ионы могут повреждать нервы и мышцы, приводя к затруднению дыхания и, возможно, смерти вскоре после контакта даже с небольшим количеством вещества. Чистый тетраметиламмония практически не имеет запаха, загрязненный триметиламином (который применяется в производстве четвертичных аммониевых солей) имеет запах мертвой рыбы [6].
Выводы
В настоящей работы была проведена оценка изменений элементного и функционального состава органической массы углей в процессе полукоксования и установлены взаимосвязи между этими изменениями и выходом продуктов пиролиза, а также продуктов, растворимых в органических растворителях. Установлено наличие корреляционных связей между структурно-групповым, элементным составом твердых топлив, их растворимостью в органических растворителях и поведением при термической переработке.
Таким образом, результаты проведенного исследования показывают влияние межмолекулярных взаимодействий и процессов перераспределения водорода на результаты низкотемпературного пиролиза и растворимость углей.
Список источников
- Пиролиз угля [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.potram.ru/...
- Полукоксование [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/...
- Исследование продуктов полукоксования угольных шихт с повышенным содержанием серы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ea.donntu.ru:8080/...
- Донецкий угольный бассейн: от прошлого к будущему [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://greenologia.ru/eko-problemy/...
- Грязнов Н.С. Пластическое состояние и спекание углей / Н.С. Грязнов. – Свердловск, 1962. – 191 с.
- Гидроксид тетраметиламмония [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/....