Інтенсифікація процесу термічної деструкції вугілля в температурному інтервалі напівкоксування
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Цілі і завдання дослідження
- 3. Методи дослідження
- 4. Експериментальна частина
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Донбас багатий запасами твердих горючих копалин. Це найважливіше джерело енергії і хімічних продуктів не лише для нашого регіону. Термічна переробка твердих палив застосовується для отримання облагороджених твердих вуглецевих матеріалів, а також для рідких і газоподібних продуктів [1].
Способи використання вугілля, що видобувається різні. Його використовують у промисловості і в побуті. У промисловості, найчастіше, вугілля є сировиною для виробництва напівкоксу і коксу. Не все вугілля підходять для отримання високоякісного коксу. Низькоякісні молоді вугілля підходять для напівкоксування.
Напівкоксування – один із способів комплексної переробки низькосортних твердих палив з отриманням напівкоксу і цілого ряду продуктів, які є сировиною для хімічної промисловості. Напівкокс використовують як легко загорающееся тверде бездимне паливо у промисловості і побуті [2].
1. Актуальність теми
Вугілля – найпоширеніший у світі невозобновляемый енергетичний ресурс. Він став першим видом викопного палива, які використовуються людиною. Застосування вугілля в сучасному світі різноманітне. Його використовують для отримання електричної енергії, як сировина для металургійної, хімічної промисловості та ін.
Донецький вугільний басейн – один з найважливіших вугільних басейнів на території колишнього СРСР. Розташований головним чином у Донецькій, Дніпропетровській і Ростовській областях [4]. Це говорить про те, що розвиток і вдосконалення вугільної промисловості завжди актуально для нашого регіону.
Основна маса вугілля, таких марок Г, Ж, К і ОС, йде на коксування. Однак, близько 70% вугілля Донбасу – високосірчисті і непридатні для коксування. Перспективних методом їх переробки є напівкоксування (процес нагрівання спеціально заготовленої вугільної шихти без доступу повітря до 500-550 °C. Цей процес проходить при температурі приблизно вдвічі нижче, ніж температура коксування). В даний час напівкоксування твердого палива розглядається не тільки як постачальника вуглеводневої сировини, але і як одна з основних стадій різних виробничих процесів (заводи з виробництва штучного рідкого палива, энерготехнологические та газохімічні установки переробки твердого палива) [3].
Таким чином, інтенсифікація та вдосконалення процесів, що проходять в температурному інтервалі напівкоксування, отримання більшої кількості цінних продуктів з низькосортного вугілля, є актуальним питанням сучасної вуглехімічній промисловості.
2. Цілі і завдання дослідження
Мета справжньої роботи – інтенсифікація процесу напівкоксування в присутності різних хімічних добавок; оцінка впливу добавок на вихід, склад і властивості продуктів піролізу.
Об'єктом дослідження є нізкометаморфізоване кам'яне вугілля Донецького басейну, попередньо оброблений хімічними добавками з високим виходимо летких речовин.
Предметом дослідження є термічні перетворення вугілля в температурному інтервалі напівкоксування, а також вивчення впливу хімічної обробки на вихід і склад продуктів напівкоксування. Першим етапом цієї роботи було виявлення структурних показників визначають поведінку вугілля при термічній обробці.
3. Методи дослідження
Для реалізації поставленої задачі, використовували сукупність термічних та фізико-хімічних методів дослідження. Напівкоксування проводили класичним методом в реторті Фішера – Метод визначення виходу продуктів напівкоксування
(ГОСТ 3168-93, ИСО 647-74). Елементний і технічний аналіз зразків, виконані за ГОСТ 12113-94, ГОСТ 27314-91, ГОСТ 11022-95.
Рисунок 1 – Лабораторна установка напівкоксування
(анімациія: 7 кадрів, 10 циклів повторення, 40 килобайт)
ІЧ-спектри вугілля і напівкоксом реєстрували на спектрометрі Bruker
FTS-7 з використанням техніки DRIFT в Інституті органічної хімії з центром фітохімії Болгарської Академії Наук. Вугілля для аналізу готували у формі 5 %-них сумішей з бромідом калію. ІЧ-спектри зразків знімали в області хвильових чисел γ = 4000 – 400 cм-1. Корекцію базової лінії проводили з використанням комп'ютерної програми Огідіп
. Кореляційні зв'язки були виявлені c допомогою програми Microsoft Excel 2016
.
4. Експериментальна частина
В якості об'єктів дослідження використовували пари відновлених і слабовосстановленных вугілля Донецького басейну різних стадій метаморфізму. Характеристика вихідних вугілля наведена в Табл.1.
Таблиця 1 – Характеристики досліджування вугілля
Як видно з таблиці, вугілля відновленого типу в порівнянні з їх изометаморфными парами типу а, відрізняються підвищеним вмістом водню, сірки і великим виходом летких речовин. Всі відібрані вугілля містять понад 80 % мікрокомпонентів групи вітриніту.
Вивчення змін елементного та групового складу досліджуваних вугілля дозволило встановити нові, невідомі раніше кореляційні зв'язки, які представлені на Рис.1-4.
Як видно з Рис.1, ступінь конверсії органічної маси вугілля в рідкі і газоподібні продукти змінюється симбатно зі зміною розчинності у дихлорметане. Розрахункове значення коефіцієнта кореляції між виходом розчинних продуктів і ступенем конверсії в парогазові продукти в температурному інтервалі напівкоксування становить 0, 986.
Цей факт, на нашу думку, узгоджується з даними Грязнова [5] про те, що зменшення вмісту кисню при нагріванні вище 3000 °С призводить до збільшення розчинності в органічних розчинниках. Проте, в цьому експерименті не виявлено вищезгаданої зв'язку між виходом розчинних продуктів і втратою кисню (R2≤0,5).
Необхідно відзначити, що описані в вуглехімічній літературі кореляції, як правило, стосуються зв'язку між властивостями вугілля та їх елементним складом.
В даній роботі проведено вивчення взаємозв'язку між груповим складом вугілля, певним методом ІЧ-спектроскопії, та їх технологічними характеристиками. Як випливає з Рис.2 і 3, має місце чудова кореляція між розчинністю вугілля, виходом паро-газових продуктів напівкоксування, з одного боку, і зміною змісту ароматичнского водню, з іншого боку.
Виходячи з уявлень про те, що в процесі низькотемпературного піролізу і розчинення відбувається руйнування міжмолекулярних взаємодій в структурі високомолекулярних сполук, що входять в органічну масу вугілля, представлялося цікавим проаналізувати зміну цього параметра при полукоксовании. Міцність міжмолекулярних взаємодій оцінювали по відношенню інтенсивностей смуг поглинання I1700⁄I2920. Як випливає з Рис.4, існує тісний кореляційний зв'язок між міцністю міжмолекулярних взаємодій і виходом пирогенетической води.
Другим етапом роботи є інтенсифікація процесу розкладання органічної маси вугілля в температурному інтервалі напівкоксування шляхом введення добавок, які сприяють руйнування міжмолекулярних взаємодій.
В якості добавки ми використовували 25 % розчин тетраметиламонію в метанолі. Це четвертинні амонійне з'єднання. Воно використовується як анізотропний травитель для кремнію. Також використовується як основний розчинник. Є каталізатором фазового переходу. Також використовується як поверхнево-активна речовина при синтезі феромагнітних рідин, щоб перешкоджати злипанню її частинок.
Розчин тетраметиламонію є сильною основою. Його іони можуть пошкоджувати нерви і м'язи, приводячи до утруднення дихання і, можливо, смерті незабаром після контакту навіть з невеликою кількістю речовини. Чистий тетраметиламонію практично не має запаху, забруднене триметиламіну (який застосовується у виробництві четвертинних амонієвих солей) має запах мертвої риби [6].
Висновки
У справжньої роботи була проведена оцінка змін елементного та функціонального складу органічної маси вугілля в процесі напівкоксування і встановлено взаємозв'язки між цими змінами і виходом продуктів піролізу, а також продуктів, що розчиняються в органічних розчинниках. Встановлено наявність кореляційних зв'язків між структурно-груповим, елементним складом твердих палив, їх розчинністю в органічних розчинниках і поведінкою при термічній переробці.
Таким чином, результати проведеного дослідження показують вплив міжмолекулярних взаємодій і процесів перерозподілу водню на результати низькотемпературного піролізу і розчинність вугілля.
Перелік посилань
- Піроліз вугілля [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.potram.ru/...
- Напівкоксування [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://ru.wikipedia.org/wiki/...
- Дослідження продуктів напівкоксування вугільних шихт з підвищеним вмістом сірки [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://ea.donntu.ru:8080/...
- Донецький вугільний басейн: від минулого до майбутнього [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://greenologia.ru/eko-problemy/...
- Грязнов Н.С. Пластичний стан і спікання вугілля / Н.С. Грязнов. – Свердловськ, 1962. – 191 с.
- Гідроксид тетраметиламонію [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://ru.wikipedia.org/wiki/....