Автор: Б.И. Кондырев, М.В. Ларионов, О.С. Приеменко
Источник: Дальневосточный государственный технический университет.
В основе теории процессов термической переработки твердых горючих ископаемых лежат закономерности их превращений в температурном поле. Химические реакции, фазовые переходы, формирование твердых карбонизированнных остатков и летучих химических продуктов зависят от особенностей структуры бурых углей или, как их традиционно называют, твердых топлив, условий нагревания и других факторов.
Под термической переработкой топлива понимают процессы основанные на воздействии на твердые горючие ископаемые тепловой энергией. В температурном поле вещества твердых топлив претерпевают химические и физические превращения, глубина которых зависит для каждого топлива от количества ассимилированной энергии и скорости ее ассимиляции.
Совокупность физико-химических превращений протекающих при нагревании твердых топлив и составляет процесс термической деструкции.
Термическая деструкция включает две основные группы химических реакций: термическое разложение веществ топлив с образованием продуктов меньшей молекулярной массы и термосинтез, протекающие между исходными веществами, а также про-дуктами их термического разложения.
В конечном итоге в результате термической деструкции бурого угля образуются твердые, жидкие и газообразные продукты. Общая схема процесса может быть изображена следующим образом:
При нагревании твердых горючих ископаемых до 200÷250 °С наблюдается выделение воды, CO2, CO, CH4. Эта стадия термической де- струкции представляет собой эндотермический процесс, в котором тепло расходуется на испарение воды, выделение окклюдиреванных газов, активацию макромолекул веществ углей и термическое расщепление наименее прочных связей.
До 250 °С выход летучих веществ невелик и для бурых углей не превышает, как правило, 2÷3 %.
С повышением температуры нагревания более 250 °С начинают преобладать реакции термосинтеза. В интервале температур 300÷400 °С суммарный тепловой эффект свидетельствует об экзотермичности процесса.
При 400 °С преобладают реакции термического разложения и увеличивается скорость образования летучих веществ. Эта группа реакций протекает с поглощением тепла.
Наибольшее количество «пирогенетической» воды при термической деструкции углей низких и средних стадий метаморфизма образуется в интервале температур 400÷500 °С.
В зоне температур 400÷500 °С, где скорость образования летучих веществ, а следовательно, и скорость реакции разложения велики, возрастает интенсивность группы реакций термо- синтеза вследствие большой реакционной способности веществ нагреваемой органической массы. Соотношение этих групп реакций при дальнейшем нагревании изменяется в зависимости от вида твердых горючих ископаемых. Как правило, для большинства углей максимум скорости образования летучих продуктов соответствует стадии развития процесса, при котором выделилось 0,20÷0,35 от общей массы летучих продуктов.
К 550 °С образование смолистой части летучих веществ практически завершается. При температурах выше 550 °С в процессе термодеструкции реакции циклизации и ароматизации интенсифицируются, к 600 °С образуется твердый углеродистый продукт, называемый полукоксом.
Дальнейшее повышение температуры нагревания сопровождается протеканием реакций ароматизации и полициклизации с отщеплением газообразных продуктов, преимущественно водорода, и в меньшем количестве – метана, оксида углерода, азота. Содержание углерода в твердом остатке термической деструкции увеличивается. При тем-пературах, близких к 700 °С, наблюдается второй максимум скорости образования аммиака (первый максимум относится к температурам 350-500 °С).
К 900 °С завершается превращение полукокса в кокс – высококарбонизированный материал, который может иметь вид монолитного формирования или мелких зерен в зависимости от свойств исходного угля, его способности переходит в пластическое состояние.
В результате термической деструкции торфов и бурых углей образуется большое количество низкомолекулярных летучих продуктов в виде паров смол и газов, а также твердый углеродистый остаток, в котором содержание углерода возрастает по мере увеличение температуры термической обработки.
При одинаковых условиях термической отработки выход и состав парогазовых (химических) продуктов существенно зависит от структуры и свойств исходного топлива. Примерная характеристика «первичных» газов, образующихся при термической деструкции бурых углей (до 600 °С) [1]:
| Состав | % (об.) |
|---|---|
| CO | 5÷15 |
| CO2+(H2S) | 10÷20 |
| CmHn) (непредельные углеводороды) | 1÷2 |
| CH4 и его гомологи | 10÷25 |
| H2 | 10÷30 |
| N2 | 10÷30 |
| NH3 | 1÷2 |
| Теплота сгорания (Qh), кДж/м3 (ккал/м3) | 14 665÷18 855 (3000÷4000) |
В технологии термической переработки угля принципиальным вопросом является получение тепловой энергии и рациональное ее использование.
В технологии подземной газификации угля (ПГУ) имеются источники получения высокой температуры, которая передается газовым потоком. Так температура в газогенераторе достигает до 2000 °С, газа ПГУ у газоотводящей скважины – 800÷850 °С, на поверхности газ ПГУ после охлаждения в скважине имеет температуру 250÷300 °С, газовый поток, исходящий из камеры сгорания газотурбинной установки достигает температуры 350÷500 °С.
Используя тепло газовых потоков можно на поверхности станции «Подземгаз» решать следующие задачи:
• снижать содержание влаги в товарном угле и повышать теплоту сгорания топлива (100÷125 °С);
• получать бездымное топливо (до 300 °С);
• получать дополнительно объем газа с теплотой сгорания до 4000 ккал/м3 , который используется для выработки электроэнергии и синтеза жидкого топлива.
1. Химическая технология твердых горючих ископаемых: Учеб. для вузов /Под ред. Г.Н. Макарова и Г.Д. Харламповича. – М.: Химия, 1986. – 496 с