БОНДАРЕНКО ІВАН ІГОРОВИЧ

• Вступ
• Актуальність роботи
• Практична цінність результатів роботи
• Огляд досліджень за темою у ДонНТУ
• Огляд досліджень за темою в Україні
• Огляд досліджень за темою у Світі
• Очікувані реузльтати роботи
• Завершення
• Література

Одним зі способів підвищення економічної стабільності держави є диверсифікація сировинних джерел, їх комплексна переробка, використання власних джерел сировини, пошук нових і оптимізація існуючих процесів переробки.

Основним напрямком використання вугілля на даному етапі залишається його застосування в якості відновлювача. Одночасно з цим, джерелом вуглеводнів для ведення різних синтезів виступає природний газ.

З метою отримання синтез газу можуть бути застосовані вугілля різних стадій метаморфізму і збагачення. Для реалізації зазначених процесів у світовій практиці були розроблені методи, наприклад: різні види газифікації [1, 2], плазмохімічної методи [3, 4]. Отриманий у результаті синтез-газ, можливо використовувати як для реалізації різних синтезів, а також використовувати в якості паливного газу для двигунів внутрішнього згоряння і в парогенераторах для вироблення електроенергії [5].

Застосування плазми в системах газ-тверді частки, газ-газ. Виконано великий обсяг досліджень з перетворення вугілля та інших твердих палив в рівноважній термічній і не рівноважній плазмі. Термічна плазма, яка використовується для хімічних перетворень, характеризується високими температурами (10 ³ - 10 ⁴ K), високими значеннями ентальпії (до 10 кДж / моль) для двохатомних газів, що утворюють плазму. Процеси переробки вугілля в дугових і плазмо-струменевих реакторах вже реалізовані у промисловості. Нерівноважна плазма має відносно низькі температури газу (звичайно декілька сотень градусів), низькі значення ентальпії і тиску, однак високу електронну температуру (приблизно 10 ⁴ K) і містить первинні електрони з енергією близько 10 ² еВ. Генераторами не рівноважної плазми є тліючий розряд, різні форми високочастотних розрядів, коронний і деякі інші види розрядів. Холодну не ізотермічну плазму отримують у розрядах різного типу: у високочастотному індукованому, високочастотному ємкісному і надвисокочастотних. Потужності генераторів плазми цього типу значно нижче, ніж у дугових плазмотронів. У нерівноважній плазмі порушений розподіл частинок за швидкостями та енергіями Максвела-Больцмана. Для опису хімічних процесів, що протікають у нерівноважній плазмі не можна використовувати закони класичної кінетики, в тому числі рівняння Ареніуса. При описі нерівноважних хімічних процесів необхідно враховувати не тільки пружні, але й не пружні зіткнення, що призводять до змін енергій електронного, коливального та спінового збуджень. У нерівноважних системах хімічно взаємодіють не тільки атоми і молекули в основному енергетичному стані, але й порушені атоми і молекули, іонізованих частинки. Таким чином, для опису кінетики хімічних процесів у нерівноважної плазмі необхідна інформація по електронно-коливальних рівнях молекул, що реагують, перерізах процесів збудження і дезактивації, заселеності електронно-коливальних станів, щільності електронів та їх просторово-часовому розподілі, функції розподілу електронів та їх просторово-тимчасовий розподіл. Фізико-хімічний опис нерівноважних плазмохімічних процесів складається з двох частин: 1) рівнянь кінетики гомогенних хімічних реакцій; 2) рівнянь електродинаміки Максвелла, що зводяться за певних умов до відомого стаціонарного хвильового рівняння. Система диференціальних рівнянь істотно нелінійна, тому що коефіцієнти швидкості хімічних реакцій можуть залежати від напруженості електричного поля, що є рішенням хвильового рівняння. Діелектрична проникність, що входить до хвильового рівняння, в свою чергу, залежить від змін у часі концентрації електронів, що одержується в результаті рішень кінетичних рівнянь, а також від характеристики самого поля. Природно, що моделі нерівноважних плазмохімічної процесів можуть бути складені лише для простих реакцій типу збудження коливальних та електронних рівнів молекул, дисоціації та іонізації двохатомних молекул, рекомбінації важких частинок, дисоціативної рекомбінації молекулярних іонів з електронними і т.д., а для опису таких складних процесів , як плазмохімічної перетворення вугілля в нерівноважній плазмі, наявної інформації із всіма перерахованими вище явищами недостатньо [2, ст. 39-40].

В даній роботі ставиться задача визначення можливих параметрів ведення процесу газифікації вуглеводневих матеріалів в рідкій фазі під впливом розрядів, їх кількісна оцінка та шляхи оптимізації. Робота є актуальною у зв'язку з недостатньою вивченістю ведення газифікації вуглеводневих матеріалів у рідкій фазі під впливом розрядів і плазми.

Можливі практичні результати полягають у визначенні показників ведення процесу, оцінка можливості використання вуглець містять сумішей з водою як замінник природного газу у вигляді джерела моно оксиду вуглецю та водню.

У процесі літературного пошуку автором не знайдено матеріалів за роботами у ДонНТУ, що пов'язані з плазмовою газифікацією вугілля у рідкому середовищі.

Прикладом однієї з найбільш близьких до даної теми робіт можуть служити роботи з анодного окислення вугіль і графіту [6, ст. 56-74], що опубліковані співробітниками Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії. Однак, наведені процеси в даній роботі по одержанню меллітовой кислоти та окису графіту, а також інших сполук протікають у процесах подібних електролізу, що не є прямою відповідністю даній роботі в частині закладених фізико-хімічних процесів.

В роботі [7] наведено установку імпульсного підводного іскрового розряду. Під впливом розрядів на об'єм рідини, крізь який пропускають бульбашки повітря, відбувається деструкція різних розчинених сполук у плазмі, що утворюється. Слід підкреслити, що робота [7] спрямована на очищення стічних вод від органічних забруднень.

Найбільш близькими роботами за темою є патенти [8, 9]. У цих документах наводяться пристрої та принцип роботи апарату плазмової газифікації різних вуглеводнів у рідкій фазі, одним з яких може бути і вугілля. Однак технічні показники процесу не визначені.

Одним із прикладів можливої реалізації патенту [10], може служити робота [11] виконана Ж.-Л. Наудіним, де показано, що в процесі дугового розряду у водному середовищі, утворюється певна кількість газу наступного складу, табл.1:

В якості матеріалів електродів можуть бути використані різні матеріали та метали. У патенті [10] показана можливість використання графітових електродів в якості джерела вуглецю для отримання моно оксиду вуглецю та водню і пристрої підведення енергії, однак це не відповідає вимогам, які автор висуває до електродів в даній роботі. У цьому випадку тривалість роботи реактора обмежується тривалістю «горіння» графітових електродів, що призводить до створення періодичного процесу, що пов'язано із зупинкою апарату для заміни електродів, ускладненням процесу обслуговування, додатковими експлуатаційними витратами.

Важливими параметрами процесу є умови утворення дугового розряду: струм і напруга, що контролюються програмно-апаратним комплексом.

Важливим питанням є вибір середовища, де здійснюватиметься розряд, у якості якого можуть бути застосовані різні суспензії та суміші речовин, на основі води.

Можливим способом управління процесом утворення і підтримки необхідної форми розряду може бути накладення зовнішнього магнітного поля на область розряду мал.1, що буде змушувати рухатися заряджені частинки уздовж силових ліній магнітного поля.

Очікувані результати реалізації процесу:

1. Ведення процесу без надмірного зовнішнього тиску.

2. Підведення енергії здійснюється безпосередньо в реакційний обсяг, що обмежується обсягом плазмового утворення; на відміну від традиційної газифікації, де процес ведеться при температурах понад 1000 °С [1], що вимагає застосування контурів рекуперації тепла, збільшення матеріалоємності апарату, високою теплової навантаження на апарат.

3. Простота конструкції реактора. Потенційна здатність до зміни розрахункової продуктивності апарата без значних технологічних доробок і додаткових заходів безпеки. Навіть, в разі неможливості створення одиничного апарату заданої продуктивності, буде можливо забезпечити задану продуктивність по газу шляхом установки декількох агрегатів.

4. Відсутність хімічно-агресивних вихідних компонентів. Сировиною для виробництва синтез газу є вода та вугілля. Можливе застосування добавок [12, ст. 23-32]як один з факторів оптимізації процесу. Дана робота спрямована на таку реалізацію процесу, при якій співвідношення маси водо-вугільної суміші до маси добавки прагне до нескінченності, що повинно бути одним із складових компонентів конкурентної переваги даного процесу.

5. Комплексна переробка вугілля. Мінеральна складова вугілля може бути вихідною сировиною для отримання концентратів різних розсіяних елементів [13], її технологічно зручно буде відокремлювати з розчину, що утворюється в процесі роботи реактора.

6. Для ведення процесу передбачається використання як попередньо подрібненого вугілля, так і хвостів його збагачення, що дає можливість утилізації останніх, хоча це і здатне в певній мірі ускладнити процес транспортування суспензії до реактору у зв'язку з критичним збільшенням в'язкості суміші при зменшенні розміру частинок вугілля [14].

7. Контроль і потенційно високий рівень автоматизації при низьких капітальних вкладень для їх здійснення. Управління повинне здійснюватися контролем наступних параметрів: рівень суміші в реакторі; витрата харчування в реактор; тиск газів в реакторі; склад газів в реакторі; наявність електричних втрат на корпус реактора, трубопроводи харчування та продукту; електричні параметри утворення і підтримки горіння плазми.

8. Передбачається наявність стійкої роботи реактора в разі зміни змісту вугільної фракції водо-вугільної суміші. Параметри електричного пробою між електродного простору залежать від діелектричної проникності середовища [2], зі зменшенням вмісту вуглецевої фракції передбачається зменшення коефіцієнта корисної дії реактора по продукту зі збільшенням концентрації водню у газі, що відводиться.

9. Процес не вимагає наявності інертних газових середовищ, як при плазмової газифікації в атмосфері аргону [2], або використання кисню повітря, як у процесах повітряної або пароповітряної газифікації [1].

10. Підготовка води. Передбачається використання вод без попередньої хімічної підготовки. Наявність розчинених солей металів сприяє утворенню плазмового розряду шляхом збільшення електричної провідності суміші.

11. Процеси запуску реактора та можливі відхилення від стаціонарного режиму роботи, коли можливі коливання обсягів газу, що виділяється або світлові ефекти, що спостерігається на даному етапі проведення дослідження, поглинаються об'ємом суспензії у навколо-електродному просторі. Тут проявляються унікальні властивості води [15, ст. 8-24], і висока ступінь чорноти вугілля, що сприяє поглинанню випромінювань і більш ефективному використанню енергії, що підводиться.

12. Підвищений вміст сірки у вугіллі, що характерно для вугілля Донбасу, і створює проблеми при отриманні коксу із низьким вмістом для металургії, не є принциповою перешкодою для їх переробки. Передбачається, що сірка під впливом випромінювань, що утворюються розрядом, в кінцевому рахунку, перетворюється в оксиди сірки. Оксиди сірки будуть видалятися спільно з оксидом вуглецю та воднем. Далі за газовим трактом можливо відокремлення оксидів сірки за потребою.

13. Теплові характеристики процесу. Мінімальна температура суміші, що подається в реактор обмежується оптимальними умовами гідро-транспортування суміші на шляху до реактора і перемішуванням в реакторі; а в разі застосування добавок, і розчинність останньої при даній температурі у водо-вугільній суміші. Орієнтовно, вона повинна відповідати температурі навколишнього середовища. Максимальна температура водо-вугільної суміші обмежується температурою кипіння води, однак, чим нижче температура водо-вугільної суміші, тим повільніше відбувається випаровування води, тим менше забруднення створюваного синтез газу парами води. Слід врахувати, що густина газів значно менше щільності водо-вугільної суміші, маса створюваного газу значно менше маси водо-вугільної суміші. Тому, відсутня необхідність у додатковому охолодженні реактора, досить забезпечити відвід газу, що утворюється газу і спочатку оптимізувати конструкцію реактора для зменшення часу контакту газу з водо-вугільною сумішшю.

Слід підкреслити, що наведені вище показники є тільки очікуваними, і їх достовірність знаходиться під сумнівом до практичної багатосторонньої перевірки.

До очевидних потенційних недоліків даного процесу необхідно віднести застосування електроенергії для генерації розрядів і плазми, визначення енергетичних параметрів процесу є одним із завдань здійснення та оптимізації процесу в даній роботі. Застосування електрики вимагає дотримання підвищених заходів безпеки, заземлення корпусу реактора та трубопроводів, спеціальної підготовки персоналу, герметизації обладнання, контроль вмісту горючих газів у робочій зоні, зокрема водню та моно оксиду вуглецю.

Відмінною особливістю плазмохімічних процесів переробки органічного сировини є їх висока селективність: отримання цільових продуктів супроводжується лише незначним утворенням побічних продуктів [2]. Водо-вугільні суміші можуть служити одним із способів безпосередньої подачі харчування в апарати [8] отримання синтез-газу. Дослідження і оптимізація умов утворення розрядів і плазми для газифікації у рідкій фазі сумішей, що містять вуглець, має певну новизну і є актуальним завданням, як з наукової, так і практичної точок зору. Застосування впливу розрядів для переробки водо-вугільних сумішей у рідкій фазі потенційно може мати ряд переваг перед іншими процесами переробки вугілля.

1. Г.-Д. Шиллинг, Б. Бонн, У. Краус. Газификация угля: Горное дело-сырье-энергия / Пер. с нем. – М.: Недра, 1986. 175с.
2. М.Ф. Жуков, Р.А. Калиненко, А.А. Левицкий, Л.С. Полак. Плазмохимическая переработка угля. – М.: Наука, 1990. – 200 с.
3. I. K. Rabovitser, S. Nester, B. Bryan, Plasma assisted conversion of carbonaceous materials into a gas // Pub. No.: US 2007/0186474 A1, B01J 19/08 (2006.01), Pub. Date: Aug. 16, 2007 .
4. I.K. Rabovitser, S.Nester, B. Bryan, Plasma assisted conversion of carbonaceous materials into synthesis gas // Pub. No.: US 2007/0186472 A1, B01J 19/08 (2006.01), Pub. Date: Aug. 16, 2007.
5. http://www.gasification.org/Docs/GTC_WhitePaper.pdf Gasification Redefining Clean Energy.
6. Химия и физика угля: Сб. научн. тр. / АН УССР. Ин-т физ.-орган. химии и углехимии; Редкол.: С.Н. Баранов (отв. Ред.) и др. – Киев: Наук. Думка, 1991. – 112 с.
7. А.А. Щерба, С.Н. Захарченко, И.М. Соломенцева. Эффективность очистки сточных вод от органических загрязнений электрофизическими методами // Вода і водоочисні технології. -2007. - №2. c. 38-42.
8. T. Foret, System, method and apparatus for treating liquids with wave energy from plasma // Pub. No.: US 2007/0253874 A1, C02F 1/467 (2006.01), Pub. Date: Nov. 1, 2007.
9. http://www.patentgenius.com/patent/7402188.html Method and apparatus for coal gasifier
10. W. A. Damman, Method and means of generating gas from water for use as a fuel // Pat. Number: 5,159,900, F02B 43/08, Date of Pat.: Nov. 3, 1992.
11. http://bingofuel.online.fr/bingofuel/index.htm Alternative fuels researches.
12. Пути переработки углей Украины: Сб. науч. тр. / АН УССР. Ин-т физ.- орган. химии и углехимии. Редкол.: Баранов С. Н. (отв. ред.) и др.- Киев: Наук. думка, 1988. – 148 с.
13. В.И. Кузьмин, Г. Л. Пашков, Н.В. Карцева, С.С. Охлопков, В.Р. Кычкин, А.М. Сулейманов, Способ извлечения редкоземельных металлов и иттрия из углей и золошлаковых отходов от их сжигания // Патент RU2293134, 2005.05.26.
14. Г.С. Ходаков, Водоугольные суспензии в энергетике // Теплоэнергетика. - 2007. - №1. с. 35-45.
15. Г.Н. Зацепина, Свойства и структура воды. – Издательство Московского университета, 1974. – 167с.