ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ
	Семковский Станислав Владимирович Факультет экологии и химической технологии Кафедра химической технологии топлива и углеродных материалов Специальность: Химичеcкая технология топлива
Тема магистерской работы: Возможности усовершенствования состава шихт для коксования в современных условиях Донбасса Научный руководитель: проф. Бутузова Людмила Федоровна
Материалы по теме магистерской работы:   Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел
Реферат по теме магистерской работы ВВЕДЕНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ       Совершенствование технологии доменного производства всегда сопровождалось ужесточением требований к показателям качества металлургического кокса с целью снижения его расхода на производство тонны чугуна. Если ранее эти требования сводились к необходимости улучшения технических характеристик (зольность, сера), крупности (гранулометрический состав) и прочности кокса, то в последнее время в связи с разработкой технологии доменной плавки с вдуванием пылевидного угольного топлива они дополнились показателями реакционной способности (CRI) и послереакционной прочности (CSR).       Кокс, обеспечивающий минимально возможный расход в доменной печи, должен характеризоваться следующими показателями: Wr - 3-5%, Ad – 8-9%, Sdt – 0,5-1,0%, Vdaf – 0,3-0,5%; содержание классов > 80 мм 3-5%, < 25 мм 3-4%; М25 90%, М10 6%; CRI 20-25%, CSR 65-70% [1, 23-24].       Уровень этих показателей свидетельствует о повышенном внимании доменщиков к качеству кокса.       Показатель сернистости является одним из основных показателей качества при установлении пригодности углей для различных видов использования, прежде всего, в процессах полукоксования и коксования. В твердом топливе различают серу органическую So, входящую в состав органической массы топлива, серу сульфидную Sc и пиритную (бисульфидную) Sp, входящие в сульфиды и бисульфиды металлов, сульфатную Ss, находящуюся в виде сульфатов металлов, и элементную Se, присутствующую в угле в свободном состоянии. Сумма указанных разновидностей серы составляет общую серу St. Показатель технического анализа – общая сера угля (Sdt, %) – указывает на суммарное содержание серы во всех соединениях, пересчитанное условно на элементную серу (%) по отношению к анализируемому углю.       При сжигании угля выделяются сернистые соединения, которые корродируют оборудование, а также вредно действуют на окружающую среду. Сера кокса ухудшает его качество как металлургического топлива, поскольку в домне она переходит в чугун, придавая ему хрупкость и понижая качество получаемой из него стали, так как сообщает ей красноломкость [2, 304].       Например, увеличение сернистости угля на 0,1% приводит к снижению производительности доменной печи и росту расхода кокса на 1,8% [3]. Превышение содержания обшей серы в углях, предназначенных для коксования, на 0,1% по сравнению со средними расчетными нормами влечет за собой снижение оптовой цены угля на 0,5%.       К сожалению, сырьевая база Донбасса, как и Украины в целом, характеризуется небольшим содержанием малосернистых углей марок К, Ж и ОС и углей, технический состав которых позволяет получать кокс заданного качества. Методы обогащения и обессеривания угольных шихт, а также внедрение новых технологий в процесс коксования на данном этапе развития промышленности, позволяет только частично разрешить данную проблему. К тому же владельцы коксохимических предприятий, в основном, используют шихты из хорошоспекающихся и малосернистых углей, не думая при этом, что ресурсы таких углей не вечны.       В связи с выше сказанным, актуальной представляется задача обеспечения требуемых показателей качества кокса в рамках существующей угольной сырьевой базы и существующей технологии коксования.       Учитывая ограниченность существенного совершенствования технологии подготовки и коксования шихты, основным фактором улучшения качества кокса следует считать составление рациональных вариантов угольных шихт из планируемых ресурсов с учетом экономики его производства.       Важность проблемы связана с широким распространением сернистых углей. Высоким содержанием серы отличаются угли Болгарии (месторождение Зельненград – 3,18%, Горно-озирово – 8,88%, большинство углей США и более 70% углей Донецкого бассейна) [4, 124]. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ       Целью данной научной работы является исследование поведения углей разных типов по восстановленности в шихте в процессе термофильтрации и в процессе полукоксования, совершенствование состава шихт и снижение количества серы в полукоксе с помощью предварительной химической обработки.       Основная задача – на основании полученных данных, дать рекомендацию по оптимальному составу шихты для обеспечения требуемого качества кокса с учетом располагаемой сырьевой базы Донбасса. НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ       Проблемой востановленности и составлением рациональных шихт занимались многие ученые. Профессором Бутузовой Л.Ф. рассматривалось влияние типа по восстановленности на выход продуктов полукоксования отдельных марок углей [4, 124-133].       Научная новизна – применение метода термофильтрации и полукоксования для шихт из разновосстановленных углей и составление шихты оптимального состава.       Практической ценность – расширение сырьевой базы коксования за счет использования в шихтах среднесернистых и высокосернистых углей Донбасса с получением кокса, отвечающего требованиям доменщиков. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ технический анализ; элементный анализ; метод термофильтрации; метод ИК-спектроскопии; метод полукоксования. Этот метод является одним из наиболее перспективных и высокоинформативных методов термической переработки твердого топлива, поскольку протекающие на стадии полукоксования превращения лежат в основе большинства других процессов промышленной переработки ТГИ. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ДАННОЙ ОБЛАСТИ На университетском уровне       В Донецком национальном техническом университете разработки по этой и другим темам, связанным с проблемой восстановленности углей ведутся под руководством профессора Людмилы Федоровны Бутузовой. В работе [5] рассмотрена проблема переработки сернистых углей и сделаны следующие важные выводы: установлены значительные различия в выходе и составе продуктов полукоксования изометаморфных пар низко- и высокосернистых углей; показано, что смола полукоксования сернистых углей по своему составу является более ценным сырьем для получения СЖТ по сравнению со смолой малосернистых углей; установлено, что газ восстановленных углей обогащен Н2, Н2S и СН4; продемонстрирована возможность химической модификации углей с целью интенсификации процессов их спекания и обессеривания при термической переработке.       В статье [6] выявлен ряд новых показателей, характеризующих генетический тип угля по восстановленности: содержание Н2, Н2S и СН4 в полукоксовом газе; содержание асфальтенов и нейтрального масла в смоле полукоксования; относительное содержание алканов, углеводородов нафталинового ряда и тиофенов во фракции нейтрального масла и др. Сайт магистров ДонНТУ       Поиск по сайту магистров ДонНТУ не выдает ни одной магистерской работы, связанной с рассмотрением этой темы. Обзор в мире       На мировом уровне этой проблемой занимаются российские ученые, из которых следует выделить Гюльмалиева А.М. и Гагарина С.Г. В статье [7] С.Г. Гагарин описывает важность проблемы восстановленности и условия образования разновосстановленных углей. В работе [8] для количественной оценки описания углей разного генетического типа по восстановленности в рамках структурно-химической классификации горючих ископаемых предложен параметр (В, %), характеризующий химическую восстановленность углеродного остова производных органических структур, содержащих атомы С, Н, N, O, S. По величине В группы мацералов углей составляют ряд: липтинит L > витринит Vt > инертинить I, а среди мацералов группы Vt: коллинит > теллинит. При этом степень восстановленности равнометаморфизованных углей сходного петрографического состава определяется соотношением разновосстановленных мацералов группы витринита. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ       Объектом исследования являются две пары изометаморфных газовых и жирных углей Донбасса однородных по петрографическому составу, но различающихся генетическим типом. В таблице 1 дана характеристика исходных углей: Таблица 1 – Характеристика исследуемых углей. Шахта Марка угля Тип Технический анализ, % Элементный анализ, % daf Wr Ad Sdt Vdaf C H O+N Центральная Г, k7 a 2,2 5,2 1,22 36,0 85,1 5,11 8,71 Димитровa Г, l1 в 2,1 4,4 2,49 38,7 83,8 5,34 9,50 Засядько Ж, l1 a 2,3 8,2 1,1 32,7 86,1 5,4 7,4 Засядько Ж, k8 в 2,2 2,6 4,1 30,5 85,4 5,2 5,3       Для исследования составили 4 пары шихт различных комбинаций с соотношением Ж : Г = 70 : 30. Такое соотношение является оптимальным, так как минимальное количество хорошоспекающихся углей должно составлять не менее 65% [9, 88].       Исследования проводились методом термофильтрации в центробежном поле на установке ХПИ [10, 190]. Установка представляет собой металлический цилиндрический аппарат. Навеску шихты 6г помещают в стеклянную сосуд и накрывают фильтровальной сеткой. Далее сосуд помещают в фарфоровый патрон и помещают в железный приемник, который направляют в аппарат и закрепляют. После включения аппарата под действием центробежных сил и градиентного нагревания в течение 20 минут до температуры 600 0С происходит отделение пластической массы от твердого остатка.       Преимущество этого метода – это единственный метод, позволяющий отделить пластическую массу без начала вторичных преобразований.       Методом термофильтрации вначале были найдены выходы пластической массы для каждой марки углей. Далее этим методом были найдены выходы для 4 пар шихт с соотношением Ж : Г = 70 : 30, а также рассчитаны теоретический выход пластической массы для этих же шихт с учетом аддитивности по формуле: s=a*w(a)+b*w(b) где s – выход пластической массы; a, b – количество компонентов шихты; w(a), w(b) – содержание этих компонентов в шихте.       Результаты опытных и расчетных данных представлены в таблице 2. Таблица 2 – Выходы пластической массы для марок углей и шихт. Жидкоподвижные продукты, % Центральная Г, а Димитровa Г, в Засядько Ж, а Засядько Ж, в 12,2962 4,7781 17,1 42 Жв+Гв, 70/30% Жв+Га, 70/30% Жа+Га, 70/30% Жа+Гв, 70/30% по расчету по опытным данным по расчету по опытным данным по расчету по опытным данным по расчету по опытным данным 30,83343 17,6245 33,08886 26,5243 15,65886 20,9517 13,40343 13,7767 Зависимость выхода пластической массы расчетной и опытной представлена на рис. 1 Рисунок 1 – Сравнительная характеристика расчетных и опытных выходов пластической массы Количество кадров – 5, количество повторений – 10       Как видно из рисунка, экспериментальные данные по выходу продуктов ТФЦ не аддитивны теоретически рассчитанным. Выход продуктов и отклонения в выходе пластической массы от расчета самым существенным образом зависят от типа по восстановленности и различны при одинаковом марочном составе шихт. Это свидетельствует о химическом взаимодействии компонентов шихт. Оптимальным составом, дающим максимальный выход жидкоподвижной фазы при указанном выше соотношении 70 : 30 является шихта, содержащая восстановленный уголь марки Ж и слабовосстановленный уголь марки Г. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ       Для оценки состава и свойств продуктов термической переработки шихт используется метод ИК-спектроскопии с Фурье преобразованиями (DRIFT).       Метод ИК-спектроскопии с Фурье преобразованиями (DRIFT) занимает особое место среди инструментальных методов исследования углей и процессов их термической деструкции, так как он позволяет получать качественные спектры этих сложных природных объектов. Инфракрасное излучение с частотой меньше I00 см-1 поглощается органической молекулой и преобразуется в энергию ее вращения, а излучение в диапазоне около 1000-100 см-1 – в энергию колебательных движений атомов в молекуле. Применение распространенного метода снятия ИК-спектров пропускания путем таблетирования угля с KBr не позволяет сделать полуколичественкую оценку спектров углей и продуктов их термодеструкции [11].       Большим преимуществом FT-IR метода является возможность использования компьютера для цифрового накопления и обработки данных, что позволяет производить операции расширения и сужения спектров, их сравнение или синтез, факторный и корреляционный анализ, вычитание спектра растворителя или минеральных примесей, показ и распечатывание кривых, программированный контроль эксперимента и коррекцию базовой линии.       ИК-спектры углей 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.       Коррекцию базовой линии проводили с использованием компьютерной программы «Origin». Построение базовой линии проводили по известным точкам локальных минимумов на спектре, которые регистрируются при определенной длине волны и являются характеристическими для всех ИК-спектров. Метод позволяет частично устранить последствия отклонения от закона Ламберта-Бера, обусловленные неоднородностью образцов, присутствием частиц большего размера по сравнению с длиной волны и др. Анализ DRIFT спектров проводили путем отыскания характеристических полос поглощения. Данный метод дает хорошо воспроизводимые результаты и широко применяется в углехимии.       По данным DRIFT-спектроскопии, основными структурными фрагментами исследуемых углей являются следующие [12, 170]: ароматические углеводороды (в том числе карбонил- и фенолсодержащие), о чем свидетельствует наличие характерных полос поглощения С=С связи при ~1600 см-1; 0=0 связи в области 1705-1650 см-1 (включая хиноидные группы в области 1653-1663 -1), поглощение в области валентных колебаний ОН-групп (3700-3300 см-1), интенсивное поглощение -С-О-групп (1300-1100 см-1), которое относят к деформационным колебаниям фенольных и эфирных групп, а также пики поглощения инфракрасных волн в области валентных и деформационных колебаний Сар-Н связей при 3100-3000 см-1 и 900-700 см-1 соответственно; алифатические насыщенные Сал-Н группы, которые идентифицировали по наличию интенсивного поглощения в области валентных колебаний 3000-2800 см-1 (СН3, СН2, СН группы) и в области деформационных колебаний: 1480-1430 см-1, 1380-1370 см-1 (СН3-группы); 1485-1445 см-1, 1305 см-1, 1250 см-1, 720 см-1 (СН2-группы); 1340 см-1 (СН-группы); -С=0 группы в насыщенных соединениях, хорошо определяемые по полосам поглощение в интервале частот 1750-1700 см-1 (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры).       На рисунке 2 показаны спектры пластической массы (ЖНП) двух шихт составленных из слабовосстановленных углей марок Г и Ж (рис. 2а) и восстановленных углей тех же марок (рис. 26). Как видно из рисунка, тип углей по восстановленности определяет функциональный состав шихты. Угли типа «в» дают пластический слой, отличающийся высоким содержанием ароматического водорода (V = 700-900 см-1) и мостиковых кислород и серосодержащих групп (V = 1200-1250 см-1). Выход жидкоподвижной фазы и твердого остатка для пары восстановленных углей составляет 17,6% и 59,8%, а для пары слабовосстановленных – 20,9% и 54,3% соответственно. Замена восстановленного газового угля на слабовосстановленный резко увеличивает выход жидкоподвнжных продуктов, ответственных за спекаемость угля. Влияние типа по восстановленности жирного угля менее заметно. Рисунок 2 – ИК-спектры пластической массы шихт, составленных из слабовосстановленных углей марок Г и Ж (рис. 2а) и восстановленных углей тех же марок (рис. 2б).       Например, в жидкоподвнжных продуктах полученных из шихты Га + Жв резко увеличивается относительное содержание СНар/СНал по отношению к этому показателю в продуктах полученных из исходных углей. Неаддитивно уменьшается так же количество двух соседних атомов водорода при ароматических кольцах. Увеличивается содержание мостиковых -О- и -S- связей. Эти данные свидетельствуют об увеличении степени ароматичности ЖНП, изменении способа упаковки ароматических колец в шихте и дополнительном образовании трехмерных сшитых структур при термической обработке смеси углей. Полуколичественные данные обработки спектров показали, что происходит химическое взаимодействие компонентов шихт, которое зависит от типа исходных углей и определяет качество пластического слоя. Заключение       На данном этапе магистерской работы можно сделать следующие выводы: Полученные методом термофильтрации выходы пластических масс 4 пар шихт не аддитивны расчетным выходам, что свидетельствует о химическом взаимодействии шихт. Оптимальным составом, дающим максимальный выход жидкоподвижной фазы при указанном выше соотношении 70 : 30 является шихта, содержащая восстановленный уголь марки Ж и слабовосстановленный уголь марки Г. По результатам ИК-спектроскопии видно, что тип углей по восстановленности определяет функциональный состав шихты и качество пластического слоя. Далее эти шихты будут подвержены термической деструкции методом полукоксования в реторте Фишера. Состав полукоксового газа будет определен в аппарате ВТИ. Смола полукоксования будет разделена экстракцией растворителями по известной схеме. Библиографический список Рубчевский В.Н., Чернышев Ю.А., Овчинникова С.А. Разработка рациональных угольных шихт ОАО «Запарожкокс» для получения кокса, отвечающего современным требованиям доменного производства // Кокс и химия. 2007. №7. c. 23-27. Саранчук В.И., Ошовский В.В., Власов Г.А. Физико-химические основы переработки горючих ископаемых. – Донецк: Изд-во. ДонГТУ, Східний видавничий дім.– 2001.– 304 с. В. Я. Долгий, А. А. Кривченко, М. Д. Шамало. Содержание общей серы в угольных пластах Украины. Статья из журнала «Уголь Украины» №1, 2000. Бутузова Л.Ф., Сафін В.О., Бондаренко О.В., Бутузов Г.М. Теоретичні та експериментальні дослідження термодеструкції сірчистого вугілля Донбасу // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. – Донецк: Изд-во ДонНТУ – 2007. – вып.119(9). – С. 124 - 133. Бутузова Л.Ф., Сафин В.А., Гонсалвеш Л-Н.Д., Маринов С. Проблемы переработки сернистых углей // Труды IV международной научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов».– Москва.– 2007.– c. 249 – 253. Бутузова Л. Ф., Сафин В. А., Маценко Г. П., Гонсалвеш Л-Н. Д. Новые показатели восстановленности углей // Сборник докладов конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых» – Санкт-Петербург.– 2006.– c. 234 Электронный источник: Материалы научной конференции С.Г. Гагарин // Проблема восстановленности углей. Условия образования и характерные признаки разновосстановленных углей. Журнал Кокс и химия.- 2004.- №4.- с. 2-4. Гюльмалиев А.М., Гагарин С.Г. Проблема восстановленности в структурно-химической классификации углей // Химия твердого топлива.– 2007.– №2 – c. 20 - 26. Луазон Р. Технология коксохимического производства. М.: Металлургия, 1975. В.А. Сафин, А.И. Удодова Л.Ф. Бутузова. Исследование термодеструкции спекающихся углей методом термофильтрации // Сборник докладов VII международной конференции студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». – Донецк.– 2008.– Т.2.– c. 190-191. Метод ИК-спектроскопии Маковский Р.В., Наливкина А.О., Бутузов Г.Н. О взаимодействии компонентов шихт, составленных из углей разных типов по восстановленности // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів / Збірка доповідей VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2009, с. 170-171. Важное замечание       При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или у его руководителя после указанной даты.
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Индивидуальный раздел