Ветров Игорь Валерьевич

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра химической технологии топлива

Специальность Химическая технология топлива и углеродистых материалов

Влияние газовой среды на термические превращения сернистого угля

Научный руководитель: д.х.н., профессор Бутузова Людмила Федоровна

Реферат по теме выпускной работы

Содержание:

1. Введение
2. Аналитический обзор
3. Экспериментальная часть
4. Заключение
5. Список литературы

Введение

Актуальность темы. Современные условия углеобеспечения коксохимических предприятий Украины характеризуются недостаточным количеством малосернистых и коксующихся компонентов шихты для коксования. На украинском рынке угля наблюдается постоянный дефицит качественного низко сернистого коксующегося угля собственной добычи. Это связано с тем, что сырьевая база Донбасса, как и Украины в целом, характеризуется небольшим содержанием малосернистых углей марок К, Ж и ОС. При этом увеличивается доля добычи слабо спекающегося и не спекающегося сернистого угля, которые преобладают в нашей стране [1].

Таким образом, актуальной является задача получения качественного кокса из имеющейся угольной сырьевой базы и на основе существующей технологии коксования, что может быть реализовано путем разработки наиболее рациональных вариантов составления угольных шихт и возможного применения в них различных органических добавок.

Цель работы – исследование коксов полученных на основе шихт с использованием сернистых углей и добавок веществ влияющих на процесс термической деструкции.

Задачи работы:

1. Определить пластометрические показатели шихт содержащих угли разных типов по восстановленности;
2. Определить влияние добавок на пластометрические характеристики шихт с разным содержанием сернистых углей;
3. Определить качественные показатели полученных из этих шихт высокотемпературных коксов (прочность, содержание серы);
4. Выяснить возможность уменьшения доли хорошо спекающихся углей в шихте с сохранением качества кокса.

Объектом исследования в работе являются шихты из угля Донецкого бассейна шахт Центральная и Засядько с различным сочетанием компонентов слабовосстановленного (Га, Жа) и восстановленного (Жв) типов.

Научной значимостью является изучение качественных показателей коксов из шихт с использованием сернистых углей и применением различных органических добавок.

Практическая ценность результатов работы заключается в расширение сырьевой базы коксования за счет использования в шихтах сернистых углей Донбасса и отходов коксохимического производства с получением качественного кокса.

Аналитический обзор

Одним из наиболее простых способов повышения спекаемости угольных шихт в условиях ухудшения сырьевой базы коксования является применение органических добавок. Предполагаемое использование в качестве добавок химических отходов коксохимического производства позволит одновременно решить проблему их утилизации. Так как в настоящее время значительное количество смолистых отходов коксохимических цехов не находят квалифицированного использования, то возникает целесообразность их использования в качестве добавок в шихту при производстве кокса [2].

Установлено, что отходы коксохимического производства принимают активное участие в процессе коксообразования, изменяя характер реакций термохимического разложения углей и увеличивая выход и качество кокса. Применение подобных добавок в шихту позволит расширить сырьевую базу коксования за счет применения в шихтах большого количества слабоспекающихся и газовых углей. При этом утилизируются опасные органические соединения [3].

Применение органических добавок представляет большой интерес в связи с их способностью влиять на спекаемость углей, выход и качество кокса, а также на выход химических продуктов коксования.

В литературе описано влияние таких добавок, как твердые полимеры (полиэтилен, полистирол, полиэтилентерефталат), отходы коксохимического производства (кислая смолка сульфатного отделения, полимеры поглотительного масла, кислая смолка цеха ректификации бензола, каменноугольная смола, фусы), мазут, каменноугольный пек, отходы нефтяной промышленности и др.

Вместе с тем, рассматривая весь спектр возможных органических добавок к углю при изучении их влияния на процесс спекания, отметим, что есть данные, указывающие на важную роль органических добавок в процессах термохимического превращения углей и их спекании. При этом одни из них могут вступать в химическое взаимодействие с продуктами первичной деструкции угля и тем самым коренным способом влиять на процессы формирования угольной пластической массы, делая ее более или менее текучей, более или менее реакционноспособной, отвердевающей с большей или меньшей скоростью и т.д. . Остальные могут и не вступать в химическое взаимодействие с углем или первичными продуктами его термической деструкции, но сами, переходя в пластическое состояние, участвуют в формировании угольной пластической массы и запекают неспекающиеся компоненты угольной шихты.

Как в первом, так и во втором случае органическая добавка влияет на характеристические показатели образования угольной пластической массы, однако в первом случае влияние добавки более глубокое. Оно не только затрагивает пластические свойства, но и вносит существенный вклад в формирование молекулярной структуры отвердевающей пластической массы, делая ее, в частности углеродный скелет, более или менее графитируемым. Во втором случае добавка практически не влияет на молекулярную структуру твердого остатка термической деструкции, а лишь повышает или снижает его прочность. Иными словами, добавка в этом случае выполняет роль дополнительного количества связующего в угольной пластической массе. Если его и так достаточно в угольной пластической массы, то добавка может снизить прочность твердого остатка. Если же в угольной пластической массе связующей составляющей недостаточно, то добавка приведет к повышению прочности образуемого кокса.

Например, показано, что при добавке к газовому углю 5 – 20% углю каменноугольного пека или смолы текучесть получаемой угольной пластической массы, характеризуется выходом жидкоподвижных продуктов по методу ХПИ, значительно увеличивается. Существенно улучшается при этом и прочность получаемого твердого остатка (полукокса и кокса) [4].

Так же в литературе были описаны опыты по коксования углей с добавкой до 10% смоляного пека, гатча нейтрального масла и стеаринового пека, а также различных количеств смеси из двух этих веществ. Было установлено, что при добавке нейтрального масла или стеаринового пека к коксуемому углю значительно увеличивается выход газа, бензола, этилена и метана. При добавке смоляного пека значительного увеличения указанных продуктов не наблюдается [5].

Согласно [6], добавка ДАК (Динитрил азобисизомасляной кислоты – C₈H₁₂N₄), являющейся инициатором радикальной полимеризации, к образцам угля восстановленного типа при полукоксовании приводит к увеличению выхода полукокса, снижение выхода воды и парогазовых продуктов. А для образцов слабо восстановленного типа, наоборот, наблюдается снижение выхода полукокса и резкое увеличение выхода газа.

В последнее время представляет интерес исследование влияния на процессы полукоксования и коксования некоторых наиболее широко распространенных твердых полимеров (полиэтилен, полиэтилентерефталата, полистирола), которые при нагревании деструктируют практически в тех же температурных интервалах, что и спекающиеся угли.

Исследованы возможности утилизации полиэтилентерефталата в процессах полукоксования и коксования газового угля различных типов по восстановленности. Показано, что добавка пластика в небольших количествах (1%) является достаточным для увеличения ресурсов жидкой фазы пластической массы, что позволяет увеличить выход кокса с сохранением его прочности, увеличить содержание в газе ценных горючих компонентов, таких как Н₂, СО, С_nН_m. Были отмечены существенные различия в ходе процессов термической деструкции низко-и высоко сернистых углей [7].

Экспериментальная часть

Изучение шихт и углей проводили пластометрическим методом (ГОСТ 1186–87). Определение прочности коксов осуществляли копровым методом (ГОСТ 5953–81). Определение общей серы проводили по методу Эшка (ГОСТ 8606–93).

В качестве добавок вводили динитрил азобиcизомасляной кислоты (ДАК) для инициирования процессов радикальной полимеризации, а также каменноугольный пек, пенополистирол (ППС), полиэтилентерефталат (ПЕТФ), фенолы.

Для изучения шихт использовали стандартный пластометрический метод. Коксование образцов шихт массой 100 г. и крупностью 0-3,6 мм проводили в аппарате Сапожникова, представленном на рисунке 1, при скорости нагрева 3°С/мин до конечной температуры 1010°С с изотермической выдержкой при максимальной температуре в течение 10 минут. Cущность метода заключается в одностороннем нагреве угольной загрузки с периодическим определением толщины пластического слоя и последующим замером осевой усадки. Эти параметры в сочетании с автоматически записанной пластометрической кривой и с характеристикой коксового остатка дают представление о коксуемости угля [8].

Рисунок 1 — Пластометрический аппарат:
1 – плита, 2 – стойка, 3 – муфта для крепления рычага, 4,6 – шарнирные валики, 5 – рычаг, 7 – штемпель, 8 – стакан, 9 – трубка для термопары, 10 – пленка прижимная, 11 – дно стакана, 13 – кирпич верхний, 14 – кирпич нижний, 15 – электрод, 16 – скоба направляющая, 17 – стойка направляющая, 18 – груз, 19 – подвеска груза, 20 – стойка барабана, 21 – барабан с часовым механизмом, 22 – перо, 23 – винт установочный.

Механическую прочность коксов оценивали копровым методом на лабораторной установке представленной на рисунке 2. Для проведения опыта готовили пробу кокса, измельченного до крупности 10–13 мм. Затем отбирали навеску 20 г, взвешивали с точностью 0,01 г и насыпали ровным слоем на дно стального стакана. Стакан 1 устанавливали на специальную подставку 2 и вводили в него металлическую трубку 3. После этого на исследуемую пробу сбрасывали груз 5 массой 1 кг 15 раз, так что при расстоянии от основания до дна стакана в 1 м совершалась работа 147 Дж. Полученный раздробленный кокс рассеивали через сита 10, 5, 3, 1, 0,5 мм с последующим взвешиванием каждой фракции. По этим данным вычисляли индекс прочности П, равный работе разрушения А, необходимой для образования единицы новой поверхности S, т.е.

П=dА/dS,

Показатель сопротивления дроблению (Р,%) вычисляли по выходу класса более 3 мм и выражали, как:

Р=100*ai/G,

где ai – сумма соответствующих весов фракций кокса 3–5, 5–10 и 10–13 мм, а G – общий вес всех фракций кокса. Кроме того, по выходу класса менее 0,5 мм (%) был определен индекс истираемости (И) [8].

Рисунок 2 — Лабораторная установка для определения механической прочности кокса копровым методом:
1 – стакан; 2 – подставка; 3 – трубка; 4 – склон; 5 – груз.

Сущность метода Эшка заключается в том, что аналитическую пробу топлива вместе со смесью Эшка сжигают в окисляющей среде с целью удаления горючей массы и преобразования серы в сульфаты. Далее сульфаты экстрагируют раствором соляной кислоты или водой и определяют гравиметрическим способом после осаждения их хлоридом бария.

Результаты исследований

В таблице 1 приведена характеристика исследуемого угля.

Таблица 1 - Характеристика исследуемого угля

Как видно из таблицы, угли восстановленного типа (в) отличаются более высоким содержанием серы по сравнению со слабовосстановленными углями типа (а).

Анализ данных, полученных в ходе изучения шихт, характеризующих ход газовыделения в процессе пиролиза показал что характер кривых для шихты Жв:Га с соотношением компонентов 50:50% не изменяется при добавлении ДАК. Однако, происходит интенсификация процесса газовыделения с характерным повышением частоты пиков, что свидетельствует об увеличении количества выделяющихся жидкоподвижных продуктов пиролиза которые ответственны за процессы спекания компонентов шихты.

Рисунок 3 — Пластометрические кривые для шихт.

Рисунок 4 — Графики толщины пластического слоя для шихт.

Результаты исследований приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2 - Пластометические показатели шихт.

Из таблицы видно, что использование восстановленных жирных углей в коксовой шихте (Жв:Га, 70:30) приводит к существенному увеличению толщины пластического слоя, величины пластометрической усадки и выхода кокса по сравнению с шихтой, составленной из малосернистых компонентов (Жа:Га,70:30).

Введение 5 % добавки ДАК, как и пека к шихте Жв:Га 50:50 увеличивает толщину пластического слоя и тем самым увеличивает способность компонентов шихты к спеканию.

Таблица 3 - Показатели прочности кокса и содержание общей серы

*в случае малопрочного кокса индекс П может оказаться искаженным

Данные, приведенные в таблице 3, указывают на резкое увеличение прочностных показателей кокса из шихт с соотношением компонентов 70:30 при замене жирного угля типа (а) на тип (в). Шихта 50:50 также имеет показатели И и Р, лучшие по сравнению с шихтой Жа:Га,70:30. Добавка ДАК приводит к снижению истираемости при примерно одинаковой величине сопротивления дроблению. Добавка пека значительно улучшает прочностные показатели кокса.

Заключение:

Полученные результаты свидетельствуют о возможности снижения доли хорошо спекающихся компонентов в шихте и возможности управлять процессом перехода углей в пластическое состояние путем введения специальных органических добавок.

Возможно использование отходов коксохимического производства в качестве добавки к угольной шихте для коксования.

Очевидна необходимость учета генетического типа по восстановленности при составлении шихт для коксования.

Список литературы:

1. Производство и потребление коксующихся углей в Украине и России [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.uaenergy.com.ua/
2. Васючков Е.И., Музычук В.Д., Журавлева Л.А., Глущенко И.М., Панченко Н.И., Ивченко А.Ю. Исследование возможности использования отходов коксохимического производства в шихте для коксования // Кокс и химия. – 1985. – №11. – с. 16–18.
3. Салтанов А.В., Павлович Л.Б., Пьянков Б.Ф., Калинина А.В., Гайниева Г.Р. Утилизация углеродсодержащих отходов в процессе высокотемпературного пиролиза каменного угля: спекающие и обмасливающие присадки // Кокс и химия. – 2002. – №4. – с. 17–25.
4. Рафальский П.Н., Шульга А.А., Репка Л.В., Бессмертная В.И., Рымарчук Л.А. Комплексное исследование влияния добавок каменноугольного пека на качество угольных шихт и кокса // Углехимический журнал. – 2010. – № 5–6. – с.11–14.
5. Грязнов М.С. Особенности процесса коксования углей с масляными добавками // Кокс и химия. – 1961. – № 6. – с.17–22.
6. Бутузова Л.Ф., Сафин В.А. Полукоксование высокосернистых спекающихся углей в присутствии добавок // Матеріали III наук.–практ. конф. «Донбас–2020: Наука і техніка – виробництву». – Донецьк, 2006. – с. 404–408.
7. Бутузова Л.Ф., Исаева Л. Н., Маковский Р. В., Шевкопляс В. Н., Булыга О. С., Бутузов Г.Н. Влияние добавок пластика на процессы термодеструкции сернистых углей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. – Донецк: ДонНТУ – 2008. – вып.137(11). – с. 96–101.
8. Методические указания к лабораторному практикуму «Исследование технологических показаний твердых горючих ископаемых» / сост.: Акимова Л.М., Новицкий П.Л. – Донецк: ДПИ, 1986. – 36с.

Резюме | Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел