ДонНТУ   Портал магистров

Оксак Никита Максимович

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра химической технологии топлива

Специальность Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов

Использование органических добавок к угольной шихте влияющих на качество металлургического кокса

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

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• Актуальность темы
• Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• Объект исследования
• Метод термофильтрационного центрифугирования
• Описание антрацена
• Экспериментальная часть
• Выводы
• Список источников

Введение

При оценке роли органических добавок в процессах спекания углей следует иметь в виду, что она может быть неоднозначной, так как, во-первых, свойства разных органических добавок могут быть самыми разнообразными, а во-вторых, угли разной степени метаморфизма, к которым вводят различные добавки, также весьма различны по спекаемости. При этом одни из добавок могут вступать в химическое взаимодействие с продуктами первичной деструкции углей и тем самым коренным образом влиять на процессы формирования угольной пластической массы, делая ее более или менее текучей, реакционноспособной, отверждаемой.

Органическая добавка влияет на характеристические показатели образующейся угольной пластической массы, однако в первом случае ее влияние более глубокое. Оно не только затрагивает пластические свойства, но и вносит существенный вклад в формирование молекулярной структуры отверждаемой пластической массы, делая ее более или менее графитируемой. Во втором случае добавка практически не влияет на молекулярную структуру твердого остатка термической деструкции, а лишь повышает или понижает его прочность. Иными словами, добавка в этом случае выполняет роль добавочного количества в угольной пластической массе. Если его и так достаточно, то она может снизить прочность твердого остатка, и наоборот.

Коксование является наиболее крупномасштабной отраслью термической переработки угля. Угли должны обладать целым рядом определенных свойств, среди которых главное – спекаемость. Непременным условием спекаемости углей является их способность переходить при нагревании в пластическое состояние. Таким свойством в большей мере обладают наиболее дефицитные угли средней стадии метаморфизма[9].

Актуальность темы

Ограниченная возможность применения газовых углей в шихтах коксохимических заводов, производящих металлургический кокс, связана с тем, что они при слоевом коксовании обуславливают образование микротрещин в коксе, существенно снижающих его прочность, поэтому газовые угли используются, в основном, как энергетическое и коммунально-бытовое топливо.

Чтобы расширить сырьевую базу коксования, разрабатываются новые процессы подготовки и коксования шихт с повышенным содержанием газовых углей.

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью настоящей работы является оценка влияния добавки антрацена, как одного из важнейших компонентов каменноугольной смолы, на формирование пластического слоя газовых углей по данным термоцетрифугирования.

Для достижения поставленной цели будут решатся следующие задачи: оценить влияние антрацена на выход жидких нелетучих продуктов (ЖНП).

Объект исследования

Объектом исследования являются жирные (Ж) и газовые (Г) угли.

Метод термофильтрационного центрифугирования

Метод термофильтрационного центрифугирования ориентирован на углубленное изучение механизма процессов спекания и коксообразования углей. Этот метод является единственным, с помощью которого можно выделить пластическую массу до начала вторичных преобразований, изучить ее состав, свойства и оценить факторы, которые, главным образом, влияют на процесс коксообразования.

Описание метода термофильтрационного центрифугирования

Сущность метода заключается в нагревании угля в загрузочном патроне трубчатой электропечи центрифуги с параллельным отфильтровыванием жидкоподвижных продуктов термической деструкции в момент их образования под действием центробежной силы. Одновременно с выходом жидких нелетучих продуктов (ЖНП), количество и состав которых определяет свойства пластической массы, определяют выход надсеточного твердого остатка (НО) и парогазовых (Г) летучих продуктов термической деструкции.

Термофильтрационное центрифугирование проводили в аппарате ХПИ по ГОСТ 17621-89. Печь трубчатая с электрическим обогревом обеспечивает нагревание пробы угля со скоростью до 100°С в минуту в интервале температур от 20 до 600°С.

Для определения выхода жидкоподвижных продуктов готовили навеску угля массой 6 ± 0,01 г, состоящую из двух отдельных частей – класса 1 – 3 мм и 0 – 1 мм, пропорционально содержанию этих классов в исходной воздушно-сухой пробе угля. Для угля с применением добавки также готовили навеску угля и добавки 6 ± 0,01 г, состоящую из трех отдельных частей – класса 1 – 3 мм, 0 – 1 мм и добавки.

Выход жидкоподвижных продуктов определяли весовым методом. Твердый остаток отделяли от вкладыша и асбестовой прокладки и также взвешивали. Выход парогазовой фазы определяли по разности между массой исходной навески угля и суммой масс жидкоподвижных продуктов и твердого остатка [10].

1 – крепежная стойка; 2 – электродвигатель; 3 – муфта; 4 – корпус подшипников; 5 – кожух центрифуги; 6 – резервная электропечь; 7 – токосъемник; 8 – крепление тахометра; 9 – тахометр; 10 – контакты термопары; 11 – подвод электрического тока; 12 – скользящие контакты; 13 – держатели печи; 14 – электропечь; 15 – дверцы; 16 – контакты электродвигателя; 17 – опорная плита.

[10].

Одним из основных условий реализации процесса спекания является зарождение и развитие надмолекулярных образований (мезофазы) в пластической массе, их структурирование и последующее отверждение. [1]. Доменный кокс хорошего качества должен обладать свойством анизотропии, которое формируется на стадии пластического состояния углей через образование мезофазы [3]. Жидкокристаллическая мезофаза – промежуточная фаза вещества, возникающая в процессе пиролиза многих углеродсодержащих соединений (нефтяные дисперсные системы, гудрон, газойли, тяжелые смолы пиролиза, угли и продукты их переработки – каменноугольные пеки, карбены и др.) при температурах 370–500 °С и переходит в твердый полукокс при дальнейшем повышении температуры (550 – 650 °С).

Мезофаза обладает одновременно и свойствами жидкостей и свойствами кристаллических тел (упорядоченность молекул), что обеспечивает формирование анизотропного графитирующегося кокса. Однако, слабоспекающиеся газовые угли образуют полукокс с преимущественно изотропной структурой. Под действием большого количества выделяющихся газов в них происходит деформация кокса, возникновение усадочных трещин и мелко-пористой структуры кокса. Для поддержания пластичности коксующейся массы и формирования крупных сфер мезофазы, необходимо обеспечить сохранение достаточного количества ароматических углеводородов в промежуточных продуктах.

Считается, что упорядоченные анизотропные области зарождаются в пластической массе в результате процессов конденсации и уплотнения ароматических углеводородных систем. Жидкие кристаллы образуются дискообразными молекулами высококонденсированных соединений плоского строения или длинными молекулами в виде стержней с ароматическими фрагментами. [2]

Жидкие термотропные кристаллы обычно разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул: нематические, смектические и холестерические.

Получение сплошной мезофазы происходит не по одному фронту слияния, а возникает несколько отдельных образований, растущих независимо друг от друга. Предельная величина сфер мезофазы при карбонизации смолы определяет и характер протекания процесса коалесценции. Формирование и состояние мезофазы зависит от химического состава исходного сырья, вязкости реакционной массы и температурного режима получения коксов.

Известно, что неспособность малометаморфизованных углей переходить в пластическое состояние связано с отсутствием или недостаточным количеством ароматических передатчиков водорода в подвижной фазе. Влияние темостабильных поликонденсированных ароматических углеводородов на термопластические свойства углей связаны с их участием в процессе переноса водорода и со свойством стабилизировать радикалы.[4][5]

В связи с вышеизложенным понятно, что наиболее эффективными добавками для улучшения спекаемости слабоспекающихся углей являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)[6], которые, по нашему мнению, должны способствовать образованию мезофазы в неструктурированной изотропной системе. Подвод к микросферам мезофазы ПАУ способствует слиянию этих микросфер в более крупные.

Кроме того, введение добавки повышает концентрацию жидкоподвижных нелетучих продуктов в системе, что приводит к увеличению подвижности, текучести и термостабильности пластической массы. При этом активизируются процессы формирования мезофазы, следовательно, и процессы упорядочивания углеродистой структуры полукокса и кокса [8].

Описание антрацена

Антрацен - конденсированный ароматический углеводород, наиболее реакционноспособные положения 9 и 10 (мезо-положения ). Представляет собой плоскую структуру, которая может быть источником образования планарных дискообразных молекул, формирующих мезофазу.

Экспериментальная часть

Для оценки действия добавки были проведены сравнительные опыты по определению выхода продуктов термофильтрации для слабоспекающегося угля марки Г и хорошо спекающегося угля марки Ж. . Основными продуктами термического центрифугирования является выход ЖНП, ответственные за спекание углей.

Кроме того, введение добавки повышает концентрацию жидкоподвижных нелетучих продуктов в системе, что приводит к увеличению подвижности, текучести и термостабильности пластической массы. При этом активизируются процессы формирования мезофазы, следовательно, и процессы упорядочивания углеродистой структуры полукокса и кокса.

Как видно из таблицы 2, в результате со-пиролиза угля марки Г с добавкой 5 и 10% антрацена наблюдается увеличение выхода ЖНП до 8-9% соответственно по сравнению с выходом ЖНП из индивидуального угля. Следовательно, возрастает спекающая способность угля. При этом выход надсеточного остатка уменьшился примерно на 3-6%, а выход парогазовой фазы показывает тенденцию к увеличении. Следовательно, добавка антрацена способствует увеличению степени разложения надсеточного остатка.

На рис.5 показаны гистограммы сравнительного выхода продуктов термофильтрации газового и жирного угля с применением 5 и 10% добавки антрацена.Как видно из рисунка, для обоих углей наблюдается увеличенный выход ЖНП в присутствие антрацена и снижение выхода надсеточного остатка. Положительный эффект добавки, по видимому, связан не только с тем, что антраценовое масло является хорошим растворителем для ароматики, а также с тем, что антрацен является носителем ароматических конденсированных структур, обеспечивающих образование анизотропной жидкокристаллической фазы.

Выводы

1. В работе показано увеличение выхода жидких нелетучих продуктов термофильтрации слабоспекающих углей в присутствии добавки антрацена.
2. Эффективность влияния добавки увеличивается с увеличением ее количества до 10%.
3. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что низкая способность газовых углей переходить в пластическое состояние объясняется недостаточным содержанием в их подвижной фазе ароматических передатчиков водорода.
4. Сравнительный анализ действия добавок на слабоспекающиеся газовые и хорошо спекающиеся жирные угли позволяют сделать вывод о том, что высокая спекаемость жирных углей связана с накоплением критического количества полициклических ароматических углеводородов, способных связываться в стопки, образующие мезофазу.

Список источников

1. Грязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования// Н.С. Грязнов – М.: Металлургия, 1983. – 184 с.
2. Глущенко И.М. Теоретические основы технологии горючих ископаемых: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1990, 296 с.
3. Филоненко А.Я, Кауфман А.А. Теоретические основы коксования каменных углей// А.Я. Филоненко, А.А. Кауфман. – Липецк: Издательство Липецкого государственного технического университета, 2015. – 190 с.
4. Neavel R.C., Larsen J.W., Wender J.//Coal Sciences. N.Y.: Acad. Press, 1982. P.1
5. Larsen J.W., Wender J.// Fuel Process. Technol., 1988. Vol.20, N1, P.13.
6. Marsh Y.P.L.Walker, Jr. Chemistry and Physics of Carbon. N.Y. Marcel Dekker, 1979, 15, p.230.
7. Кисельков Д.М., Москалев И.В., Стрельников В.Н. Углеродные материалы на основе каменноугольного сырья / Вестник Пермского научного центра №2. 2013. – с. 13-22.
8. ШПРМІ Д.М. Кисельков, Институт технической химии УрО РАН И.В. Москалев, Институт технической химии УрО РАН... В.Н. Стрельников, Институт технической химии УрО РАН
9. Печень В.А., С.И. Федоренко, Бутузова, Л.Ф. Оптимизация условий термофильтрации жирного угля в присутствии добавки антрацена / Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сборник докладов ХII Международной конференции аспирантов и студентов / ДОННТУ, ДонНТУ. – Донецк: ГОУ ВПУ «ДОННТУ», 2018. – с. 190-192.
10. ГОСТ 17621–89 Угли каменные. Метод определения выхода жидкоподвижных продуктов из пластической массы угля. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: GOST_1762189.