Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Використання органічних добавок для отримання коксу з збіднених шихт

Зміст

Вступ

Сучасні умови вуглепостачання коксохімічних підприємств ДНР і інших країн СНД, характеризуються некомплектністю поставок і наявністю дефіциту якісних добре спікливих компонентів шихти. Така ситуація призводить до самих негативних наслідків в практиці роботи коксохімічних виробництв, перш за все, до частих перешіхтовкам, різких коливань періоду коксування. На підприємствах малої потужності, найбільш уразливих в зв'язку з обмеженістю економічних і технологічних можливостей, можуть відбуватися аварійні зупинки виробництва, а потім – і повне припинення випуску коксу, як це мало місце, наприклад, на Донецькому і Горлівському коксохімічних заводах.

Одним з можливих шляхів вирішення зазначеної проблеми є коксування шихт нетрадиційного складу з добавками різних речовин, направлено впливають на хід процесу спікання. При цьому вугілля середньої стадії метаморфізму характеризуються великим виходом рідких продуктів з високими спікається властивостями, але вони є дефіцитними і дорогими. Частково, натомість цих марок вугілля в літературі пропонується використовувати такі органічні добавки, як тверді полімери (поліетилен, полістирол, поліетилентерефталат), відходи коксохімічного виробництва (кисла смолка сульфатного відділення, полімери поглотительного масла, кисла смолка цеху ректифікації бензолу, кам'яновугільна смола, фуси), мазут, кам'яновугільний пек, відходи нафтової промисловості та ін. Більшість досліджених продуктів не знайшли практичного застосування через підвищену термореактивного, що призводило до утворення нетривких аморфних структур [1-3].

1. Актуальність теми

З численних пропозицій найбільш опрацьованими представляються способи підвищення спікливості за допомогою додавання нафтових або кам'яновугільних пеків – мезогенних добавок. Їх роль полягає, головним чином, в наступному: вони постачають відсутні кількості термостійких рідких нелетких продуктів, необхідних для спікання вугільних зерен, а також конденсовані ароматичні структури, що сприяють утворенню анізотропної жидкокристаллической фази – мезофази. Добавки кам'яновугільної смоли і пеку до вугільної шихті ініціюють деструкцію вугільного речовини, зрушуючи процес в область більш низьких температур. Крім того, підвищення плинності і термостабільністі пластичної маси в певній мірі обумовлюється гідріруються дією добавок органічних речовин.

У даній роботі при підборі добавки для поліпшення спікливості слабоспечуване газового вугілля виходили з уявлення про те, що властивості пластичної маси визначаються формуються мезофазних структурами. Крім того, ґрунтувалися на раніше отриманих порівняльних даних дослідження складу екстрактів жирних і газового вугілля [4]. Згідно з цими даними, в екстракті добре спікається вугілля марки Ж зміст антрацену і фенантрену приблизно в 5 разів вище, ніж в екстракті слабоспечуване вугілля марки Г.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Одним із завдань цієї роботи став аналіз літературних даних і реальних промислових шихт КХЗ ДНР для виявлення найбільш гострих проблем сировинної бази і шляхів їх усунення.

Ґрунтуючись на вищезазначених даних, можна зробити висновок, що основні проблеми сировинної бази – дефіцит вугілля середньої стадії метаморфізму і малосірчистого вугілля.

Звідси випливає мета цієї роботи:

  1. підбір і дослідження органічної добавки для отримання коксу з збіднених шихт;
  2. впливу сірки на процес спікання.

Для досягнення поставленої мети використовували 2 методи термодеструкції, що дозволяють отримати і вивчити рідкі продукти, що утворюються в період формування пластичного шару, тобто відповідальні за процес спікання, а саме: метод стандартного напівкоксування і метод термофільтраціі.

3. Аналіз тенденцій зміни марочного складу промислових шихт, які використовуються на коксохімічних заводах Донбасу

1. Провідною тенденцією ХХI століття в області первинних енергоносіїв є подальше зміцнення позицій вугілля, як органічного джерела енергії, з одного боку, і природного органічної сировини для хімічної і коксохімічної промисловості – з іншого. На діючих шахтах Донбасу запаси вугілля оцінюються в 8,7 млрд. Т. (6,5 млрд. Т. Промислові) [5].

Однак, якісні характеристики вугілля – зольність, вологість, сірчистість, гранулометричний склад і ін., Постійно погіршуються через зменшення частки гостродефіцитних коксівного, малозольних, мало сірчистого вугілля і збільшення видобутку малометаморфізованних і бурого вугілля [6]. Так, вітчизняна сировина характеризується підвищеною вологістю ≈ 10,5%, зольністю ≈ 18,3 – 25,5% і високою сірчистого ≈ 0,5 – 9,3%. Вихід летких речовин також завищений і складає 31-32% [5].

2. Велику проблему в ДНР представляє використання вугілля з підвищеним вмістом сірки, так як їх кількість в загальному балансі становить приблизно 70%. У ДНР і в Україні розробляються пласти всіх категорій: сірчисті – 35,2% їх загальної кількості, 26,4% пластів відноситься до низько сірчисті, 24% – до середне серністим і 14,4% – до високо сірчисту. З 238 шахто пластів з коксівним вугіллям 113 (або 47,5%) мають показник сірчистості до 2,5%. Вміст сірки в вугіллі різних марок і в межах кожної сильно коливається. В середньому в вугіллі ДГ, Г, К і ОС сірки ≈ 2,9%. Вони використовуються для коксування. Однак, кокс, який отримують із таких вугілля, вважається неконкурентоспроможним на європейському і світовому ринках [7]. Відповідно, виникає проблема раціонального використання вугілля, що коксується з підвищеним вмістом сірки.

3. вугілля, з яких можна отримати кокс задовільної якості при самостійному коксуванні, небагато. До них відносяться добре спікливе вугілля марок К і Ж. Цінними для коксування є також вугілля марок Г і ОС. Якщо розглянути структуру геологічних запасів вугілля в Донецькому басейні [8], то при існуючій технології шарового коксування для цих цілей можна використовувати тільки близько 39% вугілля, що залягають в надрах. Структура їх (за марками) приблизно наступна,%: Г – 57, ГР – 9,5, Ж – 13,5, К – 8, ОС – 9,5, Т – 2,5. Як бачимо, питоме значення найбільш цінних для коксування вугілля марок К, Ж і ОС в запасах цього басейну невелика і складає близько ⅓. Тому при нинішніх масштабах виробництва коксу отримувати його тільки з добре спікливих вугілля недоцільно, оскільки це призвело б до швидкого виснаження їх запасів. В даний час в умовах кульового коксування практично неможливо забезпечити якість коксу, що відповідає сучасним вимогам, з однієї навіть самої цінної марки вугілля.

У таблиці 1 показано зміну марочного складу вугільних шихт на заводах Донбасу по роках. Як видно з таблиці, проглядається чітка тенденція до скорочення участі в шихті хорошоспекающіеся марок вітчизняного вугілля.

Посилення ролі імпортного вугілля свідчить про нераціональне підході в експлуатації вітчизняного вугільного комплексу (табл. 2).

Як показали дослідження УХІНа, збільшення в шихтах частки газового вугілля на 1% призводить до зменшення валового виходу коксу на 0,5 – 0,6%, тобто до зниження продуктивності коксових печей.

Вважається, що для отримання міцного коксу з донецького вугілля вміст у шихті спікливих вугілля марок Ж, К і ОС має бути не менше 68%, а газових – не більше 32%. Подальше збільшення вмісту газового вугілля призводить до погіршення якості коксу.

4. Лабораторне коксування шихт, що включають сірчисті вугілля

У даній роботі для складання шихти використовували вугілля марки Ж і Г, які представляють базові незамінні компоненти шихти. Жирні вугілля – добре спекающіеся, а газові – компоненти зі зниженою спікливістю. Співвідношення вугілля різних марок в який складають шихтах (Ж: Г = 70: 30) підібрано за аналогією з класичними шихти, використовуваними в промисловості. Відмінною особливістю досліджуваних шихт є використання вугілля різних генетичних типів за відновленістю. Це мало сірчисті вугілля типу а (Жа, Га) і сірчисті типу в (ЖВ).

Вихід рідких нелетких продуктів (ЖНП) і надсеточного залишку (АЛЕ) залишку для шихти з пари слабовосстановленного вугілля становить 20,71% і 54,21% відповідно. Заміна слабовосстановленного жирного вугілля на відновлений різко збільшує вихід рідко рухомих продуктів, відповідальних за спекаемость вугілля.

У таблицях 1 і 2 представлені порівняльні характеристики вищезгаданих шихт, отриманих з них продуктів піролізу та коксів.

Використання відновленого вугілля марки Ж дозволяє збільшити товщину пластичного шару, вихід і міцності коксу; збільшити частку слабоспечуване газового вугілля в шихті без зниження виходу коксу, але призводить до деякого зменшення товщини пластичного шару до 13 мм, при рекомендованій для коксування величиною у = 14 – 17 мм.

5. Вплив антраценового фракції на вихід продуктів напівкоксування газового вугілля

У теоретичному плані вивчення процесу напівкоксування, як найважливішої стадії процесу коксування, дозволяє зробити науково-обгрунтований вибір спікається добавок для коксових шихт з високим вмістом слабоспекающихся компонентів, які утворюють недостатня кількість рідких продуктів в пластичному стані. При цьому найважливішою характеристикою технологічного процесу напівкоксування є вихід первинної смоли або дьогтю.

У даній роботі об'єктом дослідження служили газове вугілля, які є одним з основних компонентів коксової шихти. Збільшення їх частки в шихті призводить до зменшення кількості рідких нелетких продуктів в пластичній масі. Для компенсації цього ефекту рекомендується використання мезогенних спікається добавок. При кристалізації вона легко утворює кристали невеликих розмірів і сорбує велика кількість рідкої фази, із значним працею відділяючись від масла.

Антраценова фракція є останньою фракцією, одержуваної при ректифікації кам'яновугільної смоли. До її складу входить 1 – 3% високо киплячих фенолів, 3 – 5% нафталіну, 2 – 4% піридинових підстав, 16 – 20% сирого антрацену і 75 – 80% антраценового масла. Особливістю кристалізації антраценового масла є дуже висока в'язкість продукту і близькість структури і властивостей твердої і рідкої фаз. В'язкі продукти, подібні антраценові олію володіють внутрішньою анізотропією, що призводить до формування в рідкій фазі своєрідних кристалоподібні фрагментів a href = '#lib'>[9].

Проведено порівняльний аналіз поведінки газового вугілля в температурному інтервалі напівкоксування без і в присутності різної кількості добавки антраценового фракції.

В роботі використані наступні стандартні методи дослідження: технічний і елементний аналізи по ГОСТ Р 53357-2013 [10] і ГОСТ Р 53355-2009 відповідно; визначення виходу продуктів коксування по [11]; визначення об'ємної частки компонентів в газах за ГОСТ 5439-76.

У таблиці 6 наведені порівняльні дані щодо виходу продуктів напівкоксування досліджуваного вугілля з добавками антраценового фракції. З таблиці випливає, що при збільшенні процентного частки антраценового добавки в суміші різко (≈ в 3 рази) збільшується вихід смоли, зменшується вихід пірогенетичної вологи, напівкоксу і напівкоксового газу. Збільшення виходу смоли може свідчити про збільшення спікливості суміші.

Анімація: 3 кадри, 6 циклів, 120 кб

Як видно з таблиць 7, 8, основним компонентом напівкоксового газу є метан. При додаванні антраценового добавки в газі збільшується вихід вуглеводнів і суми кислих газів – двоокису вуглецю і сірководню. Цей факт свідчить про те, що отриманий напівкокс містить менше гетеро атомів кисню і сірки, т. є. більш калорійним і менш сірчистим.

Зниження вмісту оксиду вуглецю і водню під впливом добавки свідчить про реалізацію процесів синтезу в органічній масі вугілля і, як наслідок, має відображати поліпшення його спікливості.

Отримані дані узгоджуються з висновками Русьяновой [12] про поліпшення спікливості малометаморфізованного вугілля за допомогою руйнування водневих зв'язків і видалення кисню. В експериментах з довгополум'яними і газовими вугіллям вдалося на 2-3% зменшити вміст кисню, зруйнувати частину міцних водневих зв'язків і внаслідок цього поліпшити термопластичні властивості вугілля.

Проведені лабораторні дослідження підтверджують доцільність використання антраценового фракції для збільшення виходу напівкоксового смоли і збільшення частки слабоспекающихся газового вугілля в коксової шихті.

Висновки

Аналіз стану вугільної промисловості Донбасу, сучасних тенденцій складання шихти на коксохімічних заводах показує, що частка дефіцитних добре спікливих палив в запасах стрімко знижується. Це вимагає збільшення в шихті частки слабоспекающихся, в тому числі газового вугілля і вугілля з підвищеним вмістом сірки.

У даній роботі вивчено вплив добавки антрацену на спекаемость вугілля, що входять до складу коксової шихти. Встановлено, що добавка антрацену, як компонента антраценового масла, бере активну участь в процесі коксоутворення, змінюючи характер реакцій термохімічного розкладання вугілля і збільшуючи вихід ЖНП (або смоли), відповідальних за процеси спікання. Застосування подібних добавок в шихту дозволить розширити сировинну базу коксування за рахунок застосування в шихті великої кількості слабоспекающихся газового вугілля. При цьому утилізуються небезпечні органічні сполуки.

Показано, що при переході в пластичний стан антрацен ефективно впливає на характеристичні показники утворюється вугільної пластичної маси, що обумовлено його ароматичної природою і здатністю брати участь у формуванні мезофази. Крім того, антрацен може грати роль внутрішнього розчинника, що також призводить до збільшення виходу рідких продуктів.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2021 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Сысков К.И., Громова О.Б. О механизме действия добавок – отходов коксохимического производства в процессе спекания //Кокс и химия. – 1984. – №3. – С. 18 – 19.
  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. Глущенко И.М., Цвениашвили В.Ж., Ольферт А.И., Наумов Л.С. Улучшение качества кокса путем использования в шихте мезогенных спекающих добавок //Кокс и химия. – 1987. – №11. – С. 39 – 41.
  4. Ольферт А.И., Тайц Е.М., Фесенко Ю.А. Мезофаза, спекание углей и формирование структуры кокса//Кокс и химия. – 1987. № 1. – С. 9-13.
  5. Огаренко Ю. Проблеми вугільної промисловості України та викиди парникових газів від видобутку й споживання вугілля. – Київ: Національний екологічний центр України. – 2006. – с. 24.
  6. Дроздник И.Д. Потребление коксующихся углей Украины. Проблемы и перспективы//Сб. трудов третьей ежегодной конференции «Уголь СНГ–2007. – Алушта, 2007. – С. 91–95.
  7. Долгий В.Я., Кривченко А.А., Шамало М.Д., Долгая В.А. Содержание общей серы в угольных пластах на шахтах Украины // Уголь Украины. – 2000. – № 1. – с. 44-46.
  8. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. / Под ред. И.И. Аммосова и др. – М.: Госуд. научно-технич. изд.-во литературы по геологии и охране недр, 1963. – Т.1. – 1210 с.
  9. Печень В.А., Оксак Н.М., Бутузова, Л.Ф. Влияние добавки антрацена на спекаемость газовых углей / Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сборник докладов ХIII Международной конференции аспирантов и студентов / ДОННТУ, ДонНТУ. – Донецк: ГОУ ВПУ «ДОННТУ, 2019. – с. 221-224.
  10. ГОСТ 53357-2013 Топливо твердое минеральное. Технический анализ.
  11. ГОСТ 3168-93 Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода продуктов полукоксования.
  12. Русьянова Н.Д. Углехимия. – М.:Наука, – 2000. – 316 с.