Характеристики процесса термического разложения твердого топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

CHARACTERISTICS OF THE PROCESS OF THERMAL DECOMPOSITION OF SOLID FUEL

Магистрант Молчанова Татьяна Александровна

ФГБОУВО СПбГАУ Санкт-Петербург, Россия

Undergraduate Molchanova Tat'yana Aleksandrovna

FGBOU VO SPbGAU St. Petersburg, Russia

К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N, представляют собой сложные органические соединения. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. В таблице 1 [1] представлен элементарный состав горючей массы различных топлив.

Таблица 1 - Элементарный химический состав горючей массы различных видов топлива.

К процессам термической переработки твердого топлива, в том числе и горючих сланцев, относят полукоксование (сухую перегонку, швелевание), коксование и газификацию. Котлы, где осуществляется прямое сжигание, используются в энергетических установках для выработки тепловой и электрической энергии, однако экономически выгодно их применение при мощностях 1,5- 2 МВт и выше [6].

Полукоксование в отечественной сланцеперерабатывающей промышленности остается единственным процессом, целевое назначение которого - производство смолы. Дополнительную стадию обработки полукокса используют только для частичной газификации топлива. Под действием высокой температуры из молекул органического вещества сланцев (керогена) выделяются в первую очередь наиболее слабо связанные - газообразные вещества, в основном диоксид углерода и сероводород.

Начало термического разложения сланца с изменением внешнего вида (потемнением окраски) и появлением запаха наблюдается уже при 200?С. При 270-290?С начинается активное выделение пирогенной воды. Выход продуктов термического разложения сланца показан на рис.1[2].

Рис.1. Выход продуктов термического разложения сланца при его нагревании

При 325-350?С появляется смола. Часть сланца, оставшаяся до сих пор твердой, при температурах 350-380?С переходит в полужидкое состояние. Это явление называется битуминизацией [2]. Явление битуминизации объясняется тем, что в интервале температур 320-380?С образуется основная масса сланцевой смолы, но при этом недостаточно тепла для ее испарения.

Основной мерой борьбы с битуминизацией считается увеличение скорости нагрева. Быстрое повышение температуры заставляет образовавшуюся смолу, испарятся, смола уходит в виде пара, не давая кускам сланца превратиться в жидкую массу.

На прогрев кусков сланца до температуры разложения необходимо определенное время. В зоне полукоксования кусковой сланец должен находиться 3 часа. Конструкция генератора может быть удачной в том случае, если куски сланца - кукерсита проходят интервал температур 300-400°С, при котором проходит битуминизация, за минимальное время. Добавим, что при битумизации повышается сопротивление слоя. Распределение органической массы сланца видно исходя их рис.2 [2].

твердый топливо сланец битуминизация

Рис.2. Распределение органической массы сланца при термическом разложении

При повышении температуры до 400?С образуется еще некоторое количество смолы, но при 450?С выделение смолы практически прекращается. Сланец превращается в кокс. При температурах около 500?С кокс еще не полностью разложился и содержит, кроме углерода и серы конечно, минеральное вещество. Поэтому его называют полукоксом.

При дальнейшем нагревании полукокса (выше 550?С) из него выделяется небольшое количество газа, так как запасы водорода и кислорода в полукоксе невелики. Смола почти не выделяется. Далее, в результате разложения карбонатов, содержащихся в минеральной части сланца, начинается выделение диоксида углерода. Полукокс превращается в кокс. Баланс продуктов термического разложения сухого сланца показан в таблице 2 [1, 2].

Таблица 2 - Баланс продуктов термического разложения сухого сланца

Основной частью керогена является углерод (77-78%). Основным элементом, с которым углерод образует жидкие (или газообразные) углеводороды, является водород. Если в керогене было бы больше водорода, твердый остаток при термическом разложении не образовался бы. Но водорода не хватает. Таким образом, часть керогена превращается неизбежно в полукокс, состоящий в основном из углерода. Можно заключить, что водород, которого в керогене содержится (9-10%), значительно меньше чем углерода, определяет выход смолы.

Выход летучих веществ - показатель качества твёрдых горючих полезных ископаемых.

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.

Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем - в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.

Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ различны. По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается.

По мере повышения степени углефикации в топливе выход летучих веществ (Vdaf) понижается. Величина Vdaf составляет, %:

для сланцев 80-90%;

для торфа 70%;

для бурых углей 40-60%;

для каменных углей 35-40%;

для тощих углей 11-13%;

для антрацита 2-9%.

Поэтому содержание летучих веществ и их состав могут быть приняты в качестве признаков степени углефикации топлива, его химического возраста.

Для торфа выход летучих начинается при температуре примерно 100°, бурых и жирных каменных углей -150-170°, горючих сланцев - 230°С, тощих углей и антрацитов ~400°С и завершается при высоких температурах-11001200°С.

Смола - основной продукт термического разложения сланца, смола весьма чувствительна к действию тепла, и способна разлагаться при нагревании.

Сланцевая смола является хорошим сырьем для производства электродного кокса, моющих средств, клеевых смол и дубителей, парафина, нафталина, растворителей и бензина.

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50 %), оксиды серы (до 20 %), оксиды азота (до 6-8 %), углеводороды (до 5-20 %), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива [3,4].

Как известно, оксиды углерода признаны одними из основных виновников проявления «парникового эффекта», а также, совместно с оксидами азота и серы, приводит к образованию «кислотных дождей».

Монооксид углерода, или угарный газ очень ядовит, не имеет цвета, запаха и вкуса. Он образуется при неполном сгорании древесины, ископаемого топлива, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики [5].

Во второй половине XX столетия стало очевидно, что оксиды азота -- это основные реагенты в образовании фотохимического смога и озона в тропосфере, особенно в атмосфере городов. Кроме того, NOх участвуют в цепных реакциях, удаляя озон из стратосферы, что вызывает рост ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли.

Следовательно, уменьшение образования оксидов азота стало одной из наиболее важных проблем в горении. Снижение загрязнения атмосферы оксидами кислотообразующих оксидов, образующимися при сжигании топлив, особенно актуально для теплоэнергетики, химии, металлургии и других отраслей промышленности, характеризующихся значительным потреблением топлива.

Таким образом, с использованием метода ионной хроматографии, было принято решение провести сравнительный анализ продуктов термического разложения двух основных видов топлива для ТЭС: тяжелых нефтяных остатков (гудрона Ачинского НПЗ) и твердого угольного топлива (коксовые буроугольные брикеты, энергетическая компания «Сибтермо»).

Эксперименты по термическому разложению двух видов топлив проводились с использованием разработанной экспериментальной установки на базе муфельной печи, способной поддерживать температуру до 1200 оС, в которую помещается реактор из нержавеющей стали, заполненный испытуемым образцом (рис. 3) [5].

Выделяющиеся продукты термического разложения по системе стальных трубок выводятся из реактора, жидкая углеводородная фаза конденсируется в сборнике под действием температуры окружающей среды и в воздушном холодильнике.

Рис.3. Схема экспериментальной установки по термическому разложению образцов топлив: 1 - лабораторный реактор; 2 - печь муфельная; 3 - термопара печи; 4 - манометр лабораторного реактора; 5, 6, 11, 12, 14 - вентили; 7 - сборник жидких продуктов термолиза; 8 - охлаждающая водяная баня; 9 - холодильник-конденсатор; 10 - счетчик газа; 13 - регулятор давления.

Пробы топлив сжигали реакторе, помещенном в муфельную печь, при нагревании от 25 °С до 700 °С, в течение 2 часов. Для определения кислых газов продукты сгорания пропускали через пробоотборник Зайцева, заполненный смесью NaCO3 + NaHCO3. Объем выделившегося газа измеряли газовым барабанным счетчиком, присоединенным после пробоотборника.

Отобранные пробы газа подвергали хромматографическому анализу.

Литература

1. И.Г. Анисимов. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Справочник. И. Г. Анисимов, К. М. Бадыштова, С. А. Бнатов и др. - Издательский центр “Техинформ”, Москва, 1999г. -101-117с.

2. А. Згуро. Химические технологии. Учебное пособие для химико-технологических специальностей профессиональных центров/ Антонина Згуро, Лариса Григорьева и др. -Таллин, 2012. -208-267с.

3. В.М. Ефимов. К характеристике сланца как технологического сырья. В кн.: Химия и технология горючих сланцев. Таллин: Валгус, 1973, с.7-15. (Тр./Н.И. Исланцев: Вып.19).

4. А.Л. Лапидус, Ю.А. Стрижакова. «Горючие сланцы - альтернативное сырье для химии», Вестник Российский Академии Наук, том 74, №9, 2004. - 829с.

5. Л.К. Исаева. Экологические аспекты использования скоростного ячеистого угля как бытового топлива // Пожары и ЧС, №4, 2010, 45-51с. 6 Т.Ю. Салова, Н.Ю. Громова, Е.А. Громова. Термические методы переработки органических отходов. Источники возобновляемой энергии Монография. СПб.: СПбГАУ, 2016. -.224 с.

Размещено на Allbest.ru