Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных процессовэнергетической переработки углей 10
1.1. Коксование 12
1.2. Полукоксование 18
1.3. Газификация 21
1.4. Факторы, влияющие на теплофизические характеристикиископаемых углей 27
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследованияпроцессов энергохимической переработки местныхуглей 44
2.1. Комплекс аппаратуры, методы исследования ископаемыхуглей 44
2.1.1. Аппаратура, программа и методики исследований 44
2.1.2. Оценка погрешностей измерений 57
2.2. Результаты исследования пиролиза каменных углей 58
2.3. Классификация региональных запасов каменного угля . 59
ГЛАВА 3. Разработка технологии и испытание устройства непрерывного пиролиза каменного угля 66
3.1. Технология полукоксования, коксования каменных углей . 66
3.2. Исследование пиролиза каменных углей в термическинагруженном слое 71
3.3. Методика расчета параметров установки непрерывногопиролиза 76
ГЛАВА 4. Свойства твердых и газообразныхпродуктов пиролиза и основные направления ихиспользования 94
4.1. Оценка эффективности процесса непрерывного пиролиза втермически нагруженном слое 94
4.2. Свойства твердых продуктов процесса и перспективы ихиспользования 96
4.3. Процессы использования газообразных продуктов пиролиза... 99
Основные результаты и выводы 100
Библиографический список 103
Приложения 121
- Полукоксование
- Аппаратура, программа и методики исследований
- Результаты исследования пиролиза каменных углей
- Исследование пиролиза каменных углей в термическинагруженном слое
Введение к работе
Актуальность темы. По данным Министерства энергетики России более 60% территории страны лишены централизованного электроснабжения. На этих территориях проживает около 10% населения страны. В Республике Тыва на 90% территории республики используются децентрализованные источники энергоснабжения. На этих удаленных территориях проживает более 70% населения Республики. Снабжение энергией таких населенных пунктов осуществляется за счет привозного жидкого топлива и каменного угля. В новых экономических условиях в связи со значительным увеличением стоимости жидкого топлива становится актуальной задача перевода удаленных потребителей на более дешевое местное топливо. Нуждаются в модернизации и системы теплоснабжения, основанные на прямом сжигании каменного угля без предварительной подготовки.
Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним относятся облагороженный или "чистый уголь", синтетические газообразные и жидкие топлива, полученные путем химической переработки угля. Выбросы вредных веществ при использовании этих синтетических топлив значительно ниже, чем в случае прямого сжигания рядового угля. Технология пиролиза каменного угля, торфа, возобновляемой биомассы может рассматриваться как один из наиболее рациональных путей получения топлива для использования в топках и тепловых двигателях.
Цель работы заключается в создании научных основ практического использования в малой энергетике установок пиролиза твердого органического топлива.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
проведение анализа современных процессов энергетической переработки углей;
исследование процессов, протекающих при нагревании ископаемых углей, и выявление параметров, определяющих эффективность процессов получения целевых продуктов;
разработка и испытание малогабаритного устройства непрерывного пиролиза каменного угля;
определение путей экономически оправданного использования твердых и газообразных продуктов пиролиза.
Объект исследований. Процессы пиролиза ископаемых углей месторождений, расположенных на территории Республики Тыва.
Методы исследований. Проведенные исследования базировались на сочетании расчетных методов, основанных на фундаментальных термодинамических, физико-химических и технических процессах в многокомпонентных смесях веществ, с экспериментальными методами исследования процессов переноса массы и энергии в термически нагруженном слое с учетом фазовых превращений и анализом экспериментальных данных, полученных при стендовых и опытно-промышленных испытаниях разработанного устройства.
Научная новизна работы. При непосредственном участии автора:
получены опытные данные, содержащие уточненные характеристики процессов переноса массы и энергии в термически нагруженных многокомпонентных угольных слоях (температуры начала и завершения процесса пластификации и газовыделения, коэффициенты тепло- и температуропроводности);
разработана новая схема непрерывного пиролиза твердого органического топлива, проведен расчетный анализ тепловых и механических характеристик установки для непрерывного пиролиза каменного угля;
на основе анализа результатов экспериментальных исследований и результатов стендовых и натурных испытаний определены области изменения технологических параметров, обеспечивающих устойчивое протекание процессов пиролиза, выявлены параметры процессов, определяющие свойства целевых продуктов энергохимической переработки каменного угля;
на основании экспериментального изучения продуктов пиролиза установлено, что предложенная технология энергохимической переработки углей позволяет получать новый углеродный материал, обладающий физико-химическими характеристиками, дающими ему конкурентные преимущества по сравнению с традиционным топливом.
Практическая значимость:
- разработанные методики расчетов параметров установок
непрерывного пиролиза предназначены для использования в
проектных и конструкторских организациях для проектирования
аппаратов и установок энергохимической переработки твердого
органического топлива;
полученные результаты опытно-промышленных испытаний обобщены в виде технологических регламентов и проектов бизнес-планов;
опытно-промышленный образец установки непрерывного пиролиза каменного угля передан для использования на предприятие «Саян-сервис», где смонтирована линия по производству полукоксов как «чистого» топлива для котлов-полуавтоматов индивидуальных жилых домов и коттеджей. Возможность использования получаемых полукоксов как бездымного топлива исследована в натурных экспериментах в котлах G211-32 Logano.
Реализация результатов работы. Материалы, полученные при реализации поставленных задач, использовались:
при выполнении Междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН с участием НАН Украины и УрО РАН «Анализ проблем и разработка технологий комплексного конкурентоспособного энерготехнологического использования угля»;
при разработке программы развития угольной отрасли Республики Тыва до 2010 года;
при разработке программы энергетической безопасности Республики Тыва;
- при разработке программы развития энергетики Республики
Тыва до 2020 года.
Апробация работы.
Работа была представлена на выездной сессии научного совета РАН по научным основам химической технологии, посвященной проблемам переработки минерального, природного органического, техногенного и вторичного сырья, международном Сибирском Энергетическом Конгрессе и 3-х научных конференциях: научно-практической конференции с международным участием «Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: "Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики"», Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии добычи и переработки природного сырья в условиях экологических ограничений», Международной научно-технической конференции «Стратегия развития минерально-сырьевого комплекса в XXI в.», неоднократно обсуждалась на совещаниях в Минэнерго Республике Тыва, посвященных проблемам развития топливно-энергетического комплекса республики, Минэкономики республики.
Комплексная разработка «Способ и устройство получения наноразмерного углерода (кокса)» получила премию Председателя Правительства Республики Тыва в области науки и техники за 2007 год, премию Правительства Республики Тыва за лучший инновационный проект 2006 г.
Публикации. Результаты, положенные в основу диссертации, опубликованы в 8 печатных работах, в т.ч. З в изданиях, рекомендованных ВАК, подана заявка на патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 121 источников, в том числе 12 на иностранных языках, 8 приложений. Работа изложена на 127 страницах текста, содержит 21 иллюстрацию и 19 таблиц.
Полукоксование
Для процесса полукоксования характерна конечная температура 500-550 С. Полукоксование применяют для получения полукокса, жидких и газообразных продуктов. Под среднетемпературным коксованием понимают процесс термической переработки топлива при 700 С. Этот процесс не получил широкого распространения. Наибольшее значение для российской промышленности по своим масштабам, разнообразию и ценности получаемых продуктов имеет коксование (конечная температура 1000-1050 С), являющееся основным процессом химической переработки твердого топлива. В России коксованием перерабатывается до 60 млн т угля в год. Число известных способов полукоксования и коксования каменных и бурых углей очень велико. Систематизация этих способов основана, с одной стороны, на различии в способе теплопередачи, а с другой - на поведении угля при его полукоксовании или коксовании. На практике используется как косвенная, так и прямая теплопередача. При косвенной теплопередаче тепло передается через металлические или керамические стенки, а в случае необходимости - от теплоносителя к углю. Процессы с использованием жидких теплоносителей пока не известны; в настоящее время применяют процессы с твердым или газовым теплоносителем.
Среди способов, основанных на прямой теплопередаче, различают нагревание угля топочными газами и частичное сжигание угля. Используется комбинирование обоих способов, так что граница между ними расплывчата. Кроме того, имеются модификации, основанные на комбинировании косвенной и прямой теплопередачи. Соответствующие процессы даны в таблице 1.1 с указанием фирмы или учреждения-разработчика. Указанные методы различаются не только по температурам, но и в большинстве случаев по виду и составу перерабатываемого сырья и конечной цели процесса. Так, основной целью полукоксования является получение полукокса и первичной (полукоксовой) смолы. Выход и состав полукоксовой смолы определяются типом горючего ископаемого. Полукокс (твердый остаток) используется в качестве бездымного топлива, а таюке, измельченный до определенного уровня, может служить отощающей добавкой к шихте для коксования. При термической переработке горючих ископаемых без доступа воздуха температура существенно влияет на выход и химический состав смолы и газа. При повышении температуры характерным для смолы является снижение содержания многоатомных фенолов, нафтеновых и нафтеноароматических углеводородов почти до нуля при одновременном увеличении в смоле ароматических углеводородов. Нафталин и одноатомные фенолы начинают появляться в смоле при средних температурах коксования, выход аммиака при этом максимальный. Известно, что при термическом разложении топлива выход смолы (при одной и той же температуре процесса) зависит прежде всего от содержания в нем водорода. Например, при полукоксовании сапропелитовых углей и сланцев, в органической массе которых содержится больше водорода, чем в гумусовых углях, получаются наиболее высокие выходы смолы. Химический состав смол полукоксования значительно различается и определяется природой горючего ископаемого. При высокотемпературной переработке их состав нивелируется. Коксовые смолы не содержат в своем составе минеральных примесей, поэтому они являются качественным сырьем для получения различных «чистых» веществ, например, кремния для солнечных батарей термическим способом. 1.3. Газификация
При высокотемпературной обработке твердого топлива в среде кислорода и воздуха, водяного пара, диоксида углерода и водорода органические составляющие топлива превращаются в газообразные продукты. При газификации в среде водяного пара получают синтез-газ; в среде диоксида углерода - монооксид углерода; в среде водорода - метан и другие углеводороды; при газификации смесью воздуха и водяного пара — топливный газ. В процессе газификации углерод превращается чаще всего в монооксид углерода, водород - в водяные пары и, вместе с серой, содержащейся в ОМУ, - в сероводород, азот - в оксиды азота. Минеральная часть угля в зависимости от температуры газификации переходит в золу или шлак. Газификация угля лежит в основе многих технологических процессов, связанных с его применением. В энергетических котлах электростанций уголь можно сжигать непосредственно, в ряде случаев целесообразно предварительно газифицировать уголь, а затем сжигать полученный газ. Такое облагораживание угля необходимо в тех случаях, когда желательно применить более совершенные схемы преобразования энергии (например парогазовые установки на электростанциях). Газификацией угля можно получать синтез-газ, который является исходным сырьем в разнообразных органических синтезах. При высокотемпературной обработке твердого топлива в среде кислорода и воздуха, водяного пара, диоксида углерода и водорода органические составляющие топлива превращаются в газообразные продукты. При газификации в среде водяного пара получают синтез-газ; в среде диоксида углерода - монооксид углерода; в среде водорода - метан и другие углеводороды; при газификации смесью воздуха и водяного пара — топливный газ.
Процессы газификации угля для производства синтез-газа подразделяются на автотермические, аллотермические и многоступенчатые. Для получения заданного соотношения СО и Нг решающее значение имеют состав газифицирующего агента, температура и давление процесса. В настоящее время реализовано большое число газификационных систем, общей чертой которых является контактирование угля с газифицирующим агентом (Н20 и () при температуре не ниже 1000 С. Современные процессы, осуществляемые при непрерывной подаче газифицирующего агента и угля, классифицируются в зависимости от размера частицы топлива на процессы с пылевидным топливом (размер частиц менее 1 мм), с псевдоожиженным слоем (1-10 мм) и с движущимся или стационарным слоем (3-50 мм). Как правило, противоточная схема процесса обеспечивает лучшие условия для полной газификации, лучшего использования тепла горячих газов для осушки и карбонизации угля в верхних слоях газификатора. Газификации можно подвергать все угли, однако обычно используют молодые угли - от бурых до слабоспекающихся каменных. Известно более 60 процессов газификации угля, однако в промышленном масштабе реализованы только три: газификация в движущемся слое (процесс «Lurgi»), в псевдоожиженном слое (процесс «Winkler») и во взвешенном потоке
Аппаратура, программа и методики исследований
Пробой угля (а также продуктов его обогащения) называется некоторое отобранное по определенным правилам от общей опробуемой массы небольшое количество угля, средний состав которого идентичен среднему составу всего угля. В углехимические лаборатории для исследования поступают пластовые, эксплуатационные, товарные, контрольные, технологические и другие виды проб угля. Пробы отбирались и подготавливались согласно ГОСТ 10742-71. Все определения производились в двух параллельных навесках, а при расхождении в анализах больше допустимых норм брали третью навеску. процесса пиролиза каменного угля обусловлен спецификой самого технологического процесса - воздействие высоких температур на высокомолекулярные соединения в составе каменного угля с целью их направленного разрушения и получения материалов и веществ с заранее заданными свойствами. При нагревании каменного угля происходит процесс его коксования с выделением летучих веществ и твердого угольного материала — кокса. Коксованием называют метод термической переработки преимущественно каменного угля, который заключается в его нагревании без доступа воздуха до 1000-1100 С и выдерживании при этой температуре, в результате чего топливо разлагается с образованием летучих продуктов и твердого остатка, кокса. Основным целевым продуктом этого процесса является кокс, который используется главным образом как восстановитель и топливо в металлургической промышленности. Коксование характеризуется разновременностью процессов, происходящих в отдельных слоях (слоевое коксование).
Вследствие этого в коксуемом массиве длительно находятся одновременно слои кокса, полукокса, тестообразной пластической массы, сухой и влажный уголь. В связи с этим процесс пиролиза наиболее эффективно исследовать методами термического анализа термогравиметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, синхронного термического анализа и др. Термогравиметрия (ТГ) - метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры. Обычно развитие термографического метода исследования твердых топлив связывают в России с именем Б. К. Климова. Он первым в СССР разработал методику и провел значительные исследования в этой области. Можно выделить три вида термогравиметрии: а) изотермическую, или статическую, когда масса образца измеряется на протяжении некоторого времени при постоянной температуре; б) квазистатическую, когда образец нагревается при каждой из ряда возрастающих температур до достижения постоянного значения массы; в) динамическую, когда температура среды, окружающей нагреваемый образец, изменяется по заданному закону. Экспериментально получаемая кривая зависимости изменения массы от температуры (кривая пиролиза) позволяет судить о термостабильности и составе образца в начальном состоянии, о термостабильности и составе веществ, образующихся на промежуточных стадиях процесса, и о составе остатка, если таковой имеется. Этот метод будет эффективным лишь при условии, что образец выделяет летучие вещества в результате различных физических и химических процессов. За исключением данных о потере массы, информация, полученная на основе кривой термолиза, носит эмпирический характер, поскольку температуры переходов зависят также от параметров измерительных приборов и образца [42]. Синхронный термический анализ — это метод, сочетающий методы дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа при одном измерении.
При этом используется другая схема прибора. ТГ (изменение массы) и ДСК (тепловые) эффекты измеряются на одном образце за одно измерение в одной системе. ДСК-метод ДСК-метод имеет следующие преимущества перед вышеописанным методом ТГ: - высокая воспроизводимость базовой линии; - возможность точной калибровки (для температуры и энтальпии); - точное определение теплоты реакций; - точное определение удельной теплоемкости; - быстрый теплообмен: малая постоянная времени прибора; - малое влияние конвекции и излучения. Исследования проводились на приборе фирмы Netzsch STA 409. Прибор STA 409 PC фирмы NETZSCH-Geratebau GmbH позволяет выполнять ТГ (термогравиметрические), СТА/ДСК (синхронный термический анализ/ дифференциальная сканирующая калориметрия) измерения. Кроме того, прибор сопряжен с Фурье-ИК (FTIR)-cneKTpOMeTpoM [79]. Система состоит из следующих компонентов: 1. Измерительный блок Измерительный блок включает: A) основной блок с подъемным механизмом печи; B) микровесы с электромагнитной компенсацией нагрузки; C) встроенная электроника для цифрового температурного контроля и сбора данных; D) прободержатели. 2. Составные части прободержателей: тигель и крышка, измерительная головка, тепловая защита, капилляр. угольного разреза (пласт Улуг). Для сравнения исследовались угли Чаданского месторождения.
В результате исследований были определены теплофизические характеристики процесса пиролиза, которые были использованы для разработки технологического процесса и его реализации в конкретном устройстве. Для упрощения аналитической работы и приближения эксперимента к реальным условиям проведения процесса была проведена оценка влияния состава атмосферы на процесс пиролиза. Было установлено, что при продувке азотом и воздухом результаты эксперимента не отличаются значительно друг от друга, и поэтому проведение исследований возможно в воздушной атмосфере. Пробы угля выдерживались при температурах от 300 С до 700 С с шагом 100 градусов. На рисунке 2.2 представлены графики изменения массы и теплового потока процесса нагревания каменного угля до 1100 С в динамических условиях. Из графиков видно, что процесс газификации начинается в области 400 С и продолжается до 700-800 С. Обработка результатов проводилась при помощи оригинального программного обеспечения фирмы Netzsch программе Proteus analysis, которая позволяет исследовать гравиметрические и калориметрические данные. Типичное представление результатов DTA представлено на рисунке 2.3.
Результаты исследования пиролиза каменных углей
Структурные особенности Улуг-Хемских углей сказываются и на динамике их разложения. Для фракций различной плотности угля температура максимальной скорости потери массы Ттах остается практически постоянной, как и показатель отражения витринита. С уменьшением плотности фракции наблюдается повышение скорости R и сужение температурного интервала процесса потери массы ДТ. Более интенсивный процесс разложения угля легких фракций обусловлен увеличением в органической массе количества алифатических фрагментов и более слабых кислородсодержащих групп. Различие между углями из разных слоев пласта Улуг незначительно. Отмечено разное распределение кислорода по функциональным группам. Угли легкой фракции интенсивнее поглощают в области колебаний карбонильных и гидроксильных групп, вовлеченных в образование сильных водородных связей. Изменяя межмолекулярное взаимодействие, можно модифицировать свойства углей, в частности, повлиять на их спекаемость. Причины плохой спекаемости углей различны. Например, у малометаморфизованных углей это вызвано развитием реакций конденсации вследствие присутствия значительного количества реакционноспособных кислородсодержащих групп, связанных водородными связями. У высокометаморфизованных углей это обусловлено наличием протяженных сравнительно упорядоченных полисопряженных систем (ПСС), образующих ассоциаты, что при нагревании способствует возникновению трехмерных непластичных веществ.
У малометаморфизованных углей следует разрушить водородные связи, используя нагревание и осуществляя его в восстановительной среде, чтобы воспрепятствовать дестабилизации структуры после нарушения межмолекулярного взаимодействия. У высокометаморфизованных углей можно ожидать, что вещества, способные разрушать ассоциаты между фрагментами угля, вступают с ними в электронодонорно-акцепторное взаимодействие (ЭДА), а присутствие в добавках доноров водорода должно стабилизировать лабильную систему после нарушения существовавших в ней ассоциатов. Исследование межмолекулярного взаимодействия, его влияние на технологические свойства углей позволят получить новые сведения о реакционной способности углей и обосновать подходы к их переработке. Известно [87], что на территории Республики Тыва разведанные балансовые запасы углей составляют 1130 млн т, а прогнозные ресурсы - более 20 млрд т. Несмотря на наличие на территории республики больших балансовых, промышленных запасов угля, угольный комплекс не получил достаточного развития. На территории Республики Тыва находятся большие запасы каменного угля с хорошим качеством, пригодным для использования как в энергетике, так и для технологических целей. Расположение угольных месторождений и площадей распространения прогнозных ресурсов показаны на рисунке 2.11. Эти запасы являются промышленными (категории A+B+Ci) и официально учтены Государственным балансом запасов. Основная масса разведанных запасов (до 94% от всего количества запасов угля Тывы) и оцененных ресурсов (до 88%) сосредоточена в пределах юрского Улуг-Хемского каменноугольного бассейна. Угли месторождений, находящихся вне Улуг-Хемского бассейна, тоже характеризуются хорошим качеством и достаточно большими разведанными запасами и прогнозными ресурсами. Кроме Улуг-Хемского бассейна еще на пяти месторождениях угли изучены, оценены их запасы и прогнозные ресурсы. Из них разрабатывается лишь
Чаданское месторождение и готово к разработке Чангыз-Хадынское, находящееся неподалеку и рассматривающееся на смену Чаданскому после выработки его запасов. Еще на трех объектах Онкажинской, Актальской и Инитальской мульд были выполнены поисково-оценочные работы. Республика Тыва располагает большими запасами каменных углей (общие ресурсы, например, коксующихся углей оцениваются в 14,2 млрд т). Каменные угли республики Тыва и продукты их переработки представляются наиболее реальными и надёжными энергоносителями в республике, как в настоящее время, так и на достаточно длительный период в будущем, хотя при этом не следует исключать и другие источники энергии [68,86,88,96]. Основное применение угля в настоящее время - энергетическое. Разработка месторождений ведется открытым способом (разрезы «Каа-Хемский», «Чаданский»). Предварительная технологическая обработка угля в настоящее время отсутствует. Из-за большого содержания «летучих» (неконденсируемые газы, каменноугольная смола) и склонности к спеканию слоевое горение тувинских углей в котлоагрегатах сопровождается высоким химическим недожогом. Резко континентальный климат и географические условия -расположение населенных пунктов республики в межгорных котловинах, своеобразная «инверсионная крышка», препятствуют перемешиванию воздушных масс и очищению воздуха. В зимнее время низкие температуры (-45С) и отсутствие в этот период интенсивной циркуляции в приземном слое приводят к сильному загрязнению атмосферного воздуха продуктами неполного сгорания углей. По данным исследований, концентрации загрязняющих веществ в зимний период в подавляющем большинстве районов города Кызыла, например, обусловливаются в первую очередь выбросами частного сектора. Опасность выбросов частных печей усугубляется еще и тем, что многие загрязняющие вещества, как правило, сорбируются на поверхности сажевых частиц, являющихся респирабельными. При этом концентрация канцерогенных ПАУ, сорбированных на поверхности частиц, превышает ПДК в сотни раз. Снижение вредных выбросов в атмосферу, охрана природы, рациональное использование энергетических ресурсов — одна из важнейших социальных и экономических проблем [30]. Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. Другая значимая для республики проблема, которую необходимо решать в настоящее время, состоит во внедрении перспективных технологий по комплексной энергохимической переработке углей Тувы с тем, чтобы увеличить экономическую отдачу от применения угольного сырья. С начала 1950-х гг. изучением петрографического состава, качества и коксуемости углей занимались сотрудники ИГО «Красноярскгеология»,
Восточный углехимический институт (ВУХИН) и Институт горючих ископаемых (ИГИ). В процессе этих работ были выявлены мощность, строение и вещественный состав угля пластов не только на периферии, но и в центральной части Кызылско-Эрбекской мульды. Вещественный состав органической массы угля пласта «Улуг» в пределах всего бассейна характеризуется устойчивым постоянством как по разрезу пласта, так и по площади его распространения. По количественному соотношению микрокомпонентов уголь относится к группе гумолитов, классу гелитолитов, типу гелитов с содержанием витринита от 86 до 100% (в среднем 94,3%), семивитринита от 0 до 6% (в среднем 1%), фюзинита от 0 до 8% (в среднем 2,7%) и липтинита от 0 до 7% (в среднем 2%). В исходном растительном материале углей преобладали остатки кустарниковых и травянистых растений. Микрокомпоненты группы витринита представлены главным образом паринхитом и в меньшей степени феллинитом и ксилинитом. По вещественному составу уголь всего пласта относится к первой категории. Исходный растительный материал и витринитовый состав юрских углей Улуг-Хемского бассейна, по-видимому, и обусловили повышенные значения выхода летучих веществ и толщины пластического слоя. В соответствии с ГОСТ 25543-82 и ГОСТ 9477-86 угли пласта «Улуг» по выходу летучих веществ разделяются на четыре типа: 42, 37, 32, 29. Изоволи, проведенные по граничным значениям Vdaf;=40, 35, 30%, демонстрируют зональность, аналогичную величинам показателя отражения углей, что проявляется в постепенной смене типов угля с 42-го на северо-восточном фланге бассейна по 29-й на юго-западном. При этом изоволя Vdaf= 40% практически совпадает с изоресплендой RQ= 85%. Более 75% углей пласта Улуг относится к типу 42, значительно меньше к типам 37 и 32 и очень малое количество к типу 29. При постоянном и однородном вещественном составе органической массы угля пласта «Улуг» изменения выхода летучих веществ, толщины пластического слоя, теплоты сгорания обусловлены исключительно стадией его метаморфизма. Толщина пластического слоя (у) тувинских юрских углей обладает меньшей разрешающей способностью, нежели у углей других бассейнов. Особенности состава биомассы торфяников пласта «Улуг» и ее последующих преобразований обусловили повышенную толщину пластического слоя и высокую усадку углей. Более половины ресурсов углей пласта «Улуг» имеют толщину пластического слоя выше максимального граничного значения (26 мм). В пределах распространения пласта «Улуг» толщина пластического слоя угля растет в юго-западном направлении, достигая максимума (40—45 мм) в районе центральной части
Исследование пиролиза каменных углей в термическинагруженном слое
Комплексное использование природного сырья, в частности каменного угля в сочетании с современными, высокоэффективными технологиями, может дать возможность организовать производство, конкурентоспособное на внутреннем и мировом рынках. Создание опытных производств или пилотных установок небольшой производительности, в свою очередь, позволит при небольших капитальных вложениях определить особенности технологии, обучить обслуживающий персонал, определиться с потребителями выпускаемой продукции и получить рекомендации по расширению производства. Пиролиз каменного угля представляет собой изотермический химический процесс разложения конденсированной органической массы. Для его осуществления требуется постоянный подвод тепла к реагирующей массе угля. Соответственно, скорость разложения угля будет зависеть от абсолютного значения температуры процесса. Свойства получаемых продуктов тоже зависят от температуры. Так, при температурах не более 700 С получают полукокс, при более высоких температурах кокс [15, 48, 83]. Состав продуктов и скорость реакции пиролиза также зависят от скорости нагрева исходного угля, от скорости подачи его в реактор.
Пиролиз - нагревание углей в инертной атмосфере — является основным технологическим процессом их переработки и осуществляется в двух вариантах — полукоксование и коксование (нагревание до 900-1000 С). Основными продуктами пиролиза являются газ, смола и твердый остаток, полукокс или кокс, в зависимости от конечной температуры. Часть углей обладает способностью переходить в пластическое состояние в интервале температур 350-500 С, а при дальнейшем нагревании образуется спекшийся твердый остаток. Выход и состав продуктов полукоксования [43] в значительной степени зависят от природы и стадии метаморфизма угля. Особенностями состава газа полукоксования является значительное содержание метана, его гомологов и непредельных углеводородов, особенно при полукоксовании каменных углей. Особенностью пиролиза углей с отражательной способностью Ro = 0,7-1,6% является способность переходить при 400-500 С в пластическое состояние. В максимальной степени этим свойством обладают угли средней стадии метаморфизма при значении Ro = 0,8-1,1%, а содержание углерода при этом составляет 86-88%. Пиролиз их осуществляется в несколько стадий [15, 43, 44, 48, 53, 74, 83]. Низкотемпературная стадия (до 300-350 С), когда происходит выделение небольшого количества летучих компонентов и уголь переходит в активированное состояние. По данным различных авторов (Кекин, Водолажченко), на этой стадии имеет место главным образом выделение сорбированных в процессе метаморфизма веществ, а не продуктов разложения, а лишь при температурах выше 300 С появляются продукты деструкции органической массы угля.
Среднетемпературная стадия - от 350 до 500 С. Это стадия разложения органической массы с выделением летучих продуктов, смолы и газов, конденсации продуктов деструкции и для спекающихся углей — перехода в пластическое состояние. Высокотемпературная стадия - выше 500 С, где происходят процессы формирования твердых продуктов пиролиза, полукокса и кокса, при удалении преимущественно метана и водорода. Стадийность процессов пиролиза подтверждается данными дериватографии [42, 43], из которых следует, что имеются три максимума скорости потери массы при подъеме температуры 10 С/мин. Первый максимум для газового угля, обусловленный главным образом потерей влаги и других сорбированных продуктов, находится в интервале 150-160 С, второй - в зоне пластического состояния при 430-460 С. Третий максимум располагается в зоне формирования кокса при 700-750 С. Температура, при которой наблюдается второй максимум убыли массы, повышается, а скорость выделения летучих веществ уменьшается при повышении метаморфизма.
