Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья

Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья

В роботі описано основні хімічні процеси, що проходять при термічній конверсії твердого палива. Наведено методику розрахунку виходу продуктів термічної деструкції з низькосортного вугілля та відходів вуглезбагачення....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автор: Клюев, Э.С.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2012
Назва видання:Геотехническая механика
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54171
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 107-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-54171
record_format dspace
spelling irk-123456789-541712014-01-31T03:14:05Z Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья Клюев, Э.С. В роботі описано основні хімічні процеси, що проходять при термічній конверсії твердого палива. Наведено методику розрахунку виходу продуктів термічної деструкції з низькосортного вугілля та відходів вуглезбагачення. In this article the main chemical processes of thermal degradation of solid fuel were described. The calculation procedure of yield of thermal conversion’ products of low-grade coal and coal slime was given. 2012 Article Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 107-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54171 662.156: 622.784 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В роботі описано основні хімічні процеси, що проходять при термічній конверсії твердого палива. Наведено методику розрахунку виходу продуктів термічної деструкції з низькосортного вугілля та відходів вуглезбагачення.
format Article
author Клюев, Э.С.
spellingShingle Клюев, Э.С.
Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
Геотехническая механика
author_facet Клюев, Э.С.
author_sort Клюев, Э.С.
title Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
title_short Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
title_full Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
title_fullStr Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
title_full_unstemmed Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
title_sort установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate 2012
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54171
citation_txt Установление химического механизма образования продуктов термодеструкции из некондиционного угольного сырья / Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 107-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Геотехническая механика
work_keys_str_mv AT klûevés ustanovleniehimičeskogomehanizmaobrazovaniâproduktovtermodestrukciiiznekondicionnogougolʹnogosyrʹâ
first_indexed 2025-07-05T05:34:08Z
last_indexed 2025-07-05T05:34:08Z
_version_ 1836783919989522432
fulltext "Геотехническая механика" 107 УДК 662.156: 622.784 Э.С. Клюев, асп. (ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины) УСТАНОВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ ИЗ НЕКОНДИЦИОННОГО УГОЛЬНОГО СЫРЬЯ В роботі описано основні хімічні процеси, що проходять при термічній конверсії твер- дого палива. Наведено методику розрахунку виходу продуктів термічної деструкції з низь- косортного вугілля та відходів вуглезбагачення. THE ESTABLISHMENT OF CHEMICAL MECHANISM OF THERMAL CONVERSION PRODUCTS’ FORMATION OF NON- STANDARD COAL MATERIAL In this article the main chemical processes of thermal degradation of solid fuel were de- scribed. The calculation procedure of yield of thermal conversion’ products of low-grade coal and coal slime was given. Основные технологические процессы переработки углей связаны с тепло- вым воздействием, сопровождающимся различными термохимическими пре- вращениями с разрушением первоначальной структуры угольного вещества, разрывом химических связей при нагреве и образованием продуктов реакции с новым строением, свойствами и атомным составом [1]. Наряду с этим воз- никает необходимость в совершенствовании уже известных способов его пе- реработки и разработке новых экологически чистых геотехнологий, которые осуществлялись бы путѐм комбинированной термической обработки угля с одновременным получением твердого остатка и производством электриче- ской или тепловой энергии. При этом учѐными рассматривается возможность использования в таких технологиях низкосортного угля, а также углепромышленных отходов раз- личного происхождения и состава [2,3]. Такое сырьѐ отличается низкой теп- лотворной способностью, повышенной влажностью, зольностью, сернисто- стью и солѐностью, вследствие чего не имеет большого спроса на топливном рынке. Однако по прогнозным оценкам запасы в Украине низкосортных уг- лей составляет 22,2 млрд. т, из них 12% относят к бурым углям, а 88% – к ка- менным углям низкой степени метаморфизма. По данным института Укр- НИИуглеобогащение на обогатительных фабриках Украины в отстойниках и илонакопителях находится до 170 млн. т мелкодисперсных и высокозольных шламовых продуктов, которые занимают площадь около 1800 га. Таким образом, в сложившейся ситуации актуальной научной задачей яв- ляется исследование явлений, протекающих при термическом воздействии на некондиционное угольное сырьѐ и установление физико-химических меха- низмов образования продуктов термической деструкции для получения цен- ного технологического газа, что и послужило целью данной работы. Принято, что протекание химических процессов термической деструкции органических соединений некондиционного топлива подчиняется известным Выпуск № 103 108 законам химической термодинамики и кинетики [4]. Установлено, что этот процесс представляет собой сложный комплекс физических и химических превращений, происходящий как в прилегающем слое, так и на внешней по- верхности частиц, а также внутри их пористого объема. Экспериментально доказано, что при постепенном нагреве связи в угольном веществе разрыва- ются последовательно, начиная с наиболее слабых. Типичный порядок выхо- да летучих во времени такой: сначала происходит выделение слабосорбиро- ванных газов, затем появляются пары воды и углекислоты, далее – метан, угарный газ, алифатические углеводороды, смолы и водород. А в случае, если эти продукты реакции будут находиться в контакте с углеродной поверхно- стью, то могут протекать одновременно несколько последовательных или па- раллельных реакций, выделить из которых какую-либо является чрезвычайно сложной задачей. Изучение горения некондиционного топлива в термореакторе показало, что основными газами, реагирующими с углеродом топлива, является кисло- род О2, углекислота СО2 и водяной пар Н2О. При этом полагали, что первона- чально гетерогенный процесс окисления приводит к протеканию газификаци- онного процесса по следующим реакциям: С + О2 = СО2 + 395 кДж/моль (1) 2С + О2 = 2СО + 219 кДж/моль (2) Экспериментально установлено, что СО2 и СО образуются одновременно, а их соотношение зависит от термического режима процесса, и брутто- реакцию представляют в виде   22 СОСОО1 2 С1        п п п , где п – величина, характеризующая полноту выгорания углерода до СО2; если п = 0, то единственным продуктом реакции является СО2, если п >>1 – обра- зуется СО. При повышении температуры и понижении давления отношение СО/СО2 увеличивается, а его величину можно найти по уравнению С. Аррениуса:  RT/ЕехрАСО/СОп  2 , где А – экспериментальная константа; Е – энергия активации, Дж/моль; R = 8,31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная; Т – температура, К. Для предварительной оценки можно пользоваться многочисленными эм- пирическими выражениями вида [5]  RT/ехр,п 51550105112 3  , "Геотехническая механика" 109  RT/ехр,п 52685107662 3  . Расчетным путем установлено, что при температуре до 500 К соотношение СО:СО2 равно 0, а при 800 К – приближается к единице. Считается, что реак- ция кислорода с углеродным веществом проходит не на всей поверхности, а лишь на определенных участках – активных центрах, наличие которых обу- словлено углеродными дислокациями, неорганическими примесями, кисло- родными или водородными функциональными группами [6]. Опытами установлено, что, кроме реакций (1) и (2), на внешней поверхно- сти углерода и внутри пор при высокотемпературном горении протекают сле- дующие основные реакции: С+СО2 = 2СО – 176 кДж/моль, (3) С + Н2О = СО + Н2 –131 кДж/моль, (4) С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 –132 кДж/моль, (5) С + 2Н2 = СН4 – 75 кДж/моль. (6) В условиях встречной диффузии продуктов горения от поверхности угле- рода в поток окислителя, диффундирующего навстречу им из окружающего объема, неизбежно взаимодействие вблизи углеродной поверхности по реак- циям: 2СО+О2 = 2СО2 + 571 кДж/моль, (7) СО + Н2О = СО2 + Н2 + 40 кДж/моль, (8) 2Н2+О2 = 2Н2О + 231 кДж/моль, (9) СН4+2О2 = СО2 + Н2О + 892 кДж/моль. (10) В нашем случае также следует учитывать протекание процессов, связан- ных с тепловым воздействием на серу некондиционного топлива по реакци- ям: S + O2 = SO2 + 297 кДж/моль, (11) 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + 847000 кДж/моль. (12) В основе термодинамических расчетов лежит вычисление энергии Гиббса ΔG, констант равновесия Кр, и парциальных давлений компонентов рi равно- весно-реагирующей системы. Такие расчеты позволили оценить возможность протекания реакций (1)-(12) и рассчитать состав равновесной термодинами- ческой системы. При этом следует учитывать, что равновесные концентрации веществ следует рассматривать лишь как предельно допустимые в данных условиях. Вероятность протекания приведенных реакций в термореакторе можно предсказать по изменению в данном интервале температур значения ΔG, которое вычисляется по формуле 0 298 0 298 STHG   , где 0 298H – изме- нение энтальпии при 298 К, Дж/моль; 0 298S – изменение энтропии при 298 К, Выпуск № 103 110 Дж/моль∙К. Условиями термодинамической вероятности протекания химиче- ских реакций является 10  pK;G . Расчѐт выхода и состава продуктов деструкции на 1 кг углепородного сы- рья производится при известных составах топлива и окислителя и заданном значении коэффициента избытка окислителя α [7]. Выход азота определяется по формуле   ВN Vα,VVN 00 1790 22  , где ВN V,V 00 2 – теоретический выход соответственно азота и воздуха, при- ходящийся на 1 кг перерабатываемого топлива, м 3 /кг. Теоретический выход азота определяется так же, как и при полном горе- нии ВN V,N,V p 00 7900080 2  , где N р – рабочая масса азота в топливе, %. Выход остальных продуктов горения определяется совместным решением пяти уравнений: 1) уравнение константы равновесия реакции конверсии СО водяным паром:  ;VVVVK OHCOHCOp 2221  (13) 2) уравнение баланса углерода: ;C,VVV p CHCOCO 018660 42  (14) 3) уравнение баланса водорода: ;V,W,H,VVV В pp CHHOH 00160012401110 422  (15) 4) уравнение баланса кислорода: В V,W,O,V,V,V pp OHCOCO 021800062000705050 22  ; (16) 5) уравнение константы равновесия реакции конверсии метана:   2 3 2 2422224 2 p VVVVVVVV VV K NCHCOCOHOHOHCН НCO p    , (17) где 4222 ,,,, CHCOCOHOH VVVVV – выход соответственно водяного пара, водо- "Геотехническая механика" 111 рода, окиси углерода, углекислого газа, метана, приходящихся на 1 кг перера- батываемого топлива, кг/м 3 ; С р , Н р – рабочая масса углерода и водорода соот- ветственно в топливе, %; W p – влага рабочей массы топлива, %; р – общее давление смеси, Па. Для решения системы уравнений значения 422 ,,, CHCOHOH VVVV , выра- женные через 2COV , из уравнений (14) – (17) подставляют в уравнение (13). Равновесный состав продуктов неполного горения и их теоретическую тем- пературу определяют графическим методом (рис. 1). Рис. 1 – К расчету теоретической температуры горения Для этого задаются несколькими значениями температур равновесия Tp, близкими к предполагаемой теоретической температуре, и вычисляют для них константы равновесия Кр1 и Кр2 в соответствии с работой [7]. Решив сис- тему из пяти уравнений, определяют выход продуктов деструкции, а зная их находят теоретическую температуру горения по формуле    ii дТТВВВ н p теор cV qТсTcVQ Т , где н pQ – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; сi – теплоѐмкость отдель- ных компонентов продуктов сгорания, кДж/(м 3 К); Vi – выход продуктов сго- рания, м 3 ; qд – потеря теплоты от диссоциации СО2 и Н2О, кДж/кг. Индексы «в» и «т» относятся к воздуху и топливу. Потеря теплоты от диссоциации СО2 и Н2О определяется выражением: ОНдCOдд VVq 22 1080012640  , (1.10) Ттеор, К 500 1000 1500 2000 2500 3000 900 1400 1900 2400 Тр, К Tтеор = Тр Tтеор = f(Тр) Выпуск № 103 112 где д – степень диссоциации углекислого газа, %; д – степень диссоциации водяного пара, %. Значения д и д берутся из работы [7]. Построив зависимость полученных значений Ттеор от принятых значений равновесной температуры Тр, находят истинные значения Ттеор в точке пере- сечения кривой Ттеор = f(Tp) c прямой Ттеор = Тр. Результаты исследований позволили сделать следующие выводы: 1. Анализ литературных источников [1-7] показал, что построение хими- ческой модели термической деструкции некондиционного угольного сырья является сложной задачей, поскольку при этом происходит множество после- довательных и параллельных цепных реакций, из которых выделить одну наиболее важную не представляется возможным. Поэтому следует в расчетах пользоваться термодинамическим методом, позволяющим определить меха- низм образования продуктов деструкции с учетом температурных условий протекания химических реакций. 2. Установлено, что при постепенном нагреве химические связи в уголь- ном веществе разрываются последовательно, начиная с наиболее слабых. Сначала происходит выделение слабосорбированных газов, затем появляются пары воды и углекислоты, далее – метан, угарный газ, алифатические углево- дороды, смолы и водород. 3. Показано, что первоначально гетерогенный процесс окисления приво- дит к одновременному образованию СО и СО2, а их соотношение зависит от термического режима процесса. Расчетным путем установлено, что при тем- пературе до 500 К соотношение СО:СО2 равно 0, а при 800 К – приближается к единице. 4. Приведена методика расчетов выхода продуктов деструкции, которая позволила оценить вероятность протекания химических реакций по величине энергии Гиббса и рассчитать состав равновесной термодинамической систе- мы с учетом температурных условий по величине константы равновесия. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Основы практической теории горения / В. В. Померанцев, К. М. Альфредов, Д. Б. Ахмедов [и др.]; под ред. В. В. Померанцева. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 312 с. 2. Саранчук, В.И. Флотирование углей реагентами из продуктов коксохимии / В.И. Саранчук, И.А. Аро- вин, Л.Я. Галушко. – Донецк: Східний видавничий дім, Кальміус, 2006. – 192 с. 3. Энерготехнологическая переработка низкосортных углей и отходов углеобогащения / А.Т. Курносов, В.Л. Приходченко, В.Я. Осенний [и др.] // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. трудов / ИГТМ. – Днепропетровск. – 2010. – Вып. 88. – С. 81 – 86. 4. Грязнов, Н.С. Пиролиз углей в процессе кокосования / Н.С. Грязнов. – М.: Металлургия, 1983. – 184 с. 5. Корчевой, Ю.П. Экологически чистые угольные энерготехнологии / Ю.П. Корчевой, А.Ю. Майстрен- ко, А.И. Топал. – К.: Наукова думка, 2004. – 186 с. 6. Панченков, Г.Н. Химическая кинетика и катализ / Г.Н. Панченков, Лебедев В.П. – М.: Химия, 1985. – 592 с. 7. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / Аметистов Г. В., Белосельский Б. С., Емцев Б. Т. [и др.] ; под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. – Кн. 2. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 557 с. "Геотехническая механика" 113 УДК 622.831.322:622.831.325 А.С. Крышнев, инж. (ГП «Дзержинскуголь») АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Виконано аналіз активних та неактивних способів керування станом масиву гірських порід. В якості активного способу найбільш перспективним виглядає спосіб вібраційної дії на вугільний пласт через вміщуюючі породи. ANALYSIS WAYS OF CONTROL STATE OF ROCK MASSIF The analysis of the active and inactive ways to control state of the rock massif. The active method looking the most perspective of vibration impact on the coal bed in the host rocks. Под термином «управление состоянием горного массива» понимается со- вокупность мероприятий по целенаправленному переводу массива в заведомо устойчивое состояние, близкое к предельному, или неустойчивое состояние. Осуществляется путем изменения в процессе разработки формы, параметров и продолжительности обнажения горных пород, а также изменения физико- механических свойств пород, обеспечивающих экономическое и безопасное ведение горных работ [1]. В настоящее время различают методы управления состоянием горного массива с учетом пассивных и активных факторов, определяющих это состояние [2, 3]. К пассивным факторам состояния горного массива, относятся природные факторы, сложившиеся в процессе образования месторождений полезных ис- копаемых. Для угольных пластов ими являются физико-механические свой- ства и структура среды, а также ее компоненты: твердое вещество и запол- няющий пустоты флюид. Управление состоянием массива достигается до- полнительным к основному технологическому процессу отработки пласта воздействием (региональным или локальным) на него, обеспечивающим на- правленное изменение характеристик указанных факторов. К таким воздейст- виям относятся инъекции упрочняющих или пластифицирующих растворов, дополнительное разупрочнение массива, интенсификация фильтрационных процессов и т.п. Несмотря на комплексное влияние указанных воздействий на общее состояние горного массива, в их основу положен принцип изменения свойств и структуры среды [4]. Сложная структура среды, составляющей горный массив, установлена многочисленными исследованиями 5, 6. Во многих работах прослеживается ее взаимосвязь с основными физико-механическими характеристиками гор- ного массива. В работe 7 авторы отмечают пористость как главный фактор, опреде- ляющий механические свойства горных пород. Поиск взаимозависимости этих факторов потребовал разработки расчетных методов оценки характери- стик среды с учетом пористости и трещиноватости на основе новых матема- тических моделей, использующих экспериментальные данные. Полученные

Схожі ресурси