CC BY
22
----------- © А.Е. Афанасьев,
Э.М. Сульман, О.С. Мисников,
А.Е. Усанов, 2004
УДК 662.74
А.Е. Афанасьев, Э.М. Сульман, О. С. Мисников,
А.Е. Усанов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОРФОМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ В ПРОЦЕССАХ ГАЗИФИКАЦИИ
Семинар № 13
Современные требования к технологическим процессам разработки торфяных месторождений и последующей переработке торфа вызывают необходимость комплексного подхода, учитывающего специфику этого природного ресурса и попутно залегающих с ним полезных ископаемых.
Потребление торфа для решения энергетических проблем на территории Российской Федерации заметно снижается, из-за целого ряда факторов. Но, вместе с тем наблюдается некоторое увеличение спроса на формованное твердое топливо на основе торфа в жилищнокоммунальном хозяйстве и других объектах малой энергетики. Кроме использования торфа в топливных целях существенно активизировалось применение продукции на его основе в других отраслях (сельское хозяйство, защита окружающей среды, производство строительных материалов, бытовые сорбционные материалы).
При газификации органического сырья (торфа, сапропеля, композиций), в зависимости от требований, предъявляемых к получаемым газовым смесям, можно варьировать рядом параметров проведения процесса. При этом можно добиваться обогащения газовых смесей требуемым компонентом или группой компонентов, а также повышения их теплотворной способности.
Газификационные процессы (образование летучих компонентов) разделяют на две группы - процессы распада и процессы синтеза. Традиционно [1] выделяют следующие основные первичные низкотемпературные процессы распада.
1. Физические процессы образования летучих компонентов:
• испарение и сублимация низкомолекулярных веществ, присутствующих в топливе;
• механическая возгонка (пульверизация газом) жидких составных частей топлива.
• 2. Химические процессы их образования:
• собственно крекинг - разрыв цепей органических соединений по линии связи - С -С - С -;
• деполимеризация органических соединений, или крекинг четырехчленных циклов;
• термическая диссоциация комплексов кислот и оснований.
3. Сопряженные процессы многостадийных реакций:
• сопряженные реакции дегидратации и омыления;
• реакции присоединения воды, замещения азота и серы, гидратация непредельных соединений.
Процессы синтеза могут протекать как независимо от процессов распада, так и использовать в своих реакциях продукты первичного разложения.
Большинство синтетических реакций является эндотермическими. Во-первых, это приводит к снижению температуры в гази-фикационной камере энергетических установок. Данный факт играет положительную роль с точки зрения требований к материалу камеры и его долговечности. Во-вторых, пониженная температура получаемой газовой смеси позволяет сократить потери тепла при ее транспортировке на большие расстояния. И, наконец, эндотермические реакции синтеза приводят к повышению теплотворной способности газовой смеси и снижению ее объема, что положительно сказывается на производительности установок для сжигания.
О 10 20 30 40 50 ¿мнн
Известно, что торф является многокомпонентной субстанцией. Поэтому, группы химических соединений, входящие в состав его органической части, по-разному будут влиять на протекание указанных выше реакций. Кроме того, ряд химических соединений, входящий в состав природных минеральных материалов, а также золы растений и топлив также не остаются инертными при их термической обработке. Так, например, Са(ОН) 2 , СаСО 3 , Ее(ОН) 3 , А1(ОН) 3 , аммиак и другие соединения оказывают огромное влияние на процессы термолиза твердых топлив [1]. Эффект действия зольных элементов, являющихся естественной составной частью растений или топлива и влияние специально вводимых в топливо добавок зависит от состава минеральных примесей, сопутствующих органической части и от химического состава добавок. Кроме того, степень воздействия минеральной части на процесс термического распада и образования новых соединений зависит, кроме прочего, от заданных параметров при термической обработке. В.Е. Раковским и его школой было установлено, что добавки щелочи, щелочных и щелочноземельных металлов резко изменяют течение процессов мокрого обугливания. Мокрое обугливание древесины приводит к частичному гидролизу легкогидролизуемых углеводов, к получению сахаров и образованию фурфурола (за счет реакций дегидратации). При дальнейшем нагре-
Рис. 2. Зависимость текущей концентрации этана в пиролизном газе, полученном при термическом разложении низинного торфа (1) и торфоминеральных композиций: торфа с глинистым мергелем (2) и озерно-болотной глиной (3)
Рис. 1. Зависимость текущей концентрации метана (здесь и далее в долях единицы) в пиролизном газе, полученном при термическом разложении низинного торфа (11 и торфоминеральных композиций: торфа с глинистым мергелем (2) и озерно-болотной глиной (3)
вании протекают процессы более глубокого распада и обугливания. Если же проводить термическую обработку материала в присутствии щелочей, то в результате реакций происходит образование богатых водородом органических соединений, которые могут быть извлечены из продуктов реакции органическими растворителями (подобно битумам) [2].
В качестве минеральных добавок в данной работе, использовались глинистый мергель и озерно-болотная глина, залегающие под слоем торфа или находящиеся вблизи торфяных месторождений. Они вносились в предварительно раздробленный до размеров 3-5 мм низинный торф (степень разложения К = 30 %) спиртовой пропиткой в количестве 5 % от массы абсолютно сухого вещества торфа.
При проведении газификации в жидкой фазе [3] удалось установить, что применение природных минеральных материалов [4] позволяет значительно повысить концентрацию углеводородов в горючем газе (рис. 1-3). При этом максимальная концентрация метана возрастает на 30 %, этана в 3-3,5 раза, пропана в 3,8-4 раза и, кроме того, сокращается время процесса газификации. То есть, при некотором увеличении зольности твердого топлива, можно существенно повысить теплотворную способность и интенсифицировать процесс его газификации (или сжигания). В этом случае минеральные материалы являются по сути дела «природными каталитическими системами».
С
Исследование глинистого мергеля и глины методами электронной микроскопии показало, что в их элементный состав входит алюминий, железо, кальций и т. д. Но, кроме состава, по предварительным оценкам, эффективность
применения того или иного типа минерального глинистого материала будет зависеть и от способа внесения его в торф. С нашей точки зрения, наиболее приемлемым, будет формование (прессование, экструзия, окатывание и т. п.)
Рис. 3. Зависимость текущей концентрации пропана в пиролизном газе, полученном при термическом разложении низинного торфа (1) и торфоминеральных композиций: торфа с глинистым мергелем (2) и озерно-болотной глиной (3)
предварительно подготовленной органоминеральной смеси. В этом случае могут возникать фазовые контакты между реагирующими компонентами, что позволит значительно быстрее протекать реакциям термолиза и газообразования. Кроме того, большого внимания заслуживает технологичность получения и применения такого вида топлива. Например, установлено [5], что добавки минеральных компонентов значительно снижают начальную влажность, необходимую для экструзионного формования композиции.
Таким образом, проведенные исследования показали перспективность газификации твердых топлив (в частности торфа) в композициях с минеральным глинистым сырьем. В таком случае последнее будет значительно интенсифицировать процесс, выполняя роль каталитической системы. При этом из-за широкого распространения глинистых материалов на территории РФ предполагается незначительное увеличение затрат при внедрении технологии на промышленных предприятиях.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Раковский В.E., Каганович Ф.Л., Новичкова Е.А. Химия пирогенных процессов. Мн.: Акад. наук БССР, 1959. 208 с.
2. Физика и химия торфа / И.И Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И Гамаюнов, A.A. Терентьев. - М.: Недра, 1989. 304 с.
3. Афанасьев А.Е., Сулъман Э.М., Усанов А.Е., Мисников О.С. Низкотемпературная газификация торфа и сапропеля // Топливно-энергетические ресурсы Тверской
области / Информационный бюллетень. - Тверь: ТГТУ, 2001. С. 22-27.
4. ВозбуцкаяА.Е. Химия почвы. - М., 1968. 427 с.
5. Афанасьев А.Е., Мисников О. С. Структурообразовательные процессы в технологиях производства продукции на основе природных органоминеральных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Академия горных наук, 2002, № 11. - С. 145-150.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Афанасьев А.Е., Сулъман Э.М., Мисников О.С., Усанов А.Е. — Тверской государственный технический университет
