Научная статья на тему 'Кинетика процесса термического разложения сланца Кендырлыкского месторождения'

Кинетика процесса термического разложения сланца Кендырлыкского месторождения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
75
21
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СЛАНЕЦ / ТЕРМИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ / THERMAL DEGRADATION / КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ / KINETIC PARAMETERS / СТАДИИ РАЗЛОЖЕНИЯ / STAGES OF DECOMPOSITION / СКОРОСТЬ НАГРЕВА / HEATING RATE / SHALE

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Нургалиев Нуркен Утеуович, Ермагамбет Болат Толеуханулы, Касенов Булат Кунурович, Касенова Жанар Муратбековна, Зикирина Айнур Мухаметжановна

В статье с использованием термического анализа изучено влияние температуры и скорости нагрева на кинетические параметры процесса термической деструкции сланца месторождения Кендырлык. Установлено, что скорость нагрева образцов сланца заметно влияет на температуру и скорость процесса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Нургалиев Нуркен Утеуович, Ермагамбет Болат Толеуханулы, Касенов Булат Кунурович, Касенова Жанар Муратбековна, Зикирина Айнур Мухаметжановна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Кинетика процесса термического разложения сланца Кендырлыкского месторождения»

TECHNICAL SCIENCES

The kinetics of the thermal decomposition process of shaleof the Kendyrlyk deposits Nurgaliyev N.1, Yermagambet B.2, Kassenov B.3, Kassenova Zh.4, Zikirina A.5

(Republic of Kazakhstan) Кинетика процесса термического разложения сланца Кендырлыкского

месторождения

Нургалиев Н. У.1, Ермагамбет Б. Т.2, Касенов Б. К.3, Касенова Ж. М.4, Зикирина А. М.5 (Республика Казахстан)

'Нургалиев Нуркен Утеуович /Nurgaliyev Nurken — кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник; 2Ермагамбет Болат Толеуханулы / Yermagambet Bolat — доктор химических наук, профессор, директор, Институт химии угля и технологии, г. Астана; 3Касенов Булат Кунурович /Kassenov Bulat — доктор химических наук, профессор, Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева, г. Караганда; 4Касенова Жанар Муратбековна /Kassenova Zhanar — магистр техники и технологии, Институт химии угля и технологии, г. Астана; 5Зикирина АйнурМухаметжановна / Zikirina Ainur — магистр физических наук, преподаватель, кафедра химии и физики, факультет компьютерных систем и программного обеспечения, Агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: в статье с использованием термического анализа изучено влияние температуры и скорости нагрева на кинетические параметры процесса термической деструкции сланца месторождения Кендырлык. Установлено, что скорость нагрева образцов сланца заметно влияет на температуру и скорость процесса.

Abstract: in this article, using thermal analysis, the effect of temperature and heating rate on the kinetic parameters of the process of thermal degradation Kendyrlyk shale deposits was studied. It found that the heating rate of the shale samples noticeably affects on the temperature and process speed.

Ключевые слова: сланец, термическая деструкция, кинетические параметры, стадии разложения, скорость нагрева.

Keywords: shale, thermal degradation, the kinetic parameters, stages of decomposition, the heating rate.

Для исследования процесса термического разложения твердых веществ применяются как изотермические, так и неизотермические методы. В настоящее время широкое распространение получили неизотермические методы, позволяющие за относительно короткое время получить большую информацию о характере процесса разложения с регистрацией всех стадий превращения в широком температурном диапазоне [1]. Наиболее распространены дифференциально-термический и термогравиметрический методы анализа. Применение этих методов позволяет рассчитать кинетические параметры соответствующих процессов, тепловые эффекты реакции, температуру начала разложения и другие важные характеристики [2].

Целью настоящей работы является исследование кинетики термического разложения сланца месторождения Кендырлык (Казахстан).

Эксперименты проводили на термогравиметрическом анализаторе «Thermoster Eltra» (Германия) в инертной среде азота при разных скоростях нагрева в пределах 3-15 град./мин. и фракциях сланцев с размерами гранул d=0,2-5 мм. Нагрев образцов проводился в керамических тиглях в интервале температур 25-9000С в инертной среде азота. Навеска образцов составляла 1 грамм.

Кинетические параметры основного термического разложения сланцев определяли на основе уравнений неизотермической формальной кинетики [3]. В качестве исходного уравнения используется закон Аррениуса, описывающий зависимость константы скорости реакции (k) от температуры:

к = k0e~E/RT (1)

где k0 - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации; Т - абсолютная температура. Уравнение (1) можно представить в дифференциальной форме:

v = da/dt = f{a)k0e~E/RT (2) где v - скорость процесса, а - степень превращения твердого топлива, f(a) - функция степени превращения.

Согласно экспериментальным данным [3], процессы основного термического разложения твердого топлива протекают по первому порядку, поэтому функция £(а) = 1 - а. Тогда при помощи логарифмирования уравнение (2) преобразуется к виду [4]:

1п

1 йа

= 1пк — Е (3) ° ЯТ

1 -а йт

где а - степень превращения органической массы сланцев. Уравнение (3) представляет собой линейное уравнение у=Ь+^, в котором У ~ 1п

йа

1 — а йх

Ь = Ы^, а = -Е, x = 1/RT, что позволяет уложить экспериментальные точки на прямую, по тангенсу угла наклона которой к оси абсцисс можно вычислить энергию активации процесса, а по отрезку, отсекаемому по оси ординат, - предэкспоненту.

Для получения надежных результатов среднеквадратичные ошибки определения основных кинетических параметров разложения сланцев рассчитывали по методу наименьших квадратов.

При анализе кривых выявлены три стадии основного разложения сланца Кендырлыкского месторождения на дифференциальных кривых DTG, где наблюдаются пики с максимумами скорости потери массы и температурах Ттх (точки перегиба).

При скоростях нагрева в от 6 до 15 град/мин на 3-й стадии разложения сланца при температурах Т^х в интервале 363-452 0С пики с максимумом скорости потери массы слабо выражены с тенденцией уменьшения при росте р. Это сопряжено с наложением нескольких процессов и невозможностью их раздельной оценки для проведения расчета кинетических параметров.

Характеристики Кендырлыкского сланца приведены таблице 1.

Таблица 1. Характеристики Кендырлыкского сланца

1

Месторождение Состав сланца, % Теплота сгорания, низшая (ккал/кг)

Аг ус1аГ С" О"' Нса' ^сСа' Осг

Кендырлык 9,34 64,23 20,17 76,88 12,37 9,27 1,25 0,23 1720

Результаты обработки кривых DTG и расчета в соответствии с уравнением (3) представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Потери масс образцов Кендырлыкского сланца и значения Ттах на стадиях разложения

Скорость нагрева, °С /мин Потеря массы от навески, % Т 0 С Т шах, С

30- 300°С 300-500°С 500-700°С 30-700°С Стадии разложения

1 2 3

3 3,18 10,53 4,61 18,32 107 241 363

6 3,05 10,48 4,17 17,70 126 274 395

9 3,12 10,24 3,98 17,34 139 301 418

12 2,86 10,13 4,07 17,06 147 326 437

15 2,48 10,37 3,61 16,46 178 349 452

Таблица 3. Кинетические параметры термической деструкции Кендырлыкского сланца

Стадии основного разложения

Скорость нагрева, °С /мин 1 стадия 2 стадия

kmax, 10"3с"1 102с-1 E Eакт, кДж/ моль kmax, 10"3с"1 104 с-1 Бакг, кДж/моль

3 1,26 3,14±0,17 39,4±1,26 1,47 2,64±0,08 94,1±3,2

6 1,19 5,82±0,41 42,7±2,38 1,25 2,17±0,13 91,8±3,5

9 1,34 2,74±0,15 36,1±2,14 1,34 1,94±0,08 87,4±3,4

12 1,27 2,19±0,14 45,2±2,53 1,47 0,63±0,03 84,2±3,8

15 1,43 1,26±0,08 39,7±1,69 1,65 1,29±0,07 82,9±4,2

Анализ полученных данных показывает, что для всех образцов в температурных интервалах 30-300°С потери массы сланца имеют наименьшие значения (таблица 2). В интервале температур 300-500°С, где наблюдаются в основном второй и третий максимумы, имеются более высокие потери массы сланцев. По-видимому, это связано с выделением основной массы паров смолы и газообразных углеводородов с одновременным образованием паров так называемой пирогенетической воды.

При переходе от одной стадии основного разложения к другой при повышении температуры при различных скоростях нагрева отмечается заметное увеличение Е^. Разница между активационными барьерами 1-й и 2-й стадий в пределах одинаковых скоростей нагрева составляет 39-55 кДж/моль (таблица 3). Увеличение скорости нагрева способствует снижению величин E^ на 2-й стадии разложения (94,1-82,9 кДж/моль). В целом можно отметить, что рассчитанные значения энергии активации соизмеримы с энергиями химических связей. Вероятность разрыва определенных типов связей в процессе деструкции заметно возрастает, о чем свидетельствуют различия между значениями k0 на 1-й и 2-й стадиях (на 1-2 порядка, т.е. k01 ~102 с-1, ko2 ~ 104 с-1).

Повышение скорости нагрева ß от 3 до 15 град/мин на всех стадиях разложения приводит к сдвигу значений температур Tmax (соответствующих максимальному разложению) в сторону больших величин (ATmax=100° С) и увеличению скорости vmax процесса деструкции сланца (в точке перегиба). Величина скорости vmax на 2-й стадии выше, чем на 1-й. Однако это не оказывает столь существенного влияния на общую степень разложения сланца (табл. 2), что по всей видимости, связано с компенсацией более высокой скорости меньшей длительностью процесса термолиза.

Литература

1. Kairbekov Z. K., Yemeliyanova V. S., Myltykbaeva Z. K., Bayzhomartov B. B. Thermocatalytic processing of brown coaland combustible slate of the «Kenderlik» deposit // Technical sciences, 2012. № 9. Р. 924-926.

2. Глущенко И. М. / Теоретические основы технологии горючих ископаемых: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1990. 296 с.

3. Гюльмалиев А. М., Головин Г. С., Гладун Т. Г. Теоретические основы химии угля. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 556 с.

4. Шевкопляс В. Н. Расчет основных кинетических параметров твердых топлив по данным дериватографического анализа // Вопр. химии и хим. Технологии, 2007. № 2. С. 179-183.

Simulation of heat transfer in furnaces boilers Redko A.1, Davidenko A.2, Pavlovskiy S.3, Kulikova N.4 (Ukraine) Моделирование теплообмена в топках водотрубных котлов Редько А. А.1, Давиденко А. В.2, Павловский С. В.3, Куликова Н. В.4 (Украина)

'Редько Андрей Александрович / Redko Andrei — доктор технических наук, профессор; 2Давиденко Анастасия Вячеславовна /Davidenko Anastasiia — аспирант; 3Павловский Сергей Валерьевич /Pavlovskiy Sergei — кандидат технических наук, ассистент; 4Куликова Наталья Валерьевна /Kulikova Nataliia — кандидат технических наук, ассистент, кафедра теплогазоснабжения, вентиляции и использования тепловых вторичных энергоресурсов, Харьковский национальный университет строительства и архитектуры, г. Харьков, Украина

Аннотация: в работе приводятся математическое моделирование и результаты численного исследования теплообмена в топке парового двухбарабанного водотрубного котла. Показана недостаточная эффективность горелочного устройства с высоким коэффициентом крутки, которая создаёт короткий факел и неравномерность температурного поля в объёме топки. Приводятся значения плотности радиационного и конвективного тепловых потоков по длине топки, показаны области с наиболее напряжёнными тепловыми потоками. Показано, что размещение в топке котла вторичного трубчатого излучателя обеспечивает увеличение плотности радиационного теплового потока на экранные трубные пучки, и равномерность плотности теплового потока по длине топки. Приводятся результаты исследования влияния других факторов на эффективность теплообмена в топке водотрубного котла.

Abstract: mathematical simulation and the results of the numerical analysis of the heat transfer in the furnace of a steam double-drum water tube boiler are considered in this work. Insufficient efficiency of the burning device with high coefficient of the warp, which creates a short flare and granularity of the temperature field in the volume of the furnace is shown. Values of the density radiative and convective heat flows along the length

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.