Научная статья на тему 'Определение скоростей реакции при термохимическом разложении органической массы угля'

Определение скоростей реакции при термохимическом разложении органической массы угля Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
137
76
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОРГАНИЧЕСКАЯ МАССА УГЛЯ / КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ И АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ / КОНСТАНТА СКОРОСТИ РЕАКЦИИ / ORGANIC MASS OF COAL / OXYGEN-CONTAINING AND NITROGEN-CONTAINING COMPOUNDS / REACTION RATE CONSTANT

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Пятыгина М. В., Мингалеева Г. Р.

В работе была рассмотрена диффузионно-кинетической модель разло-жения угля. Согласно ней сначала из угольной частицы удаляется физически связанная влага, которая в виде водяного пара реагирует с поверхностью угольной частицы. Выделившийся вcледствии реакции С+H2O=CO+H2 водород участвует далее в разложении всего объема угольной частицы. Предложена схема термохимического разложения органической массы угля, а именно про-дукта полукоксования смолы с учетом ее молекулярного состава. Рассчита-ны и приведены константы скорости реакций разложения основных компо-нентов ОМУ кислород и азотсодержащих соединений ОМУ. Так, для кисло-родсодержащих соединений константа скорости реакции составляет от 3.40·106 до 1.15·108, для азотсодержащих 5.65·105÷6.60·105.

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

In work the diffusion-kinetic model of coal decomposition has been considered. According to it at first from coal particle physically connected moisture which in the form of water steam reacts with a surface of a coal particle leaves. Allocated as a result of reactions С+H2O=CO+H2 hydrogen participates further in decomposition of all coal particle volume. The thermochemical decomposition scheme of organic mass of coal, namely a semicoking product pitches taking into account its molecular structure is offered. Reaction rate constants of decomposition of the OMC basic components oxygen and nitrogen compounds of OMC are calculated and resulted. So, for compounds containing oxygen the reaction rate constants makes from 3.40·106 to 1.15·108, for containing nitrogen 5.65·105÷6.60·105.

Текст научной работы на тему «Определение скоростей реакции при термохимическом разложении органической массы угля»

М. В. Пятыгина, Г. Р. Мингалеева

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ РЕАКЦИИ ПРИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОМ

РАЗЛОЖЕНИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАССЫ УГЛЯ

Ключевые слова: органическая масса угля, кислородсодержащие и азотсодержащие соединения, константа скорости реакции. organic mass of coal, oxygen-containing and nitrogen-containing compounds, reaction rate constant.

В работе была рассмотрена диффузионно-кинетической модель разложения угля. Согласно ней сначала из угольной частицы удаляется физически связанная влага, которая в виде водяного пара реагирует с поверхностью угольной частицы. Выделившийся в^едствии реакции C+H2O=CO+H2 водород участвует далее в разложении всего объема угольной частицы. Предложена схема термохимического разложения органической массы угля, а именно продукта полукоксования - смолы с учетом ее молекулярного состава. Рассчитаны и приведены константы скорости реакций разложения основных компонентов ОМУ - кислород - и азотсодержащих соединений ОМУ. Так, для кислородсодержащих соединений константа скорости реакции составляет от 3.4010 до 1.15108, для азотсодержащих - 5.65 105^6.60 105.

In work the diffusion-kinetic model of coal decomposition has been considered. According to it at first from coal particle physically connected moisture which in the form of water steam reacts with a surface of a coal particle leaves. Allocated as a result of reactions С+И20=С0+И2 hydrogen participates further in decomposition of all coal particle volume. The thermochemical decomposition scheme of organic mass of coal, namely a semicoking product - pitches taking into account its molecular structure is offered. Reaction rate constants of decomposition of the OMC basic components - oxygen - and nitrogen compounds of OMC are calculated and resulted. So, for compounds containing oxygen the reaction rate constants makes from 3.40-106 to 1.15-108, for containing nitrogen -5.65 105^6.60105.

В современных технологических процессах производства тепловой и электрической энергии начинают внедряться методы термохимической переработки твердых топлив, в частности углей, с получением различных целевых продуктов - энергетического газа, каменноугольных смол, кокса и полукокса. Существующие методы расчета этих процессов, в результате которых определяют выход, а также групповой и элементный состав продуктов полукоксования, являются эмпирическими или полуэмпирическими.

В настоящее время для изучения структуры углей, определяющей их свойства и реакционную способность, применяются методы электронного парамагнитного резонанса, а также оптической спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. С помощью химических методов определяется наличие так называемых функциональных групп, содержащих кислород и серу, путем применения специфических реакций. Кроме того, с использованием методов, воздействующих на определенные группировки, изучается характер связей между фрагментами - мостиковые связи. Изучение структурных групп осуществляется такими методами, как ИК-спектроскопия и ЯМР [1].

На основе вышеизложенных методов были получены сведения о молекулярном составе углей [2], что позволяет, применяя методы химической термодинамики, определить наиболее вероятные направления течения реакций разложения органической массы угля (ОМУ). В технологических процессах пиролиза и газификации важно оценить их с количественной стороны, для чего необходимо знать скорость, с которой будет протекать данная термодинамически вероятная реакция. Поскольку ОМУ состоит из различных соединений, то процесс ее разложения при термохимическом воздействии представляет совокупность многих реакций, в результате которых образуются газ, смола и полукокс. Основную массу первичных смол составляют алифатические и нафтеновые углеводороды, кето-ны, карбоновые кислоты и их ангидриды [2].

На состав и свойства продуктов термохимической переработки оказывают существенное влияние размер угольного зерна, влажность угля, скорость нагревания, давление и температура. Расчет констант скорости реакций пиролиза угля был проведен на примере Ирша-Бородинского бурого угля Канско-Ачинского бассейна. Состав угля представлен следующими компонентами в % на рабочую массу топлива: влаги 1/1^ - 33, золы Ар — 9.98, серы Эр - 0.29, углерода Ср - 41.2, водорода Нр - 2.89, азота Ыр - 0.6 и кислорода - Ор -12.1; размер угольной частицы 0.05 мм.

В качестве соединений, моделирующих структуру ОМУ, были взяты данные экспериментальных исследований [3], согласно которым ОМУ содержит три основные группы соединений.

Первую группу составляют кислородсодержащие соединения, к которым относятся: фенол, крезол, 4-этилфенол, пропилфенол, тетраметилбензойная кислота, 2-

метоксинафталин, фенилбензоат, 2-этоксинафталин, бензофенон, гидрохинон, резорцин, бензойная кислота, диметилбензойные кислоты, дифениловый эфир, нафтол, дибензофу-ран, метилбензойные кислоты, салициловая кислота, 1,4-нафтохинон, 2,3-нафталиндиол, 2,7-нафталиндиол, триметилбензойная кислота, а-нафтойная кислота, Р-нафтойная кислота, фенилсалицилат, а-ацетоксинафталин, Р-ацетоксинафталин, 2-нафтилбензоат,2-,3- и 4-метоксибензойные кислоты,1- и 2-нафталинуксусные кислоты, антро- и фенантрохиноны, 3-гидрокси-2-нафтойная кислота.

Вторую группу составляют соединения, содержащие азот. К ним относятся 3-этил-2,4,5-триметил-1Н-пиррол, 1-фенил-1Н-пиррол, 2-фенил-1Н-пиррол, 2,3-диметил-1Н-

индол, 9Н-карбазол, 9-метил-9Н-карбазол.

Третью группу составляют соединения, содержащие серу: дибензотиофен, дибен-зилсульфид.

Разработанная авторами [4] физико-химическая модель термического превращения твердого топлива и расчетная схема кинетических процессов термохимического превращения твердого топлива не конкретизирует химическую природу образующихся сухого остатка, первичной и вторичной смол. Поэтому на ее основе была предложена схема, представленная на рис. 1, и рассчитаны константы скорости следующих реакций разложения основных компонентов ОМУ:

1) бензойная кислота - С7Н6О2+Н2^-С6Н6+ НСООН;

2) метилбензойные кислоты - С8Н8О2+Н2^-С7Н8+НСООН;

3) диметилбензойные кислоты - СдНюО2+Н2^С8Ню+НСООН;

4) триметилбензойные кислоты - СюН12О2+Н2^СдН12+НСООН;

5) тетраметилбензойные кислоты - СцН14О2+Н2^СюН14+НСООН;

6) а и Р-нафтойные кислоты - С11Н8О2+Н2^С10Н8+НСООН;

7) 1- и 2-нафталинуксусные кислоты - Сі2Ніо02+Н2^СііНіо+НОООН;

8) фенол — СбНб0+Н2^СбНб+Н20|;

9) крезол - С7Н80+Н2^-СбНб0+СН4|;

10) і-пропилфенол - СдН120+Н2^СбНб0+СзН8|;

11) 1,1-дифенилметанол - С13Н120+Н2^С13Н12+Н20|;

12) гидрохинон, резорцин - СбНб02+2Н2^СбНб+2Н20|;

13) нафтолы - С10Н80+Н2^С10Н8+Н20|;

14) 9Н-карбазол - С12НдМ+2Н2^С12Н10+МН3|;

15) 2,3-диметил-1Н-индол - С1оНцМ+2Н2^С1оН12+МНз|;

16) 2-фенил-1Н-пиррол - С10НдМ+2Н2^С10Н10+ЫН3|;

17) 3-этил-2,4,5-триметил-1Н-пиррол - СдН15М+2Н2^-СдН1б+МН3|.

Рис. 1 - Расчетная схема кинетических процессов термохимического разложения угля

Как известно, химические реакции делятся на гомогенные (протекающие в объеме) и гетерогенные (протекающие на поверхности раздела фаз). Реакцию, протекающую на поверхности, можно разделить на последовательные стадии: перенос или диффузия реагирующего газа к поверхности тела; адсорбция газа; кинетика собственно химической реакции на поверхности; десорбция продуктов реакции; отвод газообразных продуктов реакции от поверхности тела.

Для бимолекулярной реакции, сопровождающейся столкновением двух разнородных молекул А и В выражение константы скорости реакции имеет следующий вид:

к = к0 е ~Е 1 4Т , см3мол-1сек"1

где к 0 - коэффициент, выражающий число всех возможных столкновений молекул А и В в

1 с в объеме 1 см3; 14 - константа Больцмана, равная газовой постоянной, отнесенной к одной молекуле; Т - температура реакции, ° К [5].

Согласно диффузионно-кинетической модели разложения угля [5] сначала из угольной частицы удаляется физически связанная влага, которая в виде водяного пара реагирует с поверхностью угольной частицы. Выделившийся вследствии реакции С+Н20=С0+Н2 водород участвует далее в разложении всего объема угольной частицы.

Результаты расчетов констант скорости разложения ОМУ при пиролизе представлены в табл.1.

Таблица 1 - Значения констант скоростей реакций разложения кислород - и азотсодержащих соединений ОМУ

Исходное соединение к-107

Кислородсодержащие

Карбоновые кислоты Бензойная кислота 5.86

Метилбензойные кислоты 11.49

Диметилбензойные кислоты 4.77

Триметилбензойные кислоты 4.36

1- и 2-нафтойные кислоты 4.16

Тетраметилбензойные кислоты 4.02

1- и 2-нафталинуксусные кислоты 3.84

Фенолы Фенол 0.67

Крезолы 0.58

1-пропифенолы 0.46

Нафтолы 0.43

1,1-дифенилметанол 0.34

Гидрохинон 0.40

Резорцин 0.40

Азотсодержащие

9Н-карбазол 0.06

2,3-диметил-1 Н-индол 0.07

3-этил-2,4,5-триметил-1 Н-пиррол 0.06

2-фенил-1 Н-пиррол 0.07

Результаты численных исследований в дальнейшем позволят определить время нагревания органической массы угля, благодаря чему можно будет оценить энергетические затраты на проведение процесса, а также режимные параметры - температуру, давление,

время и скорость нагрева, с целью разработки эффективных технологических схем получения высококалорийного газа при термохимической переработке угля.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНИ (госконтракт №П2055, гос-

контракт №02.740.11.0062) и РФФИ (проект № 08-08-00233).

Литература

1. Русьянова, Н.Д. Углехимия / Н.Д. Русьянова. - М.: Наука, 2003. - 316с.

2. Камнева, А.И. Химия горючих ископаемых / А.И. Камнева. - М.: Химия, 1974. - 272с.

3. Гагарин, С.Г. Оценка энтальпии образования органической массы каменных углей и антрацитов / С.Г. Гагарин, Т.Г Гладун // Химия твердого топлива. -2003. - № 4. - С. 3-23

4. Бойко, Е.А. Кинетическая модель термохимического превращения твердых органических топлив. / Е.А. Бойко, С.В. Пачковский // Журнал прикладной химии. -2004. -77. - № 9. -С.1558-1567.

5. Канторович, Б.В. Основы горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович. - М.: Издательство Академии наук СССР, 1958. - 598с.

© М. В. Пятыгина - асп. лаб. моделирования систем производства энергии иисследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, e-mail: pmv_B3@mail.ru; Г. Р. Мингалеева - канд. техн. наук зав. лаб. моделирования систем производства энергии иисследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, e-mail: mingaleeva-gr@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.