CC BY
118
УДК 662.7 Е.С. Брюханова, А.Г. Ушаков, М.Н. Авдюшкин, К.И. Андрейкина ПИРОЛИЗ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ
На кафедре химической технологии твердого топлива и экологии Кузбасского государственного технического университета ведутся работы по получению твердого формованного топлива на основе твердых углеродсодержащих отходов (угольная мелочь и пыль, опилки, стружка и т. д.). В качестве связующего используются: анаэробно переработанные отходы животноводства, свежий и сброженный избыточный активный ил очистных сооружений (кек).
Указанные гранулы могут использоваться в двух направлениях: как бытовое топливо и как сырье для процесса пиролиза. Однако большинство исследователей считают более перспективной технологией переработки углеродсодержащего сырья пиролиз, нежели сжигание. Во-первых, пиролиз термодинамически эффективнее, а во-вторых, позволяет снизить негативное влияние на окружающую среду за счет снижения выноса золы и других загрязнений в атмосферу [1].
Процесс пиролиза - это термическое реагирование, протекающее в органическом веществе, нагретом в отсутствие окислителя до температур, при которых неустойчивыми становятся С-С и НС связи, являющиеся прочными при низких температурах [2]. Пиролиз сопровождается такими процессами, как молекулярная ассоциация, изомеризация и т. п. Эти процессы, тесно переплетаясь между собой, образуют сложные сочетания процессов. При этом образуются пирогаз (газообразные), подсмольная вода и смола (жидкие) и кар-бонизат (твердые продукты) [3].
Объект исследования - топливные гранулы, состоящие из 40 % сброженного помета и 60% угольного отсева (0-5 мм).
Цель работы - изучение возможности применения гранул в качестве сырья для получения пирогаза и других продуктов пиролиза.
Задачи работы:
1. смонтировать лабораторную пиролизную установку;
2. провести пиролиз топливных гранул;
3. определить выход продуктов пиролиза;
4. определить состав проб пирогаза, отобранных в течение эксперимента;
5. проанализировать полученные данные.
Для получения экспериментальных данных по
пиролизу топлива из углеродсодержащих отходов создана лабораторная установка (рис.1).
Установка состоит из программируемого муфельного шкафа, реторты, водяного холодильника, приемника для жидких продуктов.
Реторта (рис. 2) представляет собой стальную емкость прямоугольной формы (60х85х190 мм), снабженную крышкой, 8 болтами и штуцером
(внутренним диаметром 15 мм) для отвода парогазовой смеси.
Рис.1. Лабораторная установка пиролиза: 1 -муфельный шкаф; 2 - водяной холодильник; 3 -приемника для жидких продуктов; 4 - свеча для сброса газа
Эксперимент проводили следующим образом. Реторту на 2/3 загружали исследуемыми гранулами, плотно прикручивали крышку болтами, после чего помещали ее в муфель. Собирали установку по вышеописанной схеме.
7 6 5
Рис. 2. Реторта: 5 - корпус реторты; 6 -крышка реторты; 7 - выходной штуцер реторты
Температурный режим вели следующим образом: нагревали муфельный шкаф последовательно до 400оС, 500оС, 600оС, выдерживая каждую температуру в тече ние 30 минут. В процессе пиролиза отбирали пробы пирогаза при достижении температур: 400оС, 500оС, 600оС и определяли его горючесть и состав хроматографическим методом.
В процессе пиролиза наблюдали, что при нагреве топливных гранул до 350оС появлялись водяные пары, которые при конденсации в холодильнике образовывали подсмольную воду, стекающую в приемник жидких продуктов. С увеличением температуры пиролиза цвет воды становился насыщеннее, переходя в дальнейшем из яр-
-6-СН4 —I— С2Н6 —О— Н2+Ж+02
—X—С02 —о—другие Температура, 10оС
Рис.3. График изменения состава пирогаза в течение времени пиролиза
ко-желтого цвета в насыщенно-оранжевый при 500оС. При температуре около 450оС наблюдалось выделение маслянистых веществ, плотностью меньше 1000 кг/м3, при повышении температуры до 500оС наблюдалась конденсация смол.
Интенсивное выделение газообразных продуктов соответствует температуре 450оС, однако горение не поддерживается, но слышны хлопки, что свидетельствует о присутствии в пирогазе водорода. При 550оС выход газа уменьшается, но газовая смесь способна поддерживать устойчивое горение.
Данные по изменению состава пирогаза при повышении температуры пиролиза приведены в таблице.
На рис. 3 показана графическая зависимость изменения состава пирогаза во времени.
Как видно из рисунка впервые 35 минут с повышением температуры от 23 до 400оС наблюдается: снижение содержания в пирогазе смеси кислорода и азота, незначительный рост количества
метана, интенсивное увеличение от 0 до 72% доли углекислого газа, что связано с протеканием на первых этапах процесса горения топливных гранул. При увеличении температуры пиролиза до 500оС наблюдается интенсивное выделение метана и водорода и уменьшение содержания углекислого газа до 9%, появляется незначительное количество этана (4,5%).
При повышении температуры до 600оС на 91 минуте эксперимента наблюдается сокращение в пирогазе предельных углеводородов (метана, этана), при этом наблюдается интенсификация процесса образования водорода. Содержание углекислого газа практически остается на уровне 4,3%.
Эксперимент по пиролизу гранул топлива длился 134 минуты. В результате получено: пирогаз, карбонизат и смесь подсмольной воды с незначительным количеством смолы с выходом соответственно 20,65; 65,68 и 13,67%.
Итоги выполненной работы.
Смонтирована лабораторная установка, по-
Состав пирогаза
Температура пиролиза, Компонент газа
Н2, О2, N2 СН4 С'І О С С2Н6 другие примеси
оС 004 о 0 мин 53,95 - 46,05 - -
15 мин 24,89 3,28 71,83 - -
30 мин 22,36 7,94 69,70 мало мало
500 0 мин 23,35 29,36 34,69 4,45 8,15
15 мин 33,18 44,09 9,04 2,88 7,25
30 мин 35,65 53,25 4,27 1,09 5,74
600 0 мин 52,00 41,29 4,25 0,34 2,12
15 мин 56,17 38,97 4,46 мало 0,40
30 мин 59,87 35,60 4,19 мало 0,34
зволяющая проводить эксперименты по пиролизу твердого формованного топлива с возможностью сбора пирогаза и сконденсированных жидких продуктов.
Проведен эксперимент получения пиролизного газа из гранул, состоящих из 40 % сброженного помета и 60% угольного отсева (0-5 мм), опреде-
лен выход продуктов их пиролиза.
Получены и проанализированы данные по составу проб пирогаза, отобранных в процессе проведения эксперимента. Подтверждена возмож-
ность при применения указанных гранул в качестве сырья для получения пирогаза и других продуктов пиролиза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. -М.: МГСУ, 2006. 704 с.
2.Никитин В.М. Химическая переработка древесины и ее перспективы. -М.: Лесная промышленность, 1974. 88 с.
3. Фарбелов И.Л. О процессах пиролиза // Термический и окислительный пиролиз и высокополимерных материалов. -М.: Наука, 1966. С. 3-8
□ Авторы статьи
Брюханова Елена Сергеевна
- аспирант каф. химической технологии твердого топлива и экологии Куз-ГТУ. Тел. 89236161636 Email: :[email protected]
Ушаков Андрей Геннадьевич
- аспирант каф. химической технологии твердого топлива и экологии Куз-ГТУ. Тел. 89236180441. Email: [email protected]
Авдюшкин Максим Николаевич
- студентка гр. ХТ-071 КузГТУ.
Email: [email protected]
Андрейкина Кристина Игоревна
- студентка гр. ХТ-071 КузГТУ.
Email: [email protected]
УДК 622.648.24 А. В. Папин, А. В. Неведров, Е. В. Жбырь РАСШИРЕНИЕ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ КОКСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Актуальность расширения сырьевой базы для коксохимических производств связана с тем, что ежегодно в России и в мире в целом сокращаются запасы коксующихся марок углей, что в скором времени может вызвать дефицит сырья для коксохимических предприятий.
В Кузбассе добывается около 76 % коксующихся углей от общей их добычи по России. Более 80 % углей перед использованием в коксохимических производствах подвергаются предварительному обогащению. В процессе обогащения углей образуются угольные шламы. Динамика образования угольных шламов в угольной отрасли Кузбасса [1-6] представлена в табл.1.
Из данных табл.1 видно, что количество угольных шламов в Кузбассе за последние годы ежегодно увеличивается. Угольные шламы содержат в себе как органическую, так и минеральную части. Основной проблемой при переработке угольных шламов является их высокая зольность (до 80 %) и тонкодисперсность (менее 1 мм).
Утилизация угольных шламов является актуальной проблемой угледобывающих регионов, таких как Кузбасс [7]. Угольные шламы являются постоянным источником загрязнения окружающей среды, оказывающим отрицательное воздействие на атмосферу, водоемы, недра земли, флору и фауну. С другой стороны, они являются потенциальным источником энергетического и коксохимического сырья. Переработка угольных шла-
мов в сырье, приемлемое для коксования, позволит значительно расширить сырьевую базу коксохимических производств. Основным фактором, ограничивающим применение угольных шламов коксующихся марок углей в коксохимическом производстве, является их высокая зольность. Согласно технологическим регламентам коксохимических производств зольность исходного угля идущего на коксование не должна превышать 10 мас.%. Поэтому для того, чтобы угольные шламы возможно было использовать в качестве сырья для коксования, необходимо снизить их зольность.
Для решения данной проблемы проведен ряд исследований. Исследования проводились с обезвоженным угольным шламом средней зольности углей марок К и Г. Характеристика данных исходных угольных шламов представлена в табл.2.
С целью снижения зольности угольных шла-мов их подвергали обогащению методом масляной агломерации. В водоугольную суспензию, содержащую около 60 мас.% твердой фазы, в качестве связующего и собирающего реагента добавляли отработанное машинное масло. Данная смесь подвергалась интенсивному перемешиванию с помощью мешалки турбинного типа [8]. В результате процесса обогащения образовывались углемасляные агломераты. Характеристики полученных продуктов представлены в табл.3, откуда видно, что зольность полученных концентратов не превышает 10 мас.%, а значит, данные углемасля-
Таблица 1. Динамика образования угольных шламов Кузбасса
Наименование показателя 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г.
Масса угольных шламов, тыс. т 1144084 1232361 1326509 1625628 1924747 2223866
Таблица 2.Технический анализ исходных угольных шламов
Наименование показателя Шлам угля марки К Шлам угля марки Г
Влага аналитическая, 'а, % 1,44 1,35
Зольность, Л*, % 34,5 38,0
Высшая теплота сгорания, р/, кДж/кг 35500 34250
Выход летучих веществ, У*^, % 27,85 40,85
Таблица 3. Данные экспериментов обогащения угольных шламов
Наименование продукта Ad, мас.% Выход продукта, мас.% Период опыта, мин
К Г К Г К Г
Концентрат 5,4 9,0 84 82 24 28
ные концентраты соответствуют требованиям технологического регламента коксохимических производств по зольности и могут использоваться в качестве сырья для коксования.
Для полученных углемасляных концентратов были определены значения индекса свободного вспучивания и код. Получившееся значение королька 1,5 - соответствующий код 1. Фактические значения параметров королька равны: ЕОК = 15 %; Яа, г= 1,10 %; У = 14 мм.
Расчетный индекс свободного вспучивания равен 5 единицам, из чего, следует, что данный углемасляный концентрат является пригодным для коксования.
Полученные экспериментальные данные показывают эффективность применения масляной агломерации для обогащения угольных шламов с получением качественных угольных концентратов, приемлемых для процесса коксования.
Предлагаемый способ переработки угольных шламов предприятий угольной отрасли позволит расширить сырьевую базу для коксохимических производств и энергетики, значительно улучшить экологическую обстановку в угледобывающих и углеперерабатывающих регионах и повысить экономическую эффективность предприятий угольной отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2003 году / Администрация Кемер. обл. - Кемерово: ИНТ, 2004. - 320 с.
2. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2003 году / Администрация Кемер. Обл. - Кемерово: ИНТ, 2005. - 320 с.
3. Материалы к государственному докладу «О состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2005 году / Администрация Кемер. обл., ГУ «Областной комитет природных ресурсов» - Кемерово: ООО «АРФ», 2006. - 320 с.
4. Материалы к государственному докладу «О состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2006 году / Администрация Кемер. обл., ГУ «Областной комитет природных ресурсов» - Кемерово: ООО «АРФ», 2007. - 320 с.
5. Материалы к государственному докладу «О состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2007 году / Администрация Кемер. обл., ГУ «Областной комитет природных ресурсов» - Кемерово: ООО «АРФ», 2008. - 320 с.
6. Материалы к государственному докладу «О состоянии и охране окружающей природной среды Кемеровской области в 2008 году / Администрация Кемер. обл., ГУ «Областной комитет природных ресурсов» - Кемерово: ООО «АРФ», 2009. - 320 с.
7. Технология переработки шламовых вод предприятий угольной отрасли / Г. А. Солодов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т. 310. - № 1. С. 139-144.
8. Заостровский А.Н., КлейнМ.С., Папина Т.А., Папин А.В., Чалая М.В. Установка для повышения качества углей методом масляной агломерации к использованию в водоугольных суспензиях // Молодежь и пути России к устойчивому развитию. Тез. докл. трет. респуб. Школы-конф. Красноярск. 2003. С.74-76.
□ Авторы статьи:
Папин Неведров Жбырь
Андрей Владимирович Александр Викторович Елена Викторовна
- канд. техн. наук, доцент, начальник - канд. техн. наук, доц. - канд. техн. наук, старший преп.
научно-исследовательского сектора каф.химической технологии твёрдо- каф. химической технологии твёрдо-
КузГТУ. Email:: papinan- го топлива и экологии КузГТУ. го топлива и экологии КузГТУ.
[email protected]. Email: [email protected].
