химия
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <3 • 2004
УДК 662.61:533.324
© 2004 г. Бойко Е.А., Дидичин Д.Г., Шишмарев П.В.
КИНЕТИКА ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ УГЛЕЙ КАНСКО-АЧИНСКОГО БАССЕЙНА
Выполнен комплексный термический анализ процессов термического разложения, горения нелетучей основы и термоокислительной деструкции углей Кан-ско-Ачинского бассейна. Проведена оценка динамики различных процессов термохимических превращений топлива с одновременным определением их кинетических характеристик. Показана необходимость учета зависимости параметров реакционной способности топлива от исходного качества углей.
Для удовлетворения потребности экономики страны в угольном топливе добыча угля должна возрасти с 249 млн. т в 2003 г. до 275-310 млн. т к 2005 г. [1].
Существующее состояние производственных мощностей угледобывающих предприятий России позволяет предположить, что потребность в угле может быть обеспечена в основном за счет предприятий открытого способа добычи. Основной прирост потребности в энергетических углях будет приходиться на электроэнергетику, а реальным источником его обеспечения может стать уголь Канско-Ачинского бассейна (КАБ), соответствующий мировым стандартам. В настоящее время уголь КАБ поставляется в 32 региона России, а общий прогноз "сдержанного" спроса на данный вид топлива составляет 55-56 млн. т, главным образом для энергетики.
Между тем опыт использования углей КАБ на тепловых электростанциях показывает, что до сих пор актуален поиск рациональных способов их подготовки и сжигания, обеспечивающие эффективность, надежность и экологическую чистоту работы котельных установок [3]. В существенной степени
это связано со значительными колебаниями основных технических, тепло-физических и реакционных характеристик топлива.
Для определения практических рекомендаций по выбору оптимальных способов и режимов энергетического использования рассматриваемых углей с учетом их реакционной способности необходимо установить корректную, основанную на кинетических параметрах взаимосвязь различных стадий и процессов термохимического превращения угольного вещества. Эмпирические зависимости, используемые для этих целей в большинстве работ [4-7], учитывают далеко не все основные стадии и процессы горения и, что самое существенное, не связаны в очевидной форме с кинетическими параметрами, описывающими эти процессы.
Рассматривая реакционную способность адекватной полному времени выгорания топлива, можно констатировать, что при пылевидном сжигании эта характеристика определяется набором последовательно-параллельных процессов (в большей степени это относится к углям Ирша-Бородинского месторождения), в частности скоростью испарения влаги, скоростью выделения и горения летучих веществ, и горения нелетучего (коксового) остатка. При этом схема выгорания угольного вещества на определенных этапах усложняется протеканием таких процессов, как хемосорбция кислорода, газификация нелетучего остатка диоксидом углерода (С02), и водяным паром (Н20), превращением химических компонентов минеральной части топлива [8]. Необходимость хотя бы косвенно учитывать эти процессы при оценке характера термохимических превращений, сопровождающих выгорание пылевидного твердого топлива, обусловлена их существенным взаимным влиянием друг на друга, а также значительным вкладом величин тепловых эндо- и экзоэффек-тов, характерных для этих процессов. Следовательно, для корректного описания и расчета выгорания топлива актуально определение скорости и параметров, характеризующих эти процессы для каждого вида исходного топлива, что может быть использовано для понимания механизма протекания этих процессов, обусловливающих выбор рациональных высокоэффективных способов и режимов подготовки и сжигания углей КАБ.
В настоящей работе такие исследования выполнены на примере углей Ирша-Бородинского (ИБУ), Березовского (БУ) и Назаровского (НУ) месторождений КАБ (табл. 1).
Методическая трудность, связанная с определением скоростей различных этапов термохимического превращения твердого топлива в широком диапа-
Таблица 1
Характеристика исследованных углей
Месторождение Технический анализ, % Элементный состав, % на рабочую массу
№ Аг У у^а/ &, кДж/кг Сг Нг ог
Ирша-Бородинское Березовское Назаровское 33.0 35.5 38.5 10.4 4.0 5.53 0.29 0.30 0.40 48.2 49.5 49.1 15318 15084 13157 41.2 42.4 38.8 2.89 3.02 2.65 0.57 0.40 0.41 12.1 14.4 13.5
12 17
Рис. 1. Принципиальная схема установки комплексного термического анализа твердого топлива: 1 - баллоны с газом; 2 - регуляторы расхода; 3 - реактор для удаления кислорода на линии подачи инертного газа; 4 - ротаметр; 5 - тигель с инертным образцом; 6 - тонкий регулятор расхода; 7 - кварцевые стаканы; 8 -печь; 9 - кварцевый зонт для отвода газообразных продуктов реакции; 10 - тигель с исследуемым образцом; 11 - канал подвода газа в реакционное пространство; 12 - шестиходовой кран; 13 - катушка индуктивности; 14 - дифференциальный трансформатор для преобразования ТГ-сигнала; 15 - аналитические весы; 16 - перистальтический насос; 17 - штатив газовых пипеток; 18 - газометр с солевым раствором; 19 - кран дозатор; 20 - аскаритовый и ангидронный фильтры; 21 - хроматографический газоанализатор; 22 - цифровой контроллер; 23 - вычислительная машина
зоне режимных условий (среда, температура, скорость нагрева и т.д.), присущих условиям реальных технологических процессов переработки этих углей, сопряжена с наложением нескольких процессов и невозможностью их раздельной оценки. Принципиальным выходом из сложившейся ситуации может быть экспериментальное определение реакционных характеристик различных этапов и стадий, составляющих процесс горения частиц пылевидного топлива, на основе использования установки и методических приемов комплексного термического анализа (рис. 1) при непрерывной регистрации в неизотермических условиях [9].
Установка для комплексного термического анализа твердого топлива объединяет в рамках единой функциональной схемы 2-дериватограф и хроматографический газоанализатор Союз-3101, что позволяет наряду с суммарными характеристиками процесса нагрева навески угля (убыль массы, скорость убыли массы, изменение температуры, тепловые эффекты) получать также и динамику выделения газообразных продуктов (СО, С02, Н2, СН4 и др.) в неизотермических условиях. Параметры режима работы 2-дери-ватографа подбирали таким образом, чтобы была обеспечена возможность выделения определенных локальных областей термообработки исследуемого материала. При этом режимные параметры работы дериватографа при термическом разложении топлива соответствовали следующим значениям:
среда - инертная (гелий), масса угольной навески 500 мг; скорость нагрева 10 град/мин; при сжигании нелетучих продуктов термического разложения и термоокислительной деструкции: среда - окислительная (воздух), масса угольной навески 50 мг, скорость нагрева 10 град/мин. Для исследуемых процессов использовали: инертный материал - А1203; тигель - платиновый; чувствительность записи (|У) ТО - 500, ОТА - 1000, ОТО - 500; расход газа -200 см3/мин; размер частиц угля - полифракция (остатки на ситах 90, 200, 1000 мкм: Я90 = 45-50%, Я200 = 28-32%, Я1000 < 1%).
Методика оценки кинетики процессов выгорания пылевидного твердого топлива основана на обработке экспериментальных данных трех опытов [10], полученных с помощью комплексного термического анализа. Во-первых, в инертной среде (рис. 2, а) с газовым анализом состава выделяющихся летучих веществ (рис. 3), по результатам которого определяются характеристики процесса испарения влаги, общий выход и состав летучих веществ, ДТГ-кривая после вычитания дифференциальной кривой суммарного выхода парогазовых компонентов преобразуется в кривую смоловыделения, во-вторых, в окислительной среде, когда осуществляется выгорание нелетучего остатка (рис. 2, •), получаемого в предыдущем опыте, и, наконец, в той же среде - термоокислительная деструкция исходного угольного вещества (рис. 2, в), характеризующаяся наложением процессов испарения влаги, выделения и горения летучих веществ, а также горения нелетучей основы.
Учитывая одновременность протекания при термоокислительной деструкции нескольких процессов, суммарная скорость которых регистрируется в виде ДТГ-кривой, выделение процесса выхода летучих веществ ("синтетических" летучих [11]) осуществляли путем вычитания из ДТГ-кривой процесса термоокислительной деструкции скорости окисления коксовой основы. Скорость реакции окисления нелетучего остатка определяли по результатам второго опыта и накладывали на ДТГ-кривую процесса термоокислительной деструкции при соответствующей корректировке температурных интервалов.
Затем полученную в первом опыте суммарную кривую скорости газовыделения совмещали с периодом выхода летучих веществ при термоокислительной деструкции посредством пересчета отношения скоростей выделения летучих веществ в инертной и окислительной средах. При этом общее количество газового компонента принимали постоянным и независимым от среды. При вычитании из дифференциальной кривой процесса выделения летучих веществ в окислительной среде соответствующей кривой газовыделения получали дифференциальную кривую смоловыделения в окислительной среде ("синтетические" смолы).
Использование приведенной выше методики получения экспериментальных данных по результатам трех опытов комплексного термического анализа углей (термическое разложение, горение нелетучего остатка и термоокислительная деструкция) позволило перейти к их обработке с целью определения кинетических параметров (Е и к0) многостадийных последовательно-параллельных процессов термохимического превращения топлива [12].
Для описания процесса сушки использовалось следующее кинетическое уравнение [13]:
ТГ, мм 220
180 -
140
100
60 210Г
170
130
90
50 250 200 150 100 50
0
_|_1_
ДТГ, мм 200
160
120
80
40 180
145
110
75
40 240
190
140
90
40
200 400 600 800 0 Т, °С
200 400 600
800 Т, °С
Рис. 2. Данные термического анализа (ТГ- и ДТГ-кривые), полученные при термическом разложении (а), выгорании нелетучих остатков (•) и те
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.