ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 2, с. 3-7
УДК 665.7.032.54
ПИРОЛИЗ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГОРЮЧЕГО СЛАНЦА И БУРОГО УГЛЯ БЕЛАРУСИ И ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ ТОПЛИВНЫХ
ПРОДУКТОВ
© 2014 г. И. И. Лиштван, В. М. Дударчик, В. М. Крайко, Н. А. Булгакова, Е. В. Ануфриева,
Е. А. Смолячкова
Государственное научное учреждение "Институт природопользования Национальной академии наук Беларуси", Минск E-mail: nature@ecology.basnet.by Поступила в редакцию 25.09.2013 г.
Сравнительный анализ качества продуктов пиролиза, полученных из горючего сланца, бурого угля и их смесей, показал перспективность совместной переработки смесевых топлив, так как открывает возможность расширения отечественной сырьевой базы твердых топлив.
DOI: 10.7868/S002311771402008X
Острый дефицит энергоносителей, их устойчивое удорожание и энергозависимость от стран-экспортеров требуют быстрейшего вовлечения в топливно-энергетический баланс республики Беларусь источников энергии, базирующихся на собственных твердых горючих ископаемых. Это в первую очередь относится к разведанным и пока неиспользуемым бурым углям (БУ) и горючим сланцам (ГС) Беларуси. Проведенные за последние годы интенсивные работы по разведке, определению запасов, свойствам и направлениям использования этих полезных ископаемых вселяют уверенность в успешной реализации данных исследований при условии принятия соответствующих решений по их комплексному освоению.
Горючие сланцы Беларуси в отличие от прибалтийских обеднены керогеном (его содержание не более 20%), что значительно снижает их ценность как источника получения "сланцевой нефти". В 80-х годах прошлого столетия проводились исследования по их обогащению [1—3], однако вследствие наличия в них прежде всего прочно-связанных органоглинистых комплексов, концентрирование керогена оказалось неэффективным, и работы были приостановлены. Открытие в республике в последние годы месторождений бурых углей и в особенности углей класса Б3 Лель-чицкого месторождения, а также детальное изучение их свойств позволили по-новому взглянуть на эту проблему [4, 5]. Бурые угли по составу и свойствам близки к сланцам, они содержат более 50% органического вещества, что дало возможность выдвинуть идею обогащения ими горючих сланцев путем создания смесевых композиций и их термохимической переработки.
Цель данной работы — установление оптимальных условий пиролиза и состава сланцебуро-угольных смесей, обеспечивающих максимальный выход продуктов и исследование их качественных характеристик.
Объектами исследования служили горючие сланцы Туровского месторождения, неогеновые бурые угли Житковичского месторождения (класс Б1) и бурые угли Лельчицкого месторождения (класс Б3).
Прежде всего, был проведен пиролиз отдельных компонентов и смеси бурых углей Житко-вичского месторождения и горючих сланцев в различном соотношении при температурах 550 и 700°С в стационарных условиях, составлен баланс выхода продуктов пиролиза (табл. 1). Показано, что выход смолы увеличивается с ростом содержания в исходной смеси доли бурого угля. Причем более низкая температура пиролиза способствует большему выходу смолы, достигающему 11% на сухое вещество исходной смеси. В еще большей степени выявленная тенденция касается выхода пиролизного газа.
На рис. 1 представлена динамика выхода пиро-лизного газа и смолы смесевых составов при разных температурах. Так, при соотношении в смеси 30% бурого угля при температуре 550°С выход газа, по сравнению с чистым горючим сланцем, увеличивается более чем в 2 раза.
Если при пиролизе сланца при 700°С выход газа составляет 4.3% на сухое вещество, то в смеси сланца с 40% бурого угля аналогичный показатель достигает 16%, т.е. увеличивается в 3.7 раза (рис. 1, а). Таким образом, с ростом содержания бурых углей в смесевых составах при их пиролизе существенно повышается выход горючих газов.
ЛИШТВАН и др.
Таблица 1. Выход продуктов пиролиза (стационарный слой) смеси горючих сланцев и бурых углей
Выход продуктов пиролиза
Продукты ГС Уа — 2 6% 90% ГС + 80% ГС + 70% ГС + 60% ГС + БУ УУ а — 12 5%
пиролиза УУ — 2.6% Аа — 77.3% + 10% БУ + 20% БУ + 30% БУ + 40% БУ УУ — 12.5% Аа — 16.7%
% на сухое вещество
Т—550°С
Жидкие, 12.1 11.7 12.2 13.8 13.9 21.7
в том числе:
смола 9.0 8.9 9.1 10.4 10.8 12.8
подсмольная 3.1 2.7 3.1 3.4 3.2 2.9
вода
кокс 84.3 81.7 81.2 77.8 75.2 61.7
газ 3.7 6.5 6.6 8.4 10.8 22.6
Т—700°С
Жидкие, 11.5 12.4 12.8 12.5 13.2 16.9
в том числе:
смола 6.8 8.9 9.1 10.2 9.7 11.7
подсмольная 4.7 3.5 3.8 2.4 3.5 5.2
вода
кокс 84.2 79.7 77.3 75.4 70.9 55.1
газ 4.3 8.0 9.9 12.1 15.9 27.9
Примечание. Скорость нагрева 8.5°С/мин.
4
Выход газа, % на сух. в-во 30
25
20
15
10
5 0
0 10 20 30 40 100 Выход смолы, % на сух. в-во 1412 10 8
6 4 2 0
10 20 30 40 100 Содержание БУ в смеси ГС +БУ, %
Рис. 1. Динамика выхода пиролизного газа (а) и смолы (б) пиролиза смесевых составов на основе горючего сланца и бурого угля Житковичского месторождения при 550 (!) и 700°С (2).
Ш ■ 2
Аналогичная тенденция наблюдается также по выходу смолы (рис. 1, б).
Качественный состав пиролизных газов смесевых топлив различного соотношения представлен на рис. 2 и 3. Наблюдается общая тенденция: с ростом в смеси доли бурых углей в газе снижается содержание углеводородных компонентов на фоне увеличения моноксида углерода. Колебания в содержании диоксида углерода и водорода незначительны.
В Беларуси имеется месторождение бурых углей более высокой степени метаморфизма, которое относится к классу Б3 (Лельчицкое месторождение). Результаты исследований показывают, что данные угли по содержанию углерода в органической массе и другим показателям приближаются к каменным углям и относятся к классу Б3 в отличие от исследованных ранее землистых бурых углей класса Б1. Установлено, что угли Лельчицкого месторождения обладают более высокой термоустойчивостью, чем угли класса Б1. Это подтверждается высоким выходом твердого остатка, более низким летучих веществ, а также наличием при термодеструкции двух максимумов при 440 и 560°С, в то время как при термическом анализе неогеновых углей термическое разложение фиксируется с максимумом при 410°С. При сравнении данных термического анализа углей Лельчицкого и горючих сланцев Туровского месторождений установлена их близость по характеру термоустойчивости и температурным интервалам наиболее интенсивного выделения летучих веществ [6]. Пиролиз смесевых топлив на основе
ПИРОЛИЗ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГОРЮЧЕГО СЛАНЦА И БУРОГО УГЛЯ
5
Выход С02, об.% 60 г 55 50 45 40, 35' 30 25 20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Выход СпНт, об.% 6
5^ 4
3 2 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Выход Н2, об.% 40Ь
35
30
25
20
15
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Выход СН4, об.% 26 2 22 20 18 16 14 12
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание БУ в смеси ГС + БУ, %
Выход СО, об.% 16
14
12
10
8
6
4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание БУ в смеси ГС + БУ, %
сланца и Лельчицкого бурого угля показал (табл. 2), что выход смолы как основного целевого продукта увеличивается по сравнению с горючим сланцем с 7.3 до 16.2% из смесевых топлив при 550°С и доли угля в сырьевой смеси, составляющей 30%.
Выход смолы в зависимости от состава смесевых топлив горючий сланец : неогеновый бурый уголь был определен на стационарной установке при температурах 550 и 700°С. Результаты, представленные на рис. 1, б, показывают, что, во-первых, более низкая температура способствует большему выходу смолы при всех соотношениях горючий сланец : бурый уголь, а во-вторых, увеличение бурого угля в составе смесевого топлива также способствует выходу смолы. Например, при содержании в смеси 10% бурого угля выход смолы составил при 550°С 8.4%, а при той же температуре и 40%-ном содержании бурого угля выход смолы увеличился до 10.8% на сухое вещество.
Выход смолы на пиролизной установке в подвижном слое существенно ниже, чем в условиях стационарного пиролиза во всех исследованных
Рис. 2. Выход компонентов газа стационарного пиролиза при 550 (1) и 700°С (2) смесевых составов на основе горючего сланца и бурого угля Житковичского
месторождения: а — СО2; б -
д - СН,
СО; г - Н2;
4.
температурных интервалах, и полученные результаты в данной работе нами рассматриваться не будут.
С целью проведения сравнительного анализа состава образцов смолы, полученной из горючего сланца, неогенового бурого угля и их смеси (соотношение 8 : 2) наработаны ее партии в стационарных условиях пиролиза, проведен анализ состава и свойств (табл. 3).
Обнаружено, что выход горючего газа и смолы из смесевых топлив при температурах 600-800°С выше, нежели из исходных компонентов раздельно, что, вероятно, свидетельствует о более высокой степени конверсии органического вещества смеси. Возможно, причина такого эффекта — это каталитическое влияние минеральной части одного компонента на органическое вещество другого в процессе пиролиза.
Установлено, что калорийность пиролизных газов смесевых топлив занимает промежуточное положение между газами, полученными из чистых горючего сланца и бурого угля. Наибольшей
а
г
1
2
2
1
СпНт
в
ЛИШТВАН и др.
Выход С02, об.% 60
50 4 30 20
10
Выход Н2, об.% 45' 40 35 30 25* 20 15 10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Выход СпНт, об.% 615 4 3 2 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Выход СО, об.% 20
15 10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание БУ в смеси ГС + БУ, %
Выход СН4, об.% 281-
26 24 22 20 18 16 14
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание БУ в смеси ГС + БУ, %
Рис. 3. Выход компонентов газа стационарного пиролиза при 550 (!) и 700°С (2) смесевых составов на основе горючего сланца и бурого угля Лельчицкого ме-
сторождения: а — СО2; б -СН4
СО; г - Н2; д
6
г
а
б
д
1
1
2
2
0
в
5
СпНт
в
теплотворной способностью обладает пиролиз-ный газ горючего сланца.
Впервые проведенные исследования по физическим и химическим свойствам смолы, анализу состава, характеристике и выходу основных компонентов позволили установить следующее:
— пока
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.