научная статья по теме ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ НИЗКОСОРТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ НИЗКОСОРТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 5, с. 3-9

УДК 662.815.4

ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ НИЗКОСОРТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА1

© 2015 г. Р. Б. Табакаев, А. В. Казаков, А. С. Заворин

Томский политехнический университет E-mail: TabakaevRB@tpu.ru; kazakov@tpu.ru; zavorin@tpu.ru Поступила в редакцию 29.07.2014 г.

Представлены экспериментальные данные по термическому обогащению низкосортного сырья Томской области. Получены материальные балансы и характеристики основных продуктов обогащения. Предложен способ теплотехнологической переработки низкосортного сырья в твердое композитное топливо. Исследованы технологические параметры сушки композитного топлива и возможность придания влагостойкости посредством нанесения на его поверхность пиролизной смолы. Установлены оптимальные параметры нанесения пиролизной смолы, обеспечивающего полную влагостойкость топлива.

Б01: 10.7868/80023117715050102 Введение

Томская область занимает 6-е место среди субъектов РФ по добыче нефти и природного газа, 2-е место по прогнозным запасам торфа [1], имеет ресурсы бурого угля и древесины. Детальный анализ состояния энергетического баланса региона показывает, что 70% от потребности электроэнергии области вырабатывается предприятиями других регионов, при этом твердое и жидкое топливо для местных электростанций и котельных поставляется из Кемеровской области и Красноярского края. Причем большая часть завозимого топлива поставляется коммерческими структурами из вторичного рынка, что в совокупности с ежегодным ростом тарифов транспортных компаний приводит к увеличению его стоимости для потребителей в 1.5—2 раза [2].

Энергоснабжение населенных пунктов, расположенных в отдаленных и труднодоступных районах, осуществляется децентрализованно, в основном котельными на твердом топливе и дизель-генераторными станциями, логистика доставки топлива для которых существенно осложнена удаленностью пунктов назначения от основных транспортных магистралей. В результате затраты на топливо являются главной составляющей расходов на выработку электрической и тепловой энергии, а экономически обоснованные

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках госзадания НИР (тема 13.948.2014/К).

тарифы на электроэнергию в некоторых районах достигают 50 руб/кВт • ч [3]. Альтернативой привозному топливу может стать местное низкосортное сырье (НС): торф, бурый уголь, сапропель или отходы лесоперерабатывающей отрасли. Однако это сырье в естественном состоянии обладает высокой влажностью, зольностью и, как следствие, низкой теплотой сгорания. Более того, низкая прочность и хрупкость сырья приводят к значительной величине провала при слоевом сжигании. В связи с этим прямое сжигание НС традиционными способами в существующем котельном оборудовании, не приспособленном к использованию высоковлажных и высокозольных топлив, из-за повышенных эксплуатационных затрат встречается крайне редко. Современные разработки позволяют добиться эффективного использования НС каталитическим сжиганием [4, 5] или газификацией [6]. Однако замена или модернизация котельного оборудования требует существенных капиталовложений и приводит к длительным срокам окупаемости. Актуальная научно-техническая задача — поиск малозатратных способов переработки НС для последующего эффективного энергетического использования в существующем котельном оборудовании.

Перспективное направление — это производство стандартизированных твердых топлив из НС. Известны работы по получению брикетного топлива [7—9], основанные на энерготехнологической переработке и последующем прессовании.

-220 В

Отбор газа

Рис. 1. Экспериментальная установка термического облагораживания сырья: 1 — реактор, 2 — нагревательный элемент, 3 — автотрансформатор, 4 — амперметр, 5 — вольтметр, 6 — регистратор температуры, 7 — система термопар, 8 — термостойкий шланг, 9 — холодильник, 10 — емкость.

Однако прессовое оборудование довольно дорогостоящее, а процесс прессования требует высоких энергозатрат на его осуществление. В результате получаемое брикетное топливо имеет высокую себестоимость и, как правило, не может составить конкуренцию привозному углю.

Обзор топливно-энергетического рынка России [10] показал наличие нескольких видов топливных брикетов, полученных термическим прессованием древесных опилок — Ruf, Pini&Kay, Nestro. Высокая цена этих брикетов (4—10 тыс. рублей за тонну) превышает стоимость привозного каменного угля.

Цель работы — разработка технологии получения твердого композитного топлива из НС, формовка которого была бы возможна без использования дорогостоящего и энергозатратного прессового оборудования.

Термическое обогащение низкосортного сырья

В качестве способа термического обогащения НС исследован низкотемпературный пиролиз, температура которого не превышает 450°C. Данный предел температуры процесса обусловлен стремлением использовать доступные углеродистые стали обыкновенного качества, способные надежно эксплуатироваться при температурах ниже 500°C, для изготовления элементов оборудования при промышленной реализации. В процессе пиролиза исходное сырье под действием термической деструкции преобразуется в продукты — твердый углеродистый остаток (полукокс),

пирогенетическую влагу, смолу и газ, основные из которых обладают высокой теплотой сгорания.

Термическое обогащение сырья посредством низкотемпературного пиролиза осуществлялось в разработанной экспериментальной установке (рис. 1), для работы которой сырье загружают в реактор 1, затем его герметично закрывают и помещают в нагревательный элемент 2. Подвод теплоты к реактору осуществляется по всей его цилиндрической поверхности. Мощность нагрева задают при помощи автотрансформатора 3, ориентируясь на показания амперметра 4 и вольтметра 5. Для фиксации температуры процесса предусмотрены регистратор температуры 6 и система термопар 7, которая позволяет определять температуру надслойного пространства и в слое топлива (в центре и на периферии).

В процессе нагрева из органического сырья выделяются летучие продукты пиролиза (пары пирогенетической влаги и смолы, газ), которые покидают реактор 1 и через термостойкий шланг 8 и холодильник 9 поступают в охлаждаемую емкость 10. При охлаждении пары пирогене-тической влаги и смолы конденсируются и собираются в емкости 10. Пробы газа для анализа отбирают в месте соединения холодильника 9 и охлаждаемой емкости 10. По окончании процесса полукокс извлекают из остывшего на воздухе реактора, конденсат из емкости 10 пропускают через фильтровальную бумагу для разделения пиро-генетической влаги и смолы. Полученные продукты взвешивают, при этом масса полученного газа определяется как разница между массой ис-

Таблица 1. Характеристики низкосортного сырья Томской области

Показатель Торф Бурый уголь Сапропель Щепа

Влажность ^, % 72.8 51.0 67.0 45.0

Зольность Ла, % 9.1 25.9 38.4 0.6

Выход летучих веществ Уаа/, мас.% 71.6 63.2 84.8 91.8

Теплота сгорания 0а/, МДж/кг 19.8 27.1 18.6 19.1

Низшая теплота сгорания ^, МДж/кг 3.1 8.6 2.1 9.3

Элементный состав , мас.%

С^а/ 57.52 68.38 51.44 50.86

уйа? 5.61 6.28 5.25 6.23

—аа 2.17 0.62 3.57 0.20

^аа 0.15 0.44 0.22 Следы

ОЛа/ 34.55 24.28 39.52 42.71

Таблица 2. Материальный баланс термического обогащения низкосортного сырья

Продукт пиролиза Выход продуктов относительно сухой массы исходного сырья, %

торф бурый уголь сапропель щепа

Полукокс 43.4 58.8 67.4 31.1

Пирогенетическая влага 19.9 10.8 9.5 23.6

Пиролизная смола 6.3 8.2 4.6 Следы

Газ 30.4 22.2 18.5 45.3

Таблица 3. Характеристики полукокса

Показатель Сырье

торф бурый уголь сапропель щепа

Зольность Л^, % 22.9 38.5 56.5 3.5

Выход летучих веществ Уаа/, мас.% 23.3 12.. 19. 15..

Теплота сгорания 0а/, МДж/кг 27.9 29.6 23.0 33.0

Низшая теплота сгорания ^, МДж/кг 21.5 18.2 10.0 31.9

Элементный состав , мас.%

С<1а/ 82.23 81.32 68.62 85.96

Н^а/ 4.05 4.24 4.24 3.39

3.96 1.07 3.16 0.47

^а/ 0.21 0.77 0.58 0.05

Оаа/ 9.56 12.60 23.40 10.13

ходного сырья и массой других продуктов (полукокса, пирогенетической влаги и смолы).

Исследования термического обогащения проводились на следующих видах НС Томской области: торф Кандинского месторождения, бурый уголь Таловского месторождения, озерный сапропель Карасевского месторождения и измельченные отходы различных древесных пород одного из лесоперерабатывающих предприятий. Основные характеристики сырья представлены в табл. 1.

Материальный баланс и характеристики обогащенных продуктов, полученных в процессе пиролиза исследуемого сырья при нагреве до температуры 450°С, представлены в табл. 2—5. Теплотехнические характеристики определяли согласно нормативным методикам ГОСТ Р 52917-2008, ГОСТ Р 52911-2008, ГОСТ 11022-95, ГОСТ 63822001, ГОСТ 147-95. Элементный состав анализировали на приборе УагюМкгоСиЪе по методике, приведенной в [11]. Состав выделяющихся газовых продуктов регистрировали в диапазоне изме-

Рис. 2. Распределение потенциального тепловыделения между продуктами термического обогащения сухого низкосортного сырья: а — торф; б — бурый уголь; в — сапропель; г — щепа.

Теплотворная

способность газа

4.64 МДж/кг а

(26%)

Теплотворная способность полукокса 9.33 МДж/кг (52%)

I

Теплотворная способность смолы 1.85 МДж/кг (10%)

Теплота разложения

топлива 2.17 МДж/кг (12%)

Теплотворная способность газа 2.97 МДж/кг (15%)

Теплотворная способность смолы 2.71 МДж/кг (14%)

Теплотворная

способность

полукокса

10.70 МДж/кг

(53%)

Теплота разложения

топлива 3.69 МДж/кг

Теплотворная способность газа 2.70 МДж/кг (23%)

Теплотворная способность полукокса 6.74 МДж/кг (59%)

Теплотворная способность смолы 1.69 МДж/кг (15%)

X

Теплота разложения

топлива 0.33 МДж/кг (3%)

Теплотворная способность газа 6.67 МДж/кг (35%)

Теплота разложения

топлива 2.39 МДж/кг (13%)

Теплотворная

способность

полукокса

9.92 МДж/кг

(52%)

г

нения температуры от 200 до 450°С с шагом измерений 50°С на хроматографе "Хроматэк-Кристалл 5000.2". По определенному составу, согласно рекомендациям [12], рассчитывали теплоту сгорания газа.

Согласно ГОСТ 6382-2001

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.

Показать целиком