( л
ИССПЕДОВЯНИЕ ПРОЦЕССОВ
ГОРЕНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ ПОРИСТЫХ ЗЯПОПНИТЕПЕЙ ИЗ ОТХОДОВ ТЭК
V_)
Доктор технических наук В. З. АБДрАхИмоВ (Самарская академия государственного и муниципального управления), кандидат технических наук Е. С. АбДрахимова (Самарский государственный аэрокосмический университет)
Ежегодно в различных отраслях промышленности накапливается огромное количество отходов. На их удаление затрачивается 8-10% стоимости производимой продукции1. Производство строительных керамических материалов - одна из самых материа-лоёмких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором её успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим применение в керамических материалах отходов производств (техногенного сырья) приобретает особую актуальность2.
Задача настоящей работы - исследовать процессы горения при обжиге пористых заполнителей из техногенного сырья топливно-энергетической промышленности: межсланцевой глины (от-
1 Абдрахимов В.З. Вопросы экологии и утилизации техногенных отложений в производстве керамических композиционных материалов. Самара, 2010;Абдрахимов В.З., Семенычев В.К., Абдрахимова Е.С., Ковков И.В., Куликов В.А. Использование отходов флотации углеобогащения в производстве керамзита // Экология и промышленность России. 2010. № 5.
2 Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Использо-
вание отходов производства при получении ке-
рамического кирпича на основе бейделлитовой глины // Экология и промышленность России. 2010. № 11.
хода от сжигания горючих сланцев) и нефтяного кека (нефтесодержащего продукта сепарации нефтешлама) с повышенным содержанием углерода без применения традиционных природных материалов.
Таблица 1 Компонентный состав нефтяной части кека
Наименование веществ Содержание, масс. %
Смолы 5.3
Асфальтены 5.3
Парафины 9.0
Тяжёлые масла 80.4
Итого 100
Вещества, растворимые
в соляной кислоте, всего 74.75
в том числе:
В20З(Л!20З; Рв20з) 10.75
ЯО (СаО) 21.37
ЯО (МдО) 5.03
СаБО4 4.79
СаСО3 34.73
МдСО3 7.32
МдСаСО3 16.01
Вещества, нерастворимые в соляной кислоте
25.25
© В. З. Абдрахимов, Е. С. Абдрахимова
57
Усреднённый химический состав межсланцевой глины
Содержание оксидов, масс. %
БЮ2 А12О3 Рв2Оз СаО МдО Я2О п.п.п.*
47.03 16.8 5.6 10.9 2.1 3.4 12.8
* потери при прокаливании
компонентов смеси между двумя фазами, одна из которых неподвижная, а другая - подвижная. В газовой хроматографии, как известно, подвижной фазой является газ.
Процесс горения твёрдого топлива углерода принято разбивать на пять этапов5:
1) доставка окислителя из атмосферы к поверхно-
В работах3 была показана принципиальная возможность использования нефтяного кека и межсланцевой глины в производстве теплоизоляционного материала (керамзита). Компонентный состав нефтяного кека представлен в табл.1, а химический состав межсланцевой глины в табл. 2.
В настоящей работе изложены вопросы кинетики выгорания угольных частиц при обжиге керамзита оптимального состава (масс. %): межсланцевая глина - 80, нефтяной кек - 20. Для исследования состава газов, выделяющихся при обжиге керамзита, был использован хроматограф ХЛ-4 (рис. 1)4. Хро-матографический метод - это физико-химический метод разделения сложных смесей газов на составляющие компоненты. При этом происходит распределение
3 Куликов В.А., Абдрахимов В.З., Ковков И.В. Влияние твёрдого нефтесодержащего отхода сепарации нефтешлама на фазовый состав и физико-механические свойства керамзита //Изв. вузов. Строительство. 2010. № 6; Абдрахимов В.З., Денисов Д.Ю. Теоретические и технологические аспекты использования техногенного сырья в производстве теплоизоляционных материалов. Самара, 2010.
4 Абдрахимова Е.С., Вдовина Е.В. Методика исследования состава газов, выделяющихся при обжиге керамического композиционного материала на основе бейделлитовой глины и продукта сгорания от базальтовой шихты // Изв. вузов. Строительство. 2008. № 9.
5 Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пи-рометаллургических процессов, ч. 1. Реакции между газообразными и твёрдыми фазами. Свердловск, 1962; Абдрахимов В.З., Абдрахи-мова Е.С. Образование чёрной сердцевины при скоростном обжиге керамических материалов // Строительные материалы. Оборудование XXIвека. 2006. № 2.
Рис. 1.
Схема устройства хроматографа ХЛ-4: 1 и 4 - нагреватели; 2 - детектор; 3 - источник питания; 5 - колонка; 6 - ротаметр; 7 - осушитель газа; 8 - редуктор; 9 - капилляр; 10 - дроссель газов; 11 -кран-дозатор; 12 - испаритель жидкой
пробы.
Регистратор
ЭПП-17 М1
>-^-{
измерительным Блок
термостатирования
сти раздела фаз путём молекулярной и конвективной диффузии;
2) адсорбция молекул окислителя на поверхности графита;
3) взаимодействие адсорбированного окислителя с атомами углерода и образование продуктов реакции, также адсорбированных на графите;
4) десорбция продуктов реакции;
5) удаление (редиффузия) продуктов в атмосферу.
Газовая среда, окружающая керамический материал в период термообработки при нагревании, является одним из движущих факторов интенсивности протекания физико-химических процессов. С началом термической обработки до 180°С из образцов выделяется остаточная вода. Изучение динамики газовыделения из исследуемого материала показывает, что в условиях нормального давления, начиная с 250°С, в результате разложения органических веществ наблюдается выделение Н2, СО, эО3 и СО2. При термической обработке гранул в интервале температур 400-600°С из керамзита удаляются летучие углеводороды, и в гранулах остаются частицы только одной (из четырех известных) аллотропических форм углерода - графита.
При температуре 400-500°С физическая адсорбция диоксида углерода на поверхности графита уступает место хем-адсорбции без выделения СО, которая приводит к возникновению на поверхности углерода двух комплексов: кетеново-го СН2 = С = О и кето > С = О (карбонильная группа). Авторы работы6 полагают, что при нагреве пористых заполнителей до 600°С в большинстве случаев углеводороды удаляются из изделий. С повышением температуры кетеновые комплексы становятся неустойчивыми и при температуре 600-700°С покидают поверхность углерода, а на их месте возникают новые кетеновые комплексы.
Условия доставки окислителей и отвода продуктов реакций от поверхности углерода во многом зависят от характера макропотоков дымовых газов. При этом
6 Петров В.П., Максимов Б.А. Механизм и кинетика горения угольных частиц в гранулах пористых заполнителей // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: материалы восьмых академических чтений РААСН. СГАСУ. Самара, 2004.
авторы названной работы различают два случая. Первый - ламинарное течение макропотока, у которого отсутствует составляющая, перпендикулярная границе раздела фаз, и поэтому ламинарный поток не увеличивает диффузию. Второй -турбулентное течение конвективного потока, которое характеризуется сложной траекторией движения струек газа.
В процессе нагрева органические примеси обугливаются (главным образом во внутренних слоях керамического материала, изолированных от доступа кислорода воздуха), распадаясь на летучие и углистые остатки, которые сгорают с трудом. Процесс этот аналогичен сухой перегонке топлива. Обугливание с образованием углистого остатка происходит в интервале температур 500-800°С.
При термообработке керамических материалов выделяется газовая фаза, которая также является активным реагентом, влияющим на протекающие в этих материалах физико-химические процессы. Правильная оценка качественного состава и количественного соотношения компонентов газовой фазы будет способствовать выбору оптимальных режимов термообработки для получения керамического материала с заданными свойствами.
С началом термической обработки до 180°С из образцов выделяется остаточная вода. Изучение динамики газовыделения из исследуемого материала показывает, что в условиях нормального давления, начиная с 250°С, в результате разложения органических веществ наблюдается выделение Н2, СО, БО3 и СО2 из керамических образцов. При этом суммарное содержание газов-восстано- 14 вителей (водорода и угарного газа), как 8 следует из табл. 3, составляет более £ 30%, что свидетельствует о восстанови- ° тельном характере газовой среды. В ин- § тервале температур 350-550°С в составе 2 газовой среды отмечается интенсивное 1 уменьшение содержания окислителя ^ (кислорода) и нейтрального газа (азо- | та). В интервале температур 550-1050°С § имеется незначительное снижение со- « держания кислорода и азота. |
При температуре 800°С и выше фор- * мируются пиролитические формы угле- = рода (кокс и полукокс). Пиролитический углерод (пироуглерод) - это углеродные
Состав газовой среды, выделяющейся при обжиге керамического материала, %
ОС обж' 4-7 H2 CO O2 CO2 N2 SO3
250 3.03 27.03 6.44 27.94 34.36 1.04
350 4.82 35.72 5.83 24.0 28.80 1.78
550 7.88 40.30 2.07 28.82 19.84 2.83
950 8.02 51.03 1.98 21.89 17.08 -
1050 6.20 70.25 1.90 5.07 16.58 —
плёнки, образующиеся на нагретых поверхностях по причине термического нарушения целостности вещества. Это класс материалов, который отличается структурой и свойствами, объединённых принципом получения.
Получение пироуглерода происходит путём кристаллизации из газовой фазы на гладкой твёрдой поверхности. Изначально совершается образование "зародышей" на поверхности и их рост, в процессе которого атомы газообразного углерода взаимодействуют с углеродом "зародышей", в результате чего формируется твёрдая структура. Рост твёрдой структуры совершается в виде конуса. Медленно расширяясь, основания конусов заполняют всю поверхность образования "зародышей", превращаясь в цилиндры. Внутренние слои углеродных атомов создают графитоподобную структуру. Существуют два типа пиро-углерода, структура и свойства которых определяются температурами образования: низкотемпературный (800-1100°С) ^ и высокотемпературный (1400-2200°С). § Исследования показали, что основны-г ми компонентами газовой фазы при об-
1 жиге керамических материало
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.