научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ СЛАНЦА КЕНДЫРЛЫКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ СЛАНЦА КЕНДЫРЛЫКСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 2, с. 39-43

УДК 662.74:552

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ СЛАНЦА КЕНДЫРЛЫКСКОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

© 2014 г. А. М. Гюльмалиев*, А. С. Малолетнев**, Ж. К. Каирбеков***, В. С. Емельянова***,

Ж. К. Мылтыкбаева***

* Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Москва E-mail: Gyulmaliev@ips.ac.ru ** Московский государственный горный университет E-mail: Anatoly-Maloletnev@ rambler.ru *** Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы E-mail: niinhtm@ mail.ru Поступила в редакцию 26.07.2013 г.

На основе термодинамических расчетов равновесного состава продуктов газификации (коэффициент дутья а = 0.3, давление 0.1 МПа) сланца Кендырлыкского месторождения (Республика Казахстан) с учетом химического состава золы (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O) и содержания в нем микроэлементов (Cu, Sr, Zn, Cr, Ti, Mn, Ni) определены в зависимости от температуры процесса соединения (наиболее вероятные из 500), входящие в состав газовой фазы. При температуре 1185.65 K по программе HSC Chemistry 6 рассчитаны равновесные составы газовой и конденсированной фаз.

Б01: 10.7868/80023117714020054

В Казахстане проводятся научно-исследовательские и опытные работы, направленные на получение моторных топлив и химических продуктов из горючих сланцев Кендырлыкского месторождения. Общие запасы сланцев месторождения оцениваются в 4075 млн т, в том числе балансовые — 708 млн т. Анализ пиролизного газа, полученного из пылевидного сланца Кендырлыкского месторождения, показал, что он мало отличается от газов пиролиза нефтепродуктов. Из него можно получить полиэтиленовые углеводороды — сырье для производства полимерных материалов.

Установлено также, что при газификации сланца Кендырлыкского месторождения можно получать разнообразные смолы, азотноводород-ную смесь, углекислоту и другие продукты, необходимые для синтеза синтетического аммиака, мочевины и др. Проведенные исследования [1, 2] показали, что наиболее выгодно использовать сланец Кендырлыкского месторождения для получения пиролизного газа, который по своим показателям вполне пригоден для производства полимерных соединений. Теплота сгорания газа, полученного при температуре 900°С, составляет 26.8 МДж/м3, при 1000°С - 18.8 и при 1100°С -25.3 МДж/м3.

Эффективное средство теоретического анализа процессов газификации и пиролиза горючих сланцев - методы химической термодинамики. Полученные нами результаты термодинамического анализа методами химической термодинамики процесса газификации органической массы сланца (ОМС) Кендырлыкского месторождения без учета минеральных включений приведены в [3]. Поскольку зольность сланца достаточно высокая (68-73%), практический интерес представляет установление образования наиболее вероятных химических соединений из минеральной части сланца при его газификации. Это позволит, с одной стороны, выяснить, как минеральные включения влияют на состав образующейся газовой фазы; с другой — учесть экологические и химические аспекты использования отходов газификации сланца для различных целей, например при применении в качестве дорожного покрытия или при производстве строительных материалов.

Характеристика сланца Кендырлыкского месторождения приведена в табл. 1. Для расчета процентного содержания элементов на рабочую массу при ^р = 3.5% и ЛА = 70.5% применяли формулу

Эг = 0.285 • Э^,

40

ГЮЛЬМАЛИЕВ и др.

Таблица 1. Характеристика сланца Кендырлыкского месторождения

Показатель Значение показателя

1. Технический анализ, мас. %:

Общая влага, Ж' 1—6

Зольность, Ла 68—73

Выход летучих веществ, Уаа/ 20

2. Элементный состав, мас. %:

С^а/ 74—77

Н^а/ 7.3—9.9

8? Следы

^а/ 0.6—1.3

0аа/ 14.95

Теплота сгорания низшая Qdi, МДж/кг 6.0

Теплота сгорания высшая , МДж/кг 13.0

3. Химический состав золы, мас. %:

8Ю2 58.2

А1203 17.2

Ре2°3 7.3

Са0 2.3

МБ0 1.0

К20 3.5

№20 7.0

803 Следы

где Эг — процентное содержание элемента в рабочей массе сланца; Э^а/ — содержание элемента в сухой беззольной массе сланца, мас. %.

Из табл. 1 следует, что К20 + №20 = 10.5%, поэтому для термодинамических расчетов нами принято, согласно [4], что

К20 = (2/3) • 10.5 = 7.0% и Ш20 = (1/3) • 10.5 = 3.5%.

Результаты расчетов содержания веществ на рабочую массу приведены в табл. 2. Коэффициент перевода микроэлементов в расчете на рабочую массу сланца находили по содержанию железа: К = (3.48/69.057) = 0.0504.

Количество воздуха, необходимого для газификации сланца при коэффициенте дутья а = 0.3, находили по следующим формулам:

О = 0.3 ■ (2С + 0.5Н + + 32.68/16 - 4.25/16) = 2.02 моль, N = 3.8 ■ 2.02 + 0.012 = 7.69 моль.

Расчет равновесного состава продуктов газификации сланца проводили при давлении Р = 0.1 МПа и температуре Т = 1185.65 К. В расчет были включены более 500 соединений. В табл. 3 приведены соединения, значения равновесного числа молей которых составляли больше 10-9.

Получены следующие характеристики газовой фазы: суммарное число молей ^ = 4.6392 моль, из них ^ = 3.8238 моль составляет азот, СН4, СО и Н2 — остальные. Объем газовой фазы при температуре Т = 273.15 К равен У273.15 = 0.1039 м3, а при Т = 1185.65 К — У1185.65 = 0.4511 м3.

Зависимость равновесного состава газовой фазы продуктов газификации сланца при давлении 0.1 МПа от температуры представлена на рисун-

Таблица 2. Содержание элементов в расчете на рабочую массу сланца

Элемент Эйа/, % Эг, % Состав золы сланца, мас. % Молекулярная масса Содержание соединений в расчете на рабочую массу сланца, % М* О**

г

С 77.1 21.97 8Ю2 58.2 60.08 39.59 18.51 21.08

Н 7.3 2.08 А120э 17.2 101.96 11.70 6.19 5.51

N 0.6 0.17 Ре203 7.3 159.69 4.97 3.48 1.49

0 15.0 4.25 Са0 2.3 56.08 1.56 1.11 0.45

8 ~0 0 МБ0 1.0 40.30 0.68 0.41 0.27

К20 7.0 94.20 4.76 3.95 0.81

№20 3.5 156.17 2.38 0.70 1.68

* Содержание элемента в оксидах. ** Содержание кислорода.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО СОСТАВА 41

Таблица 3. Равновесный состав продуктов газификации на 100 г массы сланца при Р = 0.1 МПа и Т = 1185.65 К

Соединение Моль Соединение Моль

СНзОО 1.1400 10- 8 (CaMg)0.5Si03 1.3647 10- 3

СН400 1.061 10- 3 (CaMg)0.5Si03(CL) 8..191 10- 3

С2Н200 2.6799 10- 8 CaMgSi04 5.3915 10- 5

С2Н400 6.7989 10- 8 CaMgSi206 1.6992 10- 4

едоо 2.4981 10- -9 Ca2MgSi207 4.1584 10- 8

сооо 1.7672 10- 3 Ca0 1.5006 10- 5

С02(£) 2.5322 10- 8 Ca0(Z) 1.8524 10- 5

Н20?) 8.1112 10- 1 Ca0 ■ А120з 1.4583 10- 7

НСМ(я) 6.8300 10- -5 Ca0 ■ А120з ■ Si02 8.4265 10- 7

Н20(Я) 1.5679 10- -5 Ca0 ■ А120з ■ 2Si02 3.4406 10- 6

К(Е) 4.4376 10- -5 2Ca0 ■ А120з ■ Si02 4.5531 10- 8

КСМ(я) 2.9508 10- -5 Ca0 ■ Mg0 6.0374 10- 8

К2СЮ4(£) 3.9600 10- -4 Ca0 ■ Mg0 ■ Si02 2.7569 10- 4

КН(я) 1.9017 10- 8 Ca0 ■ Mg0 ■ 2Si02 1.2536 10- 4

К0Н(я) 7.9127 10- 9 2Ca0 ■ Mg0 ■ 2Si02 3.2512 10- 6

3.8238 3Ca0 ■ Mg0 ■ 2Si02 3.2474 10- 8

МНз(£) 6.5691 10- 5 2Ca0 ■ Si02 2.9146 10- 5

9.689 10- 5 3Ca0 ■ 2Si02 3.3518 10- 6

NaCN(g) 6.2536 10- 5 CaSi03 1.0010 10- 2

3..599 10- 8 CaSi03(C) 2.7569 10- 3

1.5457 10- -7 CaSi03(P) 9.3786 10- 3

№0Н(£) 2.879 10- 9 Ca2Si04(Z) 2.1294 10- 5

1.4664 10- -4 Ca2Si04(0) 1.9724 10- 5

Сумма молей 4.6392 Ca3Si05 2.1386 10- 8

А12О3 8.0514 10- 5 Ca3Si207 8.5353 10- 6

А120з(0 8.4690 10- 5 FеA1204 4.2097 10- 9

А120з(Х>) 4.1855 10- 5 ^0.495° 3..844 10- 7

А120з(б) 2.2053 10- 5 Fе0.947O 4..066 10- 7

3.6541 10- 5 Fе0 3.1052 10- 7

А10(0Н)(5) 1..217 10- 8 FеО1.056 1.0412 10- 7

А10(0Н)(!>) 1Л442 10- 8 Н20 8.1579 10- 9

А120з ■ 8Ю2(.4) 8..743 10- 6 КА102 5.8969 10- 5

А120з ■ 8Ю2(Д) 5..299 10- -2 KA1Si04 7.5626 10- 3

А120з ■ 8г0 1.4829 10- 8 КА^Ю4(£) 6.806 10- 2

А1^Ю5(Л) 9.1045 10- 6 KA1Si206 8.1983 10- 3

А1^Ю5(£) 3.7921 10- 6 KA1Si308 6.0068 10- 3

А1^Ю5(£) 8.5513 10- 6 КА^з08(Л) 1.868 10- 3

CaA12Si06 1.3215 10- 6 КА^з08(б) 8.472 10- 4

(CaF ■ 10)0.5Si03 2.1164 10- 5 КА^з08(£) 1.3387 10- 3

CaF ■ 10(Si03)2 1.0105 10- 9 КА^з08(Ж) 5.310 10- 4

КА^з08(¥) 7.546 10- 4 №А^з08(б) 1..722 10- 4

К0Н 6.9927 10- 8 №А^308(£4) 3.385 10- 4

К20 ■ Si02 3.7085 10- 5 №2А1^4012(./) 2.5252 10- 9

К202 ■ Si02 7.5703 10- 4 №2А1^6016(Д4) 7.744 10- 8

К20 ■ 4Si02 3.7672 10- 6 №2А1^6016(Х.4) 2.799 10- 9

42

ГЮЛЬМАЛИЕВ и др.

Таблица 3. Окончание

Соединение Моль Соединение Моль

К2ТЮ3 2.0320 10-3 ■ 0.5Н20 2.788 10-9

МБО 1.0304 10-3 №СНО 5.9228 10-9

МБО(Ж) 9.0968 10-4 №2О ■ А12О3 1.5527 10-7

МБО ■ А12О3 4.3203 10-6 №ОСН 5.7721 10-9

МБ$Ю3 3.7461 10-3 №ОН 6.9821 10-7

МБ£Ю3(<7) 4.0208 10-4 №2О ■ 28Ю2 9.5347 10-4

МБ£Ю3(#Р) 1.1775 10-3 №2О ■ 38Ю2 2.2308 10-4

МБ£Ю3(#7) 1.1501 10-3 2№2О ■ ЯЮ2 8.0610 10-9

МБЯЮ^Т) 1.571 10-6 5.0933 10-3

МБЯЮ^Х) 1.4669 10-3 2.Ю63 10-2

МБЯЮ^Ж) 1..587 10-5 81О2 4.2237 10-2

МБЯЮ^Р) 1.4327 10-3 81О2(Я) 4.0566 10-2

4.7061 10-8 ^О2(С) 1.836 10-2

5.7150 10-5 ^(СЯ) 4.2102 10-2

МБ^Ю^Я/) 8..293 10-7 8Ю2(СЛ$) 3.1761 10-2

МЕ2$Ю4(/) 4.7689 10-5 3.3350 10-2

1..782 10-7 3.4921 10-2

Мп2(СО)ю 1.2600 10-4 ^(0 4.4153 10-2

№А1О2 9.3585 10-5 4.6797 10-5

На0.96А10.96^2(04)О6 6.0689 10-5 4.1027 10-2

№А18Ю4 1.4636 10-2 2.9035 10-2

№А18Ю4(£) 4.283 10-6 SiO2 ■ н2о 5.768 10-25

№А^2О6(£) 3.489 10-4 4.3491 10-8

№А^2О6(/) 6.7226 10-5 8гО ■ А12О3 1.1521 10-8

№А^3О8 1.6444 10-3 SrSiO3 1.5755 10-3

№А^3О8(4) 3.297 10-4 Sr2SiO4 2.1727 10-7

№А^3О8(4Л0 1.Ю69 10-5 ZnSiO3 2.2935 10-9

НЮ 1.6497 10-11 Т1Н0.84О0.16 1.2521 10-19

2№О ■ ЯЮ2 4.5983 10-23

Состав конденсированной фазы состоит как из простых, так и из сложных химических соединений, которые приведены в табл. 3. Следует отметить, что микроэлементы в составе сложных соединений входят в конденсированную фазу.

Проведенный термодинамический анализ показывает, что при газификации сланца Кендыр-лыкского месторождения на паровоздушном дутье при температурах выше 800°С из сланца в основном образуются Н2, СО и Н2. Оксиды азота при этих температурах не образуются. Щелочные металлы (На и К) и металлический ^п) в газовой фазе будут присутствовать в небольших количе-

ке. Откуда следует, что при темп

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