Газифікація полідисперсних систем кам'яновугільного походження

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) зі спеціальності 05.17.07 – хімічна технологія палива та паливно–мастильних матеріалів (161 – Хімічні технології та інженерія) – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», спеціалізована вчена рада Д 08.084.05 при Національній металургійній академії України, Дніпро, 2020. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого науково-практичного завдання: розробка технології отримання штучних горючих газів шляхом газифікації побічних коксохімічних продуктів властивості котрих (висока в’язкість, адгезія, неплиність, неподрібнюваність) наразі унеможливлюють їх переробку. У вступі подано загальний опис роботи за напрямом теми дисертації: доведено актуальність теми, обґрунтовані мета та основні завдання роботи, визначені об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих даних та їх апробацію. У першому розділі подано огляд українських та зарубіжних досліджень, присвячених способам застосування та переробки побічних продуктів, які утворюються під час виробництва коксу. Проведено аналіз наукових робіт присвячених газифікації таких матеріалів, як одному з головних напрямів переробки побічних продуктів. У другому розділі розглянуті фізико–хімічні властивості головного об’єкту дослідження за напрямом дисертаційної роботи кам’яновугільних фусів. Обґрунтована доцільність використання у якості наповнювача шкаралупи волоського горіху та бурого вугілля, фізико–хімічні властивості яких наведені в цьому розділі. Визначено комплекс стандартизованих методів для дослідження обраних об’єктів, наведена характеристика необхідного обладнання для вирішення завдань. У третьому розділі наведено дослідження, щодо визначення оптимального співвідношення побічного продукту та наповнювача при приготуванні полідисперсних систем для газифікації. Встановлено, що під час змішування відбувається суттєва зміна гранулометричного складу досліджених сумішей. По-перше, збільшення вмісту кам’яновугільних фусів у сумішах призводе до зростання середнього діаметру часток, тобто відбувається їх агломерація. По-друге, шкаралупа волоського горіху більш стійка до механічного впливу порівняно з бурим вугіллям. У четвертому розділі досліджено кінетичні характеристики процесу газифікації та фактори, що впливають на них (температура, витрата повітря, природа сировини). Встановлено, що кінетичні криві процесу газифікації полідисперсних систем в інтервалі температур від 400 до 500 °С та витраті окиснювача (повітря) від 0,0005 до 0,004 м3/хв проходять 3 основні стадії. Визначено матеріальні баланси досліджуваних матеріалів при їх газифікації, а саме: вихід твердого залишку, газоподібних та сконденсованих продуктів. Визначено компонентний склад сконденсованих продуктів по кожному дослідженому матеріалу та вплив витрати повітря і температури на вихід таких компонентів, як: Н₂, О₂, N₂, СН₄, СО, СО₂, С₂Н₄ and С₂Н₆.. У п’ятому розділі розроблено принципову технологічну схему газифікації полідисперсних систем. Проведено розрахунок шарової газифікації досліджуваної сировини за технологією Lurgi. Отримані значення були порівняні з експериментальними. Встановлено, що за пропонованою технологією переробки вміст цільових компонентів генераторного газу, таких як СО та Н₂, значно більший, ніж при класичній газифікації. Визначено економічну оцінку роботи.The dissertation is devoted to solving an important scientific and practical problem: the development of technology for producing artificial combustible gases by gasification of coke by-products whose properties (high viscosity, adhesion, fluidity, non-crucibility) currently make it impossible to process them. The introduction provides a general description of the work on the topic of the dissertation: the relevance of the topic, substantiated the purpose and main objectives of the work, identified the object, subject and methods of research, shows the scientific novelty and practical value of the data and their approbation. In the first chapter it is provided an overview of Ukrainian and foreign research on methods of application and processing of by-products formed during coke production. The analysis of scientific works on gasification of such materials as one of the main directions of processing of by-products was carried out. In the second chapter it is considered the physical and chemical properties of the main object of study in the direction of the dissertation of heavy coal tars. The expediency of using walnut shells and lignite as a filler, the physical and chemical properties of which are also given in this chapter, is substantiated. A set of standardized methods for the study of selected objects is defined, the characteristics of the necessary equipment for solving the tasks set. In the third chapter it is presented research to determine the optimal ratio of coke by-products and filler in the preparation of polydisperse systems for gasification. It is established that during mixing there is a significant change in the particle size distribution of the studied mixtures. First, the increase in the content of heavy coal tars in the mixtures leads to an increase in the average diameter of the particles, ie their agglomeration occurs. Secondly, the walnut shell is more resistant to mechanical impact compared to lignite. In the fourth chapter it was investigated that kinetic characteristics of the gasification process and the factors influencing them (temperature, air flow, nature of raw materials). It is established that the kinetic curves of the process of joint gasification of polydisperse systems in the temperature range from 400 to 500 ° С and oxidant (air) flow rate from 0.0005 to 0.004 m3/min pass through 3 main stages. The material balances of the investigated materials during іt gasification were determined, namely: yield of solid residue, gaseous and condensed products. The component composition of condensed products for each investigated material and the influence of air flow and temperature on the yield of such components as: Н₂, О₂, N₂, СН₄, СО, СО₂, С₂Н₄ and С₂Н₆. In the fifth chapter the basic technological scheme of gasification of polydisperse systems was developed. The calculation of layer gasification of the studied raw materials by Lurgi technology was performed. The obtained values were compared with the experimental ones. It is established that according to the proposed processing technology, the content of target components of the generator gas, such as CO and Н₂, is much higher than with classical gasification. The economic estimation of work is defined.