Көмірдің құрылысы мен құрылымы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 38 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Қорғауға жiберiлдi:
Кафедра меңгерушісі,
х.ғ.д, проф. ___________________ З.А. Мансұров

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Қатты отындарды плазмохимиялық газификациясының кинетикалық модельдеу

мамандық 050606 - Химия

Алматы 2011РЕФЕРАТ

Бітіру жұмысының құрылымы мен көлемі: бітіру жұмысы кіріспеден,әдеби шолудан, есептеу-теоретикалық бөлімнен, тәжірибелік бөлімнен, нәтижелер мен оларды талдаудан, қорытындыдан және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Жұмыс 42 бетке жазылып, 8 кесте, 18 сурет және 37 қолданылған әдебиеттер тізімін қамтиды.
Түйін сөздер: Плазма, реактор, Көмір, Газификация, Синтез-ГАЗ, Кинетикалық Есептеу, Эксперимент
Зерттеу нысаны және пәні. Зерттеу нысаны ретінде қатты отынның плазмалық-ауа және плазмалық-бу газификация процестері болып табылады. Зерттеу пәні - күлділігі 48% төменгі сортты Кучекин тас көмірінің плазмалық газификациясының кинетикалық есептеу және экспериментік зерттеулер
Жұмыстың мақсаты: жоғары күлділікті энергетикалық көмірлердің кен қолдануы мәселесімен, дефицитті және қымбат сұйық және газ тәрізді отындардың бірге өртеудің және энергетикалық нысандарға жақын орналасқан экологиялық жағдайдың нашарлануынымен байланысты қатты отындарды плазмохимиялық газификациялау.
Практикалық маңызы. Зерттеу жұмысының нәтижелері жоғары техника-экономикалық деңгейі плазмалық газификаторда алынған синтез-газдың және табиғи газды дәстүрлі каталитикалық конверсия әдіспен алынатын бағаларың салыстыруымен расталады. Соңғы, көмірді плазмалық газификация арқылы алынатын синтез-газдың бағасына қарағанда, 7-10 % жоғары.
Жұмыс апробациясы мен жарияланғандығы. Жұмыстың нәтижелері 2011 жылы Халықаралық Жас ғалымдардың және студенттердің ғылыми-практикалық конференциясында баяндалып, баяндама бойынша 1 тезис жарыққа шықты.

РЕФЕРАТ

Обьем и структра и выпускной работы. Работа состоит из введения, обзора литературы, расчетно-теоретической части, экспериментальной части, анализа результатов экспериментальных исследований, заключения и списка использованной литературы. Материал работы изложен на 42 стр., содержит 8 таблиц, 18рисунков и насчитывает 37 источников информации.
Ключевые слова: Плазма, реактор, уголь, Газификация, Синтез-ГАЗ, КинетическИЙ РАСЧЕТ, Эксперимент
Объект и предмет исследования: Объектом исследования являются процессы плазменно-воздушной и плазменно-паровой газификации твердого топлива. Предметом исследования является кинтически расчеты и экспериментальные исследования плазменной газификации низкосортного Куучекинского каменного угля зольностью 48%.
Цель работы: Цель работы обусловлена проблемой все большего использования низкосортных энергетических углей с высокой зольностью, необходимостью совместного сжигания дефицитных и дорогостоящих жидкого и газообразного топлива и ухудшения в связи с этим экологической обстановки вблизи энергообъектов.
Практическое значение. Высокий технико-экономический уровень исследовательской работы подтверждается сравнением стоимости полученного в плазменном газификаторе синтез-газа со стоимостью его получения традиционным методом каталитической конверсии природного газа. Последняя на 7-10 % выше стоимости синтез-газа, получаемого плазменной газификацией угля.
Апробация и публикации по работе. Результаты работы в 2010 году доложены на Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых и опубликовании 1 тезис докладов.

ГЛОССАРИЙ

Плазма - заттың төртінші күйі; толық немесе жартылай иондалған газ.
Газификация - қатты отындардың органикалық массасынан жанғыш немесе басқа газ өңдеу үрдісі.

МАЗМҰНЫ

КIРIСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
6
1 ӘДЕБИ ШОЛУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.1 Көмірдің газификациясының орнықтылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
8
1.2 Көмірдің құрылысы мен құрылымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
9
1.3 Қатты отындардың газификациясының қазіргі заманғы күйі ... ... ... ..
13
1.4 Қатты отындарды плазмалық-ауа және плазмалық-бу газификациясы...
15
2 ЕСЕПТЕУ-ТЕОРЕТИКАЛЫҚ БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
17
2.1 Көмірлерді плазмохимиялық газификациясының кинетикалық есептеу үшін компьютерлік Плазма-Көмір бағдарламасының сипаттамасы ... ...17

2.2 Куучекин тас көмірдің плазма-ауа және плазма-бу газификациясының есептеу нәтижелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..

18
3 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
25
3.1 Тәжірибелік қондырғының бейнелеуі және тәжірибелердің әдістемесі...
25
3.2 Газдарды талдау үшін газды хроматографиясының әдістемесі ... ... ... ...
32
3.3 Қатты қалдықтағы көміртекті анықтау әдістемесі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... .
32
4 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
35
4.1 Есептеу және тәжірибелік нәтижелерді салыстыру ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..
36
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ..
37
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТIЗIМI ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
38
ҚОСЫМША - Студенттік конференциясының тезис жинағы ... ... ... ... ... ...
41

КIРIСПЕ

Қазіргі таңда жылу электрстанциялары (ЖЭС) 40% - ға жуық электр және жылу энергиясын өндіреді. Болжамдарға сәйкес [1] 2020 жылдарға қарай әлемдік отындық баланста көмір мөлшері 50% - ға жуық болады.
Қазақстандағы электр энергияның 85 %-ға жуығы шаңды көмірлі ЖЭС-да өндіріледі. Бұл жерде дәстүрлі көмірді мазутпен жағу тәсілі қолданылғандықтан, отынды пайдалану тиімділігінің төменуі мен ЖЭС-ның экологиялық-экономикалық көрсеткіштерінің нашарлануына алып келеді. Энергетикалық көмір сапасының төмендеуі жағдайды ушықтырады, бұл өз кезегінде қазандықтарды және шаңды көмірлі факельдерді жағу үшін шаңды көмірлі ЖЭС-ғы мазуттың шығынын көбейтуді талап етеді [2-5]. Қазандықтарды және шаңды көмірлі факельдерді жағуға Қазақстанда жылына 0,8 млн. т жуық мазут жұмсалады (әлемдік баға бойынша тоннасына 450 АҚШ долллары).
Шаңды көмірлі ЖЭС-да қолданылатын көмірді мазутпен жағу отынның толық жанбауы мен экран құбырларының коррозиясының едәуір жоғарлауына, қазандық КПД мен қазандық құрылғылары жұмысының сенімділігінің төмендеуіне, азот оксиді, күкірт және канцерогенді ванадий оксиді қалдықтарының жоғарлауына алып келеді. Осыған байланысты шаңды көмірлі ЖЭС-ның отын балансындағы мазуттың мөлшерін азайту керек.
Сұйық және газ тәрізді отынды жағуға қарағанда, дәстүрлі отынды жағу технологиясы зиянды қалдықтарды шығару деңгейі анағұрлым жоғары. ЖЭС-ның энергия балансындағы қатты отын мөлшерінің өсуі, көмірді толықтай немесе жартылай газификацияға негізделген және шаңды көмірлі факельдердің жану активациясының плазмалық технологиясын қосатын жаңа анағұрлым тиімді және экологиялық таза технологияларды шығару және оларды пайдалануды талап етеді [6-8].
Дәстүрлі отты әдіске қарағанда, электродоғалы плазмаларды қолдану едәуір тиімдірек [2, 4]. Жоғарғы концентрациялы энергиялы плазма химиялық белсенді атомдар, иондар, радикалдар мен электрондардың көп мөлшерінің болуымен сипатталады. Бұл көмір мен тотықтырғыштың термохимиялық айналуының бірнеше есе жылдамдауын және шаңды көмірлі факельдердің тез, толық жанып кетуін туындатады.
Жоғары температуралы екі фазалық ағындағы көмірдің термохимиялық айналу заңдылығы күрделі - олар ұшқыш өнімдер мен кокс пайда болатын көмірдің алғашқы ыдырауы кезеңін, газдың кокспен өзара әрекеттесу реакциясы мен газды фазадағы ұшқыш өнімдерді бөлетін реакция екінші кезеңін біріктіреді. Көмірдің плазма химиялық қайта өңделуі кезінде иондар мен электрондар қатысындағы реакциялар маңызды рөлге ие. Жылу немесе салмақ алмасу құбылысы процеске маңызды әсер етеді.
Болжауларға сүйенсек, 2020 жылға қарай энергетикалық, металлургиялық және химиялық кәсіпорындардың отын балансындағы көмірдің мөлшері 56 % дейін өседі. Бұл өсу негізінен төменгі сортты энергетикалық көмір мөлшерінің өсуі арқасында қамтамасыз етіледі. Осыған байланысты жылу энергетикада, металлургияда және химиялық өнеркәсіптегі төменгі сортты көмірдің жануын қамтамасыз ету үшін тапшы, әрі қымбат сұйық және газ тәрізді отынды пайдалану өсетін болады. Қатты, сұйық және газ тәрізді отынды бірге жағу зиянды қалдықтардың көптеп шығарылуына алып келеді, сәйкесінше, экологиялық жағдай да нашарлайды.
Төменгі сортты қатты отынның плазмалық газификация технологиясын қолдану, жоғарыда айтылған проблеманың перспективалы шешімі болып табылады. Органикалық шикізаттарды қайта өңдейтін плазмохимиялық процестердің көзге көрінетін ерекшелігі олардың жоғары селективтілігі болып табылады: толықтай бүтін өнімді алу барысында (синтез-газды, сутегіні) жағымсыз, қажетсіз заттар мен қоспалар аз бөлінеді. Бұл мұнай шикізаттарынан дәстүрлі түрде алынатын химиялық өнімдердің өндірісін қажетсінетін (мысалы, ацетилен, мотор отындары, винилхлорид) көмірлі аймақтарда плазмалық процестерді тиімді қолдануға мүмкіндік береді.

1 Әдеби шолУ
Көмірдің газификациясының орнықтылығы
Көмірді пайдалану 2000 жылмен салыстырғанда 2020 жылғы әлемдік отын энергетикалық баланстың (ОЭБ) ұзақ мерзімдік болжамы бойынша маңызды, қолжетерлік қайта жаңармайтын энергия көздерінің бірі болып 2050 жылға дейн қала бермек [1]. Мәліметтер бойынша [9] көмірдің әлемдік қоры 1 триллион тоннаға бағаланады. Көмірді пайдалану қазіргі деңгейде қала берсе, қор 250 жылға жетеді, салыстыру үшін: табиғи газ 65 жылға, мұнай 45 жылға жетеді. Көмірдің әлемдік пайдаланылуы жыл сайын шамамен 2 %-ға өсуде, осыған қарамастан мұнаймен, газбен салыстырғанда жоғарғы тұрақтылығымен еркешеленеді [1].
Көмір негізгі энергия көздерінің бірі болып табылады. Әлемдегі электр энергиясының 38 %-ын көмірден өндіреді. Тек АҚШ-тың өзінде шаңды көмірлі ЖЭС-нан өндірілетін энергия күші 250 миллион кВт құрайды [10]. 1998 жылы осы ЖЭС-да 854 млн. т. көмір жағылған, ал электр энергиясы өндірісіндегі көмірдің үлесі 57 %-ға жеткен. 1 кестесіндегі мәліметтерде [1] отынның әлемдік тұтыну балансы мен оның 2020 жылға дейінгі болжамы келтірілген.

1 кесте

Отынның әлемдік балансы

Жылдар
Отын
Шартты отынның миллион тоннасы

1990
2000
2010
2020
Көмір
3142
3610
4199
5645
Мұнай
4582
5455
6346
7665
Табиғи газ
2422
2605
2813
4035
Басқалары
1767
1650
1533
1629
Барлығы
11913
13320
16803
21466

Отын балансындағы көмір үлесінің өсуі өз кезегінде энергетикалық тиімді және экологиялық таза технологияларды шығаруды, ендіріді және оларды қолдануды талап етеді. Қазіргі қатты отындар мен олардың қосылыстарын термиялық қайта өңдеу және жағу технологиялары отынды пайдаланудың тиімділігін жоғарылату және энергетикалық нысандардың экологиялық-экономикалық көрсеткіштерін қамтамасыз етудегі қазіргі талаптарды толығымен қанағаттандырмайды. Отынның төменгі сапалылығы жану процесі сипатына кері әсер ететіндіктен, шаңды көмірлі қазандықтарда төменгі сортты көмірді жағу айтарлықтай қиындықтарды туындатады, сонымен қатар ЖЭС-ның экологтялық-экономикалық көрсеткіштерін едәуір төмендетеді, бұл зиянды газдар (NOx, SOx, CO) мен ұшқыш күлдердің көптеп шығуына алып келеді [11].
Қазандықтарды, жалындарды жағу және сұйық шлақтардың шығуын тұрақтандыру үшін шаң көмірлі ЖЭС-да пайдаланылатын энергетикалық көмір сапасының төмендетуі мазут пен табиғи газ шығынын көбейтуді талап етеді [12, 13]. Мысалы, Ресей, Қазақстан, Украина сияқты мемлекеттерде жыл сайын шаң көмірлі ЖЭС-да 15 млн. т. мазут жұмсалады, бұл экономикалық тиімсіз болып табылады.
Сондай-ақ, ресурс қорының азаюы байқалып отырған, ең алдымен көмірсутек отын түрі - мұнай мен газға деген әлемдік энергия тұтыну өсуінің жалғасуы, ғалымдарды көмірді жылу энергетикасы мен химия өндірісінің жетекші шикізат көзі ретінде қарастыруға итермелейді. Отын-энергетикалық баланстағы төменгі сортты отындар үлесінің күрт өсуі әлемдік тенденция болып табылады, бұл біздің республикамызда да анық байқалуда. Қазақстан арзан ашық әдіспен өндіретін энергетикалық көмірдің үлкен қорына ие, мысалы Екібастұз тас көмір алабы ашық әдіспен өндіру үшін қолайлы, сәйкесінше көмір өндірудің өзіндік құны төмен, орасан зор қалыңдықтағы қорға ие (алап бойынша 8000 млн. т.) [14].
Қазіргі таңда Қазақстанның және ТМД елдерінің көптеген ЖЭС-да ашық әдіспен өндірілетін төменгі сортты, күлі көп көмір негізгі отын болып табылады. Олар жоғары күлділікке, ылғалдылыққа және ұшқыш заттардың шығуының төмен болуына ие. Жаққыш құрылғыларда мұндай көмірді жағу отынның жануының нашарлауы мен зиянды шаңды газды қалдықтардың (күл, азот және күкірт оксидтері) көбеюіне алып келеді.
Шаңды көмірлі факельдің мазутты тұрақтануы кезінде тапшы сұйық отынның көп көлемі жұмсалады (ТМД-да шамамен 25 млн. тжыл ), шаңды көмірлі ЖЭС-ның жылу күшінің 12 % құрайды [19; 20].
Алайда, қымбат, әрі жоғары күкіртті мазутты мұндай масштабта қолдану отынды пайдалану тиімділігін жоғарылату мәселесін шешпейді. Мұнай мен табиғи газбен салыстырғанда көмірдің болашақтағы маңызының жоғарылауын химиялық заттардың, сондай-ақ минералдық заттардың бай көзі болып табылуымен байланыстырады. Оның кешенді қайта өңдеуіндегі өнімдердің потенциалды спектрі жылу энергетикасында, металлургияда, химия және құрылыс өндірісінде кең қолданысқа ие [13].
Осылайша, отынды пайдаланудың тиімділігін арттырудың бар әдістері негізінен өзін сарқыды. Қазіргі таңда жаңа, прогессивті, экологиялық анағұрлым таза технологиялар игерілуде. Көмірді жағуға дайындаудың термохимиялық процестері кең таралымға ие болды, сонымен қатар, жоғарғы өнімділікпен, экологиялық таза және салыстырмалы түрде өзіндік құны арзан құрылғыларға ие плазмалық технологиялар [21-23].

0.1 Көмірдің құрылысы мен құрылымы

Көмірді тиімді қолдану үшін оның химиялық құрылысын білу және ескеру қажет.
Белгілі, көмір органикалық заттардың, негізінен өсімдіктердің табиғи жағдайда баяу ыдырауынан пайда болған табиғи [24]. Көмірдің жасы оның метофоризм дәрежесімен анықталады, ол мына қатар бойынша өседі: торф -- қоңыр көмір -- жалынды көмір -- газ жалынды көмір -- газды көмір -- майлы көмір -- ұста көмір -- азған көмір -- антрацит.
Көмірдің басты химиялық элементтері көміртегі, сутегі, оттегі, кұкіріт және азот. Сонымен қатар көмірді келесі құрама бөліктер бойынша көрсетуге болады: Байланысқан көмір (С) + Күлділік (Ас) + Ұшқыш заттар (V) + ылғалдық (W) = 100 %. 1 кестеде қатты отынның органикалық массасының элементтік құрамы көрсетілген [25].

2 кесте
Қатты отынның құрамы

Көмірдің тұрі
Элементтік құрамы, %
W, %
A[с], %

С
Н
О
N
S

Торф
49-60
5-8
28-48
1-4
0,1-1
80-92
70-80
Қоңыр көмір
65-75
5-8
12-30
0,5-2
0,5-3
8-63
43-60
Жалынды көмір
75-81
5,8-6,6
9,8
1-1,5
0,5-1,5
4-8
40-45
Газ-жалынды көмір
81-85
5,6-5,8
7,3-9,8
1-1,8
0,6-1,8
2,5-4
35-40
Газды көмір
85-87,5
5,0-5,6
4,5-7,3
1-1,8
0,6-1,8
1,2-2,5
25-28
Майлы көмір
87,5-89,5
4,5-5,0
3,2-4,5
1-1,8
0,6-1,8
0,8-1,2
19-28
Ұста көмір
89,5-60,5
4,0-4,5
2,8-3,2
1-1,7
0,6-1,7
1
19-24
Азған көмір
90,5-91,5
3,75-4,0
2,5-2,8
1-1,7
0,6-1,7
1
12-14
Антрацит
91,5
3,75
2,5
1-1,7
0,6-1,7
1
10-12

Көмір - күрделі табиғи қосылыс, сондықтан оның қасиеті толықтай теориямен анықталмайды, тек эмпирикалық тұрғыдан сипатталады. Қазіргі уақытта көмірдің элементарлы құрамы мен жылу техникалық қасиетін анықтайтын әдістер бар.
Көмірдің жану жылуын белгілі Менделеев формуласымен анықтауға болады [26]:

, (1)

мұнда C, H, O, S, W - көмірдің жұмысшы салмағындағы көміртегінің, сітегінің, оттегінің, күкірттің, ылғалдылықтың сәйкесінше шамасы (%).
Көмірдегі көміртегінің шамасы оның метаморфизм деңгейінің көбеюімен жоғарылайды: қоңыр көмірде 65 %-дан антрацитте 91 %-ке дейін. Сутегінің шамасы бұл кезекте төмендейді 8 %-дан 4 %-ға дейін, ал оттегі 30 %-дан 2 %-ға дейін. Азот пен күкірттің шамасы сәйкесінше 0,5 - 2 % және 0,5 - 3 %-ға дейін өзгереді, ал минералдар бірнешеден ондаған пайызға өзгереді.
Көмірдің органикалық заттары битум, гумин қышқылы және қалдықты көмір түрінде көрінеді. Битумдер көмірден еріткіштер экстракциясы жолымен ажыратылады. Гумин қышқылдары сілтімен ерітіледі. Қалдықты көмір экстракцияланбайды және сілтіде ерімейді. Қоңыр көмірде гумин қышқылының шамасы жоғары болады. Тас көмірде олар іс жүзінде болмайды.
Көмірдің органикалық қосылыстары негізінен жоғарғы молекулярлы болып табылады. Қоңыр көмір көп алифатты бірліктерден тұрады, тас көмір керісінше негізінен байланысқан ірі молекулалы ароматты құрылымнан тұрады.
1 суретте көмірдің органикалық массасыны құрлымының үлгісі көрсетілген [28]. Көмірдің шынайы молекуласында мұндай фрагменттер мыңнан асады.

1 Сурет - Көмір молекуласының химиялық құрылысы

Көмірдің органикалық заты битум, гуминдік қышқылдар және қалдық көмірден тұрады. Битумдар көмірден еріткіштермен экстракцияланады. Гуминдік қышқылдар сілтілерде ериді. Қалдық көмір экстракцияланбайды және сілтілерде ерімейді. Гуминдік қышқылдардың ең жоғары мөлшері қоңыр көмірде болады. Тас көмірде олар тәжірибе жүзінде болмайды.
Көмірдің құрылысын зерттеу кезінде фенолды гидроксильды топтарды, эфирлы байланыстарды, алифатты құрылысы бар заттарды анықтайтын химиялық әдістер қолданылады. Көмірдің құрылысы туралы ақпаратты гидролиз (су буымен өңдеу), галогендеу, тотықтыру және көмірді термиялық деструкциялау кезіндегі өнімдердің құрамын зерттеген кезде алады. Одан басқа рентгеннің құрлымдық анализі, электронды-парамагниттік резонанс (ЭПР), ядро-магниттік резонанс (ЯМР), инфрақызыл спектроскопия (ИҚ), масс-спектроскопия және басқада физикалық, физика-химиялық анықтау әдістері қолданылады. Соңғы кезге дейін көмірдің құрылысын зерттеуде ЯМР әдісі көмірден экстракция, пиролиз және гидрлеу арқылы алынған сұйық фракциялар үшін қолданылды. Бұл зерттеулер көмірдің құрылысы туралы жанама ақпарат береді. Соңғы жылдары арнайы қондырғы табылып 1H және 13C-тің ЯМР спектрі алынды. ЯМР әдісімен 13C әртүрлі көмірлер үшін ароматтық сақинаға кіретін көміртектің жалпы көміртекке қатынасы анықталады (СароматтыСжалпы). ЯМР спектроскопиясы 1H бергені бойынша α- және β-алифаттық көміртектердің қатынастары анықталады[6, 35].
Көмірдің қатты үлгілерін зерттеу үшін, соның ішінде гидроксилды, алифатты және ароматты сутектің атомдарын анықтау үшін Фурье қайта түзілумен жүретін ИҚ-спектроскопия әдісі қолданылады [6, 35]. Жүргізілген зерттеулердің негізінде көмірдің химиялық құрылысы туралы келесі мәліметтер алынды: көмірдің органикалық массасының негізгі бөлігін тұрақты емес үш өлшемді қатты полимерлер құрайды. Одан басқа онда қозғалғыш мономолекулалы және аз полимерленген заттар бар. олар полимерлы каркасты, донорлы-акцепторлы байланыспен байланысқан немесе ұяшықтармен иммобилизденген. Көмірдің қатты және қозғалғыш фазасы өзара алифатты, эфирлы, тиоэфирлы, иминді көпірлермен жалғасқан бөліктерден құралған. Көмір молекуласының болжамды құрылысы 1 суретте көрсетілген.
Осы сурет көмір молекуласының бір бөлігі болып, көмір құрылысының күрделілігінің бір шетін көрсетеді. Шынайы көмір молекуласында мұндай бөліктер мыңнан асады. Әр бөлік ароматты ядро және алифатты периферирлы бөліктен құралған. Ароматты ядроға кіретін ароматты сақиналардың саны көмірдің көміртектену дәрежесіне байланысты көмірде көміртек 78% болса, онда ароматты сақина саны екі, егер 82% болса үш, 90 %-да төртке тең, антрацитте ол он екіге дейін өседі. Ароматты сақинада оттек, күкірт және азот болуы мүмкін әрбір фрагменттің алифатты бөлігі тізбектермен, көпіршелерден тұрады. Кейбір ароматты сақиналар гидрленген және гидроароматты құрылым түзеді. CH3 тобының саны CH2-ден аз, соңғысына қарап ароматты емес С және H атомдары негізінен гидроароматты құрылыстардан тұрады. Көмірдегі этиленды қос байланыстарда R1R2C=CR3R4-тен басқалары жоқ, мұнда Ri - көміртек радикалдары.
Оттек негізінен фенол гидроксилді, карбонилді және карбоксилді топтарға кіреді. Фенол гидроксилді топтардың концентрациясы көмірдегі көміртек мөлшерінің артуымен кемиді және көміртек 89 % болған кезде өте аз мәнді құрайды.
Көмірде күкірт әдетте темір дисульфиді FeS2 (пиритті күкірт ) және органикалық күкірт түрінде болады. Органикалық күкірттің мөлшері жалпы күкірттің 30-50%-ын құрайды. Күкіртті Сульфаттың мөлшері әдетте 0,1 масс. %-дан артпайды. Дисульфидтер негізінде пиритпен (FeS2), ал сульфаттар - кальций сульфаты (CaSO4) және темір сульфатымен (Fe2SO4) көрсетілген.
Көмірдің органикалық бөлігіне кіретін күкірт әдетте оның пиролиз және гидрлеу өнімдер арқылы айтуға болады. Негізгі күкірт қосылыстары көмір пиролизінің сұйық өнімдері ретінде тиофендер (C6H5SH), ал газ тәрізді - күкіртсутек (H2S), меркаптандар (RSH) және сульфидтер (MeS) жатады. Көмірдің гидрлеу өнімдері ретінде тиофендер және күкіртсутек жатады. Битумды көмірлердің тиофенды құрылысында 40-70%-ға дейін органикалық күкірт болып табылады. Қалған күкірт арилсульфидтер, циклды және алифатты сульфидтердің құрамында шамамен 3:2:1 ара-қатынасы арқалы көрсетіледі. Лигниттерде меркаптан және дисульфидтер құрылыстарымен көрсетіледі.
Көмір пиролизының сұйық өнімдерінің температурасы 770-1370 К болса, пиридин (C5H5N) мен оның туындылары- анилин, пиррол (C4H5N), нитрилдер (RCN), карбозолдар, хинолиндер, акридин, индол және газ тәрізділерден - аммиак (NH3), ол аминды орын басқан аминды топтардың пиролизі кезінде түзіледі. Мәліметтер бойынша [6, 35], көмірді гидрлегенде азоттың көп бөлігі негізінен гетероциклды сақиналарда немесе екі карбоциклды көпіршіктердің арасында орналасады.
Көмір құрылысының негізгі ерекшелігі - олардың ұяшықты құрылысының болуында [35]. жұмыстың негізінде көмірде үш түрлі ұяшық бар: микро ұяшық (0,0012 - 0,03 мкм), аралық ұяшық (0,03 - 0,3 мкм) және макро ұяшық (0,3 - 3,0 мкм). Микро ұяшықтар үлкен бетті қамтиды, қыздырғанда соның ішінде деструкция өнімдерінің көп бөлігі түзіледі және реакция мен адсорбция жүрген кезде реагенттер диффундирленеді. Аралық ұяшықтар реагенттер мен өнімдердің газды фазаға шығуының негізгі жолы. Макро ұяшықтар аз кездеседі, олар тек бөлшектің диаметрін азайтуға қатысады. себебі, бос масса алмасуға кедергі болмайды.

0.2 Қатты отындарды газификациясының қазіргі заманғы күйі

Қатты отындарды газификация әдістері бірқатар принциптер бойынша жүйеленеді. Газификатордағы отынның күйіне байлансты газификацияды негізгі үш түрге бөледі: қозғалмайтын (тығыз) қабатта - Лурги әдісі; қайнап тұрған қабатта - Копперс-Тотцек әдісі; отынның шаң тәрізді ағынында - Винклер әдісі. Газификаторға жылуды беру тәсіліне қарай автотермиялық және аллотермиялық әдістері болады [36-41]. Автотермиялық әдістерде эндотермиялық реакциялар үшін қажетті жылуды газификаторға енгізілген қатты отынның бір бөлігін оттек құрамды газификацияшы реагентер (су буы, оттек, ауа) жағумен алады, шамамен көмір жағу режиміне 35-40 % көмір шығындалады. Аллотермиялық үрдістерде қатты немесе газ тәрізді отындар көмегімен немесе қатты қабырға арқылы жылу (радиациондық жылытқыш, электр доғасы, лазерлік энергия көзі және т.б.) сырттан беріледі [37]. Реакциялық ағындардың бағыты бойынша: кері және тура ағынды. Кері ағынды үрдістерде көмір жоғары жағынан беріледі, ал газификацияшы реагент (ауа, бу-оттекті және ауа-оттекті қоспалар) төменгі жағынан жіберіледі. Тура ағынды тәсіл бойынша газификацияшы реагентер мен қатты отындар бір бағытта енгізіледі. Көмірді автотермиялық газификациядың принциптік сызбанұсқалары 2 суретте көрсетілген [37].
Осы газификация әдістері атмосфералық қысымда кең зерттелген. әдістердің маңыздылығы газификацияға қажетті жылу отынның бір бөлігін өрттеген кезде алынады. сонымен қатар, қозғалмайтын (тығыз) қабатта көмір ұнтақтарының өлшемі 5-50 мм, қайнап тұрған қабатта - 1-3 мм және отынның шаң тәрізді ағынында 100 мкм.

а - қозғалмайтын (тығыз) қабатта; б - қайнап тұрған қабатта; в - шаң тәрізді ағынында. 1 - көмір; 2 - ауа немесе оттек; 3 - су буы; 4 - генератор газы; 5 - қоқыс, күл.

2 сурет. Газификаторлардың принциптік сызбанұсқалары

Лурги газификация тәсілінде газификацияшы реагентер газбен бірге қарама-қарсы ағынында іске асырылады. Бірақ ұшқыш комопнентер газификация үрдісіне қатыспайды. себебі, олардың ыдырауы жартылай кокстену аумағында жүреді. сондықтан, алынатын газ метанмен өңделеді. Үрлеу - бу-оттекті немесе бу-ауа қоспасы. Реакция температурасы - 1273-1373 К, қысымы - 2-2,5 МПа. Лурги газификаторы су салқындатқыш жүйемен жабдықталған. Ішкі жағы өтқа төзімді графитпен қапталмаған. Газификаторда келесі бөлшектер бар: көмірді беру жүйесі, араластырғыш, айналатын колосникті тор. Алынатын газ 10 - 13 % метанмен араластырылған.
Лурги әдісі бойынша алынатын генератор газы химиялық синтездерге (мысалы, Фишер-Тропш әдісі бойынша сұйық отындарды алу), энергетикалық газ ретінде және тұрмыстық жағдайларға арналған [40]. Осы әдіс бойынша қатты отын келесі талаптарға сай болу керек: дәнекер болмау, термиялық беріктілік болу. Үрдісте генератор газымен бірге шайыр, фенол, бензин, NH3 түзіледі.
Копперс-Тотцек газификация әдісі бойынша шаң көмірі атмосфералық қысымда енгізіледі. Осы үрдісте қатты отынның әртүрлі типтері қолданылады. Жоғары температура болмағандықтан көмірдің пиролизі жүрмейді. Сондықтан, газификация саттысы 1 секунд уақыт аралығында өтеді. Үрлеу - бу-оттекті қоспа, реакция температурасы - 1773 К. Реакция пайда болған кезде негізінен технологиялық газ алынады. Осы газ сутекті және химиялық синтездер өндірісінде (метанол және сұйық отындарды алу) қолданылады. Копперс-Тотцек газификаторы екі немесе төрт секционды болып келеді. Газдың өнімділігі 50000 нм3сағ. Алынатын газ құрамында көп мөлшерде көміртек моноксиді (СО) және сутек (Н2) бар. Синтез-газ метанол синтезі, басқа сұйық өнімдер және өндірісте жанғыш газ ретінде қолдануға қолайлы.
Винклер әдісі бойынша көмірді газификацияда қоңыр және тас көмірлерін қолдануға болады. Отынға қойылатын талаптар: отынның өлшемінің шектеулі аралығы, себебі кері жағдайда қайнап тұрған қабаттың гидродинамикасы бұзылады. Сондай-ақ жүктелетін отында көп ұсақталған бөлшектер болмау керек [38]. Отынның газдандырылу үрдісі отын түріне тәуелді 12-15 минут бойы жүреді, осы кезде газда шайыр және конденсацияланған көмірсутектер болмайды. Газдағы метанның мөлшері өте аз болып 1,5-2,0 көл.% - ға тең [23]. Газификатордың ішкі жағы температураға төзімді материалмен қапталған.

1.4 Қатты отындарды плазмалық-ауа және плазмалық-бу газификациясы

Кез келген көміртекті материалды газификациясының негізгі реакциясы:

C + H2O = CO + H2 . (2)

Жоғары температураларда қолайлы жылдамдықпен өтеді және эндотермиялық реакция болып келеді. Әдетте жүйеге қажетті жылуды жеткізу үшін экзотермиялық реакциялар есебінен жылу алуда көміртектің бір бөлігін жағады:

C + O2 = CO2 , (3)

2C + O2 = 2CO. (4)

Жанатын және газдандырылатын шикізаттың мөлшері және алынатын өнімнің құрамы үрдістің жылулық балансымен анықталады және басқаша өлшене алмайды [2].
Көміртекті материалдарды плазмохимиялық газификация үрдістерінде жылуды химиялық жолмен емес, плазмалық ағынмен жеткізу керек және де бұл үрдісті басқарудың мүмкіндіктерін кеңейтеді [10].
Су буының плазмасында қатты отынды өңдеген кезде газ тәрізді өнімдер 95% CO мен H2 - ден тұрады. Сонымен бірге H2:CO көлемдік қатынасы бірден көп болуы мүмкін, аз мөлшерде көміртек диоксиді (шамамен 3%), метанның қалдығы, күкіртсутек болады. Көмірді плазмохимиялық газификацияының өнімдерінде CO2 мөлшері жай газификация үрдістеріне қарағанда біршама төмен. Газ тәрізді өнімдер шайыр, фенолдар, полициклді көмірсутектер қоспасынан тұрмайды.
Бұл оларды әдеттегі төмен температуралы газификация үрдістерінің өнімдерінен ерекшелейді және тазалау құнын төмендетеді, үрдістің тиімділігі экологиялық таза болады.
Плазмалық реакторларды қолданған кезде су буымен көмірді газификациядың 2 әдісі бар:
1. Плазмотронда су буын қыздыру және су буының плазмасына суық көмір ұнтағын жіберу.
2. Басқа газдардың плазмалық ағынында көмір және су буын қыздыру.
Бірінші әдіс бойынша жұмыс жасаған және катодтағы канал арқылы су буымен көмір қоспасын плазмаға жіберген кезде көмір бөлшектерінің плазмалық ағынының ыстық аумағына түсуі болған. Қондырғы қуаты 120 кВт-ты құрайды, энергия шығымы 33 кВткг, көмір бөлшектерінің өлшемі 0,05-0,08мм, плазмалық ағында көмір бөлшектерінің болу уақыты шамамен 1 сек. Мұндай жағдайда көміртектің 40 - 50 %-ы газдандырылады, қалған көміртек ұсақ бөлшектер түрінде бөлінеді. Шикізатты жіберудің жылдамдығын өзгертудің кең интервалында газдың құрамы келесідей болады: H2 - 62%; CO - 26%; CO2 - 12%.
Екінші әдіс бойынша газдандырылған су мен көмір қоспасы бірнеше генератор газдарымен қамтамасыз етілген газификаторға жіберіледі. Плазма генераторынан шығатын ыстық газдар көмір мен су буын 1573 - 1673 К жоғары температураға дейін қыздырады. Бұл жағдайда көмір күлі балқиды және сұйық түрде жоғалады. Құрамы: 75% - C; 4% - H2; 9% - O2; 1% - S; 1% - N2; 10% - болатын көмірмен жұмыс істегенде, құрамы - 42,8% -CO; 54,6 - H2; 2% - CO2; 0,2% - H2S; 0,2% - N2 болатын газ алынады. Мұндай сызба бойынша газификация үрдісіне қажетті барлық энергияның шамамен 65%-ын қатты отыннан және 35%-ын электр энергия есебінен алады. Бұл арзан электр энергиясы болған жағдайда экономикалық тиімді болуы мүмкін.
Оттек қоспасы бар су буы плазмасында газификация үрдісін жүргізген кезде энергия шығымы біршама төмендейді [47]. Үрдістің бұл тәсілінде, плазмалық ағынға көмірді жіберген кезде бу - ауалы плазмада бөлшектердің өлшемі 0,063 - 0,1мм көмір ұнтақтарын газдандырады.
Плазмалық ағынның есептелген орташа массалық температурасы 3420 К жетеді. Көмірді жібергеннен кейін ол 2840 К-ге дейін төмендейді.
Көмірдегі көміртектің конверсия дәрежесі шамамен 96% - ды құрайды, газ құрамы (көлем %) 39% - H2, 54% - CO, 7% - CO2 болды.

2 ЕСЕПТЕУ-ТЕОРЕТИКАЛЫҚ БӨЛІМ

2.1 Көмірлерді плазмохимиялық газификациясының кинетикалық есептеу үшін компьютерлік Плазма-Көмір бағдарламасының сипаттамасы

Шаң көмірінің плазмалық газификациясының математикалық моделі ішкі жылу көзі реактордағы (электрлік доғасымен) екіфазалық (көмір бөлшектері мен тотықтырғыш-газ), химиялық әрекетесетін ағынның сиптаттайды. Көмір бөлшектері мен газ реакторға бір температурамен беріледі. Бөлшектер, газдар мен элетр доға арасында жылу-массаалмасу іске асырылады. Соңымен қатар, отынның кейбір химиялық аусулар қарастырылады: біріншілік ұшқыш өнімдерінің түзілуі, газ фазасындағы бөлінетін ұщқыш өнімдерінің реакциялары және кокс қалдықтарының газификация реакциялары.
Плазма-Көмір бағдарламасы көмегімен орындалған есептеулер плазмалық реакторлардағы процетерің зерттеуге мүмкіншілік береді.
Кинетикалық модельдің құрамына келесі өрнектер жатады:
1 Газтәрізді компонентердің концентрация өрнегі:
i=1,...,n (5)
2 Қатты компонентердің концентрация өрнегі:
i=n+1,...,N; l=1,...,L (6)
3 Бөлшек сақталуның өрнегі:
(7)
4 Энергия өрнегі:
, (8)
5 Бөлшектердің жылжу өрнегі:
l=1,...,L, (9)
6 Бөлшек темпертаурасының өрнегі:
, (10)
2.2 Куучекин тас көмірдің плазма-ауа және плазма-бу газификациясының есептеу нәтижелері

Барлық сандық есептеулер күлділігі 48% Куучекин тас көмір үшін атмосфералық қысымында орындалған. Куучекин тас көмірінің химиялық құрамы 3 кестеде келтірілген. Осы көмірдің құрғақ массадағы жоғарғы жану жылуы - 16,6 МДжкг, ылғалдылығы - 5,8%, және көмірдің құрғақ массасының күлділігі (Ас) - 48%.

3 кесте

Куучекин тас көмірінің химиялық құрамы, масс. %

Ас (%)
С
О2
Н2
N2
S
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
48
48,86
6,56
3,05
0,8
0,73
23,09
13,8
2,15
0,34
0,31
0,16
0,15

Кинетикалық модельдің талаптары бойынша көмірдің құрамы функционалды топтар формасына аударылған. 4 кестеде қолданылатын есептеулерде жүргізілетін көмірдің функционалдық топтардың концентрациялары көрсетілген.

4 кесте

Кинетикалық модель бойынша қолданылатын есептеулерде жүргізілетін Куучекин тас көмірінің құрамы

КҮЛ
C
H2
H2O
CO
CO2
CH4
C6H6
40,80
39,92
1,22
2,43
7,10
11,00
4,03
5,40

Гранулометриялық таралудан көмір бөлшектердің өлшемі бойынша бес фракция алынды. 5 кестеде осы бес фракциялардың таралуы келтірілген. Бұл таралу көмір шанының өлшем бойынша алынған мәлімет.

5 кесте

Көмір шаңын өлшем бойынша таралуы

Фракцияның №
1
2
3
4
5
Бөлшек радиусы, мкм
31,75
40,5
53,5
76
106,5
Массалық %
17
15,5
35,5
27,5
4,5

Реактордың кірісінде көмір бөлшектердің және ауаның температурасы 300 К деп алынған, ал су буының температурасы 403 К деп алынған. Плазмалық реактордың эффективтілігі 83 % деп есептеленген, бұл эксперименттер нәтижесінде алынған реактордың эффективлігіне сәйкес келеді. Барлық есептеулерде реактордың электродоғалы зонасы 0,3 м ұзындығында шектеліп және плазма көзінін қуаты 50 кВт деп алынған. Куучекин көмірдің плазмалық газификациясының келесі нұсқалары есептелді:

4 кг көмір + 5,1 кг ауа және 4 кг көмір + 2,51 кг Н2О.

Плазма-ауа және плазма-бу газификациясының есептеу нәтижелерін қарастырайық.
3 суретте ауа газификациясына арналған газ фазасындағы компонентер концентрацияларының өзгерістері көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай газификация өнімдерінің газ фазасы 0,15 м координата мәнінен бастап негізінде синтез-газбен (CO+H2) көрсетілген. Оның концентрациясы 0,15 м-ден бастап 47 % құрайды және реактордың біту аймағында (2 м) қатты өзгермей 48,6 % құрайды. Соңымен қатар, барлық температура диапазонында көміртек моноксид концентрациясы сутек концентрациясынан жоғары. Олардың концентрациялары реактордан шығу аймағында 31,16 % және 17,49 % сәйкесінше құрайды. Молекулярлы азоттың концентрациясы реактордан шығу аймағында 46 % тең. Соңымен қатар, реактордың барлық ұзындығында газ фазасында CH4 және C2H көмірсутектер пайда болады, олардың толық концентрациялары 2 % тең.

3 сурет. Ауа газификация процестің реактор ұзындығы бойынша газтәрізді компонентер концентрацияларының өзгеруі
4 суретте реактордың ұзындығы бойынша газ және бөлшек фракциялар температурасының өзгеруі көрсетілген. 4 суреттен көрініп тұрғандай плазмалық газификация орындалған кезде реакциялық камерасының барлық ұзындығындағы газ және көмір фракцияларының температуралары қатты өзгермейді. Ұсақ фракциялардың температурасы үлкен фракцияларға қарағанда жоғары. Соңымен, температуралардың максималды ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.