6 Формирование аналогов опорного знания мысленными образами

Твердое топливо образовались из животных микроорганизмов, отмерших многоклеточных и остатков низких растений в условиях полного прекращения доступа воздуха. В составе твердого топлива содержится значительное количество белков, жиров и воска.

В производстве синтетических жидких и газообразных топлив из твердых горючих ископаемых используется ряд методов высокотемпературной переработки последних без доступа воздуха (пиролиз) или в присутствии окислителей (газификация). Эти энеротехнологии позволяют получать жидкие фракции (смолы) и газовые смеси, путем разделения и очистки которых можно получить товарные продукты, либо использовать их в качестве сырья для синтеза моторных топлив и органических продуктов.

Моделью аналогом энерогтехнологиии переработки низкосортного топлива может служить технология получения высокооктанового бензина из нефтепродукта.

Лекция 2 «Технологические методы переработки

твёрдого топлива»

1 Формирование исходных знаний

Все топлива можно разделить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные, а по происхождению — на естественные в искусственные.

Ископаемые твердые топлива произошли из растительных и животных организмов в условиях полного прекращения доступа воздуха под действием горного давления и природных факторов.

Твердые топлива различают – природные (торф, бурые, каменные угли, антрацит, горючие сланцы), искусственные – (каменноугольный, торфяной и нефтяной кокс, брикеты угля, древесный уголь.)

Основная выработка электрической и тепловой энергии производится сжиганием твердого топлива. По тепловыделению твердые топлива разделяют по теплоте сгорания.

2 Изучение нового материала

Твердое топливо в зависимости от исходного материала и условия химического превращения подразделяются на гумусовые, сапропелитовые и смешанные.

Гумусовые топлива образовались из отмерших многоклеточных растении. Органическое вещество этих растений подвергалось разложению в условиях органического доступа воздуха, в результате чего превращалось в перегной-гумус.

Сапропелитовые топлива образовались из остатков низких растений и животных микроорганизмов, в составе которых содержится значительное количество белков, жиров и воска. При разложении под водой без доступа воздуха эти остатки превращались в гнилостный ил-сапропель.

В условиях полного прекращения доступа воздуха и при участии бактерии гумус претерпевал дальнейшее видоизменение и превращался в ископаемое топливо [7].

В зависимости от «химического возраста» различают три стадии образования ископаемого твердого топлива: торфяная, буроугольная, каменноугольная.

Торф является самым молодым по химическому возрасту ископаемым твердым топливом. Он относиться к топливу гумусового образования и представляет собой продукт неполного разложения под водой растительных остатков. Местами торфообразования являются зарастающие болота.

По способу добычи различают кусковый и фрезерный торф. Кусковый торф получают в виде стандартных кирпичей при машиноформовочном и гидравлическом способах добычи. Фрезерный торф представляет собой торфяную крошку, получаемую при добыче торфа фрезерным способом. Вследствие низкой теплоты сгорания и малой механической прочности торф относится к местным видам топлива, подлежащих использованию вблизи мест его добычи.

Бурые угли по степени обуглероживания занимают промежуточное положение между торфом и каменными углями. Бурые угли характеризуются термической неустойчивостью, небольшой твердостью и малой механической прочностью. Они обладают способностью выветриваться на воздухе, превращаясь в угольную мелочь, и весьма склоны к окислению и самовозгоранию при хранений. Вследствие значительного не сгораемового балласта и низкой теплоты сгорания бурых углей дальняя перевозка их не выгодна, поэтому они используются как местное топливо [7].

Каменные угли представляют собой продукт более полного превращения исходного органического материала. В отличие от бурых углей они содержат больше углерода и меньше водорода и кислорода. Каменные угли обладают меньшей гигроскопичностью, более высокими плотностью и механической прочностью, большей химической устойчивостью. Каменные угли добываются шахтным и открытым способами. Транспортируются они в основном железнодорожным транспортом, он более экономичен.

С целью улучшения промышленного использования твердое топливо подвергают физико-механическим (обогащение, сортировка, сушка, пылеприготовление и брикетирование) и физико-химимическим (полукоксование и коксование) способам переработки.

Ископаемый уголь подвергается обогащению удалением пустой породы, разделению минералов с целью увеличения содержания углерода. В результате содержание не сгораемых балластных и вредных примесей (серы, влаги и зольности) в угле снижается и повышается его теплота сгорания.

Целью сортировки углей является разделение извлеченного из недр земли угля на отдельные сорта по крупности кусков. Отсортированная мелочь и отсев обогащения, не используемые для технологических целей, применяют в качестве энергетического топлива. Его подвергают дальнейшему измельчению до пылевидного состояния либо брекетированию.

Топливную мелочь (штыб бурых и каменных углей, фрезерный торф, опилки и др.) прессованием превращают в куски заданной формы – брикеты. При такой подготовке топлива брикеты сжигаются в топках на колосниковых решетках с меньшими потерями [7]. В таблице 2.1 приведена технологическая классификация углей одного из бассейнов, по которой они делятся на марки (классы).

Таблица 2.1 –Классификация углей

Марка угля		Выход летучих веществ %	Толщина пластического слоя
Наименование	Обозначение
Длиннопламенный Газовый Жирный Коксовый Отошенный спекающий Тощий Антрацит	Д Г Ж К ОС Т А	42 35 35-21 21-18 22-14 11-19 9	- 6-15 13-20 14-20 6-13

Твердое топливо состоит из сложных химических соединений, в основе которых находятся следующие элементы: углерод (С), водород (H), сера (S), кислород (O), азот (N). Помимо указанных элементов в составе топлива имеется влага (W) и негорючие твердые (минеральные) вещества образующую при сжигании золу (А). Влага и зола составляет внешний балласт топлива, а кислород и азот – внутренний балласт.

В основу технологической классификации каменных углей положены выход летучих веществ и толщина образующегося при нагревании пластического слоя.

Топливо с высокой зольностью и влажностью вследствие большого содержания внешнего балласта целесообразно использовать вблизи места его добычи для уменьшения непроизводительных транспортных расходов на перевозку большой массы золы и влаги. Такие топлива принято называть местными.

Значительная часть ископаемых углей подвергается высокотемпературной (пирогенетической) переработке, которое является химическим сырьем. Цель такой переработки – получение из угля ценных вторичных продуктов, используемых в качестве топлива и полупродуктов основного органического синтеза. По назначению и условиям процессы пирогенетической переработки твердого топлива подразделяются на три типа: пиролиз; газификация; гидрирование.

Химическая переработка твердого топлива.

Коксование - это сложный многофазный процесс, складывающийся из процессов теплопередачи, диффузии и большего количества разнообразных реакций. При коксовании каменных углей получают следующие продукты: кокс, коксовый газ, каменноугольную смолу, сырой бензол, надсмольную воду и соли аммония (большей частью сульфат аммония). Коксование - метод переработки твердых топлив, преимущественно углей, заключающийся в нагревании их без доступа воздуха до 900-1050°С. Топливо при этом разлагается с образованием летучих веществ и твердого остатка — кокса [7].

Сырьем для коксования служат спекающиеся угли, которые дают прочный и пористый металлургический кокс, например коксующиеся угли марки К. В промышленной практике составляется смесь — шихта, состоящая не только из коксующихся углей, но и из углей других марок; например, шихта из донецких углей имеет примерно следующий состав: газовых углей 20%, жирных 40%, коксовых 20% и отощенных спекающихся 20%. Включение в шихту углей различных марок позволяет расширить сырьевую базу коксохимической промышленности, получить качественный кокс и обеспечить высокий выход смолы, сырого бензола и коксового газа.

При постепенном нагревании компоненты угля претерпевают глубокие физические и химические превращения: до 250°С происходит испарение влаги, выделение оксида и диоксида углерода; около 300°С начинается выделение паров смолы и образование пирогенетической воды; выше 350°С уголь переходит в пластическое состояние; при 500-550°С наблюдается бурное разложение пластической массы с выделением первичных продуктов (газа и смол) и твердение ее с образованием полукокса. Повышение температуры до 700°С сопровождается дальнейшим разложением полукокса, выделением из него газообразных продуктов; выше 700°С преимущественно происходит упрочнение кокса. Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом, нагретыми стенками и сводом камеры, в которой происходит коксование, подвергаются пиролизу, превращаются в сложную смесь паров (с преобладанием соединений ароматического ряда) и газов, содержащих водород, метан и др. Большая часть серы исходных углей и все минеральные вещества остаются в коксе.

Другие методы переработки твердого топлива: полукоксование, газификация, гидрирование [8].

Полукоксование. Полукоксованием называют низко- и средне-температурный пиролиз твердого топлива (каменные и бурые угли, сланцы) при нагревании до конечной температуры 500-600°С. Полукоксование имеет целью получение транспортабельного искусственного жидкого и газообразного топлива, более эффективного для использования, чем исходное, а также получение сырья для химической промышленности. Прямые продукты полукоксования — это полукокс, смола и газ; их выход зависит от вида исходного топлива.

Полукокс - слабо спекшийся кусковой материал или порошок. Полукокс, полученный из бурых углей, содержит 84-89% углерода и 2-4% водорода. Выход летучих веществ составляет 13-16%. Сланцевый полукокс отличается высокой зольностью и содержит всего 10% углерода; остальную массу составляют минеральные вещества-CаO, SiO₂ и др. Полукокс из бурых углей обладает высокой реакционной способностью и применяется как местное энергетическое топливо, как составляющая шихт для коксования, как исходное сырье для газификации и как источник теплоты для энерготехнологических установок переработки углей. Сланцевый полукокс может служить исходным материалом для получения вяжущих веществ.

Смола полукоксования представляет собой сложную смесь, из которой получают моторное топливо, растворители, индивидуальные органические соединения. Особенно богаты по составу сланцевые смолы, комплексная переработка которых дает газообразное и жидкое топливо, различные растворители, масла, эпоксидные смолы, многочисленные индивидуальные химические соединения и др. Методы переработки смолы аналогичны методам переработки нефти; смолу полукоксования подвергают прямой гонке или деструктивной переработке, т. е. различным видам крекинга.

Газификация. Газификация твердого топлива - гетерогенный, некаталитический процесс, состоящий из стадий диффузии, массопередачи и химических реакций, определяемых видом дутья.

Газификация твердого топлива в последние десятилетия была законсервирована в связи с широким использованием природного газа. Ныне она вновь приобретает значение как источник искусственного газообразного топлива и химического сырья: синтез, газа, вос-становительного газа, водорода. Разрабатываются новые, более эффективные методы газификации низкопродуктивного твердого топлива под давлением с использованием теплоты ядерных реакторов [8].

Для газификации могут быть использованы любые виды твердого топлива — торф, низкосортные угли, полукокс, отходы лесоразработок и др. При газификации в реакторах-газогенераторах органическая масса топлива превращается в генераторный газ при взаимодействии с окислительным дутьем — воздухом, водяным паром, кислородом; минеральная (зольная) масса исходного топлива превращается в шлаки. Применяя различные виды дутья, можно получить генераторный газ заданного состава.

Гидрогенизация (гидрирование) твердого топлива. Гидрогенизация— это способ получения искусственного жидкого топлива — заменителя нефти и нефтепродуктов из бурых и каменных углей, сланцев и других видов низкосортного топлива. Метод основан на гидрировании топлива при высокой температуре, высоком давлении водорода в присутствии катализаторов. В этих условиях происходит разрушение непрочных межмолекулярных и внутримолекулярных связей в органической массе топлива с присоединением водорода и образованием низкомолекулярных углеводородов из высокомолекулярных соединений. Высокие температура и давление способствуют образованию жидкой фазы. Жидкая фаза вновь подвергается каталитическому гидрированию с расщеплением крупных молекул и присоединением водорода. Гидрированию подвергаются также соединения, содержащие серу, кислород и азот. Продуктом гидрогенизации служит жидкая смесь легких углеводородов (моторное топливо) с минимальным содержанием примесей серы, кислорода и азота, удаляемых в газовую фазу в виде H₂S, H₂O и NH₃ [8].

Диапазон температур и давлений, применяемых при гидрогенизации топлива, составляет 380-550°С и 20-70 МПа. Катализаторами служат контактные массы на основе вольфрама, молибдена, железа, хрома и других металлов с различными активаторами. Для получения наибольшего выхода жидкого моторного топлива гидрогенизацию ведут двухстадийно. Первую стадию проводят при 380-400°С, подавая в реактор высокого давления водород и пульпу исходного топлива с катализаторами, распределенными в жидком продукте гидрирования. В результате жидкофазного гидрирования получают широкую фракцию «среднего масла», которую после удаления фенолов снова гидрируют уже в паровой фазе (вторая стадия) в реакторе с потоком взвеси катализатора при 400-550°С и 30-60 МПа. Конечными продуктами гидрогенизации и последующих операций гидроочистки, гидрокрекинга и каталитического риформинга служат искусственные бензин, котельное и дизельное топливо. Газ, содержащий легкие предельные углеводороды; газообразные продукты путем конверсии могут быть переработаны на водород, выход которого достаточен, чтобы обеспечить все предыдущие стадии производства.

Гидрогазификацией называется процесс гидрирования твердого топлива с целью получения газа с высокой теплотой сгорания, который может служить заменителем природного газа. Гидрогазификацию осуществляют в условиях, способствующих максимальному превращению органической части топлива в газообразные легкие углеводороды; такими условиями являются высокая температура, в интервале 500-750°С, давление водорода не более 5 МПа и применение катализатора, способствующего максимальному образованию метана. Часть газа гидрогазификации перерабатывают методом конверсии метана в синтез-газ и водород; водород идет на собственные нужды процесса гидрогазификации. Остальной газ служит высококачественным энергетическим топливом или химическим сырьем. Для осуществления конверсии метана — газа гидрогазификации — предполагается в будущем использовать отбросную теплоту ядерных реакторов с температурой теплоносителя около 900°С [8] .