<<
>>

3.1. Методика расчета состава газа при скоростном пиролизе угля в оксидном расплаве

Для расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ необходимо знать состав газов, выделяющихся при нагреве угля. Стандартные данные о составе углей не содержат таких сведений и дают представление лишь об элементном составе его горючей массы.

Отсутствие информации о химическом составе газов, образующихся при выделении летучих из угля, приводит к ошибочному расчету ряда основных показа-

тедей плавки процессом РОМЕЛТ, таких как: состав газов, выходящих из ванны; состав газов после дожигания; расход угля; степень дожигания газов над ванной и др.

Особенно важно для расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ знать содержание в выделяющихся газах углеводородов, так как именно они являются источником пиролитического углерода, который наряду с фиксированным углеродом может принимать участие в окислительно-восстановительных процессах в шлаковой ванне. При математическом моделировании доменного процесса эта проблема решается проще, так как содержание летучих компонентов в коксе составляет всего лишь 0,5-1,3% (масс.). В данном случае, задание некоторого стандартного, однократно определенного состава летучих кокса не приведет к значительной ошибке. В балансовых расчетах доменной плавки принято, что в выделяющихся газах соотношение между СО и С02 близко к 2. Так, например, их состав для углей Кузнецкого и Карагандинского бассейнов принимают следующим: С02 - 13,2%; СО - 24,1%; СЩ - 0,9%; Н2 - 39,5%; N2 - 22,3% [61].

Содержание летучих компонентов в углях намного превышает их содержание в коксе и зависит от типа угля. Так в антрацитах и полуантрацитах содержание (в % на сухую массу) летучих составляет 7-Н?, в слабоспекающихся углях - 15^20, в газовых - 35-40, в длиннопламенньж - 40-М-З, а в бурых - свыше 50 [62].

Определение химического состава газа, образующегося при выходе летучих компонентов из угля при его нагреве, экспериментальным путем достаточно сложно и трудоемко, так как такие эксперименты необходимо провести для каждого типа угля, используемого в расчете.

Кроме того, установленные таким образом при нормальных условиях составы газов будут сильно отличаться от тех, которые изначально формируются при высоких температурах процесса при попадании угля в шлаковый расплав. Поэтому даже проведение таких экспериментов не позволит получить точного состава газа, выделяющегося при скоростном пиролизе угля.

Большинство работ по скоростному пиролизу посвящено определению количества и скорости выделения летучих веществ из углей различных марок в зависимости от скорости нагрева, размера угольных частиц, их влажности и др. Так в работе [63] показано, что количество выделяющихся летучих тем больше, чем выше скорость пиролиза. Большое влияние на процесс пиролиза оказывает влажность угля, которая снижает скорость его нагрева [53].

В работах [64-65] показано, что при вводе угольных частиц (шариков диаметром 15 мм) в реакционное пространство с температурой 1500 °С (печь Таммана, гелиевая атмосфера) время прогрева поверхности составляет 0,8 мин для газового угля, 0,83 мин для слабоспекающегося, 1,4 мин для тощего угля и 1,5 мин для антрацита; а время прогрева центра составляет соответственно 1,5 мин, 1,8 мин, 2,0 мин и 2,15 мин, Следовательно, средняя скорость прогрева центра частиц угля при их резком нагреве до температуры 1500°С составляет 700-1000°С/мин (12-17°С/с). Подобные скорости нагрева частиц угля наблюдаются и в процессе РОМЕЛТ, когда они попадают через загрузочное отверстие в интенсивно перемешиваемый ки-слородсодержащим дутьем расплав, температура которого составляет 1450-1550°С.

Значительно меньше исследований по определению химического состава выделяющихся летучих компонентов при скоростном нагреве угля. Летучие ком-поненты начинают выделяться из угля при температуре около 300° С. При этом, на-пример в процессе коксования (скорость нагрева угля 1^5 °С/мин) на начальной стадии из угля при 300-350°С выделяются, в основном, газы СО и СО2, а уже на за-вершающей стадии при 600°С выделяются углеводородные соединения [61].

Анализируя данные ряда публикаций о формах кислорода в органической массе углей, в работе [66] отмечается, что кислород - преобладающий элемент среди гетероатомов (N,0,S) в органической массе углей.

Рассматривается шесть ки-слородсодержащих групп в составе летучих угля: фенолъные гидроксилы (форма Офгн), карбоксильные группы (Осоон), метокси-грутшы-ОСН3 (Ооме), карбонильный кислород (Ооо)} эфирные мостики (0Эф) и кислород в гетероциклах типа фурана (Офур). Указывается, что состав образующихся при деструкции угля летучих соеди-нений напрямую зависит от того, в какой форме в угле присутствует кислород. На-пример, распад карбоксильной формы Осоон приводит к образованию СО, С02 и Н20. Образование СН4 связывают с распадом метокси-группы 00ме. Присутствие в угле Офвн и Офур обязательно приводит к выделению в качестве летучего соединения угля И-О.

Из практики коксохимического производства известно, что чем больше со-держание летучего кислорода (Олет) в угольной шихте, тем больше общее количество летучих и меньше валовый выход кокса. В зависимости от распределения форм кислорода в органической массе угольной шихты в коксовом газе могут за-

метно меняться соотношение окиси и двуокиси углерода и теплотворная способность газа [66].

Авторы работы [67] указывают на то, что основными летучими соединения-ми, которые выделяются из угля при его нагреве со скоростью МО4 °С/с, являются СО, С02, Н20. N0 и HCN, а также углеводороды - СН4, С2Н4, С2Н2. В работе [68] приводится состав газа (в %), выделившегося из бурого угля при его нагреве со скоростью 1273°С/с: 16,5 Н20; 9,5 С02; 9,4 СО; 5,4 смоль:; 1,3 СН4; 0,6 С2Н4; 0,5 Н2; и 0,9 (СгНе + СзН8 и другие углеводороды).

В работе [59] предложен расчетный метод определения состава выделяющихся летучих угля при его нагреве в шлаковом расплаве по их элементному составу. Этот метод может использоваться при расчете материального и теплового балансов жидко фазных процессов (в частности процесса РОМЕЛТ), однако он не охватывает всего многообразия соотношений компонентов в летучих углей. Так, при достаточно низких отношениях содержаний углерода и кислорода в летучих (<0,3 75), которые характерны для антрацитов и полуантрацитов, данный метод не пригоден.

Состав летучих компонентов, выделяющихся из угля в процессе жидкофаз- ного восстановления железа, может быть рассчитан на основе их элементного состава по модели [69].

При этом газовыми составляющими будут следующие: СО, С02, СН4, С2Н6, Н2, Н20, NH3, H2S и смола.

В настоящей работе разработана методика расчета состава газов, образующихся при выделении летучих компонентов из угля при его скоростном пиролизе в оксидном расплаве, по стандартным характеристикам, содержащимся в справочной литературе.

Для определения состава летучих компонентов требуется знание состава сухой массы угля, а также разделение углерода между фиксированным и летучим.

Предполагая, что кислород, водород, азот, органическая сера и часть углерода горючей массы составляют летучие компоненты (Олег=Ог, Нлет=Нг, NKeT = Nr, Зпрт = Бтпрг, СЛйТ), можно определить количество фиксированного (С^икс) и летучего углерода (С^ет) в горючей массе угля:

=(Сг + Ог + Нг+Мг +S^pi.)-7r, (26)

Слет — С ^ Сф1П.с, (27)

где Vr - содержание летучих в горючей массе угля.

Чтобы перейти от горючей массы к сухой воспользуемся соответствующим множителем для пересчета:

ar^r-^f, (28)

где 1 — [ V /Sкэлч^Сфи|;е/Слет/Олет,11лет7Nпет,Sлет J, % (масс.);

Для простоты при составлении модели выделения летучих компонентов из угля при быстром нагреве в шлаковом расплаве примем, что азот летучих выделяется в виде молекулярного азота - N2, а сера летучих выделяется в виде элементарной серы. Тогда расчет химического состава летучих сводится к определению соединений трех элементов летучих угля: углерода, кислорода и водорода. Условно примем, что эти элементы выделяются в виде следующего набора газов: СО, С02, СН4, Н2, и в некоторых случаях в виде 02 и Н2О, В том случае, если кислорода и водорода летучих не хватит, чтобы связать весь углерод летучих в соединения - СО и СН4, соответственно, остаточный углерод будет выделяться в виде пиролитиче- ского углерода (Спир).

Уравнения материального баланса для распределения С, О и Н летучих между соединениями СО, СОг, СН4, Ho, О2, Н2О и Спир имеют вид:

т(0) = | w(CO)+ж (СО 2) + гя(02)+1 и(НаО)

< m(H) = —ra(CH4) + m(H2) +—m(H20) (29)

4 9

м( С) = | m(CO) + А да(со 2) +1 ®(СН4) + т( С пнр)

где - т(О), т(С), ш(Н), т(СО), м(С02), т(СН4), т(Н2), т(02), т(Н20), ш(СПйр) - содержания кислорода, углерода, водорода, СО, С02, СН4, Н2, 02, НгО, Спир в летучих, соответственно, % (масс.);

Система содержит семь неизвестных - т(СО), т(С02), т(СН4), т(Н2), ш(02), ш(Н20), т(Стшр) и не имеет единственного решения, что требует дополнительных допущений.

Предположим, что т{СНД-/й(02)-ш(Н20)-т(С,,кр)-0, т.е. весь углерод летучих, связываясь со всем кислородом летучих, перераспределяется между СО и С02.

Допустим также, что = 2, Тогда, преобразуя: первое уравнение системы,

ш(С02)

получим:

т(С0)=~ш(0), т(С0а) = ~-ш(0). (30)

/ Idi

Весь углерод летучих будет связываться со всем кислородом летучих с образованием СО и С02 в соотношении 2:1 лишь в том случае, если:

т(С)=шт(0)- (31)

87

Если ш(С)> т(О).

то появляющийся избыточный углерод связывается с

водородом, образуя СН4. Оставшийся водород выделяется в виде Н2. Если же весь водород расходуется на образование СН4, то остаточный углерод перераспределяется между СО и СО2, меняя их соотношение в сторону > ^ ¦ При образовании избыточного углерода и в этом случае предполагаем, что он выделяется из летучих в виде Сцлр. Общая схема выделения летучих компонентов из угля с высоким содержанием в нем углерода летучего приведена на рис.9.

Рис.9. Схема выделения: летучих компонентов из угля при высоком содержании углерода

Если т(С) < , то весь углерод летучих соединяется с кислородом ле-

/я(СО')

тучих с образованием соединений СО и С02 в соотношении —- — = 2. Избыто ч-

да(СО,)

вый кислород соединяется с водородом, образуя Н20. Остаточный водород выделяется в виде молекулярного водорода. В том случае, если после связывания кислорода с водородом образуется остаточный кислород, то он перераспределяется

между СО и С02 меняя их соотношение в сторону < 2. Избыток кислорода

ш(С02)

и после подобного перераспределения приводит к тому, что одним из продуктов выделения летучих из угля будет молекулярный кислород. Общая схема выделения летучих из угля при высоком содержании в них кислорода приведена на рис. 10.

Н2

HD Рис. 10. Схема выделения летучих компонентов из угля при высоком содержании кислорода

Видно, что входными параметрами данного расчета являются массы углерода, кислорода, водорода, серы и азота летучих (соответственно ш(С), м(О), т(1Г), т(S), m(N)), а выходными - массы газов СО, С02, СН4, Н2, 02, Н20, N2, а также пи- ролитического углерода и серы (соответственно ш(СО), т(С02), т(СН4), ш(Н2), ш(02), m(H20), m(N2), т(СШ1р), m(S)).

Выражения для определения химического состава летучих компонентов угля на основе данных их элементного состава сведены в табл. 10. Выражения для определения химического состава летучих компонентов угля на основе их элементного состава 8 Я7
Ш(С)>™Т(0) 144 87
Т(С)<ШТ(<9) pq

О К о 1 87 1 144- >> пфуЫД)>%г{С) г,фУМ11)<~ЫС)

3 т(СО) 77
72 7 ^ЧО) 154

—т{С) 87 0 3 4 т(С02) 77 0 77

—т(С) 87 ^«СО т(СН,) 4Т(Н) 4Т(Н) 0 0 0 га(Н5) 0 0 1 144 о о/ 0 0 '«(Qmp) 0 0 0 0 0 m(02) 0 0 0 0 т(0)-8м(Я)~т(С) 0 М{НГО) 0 0 0 9 144

-(м(О) ш(С))

8 87 9т(Н) 9 т(Н) Для достижения более высоких технико-экономических показателей в процессе РОМЕЛТ желательно использовать угли с высоким содержанием не только

С

фшссированного углерода (Сфикс).

но и с высоким отношением ——} имеющих

Сяет

"низкий окислительный потенциал" (низкое содержание COfT (или его отсутствие) и отсутствие Н2Олет).

В табл. 11 приведены результаты расчета по разработанной методике определения химического состава летучих, выделяющихся из различных марок углей. Среди приведенных углей в антраците и полуантраците выделение летучих протеС 87

кает по схеме, изображенной на рис.10 (отношение — < —). В остальных слу-

лет 144

чаях выделение летучих протекает по схеме, приведенной на рис.9, с образованием определенного количества СНф

Известно, что степень разложения метана на пиролитический углерод и водород при разных температурах различна [60]. На рис.11 приведена зависимость степени разложения метана от температуры. В интервале температур 1400-1500 К (1127-1227° С) данная кривая описывается полиномом 2-й степени:

/ссн =1Д228-Г-У -1,4862 • Г—-—-) + 0,3611, (32)

CHi lioooj uoooj v J

а в интервале температур 1500-2000 К (1227-1727°С) - полиномом 6-й степени: /с™ = 4,111-f—^—l - 37,392-(-^Н +125,908 ¦ f—1 -171,42-f-—) +

Ст4 uoooj Uoooj Uoooj Uoooj

+ 11Д44-|-^-] +185,669-| -I-j-124,65

uoooj uoooj

где kCHi - степень разложения метана при температуре Т, К, (доли ед., масс.).

Так в интервале рабочих температур в агрегате РОМЕЛТ - 1400-1550 °С - величина к^ изменяется от 91,1% до 96,0%. Часть метана (8,9% и 4,0%), неразло-

жившаяся в шлаковой ванне при данной температуре, выходит из расплава в зону дожигания, где дожигается кислородом верхних фурм.

В табл.11 также приведен расчет общего количества углерода угля (Сфикс +С?Н4 +Спир), принимающего участие в реакциях горения, восстановления и

др., в зависимости от величины к^- доли хшролитического углерода, участвующей

Расчет состава летучих, выделяющихся из углей различных марок Бассейн Кузнец- кнй Челябин-ский Кузнец-кий Печор-ский Кузнец-кий Канско- Ачинский Южно- Ураль-ский Марка угля А ПА СС Ж Г Б ? Исходные данные уг 7,0 9,0 14,50 35,2 41,0 48,0 65,0 Техни- - Ас 13,0 15,50 15,00 36,2 27,0 11,5 15,0 чеикш!

анализ, % СО

общ 0,4 0,8 0,6 2,0 0,6 0,7 1,7 wp 10,0 8,0 6,0 6,5 12,0 40,5 56,0 sr

дОЛЧ 0,2 0,6 0,3 2,0 0,4 0,6 1,0 Горю орг 0,2 0,4 0,4 0,9 0,4 0,2 1,0 чая сг 93,0 91,2 90,8 79,7 80,0 69,5 69,5 масса нг 2,0 3,8 4,3 5,3 5,9 4,9 6,3 Nr 1,3 1,0 2,1 2,8 2,9 0,7 0,7 ог 3,3 3,0 2Д 9,3 10,4 24 Д 21,5 Результаты расчета Содер-жание в сухой массе угля, % фикс 80,74 76,39 72,42 40,07 42,78 45,49 28 90 гс

"--лет 0,17 0,68 4,76 10,78 15,62 16,02 30,18 не

лет 1,74 3,21 3,66 3,38 4,31 4,34 5,36 0е лет 2,87 2,54 1,79 5,93 7,59 21,33 18,28 № лет 1,13 0,85 1,79 1,79 2,12 0,62 0,60 ^лст 0,17 0,34 0,34 0,57 0,29 ОД 8 0,85 Ас 13,00 15,50 15,00 36,20 27,0 11,50 15,00 колч 0,17 0,51 0,26 1,28 0,29 0,53 0,85 С' /0°

лег ' ^ лет 0,06 0,27 2,66 1,82 2,06 0,75 1,65 Состав летучих, % С0С 0,31 1,20 1,91 6,35 8,12 22,81 31,98 со? 0,15 0,60 0,95 3,17 4,06 11,41 0,00 сщ 0,00 0,00 4,91 9,60 14,71 4Д8 21,41 Щ 1,42 3,03 2,43 0,98 0,63 3,29 0,00 сс

пир 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0/10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Н20с 2,91 1,59 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 N° 1,13 0,85 1,79 1,79 2,12 0,62 0,60 Общее содержание угле рода (Со& Г^яет

кс ОД 80,74 76,39 72,76 40,74 43,81 45,78 30,44 0,2 80,74 76,39 73,11 41,41 44,84 46,07 31,97 0,3 80,74 76,39 73,45 42,08 45,87 46,37 33,51 0,4 80,74 76,39 73,79 42,76 46,90 46,66 35,04 0,5 80,74 76,39 74,14 43,43 47,93 46,95 36,58 0,6 80,74 76,39 74,48 44,10 48,95 47,24 38,11 0,7 80,74 76,39 74,82 44,77 49,98 47,54 39,65 0,8 80,74 76,39 75,17 45,44 51,01 47,83 41,18 0,9 80,74 76,39 75,51 46,11 52,04 48,12 42,72 1,0 80,74 76,39 75,86 46,79 53,07 48,41 44,25

в вышеупомянутых реакциях, при температуре шлакового расплава 1450° С (fcCH4 =0,9328), Так, например, для бурого угля Южно-Уральского бассейна данное

количество углерода при к."" =0 составит 28,9%, а при ??ет= 0,8 это количество углерода составит уже 41,18%, что может уменьшить расход угля на процесс более чем в 1,4 раза, Очевидно, что необходимо стремиться к достижению максимальной величины А™. Это позволит снизить расход топлива на процесс и, следовательно, затраты на производство чугуна РОМЕЛТ.

0,9

0,8

§

Я

О 0,7 §

0,6 а 0,5

0,4 2000

1400

1500

1900

1600 1700 1800 Температура, К

Рис. 11. Зависимость степени разложения метана от температуры [60] В зависимости от условий плавки, интенсивности перемешивания шлакового расплава, степени вовлечения частиц угла в нижние слои шлаковой ванны и др. доля пиролитического углерода летучих угля, участвующего в окислительно- восстановительных процессах в шлаковом расплаве (к™), будет различной.

<< | >>
Источник: Бабкин Дмитрий Геннадьевич. его моделирование с целью совершенствования технологии [Электронный ресурс]: Дис. ... канд. техн. наук 05.16.02 .—М.: РГБ, 2003(Из фондов Российской Государственной Библиотеки). 2003

Еще по теме 3.1. Методика расчета состава газа при скоростном пиролизе угля в оксидном расплаве:

  1. § 2.1.7. МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОБУЧЕНИИ ХИМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ РОЛЬ ЗАДАЧ В ОБУЧЕНИИ ХИМИИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
  2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
  4. 1.2. Методы зонального расчета балансов процесса РОМЕЛТ
  5. 3.1. Методика расчета состава газа при скоростном пиролизе угля в оксидном расплаве
  6. 3.2. Методика эксперимента по определению роли летучих компонентов угля в процессе жидко фазного восстановленияОписание экспериментальной установки.
  7. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГОБАЛАНСОВ И ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИПРОЦЕССА РОМЕЛТ
  8. 4.2.3, Вспомогательные параметры.
  9. 4.3.4. Расчет количества и состава газа, выходящего из ванны.
  10. 4.3.6. Расчет температуры и состава газов после дожигания.
  11. 4.5. Расчет дожигания газов в котле-утилизаторе
  12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  13. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников
  14. 1.3. Процессы полностью жидкофазного восстановления железа
  15. 6.1.2. Удаление серы в газовую фазу.
  16. 7. МЕТОДИКА ЗОНАЛЬНОГО РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА
  17. 7.2.7. Образование соединений азота, фтора и мышьякаи очистка от них дымовых газов