Разработка автотермической технологии производства полукокса и активированного угля

• Автор: Морозов, Алексей Борисович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 171 с. : ил

РЕФЕРАТ
УДК 553.

Диссертация ...к-та техн. наук, 171с., 29 рис., 16 табл., 172 источника, 5 прил.

, -АВТОТЕРМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН, МАГМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, УГОЛЬ, ПОЛУКОКС, АДСОРБЕНТ, ВОССТАНОВИТЕЛЬ.
Объектом исследования являются высокотемпературные термические и термохимические процессы превращения угля в газообразные и твердые углеродсодержащие продукты. Цель работы заключается в обосновании процессов тепло- и массообмена в слое угля, методов и способов их реализации для разработки автотермической технологии получения полукокса и активированного угля.
Исследованы процессы тепло- и массообмена в слоевом аппарат, выполнено расчетно-экспериментальное обоснование новой автотермической технологии переработки угля.
При численном моделировании тепло- и массопереноса в слоевом газификаторе выявлен и исследован нестационарный эффект "обратной тепловой волны", заключающийся в движении фронта горения навстречу потоку окислителя. На основе этого эффекта разработана и реализована в промышленном масштабе новая автотермическая технология получения горючего газа, полукокса и углеродных сорбентов из низкосортных углей. Принципиальными отличиями технологического процесса, использующего эффект "обратной тепловой волны", от традиционных технологий полукоксования, слоевой газификации и производства активированных углей являются энергоэффективность, одностадийность, простота аппаратурного оформления и экологическая безопасность, так как при обратном движении фронта горения происходит полное расщепление и окисление продуктов пиролиза внутри аппарата.
Получены новые продукты - активированный уголь из КАУ и высококачественный углеродный восстановитель из длиннопламенных углей.

1 Анализ технологических процессов полукоксования и

активации углей

' 1.1 Термическая переработка угля
Л,^ ' 1.1.1 Твердые продукты термической переработки угля
‘ Ц 1.1.2 Жидкие продукты термической переработки угля
^ 1.1.3 Газообразные продукты термической переработки угля
1.2 Тенденции развития технологий полукоксования
1.2.1 Полукоксование с использованием внешнего нагрева
1.2.2 Полукоксование с использованием внутреннего нагрева
1.2.3 Полукоксование мелкодисперсных топлив
1.2.4 Термическая переработка угля без производства жидких 24 продуктов
1.3 Производство активированных углей
1.3.1 Общие сведения
1 1.3.2 Промышленные технологии получения активированных
углей
1.4 Численные методы исследования тепло-и массопереноса при
, автотермической переработке угля

1.4.1 Основные положения численного моделирования 33 автотермической переработки угля
1.4.2 Механизм взаимодействия углерода с газами и факторы, 35 влияющие на различие в реакционной способности углей
1.4.3 Математические модели тепло-и массопереноса при 36 газификации одиночной частицы
Массоперенос и химическое реагирование в порах
Моделирование гомогенных реакций
Формализованное описание выхода летучих веществ
Другие допущения и упрощения
1.4.4 Математические модели тепло-и массопереноса в слоевых 45 газификаторах
Выводы к разделу 1
Постановка задач исследований
2 Исследования эффекта "тепловой волны" в плотном слое
п “г угля
2.1 Математическая модель тепло-и массопереноса при газификации
угля в плотном слое
2.1.1 Описание модели

2.1.2 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных
' 2.2 Экспериментальное исследование эффекта "обратной тепловой
волны" в слое угля
.,4, ' 2.2.1 Описание экспериментального стенда и методика проведе-
! ' ния экспериментов
Ь 2.2.2 Результаты экспериментов по исследованию эффекта
"обратной тепловой волны" на буром угле
2.2.3 Получение полукокса из длиннопламенного кузнецкого угля 75 с использованием эффекта "обратной тепловой волны"
Выводы к разделу 2
3 Технологический процесс переработки угля
автотермическим способом с использованием эффекта "тепловой волны" (процесс "Карбоника")
3.1 Предпосылки для разработки процесса
’ 3.2 Описание технологии производства полукокса и горючего газа
3.3 Характеристики целевых продуктов - активированного угля АБГ
>’*; ' и горючего газа
- 3.4 Материальный и тепловой балансы получения активированного
угля АБГ
Выводы к разделу 3
4 Сравнение процесса "Карбоника" с технологиями термине- '
ской и термохимической переработки угля
4.1 Принципиальное отличие технологии "Карбоника" от промышлен-
ных процессов термической переработки угля
4.2 Принципиальное отличие технологии "Карбоника" от промышлен-
ных процессов производства активированных углей
Выводы к разделу 4
А Дополнительные формулы, использованные в расчетах
Б Технические условия ТУ6-00209591-443-95. Активный уголь АБГ
В Результаты экспериментальных исследований газификации бурого
, 1 угля в слоевом аппарате с использованием эффекта "обратной
V тепловой волны"
^ ' Г Характеристика углей, использованных в экспериментах
Д Акты внедрения

' - деструкция органической массы угля, крекинг и окисление летучих веществ;
- физико-химические превращения минеральной части топлива;
- гетерогенное реагирование коксового остатка.
Теплообмен частицы с окружающей средой осуществляется в основном конвекцией, молекулярной теплопроводностью и излучением. Источниками и стоками тепла служат сушка, пиролиз, гомогенное и гетерогенное реагирование.
Гетерогенные реакции - наиболее длительная стадия и самый мощный источник и сток тепла в слое угля. Реагирование коксового остатка с газами (газификация) в свою очередь является сложной совокупностью взаимосвязанных физико-химических процессов, которые можно условно разделить на две группы: массоперенос исходных и конечных продуктов реагирования и собственно химические реакции. Коксовый остаток представляет собой проницаемое для газа пористое тело, структура и свойства которого в процессе реагирования претерпевают изменения в результате гетерогенного реагирования.
Основные слагаемые массопереноса при газификации коксового остатка следующие: молекулярная и турбулентная диффузия и конвективный массоперенос в окружающем частицу пограничном слое и диффузия в порах. Гази-фицирующие агенты, продукты реагирования и пиролиза могут взаимодействовать между собой как в порах, так и в окружающем частицу пространстве.
Сложность и многообразие процессов, протекающих в слое угля, требуют учета, по крайней мере, пяти групп переменных величин: геометрических, гидродинамических, теплофизических, массообменных и химических. Известно, что критерии физического и химического подобия несовместимы /55/. Поэтому прямое физическое моделирование с использованием критериальных уравнений в этом случае неэффективно, более перспективным инструментом исследования процессов пиролиза, горения и газификации угля служит математическое моделирование с дальнейшей идентификацией параметров по экспериментальным данным.