Розроблення основ технології оксидаційного знесірчування енергетичних бурого та кам’яного вугілля

Abstract

Дисертація присвячена розробленню основ технології оксидаційного знесірчування енергетичних бурого і кам’яного вугілля в реакторі з киплячим шаром, який створює паро-повітряна суміш. Процес оксидаційного знесірчування бурого вугілля слід проводити за температур 425-450 °С, тривалості 5-10 хв і при відношенні витрати оксиданту до маси вугілля близько 0,6 м3/(кг∙год). За лінійних швидкостей руху оксиданту більше 0,012-0,019 м/с та крупності зерен бурого вугілля до 0,75 мм реакції перетворення піритної сірки, у яких бере участь кисень повітря, проходять у кінетичній області. Доведено, що перетворення сірки у сірководень, відбувається, в основному, внаслідок взаємодії піриту з високореакційноздатною органічною частиною бурого вугілля та продуктами її термічного розкладу чи газифікації. Підтверджено можливість та доцільність використання у процесі оксидаційного знесірчування кам’яного вугілля з середнім ступенем метаморфізму. Встановлено, що розміри зерен піриту та кількість неорганічної частини не впливає на ефективність процесу знесірчування кам’яного вугілля. Узагальнено результати і розроблено єдину математичну модель оксидаційного знесірчування кам’яного енергетичного вугілля високого та низького ступеня метаморфізму. Запропоновано універсальну принципову технологічну схему процесу знесірчування бурого і кам’яного вугілля та показано доцільність її застосування в енергетиці. Диссертация посвящена вопросам разработки основ технологии оксидационного обессеривания энергетических бурого и каменного угля. Окисление пиритной серы, которая в сернистых и высокосернистых углях составляет основу общей серы, проводили паро-воздушной смесью при сравнительно невысоких температурах на лабораторной установке, основным аппаратом которой был реактор с кипящем слоем. Изучено влияние основных параметров процесса обессеривания бурого угля (температуры, времени протекания процесса, отношения расхода оксиданта к массе угля, состава и скорости движения оксиданта, а также размеров частиц угля) на выход и качество основных продуктов процесса (содержание серы в угле, его зольность, влажность и выход летучих веществ, выход угля и смолы, содержание сероводорода в газах обессеривания). Изучение влияния одного из параметров на процесс проводилось его изменением при фиксированных значениях остальных. Процесс обессеривания бурого угля необходимо проводить при температурах 425-450 ºС, времени 5-10 мин., отношении объемного расхода оксиданта (м3/час) к массе угля (кг) около 0,6. Присутствие водяного пара в оксиданте практически не влияет на скорость превращения FeS2, а только повышает содержание сероводорода в газах обессеривания. Показано, что при размере зерна, менее 0,75 мм, и скорости движения оксиданта 0,012-0,019 м/с и больше процесс обессеривания протекает во внутрикинетической области. Представлено направлениє превращения серы в процессе оксидационного обессеривания бурого угля. Показано, что реакции пирита, которые приводят к образованию сероводорода, происходят вследствие его взаимодействия или продуктов термического разложения FeS2 с органической матрицей угля, что обусловлено высокой реакционной способностью органической части бурого угля. Доказано, что флотация практически не влияет на процесс оксидационного обессеривания, а обессеривание, в свою очередь, на качество обогащения разных марок каменного угля. Характер распределения и размера зерен пирита значительно влияют на обессеривание угля во время обогащения. Оксидационное обессеривание каменного угля от этих параметров не зависит, то есть происходит одинаково эффективно для вариантов, когда пирит присутствует в угле в крупных кусках или ассоциатах, и когда пирит – мелкокристаллический. На основе практических данных разработана экспериментально-статистическая модель (ЭСМ) процесса обессеривания энергетического каменного угля. Выведено адекватные уравнения зависимостей основных функций отклика (степени превращения пиритной сери (Y1) и содержания двуокиси серы в газах обессеривания (Y2)) от температуры, времени процесса, содержания водяного пара в оксиданте, отношения объемного расхода оксиданта к массе угля и содержания пиритной серы в исходном угле. На основе разработанной ЭСМ, исходя из необходимости достижения максимального степени превращения пиритной сери при следующих ограничениях функций отзыва: Y1 ≤ 90, 3 ≤ Y2 ≤ 8, предложены оптимальные условия проведения процесса обессеривания низко- и высокометаморфизованного угля, а также рядового угля, отобранного на тепловой электростанции. Составлен материальный баланс процесса обессеривания бурого и троих образцов каменного угля, для которых найдены оптимальные условия. Предложена его принципиальная технологическая схема, которую можно внедрять в производство как первую стадию двухступенчатого сжигания угля на теплоэлектростанциях или как самостоятельную установку, показано экономическую целесообразность ее использования. The dissertation deals with the development of technological basis of oxidative desulphurization of brown and black power-generating coals in the boiling-bed reactor created by air-steam mixture. The oxidative desulphurization of brown coal should be carried out at 425-450C during 5-10 minutes, with oxidant:coal mass ratio equaled to 0.6 m3/(kgh). Under the values of oxidant linear rates higher than 0.012-0.019 m/s and grains size of 0.75 mm the pyritic sulphur conversion (with air oxygen participation) proceeds in the kinetic area. It has been proved that sulphur conversion into hydrogen sulphide occurs due to the interaction between pyrite and high-reactive organic part of brown coal and products of its thermal decomposition or gasification. The possibility and advisability of using black coal with medium metamorphism degree has been confirmed. It has been established that size of pyrite grains and amount of inorganic part do not influence the efficiency of black coal desulphurization. The results have been generalized and unique mathematical model has been developed for oxidative desulphurization of black power-generating coal with high and low metamorphism degree. The universal flowsheet of the oxidative desulphurization of black and brown coals has been developed and advisability of its application in the power engineering has been shown.