Образование метана при термопереработке угольных шламов
Викладено результати аналітичних і лабораторних досліджень термодеструкції вугільних шламів з метою одержання енергетичних газів, зокрема метану. The results of the analytical and experimental investigations of thermal destruction of coal slimes in order to obtain valuable energetic gases, i.e. met...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54065 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Образование метана при термопереработке угольных шламов / В.Л. Приходченко, Е.А. Слащева, В.Я. Осенний, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 102. — С. 189-195. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859597529537052672 |
|---|---|
| author | Приходченко, В.Л. Слащева, Е.А. Осенний, В.Я. Клюев, Э.С. |
| author_facet | Приходченко, В.Л. Слащева, Е.А. Осенний, В.Я. Клюев, Э.С. |
| citation_txt | Образование метана при термопереработке угольных шламов / В.Л. Приходченко, Е.А. Слащева, В.Я. Осенний, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 102. — С. 189-195. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Викладено результати аналітичних і лабораторних досліджень термодеструкції вугільних шламів з метою одержання енергетичних газів, зокрема метану.
The results of the analytical and experimental investigations of thermal destruction of coal
slimes in order to obtain valuable energetic gases, i.e. methane were presented.
|
| first_indexed | 2025-11-27T22:11:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
189
11. Войтов Г.И. Об изотопном составе углерода угля, углекислоты и метана в Донбассе / Г.И. Войтов //
Геологический журнал, 1988. № 1 – С.30-43.
12. Тараник А.А. Особенности компонентного и изотопного состава углеводородных газов Донбасса / А.А.
Тараник, В.А. Канин // // Геотехническая механика. Межвед. сб. науч. трудов – 2008. № 80. – С. 149-152.
13. Сворень Й.М. Нова теорія синтезу і генезису природних вуглеводнів: абіогенно -біогенний дуалізм / Й.М.
Сворень, І.М. Наумко // Доп. НАН України. – 2006. № 2. С. 111-116.
14. Черский Н.В. Явление генерации углеводородов из предельно окисленнях соединений углерода и воды /
Н.В. Черский, В.П. Мельников, В.П. Царев // ДАН СССР 1986. Том 288, № 1. – С. 201-204.
УДК 662-156:004.82: 622.654.1
к.т.н., с.н.с., В.Л. Приходченко
к.т.н., с.н.с. Е.А. Слащева,
н.с., В.Я. Осенний,
асп. Э.С. Клюев
(ИГТМ НАН Украины)
ОБРАЗОВАНИЕ МЕТАНА ПРИ ТЕРМОПЕРЕРАБОТКЕ
УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ
Викладено результати аналітичних і лабораторних досліджень термодеструкції вугільних
шламів з метою одержання енергетичних газів, зокрема метану.
THE METHANE GENERATION IN PROCESSES OF THERMAL REFINING
OF COAL SLIMES
The results of the analytical and experimental investigations of thermal destruction of coal
slimes in order to obtain valuable energetic gases, i.e. methane were presented.
Постоянно растущая потребность Украины в природном газе ограничена
собственными запасами и сверхвысокой ценой российского импорта, поэтому
наблюдается тенденция к получению газообразных и жидких углеводородов из
углей, запасов которых у нас хватит на ближайшие 300 лет.
Работы ИГТМ НАН Украины в рамках бюджетных тем 1999-2012 гг. были
направлены на обоснование возможностей переработки угля низкого качества,
а затем и угольных шламов в ценное энергетическое сырье и создание
энергокомплексов по безотходной переработке углепородных отходов для
решения социально-экономических и экологических проблем предприятий
угольной отрасли.
Так как заменителем природного газа является метан, то опыт углехимии по
его получению сводится к следующим процессам [1]:
1) процессы каталитического метанирования, когда оксид углерода
гидрируют в метан на никелевых или кобальтовых катализаторах при
температуре 200-280
о
С и атмосферном давлении;
2) процессы гидрогазификации, при которых каменный или бурый уголь
совместно с водяным паром и (или) водородом превращают в метан при
высоких давлениях и температурах на отдельной установке или отдельном
блоке, входящим в общую технологическую схему газификации.
190
Процессы по первому направлению изучены с 30-х гг. ХХ века и
рассматривались как побочные реакции при синтезе жидких углеводородов по
способу Фишера-Тропша [1,2]. Метанирование путем гидрогазификации угля
непосредственно связано с процессом его газификации в среде водяного пара и
с 1920 г. проводилось на каменном и древесном угле, коксах и полукоксах в
ФРГ, США и ряде других стран. В ИГТМ НАН Украины в 2000 году проведены
аналогичные эксперименты по ожижению гумусовых и сапропелевых углей
марок Ж и Г Львовско-Волынского бассейна [3].
Однако эти процессы технологически сложны и финансово затратны,
поэтому для упрощения аппаратурного оформления процесса метанирования с
2007 года нами были проведены лабораторные исследования по
термопереработке угольных шламов Червоноградской ЦОФ в режимах
полукоксования, коксования и плазменного сжигания с целью получения
энергетических газов.
Предварительный анализ состава и свойств шламов показал, что содержание
в них углерода колеблется от 26-27%, серы – 1,7-2,8%, золы – 44-45%, выход
летучих – 33-40%, а низшая теплота сгорания составляет 13-16 МДж/кг. Так как
в данном регионе Украины добываются гумусовые и сапропелевые угли, то их
отобранные пробы также подверглись элементному и техническому анализу,
результаты которого сводятся к следующему:
– в гумусовом угле углерода содержится в количестве 78%, зольность – 2%,
выход летучих – 33%, низшая теплота сгорания – 27 МДж/кг;
– в сапропелевом угле углерода – 35%, золы – 57%, выход летучих – 52%,
низшая теплота сгорания – 12 МДж/кг.
Как видно из приведенных цифр, сапропелевый уголь и шлам относится к
высоко зольному сырью, который не находит своего промышленного
применения. Элементным анализом были определены также содержания
водорода, азота, кислорода и серы, которые послужили основой для проведения
дальнейших исследований, первым этапом которых явилось теоретическое
моделирование процессов сжигания углей и углепородных смесей при
температуре до 2500
о
С.
Данный этап проведен в соответствии с компьютерной программой
термодинамических расчетов, в которой на основании фундаментальных
законов термодинамики, сохранения массы, энергии и заряда рассчитываются
параметры образования газообразных и конденсированных веществ в
гетерогенной многокомпонентной системе [4]. При осуществлении расчетов с
учетом исходного состава углепородных смесей (шламов, а также шламов с
углями в различных соотношениях) использованы алгебраические уравнения
по определению концентрации конкретных газообразных веществ, отдельных
конденсированных компонентов, а также уравнение состояния идеального газа,
уравнение общей электронейтральности термодинамической системы,
уравнение сохранения массы химических элементов, уравнение энтропии
системы [5].
191
По результатам расчетов получены величины содержания газообразных
компонентов при терморазложении угольных шламов, а также их смесей с
углями в различных соотношениях. Так как основные горючие компоненты в
газе – это метан СН4, непредельные углеводороды CnHm, окись углерода СО и
водород Н2, именно они играют основополагающую роль в определении
величины теплоты сгорания газа.
Рассмотрим закономерности процесса выделения метана как наиболее
значимого по теплоте сгорания (рис. 1).
Как видно из результатов расчета и рис. 1, метан в коксовом газе
подвергается разложению и при температуре 500
о
С наблюдается интенсивное
выделение метана, а затем его количество заметно снижается и при
температуре 1000
о
С и выше выход метана не наблюдается.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t,
o
C
CCH4,%
1 – шлам; 2 – сапропелевый уголь: 3 – гумусовый уголь
Рис. 1 – Выход метана из шламов и углей при их термопереработке
Выделение метана из углей подчиняется той же зависимости, как и при
терморазложении отходов углеобогащения, так как с максимальных величин в
62% и 58% для гумусового и сапропелевого углей соответственно содержание
метана снижается практически до нуля при температуре 1000
о
С. Как видно, его
процентное содержание в газе при температуре 200-250
о
С на 40% выше, чем в
газе шламов.
Дальнейшее повышение температуры от 1000
о
С до 2500
о
С не сказывается на
выделение метана из шламов и углей. На рис. 2 приведены выходы метана из
совместных проб шлама с углями в разных соотношениях.
Как видно, анализ результатов исследований показал, что изменение
выхода метана от температуры при переработке гумусового и сапропелевого
углей в различных их соотношениях со шламом происходит по аналогичным
закономерностям. Однако его количественное содержание различно. Выход
метана достигает максимального значения (42 %) при соотношении шлам:
1
2
3
192
уголь, равному 1 к 2. Обобщение и анализ результатов компьютерного
моделирования позволяет утверждать, что в диапазоне 200-2500
о
С
соблюдаются общие тенденции термического разложения исследуемого
углепородного материала. В соотношениях шлама с гумусовым или
сапропелевым углем характер образования газов идентичен, а процентный
выход метана оказался больше при использовании гумусового угля [6].
Таким образом, состав коксового газа подвержен значительным колебаниям
в зависимости от влияния двух факторов:
а) б)
1 – шлам-уголь – 2: 1; 2 – шлам-уголь – 1: 1; 3 – шлам-уголь – 1: 2
Рис. 2 – Выход метана при термической переработке комплексной пробы гумусового угля
(а) со шламом и сапропелевого угля (б) со шламом в различных соотношениях
– различие природы и исходного состава исследуемого материала, что
оказывает заметное влияние на выход метана при низкотемпературном
пиролизе; в высокотемпературных процессах переработки топлив это влияние
менее заметно;
– температура коксования, которая в первую очередь определяет
соотношение между водородом и метаном; чем выше температура коксования,
тем больше в коксовом газе водорода и меньше метана.
Лабораторный эксперимент по изучению влияния условий пиролиза шламов
и некондиционных углей Львовско-Волынского бассейна на выход и состав
продуктов их разложения был проведен в трех основных температурных
режимах:
– низкотемпературного пиролиза в режиме широко освоенного в
промышленности процесса полукоксования, который реализуется по
стандартной методике в условиях недостатка кислорода с конечной
температурой нагрева 520 –550
о
С, способствующего, в общем случае,
максимальному выходу смол и твердого остатка с минимальным выходом газа
полукоксования с высокой теплотой сгорания;
– среднетемпературного пиролиза с конечной температурой нагрева до
1000
о
С в режиме промышленного среднетемпературного коксования,
способствующего уменьшению выхода твердых и жидких продуктов, но
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t,
o
C
ССН4, %
3
2
1
0
5
10
15
20
25
30
35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t,
o
C
ССН4, %
1
2
3
193
увеличению выхода объема газа до 10 раз, по сравнению с предыдущим
режимом с уменьшенной его теплотой сгорания;
– плазменного сжигания (газификации) в режиме нагрева до 2500
о
С.
Рассмотрим результаты наиболее обширных и обстоятельных
экспериментальных исследований, проведенных в режиме коксования шлама,
углей и их проб в различных соотношениях. Параметры газа коксования, а
именно объемы и состав, из шламов и углей детально представлено в отчетах
[5,6]. В данной статье нас интересует, прежде всего, динамика выхода метана
по мере увеличения температуры нагрева (рис. 3 и 4).
а) б)
1 – гумусовый уголь; 1 – шлам усредненный;
2 – сапропелевый уголь; 2 – проба №2;
3 – проба №3;
4 – проба № 8
Рис. 3 – Изменение содержания из углей (а) шламов (б) от температуры коксования
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
400 500 600 700 800 900
t,
o
С
СCН4, %
1
2
0
10
20
30
40
50
60
400 500 600 700 800 900
t,
o
С
ССН4, %
1
4
3
2
0
5
10
15
20
25
30
400 500 600 700 800 900
t,
o
С
ССН4, %
1
4
3
2
0
1
2
3
4
5
6
7
400 500 600 700 800 900
t,
o
С
ССnНm, %
2
1
4
3
CCH4 %
194
1 – уголь; 2 – шлам-уголь = 2: 1; 3 – шлам-уголь = 1: 1; 4 – шлам-уголь = 1: 2
Рис. 4 – Динамика выхода метана при совместном коксовании проб шлам-гумусовый
уголь (а) и шлам-сапропелевый уголь (б) от температуры нагревания
В углях и шламах характер изменения концентрации метана по мере
увеличения температуры аналогичен теплоте сгорания коксового газа. Так,
в гумусовых углях постепенно снижается по экспоненциальной
зависимости, а в сапропелевых – слабо повышается при температуре свыше
600
о
С (рис. 3а). Характер изменения выхода метана из исследованных проб
шлама практически совпадает с характером изменения теплоты сгорания
тех же проб (рис. 3б).
В совместной пробе шлама с гумусовым углем (рис. 4а) выход метана
носит достаточно сложный характер с однозначным максимумом его
содержания на 600
о
С для всех проб. Минимальные значения содержания
метана, как и теплоты сгорания газа коксования, отмечены в пробе с
наибольшим содержанием шлама. При увеличении температуры свыше
600
о
С количество метана в газе комплексной пробы шлам-гумусовый уголь
постепенно уменьшается в 1,5-2,0 раза относительно первоначального. В
комплексных пробах шлама с сапропелевым углем в диапазоне 400 – 900
о
С
прослеживается следующие закономерности (рис. 4б). При двукратном
превышении в комплексной пробе содержания шлама концентрация метана
плавно снижается с небольшим минимумом на 600
о
С, а в пробах шлам-
сапропелевый уголь по мере роста температуры нагрева происходит
экспоненциальное уменьшение выхода метана, а в пробе с максимальным
содержанием угля – практически постоянен, что аналогично характеру
теплоты сгорания газа коксования.
Выводы.
1 Теоретическими расчетами и лабораторными исследованиямии
угольных шламов и проб шламов с углями различного состава в разных
соотношениях доказано выделение из них при наревании энергетических
газов, в составе которых присутствует метан.
2 Теоретическим моделированием процессов нагрева шламов, углец и их
смесей в различныъ соотношениях показан выход метана, концентрация
которого в каждой конкретной пробе максимальна при 250-350 ° С и имеет
тенденцию снижения к 1000 ° С не зависимо от исходного состава
углепородного сырья.
3 По результатам лабораторного коксования проб угольных шламов и
шламов с углями получены распредедления выхода метана в газе при
нагреве проб от 400 ° С до 900 ° С, которые хависят от исходного состава
смеси.
4 Во всех комплексных пробах шлам-уголь выход метана при нагреве от
400 ° С до 900 ° С выше, чем из углей в 1,5-4 раза, что увеличивает теплоту
195
сгорания газа коксования, при этом чем выше в исходной углепородной
смеси содержание угля, тем больше выделяется метана.
5 При коксовании углей или других углепородных смесей происходит
взаимодействие промежуточных продуктов термодеструкции одного угля с
поверхностью зерен (или их остатков) другого угля, а также
промежуточных продуктов термодеструкции разных углей между собой; в
итоге образующиеся продукты при нагревании сложной углепородной
смеси представляют собой не механическую сумму составляющих, а
единую систему с новыми свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химические вещества из угля // Под ред. И.В. Калечица. – М.: Химия, 1980. – 616 с.
2. Химическая технология твѐрдых горючих ископаемых: учеб. пособие // Под ред. Г. Н. Макарова, Г. Д.
Харламповича. – М.: Химия, 1986. – 496 с.
3. Приходченко, В.Л. Результаты исследования термодеструкции низкосортных углей и угольных шламов /
В.Л. Приходченко, Е.А. Слащева, В.Я. Осенний, Н.В. Коваль // Геотехническая механика. – Днепропетровск:
ИГТМ НАНУ, 2010. – Вып. 85. – С. 154 – 160.
4. Применение ЭВМ для термодинамических расчѐтов металлургических процессов / Синярев Г. Б., Ватолин
Н.А., Трусов Б. Г., Моисеев Г.К. – М.: Наука, 1982. – 221 с.
5. Обосновать и определить базовые варианты комплексной утилизации шламов и некондиционных углей,
выполнить лабораторные исследования основных параметров термической переработки шламов и
некондиционных углей (на базе сырья Червоноградской обогатительной фабрики): Отчѐт о НИР
(промежуточный) ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины; Руководитель А.Ф. Булат. – Днепропетровск, 2009. –
155 с. - № 0107U002003; инв № 6959.
6. Разработать исходные данные на проектирование энерготехнологического комплекса утилизации шламов
и некондиционных углей: Отчѐт о НИР (заключительный) ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины; Руководитель
А.Ф. Булат. – Днепропетровск, 2009. – 155 с. - № 0107U002003; инв № 7112.
УДК 553.94:622.324
Д-р геол. наук В.Ф. Приходченко
(НГУ),
канд. геол. наук С.Ю. Приходченко
(ИГТМ НАН Украины)
ВЛИЯНИЕ ЛИТОЛОГИИ НА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНА В
УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩЕ
Розглянутий вплив літології на перерасподіл метану у вугільних пластах на шахтах
Красноармійського району Донбасу.
THE INFLUENCE OF LITOLOGY ON METHANE RE-DISTRIBUTION IN
COAL-CONTAINED SEAM
The influence of litology on methane re-distribution in coal beds on the mines of
Krasnoarmeysk region of Donbas were considered.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-54065 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T22:11:43Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Приходченко, В.Л. Слащева, Е.А. Осенний, В.Я. Клюев, Э.С. 2014-01-29T22:15:04Z 2014-01-29T22:15:04Z 2012 Образование метана при термопереработке угольных шламов / В.Л. Приходченко, Е.А. Слащева, В.Я. Осенний, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 102. — С. 189-195. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54065 662-156:004.82: 622.654.1 Викладено результати аналітичних і лабораторних досліджень термодеструкції вугільних шламів з метою одержання енергетичних газів, зокрема метану. The results of the analytical and experimental investigations of thermal destruction of coal slimes in order to obtain valuable energetic gases, i.e. methane were presented. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Образование метана при термопереработке угольных шламов The methane generation in processes of thermal refining of coal slimes Article published earlier |
| spellingShingle | Образование метана при термопереработке угольных шламов Приходченко, В.Л. Слащева, Е.А. Осенний, В.Я. Клюев, Э.С. |
| title | Образование метана при термопереработке угольных шламов |
| title_alt | The methane generation in processes of thermal refining of coal slimes |
| title_full | Образование метана при термопереработке угольных шламов |
| title_fullStr | Образование метана при термопереработке угольных шламов |
| title_full_unstemmed | Образование метана при термопереработке угольных шламов |
| title_short | Образование метана при термопереработке угольных шламов |
| title_sort | образование метана при термопереработке угольных шламов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54065 |
| work_keys_str_mv | AT prihodčenkovl obrazovaniemetanapritermopererabotkeugolʹnyhšlamov AT slaŝevaea obrazovaniemetanapritermopererabotkeugolʹnyhšlamov AT osenniivâ obrazovaniemetanapritermopererabotkeugolʹnyhšlamov AT klûevés obrazovaniemetanapritermopererabotkeugolʹnyhšlamov AT prihodčenkovl themethanegenerationinprocessesofthermalrefiningofcoalslimes AT slaŝevaea themethanegenerationinprocessesofthermalrefiningofcoalslimes AT osenniivâ themethanegenerationinprocessesofthermalrefiningofcoalslimes AT klûevés themethanegenerationinprocessesofthermalrefiningofcoalslimes |