Атты отындардың эффективті және экологиялық таза газификациялау мәселесінің қазіргі жағдайы.

Әлемдік отын энергетикалық баланстың ұзақ мерзімді болжамдарының басым бөлігі көмірдің 2050 жылға дейін сарқылатын энергия көздерінің арасындағы ең маыздысы болып қалатындығын айтып отыр. Мәлеметтерге қарағанда көмірдің әлемдік қоры 1 триллион тонна деп бағаланылып отыр.

Көмір электроэнергияның негізгі көзі болып табылады. Әлемдегі электроэнергияның 38 % пайыздан көбі көмірден өндіріледі. Тек қана АҚШ-тың өзінде көмір тозаңды ЖЭС қуаттылығы 250 миллион кВт құрайды [10]. 1998 жылы осы ЖЭС-терде 854 млн. тонна көмір жағылған. Ал, электроэнергия өндірудегі көмір үлесі 57 %-ды құрайды. 1.1-кестеде [1] мәліметтерге сәйкес отындарды тұтынудың әлемдік балансы және оның 2020 жылға дейінгі болжамы көрсетілген.

1.1-кесте – Әлемдік отын балансы

Жылы Отын Шартты отынның миллион тоннасы
Көмір
Мұнай
Табиғи газ
Прочие
Барлығы

1.1-кестеден 2000 жылмен салыстырғанда 2020 жылы көмірді тұтыну 56%-ға артуы мүмкін. Отын балансындағы көмірдің үлесінің артуы энергетикалық эффективті және экологиялық таза технологияларды ойлап табу мен оларды қолданысқа енгізуді қажет етеді. Қатты отындар мен олардың қоспаларын жағу мен термиялық өңдеудің қазіргі бар технологиялары отынды қолданудың эффективтілігі мен энергетикалық объекттердің экологиялық-экономикалық көрсеткіштерінің заманауи талаптарын қанағаттандыра алмайды.

Сапасы төмен көмірлерді көмір тозаңды қазандарда жағу көптеген қиыншылықтар тудырады. Өйткені, отындардың сапасының нашар болуы жалындану процесінің сипаттамаларына, факелдің жануының тұрақтануына және улы газдар газов (NOx, SOx, CO) мен ұшқыш күл бөлу нәтижесінде ЖЭС-тердің экологиялық-экономикалық көрсеткіштеріне кері әсерін тигізеді [11].Сонымен қатар, энергияға, әсіресе көмірсутекті отындардың бағалы түрлеріне тұтынудың жыл сайын артуы және олардың ресурстарының азаюы ғалымдардың көмірді жылу энергетикасында және химиялық өндірісте негізгі шикізат көзі ретінде қарастыруына алып келді.



Отын-энергетикалық баланста сапасы төмен отындардың үлесінің бірден артуы біздің республикамызда қатты байқалған әлемдік тенденция болып табылады. Қазақстанда энергетикалық көмірлердің үлкен қорларына ие. Қазіргі уақытта Қазақстанда және ТМД елдеріндегі ЖЭС-тің негізгі отыны төменгі сапалы көмірлер болып табылады. Олардың күлділігі, ылғалдылығы жоғары және ұшқыштары аз болады. Мұндай көмірлерді қазіргі пеш қондырғыларында жағу жалынданудың нашарлауы және зиянды газды бөлінділердің (күкірт және азот оксидтері) артуы секілді көптеген қиындықтармен қатар жүреді.

Жалындануды жақсарту және көмірдің жануын тұрақтандырудың жылу энергетикасында дәстүрлі әдістері бар: аэроқоспаны (410 К-ге дейін) және екіншілік ауаны (673 К-ге дейін) қыздыру, концентрациясы жоғары (50 кг/кг-ға дейін) көмір тозаңын кезекті қыздырумен беру және көмірді мазутпен бірге жағу[15]. Бірақ бұл әдістердің кемшіліктері де бар [16; 17]. Аэроқоспалардың температурасын 410 К-нен жоғары және екіншілік ауаны 673 К-нен жоғары температураға көтеру от алғыштығының әсерінен мүмкін емес[18].

Көміртозаңды факелді мазуттық тұрақтандыру кезінде дефицидті сұйық отынның көп мөлшері жұмсалады (25 млн. тг/жыл). Бұл көміртозаңды ЖЭС-тердің жылулық қуаттылығының 12 %-дан көбін құрайды [19; 20].



Дегенмен, қымбат және күкірті көп мазутты мұндай масштабтарда қолдану жылуды тұтынудың эффективтілігі мәселесін шешпейді. Көмір мен мазутты бірге жағу қоршаған ортаға кері әсерін тигізеді.

Болашақта мұнай мен табиғи газдармен салыстырғанда көмірдің маңызының артуын экологиялық сапасы мен меншікті жану жылуы төмен болса да, химиялық заттардың бай көзі болып табылады. Комплексті өңделуінен кейінгі соңғы өнімдерінің потенциалды спектрі жылу энергетикасында, металлургияда, химиямен құрылыс өндірісінде кеңінен қолданыс табуда.

Осылайша, жылу пайдаланудың қазіргі әдістері өзінің маңызын жойды. Қазіргі уақытта жаңа, прогрессивті, экологиялық таза технологиялар жасалынуда. Сонымен қатар, көмірді жағуға дайындау, жоғары өнімділікпен,экологиялық тазалықпен жәнеқұрылғының салыстырмалы арзандығымен сипатталатын плазмалы технологиялар кең таралды[21 - 23].

Көмірді оптималды қолдану үшін оның химиялық құрамын білу және ескеру керек. Көмірдің табиғи жолмен өсімдік негізіндегі органикалық заттардың жай ыдырау өнімі екендігі белгілі[24].

Көмірдің жасы оның метаморфизм дәрежесімен анықталады. Ол келесі ретпен өседі: торф→қоңыр көмір→жалынды көмір→газ-жалынды көмір→газды көмір→майлы көмір→ кузнечный уголь → тощий уголь → антрацит. Көмірдің негізгі химиялық элементтері: көміртек, оттек, сутек, күкірт және азот. Одан бөлек көмірді келесі құрам бөліктердің жиынтығы деп қарастыруға болады: байланыстырушы көміртек (С) + күлділік (Ас) + ұшқыштар (V) + ылғал (W) = 100 %. 1.2- кестеде қатты отынның органикалық массаның элементтік құрамы көрсетілген [25].

1.2-кесте – қатты отын құрамы

Көмір типі Элементтік құрамы, % W, % Aс, %
С Н О N S
Торф 49-60 5-8 28-48 1-4 0,1-1 80-92 70-80
Қоңыр көмір 65-75 5-8 12-30 0,5-2 0,5-3 8-63 43-60
Жалынды көмір 75-81 5,8-6,6 >9,8 1-1,5 0,5-1,5 4-8 40-45
Газ-жалынды көмір 81-85 5,6-5,8 7,3-9,8 1-1,8 0,6-1,8 2,5-4 35-40
Газды көмір 85-87,5 5,0-5,6 4,5-7,3 1-1,8 0,6-1,8 1,2-2,5 25-28
Майлы көмір 87,5-89,5 4,5-5,0 3,2-4,5 1-1,8 0,6-1,8 0,8-1,2 19-28
Кузнечный уголь 89,5-60,5 4,0-4,5 2,8-3,2 1-1,7 0,6-1,7 <1 19-24
Арық уголь 90,5-91,5 3,75-4,0 2,5-2,8 1-1,7 0,6-1,7 <1 12-14
Антрацит >91,5 <3,75 <2,5 1-1,7 0,6-1,7 <1 10-12

Көмір - күрделі табиғи қосылыс. Сондықтан оның қасиеттері теория арқылы толықтай болжанбай, эмпирикалық түрде сипатталады. Қазіргі уақытта көмірдің элементтік құрамын жылулық-техникалық қасиеттерін анықтаудың тексерілген әдістемелері бар. Көмірдің жану жылуын Менделеевтың формуласымен анықтауға болады [26]:

, (1.1)

Мұнда C, H, O, S, W – көмірдің жұмысшы массасындағы көміртек, сутек, оттек және ылғалдың масс. %) үлестері.

Көмірдегі көміртектің үлесі оның метаморфизм дәрежесі артуымен өседі: көмірдің органикалық массасы бойынша қоңыр көмірлерде - от 65 %-дан, антрациттер үшін -91 %-ға дейін. Осы қатар бойынша, сутек үлесі 8 - 4 %, оттек үлесі 30 - 2 % төмендейді. Азот пен күкірт үлесі 0,5 – 2 % және 0,5 – 3 % аралығында өзгереді, ал минералды құрамдастары – бірнеше ондаған процент аралығында өзгереді. Көмірдің органикалық заттары – битумдер, гуминді қышқыл және қалдық көмір түрінде болады. Битумдарды көмірден еріткішттермен экстракциялау арқылы алына алады. Гуминді қышқылдар сілтілерде ериді. Қалдық көмір экстракцияланбайды және сілтілерді ерімейді. Гуминді қышқылдар қоңыр көмірде көп кездеседі, ал тас көмірлерде олар жоқтың қасы.

Көмірдің органикалық қосылыстары жоғары молекулалық қосылыстар болып табылады. Қоңыр көмірде алифатты қосылыстар көп болады; керісінше тас көмірлер негізінен үлкен молекулаға біріккен ароматты құрылымдардан тұрады. Тас көмірдегі көміртектің ароматты атомдардың үлесі көмірлену дәрежесінің артуымен артады. Жалынды көмірде 80%-ке дейін болса, антрацитте 100%-ға дейін болады. Көмірлену дәрежесі төмен тас көмірлер үшін С:Н атомдық қатынасы 1:1 құраса (бензол мен метилнафталиндегі секілді), антрациттер үшін бұл қатынас 2:1 өседі (С24Н12 коронен төмен молекулалы көмірсітектегідей).

Көмірдің құрылымын анықтау үшін фенолды гдроксилды топтарды, эфирлі байланыстарды және алифатты құрылымдардың табиғатын анықтайтын түрлі химиялық әдістер қолданылады. Көмірдің құрылымы жайлы көп ақпаратты гидролиз (су буымен өңдеу), галогендеу, тотығу және көмірдің термиялық еструкциясының өнімдерінің құрамын терең ерттеу кезінде алуға болады. Сонымен қатар, рентген құрылымдық анализ, ЭПР, ЯМР, ИК, масс-спектроскопия және басқа да физикалық, физико-химиялық зерттеу әдістері олданылады. Соңғы уақытқа дейін көмір құрылымын ямр әдісімен анықтау үшін көмірден экстракция, пиролиз және гидрлеу әдісімен алынған сұйық фракцилар қолданылды. Бұл зерттеулер көмірдің құрылымы туралы жанама ақпарат берді. Соңғы жылдары арныйы аппаратура жасалынып, көмірдің қатты үлгілерінің Н1 и С13 ЯМР спектрлері алынды. С13 ЯМР әдісімен түрлі көмір үшін ароматты сақинаға кіретін көміртектің жалпы көміртекке қатынасы анықталды. ЯМР Н1 әдісімен ароматты α – және β-алифатты сутектердің қатынасы анықталды.

Көмірдің қатты үлгілерін зерттеу үшін, яғни, олардығы алифатты, гидроксидтік және ароматты сутек атомдарын анықтау үшін Фурье түрленуі бар ИК-спектроскопия әдісі де қолданылады. Жүргізілген зерттеу нәтижесінде көмірдің химиялық құрылымы туралы келесідей тұжырым жасалынды. Көмердің негізгі органикалық массасының негізгі бөлігі – ретсіз құрылымды үш өлшемді полимер болып табылады. Және, онда кеуектерде иммибилизирленген немесе полимер каркасымен донорлы-акцепторлы байланыспен байланысқан қозғалғыш мономолекулалы және аз полимерленген заттар бар. Көмірдің қатты және қозғалғыш фазалары бір-бірімен алифатты, эфирлі, тиоэфирлі, иминді көпіршелермен байланысқан фрагменттерден құралған.

1.1 суретте көмірдің органикалық массасының молекуласының келтірілген құрылымы көрсетілген. Бұл суретте көмірдің күрделі құрылымы жайлы тек кейбір ақпарат беретін көмір молекуласының фрагменті бейнеленген. Шын көмір молекуласында мұндай мыңдаған фрагменттер бар.

1.1 –сурет – көмір молекуласының химиялық құрылымы.

Әрбір фрагмент ароматты ядро жәнеалифатты перифериялық бөліктен тұрады. Ядроға кіретін конденсирленген ароматты сақина саны көмердің көмірлену дәрежесіне тәуелді. Көмірде С = 78 % болса, ядродағы ароматты сақина саны – 2, 82 % кезінде – 3, 90% кезінде- 4, ал антрицитте ол 12-ге дейін артады. Ароматты сақинаға оттек, күкірт және азот кіруі мүмкін. Әрбір фрагменттің алифатты бөлігі қысқа алифатты тізбектер мен көпіршелерден тұруы мүмкін. Кейбір ароматты сақиналар гидрленген және гидроароматты құрылымдар түзетін болып келеді. СН3 тобының саны СН2 тобымен салыстырғанда аз. Бұл С және Н-тың ароматты емес атомдары негізінен гидроароматты құрылымдарда болатынын көрсетеді. Этиленді қос байланыс R1R2C=CR3R4 топтасуын қоспағанда мүлдем жоқ.

Оттек негізінен фенолды гидроксидтік, карбонильді және карбоксилді топ құрамына кіреді. Фенолды гидроксидтік топтардың концентрациясы көміртектің үлесі артқан сайын азайып, тіпті көміртек үлесі 89 % болса да мәні өте аз болады. Көмірде күкірт әдетте темір дисульфиді , темір сульфаты және органикалық темір түрінде кездеседі. Органикалық кукірт үлесі жалпы күкірттің 30-50%-ын құрайды. Көмер өңдеуде пириттің және органикалық топтардың күкіртсутек бөліп ыдырауы секілді күрделі процестер жүреді. Осы кезде бөлінген күкіртсутектің көмердің органталық массасымен және күл компоненттерімен әсерлесуі және күкіртсутектің пиритпен түрлі реакциялары жүреді. Азот тек көмірдің органикалық массының құрамына кіреді. Күлде кездеспейді. Азотты құрылымдардың құрылысы жөнінде тек экстракция, пиролиз, гидрлеу өнімдерінің құрамы арқылы зерттейді. Көмір пиролизінің сұйық өнімдерінде Т=770–1370 К кезінде пиридин (C5H5N) және оның туындылары, анилин (C6H5NH2), пиррол (C4H5N), нитрилдер (RCN), карбазолдар, хинолиндер, акридин, индол және оның туындылары кездеседі. Газтектес өнімдерінде амин және орын алмасқан амин топтарының пиролизі кезінде түзілетін аммиак (NH3) болады. Көмірді гидрлеу кезіндегі мәндер бойынша азот негізінен гетероциклді сақиналарды немесе екі карбоциклді сақина арасындағы көпіршелерде болатындығы анықталды. Көмірден азотты заттардың бөлінуі 10 % ұшқыштардың түзілуінен кейін басталады. Оның негізгі бөлігі ароматты сақинада, аз бөлігі-бүйірлік тізбектерде кездеседі. Көмір пиролизінің шайырының негізгі азотты қосылыстары пиридин, пиррол, нитрил, карбозол, хинолин, индолдар болып табылады. Бөлінген азот мөлшері температурадан,, қыздыру жылдамдығынан, көмір типіне тәуелді. Температураны 770К-нен 1170 К-ге көтергенде ұшқыш күйде бөлінген азот мөлшері 20-дан 80%-ға артады. Коксте қалған азот жоғары температуралы пиролиз кезінде де үзілмейтін берік байланыстармен байланысқан. Бұл азотты ұшқыш күйге ауыстыру тек кокстың су буымен немесе оны оттегінде жағу арқылы толық газификациясы кезінде ғана мүмкін болады. Көмір пирлизі кезінде бөлінген ұшқыш азот NH3, HCN, N2 түрінде болады.

Көмір құрылымының негізгі ерекшелігі – олардың кеуекті құрылымы. Жұмыс нәтижесі бойынша, көмірде кеуектің үш типі кездеседі: микрокеуек (0,0012-0,03 мкм), аралық кеуек (0,03-0,3 мкм) және макрокеуек(0,3-3 мкм). Микрокеуектердің беті үлкен болады. Және қыздырғанда оларда деструкция өнімдерінің негізгі мөлшері түзіледі. Аралық кеуектер – оеагенттер мен өнімдердің газды фазаға өтетін негзгі аналдар болып табылады. Макрокеуектер саны салыстырмалы түрде аз. Еркін масса тасымалдауға кедергі жасамайтындықтан, олардың рөлі бөлшек диаметрінің эффективті азайтуға байланысты.


1551366292404052.html
1551409200944017.html
    PR.RU™