własności koksownicze węgla, chemia, surowce i nośniki energii (węgiel koks ropa naftowa olej napędowy)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
„Technologia chemiczna - surowce i nośniki energii” LABORATORUM WŁASNOŚCI KOKSOWNICZE WĘGLA Ćwiczenie W2 1 1. Wstęp Koksowanie jest to proces termicznego odgazowania węgla lub mieszanki węglowej w temperaturze ok. 1000°C bez dostępu powietrza. Oprócz spalania, koksowanie należy do procesów technologicznych o największym znaczeniu praktycznym spośród wszystkich przemysłowych metod chemicznej przeróbki paliw stałych. Głównym celem tego procesu jest wytworzenie koksu kawałkowego o dużej wytrzymałości mechanicznej stanowiącego podstawowy reagent chemiczny i nośnik energii cieplnej w przetwórstwie rud żelaza (tzw. koks wielkopiecowy), odlewnictwie (tzw. koks odlewniczy) oraz, ostatnio coraz powszechniej stosowanym, przetwórstwie skał bazaltowych na mineralne materiały izolacyjne (tzw. koks specjalny). Znacznie mniejsze ilości koksu stosuje się do aglomeracji (spiekania) rud żelaza, w metalurgii rud metali nieżelaznych, jako źródło energii cieplnej w przemyśle i gospodarstwach domowych, jako surowiec chemiczny do wytwarzania karbidu i gazów w gazogeneratorach oraz do produkcji materiałów grafitowych. Otrzymanie koksu kawałkowego o dobrej wytrzymałości mechanicznej i odpowiedniej reaktywności chemicznej wymaga użycia do procesu koksowania węgli charakteryzujących się zdolnością przechodzenia w stan plastyczny podczas ogrzewania bez dostępu powietrza w obszarze temperatur 350-500 0 C. Właściwości takie wykazują jedynie węgle kamienne zajmujące środkową pozycję w skali uwęglenia. W polskiej klasyfikacji są to: - węgiel gazowy (typ 33), - węgiel gazowo-koksowy (typ 34), - węgiel ortokoksowy (typ 35), - węgiel metakoksowy (typ 36), - węgiel semikoksowy (typ 37), nazywane potocznie węglami koksującymi . Pozostałe typy węgla kamiennego, węgiel brunatny oraz antracyt, w czasie obróbki termicznej, dają koks pylisty, nie spieczony lub o małej wytrzymałości mechanicznej, nie mający zastosowania w przemyśle koksochemicznym. W praktyce, surowcem do otrzymywania koksu jest mieszanka kilku typów węgli koksujących dobierana w takich proporcjach, aby otrzymać produkt o ściśle określonych parametrach użytkowych, żądanych przez odbiorcę. Również wysokouwęglone węgle kamienne oraz miał koksowy mogą być w małej ilości dodawane do mieszanki koksowniczej jako tzw. składniki schudzające . 2 O wielkości kawałków koksu (sortymencie) decyduje przede wszystkim szerokość komór koksowniczych (0,35-0,5 m). Im szersza komora tym większy sortyment produktu. Temperatura i czas koksowania pozwala w pewnym stopniu wpływać na właściwości użytkowe koksu. Typowy czas prowadzenia procesu to 12-36 godzin, a temperatura 950-1100 °C. 2. Mechanizm tworzenia się koksu Wszystkie stałe paliwa kopalne w czasie ogrzewania bez dostępu powietrza ulegają rozkładowi termicznemu z wydzieleniem produktów ciekłych i gazowych oraz utworzeniem stałej pozostałości – koksu. Zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas tworzenia się koksu zależą od rodzaju węgla (stopnia uwęglenia) i warunków prowadzenia procesu. Charakterystyczne zmiany zachodzące w tym procesie przedstawia poniższy wykres zaproponowany przez van Krevelena [3] Węgiel (<350°C) Stan plastyczny (350-500°C) Półkoks (>500°C) Stan przed Mięknienie Pęcznienie Zestalanie się Stan resolidacji mięknieniem i pęcznienie pierwotne Pierwotny stan karbonizacji Wtórny stan karbonizacji Do temperatury około 350 0 C w ogrzewanym węglu nie zachodzą żadne większe makroskopowo dostrzegalne zmiany – początkowo wydziela się woda konstytucyjna i okludowane gazy, następnie CO 2 i H 2 S, a na końcu niewielkie ilości gazów palnych i smoły. Ilość tych produktów zależy od typu węgla i szybkości jego nagrzewania. W zakresie 350-500 0 C (odgazowanie pierwotne) rozpoczyna się właściwy rozkład organicznej substancji węglowej, któremu towarzyszy intensywne wydzielanie smoły, wody rozkładowej i gazu, których ilość zależy głownie od stopnia uwęglenia węgla. Paliwa z grupy węgli koksujących przechodzą w stan plastyczny, którego istotą jest topnienie (mięknienie) składników bitumicznych węgla, które tworzą z nietopliwymi składnikami huminowymi półpłynną plastyczną masę. Przebieg zjawiska plastyczności zależy od szybkości ogrzewania węgla, ilości i natury bituminów oraz własności substancji huminowych. 3 W przypadku dużej lepkości masy plastycznej, pary i gazy tworzące się w wyniku rozkładu termicznego części składników bitumicznych, wywołują jej tzw. wydymanie , podobne w efekcie do „rośnięcia” ciasta. Gdy lepkość jest mała pęcherzyki gazu przedostają się swobodnie na powierzchnię, co skutkuje osiadanie całej masy plastycznej. Gdy masa węglowa ma możliwość swobodnego wydymania mówimy o tzw. wolnym wydymaniu , a jeżeli ogrzewanie węgla wydymającego odbywa się w stałej objętości np. w komorze koksowniczej, na ściany komory będzie wywierane ciśnienie, zwane ciśnieniem rozprężania. Ciśnienie to jest do pewnego stopnia pożądane ponieważ umożliwia przepojenie nietopniejących składników węgla składnikami topniejącymi, a tym samym homogenizację masy. Węgle o bardzo wysokim ciśnieniu rozprężania są niebezpieczne dla komory koksowniczej ze względu na możliwość uszkodzenia masywu ceramicznego pieców koksowniczych. W przypadku węgli niekoksujących zjawisko plastyczności nie występuje lub występuje w bardzo słabym stopniu. Gazy rozkładowe uchodzą przez luki istniejące pomiędzy poszczególnymi ziarnami, a powstający koks jest słabo spieczony i niewydęty – o małej przydatności technologicznej. W miarę dalszego podnoszenia temperatury plastyczna masa węgla staje się coraz mniej płynna, na skutek oddestylowania składników niżej wrzących, dalszego rozkładu bituminów i reakcji polimeryzacji związków niskocząsteczkowych. W temperaturze około 500 0 C zachodzi zjawisko resolidacji , czyli zestalenia się masy plastycznej i powstaje nietopliwy w wyższych temperaturach tzw. półkoks . Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyczne temperatury stanu plastycznego dla typowych węgli kamienny. Początkowa temperatura plastyczności (T p ) szybko rośnie ze spadkiem zawartości tzw. części lotnych, podstawowego parametru określającego stopień uwęglenia węgla (wyższe części lotne – niższa zawartość węgla w paliwie). Temperatura, w której masa plastyczna osiąga najniższą lepkość (T max ) spada niemal liniowo ze wzrostem części lotnych w paliwie. Zbliżoną charakterystykę wykazuję temperatura resolidacji masy plastycznej (T k ). 4 Rys. 1. Charakterystyczne temperatury plastyczności typowych węgli kamiennych oznaczone metodą Gieselera-Hoehnego; T p – temperatura początku plastyczności, T max – temperatura maksimum plastyczności, T k – temperatura końca plastyczności. Powyżej temperatury 500°C zachodzi rozkład termiczny półkoksu ( odgazowanie wtórne ), w wyniku czego tworzą się gazy, które torując sobie przejście przez substancję stałą powodują powstawanie w niej rys i pęknięć. Najbardziej intensywne odgazowanie półkoksu, związane głównie z wydzielaniem wodoru , a następnie metanu zachodzi w zakresie temperatur 670-720 0 C . Jednocześnie z odgazowaniem wzrasta gęstość fazy stałej, następuje przy tym kurczenie się półkoksu i koksu, co w przypadku prowadzenia procesu przemysłowego jest zjawiskiem pożądanym, ponieważ ułatwia wypychanie koksu z komory koksowniczej. 5 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |