Отримання біококсу

Хімічна технологія

ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА АЛЬТЕРНАТИВНИХ

ВИДІВ ПАЛИВ

2017

2

АНОТАЦІЯ

В розвинених країнах використання біомаси відіграє значну роль в

отриманні палив та відновників для металургії та хімічній промисловості Вчені

світу активно вивчають питання використання вуглецевих матеріалів

отриманих з біомаси як замінників горючих копалин в високотемпературних

процесах Щодо вітчизняних напрацювань з цього напрямку то вони

стосуються як правило спалювання та пелетування біомаси

Дослідження спрямовані на розробку способів використання в

металургійних процесах вуглецевих матеріалів отриманих з поновлювальної

сировини ndash продуктів переробки рослинної біомаси Показано що шляхом

додавання біомаси до вугілля можуть бути отримані біовідновники біопаливо

та біококс заданих властивостей для використання у металургійних процесах

Особливістю досліджень є використання як сировини палива і

відновників продуктів отриманих з відходів переробки рослинної біомаси

замість частки горючих копалин Запропонований підхід дозволить знизити

залежність металургії від горючих копалин та продуктів їх переробки

утилізувати відходи переробки біомаси створити нові робочі місця та значно

скоротити викиди шкідливих газів у високотемпературних металургійних

процесах

Мета роботи ndash вивчення впливу біомаси на спікливі властивості вугілля і

якість отриманих палив і відновників

Наукова робота складається зі вступу анотації шести основних розділів

висновку і списку використаної літератури загальний обсяг роботи ndash 29 с у

тому числі 7 таблиць вісім рисунків та список використаних літературних

джерел ndash 17

Ключові слова рослинна біомаса вугілля пелети піроліз паливо

відновники вихід вуглецевого залишку міцність

3

Зміст

Вступ 4

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

2 Вимоги до металургійного палива та відновників 9

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля 10

4 Структурні формули рослинної біомаси 14

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

16

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси 16

52 Визначення дилатометричних показників на приладі ІГК-ДМетІ-4 18

53 Визначення індексу Рога 21

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси 23

Висновки 26

Перелік посилань 27

4

Вступ

Попит на енергію та сировину в промисловості постійно зростає при

одночасному виснаженні природного потенціалу Тому питання раціонального

використання горючих копалин в індустріальному суспільстві з часом тільки

підвищуватимуться в актуальності Зараз на одного жителя Землі на рік

видобувається 10 т природних копалин з яких лише 1 використовуються

ефективно Інша частина забруднює атмосферу ґрунт водойми [1]

Як відомо металургійні виробництва ndash це значний споживач горючих

копалин палива і відновників з них При цьому різні виробництва чорної

кольорової металургії та хімічної промисловості висувають свої вимоги до

палива та відновників які у деяких випадках мають протилежну направленість

[2]

В умовах підвищення вартості традиційних вуглецевих відновників а

також враховуючи вплив використання горючих копалин на утворення

парникових газів вирішенням проблеми отримання відновників потрібної

якості може стати застосування поновлювальних СО2-нейтральних речовин

таких як рослинна біомаса

Вченими світу активно вивчаються можливості використання біомаси в

енергоємних металургійних процесах у тому числі питання отримання

біококсу для доменного та інших виробництв [3 4]

Використання біомаси в металургійних процесах може бути направлене

на вирішення низки актуальних питань утилізація відходів переробки біомаси

скорочення витрат камrsquoяного вугілля і природного газу в металургійних

процесах скорочення викидів шкідливих газів отримання вуглецевих

матеріалів з кращими характеристиками за існуючі аналоги [5]

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

При вивченні питання використання біомаси при спільній переробці з

камяним вугіллям з метою отримання палив і відновників заданої якості

необхідне правильне теоретично обґрунтоване з підтвердженням практикою

розуміння процесів термічної деструкції суміші з утворенням твердого залишку

і хімічних продуктів (смоли сирого бензолу та ін) Для цього необхідно

правильне уявлення про структуру вугілля процесах його термічного

розкладання зокрема процесів спікання а також про структуру добавки її

хімічних і фізичних характеристиках Представляє науковий і практичний

інтерес спільне коксування вугілля з біомасою і встановлення вплив біомаси на

вихід і якість коксу

В якості добавки до вугільної шихти для коксування може

використовуватися біомаса Застосування біомаси може дозволити розширити

можливості коксохімічного виробництва і отримувати кокс різної якості для

широкого кола виробничих процесів

У публікації [6] відзначається що після 2025 р значна частина існуючих

інтегрованих підприємств досягне 60-річного вікової межі і будуть виведені з

експлуатації природним шляхом Однак за 2040-2060 рр доменні печі із

загальним обсягом виробництва близько 200 млн т в рік будуть виведені з

експлуатації так і не досягнувши кінцевої амортизації а в період 2020-2070 рр

не буде потреби в будівництві нових доменних печей

Відома практика розробки біококсу для заміни камrsquoяновугільного коксу в

доменному виробництві [7] в якості альтернативного викопного енергоносія

Головними ресурсами для виробництва біококса є кора і тирса деревини

відходи виробництва чаю кави та олійної промисловості Розробка технології

виробництва біококсу нового покоління дозволяє у перспективі замінити

біококсом 20 камяновугільного коксу в доменному виробництві чавуну Цей

новий замінник являє собою однорідну речовину з малим розкидом фізичних

властивостей і має перспективи стабільного попиту при вирішенні постачання

сировини для його виробництва

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

2

АНОТАЦІЯ

В розвинених країнах використання біомаси відіграє значну роль в

отриманні палив та відновників для металургії та хімічній промисловості Вчені

світу активно вивчають питання використання вуглецевих матеріалів

отриманих з біомаси як замінників горючих копалин в високотемпературних

процесах Щодо вітчизняних напрацювань з цього напрямку то вони

стосуються як правило спалювання та пелетування біомаси

Дослідження спрямовані на розробку способів використання в

металургійних процесах вуглецевих матеріалів отриманих з поновлювальної

сировини ndash продуктів переробки рослинної біомаси Показано що шляхом

додавання біомаси до вугілля можуть бути отримані біовідновники біопаливо

та біококс заданих властивостей для використання у металургійних процесах

Особливістю досліджень є використання як сировини палива і

відновників продуктів отриманих з відходів переробки рослинної біомаси

замість частки горючих копалин Запропонований підхід дозволить знизити

залежність металургії від горючих копалин та продуктів їх переробки

утилізувати відходи переробки біомаси створити нові робочі місця та значно

скоротити викиди шкідливих газів у високотемпературних металургійних

процесах

Мета роботи ndash вивчення впливу біомаси на спікливі властивості вугілля і

якість отриманих палив і відновників

Наукова робота складається зі вступу анотації шести основних розділів

висновку і списку використаної літератури загальний обсяг роботи ndash 29 с у

тому числі 7 таблиць вісім рисунків та список використаних літературних

джерел ndash 17

Ключові слова рослинна біомаса вугілля пелети піроліз паливо

відновники вихід вуглецевого залишку міцність

3

Зміст

Вступ 4

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

2 Вимоги до металургійного палива та відновників 9

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля 10

4 Структурні формули рослинної біомаси 14

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

16

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси 16

52 Визначення дилатометричних показників на приладі ІГК-ДМетІ-4 18

53 Визначення індексу Рога 21

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси 23

Висновки 26

Перелік посилань 27

4

Вступ

Попит на енергію та сировину в промисловості постійно зростає при

одночасному виснаженні природного потенціалу Тому питання раціонального

використання горючих копалин в індустріальному суспільстві з часом тільки

підвищуватимуться в актуальності Зараз на одного жителя Землі на рік

видобувається 10 т природних копалин з яких лише 1 використовуються

ефективно Інша частина забруднює атмосферу ґрунт водойми [1]

Як відомо металургійні виробництва ndash це значний споживач горючих

копалин палива і відновників з них При цьому різні виробництва чорної

кольорової металургії та хімічної промисловості висувають свої вимоги до

палива та відновників які у деяких випадках мають протилежну направленість

[2]

В умовах підвищення вартості традиційних вуглецевих відновників а

також враховуючи вплив використання горючих копалин на утворення

парникових газів вирішенням проблеми отримання відновників потрібної

якості може стати застосування поновлювальних СО2-нейтральних речовин

таких як рослинна біомаса

Вченими світу активно вивчаються можливості використання біомаси в

енергоємних металургійних процесах у тому числі питання отримання

біококсу для доменного та інших виробництв [3 4]

Використання біомаси в металургійних процесах може бути направлене

на вирішення низки актуальних питань утилізація відходів переробки біомаси

скорочення витрат камrsquoяного вугілля і природного газу в металургійних

процесах скорочення викидів шкідливих газів отримання вуглецевих

матеріалів з кращими характеристиками за існуючі аналоги [5]

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

При вивченні питання використання біомаси при спільній переробці з

камяним вугіллям з метою отримання палив і відновників заданої якості

необхідне правильне теоретично обґрунтоване з підтвердженням практикою

розуміння процесів термічної деструкції суміші з утворенням твердого залишку

і хімічних продуктів (смоли сирого бензолу та ін) Для цього необхідно

правильне уявлення про структуру вугілля процесах його термічного

розкладання зокрема процесів спікання а також про структуру добавки її

хімічних і фізичних характеристиках Представляє науковий і практичний

інтерес спільне коксування вугілля з біомасою і встановлення вплив біомаси на

вихід і якість коксу

В якості добавки до вугільної шихти для коксування може

використовуватися біомаса Застосування біомаси може дозволити розширити

можливості коксохімічного виробництва і отримувати кокс різної якості для

широкого кола виробничих процесів

У публікації [6] відзначається що після 2025 р значна частина існуючих

інтегрованих підприємств досягне 60-річного вікової межі і будуть виведені з

експлуатації природним шляхом Однак за 2040-2060 рр доменні печі із

загальним обсягом виробництва близько 200 млн т в рік будуть виведені з

експлуатації так і не досягнувши кінцевої амортизації а в період 2020-2070 рр

не буде потреби в будівництві нових доменних печей

Відома практика розробки біококсу для заміни камrsquoяновугільного коксу в

доменному виробництві [7] в якості альтернативного викопного енергоносія

Головними ресурсами для виробництва біококса є кора і тирса деревини

відходи виробництва чаю кави та олійної промисловості Розробка технології

виробництва біококсу нового покоління дозволяє у перспективі замінити

біококсом 20 камяновугільного коксу в доменному виробництві чавуну Цей

новий замінник являє собою однорідну речовину з малим розкидом фізичних

властивостей і має перспективи стабільного попиту при вирішенні постачання

сировини для його виробництва

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

3

Зміст

Вступ 4

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

2 Вимоги до металургійного палива та відновників 9

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля 10

4 Структурні формули рослинної біомаси 14

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

16

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси 16

52 Визначення дилатометричних показників на приладі ІГК-ДМетІ-4 18

53 Визначення індексу Рога 21

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси 23

Висновки 26

Перелік посилань 27

4

Вступ

Попит на енергію та сировину в промисловості постійно зростає при

одночасному виснаженні природного потенціалу Тому питання раціонального

використання горючих копалин в індустріальному суспільстві з часом тільки

підвищуватимуться в актуальності Зараз на одного жителя Землі на рік

видобувається 10 т природних копалин з яких лише 1 використовуються

ефективно Інша частина забруднює атмосферу ґрунт водойми [1]

Як відомо металургійні виробництва ndash це значний споживач горючих

копалин палива і відновників з них При цьому різні виробництва чорної

кольорової металургії та хімічної промисловості висувають свої вимоги до

палива та відновників які у деяких випадках мають протилежну направленість

[2]

В умовах підвищення вартості традиційних вуглецевих відновників а

також враховуючи вплив використання горючих копалин на утворення

парникових газів вирішенням проблеми отримання відновників потрібної

якості може стати застосування поновлювальних СО2-нейтральних речовин

таких як рослинна біомаса

Вченими світу активно вивчаються можливості використання біомаси в

енергоємних металургійних процесах у тому числі питання отримання

біококсу для доменного та інших виробництв [3 4]

Використання біомаси в металургійних процесах може бути направлене

на вирішення низки актуальних питань утилізація відходів переробки біомаси

скорочення витрат камrsquoяного вугілля і природного газу в металургійних

процесах скорочення викидів шкідливих газів отримання вуглецевих

матеріалів з кращими характеристиками за існуючі аналоги [5]

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

При вивченні питання використання біомаси при спільній переробці з

камяним вугіллям з метою отримання палив і відновників заданої якості

необхідне правильне теоретично обґрунтоване з підтвердженням практикою

розуміння процесів термічної деструкції суміші з утворенням твердого залишку

і хімічних продуктів (смоли сирого бензолу та ін) Для цього необхідно

правильне уявлення про структуру вугілля процесах його термічного

розкладання зокрема процесів спікання а також про структуру добавки її

хімічних і фізичних характеристиках Представляє науковий і практичний

інтерес спільне коксування вугілля з біомасою і встановлення вплив біомаси на

вихід і якість коксу

В якості добавки до вугільної шихти для коксування може

використовуватися біомаса Застосування біомаси може дозволити розширити

можливості коксохімічного виробництва і отримувати кокс різної якості для

широкого кола виробничих процесів

У публікації [6] відзначається що після 2025 р значна частина існуючих

інтегрованих підприємств досягне 60-річного вікової межі і будуть виведені з

експлуатації природним шляхом Однак за 2040-2060 рр доменні печі із

загальним обсягом виробництва близько 200 млн т в рік будуть виведені з

експлуатації так і не досягнувши кінцевої амортизації а в період 2020-2070 рр

не буде потреби в будівництві нових доменних печей

Відома практика розробки біококсу для заміни камrsquoяновугільного коксу в

доменному виробництві [7] в якості альтернативного викопного енергоносія

Головними ресурсами для виробництва біококса є кора і тирса деревини

відходи виробництва чаю кави та олійної промисловості Розробка технології

виробництва біококсу нового покоління дозволяє у перспективі замінити

біококсом 20 камяновугільного коксу в доменному виробництві чавуну Цей

новий замінник являє собою однорідну речовину з малим розкидом фізичних

властивостей і має перспективи стабільного попиту при вирішенні постачання

сировини для його виробництва

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

4

Вступ

Попит на енергію та сировину в промисловості постійно зростає при

одночасному виснаженні природного потенціалу Тому питання раціонального

використання горючих копалин в індустріальному суспільстві з часом тільки

підвищуватимуться в актуальності Зараз на одного жителя Землі на рік

видобувається 10 т природних копалин з яких лише 1 використовуються

ефективно Інша частина забруднює атмосферу ґрунт водойми [1]

Як відомо металургійні виробництва ndash це значний споживач горючих

копалин палива і відновників з них При цьому різні виробництва чорної

кольорової металургії та хімічної промисловості висувають свої вимоги до

палива та відновників які у деяких випадках мають протилежну направленість

[2]

В умовах підвищення вартості традиційних вуглецевих відновників а

також враховуючи вплив використання горючих копалин на утворення

парникових газів вирішенням проблеми отримання відновників потрібної

якості може стати застосування поновлювальних СО2-нейтральних речовин

таких як рослинна біомаса

Вченими світу активно вивчаються можливості використання біомаси в

енергоємних металургійних процесах у тому числі питання отримання

біококсу для доменного та інших виробництв [3 4]

Використання біомаси в металургійних процесах може бути направлене

на вирішення низки актуальних питань утилізація відходів переробки біомаси

скорочення витрат камrsquoяного вугілля і природного газу в металургійних

процесах скорочення викидів шкідливих газів отримання вуглецевих

матеріалів з кращими характеристиками за існуючі аналоги [5]

1 Біомаса як сировина для виробництва палив та відновників для

металургійних процесів

5

При вивченні питання використання біомаси при спільній переробці з

камяним вугіллям з метою отримання палив і відновників заданої якості

необхідне правильне теоретично обґрунтоване з підтвердженням практикою

розуміння процесів термічної деструкції суміші з утворенням твердого залишку

і хімічних продуктів (смоли сирого бензолу та ін) Для цього необхідно

правильне уявлення про структуру вугілля процесах його термічного

розкладання зокрема процесів спікання а також про структуру добавки її

хімічних і фізичних характеристиках Представляє науковий і практичний

інтерес спільне коксування вугілля з біомасою і встановлення вплив біомаси на

вихід і якість коксу

В якості добавки до вугільної шихти для коксування може

використовуватися біомаса Застосування біомаси може дозволити розширити

можливості коксохімічного виробництва і отримувати кокс різної якості для

широкого кола виробничих процесів

У публікації [6] відзначається що після 2025 р значна частина існуючих

інтегрованих підприємств досягне 60-річного вікової межі і будуть виведені з

експлуатації природним шляхом Однак за 2040-2060 рр доменні печі із

загальним обсягом виробництва близько 200 млн т в рік будуть виведені з

експлуатації так і не досягнувши кінцевої амортизації а в період 2020-2070 рр

не буде потреби в будівництві нових доменних печей

Відома практика розробки біококсу для заміни камrsquoяновугільного коксу в

доменному виробництві [7] в якості альтернативного викопного енергоносія

Головними ресурсами для виробництва біококса є кора і тирса деревини

відходи виробництва чаю кави та олійної промисловості Розробка технології

виробництва біококсу нового покоління дозволяє у перспективі замінити

біококсом 20 камяновугільного коксу в доменному виробництві чавуну Цей

новий замінник являє собою однорідну речовину з малим розкидом фізичних

властивостей і має перспективи стабільного попиту при вирішенні постачання

сировини для його виробництва

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

5

При вивченні питання використання біомаси при спільній переробці з

камяним вугіллям з метою отримання палив і відновників заданої якості

необхідне правильне теоретично обґрунтоване з підтвердженням практикою

розуміння процесів термічної деструкції суміші з утворенням твердого залишку

і хімічних продуктів (смоли сирого бензолу та ін) Для цього необхідно

правильне уявлення про структуру вугілля процесах його термічного

розкладання зокрема процесів спікання а також про структуру добавки її

хімічних і фізичних характеристиках Представляє науковий і практичний

інтерес спільне коксування вугілля з біомасою і встановлення вплив біомаси на

вихід і якість коксу

В якості добавки до вугільної шихти для коксування може

використовуватися біомаса Застосування біомаси може дозволити розширити

можливості коксохімічного виробництва і отримувати кокс різної якості для

широкого кола виробничих процесів

У публікації [6] відзначається що після 2025 р значна частина існуючих

інтегрованих підприємств досягне 60-річного вікової межі і будуть виведені з

експлуатації природним шляхом Однак за 2040-2060 рр доменні печі із

загальним обсягом виробництва близько 200 млн т в рік будуть виведені з

експлуатації так і не досягнувши кінцевої амортизації а в період 2020-2070 рр

не буде потреби в будівництві нових доменних печей

Відома практика розробки біококсу для заміни камrsquoяновугільного коксу в

доменному виробництві [7] в якості альтернативного викопного енергоносія

Головними ресурсами для виробництва біококса є кора і тирса деревини

відходи виробництва чаю кави та олійної промисловості Розробка технології

виробництва біококсу нового покоління дозволяє у перспективі замінити

біококсом 20 камяновугільного коксу в доменному виробництві чавуну Цей

новий замінник являє собою однорідну речовину з малим розкидом фізичних

властивостей і має перспективи стабільного попиту при вирішенні постачання

сировини для його виробництва

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

6

Фахівці університету Кінто (Японія) виконали роботу з вивчення

властивостей біококса в середовищі з високою температурою і тиском що

імітує умови доменних печей проаналізували процес термічного розкладання

відходів біомаси та досліджували мікроструктуру поверхні матеріалу Згідно з

розрахунками у звичайній доменної печі кокс витримує навантаження (тиск) 01

МПа а при випробуванні тиск збільшують у 5 разів тобто 05 МПа

Незважаючи на прикладене навантаження у 05 МПа деформації (руйнування)

шматків не відбувається Отримані результати показали перспективність

досліджень що проводяться по частковій заміні камrsquoяновугільного коксу в

доменному процесі

В роботі [8] виконали досліди по додаванню біомаси до типової вугільної

шихти з метою перевірки можливості часткової економії дорогого коксівного

вугілля В якості біомаси використовували зразки деревини сосни шматочки

цукрових буряків і листя стебла міскантусу ndash багаторічної африканської трави

Попередньо вивчили вплив біомаси на текливість вугільних сумішей Для цього

застосували високотемпературну малоамплітудну осциляторозсуваючу SAOS

реометрію за допомогою якої отримували залежності текливості

досліджуваних систем від температури Зміна цілісності обєкта та його

властивостей що відбувалися при цьому фіксували відповідно методами ТГА

та ЯМР 13

С

Виявилося що добавка до шихти цукрових буряків навіть в кількості до

5 не впливала на вязко-еластичні властивості вугільної частини шихти тоді

як введення в суміш вже 2 деревини сосни або біомаси міскантуса помітно

знижувала текливість шихти Остання може бути підвищена при збільшенні

швидкості підігріву суміші наприклад до 180оСхв коли продукти термолізу

деревини сосни і листя стебел міскантусу інкорпоруються у вугільну матрицю

Робиться висновок що навіть в оптимальних умовах не вдасться ввести в

шихту більш 5 біомаси без зниження характеристик міцності коксу

В публікації [9] в якості добавок використовувалися тирса каштана і

сосни Кількість добавок було до 5 (в межах від 075 до 5) Відзначається

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

7

що перевагою використання біомаси в вугільних шихтах є зниження

собівартості викидів СО2 і застосування альтернативного сировини у

виробництві коксу

Метою роботи було вивчити вплив добавок тирси на механічну міцність і

реакційну здатність коксу

Взаємодія між вугіллям і біомасою були раніше вивчені в літературі

Деякі автори при вивченні поведінки видалення летких речовин з сумішей

біомаси та вугілля встановили що ніякої взаємодії не відбувається і вихід

продуктів піролізу повязаний тільки з кількістю біомаси та вугілля в шихті

[10] Інші автори спостерігали наявність взаємодій між вугіллям і біомасою при

спільному спалюванні [11] і піролізі біомаси і бурого вугілля [12]

У порівнянні з горючими копалинами та продуктами їх переробки біомаса

характеризується відносно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом водню

та кисню В таблиці 11 представлений елементний аналіз різних видів біомаси

відповідно до літературних джерел

Таблиця 11 Елементний аналіз різних видів біомаси [13-14]

зп

Біомаса Елементний аналіз

Cd H

d O

d N

d S

d

1 2 3 4 5 6 7

1 Вільха 532 61 42 05 0

2 Люцерна 454 58 365 21 01

3 Мигдалева шкарлупа 479 6 417 11 6

4 Бамбук 52 51 425 04 0

5 Ячмінна солома 494 62 436 07 01

6 Букове дерево 495 62 412 04 -

7 Кора берези 57 67 357 05 01

8 Шкарлупа кокосу 511 56 431 01 01

9 Кавова лузга 454 49 483 11 04

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7

10 Кукурудзяне стебло 494 56 425 06 01

11 Кукурудзяний качан 49 54 442 04 0

12 Бавовна 428 54 35 14 05

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

8

13 Бавовняне лушпиння 504 84 398 14 0

14 Евкаліпт 483 59 451 02 0

15 Оболонка фундука 508 56 411 1 0

16 Лушпиння гірчиці 458 92 444 04 02

17 Деревина 483 63 435 - -

18 Оливкове лушпиння 499 62 42 16 01

19 Оливкова деревина 49 54 449 07 0

20 Пальмові ядра 51 65 395 27 03

21 Кісточки персика 53 59 391 03 01

22 Сосна 519 63 413 05 0

23 Фісташкові оболонки 488 59 434 - -

24 Кісточки сливи 499 67 424 09 01

25 Тополя 485 59 437 05 0

26 Деревина червоного дуба 50 6 424 03 -

27 Рисове лушпиння 478 51 389 01 -

28 Рисова солома 385 53 - 09 -

29 Тирса 469 52 378 01 0

30 Соєве лушпиння 454 67 469 09 01

31 Кора ялини 536 62 40 01 01

32 Деревина ялини 514 61 412 03 0

33 Мука цукрової тростини 498 6 439 02 01

34 Соняшник 505 59 349 13 01

35 Лушпиння соняшника 474 58 413 14 01

36 Світчграс 467 59 374 08 02

37 Відходи чаю 48 55 44 05 01

38 Листя тютюну 412 49 339 09 0

39 Тютюнове стебло 493 56 428 07 0

40 Горіхи 551 67 365 16 01

41 Шкарлупа горіха 536 66 355 15 01

42 Солома 494 61 436 07 02

43 Верба 498 61 434 06 01

44 Деревні відходи 522 6 404 11 03

2 Вимоги до металургійних палив та відновників

Безліч виробництв висуває різні вимоги до палива і відновників

(металургійні хімічні енергетика) при виробництві і використанні яких

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

9

утворюються шкідливі речовини [15] Так як показано в таблиці 21 до якості

коксу що використовується в кольоровій металургії хімічній промисловості і

деяких виробництв чорної металургії висуваються досить протилежні вимоги

Таблиця 21 Вимоги що висуваються до якості коксу різними

споживачами

Гал

узь

Виробництво

Якість коксу

Кр

уп

ніс

ть

мм

Міц

ніс

ть

M25

(М40)

Реа

кц

ійн

а

здат

см3(

гmiddotс)

ПЕ

О

мкО

мmiddotм

Технічний аналіз

Wr A

d S

d V

daf

Чо

рн

а м

етал

ур

гія Доменне 25-60 5 115 20 10

Ливарне gt60 gt80 lt05 lt800 4 125 10 13

Феросплавне 5-20 Нв gt08 gt8000 15 115 10 50

Агломераційне lt5 Нв gt20 gt9000 15 160 20 25

Вапна 5-25 Нв 15 gt5000 10 125 13 20

Доломіту 5-25 Нв gt12 gt4000 12 125 13 20

Вогнетривів lt10 Нв gt20 gt5000 12 160 18 25

Ко

льо

ро

ва

мет

алу

ргі

я

Нікель-

кобальтове

Нікелю 25 Нв 15 8000 Но

15 Но 20

Агломе-

рація

0-25 Нв 15 8000 Но 15 Но 20

Свинцево-

цикове

Свинцю 60 80 10 7000 5 125 15 18

Цинку 10 Нв 15 8000 5 115 Но 15

Мідеплавильне Міді 25-40 Нв 10 8000 5 12 Но Но

Сірки 25 Нв 15 8000 10 15 Но Но

Вапна 40 Нв 15 8000 7 115 15 15

Хім

ічн

а

пр

ом

исл

овіс

ть

Електротер-

мічні

Фосфору 5-25 Нв 15 8000 4 15 Но 30

Карбіду 5-25 Нв 15 8000 4 12 30 30

Технологічні

гази

Аміаку 25-75 Нв 18 8000 5 12 12 13

Вуглекисл

оти 10 Нв 15 8000 5 12 13 15

Сірчистого натрію 40 Нв 15 8000 5 115 Но 20

Кальцинованої соди 25-40 Нв 15 8000 5 15 15 40

Інш

і сп

ож

ивач

і Електродів 5 Нв 10 5000 7 115 20 15

Мінеральної вати 40 80 05 1000 15 12 14 13

Цукру 25-40 Нв 17 8000 10 15 15 10

Енергетика 10 Нв 17 8000 5 15 25 Но

Комунально-побут

господарство 10 Нв 17 8000 5 15 25 50

Нв ndash невисока Но ndash не обмежено

Використання палив і відновників досить поширене в сучасних

виробництвах При цьому слід враховувати що наприклад коксохімічне

виробництво направлено на задоволення вимог основного споживача ndash

доменного виробництва Для отримання високоякісного доменного коксу в

існуючих умовах необхідно застосовувати дефіцитне імпортоване камrsquoяне

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

10

вугілля Проте як можна побачити з таблиці недоменним виробництвам

необхідні відновники і палива дещо іншої (гіршої) якості для виробництва яких

можуть бути використана поновлювальна вуглецева сировина ndash біомаса та

продукти її переробки

3 Теорія спікання вугілля Піроліз камrsquoяного вугілля

Вугілля здавна використовують як викопне паливо і як сировину для

подальшої хімічної переробки Практично всі процеси використання вугілля

повязані з його термічною і термохімічною деструкцією шляхи і характер якої

залежать в основному від ступеня метаморфізму і складу вугілля температури

і умов нагрівання і складу атмосфери Найбільше поширені процеси термічної

деструкції - це спалення і коксування вугілля Крім того в невеликих

масштабах застосовуються процеси напівкоксування газифікації швидкісного

піролізу графітизації і гідрогенізації вугілля кожний з яких має загальні

закономірності й істотні відмінності

Хімічні реакції фазові переходи формування твердих карбонізованих

залишків і летких хімічних продуктів залежать від особливостей структури

твердих горючих копалин умов нагрівання та інших чинників Термічною

деструкцією називається сукупність фізичних і хімічних перетворень що

протікають при нагріванні твердих палив Вона відбувається під впливом на

макромолекулу ТГК теплової енергії і в принципі протікає аналогічно

термодеструкції ВМС Істотною відмінністю є ускладнення термодеструкції

нерегулярністю і неоднорідністю структури ТГК

Стадії термічного розкладу

1) сушка протікає при кімнатній температурі інтенсифікується з

підвищення температури нагрівання і практично закінчується при 105 - 1100С

2) 110-2000С - виділення гігроскопічної і колоїдно-зв

язаної вологи а

також початок термічної деструкції торфу і бурого вугілля

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

11

3) 200-(300-3500С) - термічна підготовка Утворюються газоподібні

продукти термічної деструкції (СО2 СO N2) відбувається відщеплення

термічно нестійких груп

4) 300-5000С - напівкоксування Посилення термічної деструкції

органічної маси вугілля з інтенсивним виділенням газів і парів а також зі

спікливого вугілля рідкої фази (продукти - напівкокс первинний газ смола)

5) 550-8000С - середньотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

6) 900-11000С - високотемпературне коксування (продукти - кокс газ

смола)

7) 1300-30000С - графітизація (термографіт газ)

Молекулярна неоднорідність твердих горючих копалин полягає в тому

що макромолекули містять велику кількість фрагментів суттєво відмінних за

складом і будовою Відсутня характерна для ВМС регулярність в будові

макромолекул тобто певний порядок в чергуванні фрагментів структури

Мікро-неоднорідність органічної маси ТГК виявляється в наявності ділянок з

різною впорядкованістю структури

Макромолекулярна структура вугілля є дуже складною У ній є ділянки і

лінійно полімеризовані і гетероциклічні структури розташовані як в одній так

і в різних площинах У макромолекулярній структурі можна виділити

принаймні три найбільш виражені внутрішньомолекулярні структурні ділянки

циклічно полімеризований вуглець ланцюгова ділянка структури і кінцеві

групи Питоме значення цих ділянок в загальній макромолекулярній структурі

різне для петрографічних складових вугілля і змінюється зі ступеня

метаморфізму

За сучасними уявленнями термічна деструкція ВМС протікає за

вільнорадикальним механізмом Це означає що вільна валентність яка

утворюється при первинному акті термічної деструкції в залежності від типу

хімічної реакції в ході подальших перетворень може або зберігатися протягом

деякого часу або зникати Тому для продовження процесу необхідно знову

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

12

його ініціювати шляхом деструкції при більш високій температурі

Термічна стійкість органічних речовин визначається величиною енергії

звrsquoязку між атомами в молекулах яка за інших рівних умов залежить від

структури останніх і розраховується за величиною енергії їх утворення

Центральна частина макромолекули вугілля є конденсованим

ароматичним ядром термічно стійким внаслідок наявності в ньому

найміцніших хімічних звrsquoязків СарndashСар Термічно стійкіші також звrsquoязки СарndashН

інші звrsquoязки є менш міцними

Схема механізму термічної деструкції вугілля показана на рис1 Схема

відображає протікання стадій і паралельно-послідовних реакцій

поліконденсації з утворенням проміжних метастабільних фаз З ними

повrsquoязаний прямий перехід з твердого стану в твердий систематичне але

обмежене на кожній стадії зменшення маси твердого залишку (Т) зміна виходу

газової і парогазової фаз (Г) виникнення наростання і зникнення рідкої фази

(Р)

На всіх стадіях процесу ці фази взаємодіють між собою і кожна з них

залучається в поліконденсацію внаслідок якої синтезуються нові метастабільні

продукти ndash рідкі тверді і газоподібні утворюючи фази наступної стадії

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

13

Рисунок 31 ndash Загальна схема процесу піролізу вугілля (температури

стадій залежать від ступеня метаморфізму вугілля)

Таким чином процес піролізу вугілля без доступу повітря

представляється принципово неізотермічним безперервним з руйнуванням і

утворенням нових хімічних сполук Процеси деструкції-синтезу в ході процесу

піролізу лімітуються швидкістю термохімічних перетворень речовин вугілля а

не теплопереносом всередині вугільної частинки

Спучування вугілля визначається в основному вrsquoязкістю пластичної

маси і динамікою виділення летких речовин Найбільші значення величини

спучування характерні для вугілля вrsquoязкість пластичної маси якого в період

пластичного стану мінімальна а кількість летких продуктів що виділяються

максимальна

Вrsquoязкість впливає на величину спучування в результаті зміни

газопроникності Пластична маса вугілля чинить тим менший опір руху газу

(більше газопроникна) чим вище вrsquoязкість вугілля в стані найбільшого ступеня

текучості

4 Структурні формули рослинної біомаси

Найбільшу групу щорічно поновлюваної біомаси складають

деревообробна промисловість та відходи сільського господарства Помітне

зменшення запасів деревини та погіршення екологічної ситуації обумовлюють

необхідність раціонального використання відходів виробництва рослинного

походження в повному обrsquoємі Серед переробних галузей агропромислового

комплексу цукрове виробництво є найбільш ресурсомістким де обrsquoєм

використаної сировини та допоміжних матеріалів в декілька разів перевищує

вихід готової продукції Незначне використання бурякового жому може

призвести до значного економічного ефекту але потрібно розуміти що через

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

14

недостатню вивченість його як палива неможливо досягнути оптимальних

показників роботи топкових пристроїв

Лігнін ndash органічна речовина що разом з целюлозою є складовою тканин

вищих рослин а з геміцелюлозою зумовлює міцність стовбурів і стебел рослин

Найбільше лігніну містить деревина хвойних (до 35) і листяних (20-25)

порід У нижчих рослин таких як водорості гриби лігніну немає Початі

спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише

загальні принципи його будови Не зrsquoясовано ще чи складається лігнін із

цілком ідентичних макромолекул а також не встановлена його молекулярна

маса приймають від 682 до 1000000 Для лігніну з молекулярною масою 784

(виділеного із сосни) запропонована наступна формула Елементний склад

лігніну з різних рослин приблизно наступний мас С ndash 63 Н ndash 6 і О ndash 31

Лігнін використовується для зниження вrsquoязкості бурових розчинів

одержання активного вугілля тощо Крім того за певних умов лігніни можуть

використовуватися як недефіцитна звrsquoязуюча речовина при виробництві

камrsquoяновугільних брикетів На рисунку 41 наведена загальна структура

молекули лігніну

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

15

Рисунок 41 ndash Фрагмент структурної формули молекули лігніна

Целюлоза (С6Н10О5)x mdash природний полімер полісахарид волокниста

речовина головна складова частина оболонки рослинних клітин У найбільшій

кількості міститься у деревині волокнах бавовни льону і ін З целюлози

виробляють папір і картон а способом хімічної переробки mdash цілий ряд

різноманітних продуктів штучне волокно пластичні маси лаки бездимний

порох етиловий спирт На рисунку 42 представлена структурна формули

молекули целюлози

Рисунок 42 ndash Фрагмент структурної формули молекули целюлози

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

16

Геміцелюлоза ndash структурована суміш різних складних некрохмальних і

нецелюлозних полісахаридів рослин які супроводжують целюлозу в стінках

рослинних клітин (в деяких рослинах складає переважну частину вуглеводів)

але гідролізуються значно легше за неї Вміст геміцелюлоз в деревині та інших

рослинних матеріалах mdash соломі лушпинні насіння кукурудзяних кочерижках

тощо становить 13-43 На рисунку 43 представлено фрагмент структурної

формули молекули геміцелюлози

Рисунок 43 ndash Фрагмент структурної формули молекули

геміцелюлозиhttpsukwikipediaorgwikiГеміцелюлоза - cite_note-

D09FD0BED0BBD196D189D183D0BA-2

Реалізація заходів які направленні на термічну переробку біомаси та на

підвищення ефективності спалювання ускладнюється тим що знань про

механізми та кінетичні характеристики процесів їх термічної деструкції

недостатньо Тому експериментальне визначення показників є дуже

актуальним

5 Дослідження впливу біомаси на спікливі властивості вугілля та

вугільних шихт

51 Результати елементного аналізу піролізованої біомаси

17

Ефективним шляхом використання рослинної біомаси є її піроліз що

зумовлює підвищення вмісту вуглецю Піроліз сприяє отриманню вуглецевих

матеріалів заданого вуглецевого складу [16]

Було встановлено якість твердих продуктів піролізу різних видів рослинної

біомаси за показниками елементного складу Предметом досліджень виступили

наступні відходи біомаси стебла кукурудзи лушпиння соняшника солома

пелети з деревини хвойних порід деревний хмиз та шкарлупа волоського

горіха

Піроліз біомаси проводили за різної кінцевої температури Також

використовували окислювальний піроліз який був виконаний у щільному шарі

відповідно [17] Результати визначення елементного складу піролізованої

біомаси наведені в таблиця 51

Таблиця 51 Характеристика біомаси за показниками елементного складу

в залежності від умов піролізу

Найменува

ння проби

Cd

у

вихід

ній

пробі

Кінцева

температура

піролізу оС

Wa

Нd

C

d

Sd

Nd

Нdaf

Cdaf

1 Стебла

кукурудзи 455 1050 1942 114 6888 009 07 137 8299

2 Стебла

кукурудзи 455 800 605 134 6839 009 063 169 8642

3 Стебла

кукурудзи 455 550 37 277 6667 009 068 343 8269

4 Лушпиння

соняшника 45 1050 998 069 7895 01 083 078 8982

5 Солома 43 1050 742 103 425 005 06 144 5932

6 Деревні

пелети 486 1000 1032 101 7185 001 нд

119 8459

7 Деревний

хмиз 495 750

621 147 6746 007 нд 164 7514

8

Шкарлупа

волоського

горіха

564 750

764 184 8606 01 нд 193 9017

нд ndash немає даних

окислювальний піроліз

18

З наведених результатів найбільшим вмістом вуглецю характеризуються

шкарлупа волоського горіха потім лушпиння соняшника деревні пелети

стебла кукурудзи деревний хмиз Солома має найнижчий вміст вуглецю але

один з нижчих показників вмісту водню на суху масу ndash після лушпиння

соняшника і деревних пелет Найбільший вміст водню мають шкарлупа

волоського горіха та стебла кукурудзи після піролізу при 550оС

Взагалі піроліз стебел кукурудзи при різній кінцевій температурі показав

що необхідні властивості прекурсорів можуть бути досягнені при певній

оптимальній температурі вище якої піроліз не буде мати зиску Так при

температурі 800оС елементний склад стебел кукурудзи на сухий стан майже не

відрізняється від залишку отриманого при 1050оС і має перевагу перед

залишком отриманим при 550оС перш за все за вмістом водню На горючий

стан показник за вмістом вуглецю навіть виявився більшим за залишок

отриманий після 1050оС

52 Визначення дилатометричних показників на приладі ІГК-ДМетІ-4

Було виконано дослідження у прагненні отримати дилатометричні

показники вугільної шихти та біомаси індекс спучування (Іс мм) період

спучування (Пп с) та період до початку спучування (Пс с) Дослідження

виконували на модернізованому приладі ІГК-ДМетІ-4 який дозволяє визначити

температуру початку та кінця спучування Результати досліджень наведені в

таблиці 52

За результатами досліджень були побудованні графічні залежності

впливу різних видів біомаси окремо на кожний з дилатометричних показників

які зображені на рисунках 51-53

За результатами досліджень виходить що вплив добавок лушпиння

соняшника і деревини на Іс носить тотожній характер При додаванні цих видів

19

біомаси показник Іс зростає у межах похибки Вплив соломи ще менш значний і

слід відзначити зниження Іс при додаванні 5 мас Соломи

Таблиця 52 Характеристика дилатометричних показників

Назва добавок Кількість

добавки

Іс

мм

Пп

с

Пс

с

tпс оС

tкс оС

Вугільна

шихта

- 5 405 95 422 441

Лушпиння

соняшника

5 7 420 185 445 464

3 7 440 120 436 451

1 7 395 95 434 456

Солома

5 4 430 130 438 455

3 6 420 130 428 447

1 6 410 150 431 451

Деревина 5 7 410 200 444 470

3 7 410 150 440 462

1 7 440 140 440 460

Рисунок 51 - залежність індексу спучування від кількості добавок

20

Лінійний вплив на зміну Пп мала добавка соломи ndash зі збільшенням

добавки підвищувався показник Пп Дві інші добавки здійснювали

різнонаправлений влив на Пп Так при додаванні 1 мас деревини Пп різко

підвищився а при внесенні 1 мас лушпиння помітно знизився При добавках

3 цей вплив мав вже іншу картину - Пп зріс для лушпиння і майже порівнявся

з даними вугільної шихти при додаванні деревини При додаванні 5 мас

біомаси показник Пп підвищився для всіх наважок ndash найбільш для соломи

потім лушпиння і майже не змінився для деревини

Рисунок 52 - залежність початку спучування від кількості добавок

Найбільш помітний вплив на Пс вугільної шихти мала деревина ndash Пс

підвищувався при підвищенні кількості добавки і Пс мав найбільше значення

для 5 мас Помітний ріст Пс надав 1 мас добавки соломи хоча при

подальшому її внесені Пс зберігався на одному рівні ndash нижчому за 1 добавки

На відміну від соломи більш значний вплив на Пс здійснила добавка лушпиння

соняшника яка показала найбільші значення також при додаванні 5 мас

21

Рисунок 53 - залежність періоду спучування від кількості добавок

Достатньо різнонаправлений вплив добавок біомаси на часові

дилатометричні показники можна пояснити різницею у теплотехнічних

характеристиках різної біомаси і камrsquoяного вугілля

53 Визначення індексу Рога

В процесі термічної деструкції спікливого вугілля при нагріванні без

доступу повітря утворюється пластична вугільна маса Дуже важливою

властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Пластична вугільна маса являє собою складну неоднорідну гетерогенну

систему яка складається з безперервно змінюваних в процесі нагрівання без

доступу повітря парогазових летких речовин рідких (вrsquoязкотекучих) нелетких

а також твердих (висококонденсованих) продуктів що утворюються внаслідок

термічної деструкції молекул речовин початкового вугілля і взаємодіючих між

собою уламків (радикалів) різної молекулярної маси складу і будови При

цьому важливу роль відіграють поліконденсаційні процеси які відбуваються

одночасно

Дуже важливою властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Спікливість вугілля і його сумішей що розмrsquoякшуються при піролізі в

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

18

З наведених результатів найбільшим вмістом вуглецю характеризуються

шкарлупа волоського горіха потім лушпиння соняшника деревні пелети

стебла кукурудзи деревний хмиз Солома має найнижчий вміст вуглецю але

один з нижчих показників вмісту водню на суху масу ndash після лушпиння

соняшника і деревних пелет Найбільший вміст водню мають шкарлупа

волоського горіха та стебла кукурудзи після піролізу при 550оС

Взагалі піроліз стебел кукурудзи при різній кінцевій температурі показав

що необхідні властивості прекурсорів можуть бути досягнені при певній

оптимальній температурі вище якої піроліз не буде мати зиску Так при

температурі 800оС елементний склад стебел кукурудзи на сухий стан майже не

відрізняється від залишку отриманого при 1050оС і має перевагу перед

залишком отриманим при 550оС перш за все за вмістом водню На горючий

стан показник за вмістом вуглецю навіть виявився більшим за залишок

отриманий після 1050оС

52 Визначення дилатометричних показників на приладі ІГК-ДМетІ-4

Було виконано дослідження у прагненні отримати дилатометричні

показники вугільної шихти та біомаси індекс спучування (Іс мм) період

спучування (Пп с) та період до початку спучування (Пс с) Дослідження

виконували на модернізованому приладі ІГК-ДМетІ-4 який дозволяє визначити

температуру початку та кінця спучування Результати досліджень наведені в

таблиці 52

За результатами досліджень були побудованні графічні залежності

впливу різних видів біомаси окремо на кожний з дилатометричних показників

які зображені на рисунках 51-53

За результатами досліджень виходить що вплив добавок лушпиння

соняшника і деревини на Іс носить тотожній характер При додаванні цих видів

19

біомаси показник Іс зростає у межах похибки Вплив соломи ще менш значний і

слід відзначити зниження Іс при додаванні 5 мас Соломи

Таблиця 52 Характеристика дилатометричних показників

Назва добавок Кількість

добавки

Іс

мм

Пп

с

Пс

с

tпс оС

tкс оС

Вугільна

шихта

- 5 405 95 422 441

Лушпиння

соняшника

5 7 420 185 445 464

3 7 440 120 436 451

1 7 395 95 434 456

Солома

5 4 430 130 438 455

3 6 420 130 428 447

1 6 410 150 431 451

Деревина 5 7 410 200 444 470

3 7 410 150 440 462

1 7 440 140 440 460

Рисунок 51 - залежність індексу спучування від кількості добавок

20

Лінійний вплив на зміну Пп мала добавка соломи ndash зі збільшенням

добавки підвищувався показник Пп Дві інші добавки здійснювали

різнонаправлений влив на Пп Так при додаванні 1 мас деревини Пп різко

підвищився а при внесенні 1 мас лушпиння помітно знизився При добавках

3 цей вплив мав вже іншу картину - Пп зріс для лушпиння і майже порівнявся

з даними вугільної шихти при додаванні деревини При додаванні 5 мас

біомаси показник Пп підвищився для всіх наважок ndash найбільш для соломи

потім лушпиння і майже не змінився для деревини

Рисунок 52 - залежність початку спучування від кількості добавок

Найбільш помітний вплив на Пс вугільної шихти мала деревина ndash Пс

підвищувався при підвищенні кількості добавки і Пс мав найбільше значення

для 5 мас Помітний ріст Пс надав 1 мас добавки соломи хоча при

подальшому її внесені Пс зберігався на одному рівні ndash нижчому за 1 добавки

На відміну від соломи більш значний вплив на Пс здійснила добавка лушпиння

соняшника яка показала найбільші значення також при додаванні 5 мас

21

Рисунок 53 - залежність періоду спучування від кількості добавок

Достатньо різнонаправлений вплив добавок біомаси на часові

дилатометричні показники можна пояснити різницею у теплотехнічних

характеристиках різної біомаси і камrsquoяного вугілля

53 Визначення індексу Рога

В процесі термічної деструкції спікливого вугілля при нагріванні без

доступу повітря утворюється пластична вугільна маса Дуже важливою

властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Пластична вугільна маса являє собою складну неоднорідну гетерогенну

систему яка складається з безперервно змінюваних в процесі нагрівання без

доступу повітря парогазових летких речовин рідких (вrsquoязкотекучих) нелетких

а також твердих (висококонденсованих) продуктів що утворюються внаслідок

термічної деструкції молекул речовин початкового вугілля і взаємодіючих між

собою уламків (радикалів) різної молекулярної маси складу і будови При

цьому важливу роль відіграють поліконденсаційні процеси які відбуваються

одночасно

Дуже важливою властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Спікливість вугілля і його сумішей що розмrsquoякшуються при піролізі в

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

19

біомаси показник Іс зростає у межах похибки Вплив соломи ще менш значний і

слід відзначити зниження Іс при додаванні 5 мас Соломи

Таблиця 52 Характеристика дилатометричних показників

Назва добавок Кількість

добавки

Іс

мм

Пп

с

Пс

с

tпс оС

tкс оС

Вугільна

шихта

- 5 405 95 422 441

Лушпиння

соняшника

5 7 420 185 445 464

3 7 440 120 436 451

1 7 395 95 434 456

Солома

5 4 430 130 438 455

3 6 420 130 428 447

1 6 410 150 431 451

Деревина 5 7 410 200 444 470

3 7 410 150 440 462

1 7 440 140 440 460

Рисунок 51 - залежність індексу спучування від кількості добавок

20

Лінійний вплив на зміну Пп мала добавка соломи ndash зі збільшенням

добавки підвищувався показник Пп Дві інші добавки здійснювали

різнонаправлений влив на Пп Так при додаванні 1 мас деревини Пп різко

підвищився а при внесенні 1 мас лушпиння помітно знизився При добавках

3 цей вплив мав вже іншу картину - Пп зріс для лушпиння і майже порівнявся

з даними вугільної шихти при додаванні деревини При додаванні 5 мас

біомаси показник Пп підвищився для всіх наважок ndash найбільш для соломи

потім лушпиння і майже не змінився для деревини

Рисунок 52 - залежність початку спучування від кількості добавок

Найбільш помітний вплив на Пс вугільної шихти мала деревина ndash Пс

підвищувався при підвищенні кількості добавки і Пс мав найбільше значення

для 5 мас Помітний ріст Пс надав 1 мас добавки соломи хоча при

подальшому її внесені Пс зберігався на одному рівні ndash нижчому за 1 добавки

На відміну від соломи більш значний вплив на Пс здійснила добавка лушпиння

соняшника яка показала найбільші значення також при додаванні 5 мас

21

Рисунок 53 - залежність періоду спучування від кількості добавок

Достатньо різнонаправлений вплив добавок біомаси на часові

дилатометричні показники можна пояснити різницею у теплотехнічних

характеристиках різної біомаси і камrsquoяного вугілля

53 Визначення індексу Рога

В процесі термічної деструкції спікливого вугілля при нагріванні без

доступу повітря утворюється пластична вугільна маса Дуже важливою

властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Пластична вугільна маса являє собою складну неоднорідну гетерогенну

систему яка складається з безперервно змінюваних в процесі нагрівання без

доступу повітря парогазових летких речовин рідких (вrsquoязкотекучих) нелетких

а також твердих (висококонденсованих) продуктів що утворюються внаслідок

термічної деструкції молекул речовин початкового вугілля і взаємодіючих між

собою уламків (радикалів) різної молекулярної маси складу і будови При

цьому важливу роль відіграють поліконденсаційні процеси які відбуваються

одночасно

Дуже важливою властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Спікливість вугілля і його сумішей що розмrsquoякшуються при піролізі в

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

20

Лінійний вплив на зміну Пп мала добавка соломи ndash зі збільшенням

добавки підвищувався показник Пп Дві інші добавки здійснювали

різнонаправлений влив на Пп Так при додаванні 1 мас деревини Пп різко

підвищився а при внесенні 1 мас лушпиння помітно знизився При добавках

3 цей вплив мав вже іншу картину - Пп зріс для лушпиння і майже порівнявся

з даними вугільної шихти при додаванні деревини При додаванні 5 мас

біомаси показник Пп підвищився для всіх наважок ndash найбільш для соломи

потім лушпиння і майже не змінився для деревини

Рисунок 52 - залежність початку спучування від кількості добавок

Найбільш помітний вплив на Пс вугільної шихти мала деревина ndash Пс

підвищувався при підвищенні кількості добавки і Пс мав найбільше значення

для 5 мас Помітний ріст Пс надав 1 мас добавки соломи хоча при

подальшому її внесені Пс зберігався на одному рівні ndash нижчому за 1 добавки

На відміну від соломи більш значний вплив на Пс здійснила добавка лушпиння

соняшника яка показала найбільші значення також при додаванні 5 мас

21

Рисунок 53 - залежність періоду спучування від кількості добавок

Достатньо різнонаправлений вплив добавок біомаси на часові

дилатометричні показники можна пояснити різницею у теплотехнічних

характеристиках різної біомаси і камrsquoяного вугілля

53 Визначення індексу Рога

В процесі термічної деструкції спікливого вугілля при нагріванні без

доступу повітря утворюється пластична вугільна маса Дуже важливою

властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Пластична вугільна маса являє собою складну неоднорідну гетерогенну

систему яка складається з безперервно змінюваних в процесі нагрівання без

доступу повітря парогазових летких речовин рідких (вrsquoязкотекучих) нелетких

а також твердих (висококонденсованих) продуктів що утворюються внаслідок

термічної деструкції молекул речовин початкового вугілля і взаємодіючих між

собою уламків (радикалів) різної молекулярної маси складу і будови При

цьому важливу роль відіграють поліконденсаційні процеси які відбуваються

одночасно

Дуже важливою властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Спікливість вугілля і його сумішей що розмrsquoякшуються при піролізі в

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

21

Рисунок 53 - залежність періоду спучування від кількості добавок

Достатньо різнонаправлений вплив добавок біомаси на часові

дилатометричні показники можна пояснити різницею у теплотехнічних

характеристиках різної біомаси і камrsquoяного вугілля

53 Визначення індексу Рога

В процесі термічної деструкції спікливого вугілля при нагріванні без

доступу повітря утворюється пластична вугільна маса Дуже важливою

властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Пластична вугільна маса являє собою складну неоднорідну гетерогенну

систему яка складається з безперервно змінюваних в процесі нагрівання без

доступу повітря парогазових летких речовин рідких (вrsquoязкотекучих) нелетких

а також твердих (висококонденсованих) продуктів що утворюються внаслідок

термічної деструкції молекул речовин початкового вугілля і взаємодіючих між

собою уламків (радикалів) різної молекулярної маси складу і будови При

цьому важливу роль відіграють поліконденсаційні процеси які відбуваються

одночасно

Дуже важливою властивістю вугілля в пластичному стані є їх спікливість

Спікливість вугілля і його сумішей що розмrsquoякшуються при піролізі в

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

22

результаті відновних реакцій і що знаходяться під статичним тиском і тиском

газів є здатність залишкового матеріалу вугільних зерен зрощуватися з

утворенням (в результаті дифузійної і хімічної взаємодії) вуглецевої маси тієї

або іншої міцності

Спікливість ndash одна з найважливіших технологічних властивостей вугілля

Встановлення спікливості вугілля має значення для аналізу умов формування

залишку і для заводського контролю постійності якості вугілля

Спікливі властивості сумішей вугілля з добавками біомаси вивчали за

допомогою методу Рога Добавки біомаси (деревина солома та лушпиння

соняшника) у кількості 1 3 і 5 мас вносилися до вугільної шихти і потім

змішувалися з неспікливим компонентом ndash антрацитом відповідно до

методики Результати визначення індексу Рога наведені в таблиці 53

Таблиця 53 показники визначення індексу Рога

Назва доданої біомаси Кількість

добавки

Індекс Рога

RIср од

Вугільна шихта - 1884

Лушпиння соняшника 5 2214

3 222

1 2204

Солома 5 2222

3 2318

1 2197

Деревина

5 2277

3 2227

1 1891

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

23

За результатами досліджень було побудовано графічну залежність впливу

різних видів біомаси окремо на показник індексу Рога який зображений на

рисунку 54

Рисунок 54 - показник індексу Рога в залежності від кількості добавки

Як видно всі добавки не погіршують якість суміші а навпаки сприяють

зростанню спікливої здатності Результати знаходяться практично у межах

похибки але показують тенденцію до підвищення індексу Рога у порівнянні з

еталоном (вугільною шихтою) Найбільше значення RI спостерігається для

добавки 3 мас соломи також відносно високі значення при додаванні 5

мас усіх видів біомаси

6 Коксування вугільної шихти за участю рослинної біомаси

Піроліз виконували в електричній лабораторній печі Пробу масою 1 кг

завантажували в циліндричну реторту і нагрівали протягом 6 годин Кінцева

температура піролізу складала 1000оС

Характеристика вугільних концентратів і біомаси наведена в табл1

Склад вугільної шихти був наступний мас Г ndash 30 Ж ndash 30 К ndash 30 ПС ndash 10

Технічний аналіз шихти Wa ndash 16 A

d ndash 92 V

daf ndash 300 St

d ndash 137

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

24

Пластометричні показники товщина пластичного шару (у) ndash 12 мм

пластометрична усадка (х) ndash 21 мм Для виключення впливу на якість коксу

розміру вугільних часток був взятий сталий гранулометричний склад вугілля

різних марок який витримувався при складанні шихт Пелети з біомаси мали

діаметр 8 мм і довжину від 4 до 30 мм Кількість добавок складала 1 3 і 5

мас

Отриманий після піролізу залишок гасили сухим способом до повного

остигання і потім визначали вихід сухого валового коксу від сухої шихти Після

цього кокс чотири рази скидали на сталеву плиту з висоти 2 м (для реалізації

тріщин) і розсіювали на класи крупності gt40 40-25 25-10 10-5 і lt5 мм Також

визначали показники технічного аналізу отриманих залишків структурну

міцність (СМ) абразивну твердість (АТ) і питомий електроопір (ПЕО)

Результати по визначенню властивостей коксу після піролізу наведені в таблиці

61

Як показують результати піролізу добавки біомаси здійснюють

різнонаправлений вплив на якість отриманих залишків у порівнянні з

еталонною шихтою Характер цього впливу залежить від виду біомаси

кількості добавки і ступеня готовності коксу який визначається за показником

виходу летких речовин Загальним для отриманих залишків є зниження виходу

твердого залишку тенденція до зниження зольності і нижчий вміст сірки

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

25

Таблиця 61 Характеристика вугільних концентратів і біомаси

Марка

вугілля вид

біомаси

Найменування проби Технічний аналіз Пластомет-

ричні

показники мм

Ro

Vt

Sv

I

L

sumОК

Насипна

густина кгм

3

Wа A

d V

daf St

d у х

Г Комсомольська ЦЗФ 15 113 376 192 12 32 075 71 1 20 8 21 690

Ж ш Самсонівська 16 76 341 238 18 10 093 87 1 9 3 10 675

К Колосниковська ЦЗФ 17 95 223 167 16 11 118 93 1 6 - 7 712

ПС Узловська ЦЗФ 20 68 176 151 lt6 20 152 88 2 10 - 12 720

Пелети з деревини 94 09 813 004 614

Пелети з лушпиння соняшника 95 26 730 009 462

Пелети з соломи 47 55 725 008 610

Волога для біомаси наведена на робочий стан (Wr)

Таблиця 62 Вихід коксу показники технічного аналізу гранулометричний склад і фізико-механічні властивості коксу

отриманих із сумішей вугілля з добавками деревини лушпиння соняшника і соломи

Найменування проби Вихід

коксу

Технічний аналіз Гранулометричний склад Структурна

міцність за

ВУХІНом

Абразивна

твердість за

УХІНом мг

ПЕО

Омсм Шихта Ad V

d St

d gt40

мм

40-25

мм

25-10

мм

10-5

мм

lt5

мм

Без добавки 739 119 10 136 884 51 09 12 44 723 1050 295

З добавкою

деревини мас

1 730 119 20 134 900 13 18 16 53 696 967 304

3 717 118 12 131 871 43 35 17 34 711 882 308

5 698 116 21 128 902 25 25 11 37 662 800 317

З добавкою

лушпиння

соняшника мас

1 731 118 14 134 929 14 07 10 40 754 1195 24

3 721 112 06 132 933 09 07 14 37 761 1288 22

5 716 112 20 129 800 65 42 14 79 687 1060 28

З добавкою соломи

мас

1 731 119 11 135 900 34 14 11 41 738 1274 30

3 726 120 21 133 910 16 15 15 43 734 1230 339

5 706 117 18 13 858 20 38 17 67 674 1012 35

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

26

Якщо розглядати вплив за видами біомаси то всі добавки деревини

призводять до погіршення фізико-механічних властивостей вуглецевих

матеріалів Покращення СМ і АТ вуглецевих матеріалів спостерігається при

додаванні 1 і 3 лушпиння соняшника і соломи Також незначне

підвищення АТ спостерігається для добавки 5 лушпиння соняшника

Більш характерними є данні за показником питомого електроопору який є

інтегральним показником щодо властивостей вуглецевих матеріалів Так

зниження ПЕО свідчить про підвищення впорядкованість молекулярної

структури вуглецевих матеріалів За цим показником якість вуглецевих

матеріалів покращилася лише для проб з добавкою лушпиння соняшника

Але зараз вже можна констатувати що використання біомаси для

отримання палив і відновників сприятиме розширенню сировинної бази

виробництв зменшенню залежності від поставок палива поліпшенню

техніко-економічних показників а також сприятиме покращенню екологічної

складової металургійної та хімічної промисловості

Собівартість коксу отриманого з використанням біомаси буде нижчою

за собівартість отримання відповідних класів вуглецевих матеріалів

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до використання є

лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а потім солома

Особливо цікавим джерелом є біогранули які незважаючи на високу ціну не

потребують великих інвестицій при підготовці до переробки

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

27

ВИСНОВКИ

Проаналізувати властивості різних видів рослинної біомаси та

встановлення їх придатністі для отримання продуктів заданої якості ndash палива

відновників Встановлено що за рахунок різних властивостей біомаси і умов

термічного впливу можна впливати на якість продуктів Для оцінки

ефективності використання цих продуктів в різних металургійних процесах

необхідно встановити закономірності їх взаємодії і впливу на оксиди металів

горючі копалини компоненти сумішей при різних умовах Встановлення

механізму поведінки біопалив і біовідновників під впливом різних

технологічних факторів дасть можливість систематизувати вимоги до якості

вуглецевих матеріалів розробити підходи до їх взаємозамінності та

рекомендації щодо оптимальних умов термічного впливу

Найдешевшим біопаливом без доставки та підготовки до

використання є лушпиння соняшника за ним йде деревинна стружка а далі

ndash солома

Результати досліджень дозволяють стверджувати що за допомогою

органічних добавок (деревини лушпиння соняшника та соломи) можна

впливати на процес термічної деструкції ОМВ а в результаті і на якість

отриманого коксу і змінювати його технологічні характеристики для вимог

різних виробництв ndash споживачів коксу

Отже виконані в лабораторних умовах дослідження дозволили отримати

цікаві результати з точки зору виробництва відновників та палива за участю

біомаси Ці дослідження потребують продовження для встановлення

механізму впливу добавок біомаси з метою визначення вимог до якості

сировини підходів до її взаємозамінності та розробки оптимальних

властивостей шихт та умов піролізу

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

28

Перелік посилань

1 Аксьонов А Хіммотологія як прикладна наука ndash інтегрований

теоретико-методологічний інструмент сталого забезпечення раціонального

використання паливно-мастильних матеріалів А Аксьонов С Бойченко К

Лейда Проблеми хімотології Теорія та практика раціонального

використання традиційних і альтернативних паливно-мастильних матеріалів

Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash К Центр учбової літератури

2017 ndash С 8-12 ISBN 978-617-673-632-5

2 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

3 Mousa E Biomass applications in iron and steel industry An overview of

challenges and opportunities E Mousa C Wang J Riesbeck M Larsson

Renewable and Sustainable Energy Review ndash 65 ndash 2016 ndash P 1247-1266

4 Разработка биококса для замены каменноугольного кокса в доменном

производстве (Реф) АВ Антонов Новости черной металлургии за

рубежом ndash 2010 ndash 1 ndash С 12 13

5 Коверя АС Використання біомаси в металургійному виробництві

АС Коверя ЛГ Кєуш АГ Старовойт Проблеми хімотології Теорія та

практика раціонального використання традиційних і альтернативних

паливно-мастильних матеріалів Монографія За заг ред проф С Бойченка ndash

К Центр учбової літератури 2017 ndash С 170-172 ISBN 978-617-673-632-5

6 Шатоха ВИ Рогоза МВ Сценарии развития черной металлургии

Мировые тенденции и вызов Украины Управление устойчивым развитием в

условиях переходной экономики монография ndash Днепропетровск-Коттбус

НГУ-БТУ 2015 ndash С 141-152

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

29

7 Антонов А В Разработка биококса для замены каменноугольного

кокса в доменном производстве (Реф) Inoue T Ferrum = Bulletin of the Iron

and Steel Institute of Japan ndash 2009 ndash 14 ndash 7 ndash С 484

8 Влияние биомассы на формирование текучести каменноугольных

шихт для коксования по данным высокотемпературной SAOS реометрии

Реф Гагарин С Г Кокс и Химия ndash 2012 ndash 8 ndash С 50

9 Montiano MG Influence of Biomass On Metallurgical Coke Quality

MG Montiano E Diaz-Faes C Barriocanal R Alvarez Fuel ndash 2014 ndash V 116

ndash P 175-182

10 Moghtaderi B Meesri Ch Wall TF Pyrolytic characteristics of blended

coal andwoody biomass Fuel 2004 83 745-750

11 Wu T Gong M Lester E Hall P Characteristic and synergistic effects

of co-firing of coal and carbonaceous wastes Fuel 2013104194-200

12 Zhang L Xu S Zhao W Liu S Co-pyrolysis of biomass and coal in a

free fall reactor Fuel 2007 86 353-359

13 Saidur R A review on biomass as a fuel for boilers R Saidur EA

Abdelaziz A Demirbas MS Hossain S Mekhilef Renewable Sustainable

Energy Reviews ndash 2011 ndash V15 ndash P 2262ndash89

14 Wei R Current status and potential of biomass utilization in ferrous

metallurgical industry R Wei L Zhang Renewable and Sustainable Energy

Reviews ndash 2017 ndash V 68 ndash P 511-524

15 Пинчук С И Экологические проблемы и ресурсосбережение при

производстве и потреблении каменноугольного кокса СИ Пинчук АЯ

Лазаренко ndash Днепропетровск Системные технологии 2003 ndash 107 с

16 Titirici MM Sustainable carbon materials MM Titirici RG White N

Brun VL Budarin Chemical Society Reviews ndash 2015 ndash V 44 ndash P 250-290

17 Кремнева ЕВ Повышение эффективности двухстадийного процесса

газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок

малой мощности ЕВ Кремнева Диссертация на соискание науч ст канд

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с

30

техн наук по спец 051406 ndash Техническая теплофизика и промышленная

теплоэнергетика ndash Днепропетровск НМетАУ 2015 ndash 221 с