ВИКОРИСТАННЯ БІОМАСИ ДЛЯ …...3 Зміст Вступ 4 1. Біомаса...
Post on 02-Jan-2020
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
top related