Введение к работе
Актуальность работы основана на необходимости снижения экологической опасности дымовых газов, образующихся при термической переработке углеродсодержащих материалов. В настоящее время требования к содержанию загрязняющих веществ в дымовых газах чрезвычайно жесткие. Обеспечить высокие требования можно, либо используя дорогие очистные сооружения, либо применяя современные технологии термической переработки. Среди наиболее вредных веществ, присутствующих в дымовых газах, следует особо отметить хлорсодержащие соединения, такие как полихлорированные л-дибензодиоксины и я-дибензофураны. Эти соединения образуются при сжигании перерабатываемого материала, включающего одновременно органические и хлорсодержащие вещества.
Фильтрационное горение (ФГ) представляет собой процесс распространения волн экзотермического превращения в пористой среде при фильтрации газа. В определённых случаях при ФГ наблюдается явление сверхадиабатического разогрева. Сверхадиабатический разогрев возникает при наличии источников тепла и теплообмена между потоками твёрдых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу, в результате чего происходит рекуперация тепла из продуктов горения в зону реакции. При этом температуру в зоне горения можно существенно повысить по сравнению с адиабатической температурой горения. Целенаправленное использование сверхадиабатических разогревов открывает широкие возможности для термической переработки различного рода низкокалорийных топлив, в том числе промышленных, бытовых и медицинских (химически и биологически опасных) отходов. Преимуществами фильтрационного горения термической переработки углеродсодержащих материалов по сравнению с существующими методами являются высокий КПД процесса газификации (до 95%), возможность значительного снижения содержания вредных веществ в газообразных продуктах.
При газификации хлорсодержащие органические соединения разлагаются в восстановительной зоне пиролиза с образованием НС1. Схема газификации в противотоке твердой фазы и газа дает принципиальную возможность нейтрализовать хлористый водород. Это достигается добавлением щелочного сорбента в перерабатываемую шихту. Сорбент поглощает и нейтрализует НС1 и позволяет предотвратить участие хлора в сжигании образующегося продукт-газа. Образующиеся в результате хлориды щелочных и щелочноземельных металлов остаются в твердом остатке (золе) и не представляют экологической опасности.
Идея введения кальцийсодержащих сорбентов в перерабатываемый материал при газификации впервые прозвучала в патенте [1] в 1988 г. Несмотря на перспективность такого подхода, способ поглощения НС1 сорбентами непосредственно в процессе газификации в режиме ФГ до настоящего времени практически не исследовали.
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании закономерностей поглощения НС1 кальцийсодержащими сорбентами непосредственно при газификации твердого топлива в режиме ФГ.
Исходя из поставленной цели, исследования были направлены на решение следующих задач:
Провести термодинамический анализ химических равновесий систем МеС1х + Н20 «-» MeO + НС1 при температурах 500-1300 С, достигаемых в волне ФГ в реакторе-газификаторе, и определить наиболее эффективный сорбент.
Экспериментально исследовать закономерности поглощения НС1 кальцийсодержащими сорбентами при газификации твердого топлива в режиме ФГ.
Оценить предельную степень выделения НС1 из шихты, содержащей СаС12, при прохождении волны ФГ.
Исследовать зависимости степени поглощения НС1 от природы и удельной поверхности сорбента, мольного отношения Са/С1 в шихте, содержания влаги в газифицирующем агенте, температуры в зоне горения, высоты поглощающего слоя над зоной горения.
Изучить закономерности поглощения НС1 сорбентами при газификации хлорсодержащих жидкостей, вводимых в область зоны горения, в реакторе непрерывного действия.
Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование нейтрализации НС1 при газификации в режиме ФГ при введении в реактор-газификатор кальцийсодержащих сорбентов.
Экспериментально найдены зависимости доли поглощенного НС1 от количества введенного в шихту сорбента, удельной поверхности сорбента, содержания влаги в газифицирующем агенте, температуры в зоне горения, высоты поглощающего слоя над зоной горения.
Впервые показано, что доля поглощенного НС1 зависит не только от степени адсорбции и нейтрализации НС1 кальцийсодержащим сорбентом, но и от количества НС1, выделяющегося при гидролизе хлорида кальция в высокотемпературной зоне горения.
Впервые разработан способ газификации хлорсодержащих жидкостей, вводимых в область зоны горения, в непрерывном режиме ФГ, позволяющий нейтрализовать НС1 непосредственно при газификации твердого топлива.
Практическая ценность работы.
Выработаны подходы оптимизации поглощения НС1 непосредственно при газификации твердого топлива в режиме ФГ.
Введение кальцийсодержащих сорбентов позволяет снизить количество НС1 на выходе из реактора, что уменьшит нагрузку на систему газоочистки.
Предложен и апробирован метод термической переработки хлорсодержащих жидкостей, вводимых в область зоны горения, позволяющий нейтрализовать НС1 в условиях непрерывной газификации твердых топлив.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальной установки - вертикального шахтного реактора периодического действия с диаметром реактора 46 мм. Автор непосредственно участвовал в постановке и обосновании основной части исследований по поглощению НС1 кальцийсодержащими сорбентами непосредственно при газификации твердого топлива, получении экспериментальных закономерностей влияния управляющих параметров на степень поглощения НС1, их обсуждении и формулировании выводов. Приведённые в работе термодинамические расчеты проведены лично автором с использованием коммерческой программы Terra [2].
Титриметрический анализ на содержание хлора в твердом остатке выполнен Балабаевой Е.М. (ИПХФ РАН).
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях: 1) XIV симпозиум по горению и взрыву, г.Черноголовка, 13-17 октября 2008 г.; 2) VI Всероссийская Школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, ИСМАН, г.Черноголовка, 26-28 ноября 2008 г.; 3) Международная конференция «Химическая и радиационная физика» (Мемориал О.И. Лейпунского), г.Москва, 25-29 августа 2009 г.; 4) VII Всероссийская Школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых, ИСМАН, г.Черноголовка, 25-27 ноября 2009 г.; 5) Вторая конференция по фильтрационному горению, г.Черноголовка, 11-14 октября 2010 г.
В 2009 году материалы диссертации были представлены на конкурсе молодых ученых им. СМ. Батурина в Институте проблем химической физики РАН.
Публикации автора. По материалам диссертации опубликована 1 статья в рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки Российской федерации и 5 тезисов докладов на Всероссийских и международных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 5 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 65 наименований.
