автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Выбросы в атмосферу при сжигании твердого органического топлива: оценкаотносительных вкладов в парниковый эффект и пути снижения их уровня

На правах рукописи

ТЕРЕНТЬЕВ Петр Александрович

ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА: ОЦЕНКА ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ВКЛАДОВ В ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И ПУТИ СНИЖЕНИЯ ИХ УРОВНЯ

Специальность 05.17.07 -Химическая технология топлива

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1996 г.

Работа выполнена в Институте горючих ископаемых Министерства топлива и энергетики Российской Федерации

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Гюльмалиев A.M. Научный консультант доктор физико-математических наук,

академик АЕН РФ Тетерин Ю. А.

Официальные оппоненты:доктор технических наук,профессор

Шпирт М. Я.

доктор химических наук, профессор Ларионов 0. Г.

Ведущая организация - Государственная академия нефти и

газа им. И. М. Губкина.

Защита состоится " 5~" г. в 10 час. на заседании

диссертационного Совета К 135.03.02 в Институте горючих ископаемых Министерства топлива и энергетики Российской Федерации по адресу: 117910, ГСП-1, Москва. Ленинский проспект,29, в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горючих ископаемых Министерства топлива и энергетики Р.Ф.

Автореферат разослан " " 1996 года.

Учрнмй секретарь диссерт.щионного Совета к. т. н.

Кост Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность проблемы. Парниковый эффект - это глобальная проблема, связанная с изменением состава атмосфер» в результате деятельности человека. Концентрация многих компонентов атмосферы, оказывающих влияние на климат, непрерывно возрастает,что может уже в ближайшие десятилетия привести к существенному потеплению климата на нашей планете с угрожающими последствиями для человечества. Ученые считают, что к 2030 году температура земной повехности может подняться примерно на 1,5 градуса. Одним из основных источников поступления в атмосферу "парниковых" газов являются, процессы сжигания топлив. Предварительные оценки показывают. что в среднем при сжигании 1 т угля в атмосферу поступает 2-2,5 т С02 (в расчете на органическую массу).который считается одним из основных газов, ответственных за парниковый эффект.

В настоящее время во всех индустриально развитых странах мира интенсивно ведутся научно-исследовательские работы по оценки экологически неблагоприятных выбросов а атмосферу в результате деятельности человека, разрабатываются пути их снижения. По сведениям Комитета по энергетике при ООН ( рабочая группа по углю) только в США выполняется шесть програш, направленных на решение различных аспектов проблемы снижения выбросов диоксида углерода. образующегося при сжигании твердого топлива.

В этой связи исследования, направленные на оценку различных газов, поступающих в атмосферу при сжигании углей Российской Федерации, их относительных вкладов в парниковый эффект, а также поиск путей их сокращения являются актуальными.

Целы» работы являлось с использованием методов химической термодинамики оценить выбросы С02 и Б0Х в атмосферу при топливном использовании углей Российской Федерации; определить относительные вклады в парниковый эффект газов - продуктов сгорания углей, и применить углеродные адсорбенты, получаемые по методу Института горючих ископаемых (ИГИ) для снижения уровня выбросов "парниковых" газов о атмосферу.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИГИ по темам: "Выполнить исследования и разработать технологию использования угля с сокращением объемов .выбросов С0г" ( N гос. регистрации 01920017011); "Выполнить" комплекс НИР по сокращению выбросов С02 при сжигании твердых тошшв Ш гос. регистрации 01940 009275). •

Научная новизна. Проведена сравнительная и научно-обоснованная оценка количества удельных (на единицу условного топлива и единицу выработанной энергии) выбросов СО? в атмосферу при сжигании углей, мазута и газа Российской Федерации на основе данных о их составе. Исследованы вклады в парниковый эффект газов - продуктов сгорания топлив. Подтверждено, что двухатомные молекулы в парниковый эффект вклада не вносят, а вклад водяных паров не велик. Впервые предложен простой термодинамический метод для оценки 'относительных вкладов в парниковый эффект многоатомных молекул. Установлен ряд трехатомных молекул - продуктов сгорания твердого топлива, по их вкладу в парниковый эффект.

Исслсдонлны адсорбционные свойства углеродных адсорбентов, изготовленных по методу ИГИ, при улавливании из газовой фазы ряда экологически неблагоприятных газов. Установлена адекватность

уравнений, описывающих адсорбцию и позволяющих моделировать его в широком диапазоне изменения параметров. Даны рекомендации по улавливанию углеродными адсорбентами "парниковых" примесей из газов - продуктов сгорания топлив.

Практическая значимость. Полученные результаты методического характера позволяют научно-обоснованно оценивать степень поступления в атмосферу "парниковых" газов при топливном использовании углей конкретных месторождений. Изученные углеродные адсорбенты и технологические параметры их применения рекомендованы для улавливания из газов - продуктов сжигания угля, примесей, вносящих наиболее значительный вклад в парниковый эффект.

Основные положения, выносиыые на защиту:

- предложенную методику оценки и результаты расчетов удельных выбросов диоксида углерода в атмосферу при сжигании углей, мазута и газа Российской Федерации;

- новый метод и результаты расчетов относительных вкладов в парниковый эффект газов - продуктов сгорания твердого топлива:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований адсорбции С0г и 50г из газовой фазы углеродными адсорбентами, изготовленными по методу ИГИ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на Российско-Французском симпозиуме "Комплексное развитие экологически чистых технологий переработки углей по благо всех европейских стран" (г. Москва. 1994г.}; . научно-практической конференции с международным участием "Углеродные материалы" (г.Новокузнецк,1995г.); научной сессии по химии и переработке твердых топлио (г.Москва, 1995г.); " Совещании

экспертов по чистым технологиям использования угля" рабочей группы по углю Комитета по энергетике ЕЭКООН (г. Женева. 1996г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 работы. Объем работы. Диссертация изложена на 116 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков. 21 таблицу, списка литературы ».з 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации дан краткий литературный обзор

современного состояния проблемы "парникового эффекта". *

Во второй главе на основе данных технического анализа проведена оценка удельных выбросов диоксида углерода в атмосферу при сжигании углей ряда основных бассейнов и месторождений Российской Федерации.

При расчете удельного выброса С02 с продуктами сгорания твердого топлива использовались значения низшей теплоты сгорания в рабочем состоянии топлива, Цг,. МДж/кг.

Топливо как источник поступления диоксида углерода в атмосферу с продуктами его полного сгорания характеризовали следующими удельными показателями:

- удельной массой диоксида углерода на 1 кг у. т., поступающего в топку топливо использующего агрегата - М°со , кг/кг у. т.;

- удельной массой диоксида углерода на единицу тепла, введенного

о топку с топливом п°со , кг/МДж.

о

Предложены следующие формулы для расчета:

Сг

MÍL = 1,0739 —— . кг/кг. у. т..

2 Q : - -------

сг

п°1ПП = 0.03664 —— кг/МДж,

'tu nr '

2 U I

где Cr - содержание углерода (%) s рабочем состоянии топлива;

Q1 , - низшая теплота сгорания в рабочем состоянии топлива;

МДж/кг.

Из результатов расчетов следует, что п°,с0 для ка!.(енных

2

углей марок Д, Г, Ж, СС (за исключением окисленных) находится в интервале 0,091-0,096 кг/МДж, для тощих углей * 0,097, антрацитов - 0,102-0,104'кг/МДж, для углей первой группы окисленности (Кузбасс) - 0,096-0,102 и второй группы окисленности 0,100-0,109 кг/МДж. В целом отношение шах значений выбросов к min для каменных углей составляет примерно 1.2. Удельный выброс С02 при сжигании бурых углей в зависимости от их марки составляет: БЗ * 0,096-0,100 кг/МДж; Б2 * 0,102-0.108 кг/МДж, (за исключением Райчихинского, у которого он равен 0,112 кг/МДж); Б1 * О,105-0, 113 кг/МДж.

В табл. 1 приведены результаты расчета удельных выбросов диоксида углерода с продуктами полного сгорания углей Подмосковного, Печорского, Кизеловского, Челябинского и ЮжноУральского (Тюльганское месторождение) бассейнов,а также удельные выбросы на единицу выработанной тепловой энергии при сжигании этих углей в топках различных энергетических установок.

Проведен расчет удельных выбросов С0:, при сжигании мазута и природного газа. Полученные результаты свидетельствует о том.

- а -

Таблица 1

Удельный выброс диоксида углерода с продуктами сгорания твердого топлива

Бассейн. месторождение. предприятие Марка, класс твердого топлива 1 Аг. % • МДж кг сааг % К1аг % Ап, %кг МДж Мс 02 кг кг у. т. П1С0 2 кг МДж

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Подмосковный бассейн (в среднем по бассейну)

32.0 30,6 8,64 65,0 5,2 3,5 3,01 0,103 Печерский бассейн

Интаугаль.Д 11.5 28,8 16,87 74.0 4.8 1,7 2,81 0,096 ВоркутаугольД 8,0 29,4 20,77 84,0 5,2 1,4 2,72 0,093 Кизеловский бассейн,

Ж 6,0 32,0 19,68 78,4 5,7 1,6 2,65 0,091

Челябинский бассейн,

ЗБ ' 15.5 33.3 12,64 71,0 5,1 2,9 2,91 0,099

Горловский бассейн,

А 10,0 16,2 24,16 93,2 2,0 0,67 3,06 0,104

Кузнецкий бассейн угли подземной добычи:

I

Г. 8,5 16,9 23,57 80.5 5,6 0,72 2.74 0.093

Иркутский бассейн,

Д. 15.0 28.9 16.41 75.5 5,1 1.76 2,83 0.096

Продолжение таблицы 1

2 I 3 _)

4 15 6 17 8 19

'_I_| '_'

ЗБ 25,0 16,5 15,99 73,0 5,3 1,03 2,87 0,098

Г 8,0 26,7 20,18 78.0 6,1 1,32 2,71 0,092 Харанорскоё месторождение

1Б 39,0 12.2 11.97 72.0 4.2 1.02 3,15 0.108 Канско-Ачинский бассейн

2Б 33,0 7,4 15,28 71,5 5,0 0,48 3,00 0,102

угли Дальнего Востока

Ж6 5,5 32,1 20,74 84.4 5,1 1.57 2,76 0,094

Т 5,0 28,5 22,19 88,5 4,0 1,28 2,85 0,097

что удельный выброс диоксида углерода с продуктами сгорания мазута составляет примерно 0,71-0,85; а газа - 0,5-0,6 от выбросов при сжигании углей.

Отметил, что согласно формулам (1) с увеличением теплоты сгорания топлива величины удельных выбросов диоксида углерода уменьшаются.С другой стороны, теплота сгорания топлива зависит от содержания водорода в его составе.Следовательно, можно предположить, что величины удельных выбросов диоксида углерода будут зависеть от параметра Н / С. Такая зависимость приведена на рис.1.

Как следует из рис.1, с увеличением Н / С удельный выброс

псо при сжигании углей уменьшается.При переходе от углей к га-2

зу величина п., в среднем уменьшается в два раза.

0.1

и х

2 0.05

10

20

Рис.1. Зависимость п,

'СО

30 40

(Н/С)* 102

от Н/С

для углей, мазута и газа : 1 - газ. 2 - мазут, 3 - Подмосковный уголь. 4 - Интауголь, Д. 5 - Воркутауголь. Ж, 6 - Кузнецкий. Д. 7 т Горловский. А.

Таким образом , одним из эффективных путей сокращения выбросов парниковых газов является переход к топливу , содержащему наибольшее количество водорода. Среди органических топлив таковым несомненно является газ.

Третья глава диссертации посвящена исследованию относительны: вкладов п парниковый эффект газов - продуктов сгорания топ-

лива.

Исследованы термодинамические аспекты проблемы парникового эффекта. При изменении температуры системы на ДТ, рассмотрена способность поглощения (выделения) энергии различными примесными газами о отдельности и вычислены поглощенные (выделенные) энергии з одном моле воздуха в зависимости от количества в нем примесных газов.

3 рамках статистической модели, рассмотрены "парниковые" характеристики газов, состоящих из двухатомных молекул.

Согласно закону распределения Максвелла-Больцмана в состоянии термического равновесия число молекул, обладающих энергией Е(п) при данной температуре Т, равно:

N"

N„ = - ехр [ -Е(п) /кТ], (5)

Q

где 'J-. - общее число молекул, к - постоянная Больцмана. Q - сумма по состояниям.

- з /

Q = Е ехр( - Е(п)/кТ). (6)

Для. ряда двухатомных молекул выражения Е(п), вычисленные с использованием спектроскопических данных, приведены ниже:

1 1 о

H« : Ein) = 12.5703[(п + —) - 0.02683(п + -Г ]; (7)

2 2

1 1 „

СО : Е(п) = 6.204287[(п + —) - 0.00615(п + -)"]; (8)

2 2

1 1 2

№. : Ein) = 6.74590[(n +.-) - 0.00633(n + -)']; (9)

2 2

1 1 л

N0 : Ein) = 5.44401 [(n + —) - 0.00737(n +-П; (10)

2 2

1 1 о

0, : E(n) = 4.51678[(n +-) - 0.00741(n + -)']; (11)

2 2

1 1 о

SO : E(n) = 3.2828[(n + —) - 0.00533(n + —)']. (12)

2 . 2

Результаты расчетов температурной зависимости заселенности колебательных уровней двухатомных молекул N2, 02, СО, N0 и S0, согласно формуле (5) показали, что рассмотренные двухатомные молекулы в широком температурном диапазоне заселяют первый колебательный уровень, следовательно, теплоемкость их в данном диапазоне от температуры не зависит. Этот вывод, в свою очередь, означает, что двухатомные газы в парниковый эффект вклада не вносят.

Статистические суммы поступательных (Q,). вращательных (Qr) и колебательных (Q,) движений молекул вычислялись по формулам:

veß(2imkT)3/2

Q, --1-; (13)

h"

1 8iTlkT

CL (линейных молекул) ----;-; (14)

пб h'

1 г Srt°kT(I4i=I/.)l/313/2 CL (нелинейных молекул) ---I -т.- I ; (15)

' лб l h- J

- и -

о .i - J - п g - !

Qv - П fl - expí—]] ; (16)

l ч x 1 j

здесь, m - масса, h - постоянная Планка, Т - температура (К). I- момент инерции, к - постоянная Больцмана, б - число симметрии молекулы, 8 - приведенная температура, g - мультиплетность, п -число вращательных степеней свободы, V - объем молекулы.

С помощью формул (13-16) проведен расчет поступательных, вращательных и колебательных составляющих термодинамических функций молекул С02 и Но 0 при разных температурах.

Результаты расчетов показывают, что разные виды движения .вносят разные вклада в термодинамические функции. Существенными среди них являются вклады от колебательных движений. Поэтому была исследована зависимость от температуры колебательной составляющей внутренней энергии ряда молекул представляющих интерес. Результаты расчета приведены и табл.2.

Из данных табл. 2 следует, что колебательные составляющие внутренней энергии трехатомных молекул существенно отличаются. Например, при Т = 300К ипоЛ. составляет (кал/моль) : (164,8) С02; (215,1) N20; (148,8) S02; (107,7) 03 и (1.7) Н20.

Учитывая, что термодинамические функции смеси газов £, (энтальпия, теплоемкость) подчиняются аддитивному закону, можно записать:

г. = рп.Е., , (17)

где ш, - весовая доля i-того компонента, г., -его термодинамическая функция.

Согласно формуле (17). "чистого воздуха", состоящего толь-

Таблица 2

Зависимость колебательных составляющих внутренней энергии и, (кал/моль)трехатомных газов от температуры

Молекулы Т. К Чг "з и4 "ПОЛ^

со2 250 1.6 40.9 40.9 0.0 83.3

300 5.8 79.5 79.5 0.1 164.8

350 14.8 129.1 129.1 0.4 273.4

N¡>0 250 0.0 57.1 57.1 2.1 116.4

300 0.1 103.8 103.8 7.3 215.1

350 0.6 161.1 161.1 17.8 340.6

БРа 250 4.0 76.5 1.4 0.0 81.9

300 12.4 131.1 5.3 0.0 148.8

350 27.7 195.4 13.6 0.0 236.7

0.з 250 5.3 36.1 7.4 0.0 48.8

300 15.6 71.9 20.3 0.0 107.7

350 33.5 118.9 41.7 0.0 194.0

н2о 250 0.0 ' 0.4 0.0 0.0 0.4

300 0.0 1.7 0.0 0.0 1.7

350 0.0 5.4 0.0 0.0 5.4

ко из молекул азота и кислорода, при А = т^ 2 /тг, 2 термодинамическая функция е.11 будет определяться формулой:

А А

(18)

1+А 1+А

В случае примеси с весовой долей х можно написать:

v- = (l-x)H.3 + хг." (19) Отсюда получим:

Де(х)=€.3 ■ • (х)-£.3=х(£.п-&.3). (20).

Для энтальпии (г. = Н: - Н2дз) согласно формуле (20) имеем:

Д(Н: - Н;зз) = х[(Нт - H23S) - (Нг - Н29 3 )] или

7 л Т з

Д(НТ - Н;38) - хГ i Ср (T)dT - X Cp(T)dTl . (21)

L;s3 ' сэз J

Согласно (21), в случае С02 для расчета изменения энтальпии в зависимости от х имеем:

Д(НТ-Н,38)=х[-46,9329-1,8635Т+0 0077078Г-3,107.10"5Т3] (22)

• и • j

Аналогичные формулы получены для случая No 0 и S02. При ДТ = 38°С и х = 0,01 величина Д(Н3'Л- Н3) составляет (кал/моль): (0,769) С0:, (1,10) N20 и (1,18) S02. Следовательно, по вкладу з парниковый эффект газы образуют ряд: S02 > N2 0 > С02.

3 четвертой главе рассмотрена адсорбция экологически неблагоприятных газов, как один из возможных процессов их улавливания. Необходимо отметить, что любой способ улавливания С02 приведет к неизбежному удорожанию вырабатываемой электроэнергии. Кроме того сами процессы очистки газов требуют немалых затрат электроэнергии. В связи с этим следует обязательно предусматривать дальнейшее использование диоксида углерода в качестве ценного сырья, основным источником которого является в настоящее время сжигание древесины. Однако на практике осуществить такое сочетание двух процессов затруднительно, поэтому специалисты по экологии

многих стран склонны идти по пути лишь частичного улавливания диоксида углерода для поддержания его содержания в атмосфере на современном уровне.

Последнее время зсе больше внимания привлекают каталитическое окисление С02 и адсорбционный метод. Из всех теоретически возможных методов мы остановились на адсорбционном методе, так как,во-первых, метод короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) мало энергоемкий; во-вторых, позволяет одновременно удалять другие экологически неблагоприятные примеси и получать диоксид углерода высокой чистоты, пригодный для дальнейшего использования. В качестве адсорбента рекомендованы углеродные адсорбенты сферической форш, разработанные в Институте горючих ископаемых на основе слабо спекающихся углей Российской Федерации. Характеристика сферических адсорбентов представлена в табл.3, в которой для сравнения приведены свойства активных углей отечественных марок, производимых на основе угля и торфа, для адсорбции газов и паров.

Таблица 3

Характеристика углеродных адсорбентов

N Марка Механическая прочность, % Объемы пор. см3/г

микро мезо макро

1 Сферические 85-95 0.37-0.42 0.09-0,11 0,26-0, 37

адсорбенты

2 АГ-2 не менее 73 0.28-0,32 0, 04-0. 07 0,24-0,34

3 АР не менее 70 0,30-0,34 0. 05-0,09 0,30-0,33

4 СКТ не менее 66 0,40-0.48 0.18-0,19 0.26-0,28

Из табл.3 видно,что адсорбенты по данной технологии выгодно

отличаются высокой механической прочностью, что обеспечивает многократное использование их после регенерации.Они характеризуются развитой пористой структурой и высокой насыпной плотностью (0, 52 - О, 55 г/см"), что делает их сравнимыми по адсорбционной способности с активными углями лучших марок. Это подтверждается результатами исследований адсорбции газов: оксида и диоксида углерода, диоксида серы и сероводорода, метана, пропана, водорода и азота, в довольно широком интервале температур ( от -30 до +20°С) и давлений ( до 20 атм) сферическими адсорбентами.

На рис.2 и рис.3 представлены изотермы адсорбции изученных газов. Как следует из рис.2, одним из наиболее сорбируемых компонентов, содержащихся в воздухе, является диоксид углерода. При этом изотермы адсорбции диоксида углерода ( величины адсорбции газа выражены в см°/см') на сферическом углеродном адсорбенте и активном угле марки СКТ практически совпадают (см. рис.4).

Такая достаточно высокая сорбционная способность сферических адсорбентов при меньшем объеме микропор в них, по сравнению с активны!,1 углем марки СКТ, достигается за счет более высокой плотности сферических адсорбентов.

В качестве адсорбента могут быть также рекомендованы углеродные молекулярные сита (УМС), разработанные в ИГИ. Кинетические кривые адсорбции диоксида углерода, азота и кислорода представлены на рис. 5. Из рис. следует, что адсорбция С02 всего за одну минуту достигает почти 20 см3/г, что составляет более 80% от величины равновесной адсорбции. При этом адсорбция основных компонентов воздуха и 02 не превышает 2 см^/г.

Для моделирования процесса адсорбции и экстраполяции адсор-

p. MM рт. CT.

ja з

Ряс.2. Изотермы адсорбции газов: C0L(1). СН;(2). СО(3). No(4), сферическим адсорбентом, 20°С.

р. ш рт. ст.

: а гг н и •?

Рис.3. Изотермы адсорбции газов: S0o(l). Hr.S(2), С:.НЛЗ) сферическим адсорбентом при 25''С.

з

Рис.4. Изотерма адсорбции С02 сферическим адсорбентом (о) и активным углем СКТ (*) при 20°С.

Рис.5. Кинетические кривые адсорбции СО-. 0С и

углеродным молекулярным ситом при 20*С и 300мм рт. ст.

бционных данных была рассмотрена возможность применить к их описанию основные уравнения теорий адсорбции, что позволило с одной стороны раскрыть природу адсорбции "парниковых" газов, с другой. приведя адсорбционные зависимости к линейному виду, сравнительно просто получать необходимую информацию для расчетов адсорбционных процессов без проведения дополнительного эксперимента. В качестве примера на рис.6 приведены изостеры адсорбции диоксида углерода.

Методом атом-атом потенциалов рассчитана энергия адсорбции на модельной поверхности с учетом физико-химических особенностей адсорбируемой молекулы. Ценность такого подхода заключается в том, что на основе теоретических расчетов заранее можно оценить какие функциональные группы как влияют на степень адсорбции. Это в свою очередь открывает путь к целенаправленной модификации по-

1ер

Рис.6. Изостиры адсорбции С02 сферическим адсорбентом.

верхности адсорбента.

Среди адсорбционных методов особое внимание заслуживает ко-роткоцикловая безнагревная адсорбция (КБА) - типовой адсорбционный процесс, который сочетает в себе конструктивную простоту самой установки с высокой интенсивностью работы адсорбента. Установки КБА широко используются, особенно за рубежом, для очистки и концентрирования различных газов. Хорошо зарекомендовала себя, например, очистка водорода методом КБА от оксида и диоксида углерода, метана.

Рассмотрена возможность очистки газа (воздуха) методом КБА сферическими адсорбентами.Технологическая схема очистки газов методом КБА включает четыре адсорбера, работающих в режиме последовательных стадий: адсорбция при постоянном давлении, десорбция при сбросе давления, продувка и подъем давления, со сдвигом на одну фазу. Время работы каждой стадии 5-15 минут.

Несложные расчеты, проведенные на основе имеющегося экспериментального материала, показали, что одна тонна сферических адсорбентов за один цикл работы (-10 мин.) 4-х адсорберной установки КБА сорбирует от 1,5 до 15 нм3 диоксида углерода в зависимости от его концентрации в исходном газе.

Рассмотренный адсорбционный метод рекомендован для частичного улавливания С02 с целью поддержания его концентрации в атмосфере на современном уровне или для глубокой очистки газов от диоксида углерода на заключительной стадии в сочетании с другими методами очистки и последующим использованием уловленного диоксида углерода в качестве сырья для производственных нужд ( химической промышленности,получения сухого льда и т. д.)

Поскольку диоксид серы, как было отмечено выше, занимает первое место среди трехатомных газов в создании парникового эффекта, была рассмотрена возможность применения адсорбционного метода очистки газовых выбросов от 802. Изучение адсорбции диоксида серы сферическими адсорбентами показало, что максимальная его адсорбция составляет 8,7мМ/г. Низкая теплота адсорбции (не превышает 10,5 ккал/моль, начиная с а=1, ОмМ/г), полная обратимость изотерм и сннжсние величины сорбции с ростом температуры говорят о том. что мы, как и в случае диоксида углерода, имеем дело с физической адсорбцией, обязанной ван-дер-ваальсовым взаимодействиям. Однако о присутствии кислорода и водяных паров наблюдается. как следует из экспериментальных данных (табл.4 ), протекание химических реакций с образованием в результате серной кислоты, которая может быть легко удалена промывкой адсорбента водой.

Таблица 4

Адсорбция диоксида серы в смеси с кислородом и водяным паром при температуре 25°С

Адсорбция Б0-(р-10мм рт.ст), иг/г Адсорбция Н.-0, мг/г Суммарная адсорбция,мг/г

Б02 +Н:: 0 80,+02 (1:1) Б02 +02 +Н2 0

63,75 7,65 (р=6мм) 71,35 _

63.75 25,30 (р=10мм) 88,90 85,79 149,50

Происходящие на адсорбенте процессы можно представить еле-

дующим образом:

2°2(газ) (аде)

°2(газ) °2(адс) Нг°(газ) )

220-(Здс) + °2(адо + 2Н20(алс, - 2Н2301(адс,

Н2 (аде 1 Но Б04 ( х и д к )

Опыты, проведенные в динамических условиях на двухадсорберной установке с газовоздушной смесью, содержащей 0,356об. Б02, показали стабильную работу адсорбента на протяжении 60 циклов адсорбция - регенерация, после которых наблюдалось некоторое снижение времени защитного действия на ~ 7%. Однако сушка адсорбента до нулевой влажности возвратила время защитного действия слоя адсорбента к первоначальному значении. За один цикл работы (время защитного действия 1,5 часа) 1 кг адсорбента поглощал до 100 г диксида серы, за 60 циклов - около 6 кг, т.е. в шесть раз больше собственного веса.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика сравнительной и научно- обоснованной оценки и проведены расчеты удельных выбросов С02 с продуктами сгорания углей, газа и мазута Российской Федерации на единицу условного топлива и на единицу выделевшегося тепла при их сгорании на основе их состава.

2. Установлено, что наибольший выброс С02 имеет место в случае сжигания окисленных каменных углей и бурых углей марки Б1.

Удельные выбросы диоксида углерода с продуктами сгорания составляют (кг/МДя): каменных углей (за исключением окисленных)

- 0,091-0,096; антрацитов - 0,102-0,096; бурых углей марок БЗ

- 0,096-0,1; Б2 - 0,102-0,108; Б1 - 0,105-0,113; газа и мазута - 0,05-0,06'и 0,071-0,081 соответственно.

3. Установлены вклады в парниковый эффект газов - продуктов сгорания топлив. Методами статистической физики показано, что в температурном интервале 200<Т<400 К заселенность колебательных уровней энергии двухатомных молекул практически не меняется, следовательно, двухатомные молекулы в парниковый эффект вклада не вносят.

4. Предложен термодинамический метод оценки относительных вкладов в парниковый эффект многоатомных молекул и установлен ряд

- по величине вклада: S02>N20>C02 при их одинаковом количестве. С учетом количества образующегося С02 он вносит наибольший эффект.

5. Определены адсорбционные свойства углеродных адсорбентов, изготовленных по технологии ИГИ, при улавливании из газовой фазы экологически неблагоприятных примесей. Приведены уравнения, адекватно описывающие процесс, которые позволяют с одной стороны установить природу адсорбции газов, а с другой - экстраполировать экспериментальные данные в широком диапазоне, что необходимо для его моделирования.

6. Рекомендовано использовать сферические углеродные адсорбенты для улавливания "парниковых" компонентов из газов - продуктов сгорания топлив : С02 - в четырех адсорберной установке ко-роткоцикловой безнагревной адсорбции (метод КБА). S02 - в

двух адсорберной системе с полной регенерацией адсорбента.

Основное содержание диссертации изложено о следующих публикациях:

1. Тсрентьои П.А., Гюльмалиев A.M. Угольные адсорбенты для очистки воздуха// Сб. тезисов докладов на научно-практической конференции с международным участием "Углеродные материалы". Новокузнецк. 1995, С. 6-7.

2. Головин Г.С., Гюльмалиев A.M., Терентьее iL А. Термодинамическая оценка образования С0г, N0, и Б0г в процессе сжигания угля и их воздействие на окружающую среду // Тезисы доклада на Совещании экспертов по чистым технологиям использования угля Рабочей группы по углю Комитета по энергетике БЭКООН, 1996. Женева.

3. TepenTbCD П.А., Гюльмалиев A.M., Рубан В.А., Мапышенко B.C. Применение углеродных адсорбентов для очистки газовых выбросов// ХТТ. 1996, N1, с. 59-66.