CC BY
2С.Л. Буянтуев, д-р техн. наук, проф.
К.С. Шаронов, аспирант Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 621.128
ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ ОКИНО-КЛЮЧЕВСКОГО И АДУН-ЧУЛУНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В статье рассмотрены вопросы плазменной переработки бурых углей окино-ключевского (Республика Бурятия) и адун-чулунского (МНР) месторождений. Приведены результаты экспериментов по плазменной газификации этих углей. Рассмотрен вопрос получения синтетического жидкого топлива из углей этих месторождений.
Ключевые слова: плазменная обработка углей, активация углей, синтетическое жидкое топливо.
S.L. Buyantuev,D. Sc. Engineering, Prof. K.S. Sharonov, P.G.
FEATURES OF PLASMA COAL GASIFICATION OF ОKINO-KLIUCHEVSKIY
AND ADUN-CHULUNSKI FIELDS
The article reveals plasma processing of brown coal of OkinoKliuchevskiy (Buryatia) and Adun-chulunskiy (MPR) fields. The results of experiments on plasma coal gasification are shown.There are problem ofproducing synthetic liquid fuels from coal of these deposits.
Key words: plasma processing of coal, activated carbons, synthetic liquid fuel
В настоящее время уголь в основном используется как топливо в котельных и на тепловых электрических станциях для выработки тепла и электроэнергии, однако эти технологии сжигания сопряжены с такими проблемами, как неполное сгорание угля, выбросы окислов азота, углерода, золы. При этом существует опасность заражения почвы в местах, где производят выброс шлаков. Помимо сжигания угля существуют и другие направления его использования - получение синтез-газа и сорбента (активированного угля). Кроме того, синтез-газ является исходным сырьем для получения синтетического жидкого топлива. Синтез-газ получают путем газификации угля в газификаторах, работающих по технологиям Винклера, Лурги, Копперс-Тотцека. Не останавливаясь на особенностях работы этих газификаторов, отметим, что их общим недостатком является наличие каменноугольной и других смол, конденсирующихся при охлаждении получаемого синтез-газа. Сорбент (активированный уголь) получают путем термической обработки природного угля. Однако технологии получения активированного угля не позволяют производить его в достаточных количествах, что служит препятствием к широкому применению углеродных сорбентов.
Решить проблемы, сопутствующие технологиям получения синтез-газа и сорбента, можно, применив для термической обработки угля низкотемпературную плазму. Практическая ценность низкотемпературной плазмы доказана в трудах многих исследователей как в России так и за рубежом. В энергетике можно выделить следующие направления внедрения плазменных технологий - розжиг твердого топлива в котлах ТЭС, сопутствующая ей газификация угля и получение сорбента. Кроме того, как уже упоминалось выше, при газификации угля получают синтез-газ, который может быть использован для получения синтетического жидкого топлива (СЖТ).
Для исследований выбраны бурые угли окино-ключевского и адун-чулунского месторождений. Выбор этих углей обусловлен технико-экономическими причинами. Окино-Ключевской разрез Республики Бурятия начал свою работу в 2009, а в 2012 г. планируется выход на промышленный уровень. В связи с этим исследования по газификации углей этого разреза представляют интерес. Ранее в Бурятском государственном университете и Восточно-Сибирском государственном технологическом университете были проведены исследования по газификации и получению сорбента из каменных углей тугнуйского (Республика Бурятия), урейско-го (Читинская область) месторождений и бурых углей баганурского месторождения (Монголия), и были получены хорошие результаты как по синтез-газу, так и по сорбенту. Месторождение «Адуунчулуун» (Монголия) начало свою работу в середине ХХ века. В настоящее время угли этого месторождения используются в качестве энергетического топлива на местной ТЭЦ г. Чойбалсан. Исследования плазменной переработки углей этого месторождения призваны выявить возможность получения синтез-газа и в дальнейшем СЖТ для собственных нужд разреза.
Исследуемые угли относятся к бурым углям марки Б3. Характеристики этих углей, а также расчетное значение удельных затрат энергии на их газификацию приведены в таблице 1. Расчеты выполнены с помощью программы ТЕРРА для температуры процесса 1000 К.
Таблица 1
Основные характеристики исследуемых углей и расчетные затраты энергии на процесс газификации
Уголь Л* V« Qрн, кДж/кг Удельные энергозатраты, кВт-ч/кг
воздушная газификация паровая газификация
Окино-ключевской 21,3 22,3 42,3 16709 0,29 2,01
Адун-чулунский 21,2 8,3 45,4 14770 0,25 1,11
Для проведения экспериментальных исследований создана двухступенчатая установка плазменной переработки твердых топлив (рис. 1). При создании экспериментальной установки был использован модульный принцип, т.е. конструктивно установка поделена на несколько модулей или секций (камер). Важным является вертикальное расположение модулей, где происходят процессы массо- и теплообмена между твердыми частицами сырья и газовым теплоносителем. Это исключает необходимость дополнительного дутья для продвижения твердого топлива, а также обеспечивает отсутствие зон, где могут скапливаться частицы топлива.
Первая ступень установки - коаксиальный плазмотрон совмещенного типа с внутренним диаметром 0,15 м и длиной 0,4 м, вторая ступень представляет собой набор цилиндрических модулей общей длиной 2,0 м и внутренним диаметром 0,6 м. В верхней части второй ступени установлен струйный плазмотрон ЭДП-212. Ранее была создана и испытана экспериментальная двухступенчатая установка, первая ступень которой работала в аллотермическом режиме, вторая - в автотермическом режиме. Источником тепловой энергии служила только первая ступень. Установка имела также вертикальное расположение модулей, но диаметр их был одинаковый, в связи с чем пропускная способность установки по углю не превышала 150 кг/ч.
Рис. 1. Устройство экспериментальной установки: 1 - реактор I ступени; 2 - магнитная катушка; 3 - дозаторы;
4 - бункеры сырья; 5 - катод; 6 - эжектор; 7 - парогенератор; 8 - камера II ступени; 9 - струйный плазмотрон;
10 - труба вывода газа; 11 - сборник твердого остатка; 12 - скруббер; 13 - фильтр
Экспериментальная установка может работать в следующих режимах.
1. Работа только первой ступени, уголь и газифицирующие агенты подаются в первую ступень (I режим).
2. Работа только второй ступени, уголь и газифицирующие агенты подаются во вторую ступень (II режим).
3. Работа первой ступени, вторая ступень включается периодически для подогрева. Уголь подается в первую ступень, а газифицирующие агенты подаются во вторую ступень (III режим).
4. Работа первой ступени, вторая ступень включается периодически для подогрева. Уголь и газифицирующие агенты подаются одновременно в обе ступени (IV режим).
5. Работа обеих ступеней одновременно, уголь и газифицирующие агенты подаются одновременно в обе ступени (V режим).
При проведении исследований исходный уголь проходил плазмотермическую обработку, продуктами обработки являлись синтез-газ и твердый остаток. Исследования продуктов плазменной обработки проводились физико-химическими методами, т.е. исследование химического состава, физического состояния, теплотворной способности синтез-газа и микроструктурного строения частиц угля.
Первоначально исследовалось влияние атмосферного воздуха на состав и качество получаемого синтез-газа для рассматриваемых углей в I режиме работы установки, т.е. реагенты подавались в первую ступень, второй плазмотрон при этом был отключен. В каждом последующем опыте изменялось количество поданного воздуха в реактор от 5 до 50 кг/ч, при постоянном расходе угля, равном 50 кг/ч. Во второй серии экспериментов в плазменный реактор подавался водяной пар в количестве 5-30 кг/ч. Результаты экспериментов для окино-ключевского угля показаны в таблице 2. По результатам экспериментов видно, что при воздушной газификации газ состоит в основном из водорода и азота. Содержание углерода не превышает 10%, в то время как содержание кислорода колеблется в пределах 11-14,3 %. В случае паровой газификации объем водорода и оксида углерода несколько увеличивается, но содержание последнего по-прежнему не превышает 10%. С увеличением расхода подводимого воздуха объемная доля азота и кислорода возрастает.
Следует отметить тот факт, что содержание СО и СО2 при обоих видах газификации имеют близкие значения. Это связано с тем, что бурые угли, к которым относится окино-ключевской уголь, не содержат достаточного для образования СО количества свободного углерода наряду с большим содержанием летучих и золы.
Таблица 2
Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме I (об. %)
Компоненты Расход воздуха, кг/ч
5 10 20 30 40 50
Н2 31,8 26,8 20,4 16,3 12,5 7,9
СО 5,4 5,8 6,5 6,8 6,5 4,9
СО2 2,7 3,1 3,8 4,3 4,3 3,3
О2 12,2 13,0 13,6 14,5 15,5 17,3
ы2 46,1 48,8 51,3 54,6 58,3 65,0
СО+Н2 37,1 32,6 26,8 23,0 19,0 12,8
Q, кДж/нм3 4122,3 3638,3 3026,5 2620,7 2181,0 1472,1
Компоненты Расход пара, кг/ч
5 10 15 20 25 30
Н2 34,1 31,7 30,1 28,8 25,9 18,6
СО 7,1 8,1 8,6 8,8 8,3 6,2
СО2 4,5 5,9 6,8 7,3 7,0 5,4
О2 11,0 10,9 10,5 10,8 11,7 14,3
ы2 41,4 41,0 39,6 40,8 44,1 53,9
СО+Н2 41,1 39,8 38,7 37,6 34,2 24,8
Q, кДж/нм3 4585,4 4455,0 4354,3 4237,5 3856,9 2796,3
Результаты экспериментов по газификации адун-чулунского угля схожи с аналогичными результатами для окино-ключевского. При воздушной газификации газ также представлен в основном водородом и азотом. При паровой газификации содержание водорода увеличивается в среднем на 50%. Содержание СО также не превышает 10% для обоих видов газификации, и оно близко к содержанию СО2. Это происходит из-за большого содержания кислорода в адун-чулунском угле.
Далее были проведены исследования газификации окино-ключевского и адун-чулунского углей во второй ступени установки (режим II). При этом первая ступень была отключена. Расходы угля, воздуха и пара оставлены без изменения. Согласно результатам экспериментов получаемый синтез-газ из исследуемых углей более худшего качества, чем в первой ступени. Это объясняется наличием плазмообразующего газа (воздуха) в струйном плазмотроне. Почти равное количество СО и СО 2 указывает на наличие значительного горения частиц угля. Общее содержание горючих компонентов не превышает 30% как при воздушной, так и при паровой газификации. Использование в качестве газифицирующего агента пара дает прирост водорода в 2-2,5 раза, но высокое содержание балласта приводит к тому, что газ также обладает низкой калорийностью и не пригоден для сжигания.
Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме III (об. %)
Компоненты Расход воздуха, кг/ч
5 10 20 30 40 50
H2 38,9 32,8 24,9 19,9 15,3 9,6
CO 14,0 15,0 16,2 16,7 15,9 11,8
CO2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
O2 9,5 10,4 11,4 12,6 13,8 16,1
n2 35,7 39,2 42,9 47,2 52,0 60,7
СО+Н2 52,9 47,8 41,2 36,6 31,2 21,4
Q, кДж/нм3 5987,6 5459,4 4759,2 4277,6 3676,9 2540,6
Компоненты Расход пара, кг/ч
5 10 15 20 25 30
H2 41,2 38,1 36,2 34,6 31,0 22,2
CO 19,1 21,9 23,6 24,3 23,0 17,1
CO2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,1
O2 7,9 7,8 7,5 7,9 9,0 12,4
n2 29,8 29,5 28,2 29,6 33,9 46,5
СО+Н2 60,3 60,0 59,8 58,9 54,0 39,3
Q, кДж/нм3 6885,5 6905,4 6910,5 6823,6 6274,1 4570,4
Для достаточного выхода синтез-газа при газификации таких углей их следует предварительно активировать, т.е. увеличивать эффективную поверхность угольных частиц, подвергая их тепловому удару. При этом удаляется значительная часть летучих составляющих и влаги. В этом заключается особенность газификации бурых углей. Для достижения этой цели было принято решение использовать одновременную работу обеих ступеней. Уголь подавался в первую ступень, где происходила его активация в потоке плазмы, а газифицирующие агенты подавались во вторую ступень (III режим). В таком режиме процесс газификации осуществляется во второй ступени, а первая используется для активации угля. В этом случае струйный плазмотрон во второй ступени использовался для предварительного подогрева зоны реакции до температуры 800-900°С. По результатам экспериментов видно, что синтез-газ получается значительно лучшего качества, чем в предыдущих экспериментах (табл. 3). Суммарное содержание горючих компонентов как при паровой, так и при воздушной газификации достигает уровня 50% и выше. Калорийность этого газа выше значения калорийности в предыдущих экспериментах в 2-2,5 раза. Аналогичные результаты были получены для адун-чулунского угля.
На следующем этапе проводились исследования работы установки в режиме IV. При этом первая ступень была включена постоянно. Второй плазматрон использовался периодически для подогрева зоны реакции второй ступени. В первую ступень подавалось фиксированное оптимальное количество угля и пара, соответствующее режиму III.
Во вторую ступень подавался уголь в количестве 50 кг/ч и газифицирующие агенты. Синтез-газ в режиме IV образуется немного худшего качества по сравнению с режимом III (содержание СО+Н2 снижено в среднем на 16 %), однако производительность установки в этом режиме вдвое выше, чем в III режиме. Худшее качество газа можно объяснить недостаточной активацией угля во второй ступени. Для более полной активации частиц угля во второй ступени было решено оставить второй плазмотрон включенным (режим V). Для сохранения одинаковых условий эксперимента массовые расходы угля и газифицирующих агентов были оставлены без изменения. Согласно результатам экспериментов наблюдается увеличение содержания горючих компонентов в составе синтез-газа по сравнению с режимом IV, что можно объяснить лучшей, по сравнению с режимом IV, степенью активации угольных частиц. При этом в режиме V производительность установки также вдвое выше, чем в режиме III.
Далее была поставлена задача определить состав синтез-газа в V режиме работы установки при увеличенных расходах реагентов. Для этого подача угля во вторую ступень была увеличена до 150 кг/ч (табл. 4). Как видно по результатам экспериментов, содержание СО+Н2 в этом режиме работы снизилось в среднем на 14% по сравнению с предыдущим экспериментом, однако при этом достигнуто заметное увеличение производительности установки - 200 кг/ч угля. Снижение концентраций СО+Н2 вызвано увеличением расходов угля, который не успевает достаточно активироваться во второй ступени. Сходные данные получены и для адун-чулунского угля.
Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме V при расходе угля 200 кг/ч (об. %)
Компоненты Расход воздуха, кг/ч
10 30 60 90 120 150
н2 31,1 26,1 20,0 15,7 12,2 7,7
CO 11,2 11,9 13,0 13,2 12,6 9,5
C02 0,05 0,06 0,06 0,07 0,07 0,05
о2 11,7 12,5 13,1 14,2 15,2 17,0
n2 44,0 47,0 49,5 53,4 57,1 64,1
СО+Н2 42,3 38,0 32,9 28,9 24,8 17,2
Q, кДж/нм3 4790,1 4332,8 3807,3 3368,2 2918,2 2032,5
Компоненты Расход пара, кг/ч
10 30 50 70 90 100
H2 33,0 30,3 28,9 27,2 24,6 17,7
CO 15,3 17,4 18,9 19,1 18,2 13,7
C02 0,09 0,12 0,14 0,15 0,14 0,11
о2 10,4 10,4 10,0 10,5 11,4 14,0
n2 39,3 39,3 37,6 39,5 42,7 52,7
СО+Н2 48,3 47,6 47,8 46,3 42,9 31,4
Q, кДж/нм3 5508,4 5480,4 5528,4 5372,9 4979,5 3656,3
Как показали эксперименты, наиболее эффективна в рассматриваемом режиме паровая газификация углей. В этом режиме производительность установки по синтез-газу составляет 4,1 кг/кг (0,72 нм3/кг СО и 1,43 нм3/кг Н2) для окино-ключевского угля и 3,9 кг/кг - для адун-чулунского угля (0,85 нм3/кг СО и 1,13 нм3/кг Н2). При этом суммарная мощность плазматронов равна 80 кВт и мощность вспомогательных агрегатов - 15 кВт. Отсюда следует, что удельные энергозатраты для обоих видов углей составляют 0,5 кВт-ч/кг.
Изменяя количество воздуха либо пара, можно изменять соотношение СО и Н2. В режимах III-V оптимальным, в плане наибольшей калорийности, будет массовое соотношение уголь/воздух=10/1, а при паровой газификации — уголь/пар=5/1. Эти соотношения справедливы как для окино-ключевского, так и для адун-чулунского угля.
Рассмотрим вопрос получения синтетического топлива из газа, полученного путем плазменной газификации рассматриваемых углей. Для получения СЖТ вариант с использованием водяного пара в качестве окислителя более привлекателен, поскольку содержание CO и Н2 в газовой фазе достаточно велико. Это справедливо для работы установки с исследуемыми углями в режимах III-V, поскольку в режимах I и II синтез-газ получается с большим содержанием балластов, и его использование для получения СЖТ невыгодно. Поскольку реакция газификации при использовании в качестве окислителя водяного пара идет с поглощением тепла, целесообразно применять метод двухступенчатой газификации, при котором в первой ступени осуществляется частичная газификация угля (аллотермический процесс), а во второй ступени — реакция полной газификации в присутствии водяного пара (режим III). Но в режиме III удельные энергозатраты составляют порядка 1,0 кВт-ч/кг, поэтому более выгодно использовать режим V с расходом угля 200 кг/ч (расход пара 40 кг/ч). При этом получается газ среднего объемного состава H2:C0=27:20 для адун-чулунского угля и H2:C0=30:15 для окино-ключевского угля.
Полученный в ходе экспериментов синтез-газ может быть использован для синтеза углеводородов по методу Фишера-Тропша. Для синтеза по этому методу используются никелевые и кобальтовые катализаторы, а также катализаторы на основе железа. Синтезы над никелевыми или кобальтовыми катализаторами проводятся на смеси СО:Н2=1:2. Процесс протекает по реакции:
nCO + 2nH2 ® [- CH2 ]n + nH2 O -DH0 =-165,0.
Для катализаторов на основе железа требуются обратные по составу смеси СО:Н2=2:1 или 1:1. При этом процесс протекает по реакции:
2nCO + nH2 ® [- CH2 ]n + nCO2 -DH0 =-207,9.
Выход синтез-газа из 1 т рассматриваемых углей и 200 кг пара составит 720 нм3 СО, 1430 нм3 Н2 для окино-ключевского угля и 850 нм3 СО и 1130 нм3 Н2 для адун-чулунского угля. В данном случае полученный газ больше подходит для синтеза углеводородов над Со-катализаторами, так как соотношение СО:Н2 близко к 1:2. При этом необходима высокая степень очистки газа от балластов. Из 1 т окино-ключевского угля и 200 кг пара может быть получено 376 кг углеводородов, из которых 52% бензина, или 195,5 кг. Из 1 т адун-чулунского угля может быть получено 346 кг углеводородов, из которых 179,9 кг бензина.
Подводя итоги, можно заключить, что при плазменной газификации исследуемых углей был получен синтез-газ, который при высокой степени очистки (электрофильтровая, сухая адсорбционная и пр.) может быть применен для синтеза алканов (метана и его гомологов) при температуре процесса 230-320" С, в присутствии мелкораздробленных никеля и кобальта, а также осажденных катализаторов на их основе, при давлениях от атмосферного до 3 МПа, так как путем изменения расхода газифицирующих агентов можно добиться соотношения CO:H2 в газовой фазе, равной 1:2, которая необходима для синтеза предельных углеводородов парафинового ряда.
Библиография
1. Буянтуев С.Л., Бадмаев Л.Б. Газификация угля в плазменных реакторах // Вест. Бурят. госуниверситета. Сер. 9. Физика и техника. — Улан-Удэ, 2005. — Вып. 4. - С. 21-26.
2. Буянтуев С.Л., Шаронов К.С., Кондратенко А.С. и др. Исследование возможности получения синтез-газа из угля разреза «Адуунчулуун» (Монголия) и синтетического жидкого топлива // Инновационные технологии в науке и образовании: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. г. Улан-Удэ, 16-17 сент. 2011 г. - Улан-Удэ: Изд-во Бурят. госуниверситета, 2011. - С. 11-14.
3. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Введение в плазменно-энергетические технологии использования твердых топ-лив. - Новосибирск: Наука, 1997. - 118 с.
4. Печуро Н.С., Капкин В.Д., Песин О.Ю. Химия и технология синтетического жидкого топлива и газа. - М.: Химия, 1986. - 350 с.
5. Шишулькин С.Ю. Система плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию на основе модульной двухступенчатой установки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2009.
Bibliography
1. Buyantuev S.L., Badmayev L.B. Coal gasification in plasma reactors // BSU Bulletin. Series-9.Physics and tech-nology.Issue 4. - Ulan-Ude, 2005. - P. 21-26.
2. Buyantuev S.L., Sharonov K.S., Kondratenko A.S., Pshenichnikova LI., Endongombo G. Batsaikhan B. Investigation of the possibility of obtaining synthesis gas from coal mine "Aduunchuluun" (Mongolia), and synthetic liquid fuel // Innovative technologies for Research and Education: proceedings of the international scientific conference in Ulan-Ude, 16-17 September 2011. - Ulan-Ude: Publishing House of the Buryat State University, 2011. - P. 11-14.
3. Karpenko E.I., Messerle V.E. Introduction to the plasma-energy technologies using solid fuels. - Novosibirsk: Nauka, 1997. - 118 p.
4. Pechuro N.S., Kapkin V.D., Pesin O. Chemistry and technology of synthetic liquid fuels and gas. - M.: Himiya, 1986. - 350 p.
5. Shishulkin S.J. The system of plasma-thermal preparation of solid fuels for combustion in a modular two-step in-stallation.Dissertation for the PhD degree. - Ulan-Ude, 2009.
