CC BY
62
- © М.Я. Шпирт, Е.С. Скачкова,
2014
УДК 620.9:662.6
М.Я. Шпирт, Е.С. Скачкова
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗИФИКАЦИИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ, ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ ДОБЫЧИ И ОБОГАЩЕНИЯ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ*
Рассмотрены основные факторы, определяющие составы, объемы и теплоты сгорания генераторных газов, образующиеся после газификации низкосортных углей (бурых и каменных), также продуктов обогащения каменных углей. Показано, что в качестве исходных топлив для котельных или мини-ТЭЦ с производством тепла и электроэнергии целесообразно использовать низкосортные угли или отходы обогащения каменных углей с величинами (Ш+А1) < 60-62 масс. %. Ключевые слова: низкосортные угли, газификация, анализ выхода газогенераторных газов
К низкосортным углям обычно относят все количество бурых углей и часть каменных углей с зольностью > 25 масс. %. При содержании С0 > 5 масс. % отходы добычи (ОДУ) и обогащения (ООУ) углей называют орга-номинеральными (ОМО). К ним относят все количество ООУ и часть ОДУ. Если С0 > 10 масс. %, ОМО могут рассматриваться как высокозольное энергетическое сырье для сжигания (газификации). В России выход ОМО составляет более 90-100 млн т в год. Хранение ОМО в отвалах сопровождается неблагоприятными воздействиями на окружающую среду. В ряде случаев предварительно осуществляют их сепарацию с получением кондиционной (по величине зольности концентрата) и высокозольной фракции, также имеющей области применения. Для сепарации используют либо традиционное оборудование, применяемое в промышленном масштабе для обогащения углей, либо специально сконструированное с этой целью. Во многих странах производится прямое сжигание, перспективность которого зависит от теплоты сгорания, возможности экономически эффективной утилизации образующихся золошлако-вых (ЗШО) продуктов, во многом обусловленной экономической конъюнктуры в регионе образования рассматриваемого углеотхода. Сжигание ОМО может производиться в обычных промышленных топках (с кипящем слоем, пылеуголь-ных с сухим, жидким шлакоудалением, циклонных). Согласно промышленному опыту (Китай, Чехия и др.) при соблюдении некоторых требований к углеотхо-дам этот процесс приводит к положительным результатам за счет сокращения затрат на приобретение топлива.
При сжигании углеотходов, например, флотохвостов, получают в ряде случаев ЗШО с улучшенными свойствами. Разработаны технические условия на исполь-
*Работа выполнялась в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 14.515.11.0086 от 25.06.2013 г.
зование ЗШО в качестве топлива для различных типов топочных устройств в зависимости от их влажности, зольности и содержания серы.
Помимо сжигания, по нашему мнению, несомненные перспективы имеет применения ОМО, и особенно низкосортных углей, в качестве топлива для газификации с получением генераторного газа, который может использоваться либо в качестве замены природного газа при производстве электроэнергии и тепла, либо после дополнительной переработки в синтез-газ как топливо в двигателях внутреннего сгорания или для получения синтетических жидких топлив и химических продуктов (метанола, мочевины этилена, водорода и др.).
Получение тепла и электроэнергии из генераторного газа по сравнению с прямым сжиганием низкосортных углей или ОМО имеет следующие основные преимущества:
- исключаются затраты на очистку газообразных продуктов сжигания от их основных экологически опасных компонентов (оксидов серы, оксидов азота);
- вследствие значительно меньших объемов генераторных газов и содержащихся в них соединений серы по сравнению с газообразными продуктами прямого сжигания низкосортных углей и ОМО затраты на их очистку от экологически опасных компонентов существенно меньше, чем газообразных продуктов сжигания, выбрасываемых в атмосферу;
- в генераторных газах, образующихся в восстановленной среде при температуре < 1200 °С, содержание N0* значительно меньше предельно допустимых;
- КПД производства электроэнергии из генераторного газа или продуктов его сжигания выше, чем из газообразных продуктов прямого сжигания низкосортных углей или ОМО;
- коррозионно-абразивное воздействие на теплообменную аппаратуру котельных или ТЭЦ меньше по сравнению с прямым сжиганием низкосортных углей или ОМО.
Однако, очевидно, производство генераторного газа по сравнению с прямым сжиганием связано с включением в техническую схему дополнительного передела - газификацию. Следовательно, окончательный выбор оптимальной аппаратурно-технологической схемы производства тепла и электроэнергии из рассматриваемых видов топлив может быть сделан после технико-экономической оценки указанных вариантов и во многом зависит от метода газификации и характеристик исходного топлива (марки угля, его состава, капиталовложений на сооружение установки газификации, затрат на ее обслуживание, себестоимости добычи углей и др.).
Из всех этих факторов в данном сообщении будет рассмотрено только влияние состава низкосортных углей и ОМУ на выход и состав генераторного газа.
В настоящее время предложены разнообразные методы газификации, отличающиеся, главным образом, крупностью перерабатываемого топлива, способом его подачи в газогенератор, температурой газификации, давлением в газогенераторе, составом дутья, а также проведением процесса без подачи тепла из постороннего источника и с подачей тепла - соответственно, адиабатические и аллотропические процессы [1].
Таблица 1
Характеристики низкосортных твердых топлнв и продуктов обогащения1
Топливо (уголь или ОМО) масс. % Аг, масс. % Состав на сухую беззольную массу, г-атом/кг
С Н Б N О2
Б1, бикинский 41,0 39,0 55,4 55,0 0,20 0,86 16,3
Б1, харанорский 39,0 20,0 60,0 42,0 0,19 0,70 13,9
Б1, тюльганский 52,0 30,0 55,2 63,0 0,40 0,60 15,9
Б2, ирша-бородинский 33,0 11,0 60,0 50,0 0,09 0,70 13,9
Б2, назаровский 39,0 13,0 59,6 50,0 0,10 0,71 17,0
Б2, подмосковный 32,0 45,0 54,1 52,0 2,10 0,78 13,6
Б3, мугунский 22,0 20,0 61,4 58,0 0,50 1,10 10,9
Д, кузнецкий 11,5 18,0 64,7 55,0 0,16 1,86 6,6
Д, черемховский 15,0 34,0 64,0 56,0 0,50 1,10 8,9
Д, черногорский 14,0 20,0 62,9 51,0 0,25 4,00 10,4
Г, кузнецкий 8,5 18,5 67,0 56,0 0,19 1,90 6,6
Г, ургальский 10,0 34,5 66,0 57,0 0,19 0,92 8,25
(Г+Ж), промпродукт кузнецкий 8,5 40,0 68,7 57,0 0,40 1,80 5,4
Д, порода гравитационного обогащения, кузнецкий 12,0 6,5 64,0 55,5 0,50 1,33 6,7
Во всех вариантах газификации генераторный газ образуется за счет взаимодействия дутьевого газа с углеродом, водородом, серой и азотом, содержащихся в органических веществах исходного топлива, суммарное количество которых в первом приближении (до Аа < 40-50 %) примерно пропорционально содержанию т.н. сухой беззольной массы [1]. Состав сухой беззольной массы продуктов обогащения близок к таковому обогащаемых углей (табл. 1). Состав сухих генераторных газов состоит из горючих компонентов, определяющих их теплоту сгорания (СО, Н2, СН4 ) и инертных (Ы2, СО2). Судя по экспериментальным данным отечественных и зарубежных авторов [1], содержание СН4 в генераторном газе обычно не выше 1,5 об. %. Результаты опытных работ по газификации водоугольных суспензий с частицами топлива < 10 мкм позволяют считать, что при количествах воздуха, соответствующих а = 0,25-0,35 не более 3-5 масс. % г-атомов углерода образует СО2, а в виде «недожога», т.е. твердого углерода после газификации, остается 2-2,5 масс. % г-атомов углерода исходного топлива.
За исключением подмосковного бурого угля, отличающегося высоким содержанием серы, ее количество, а также количества г-атомов азота составляют < 1-2 масс. % от суммы г-атомов углерода и водорода (в сухой беззольной массе) газифицируемых топлив и практически не влияют на составы получаемых генераторных газов.
Следовательно, состав сухого генераторного газа во многом зависит от количества азота, вносимого вместе с воздухом, используемым для дутья.
Стехиометрическое количество кислорода (У^), необходимое для полного
окисления углерода и водорода килограмма сухой беззольной массы исходных
1 Усредненные величины.
2 По разности.
топлив (а = 1) и соответствующего ему в воздухе азота ) определяются известными соотношениями (1) и (2).
¥^ = 22,4 (Са-*4НаО*) (1)
УИг = 3,71 (2)
где С а ) На и 0а _ число г-атомов углерода, водорода и кислорода в 1 кг сухой беззольной массы.
При а < 1 объем азота ), остающийся в генераторном газе после завершения газификации, составляет:
(3)
После газификации при а = 0,2-0,4, судя по экспериментальным данным, в генераторном газе отсутствует кислород и в общем виде он состоит (на 1 кг сухой беззольной массы топлив) из ^ г-молекул:
Р^ = т СО -+■ п- Н2 -+■ * ■ С02 + СН4 + а
Общее число г-молекул азота, образующееся в газовой фазе и поступающее с дутьем вместе с кислородом, в расчете на 1 кг рабочей массы топлива, г-мол других компонентов генераторного газа будут отличаться пропорционально величинам Bi:
N.
В1 = 0,01 ■ (ЮО-У^-А^
(6) (7)
(5)
Следовательно, объем генераторного газа, образующийся после газификации 1 кг рабочей массы топлива:
V' = 22,4 В, (т сО + н Нг -ч С02 - р СН., + » ■ В,)
Содержание (об. %) компонентов генераторного газа (С\), например, СО: С( = 22,4 ■ В1 ■ (пъ - СО + п ■ Н2 + q ■ С02 + V - СЩ + а т^}/ V1 ■ Б1
Следовательно, объемы генераторного газа, образующиеся после газификации 1 кг сухой беззольной массы и 1кг рабочей массы топлива пропорциональны величине Bi , составы этих газов одинаковы согласно соотношению (7). Такие компоненты генераторного газа, как Н2, СО, СН4 и С02 образуются из органических веществ исходных топлив3. Источниками водорода могут быть разрушение органических веществ, то есть 0,5-На, или протекание реакций (8)-(10), а его окисление - реакция (11):
С - Нг0 =с0 + я2 (8)
(9)
СО - Н2о^С02 + Н2 (10)
3 Некоторое количество С02 может перейти в генераторный газ вследствие диссоциации карбонатов, входящих в состав минеральных веществ, но эта величина обычно незначительна, и мы исключим из рассмотрения этот источник С02.
м ■ 1 ■■'■■(11)
Количество компонента в генераторном газе, например, водорода (в г-молекулах):
где Сн , Vг - содержание водорода (в об. %) в генераторном газе и его объем (нл). 2
Рассмотрение составов генераторных газов позволяет определить источники образования содержащихся в них СО и Н2, являющихся главными компонентами, от которых зависит теплота сгорания генераторных газов.
Обычно содержание СН4 в генераторном газе составляет не более 1-1,5 об. % и мы исключим из рассмотрения механизм образования метана.
т.
Содержания Н2 и СО, их количества (п и ш^, а также соотношение —'- заП
висят от многих факторов (состав и реакционная способность исходных топ-лив, параметры их газификации и др.)
Практически все количества СО, Н2, СО2, СН4 и твердого углерода (Ст), переходящего в золошлаковые остатки в виде недожога, образуются из орга-
Гс1аЕ I и ^аЕ1 + л йаЕ1
нических веществ исходных топлив и сумма ^ п ~ « и зависят от термодинамических и кинетических факторов. Процесс газификации включает одновременное или последовательное протекание многих реакций, главные из которых, вероятно, (8)-(11). Соотношение между продуктами этих реакций нельзя определить термодинамическими расчетами. Однако основные реакции, являющиеся источниками образования СО и Н2, можно выявить на основе составов продуктов газификации, полученных после выполнения экспериментальных исследований.
СО и Н2 являются главными компонентами генераторных газов, определяющими их теплоту сгорания, а также перспективу их применения для синтеза СЖГ или химических продуктов.
Степени перехода Саа{ в СО, СО2, СН4 и Ст, соответственно
ЧСО ; ЧсОп.. С1СН,; ' С; ПС,
(13)
где Чсо, Ясо,; Чсн
со, со2, СН4 и ст.
и
<1с.
количество г-атомов углерода, перешедшее в
(14)
Многочисленные экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что состав сухой беззольной массы продуктов обогащения углей одной степени уг-лефикации (марки) аналогичен таковому исходного угля [2-4], а также реакционная способность для углей одной и той же марки и продуктов их обогащения при аналогичных режимах газификации примерно одинаковы.
Величины в' рассчитываются по компонентам генераторного газа:
где С1 - содержание; / - компонента, об. %; V - объем генераторного газа,
■"А - количество г-атомов углерода в сухой беззольной массе газифицируемого топлива. Состав генераторного газа {[/г , об. %):
V' = Ссо - СН2 - ССн4 - сСОг - а ■ (16)
Содержание азота зависит от режима газификации состава сухой беззольной массы топлива и рассчитывается по (1)-(4), и практически не влияет на объем и состав генераторного газа вследствие незначительного содержания азота в исходном топливе по сравнению с содержаниями углерода, водорода и кислорода.
С
Соотношение /" = п——Сн может изменяться в широких пределах, но сум-га 2
марный объем (СО + Н2 )не зависит от их соотношений. Очевидно, количество образующихся г-молекул СО равно
Величина СТ определяется анализом ЗШО, а ССН
С
С02
(17)
- по составу газооб-
разных продуктов.
Рассмотрим более подробно состав и объем продуктов газификации водо-угольной суспензии бурых углей при а = 0,25-0,35, Т = 960-1000 °С и Р = 0,1-0,11 МПа. Как указывалось выше, водород может образовываться как непосредственно из г-атомов водорода, содержащихся в органических веществах угля в результате их разрушения, так и за счет протекания реакций (8) и (10) и его окисления по (11). В этих реакциях выход водорода зависит от выхода углерода в СО, т.е. РС 0 :
1 Г'. (18)
Согласно экспериментальным данным по газификации Ирша-Бородинского угля (табл. 2), в описанном выше режиме при а = 0,3-0,35: РСН? = 0,01;
РС0г = 0,03; РС = 0,03. Следовательно, РС0 ~ 0,93.
Суммарный выход С0 и Н2, очевидно, пропорционален (С^1' + 0,5Нд(). Кислород сухой беззольной массы, подаваемой вместе с воздушным дутьем, расходуется в зависимости от его количества на окисление Сд' и Нд'. По показанным выше экспериментальным данным в табл. 3 показаны количества кислорода, расходуемые на образование С02 и С0 (в г-мол).
Согласно этим данным, например, при а = 0,3 на окисление водорода, содержащегося в угле, расходуется 0,5 г-мол кислорода и образуется 2,0 г-мол. воды, т.е. расходуется 4,0 г-атомов водорода, содержащегося в 1 кг сухой беззольной массы или 16 %, и выход Н2 составляет 84%. При а > 0,3 количество окисляющегося водорода увеличивается, и выход Н2 в газообразные продукты газификации уменьшается.
Таблица 2
Ориентировочные величины основных характеристик сухих генераторных газов после паровоздушной газификации (Т = 960 °С; а = 0,3; Р = 0,1 МПа) 1 кг низкосортных углей или продуктов обогащения каменных углей марки Д
Наименование W Ad Bi в долях ед. Состав сухого газа, об. % Объем, V, им3 на 1 кг Низшая теплота сго-рания^' Дж/нм3
CO2 CH4 Qidaf
Б2, ирша-бородинский4 33,0 11,0 0,56 2-3 1-1,5 20,9 1,2 10,92
Б1, бикин-ский 41,0 39,0 0,20 3-4 0,5-1,5 19.48 1,18 2,33
(Г+Ж), пром-продукт кузнецкий 8,5 40,0 0,51 2-3 1-1,3 24,6 1.3 9,67
Д, порода гравитационного обогащения, кузнецкий 12,0 65,0 0,23 2-3 1-1,2 5,06 1,2 4,52
Б3, мугунский 22,0 20,0 0,58 3-4 1-1,4 22,0 1,1 13,9
Д, кузнецкий 11,5 18,0 0,85 1 - 1,7 22,95 1,3 15,96
Таблица 3
Расход кислорода5 (г-мол.) на образование СО и С02 при а = 0,3-0,35 в процессе газификации ВУС ирша-бородинского угля
Величины а Общее количество O2 Продукт окисления/расход О2 на окисление до
CO CO2 H2O
0,300 28,7 26,2 2,0 0,5
0,325 30,55 26,2 3,0 1,35
0,350 32,3 26,9 4,0 1,4
Следовательно, при а = 0,3 выход Ï1 1 СО — wr ■ H2 практически пропор-
0,93 • Cf +0,5 • 0,84 • H
ционален
daf
CAf +0,5 • 0,912 • HA
—, а при увеличении а > 0,3 уменьшается СО
еще больше. В реальных условиях соотношение п-Н2 может изменяться
ш
вследствие уменьшения количеств СО и пропорционального увеличения Н2 в результате реакции (10).
Для использования в качестве топлива для производства тепла и электроэнергии основное значение имеет теплота сгорания и объем генераторного газа, получаемого газификацией твердого топлива. Теплота сгорания генераторного газа ):
Р1 - С1 РЬо + с2 ■ Фн2 + С3 ■ (19)
4 Экспериментальные данные.
5 Общее количество кислорода является суммой количеств г-молекул Oz, подаваемых вместе
fjdsf
с дутьем и содержащихся в угле (0,5 ).
QbaQk^U
1а, метана. Величин
Объем генераторнс
ydaf = 22,4 (m - СО + п - Н2 + z
где хсо , ^п» , - низшие теплоты сгорания СО (оксида углерода), водо-
рода, метана. Величины Сi рассчитываются по (5).
Объем генераторного газа
СН4 + а ■ С02 + а ■ УЬ ^
' в расчете на 1 кг рабочей массы топлива пропорционален величине В. Поэтому состав генераторного газа, т.е. теплота его сгорания практически одинаковое при использовании в качестве исходного топлива каменного угля и продуктов его обогащения, но его объем во многом определяется величиной В, существенно уменьшающейся с ростом зольности (табл. 2). Ориентировочные расчеты позволяют сделать вывод, что экономически оправдано, если продукты обогащения имеют Ла < 50 % при Шг < 12-14 % или (Шг + Да) < 62-64 %. Только в этих случаях снижение стоимости исходного топлива для производства тепла и электроэнергии по сравнению с традиционным может окупить затраты на сооружение и обслуживание установок газификации.
Обогащение кислородом гораздо более перспективно в случаях применения генераторного газа для получения СЖТ и химических продуктов.
Некоторое увеличение содержания недожога в ЗШО не особенно существенно в случае применения генераторных газов для производства тепла и электроэнергии, поскольку на стадии их горения происходит частичное или полное сжигание твердых частиц недожога и в ЗШО, улавливаемых на стадии очистки газообразных продуктов сжигания генераторного газа, содержание недожога становится меньше 3-5 масс. %.
1. Каталог «Основные процессы термохимической переработки углей» (Горлов Е.Г., Малолетнев А. С., Скрипченко Г. Б. и др.). - М.: Трэк, 2005. - 294 с.
2. Справочник «Энергетическое топливо СССР- М.: Энергоатомиздат, 1991. -184 с.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Шпирт М.Я., Рубан В.А., Иткин Ю.В. Использование топливосодержащих отходов добычи и обогащения углей. - М.: Недра, 1990. - 201 с.
4. Шпирт М.Я., Артемьев В.Б., Силю-тин С.А. Использование твердых отходов добычи и переработки горючих ископаемых. - М.: Трэк, 2013 . - 423 с.И0
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шпирт Михаил Яковлевич - доктор технических наук, профессор, Институт нефтехимического синтеза РАН, e-mail: [email protected]
Скачкова Екатерина Сергеевна - кандидат экономических наук, Закрытое Финансово-Промышленная компания «ИНВЕСТТЭК» (ЗАО ФПК «ИНВЕСТТЭК»), e-mail: [email protected]
UDC 620.9:662.6 ^---
THE PROSPECTS OF USING LOW-GRADE COAL AND ORGANIC-MINERAL TAILINGS OF BLACK COAL MINING AND BENEFICATING GASIFICATION
Shpirt Mikhail Ya., Dr Eng, Professor, Institute of Petrochemical Synthesis, RAS, InvestTek Financial Industrial Company, e-mail: [email protected] Skachkova Ekaterina, PhD Economics, InvestTek Financial Industrial Company, e-mail: [email protected]
In some cases it is expedient to use generator gases, received after gasification with aero-steam blowing, as fuel for heat and power generation instead of low-grade coals (brown and high-ash black coal). Black coal beneficiating tailings, which are not used for this purposes at the present time, can be taken for processing as well. The article is about the main factors which determine structures, volumes and calorific values of gases generating after low-grade (black and brown) coal and beneficiating tailings gasification. Substantially the structure of gases depends on the containing (in g atoms on dry ash free mass) of carbon, hydrogen, oxygen and sulfur (if its concentration is more than 1,5-2 m%). The emission of generator gas is in inverse proportion with the value B = W + Ad. It's expedient to use low-grade coal and beneficiating tailings with (W+Ad) □ 60-62 m% as base fuels for boiler plants or mini heat stations with heat and power generation.
The creating of gas generators with coal-water slurries gasification will facilitate the establishment of en-ergoclusters with coal mining, beneficiating and heat and power generating to support industrial needs of factories and social needs of nearby settlements. The full utilization of generated ash products can be achieved simultaneously to use them for building some artificial earthwork structures, car roads and other purposes depending on the structure of those products.
Key words: low-grade coals, gasification, generator gases emission analyze
REFERENCES
1. Gorlov E.G., Maloletnev A.S., Skripchenko G.B. et al., 2005. Catalog of Basic Thermochemical Coal Treatment Processes. Moscow: Trek. P. 294.
2. Power Fuel in USSR. Reference Manual. 1991. Moscow: Energoatomizdat. P. 184.
3. Shpirt M.Ya., Ruban V.A., Itkin Yu.V., 1990. Use of Fuel-Carrying Coal Mining and Processing Waste. Moscow: Nedra. P. 201.
4. Shpirt M.Ya., Artemiev V.B., Silyutin S.A., 2013. Use of Solid Waste of Fossil Fuels Mining and Processing. Moscow: Trek. P. 423.
ГОРНАЯ КНИГА -
Практическая механика горных пород
В.И. Борщ-Компониец 2013 г. 322 с.
ISBN: 978-5-98672-342-6 UDK: 622.83
Приведены общие вопросы механики горных пород, позволяющие читателю получить знания, формирующие системное представление о механических закономерностях, протекающих в массивах при проведении горных выработок. Рассмотрены особенности горных пород и напряженного состояния массивов, закономерности проявления горного давления при проведении одиночных и очистных горных выработок, основные положения сдвижения горных пород при подземной и открытой разработке. Описаны методы изучения сдвижения и проявления горного давления, виды анкерного крепления, пучения горных пород.
