CC BY
1101
УДК 662.742+662.76
С. В. Николаева (к.х.н., доц.), Ф. Н. Латыпова (к.х.н., доц.), С. Ю. Шавшукова (д.т.н., в.н.с.)
Современные процессы переработки угля
1 НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712, e-mail: [email protected]
2Уфимская государственная академия экономики и сервиса 450014, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, тел. (347) 2289134, e-mail: [email protected]
S. V. Nikolaeva, F. N. Latypova, S. Yu. Shavshukova
Modern technologies of coal processing
1 Scientific-Research Institute of Low-Tonnage Chemical Products and Reagents of Ufa State Petroleum Technological University 75, Ulyanovykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2431712 2 Ufa State Academy of Economy and Service 145, Chernyshevskogo Str, 450014, Ufa, Russia; ph. (347) 2289134, e-mail: [email protected]
В связи с исчерпанием природных нефтяных ресурсов проанализированы возможности современных промышленных технологий по переработке угля в топливо и химические продукты.
Ключевые слова: газификация; гидрогенизация; пиролиз; синтез-газ; синтетическое жидкое топливо; уголь; химические продукты.
In connection with exhaustion of natural oil resources opportunities of modern industrial coal processing in fuel and chemical products are analysed.
Key words: gasification; hydrogenization; pyrolysis; synthesis-gas; synthetic liquid fuel; coal; chemical products.
В настоящее время мировое сообщество осознало необходимость поиска новых энергохимических источников в связи с приближающимся исчерпанием нефтяных ресурсов нашей планеты 1. Поэтому наряду с поиском альтернативных источников топлива и энергии заслуживают особого внимания вопросы использования ресурсов угля, как потенциального источника углеводородов, химических продуктов и водорода. Разумеется, уголь — продукт природы, запасы которого также небезграничны, однако в переходный период от эры углеводородного топлива к альтернативным его источникам (биомасса, водород и др.), по мнению многих специалистов, уголь может сыграть решающую роль в мировой топливно-
2 3 4
энергохимической системе .
Технологии переработки угля в синтетическое жидкое топливо (СЖТ) были разработаны еще в начале XX в. и успешно эксплуатировались, например, уже в 1930—1940-е гг. в Германии. Однако в последующем открытие новых нефтяных месторождений, развитие нефтедобычи и нефтепереработки привели к тому, что СЖТ из угля не смогло конкурировать с аналогичной продукцией из нефти 5.
Отличительной особенностью разрабатываемых на настоящем этапе развития науки и техники технологий переработки угля является необходимость снижения выбросов в атмосферу углекислого газа. Такие технологии за рубежом получили название CCT (Clean Coal Technology) 6.
В последние годы во многих странах (Австралии, Великобритании, США, Германии, Испании, Индонезии, Колумбии, КНР, Пакистане, и Японии) ведутся научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по совершенствованию технологий и улучшению технико-экономических показателей отдельных стадий процессов переработки угля и продуктов его ожижения. Достижения в области новых технологий переработки углей обсуждаются на форумах международного уровня 712.
Получение СЖТ из угля включает следующие основные стадии: удаление золы, превращение твердого органического вещества в жидкое, обогащение его водородом и удаление кислорода, азота и серы в виде Н2О, NH3 и H2S. Промышленное распространение получили следующие технологии переработки углей: пиролиз, гидрогенизация и газификация 13-15.
Дата поступления 04.08.09
Пиролиз — разложение органического вещества угля путем его нагревания в отсутствии воздуха, которое сопровождается перераспределением водорода между образующимися газообразными и жидкими продуктами и углеродистым твердым остатком. Это наиболее простой способ получения из углей жидких и газообразных продуктов. В зависимости от конечной температуры нагрева угля различают полукоксование (480—600 оС), среднетемпе-ратурное коксование (600—900 оС) и высокотемпературный пиролиз (выше 900 оС). В результате пиролиза уголь превращается в кокс или полукокс, воду, газы (Н2, СО, Н2Б, СН4), масло и смолу (фенолы, гетероциклические соединения, нафталин, антрацен). Выход продуктов для углей различных классов представлен в табл. 1 16.
Для получения товарных моторных топ-
лив из смол пиролиза требуется применение
17
специальных гидрогенизационных процессов .
К преимуществам процессов пиролиза угля следует отнести низкое давление, отсутствие дополнительных источников водорода и химических реагентов, сравнительную простоту оборудования и малую капиталоемкость. К недостаткам — сравнительно низкий выход жидких продуктов. В смолах пиролиза обычно содержится около 35 % мас. фенолов и значительные количества асфальтенов и осмоляю-щихся веществ. Поэтому пиролиз нельзя считать целесообразными для производства моторных топлив из угля.
Деструктивная гидрогенизация — термическое разложение угля под давлением 200— 700 атм с применением катализаторов на основе железа, вольфрама, молибдена и др. В отличие от коксования и полукоксованиями этим методом можно практически полностью превратить органическое вещество угля в жидкие и газообразные продукты (табл. 2) 18.
В результате гидрогенизации происходит растворение органической массы угля и насыщение ее водородом. Процесс осуществляется в две стадии, первая из которых — перевод массы угля в жидкое состояние; вторая — гидрокрекинг (парофазная гидрогенизация) с целью получения моторного топлива.
При жидкофазной гидрогенизации углей при 300—500 оС происходит разрушение сложной матрицы угля, сопровождающееся разрывом химических связей и образованием свободных химических радикалов. Стабилизируясь водородом, радикалы образуют молекулы меньшего размера, чем исходные макромолекулы. Рекомбинация свободных радикалов приводит также к образованию высокомолекулярных соединений 19. Необходимый для стабилизации радикалов водород частично обеспечивается за счет реакций дегидрирования применяемых доноров водорода, которые, кроме того, выполняют функцию пастообразо-вателя. Хорошими донорскими свойствами обладают конденсированные ароматические соединения, например, тетралин, а также смесь тетралина и крезола 20. На производстве
Таблица 1
Выход продуктов при пиролизе различных углей
Уголь Кокс, % мас. Смола, л/т Газ, м3/т Вода, % мас.
легкая всего
Битуминозный:
со средним содержанием летучих 83 7 86 61 4
с высоким содержанием летучих А 76 10 139 61 6
то же, В 70 9 135 63 11
Суббитуминозный:
А 59 7 93 83 23
В 58 5 69 71 28
Лигнит 37 5 68 66 44
Выход продуктов пиролиза и гидрогенизации бурых углей
Продукт Выход продуктов, % ОМУ*
Полукоксование Гидрогенизация
Полукокс 51.5 6.4
Масло 3.4 53.0
Смола 15.2 -
Газ 18.9 26.4
Водород на реакцию - 6.7
*ОМУ - органическая масса угля
Таблица 2
большее распространение в качестве доноров водорода получили дистиллятные фракции продуктов ожижения угля, в которых содержится большое количество конденсированных ароматических соединений.
Установлено 21 22, что для гидрогенизаци-онной переработки угля в жидкие продукты предпочтительны каменные угли невысоких стадий метаморфизма, а также бурые угли с содержанием 65—86 % мас. углерода.
Гидрогенизационная переработка углей осуществляется двумя способами: термическим растворением и каталитическим ожижением.
Термическое растворение представляет собой мягкую форму химического преобразования угля. При взаимодействии с донором водорода часть органического вещества угля переходит в раствор и после отделения твердого остатка обычно представляет собой высоко-кипящий экстракт угля, освобожденный от минеральных веществ, N-, O-, S-содержа-щих соединений и других нежелательных примесей. Для повышения степени конверсии угля в раствор подают газообразный водород. Полученные первичные продукты переработки угля могут быть превращены в СЖТ с помощью вторичных процессов термопереработки, гидрогенизации и облагораживания.
Разработанный в США процесс экстракционной очистки угля («Solvent Refined Coal» — SRC) в базовом варианте «SRC-I» проводится при температуре 425—470 оС, давлении 7—10 МПа и времени пребывания в зоне реакции » 30 мин. Основным продуктом процесса является очищенный от серы угольный экстракт, затвердевающий при температуре 150—200 оС. В модифицированном варианте процесса «SRC-II» 23 (рис. 1) за счет повышения давления до 14 МПа и увеличения времени пребывания угольной пасты в реакционной зоне в качестве целевого продукта получают жидкое топливо широко фракционного состава. Выделенный из жидких продуктов газ, содержащий преимущественно водород и газообразные углеводороды с примесью сероводорода и диоксида углерода (I ступень), после охлаждения до 38 оС направляется в систему очистки от кислых газов. На криогенной установке выделяются газообразные углеводороды С3—С4 и очищенный водород, который возвращается в процесс. Жидкие продукты из газосепараторов поступают в атмосферную колонну, где разделяются на фракции: бензиновую (28—193 оС), средний дистиллят (193—216 оС) и тяжелый дистиллят (216—482 оС). Образующаяся на I ступени разделения в газосепараторах уголь-
ная суспензия разделяется на два потока: один подается на смешение с исходным углем, другой — в вакуумную колонну. С верха вакуумной колонны часть жидкого дистиллята, содержащегося в суспензии, отводится в атмосферную колонну, а остаток с низа идет на получение синтез-газа, используемого для производства водорода или топлива.
Технология термического растворения угля EDS («Exxon Donor Solvent») 24 предназначена для производства синтетической нефти с последующей переработкой ее в моторные топлива. В этом процессе уголь после измельчения и сушки смешивается с горячим растворителем—донором водорода — предварительно гидрируемой фракцией 200—430 оС жидкого продукта процесса. Смесь подается в проточный реактор с восходящим потоком вместе с газообразным водородом, где при 430—480 оС и 14—17 МПа происходит термическое растворение угля. Полученные продукты разделяются сепарированием и вакуумной ректификацией на газы и фракции, выкипающие в пределах до 540 °С и остаток > 540 оС, в котором содержатся также непрореагировавший уголь и зола. При различном технологическом оформлении процесса (без рециркуляции остатка — I и с рециркуляцией остатка — II) выход фракций составляет, % мас. 25:
I II
С1-С2 - 20.8
С3-С4 5.3 9.0
Бензин 35.1 45.6
Средние дистилляты 35.0 24.3
Тяжелое котельное 24.6
топливо -
К достоинствам технологии термического растворения следует отнести более низкую, чем при пиролизе углей, рабочую температуру и возможность получения продукта заданного качества путем варьирования параметров процесса. К недостаткам — высокое давление процесса и наличие в составе продуктов высокомолекулярных соединений, которые образуются в реакторе в результате рекомбинации свободных радикалов и образования вторичных структур ароматического характера 19.
В процессе каталитической гидрогенизации катализаторы способствуют передаче водорода от растворителя к углю и активируют молекулярный водород, переводя его в атомарную форму. Применение катализаторов приводит к увеличению степени конверсии угля и улучшению состава получаемых жидких продуктов.
Инертный остаток
Рис. 1. Схема процесса термического растворения угля «SRC-II»: 1 — смеситель для приготовления пасты; 2 — печь для нагрева пасты; 3 — реактор; 4 — блок газосепараторов; 5 — абсорбер кислых газов; 6 — криогенное разделение газа; 7 — блок очистки топливного газа; 8 — разделение газообразных углеводородов; 9 — блок очистки синтез-газа и выделения водорода; 10 — блок получения серы; 11 — реактор газификации остатка; 12 — атмосферная колонна; 13 — вакуумная колонна.
Существуют разные варианты технологий прямого гидрогенизационного каталитического ожижения угля. В Германии на базе ранее применявшегося процесса Бергиуса-Пира с использованием нерегенерируемого железного катализатора разработана так называемая «новая немецкая технология» гидрогенизации угля, в которой что для получения пасты используют циркулирующий средний дистиллят. Жидкие продукты отделяются от твердого остатка вакуумной разгонкой (вместо центрифугирования), а шлам подвергается газификации для получения водорода. Рабочее давление процесса составляет 30 МПа 26' 227.
По технологии «Н-Соа1» (США) жидко-фазную гидрогенизацию проводят с применением псевдоожиженного слоя активного мелко дисперсного Со—Мо-катализатора (рис. 2) 28. Смесь сухого измельченного угля с рецирку-лирующим продуктом гидрогенизации, в которую был введен сжатый водород, нагревается и подается под распределительную решетку в реактор с псевдоожиженным слоем катализа-
тора. Процесс осуществляется при температуре 425—480 оС и давлении около 20 МПа. Продукты реакции и непревращенный уголь непрерывно отводятся из реактора сверху, а отработанный катализатор — снизу. Постоянный вывод и регенерация катализатора обеспечивают поддержание его высокой активности.
Пары, выводимые из реактора, после конденсации разделяются на водород, углеводородные газы и легкий дистиллят. Газы направляются на очистку, водород — на рециркуляцию, жидкие продукты — в сепаратор, в котором отделяется фракция, подвергаемая затем разгонке. Из легкой части получают бензиновые и дизельные фракции. Остаточный продукт, выводимый с низа сепаратора, делится в гидроциклонах на два потока, первый их которых используют в качестве пастообразователя, а второй обрабатывают и газифицируют для получения водорода. Жидкий продукт, остающийся после отделения шлама, подвергают вакуумной разгонке с получением тяжелого дистиллята и остатка, используемого в качестве
Н2 <-
Уголь
5
Регенерированный катализатор
Парогазовая фаза
Уровень гидрогенизата-
Газообразные углеводороды
Конденсированная фаза
Уровень псевдоожиженного катализатора
ого Г>|Р
ого
Жидкость —>
Смолы
Отработанный катализатор
Рециркулирующий тяжелый дистиллят
Легкий дистиллят
Тяжелый дистиллят
10
Жидкий
Тяжелый дистиллят
Остаточное топливо
4
6
7
8
9
Рис. 2. Схема процесса гидрогенизационного ожижения угля «Н-Соа1»: 1 — стадия подготовки угля; 2 — подогреватель; 3 — реактор с псевдоожиженным слоем катализатора; 4 — конденсатор; 5 — блок извлечения водорода; 6 — скоростной сепаратор; 7 — атмосферная колонна; 8 — гидроциклон; 9 — сепаратор; 10 — вакуумная колонна.
котельного топлива. Выход целевых продуктов в процессе «Н-Соа1» достигает 51.4% мас. на органическую массу угля, в том числе бензиновая фракция (20—200 оС) — 25.2% мас., средний дистиллят (200—260 оС) —12.9% мас. и тяжелый дистиллят — 13.3% мас. Расход водорода на жидкофазную гидрогенизацию составляет 4.7 % мас.
В нашей стране Институтом горючих ископаемых (ИГИ) совместно с институтами Грозгипронефтехим и ВНИИнефтемаш еще в 1970-х гг. проводились исследования по созданию перспективной технологии переработки угля в СЖТ. В результате был создан технологический процесс, в котором высокий выход жидких продуктов получали при давлении 10 МПа 19. По технологии ИГИ 22' 29' 30 (рис. 3) уголь предварительно измельчается, подвергается высокоскоростной сушке в вихревых камерах до остаточной влажности 1.5% мас., затем вторично измельчается методом вибропомола до крупности частиц менее 100 мкм. На измельченный уголь наносят катализатор, со-
держащий 0.2% Мо и 1.0% Fe(III). Совместный вибропомол угля и солей катализатора приводит к раскрытию микропор структуры органической массы угля и обеспечивает более полное и равномерное нанесение катализатора на его поверхность. Кроме катализатора, в реакционную зону могут вводиться ингибиторы: хинолин, антрацен и др., которые стабилизируют свободные радикалы и активизируют деструкцию органической части угля вследствие выделения атомарного водорода при их разложении. Введение 1—5 % таких добавок приводит к увеличению степени конверсии угля и выхода жидких продуктов на 10—15 %. Степень конверсии органической массы угля — до 83%.
Углемасляная паста, в которую вводится газообразный водород, предварительно нагревается в трубчатой печи и поступает в систему пустотелых необогреваемых реакторов с объемной скоростью 1.0—1.5 ч-1. В реакторе в течение 30-60 мин происходит гидрогенизация угля, в результате которой образуются уг-
Пастообразовател ь
Уголь
Катализатор
Подготовка угля
Ожижение угля
С1-С4, Производство СО водорода
Фракция >400°С
Жидкие продукты гидроген изации
Выделен твердого ос г ие татка
1 г
Утилизация шлама
Зола
Электроэнергия
Технологический пар
Гидроочистка и риформинг
Бензин
Гидрокрекинг
Газы С1-С4, СО
Изомеризация и гидрирование
Дизтопливо
Бензин ->■
Реактивное топливо
Рис. 3. Схема производства моторных топлив гидрогенизацией угля по технологии ИГИ—Грозгипрофтехим.
леводородные газы С1—С4, ЫН3, Н2Б и оксиды углерода (до 10% мас.), вода (3—5 % мас.) и жидкие продукты (80—90 % мас.). Так как процесс протекает с выделением тепла, для регулирования температуры в реакторы подается холодный водородосодержащий газ, который также выполняет функцию перемешивающего агента. Из реактора продукты гидрогенизации
направляются в сепаратор, с верха которого выводится содержащий газы и легкие жидкие продукты парогазовый поток, а с низа — шлам, состоящий из жидких продуктов, выкипающих выше 300—325 оС, непрореагировавший уголь, зола и катализатор. Парогазовый поток охлаждается и разделяется на жидкую часть и углеводородный газ, содержащий 75—80 %
об. водорода, углеводороды С1—С4, аммиак, сероводород и оксиды углерода.
После отделения других газов водород возвращается в процесс. 50—60 % углеводородного газа используется для получения водорода. Остальной необходимый водород получают на отдельной установке газификации угля или остатков от переработки шлама. Жидкие продукты гидрогенизации угля отличаются от обычной нефти элементным составом и меньшим содержанием водорода, а также присутствием N и Б-содержащих соединений и алкенов (табл. 3) 30' 31, поэтому для получения товарных моторных топлив их необходимо подвергать вторичной газофазной гидроге-низационной переработке.
В табл. 4 приведены характеристики исходного дистиллята гидрогенизации бурого
угля по технологии ИГИ и продуктов его гид-30 32
роочистки 30' 32.
В результате полной переработки угля получается 45—55 % мас. моторных топлив и химических продуктов.
Продолжающиеся во многих странах исследовательские и опытно-промышленные работы в области гидрогенизационной переработки углей направлены на совершенствование технологического и аппаратурного оформления процессов, разработку новых катализаторов и добавок, повышение энергетической эффективности всех стадий, что обеспечит снижение удельных затрат на получение моторных топлив из угля. Перспективным направлением является сочетание процессов гидрогенизации и газификации угля в едином потоке без усложняющих стадий разделения
продукта ожижения и без потерь энергии, зат-
33
рачиваемой на нагрев сырья 33.
Характерной чертой научно-исследовательских работ последних лет является использование нетрадиционных методов воздействия. Так, одним из инновационных проектов является исследование гамма-радиационного воздействия на термическое разложение углей. Эксперименты по облучению показали, что гамма-радиация оказывает активирующее воздействие на процесс термической деструкции углей 34.
Ведутся исследования по использованию ядерных реакторов для осуществления процесса гидрогенизации углей. Ядерный реактор с гелиевым охлаждением был впервые использован для энергообеспечения процесса газификации угля в 1960-е гг. в США. Технология ядерных энергетических установок освоена
и в России. Применительно к энерготехнологическому комплексу, осуществляющему гидрогенизацию угля с использованием ядерного энергоисточника, имеется широкое поле для технико-экономической оптимизации, отмечают авторы 35. Кроме того, существенное повышение эффективности переработки угля может быть достигнуто при использовании высоконадежных ядерных реакторов типа БН. В ИГИ (Москва) и ГНЦ РФ-ФЭИ (Обнинск) ведутся работы по созданию типового атомного энерготехнологического комплекса (АЭТК) для экологически чистого производства СЖТ производительностью 500 тыс. т/год и более. Разработаны технологии прямой гидрогенизации бурых углей для получения жидких моторных, авиационных и дизельных топлив, а также большого спектра химических продуктов, традиционно получаемых из нефти. Прошел испытания на пилотной установке производительностью 5 т жидких продуктов в сутки процесс глубокой гидрогенизации угля, который отличается использованием низкого давления водорода (60—100 атм), что уже в настоящее время делает его конкурентоспособным добыче и переработке нефти в труднодоступных районах 36.
Газификация — процесс превращения твердого топлива в смесь газов при помощи газифицирующих агентов. В качестве последних используют воздух, кислород, пар и их смеси. Состав образующихся генераторных газов зависит от типа газифицирующего агента 16. Генераторные газы, получаемые с целью переработки в химические продукты, должны содержать минимальное количество окислителя (СО2) и балласта (N2). В этом случае наиболее эффективно применение парокислородного дутья.
Классическим и в то же время одним из современных и технологичных является процесс газификации углей <^ш^Ь», которой и осуществляется на крупнейшем углеперера-батывающем предприятии «БавоЬ» в ЮАР. Процесс был разработан Luгgi еще в 1930-х гг. С тех пор техника и технология газификации по способу Luгgi были значительно усовершенствованы и получили ряд модификаций. Одной из наиболее современных модификаций является проведение процесса в газификаторах «Ба8о1^ш^ FBDB» (Б^ FBDB) (рис. 4). Более 75% мировых запасов угля перерабатываются по этой технологии. Отличительные особенности технологии Б^ FBDB следующие: процесс ведется в стационарном слое
Характеристика жидких продуктов различных процессов гидрогенизации угля в сравнении с нефтью
Показатель Продукт жидкофазной гидрогенизации в процессах Легкая аравийская нефть
SRC-II EDS «новая немецкая технология» «H-Coal» ИГИ
Плотность, кг/м3 942.7 881.6 950.0 899.6 896.2 856.0
Элементный состав, % мас. 84.60 86.50 86.60 86.20 86.48 85.50
C 10.50 11.20 9.05 11.20 11.43 12.60
H 0.80 0.30 0.75 0.50 0.22 0.20
N 0.30 0.10 0.10 0.30 0.62 1.70
S 3.80 1.90 3.50 1.80 1.25 -
Таблица 4
Характеристика и выход дистиллята жидкофазной гидрогенизации бурого угля и продуктов его гидроочистки
Показатели Дистиллят гидрогенизации Продукты гидроочистки дистиллята
суммарный н. к. 180 °С 180-300°С >300 °С
Плотность, кг/м3 896.2 857.2 761.5 864.0 866.0
Сод ержание, % (об.):
фенолов 10.9 Следы - Следы
азотистых оснований 2.8 Следы - Следы -
Иодное число, г I2/100 г 18.7 1.9 0.2 0.7 2.6
Групповой углеводородный состав, % мас.:
парафины и нафтены 55.0 54.7 76.0 58.2 43.9
аромат. углеводороды 45.0 45.3 24.0 41.8 56.1
Фракционный состав, оС:
н. к. 81 72 72 176 297
50% об. 340 270 132 242 340
к. к. 426 420 182 305 420
Элементный состав, % мас.
C 86.48 86.97 86.01 87.27 87.00
H 11.43 12.79 13.98 12.65 12.52
S 0.62 0.05 0.01 0.03 0.06
N 0.22 0.01 - - 0.02
О 1.25 0.18 - 0.05 0.40
Выход на исходный дистиллят, % мас. 100.0 96.6 13.0 45.4 41.6
Таблица 5
Предприятия, осуществляющие процесс S-L FBDB
Название предприятия Место расположения Количество установок Ввод в эксплуатацию Мощность и продукция
Sasol Synfuels Секунда, Южная Африка 80 1979 80x106 нм /сут. синтез-газа для производства СЖТ и химических продуктов
Dakota Gasification Company Северная Дакота, США 14 1985 1450x106 нм /год заменителя природного газа
Shanxi-Tianji Coal Chemical Company КНР, провинция Лученг-Шанхай 5 1987 300 кт/год аммиака, 540 кт/год азотной кислоты, 900 кт/год нитро-фосфата, 200 кт/год нитрата аммония
Yima КНР, Сити-Хенан 2 2000 80000 т/год метанола
Добыча угля
Сортировка угля
Обработка золы
Сырье
Система водяного охлаждения
Биопереработка
Получение синтез-газа
Газоконденсация Продукт/ применение
Рис. 4. Схема газификации угля S-L FBDB.
угля под давлением 30 бар (диапазон 20—100 бар), с противоточным вводом потока «пар + О2» и удалением сухой золы 7.
Основные преимущества процесса Б^ FBDB: стабильность и надежность; высокий КПД; низкое потребление кислорода; возможность переработки лигнита, реактивных топлив, низкосортных углей с высокой степенью зольности и влажности, удаление сухой золы. Выход газа составляет 65000—100000 нм3/ч. Состав газа: 38% Н2, 22% СО, 28% С02, 12% СН4.
В мире насчитывается 101 установка газификации, работающая по технологии Б^ FBDB. Из них 80 установок работают в Южной Африке, 14 — в США и 7 — в Китае (табл. 5). Повышению экономической эффективности данной технологии способствует производство на предприятиях по переработке углей сопутствующих химических продуктов, таких как аммиак, фенолы, углеводороды, угольные электроды.
Кроме процесса <^ш^Ь>, промышленно освоенными технологиями газификации на сегодняшний день являются процессы «Wink1eг» (кипящий слой угольных частиц), «Корреге-
Totzek» (пылеугольный поток), «Texaco» (водно-угольная суспензия) (табл. 6) 16' 331' 38.
Институтом химии и химической технологии (ИХХТ) разработан технологический процесс газификации бурого угля, в котором в едином технологическом цикле осуществляется окислительный пиролиз угля в псевдо-ожиженном слое каталитически активного шлака и газификация получаемого полукокса водяным паром с циркуляцией между реакторами пиролиза и газификатором. Преимуществами этого процесса являются снижение в 5—7 раз расхода кислорода для получения 1 м3 синтез-газа по сравнению с традиционными технологиями, а также увеличение чистоты синтез-газа за счет удаления из сырья значительной части смол. Непрерывная рециркуляция горячего полукокса между пиролизером и газификатором обеспечивает процесс газификации
39
дополнительным теплом 39.
В работе 40 предложена интегрированная технология газификации угля с комбинированным циклом генерирования электроэнергии. Главная цель этого проекта — повышение КПД работающих на угле электростанций, и в результате — снижение выбросов СО2 в атмосферу.
Характеристика промышленных газогенераторов
Показатели Газогенератор
Lurgi Winkler Koppers-Totzek Texaco
Характеристика угля:
тип Все угли, кроме коксующихся Лигниты и суббитуминозные угли Все угли
размер частиц, мм 6-40 0.8-1 0.075 (70%) 0.1-10
содержание влаги, % мас До 30 До 12 До 8 До 40
Состояние угля в реакторе Стационарный слой Псевдоожижен-ный слой Режим уноса Водоугольная суспензия в режиме уноса
Рабочее давление, МПа 2.0-3.0 0.12-0.21 0.14 3.5-4.0
Максимальная температура в газогенераторе, °С 1200 1100 2000 1600
Вид дутья Парокислородное
Состояние золы Сухая Жидкий шлак
Время пребывания угля в газогенераторе 1-3 ч 20-40 мин 0.5-10 с 1-10 с
Степень конверсии углерода, % 99 60-90 90-96 99
Макс по углю, т/ч ОМУ по газу, тыс. м3/ч имальная единичная м 75 140 ощность газогенерат< 42.2 33 эра: 35.2 55 6.0 12
Расход, т/т ОМУ: кислорода пара 0.50 1.90 0.50 0.88 0.76 0.24 0.85 0.30
Объемное отношение пар/кислород 5.9 3.1 0.55 0.64
СО Н2 СО2 СН4 СпНт Состав сырого 20 39 30 10 0.7 газа, % об.: 30-50 35-46 13-25 1-1.8 55-66 21-32 7-12 0.1 55 33 11 0.1
Среднее отношение Н2 : СО в газе 2.0 1.0 0.5 0.5
Теплота сгорания газа (высшая), МДж/м3 11.5 9-13 10.6-11.8 11.5
Термический КПД газогенератора, % 75-85 45-75 75-85 75
* Без учета содержания сернистых соединений.
Литература
1. Рахманкулов Д. Л., Николаева С. В., Латыпова Ф. Н., Вильданов Ф. Ш. // Башкирский химический журнал.— 2008.— Т. 15, № 2.— С. 3.
2. Рахманкулов Д. Л., Шавшукова С. Ю., Има-шев У. Б., Латыпова Ф. Н. // Башкирский химический журнал.— 2005.— Т. 12, № 4.— С. 5.
3. Уилсон К. Л. Уголь — мост в будущее.— М.: Недра, 1985.
4. Коробецкий И. А. Уголь — химическое сырье XXI века // ТЭК и ресурсы Кузбасса. — 2007.— № 3.- С. 32.
5. Рахманкулов Д. Л., Журкин А. О., Николаева С. В., Хабибуллин Р. Р. // История науки и техники.- 2007.- № 9, спец. вып. № 2.- С. 16.
6. Force conference on Clean Coal Technologies, 2009. www.iea-coal.org.uk.
7. Материалы 2-ой Международной конференции Фрайбург, Германия, 2007. www.iec.tu-freiburg.de/conference/conf07/pdf/4.1pdf.
8. http://www.proatom.ru
9. Зродников А. В., Поплавский В. М., Сидоров Г. И., Чебесков А. Н., Лепендин Е. В. Производство моторных топлив из бурых углей методом гидрогенизации с применением ядерных технологий: Материалы междун. форума «Высокие технологии XXI века».— М., 2003.— С. 2.
10. Поплавский В. М., Сидоров Г. И., Декусар В. М., Кричко А. А., Малолетнев А. С., Заманов В. В., Косушкин В. Г. Использование атомной энергиии в производстве синтетического моторного топлива из угля и тяжелых нефтяных остатков: Мат. междун. форума «Высокие технологии XXI века».- М., 2005.- С. 17.
11. Зродников А. В., Поплавский В. М., Сидоров Г. И., Чебесков А. Н., Декусар В. М., Шубин Н. Е., Головин Г. С., Кричко А. А., Малолетнев А. С. Новая технология производства моторных топлив из угля с применением атомной энергии: Мат. седьмого междун. форума «Высокие технологии XXI века».- М., 2006.- С. 20.
12. Кричко А. А., Озеренко А. А. Новая концепция глубокой переработки углеводородного сырья: Мат. междун. форума «Высокие технологии XXI века».- М., 2005.- С. 9.
13. Терентьев Г. А., Тюков В. М., Смаль Ф. В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых источников.- М.: Химия, 1989.- 271 с.
14. Кузнецов Б. Н. Моторные топлива из альтернативного нефти сырья // Соросовский образовательный журнал.- 2000.- Т.6, № 4.- С. 51.
15. Кузнецов Б. Н. Новые подходы к химической переработке ископаемых углей // Соросовский образовательный журнал.- 1996.- № 6.-С. 50.
16. Baughman G. L. Synthetic fuels Handbook.-Denver: Cameron Engineers Inc., 1978.
17. Чуханов З. Ф. Некоторые проблемы топлива и энергетики.- М.: Изд-во АН СССР, 1961.478 с.
18. Лапидус А. Л., Крылова А. Ю. Уголь и природный газ - источники для получения искусственного жидкого топлива и химических продуктов.- М.: Знание.- 1986.- 48 с.
19. Кричко А. А. Состояние и перспективы производства жидкого топлива из угля.- М.: ЦНИЭ-Иуголь, 1981.- 38 с.
20. Probstein R. F., Hicks R. F. Synthetic fuels.-New York: McGrow-Hill, 1982.- 490 c.
21. Еремин И. В., Жарова М. Н., Скрипченко Г. Б. // Химия твердого тела.- 1981.- № 1.- С. 86.
22. Кричко А.А. Гидрогенизация угля в СССР. -М.: ЦНИЭИуголь, 1984.- 48 с.
23. Freel J., Jackson D., Schmid D. // Chem. Eng. Prog.- 1981.- V. 77, N 5.- P. 86.
24. Wade D. T., Ansell L. L., Epperly W. R. // Chemtech.- 1982.- V. 12, N 4.- P. 242.
25. Goldstein A. M. // Chem. Eng. Prog. - 1982.-V. 78, N 4.- P. 76.
26. Langhoff J. // Canadian J. Chem. Eng.- 1980.-V. 58, N 6.- P. 693.
27. Wolowski E., Hosand H. // Erd^ und K^hle.-1983.- V. 36, N 8.- P. 373.
28. Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля.- М.: Энергоатомиздат, 1983.- 328 с.
29. Кричко А. А., Лебедев В. В., Фарберов И. Л. Нетопливное использование углей.- М.: Недра, 1978.- 215 с.
30. Кричко А. А. // Развитие углехимии за 50 лет.- М.: Недра, 1984.- С. 52.
31. Robinson R. C. // Energy Progress.- 1983.-V. 3, N 6.- P. 163.
32. Кричко А. А., Малотлетних А. С., Юлин М. К. и др. // Химия твердого топлива.- 1985. — № 4.- С. 68.
33. Шейндлин А. Е., Калечиц И. В. О сочетании гидрогенизации и газификации угля / Препринт доклада на XI Мировом нефтяном конгрессе.- Лондон, 1983.- 19 с.
34. Термическое преобразование углей с воздействием гамма-излучения. http://www.proatom.ru
35. Использование ядерного энергоисточника. http://www.proatom.ru
36. Головин Г. С. Жидкие топлива из углей сланцев - альтернатива нефтепродуктам: Мат. междун. форума «Высокие технологии XXI века».- М.,
2005.- С. 8.
37. Альтшулер В. С. Новые процессы газификации твердого топлива.- М.: Недра, 1976.- 280 с.
38. Зорина Г. И., Брун-Цеховой А. Р. Современное состояние технологии газификации угля за рубежом.- М.: ЦНИИТнефтехим, 1986.- 50 с."
39. Схема технологического процесса газификации бурого угля с циркуляцией между реакторами пиролиза и газификатором. www-sbras.nsc.ru/ win/sbras/rep/rep2002/t1-1/him/cem1.html
40. Холливуд П. Превращение угля в экологически чистое топливо // Нефтегазовые технологии.-
2006.- № 4.- С. 67.
