CC BY
13
СРАВНЕНИЕ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СЫРЬЯ И КОНДЕНСАЦИОННОГО ОБОГАЩЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ФЛЮИДОВ
А.Р. Ляндзберг (КамчатГТУ)
Показан метод комплексной переработки геотермальных флюидов путем частичной конденсации, позволяющий получать обогащенные химические растворы. Проведено сравнение с традиционным методом получения промышленного продукта на примере серной кислоты. Показаны технико-экономические преимущества метода конденсационного обогащения.
The method of geothermal fluids' complex process by the partially condensation which alloy to receive enriching chemical solutions is present. It is made a comparison with the traditional method of industrial product receipt on the example of sulphuric acid. The technical and economic advantages of condensing enriches method are shown.
Использование геотермальных флюидов как источника тепловой и электрической энергии является традиционным. В настоящее время прослеживается тенденция освоения месторождений геотермальных теплоносителей со все большими термодинамическими параметрами, что связано с повышением эффективности энергоизвлечения. Однако с ростом термодинамических параметров геотермального пара резко возрастает количество удерживаемых им при прохождении через горные породы минеральных соединений, которые требуют утилизации. Попытка игнорировать этот факт и осваивать флюиды исключительно как теплоносители приводит к уменьшению эффективности переработки в результате коррозии теплотехнического оборудования (в т. ч. технически сложных и дорогостоящих турбин), поскольку геотермальные флюиды несут в том числе и такие активные химические соединения, как NH+, F-, Cl-, SO32" , SO42" , HSO4" в высокой степени концентрации. Поэтому технологически, экономически и экологически обоснованным является подход, при котором высокотемпературные геотермальные флюиды рассматриваются как жидкие руды, новый вид минерального сырья [1, 2].
Традиционные химические и сорбционные методы извлечения химических соединений из парогазовых смесей с температурой более 300 °С без их полного предварительного охлаждения нереализуемы даже в лабораторных условиях [1]. Нормальные характеристики высокотемпературных флюидов (минерализация до 30 г/л, давление до 40 атм, температура до 300 °С, высокий удельный расход) делают химические и сорбционные методы извлечения неприменимыми. На основании анализа существующих методов обработки парогазовых потоков в качестве оптимального метода переработки высокотемпературных геотермальных флюидов А.С. Латкиным была предложена частичная конденсация [2], при реализации которой достигается комплексный эффект:
- получается конденсат ценных соединений высокой концентрации;
- сохраняется высокое теплосодержание остаточного пара;
- остаточный пар очищается от примесей, следовательно, вызывает существенно меньшую коррозию теплотехнического оборудования;
- сбрасываемый из системы отработанный конденсат, очищенный от примесей, вызывает существенно меньшие загрязнения окружающей среды или коррозию систем утилизации.
В качестве аппарата для ведения комплексной переработки геотермального флюида путем его частичной конденсации в работе [2] предложен вихревой конденсатор-сепаратор, представляющий собой аппарат вихревого типа, оснащенный охлаждающей рубашкой. Он пригоден для одновременного ведения процессов охлаждения, конденсации, абсорбционного обогащения и сепарации обрабатываемого потока. Проведенное нами аналитическое сравнение существующих типов циклонно-вихревых аппаратов и областей их применения показало, что оптимальными для обработки геотермального флюида являются аппараты со взаимодействующими закрученными потоками (ВЗП), особенностью которых является ввод газа в камеру через несколько разделенных патрубков, разнесенных по высоте или по радиусу (многосопловой аппарат, где несколько входных патрубков разнесены только по окружности, является обычным циклоном с более равномерным вводом среды, но не аппаратом ВЗП). Согласно данным большинства исследований, аппараты ВЗП превосходят прочие конструкции по всем удельным показателям и могут заменять их практически в любой области работы.
Принцип обработки геотермального флюида в вихревом аппарате путем частичной конденсации следующий: флюид из скважины подается в охлаждаемый вихревой конденсатор-сепаратор. Там происходит его охлаждение и частичная конденсация. Образовавшиеся капли жидкости обладают
высокой сорбционной активностью по отношению к находящимся в паре соединениям и имеют развитую поверхность, за счет чего происходит их обогащение химическими веществами. Получившийся концентрат сепарируется на стенки, улавливается и выводится из аппарата в виде обогащенного раствора, а очищенный пар направляется на дальнейшую переработку (как правило, на утилизацию в турбину).
Геологоразведочные работы Постройка шахты либо закладка карьера 1
Добыча (дробление) руды Транспортировка руды
Дробление I Дробление II Измельчение I
т
Классификация !1 \1
Основная флотация
—^--I
I перечистная Контрольная
т
II перечистная
J I
III перечистная
V
гЪ-
Плавление серы -и™^
Примеси Сера
Измельчение II
Отвальные хвосты в хвостохранилище
Нагрев воздуха
Воздух
f
Сжигание серы -
Охлаждение (утилизация теплоты) \ * ~
Вода Окисление 802 I
т
Абсорбция SQ3 I
1
Окисление SO2 II
I
Вола
f
Продувочные (отходящие) газы
Абсорбция 8Рз II
—* Г »-
Охлаждение Н2804 Целевой продукт
ш л
II
Сто Q. ГС У
1 ю о et
О) 5 X О)
2 о ю О
гс
5
ю гс
Q.
О) Q.
О) С
Рис. 1. Комбинированная функциональная схема получения серной кислоты
При рассмотрении процесса комплексной переработки геотермальных флюидов с точки зрения получения ценных химических компонентов необходимо обосновать технико-экономическую эффективность вихревого конденсационного обогащения по сравнению с традиционными методами переработки минерального сырья. Проведем данное сравнение для одного из основных химических компонентов флюида - серной кислоты [1]. Традиционный процесс ее получения (т. н. контактный метод) состоит из окисления диоксида серы до триоксида в присутствии ванадиевого катализатора и поглощения триоксида водой с получением серной кислоты. Диоксид серы может быть получен путем сжигания серы, обжигом пирита или иных серосодержащих соединений, а также из отходящих газов цветной металлургии. Согласно работе [3], до 1990 г. в СССР около 50 % серной кислоты производилось из серы в качестве исходного сырья, 33-35 % - из колчедана, 5-7 % - из иных соединений и 8-12 % - при утилизации сбрасываемых газов цветной металлургии.
Рассмотрим процесс получения серной кислоты из серы, как наиболее распространенный по
объему производимого промышленного продукта. В этом случае получение сырья требует специальных процессов по его добыче и горнорудной переработке, включая предварительные стадии геологоразведки и постройки горнодобывающего предприятия. Получение серной кислоты в виде комплексной функциональной схемы, составленной на основе работ [3, 4], показано нами на рис. 1. В целом процесс состоит из четырех основных стадий и включает предварительные работы по геологоразведкеи постройке шахты, добычу руды, ее обогащение и химическую переработку.
При получении серной кислоты путем конденсационного обогащения геотермальных флюидов процесс состоит из нескольких простых операций. Получение первичного продукта для горнорудной промышленности (в данном случае - чернового раствора кислот, однако возможно и получение концентрата солей металлов, аналогичного результирующему промпродукту при процессах выщелачивания минерального сырья) из геотермального флюида с одновременной очисткой пара для дальнейшей утилизации тепловой энергии в турбине осуществляется методом частичной конденсации. Технически это требует бурения скважины глубиной 1-3 км и постройки установки, включающей три основных (вихревой конденсатор-сепаратор и турбина с электрогенератором) и не более десяти вспомогательных аппаратов, причем технически сложным из них является только один - турбина. При этом все основные процессы обработки флюида - его охлаждение, частичная конденсация, обогащение и сепарация - совмещены и протекают в одном аппарате (ВКС). Функциональная схема комплексной переработки геотермальных флюидов с получением кислоты («готовый концентрат») путем конденсационного обогащения представлена на рис. 2.
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ БУРЕНИЕ СКВАЖИНЫ ГЕОТЕРМАЛЬНЫЙ ФЛЮИД ВКС ОХЛАЖДЕНИЕ
ЧАСТИЧНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ ПАР ФЛЮИДА КАПЛИ
СОРБЦИОННОЕ ОБОГАЩЕНИЕ
ОЧИЩЕННЫЙ ПАР ГОТОВЫЙ КОНЦЕНТРАТ ДЕТАНДИРОВАНИЕ (ТУРБИНА)
Рис. 2. Функциональная схема комплексной переработки геотермальных флюидов
Из сопоставления схем рис. 1 и 2 хорошо видно, что разница в затратах на производство продукта по данным способам проявляется уже на этапе предварительных работ: если геологоразведка требуется в обоих случаях, то при утилизации геотермального флюида необходимо только бурение комплекса скважин, что заметно дешевле постройки шахты или карьера, требуемых для добычи твердой руды. Далее при получении кислоты по традиционной схеме необходима постройка еще двух специализированных предприятий: обогатительного и химико-перерабатывающего, каждое с мощным аппаратным фондом. Реализация подобного проекта возможна только в технологически развитом регионе с привлечением инвестиций на уровне государственного бюджета. В то же время промышленное получение кислоты из геотермальных флюидов возможно на любом месторождении с достаточным содержанием ценного компонента. При этом требуется постройка технически простой станции по переработке флюида, включающей только два основных аппарата - вихревой обогатительный конденсатор-сепаратор и турбину. Причем технически сложным агрегатом из них является только турбина, поэтому данный проект может быть реализован в любом регионе с затратами на уровне краевого или даже областного бюджета.
Характерной особенностью технологического процесса переработки геотермальных флюидов является то, что при проведении конденсационного обогащения паровых растворов в конденсат переходят все (по номенклатуре) содержащиеся в исходном флюиде соединения, т. е. на выходе получается концентрат смеси различных кислот и солей. По сравнению с традиционным процессом получения реактивов, дающим химически чистые продукты, данное свойство является негативным моментом. Однако согласно исследованиям [5], именно комплекс кислот является оптимальным реагентом при ведении гидрометаллургических процессов выщелачивания, а геотермальный концентрат в этом случае может быть эффективным заменителем «чистых» реактивов и композиций на их основе. Его значительно более низкая стоимость снимает главную проблему реализации гидрометаллургического метода переработки руд - высокие расходы на реагенты. Это позволяет в технически малоразвитых районах страны вовлечь в эксплуатацию сырьевые ресурсы и развивать горноперерабатывающую промышленность, что в рамках традиционных технологических решений было бы невозможно из-за высоких затрат.
В целом получаемые из геотермальных флюидов продукты могут применяться для чанового и площадного выщелачивания металлсодержащих руд, экспериментального подземного выщелачивания, гидрохимической переработки (модифицирования) природных и техногенных цеолитов и др. [1, 2, 5]. Проведенный авторами [1, 5] оценочный расчет показал, что по сравнению с традиционными технологиями получения серы и флюорита метод утилизации химических соединений из геотермального флюида дает возможность выхода аналогичного продукта при затратах в 10-20 раз ниже. Параллельно после утилизации остаточного очищенного пара получается электроэнергия, стоимость которой в 3-5 раз ниже энергии, полученной другими способами. Кроме того, извлечение химических элементов геотермальных месторождений позволяет существенно улучшать экологическую обстановку в районе месторождения и прилегающем к нему гидрогеологическом бассейне. Это однозначно говорит о существенных технико-экономических преимуществах метода конденсационного обогащения по сравнению с традиционными способами добычи и переработки минеральных ресурсов для получения химических веществ.
Литература
1. Белова Т.П., Латкин А.С., Трухин Ю.П. Основы комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - 244 с.
2. Латкин А. С. Научные и технологические основы повышения эффективности переработки дисперсного минерального сырья на базе вихревых аппаратов: Дис. ... докт. техн. наук. -
Хабаровск, 1994. - 387 с.
3. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов / Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г.. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 1990. - 520 с.
4. Справочник по обогащению руд. Обогатительные фабрики / Под ред. О.С. Богданова, Ю.Ф.Ненарокомова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984. - 358 с.
5. Белова Т.П. Физико-химическое обоснование технологического использования нетрадиционного минерального сырья Курило-Камчатского региона: Дис. ... канд. техн. наук. - Чита: ЧитГТУ, 1999. - 152 с.
