CC BY
36
© А.Я. Третьяк, H.H. Ефимов, Д.П. Савостьянов, 2007
УДК 622.272
А.Я. Третьяк, H.H. Ефимов, А.П. Савостьянов
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПОДЗЕМНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В ГАЗОФАЗНЫЕ ЭНЕРГОИСТОЧНИКИ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ
Семинар № 19
Современное состояние сырьевой и энергетической базы в России и в мире характеризуется ограниченностью запасов традиционного источника углеводородов - нефти и газа, в то время как разведанные и прогнозируемые запасы угля существенно превосходят запасы природного газа и нефти. Угольные месторождения, в том числе и Восточного Донбасса, сопровождаются значительными запасами метаносодержащих газов, которые до настоящего времени практически не используются.
Основным потребителем топлив (угля, нефти и природного газа) является энергетика. При этом в России до 70 % тепловых электростанций (ТЭС) работают на природном газе и не смогут перейти на твердое топливо.
Одним из способов решения этого комплекса проблем является газификация угля непосредственно под землей, с последующей добычей и использованием продуктов газификации, основными горючими компонентами которых являются СО, СН4, Н2. Однако в настоящее время нет единой теории комплексной подземной переработки угля и шахтных газов. Поэтому создание, комплексных, экологически безопасных технологий переработки угля в новые энергоисточники и жидкие моторные топлива,
олефины и парафины представляет весьма актуальную задачу в мире, в том числе и в России.
Известны страны (ЮАР), где газификация угля отработана на наземных установках-газогенераторах (например, газификаторы Ёурги и др.). Генераторный газ, получаемый в таких газификаторах, используется в энергетике и химической технологии.
Перспективным процессом получения углеводородных топлив из метана и синтез-газа (СО и Н2) является процесс синтеза Фишера-Тропша. Ключевыми элементами технологии углеводородных топлив в процессе Фишера-Тропша являются катализатор и реактор синтеза, которые обеспечивают максимальную производительность и селективность по заданным углеводородным продуктам.
Запасы нефти и природного газа ограничены, причем с учетом постоянно растущих темпов их добычи можно с большой долей уверенности прогнозировать наступление в ближайшем будущем топливного кризиса мирового масштаба. Запасов нефти по различным оценкам может хватить на 15-25 лет. Немногим лучше обстоит ситуация с природным газом: в ближайшие 40-60 лет не следует опасаться истощения его запасов. В наиболее выгодной позиции находится уголь, запасов которого достаточно на несколько столетий. Кроме того,
географически месторождения угля, в отличие от нефти и газа, распределены наиболее равномерно и доступны многим странам.
Химическая промышленность, созданная первоначально для производства органических веществ на основе продуктов из угля, приблизительно с середины ХХ-го столетия стала отдавать предпочтение жидкому и газообразному сырью (нефть и газ) с более высоким содержанием водорода, прежде всего при производстве синтез-газа, а позже, с возникновением химии полимеров, для получения низкомолекулярных олефинов и низко-кипящих ароматических углеводородов.
Актуальной задачей является уменьшение зависимости химической промышленности от ограниченных запасов нефти путем расширения использования в качестве сырья и источников энергии угля и природного газа.
Уровень развития современной науки и производства позволяет констатировать, что ключевым этапом в процессе изменения сырьевой базы является получение синтез-газа (Н2+СО) из угля и метансодержащих газов, из которого возможно синтезировать широкий спектр химических веществ, среди которых немалую долю имеют моторные топлива (рисунок).
Для исследования была составлена кинетическая модель процесса подземной газификации, которая позволяет отработать различные схемы подвода реагентов в пласты угля и находить оптимальный вариант введения реагентов для подземной газификации углей различных марок. По составленной в работе программе на ЭВМ обследовались различные марки угля. В работе даны экспериментальные и расчетные данные по двум маркам углей - донецкий каменный уголь
и подмосковный бурый уголь. Расхождения расчетных данных с экспериментальными составило не более 5,8 %, что подтверждает правильность составления расчетной кинематической модели подземной газификации угля. Например, по образованию С02 погрешность составляет 0,95 % и 5,97 % (первая цифра относится к донецкому КУ, а вторая к подмосковному БУ), по Н2§ - 0,29 % и 0,26 % соответственно, по Со - 5,57 % и 0,19 %, Н2 - 1,09 % и 1,19 %, N2 - 2,02 % и 5,68 %, по теплоте сгорания ОН - 2,1 % и 5,8 % соответственно.
Современная энергетика использует различные виды органических топлив: твердые, жидкие и газообразные. Все они способны выделять тепловую энергию в результате химического преобразования. Органические топлива содержат широкую гамму химических элементов в различных количествах. Однако тепловая энергия из топлив выделяется в результате окисления только определенных химических элементов, в состав которых входят углерод водород и сера. В топливе эти вещества могут находиться либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (например, в виде углеводородов, угарного газа и др.).
Качественно топлива оцениваются, в основном, по исходным «товарным» характеристикам и возможностям. К ним можно отнести: теплоту сгорания топлива Ор , содержание серы 5”р, влажность Жр, а для твердых топлив, также зольность Лр, выход летучих Vр. Считается, что наиболее калорийными топливами являются природный газ (поскольку исходная теплота сгорания его составляет 30^50 МДж/м3) и мазут, у которого низшая рабочая теплота сгорания равна 39^42 МДж/кг. Для твердого топлива
Основные технологии переработки угля н метана
эта величина гораздо ниже 2 =
7,0^26,0 МДж/кг. Однако оценка тепловой эффективности топлива только по исходной теплоте сгорания приводит к неправильному представлению о нем. По нашему мнению, более правильно тепловую эффективность топлива оценивать не по исходным характеристикам, а по тому состоянию продуктов топлива, которое участвует в дальнейшем производстве энергий - теплоте, получаемой в результате сжигания топлива (по теплоте продуктов сгорания). Сравнение теплового эффекта продуктов сгорания различных топлив показывает, что все виды, марки и классы топлив находятся в одинаковых условиях. В таблице представлены основные исходные характеристики различных топлив (теплота сгорания, теоретически необходимое количество воздуха для сжигания), а также количество продуктов сгорания при нормативном сжигании топлива, когда воздух, подаваемый на окисление горючих веществ, ограничивается стехиометрическим соотношением (а = 1,0), т.е. продуктов сгорания образующихся при получении определенного количества теплоты (для примера взято 20,0 МДж), и тепла, содержащегося в единице объема этих образовавшихся газов.
Анализируя данные, приведенные в таблице, можно сказать, что, несмотря на большое различие в теплоте сгорания и широкую гамму видов исследуемых топлив, количество газов, образующихся в результате полного сгорания топлива при получении определенной тепловой работы 20,0 МДж, а также количество тепла, содержащегося в единице объема, практически одинаково. Разница в последних величинах (колонки 4, 5) составляет не более 10 %, в то время
как по теплоте сгорания (колонка 2) топлива отличаются более чем в 10 раз. Отсюда для получения одной и той же тепловой работы необходимо подводить разное количество топлив. Например, для производства 20,0 МДж тепловой энергии мазута необходимо 0,48 кг, а фрезторфа 2,46 кг, однако тепловой эффект при сжигании этих топлив практически одинаков - 3,82 МДж/м3 и 3,41 МДж/м3 соответственно. Если учесть, что экономичность сжигания практически одинаковая (КПД котлов - 90-95 %), то можно сделать вывод об одинаковой возможности любого топлива в получении тепловой энергии. Не имеет исключение и применение генераторного газа в качестве топлива для энергетики.
Для создания теоретической модели комплексной подземной переработки угля и шахтных газов в газофазные энергоисточники и ценные химические продукты, необходимо построить кинетическую модель процесса подземной газификации угля.
Подземная газификация углей по общим характеристикам протекает аналогично газификации в наземных газогенераторах, но имеет ряд особенностей, влияющих на конечные результаты:
- отсутствует движение топлива; выгазовывание угольного пласта происходит в результате перемещения очага горения, вместе с которым пространственно перемещаются зоны подземного газогенератора;
- отсутствуют газонепроницаемые стенки; реакционная зона непосредственно граничит с запасами угля, подлежащими газификации, вследствие чего уголь может подвергаться термической обработке на определенную глубину;
- в подземный газогенератор могут проникать грунтовые воды, в связи с
310
Характеристики некоторых топлив
ао и после процесса сжигания
Вид, марка и класс топлива Теплота сгорания 2Н , МДж/м3 (для природного газа), МДж/кг Теоретическое кол-во воздуха, для сгорания топлива, V0, м3/м3(пр.газ), м3/кг Объем продуктов сгорания топлива при получении 20,0 МДж тепла, Ог, м3 Кол-во тепла в единице объема продуктов сгорания, 20,0/ СГ, МДж/м3
1 2 3 4 5
Природный газ Уренгой-Ухта 35,5 9,42 5,31 3,77
Вознесенск-Г розный 47,02 12,4 5,27 3,80
Мазут низкосернистый 41,68 10,92 5,24 3,82
высокосернистый 39,06 10,44 5,35 3,74
Уголь Донецкий АШ 18,23 4,91 5,39 3,71
Кузнецкий, Т 22,06 5,87 5,32 3,76
Карагандинский, К 22,90 6,1 5,33 3,75
Карагандинский, К, шлам 16,96 4,61 5,44 3,68
Подмосковный, 2Б 8,67 2,47 5,70 3,51
Партизанский, Г 19,47 5,08 5,22 3,83
Чульмаканский, Ж 23,19 6,16 5,31 3,77
Сланец Каширский 4,60 1,29 5,61 3,57
Фрезторф 8,12 2,38 5,86 3,41
чем подземную газификацию в ряде случаев при подаче только воздуха можно рассматривать как процесс паровоздушной газификации.
Для детального изучения процессов, протекающих при подземной газификации угля, необходима разработка математических моделей, которые позволят определить состав, объем и теплоту сгорания образующегося генераторного газа, а также изучить закономерности изменения концентраций различных компонентов как во времени.
Одной из таких является кинетическая модель. Полная газификация угля основана на химических реакциях углерода угля с кислородом, при которых образуются оксиды углерода (СО2 и СО). В качестве источника кислорода может быть кислород воздушного дутья или кислород водяных паров. Реагирование углерода с кислородом протекает с выделением теплоты (эндотермические реакции) по следующим схемам:
С + О2 = СО2;
С + 0,5О2 = СО.
При наличии избытка кислорода оксид углерода (СО) может при горении прореагировать до СО2:
СО + 0,5О2 = СО2.
Одновременно с этим при высоких температурах и наличии контакта оксида углерода (СО2) с углем может происходить его восстановление до оксида углерода (СО) по схеме С + СО2 = 2СО.
Эта реакция является эндотермической, т.е. протекает с поглощением теплоты.
В процессе подземной газификации углей теплота, выделяющаяся в результате протекания первых трех реакций, способствует повышению температуры угольного пласта и, тем самым, протеканию эндотермической реакции по схеме С + СО2 = 2СО.
При взаимодействии паров воды, содержащихся в пласте, с углеродом топлива протекают экзотермические реакции с образованием горючих компонентов - СО и Н2 по следующим схемам:
С + Н2О = СО + Н2;
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2.
Реакции по указанным схемам протекают при температурах свыше 900^1000 °С, причем скорость реакции очень сильно зависит от температуры.
Таким образом, за счет теплоты экзотермических реакций происходит повышение температуры угля, что обеспечивает его сушку, выделение летучих веществ, содержащих горючие компоненты (СО, Н2, СН4, Н2Б), а также способствует протеканию реакций углерода с водяным паром.
При подземной газификации кислород воздушного дутья вступает также в реакции с горючими компонентами летучих веществ и серой. Эти реакции протекают по схемам:
Н2 +0,5О2 = Н2О;
СН4 + 2О2 = СО2 +2Н2О;
Б + О2 = БО2.
Процесс химической реакции кислорода с горючими компонентами летучих веществ угля является гомогенным, в отличие от реакций кислорода с углеродом на твердой поверхности угля, которые относятся к гетерогенным процессам.
Скорость химической реакции кислорода с углеродом на твердой поверхности угля зависит в основном от температуры и удельной реагирующей поверхности. Удельная реагирующая поверхность характеризуется площадью угля в единице его объема, на которой протекает гетерогенный процесс химической реакции кислорода с углеродом.
Проведенный анализ литературных данных показывает, что в услови-
ях роста цен на нефть, истощения ее запасов и роста темпов добычи, возрастает роль природного газа и уголя как альтернативы нефти.
Углеводородное сырье для получения синтез-газа, прежде всего метан, подвергают конверсии различными окислителями. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого газа и технико-экономическими факторами.
Очевидно, что перспективы перехода химической промышленности на угольное сырье будут зависеть от новых разработок, в частности от поисков катализаторов, которые позволили бы снизить давление и энергоемкость, более селективно использовать водород и упростить технологию процессов.
Из известных процессов переработки угля самым перспективным, является процесс газификации в связи с тем, что продукт процесса - синтез-газ различного состава, составляет основу для процессов синтеза широкого спектра ценных химических продуктов и, особенно, моторных топлив.
Тенденция усиления внимания к синтезу складывается в странах, располагающих дешевым углем, например в России, США, Австралии, ЮАР. В этих странах при существующем уровне технически уже обозначаются возможности для экономически эффективного производства
химического сырья из синтез-газа по методу Фишера - Тропша. Выбор метода обусловлен большим теоретическим и практическим опытом реализации процесса в промышленных условиях, наличием альтернативы продуктов получаемых из нефти. Прямоцепочечное строение углеводородов, преимущественное образование оле-финов, отсутствие сернистых соединений и других примесей, затрудняющих дальнейшую переработку, говорят о применимости первичных продуктов синтеза в ряде важных химических производств. Часть продуктов, вырабатываемых известными способами Фишера - Тропша, можно без затруднений подвергать дальнейшей переработке, например в оксосинтезе, для производства синтетических моющих средств, производных жирных кислот, смазочных материалов.
Проведенный термодинамический анализ выявил ряд не реализованных реакций, позволяющих получать компоненты моторных топлив из метана. Вовлечение метана в качестве компонента в синтез типа Фишера-Тропша сокращает потребность в синтез-газе и позволяет интенсивнее вовлекать метан в переработку с получением моторных топлив. Это, направление следует развивать в экспериментальных исследованиях, поскольку оно обеспечит существенные технические преимущества, гггш
— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------
Третьяк А.Я. - доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин»,
Ефимов H.H. - доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Тепловые энергетические станции»,
Савостьянов А.П. - доктор химических наук, профессор, зав. каф. «Химические технологии высокомолекулярных соединений, органической, физической и коллоидной химии»,
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ).
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.
