Комплексная плазмохимическая переработка твердых топлив

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексная плазмохимическая переработка твердых топлив

Буянтуев С.Л., д.т.н., проф. каф. «Электроснабжение промышленных предприятий и сельского хозяйства»ВСГУТУ, г.Улан-Удэ, Россия

В данной статья рассматривается технология комплексной переработки углей позволяющая перерабатывать уголь с получением синтез-газа, активированного угля, который может быть использован в системе очистки питательных и сточных вод промышленного предприятия.

This article discusses the technology of complex processing of coal which allows processing of coal to produce synthesis gas, charcoal, which can be used in the purification of nutrients and waste water industrial enterprise.

В мировой практике существует тенденция отказа от прямого сжигания углей в топках котлов в силу требований экологии и экономики, кроме того уголь является ценным сырьем для металлургической и химической промышленности. Одним из направлений экологически чистого использования углей является газификация с дальнейшим использованием полученного газа для сжигания в топках котлов и других целей. В мире накоплен достаточно большой опыт по созданию установок и технологий по газификации углей. Наиболее масштабным и приемлемым для применения в удаленных, малонаселенных районах Монголии с достаточно большими запасами низкосортных углей является технология подземной газификации углей.

Использование этого метода требует детальной проработки с учетом специфики местных условий, долговременных исследований и технико-экономического обоснования.

Наиболее широкое применение имеют газификационные установки и технологии Винклера, Копперс-Тотцека, Лурги, которые успешно работали в первой половине 20-го века во многих странах, но затем по мере бурного развития добычи нефти и газа, угольные газификационные установки остались и получили дальнейшее развитие только в странах, не имеющих ископаемых запасов нефти и газа, но обладающих большими запасами углей: Южно-Африканская Республика, Австралия, Китай и др. Эти страны в настоящее время являются на мировом рынке разработчиками и поставщиками промышленных установок по газификации углей. Несмотря на то, что данные технологии и оборудование для газификации углей отработаны, просты в эксплуатации и надежны, они имеют ряд недостатков, наиболее существенными из них являются наличие вредных выбросов и низкое качество получаемого из углей газа.

Так, например, в Монголии на Дарханском металлургическом комбинате установлены газификаторы, работающие на местных низкосортных углях или их смесях, из которых получают горючий газ. Полученный газ сжигается в печах для нагрева стальных болванок перед прокатом. На Эрдэнэтском ГОК также работают аналогичные газификаторы, работающие по традиционной технологии типа Лурги. Полученный из угля газ используется на заводе для получения чистого железа из железной руды методом прямого восстановления.

В целом, как показывает опыт работы данных предприятий, газ, получаемый на традиционных газификаторных установках, удовлетворяет технологическим требованиям этих предприятий.

Полученный из низкосортных местных углей газ содержит горючие коипоненты в виде оксида углерода (СО), водорода (H2) и балластных соединений в виде оксидов азота (NOx) и др. Импорт сжигаемого газа в Монголию из России в больших объемах железнодорожным транспортом на сегодняшний день невыгоден, поэтому газификаторы, работающие на местных дешевых углях, вполне себя оправдывают для получения горючего газа и сжигания в печах линий для нагрева металлических заготовок перед прокатными стенками (г. Дархан)

Металлургические предприятия по получению железа из руды методом прямого восстановления обычно устанавливают вблизи коксохимических производств, поскольку так называемый «коксовый газ», получающийся попутно при производстве кокса, состоит в основном из оксида углерода, водорода и балластных соединений.

При отсутствии коксохимического производства, указанные газификаторы вполне удовлетворяют требованиям производства железа методом прямого восстановления из руды в условиях ГОК г. Эрдэнэт.

Необходимо отметить, что при строительстве коксохимических предприятий на базе коксующихся углей месторождений «Таван Толгай» и открываются возможности по расширению и созданию новых металлургических заводов в Монголии.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что в Монголии применяются все предпосылки для широкого использования имеющихся запасов дешевых углей для комплексно переработки и газификации углей, применения искусственного газа для сжигания в топках энергетических котлов, малых котельных жилищно-коммунальных хозяйств и бытовых газовых печах. При прямом сжигании углей в различных котлах и бытовых печах выделяется большое количество вредных выбросов в атмосферу в виде сажи, оксидов углерода, азота и серы. Например, в г. Улан-Батор в зимний период складывается напряженная экологическая ситуация в виде большой концентрации над городом смога, где при населении свыше миллиона человек работают 3 ТЭЦ, более 300 отопительных котельных и десятки тысяч печей портовых поселков в пригородах города, сжигающих угли. Решение данной экологической проблемы возможно только при замене угля на искусственный или природный газ. Одним из вариантов решения этой проблемы возможно рассматривать прокладку газопровода из России, но это в далекой перспективе. Более близкая перспектива, которая прорабатывается на сегодня энергетическими компаниями Монголии и Газпромом России - это создание сети терминалов сжиженного природного газа в городах и промышленных центрах. В то же время можно утверждать, что имея в Монголии гигантские запасы углей, наиболее реальным и перспективным, наряду с другими вариантами, является газификация и комплексная переработка углей на основе современных достижений науки и техники.

В связи с вышеизложенным необходимо отметить, что применение углей разного качества повышение экологических требований основывается на новых технологиях сжигания, газификации и комплексной переработки углей, и в частности, применение в качестве теплоносителя и инициатора химических реакций низкотемпературной плазмы. Авторы работы имеют большой опыт в области исследований по добыче, переработке и использованию углей, в том числе и с применением плазменных технологий. Так, в 1990-е годы на ТЭЦ-4 г.Улан-Батора была создана общестанционная система плазменного безмазутного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела на восьми энергетических котлах, в 2000-е годы плазменные системы растопки котлов были установлены на котлах ТЭЦ г. Эрдэнэт и ТЭЦ г. Дархан, на которые были получены патенты на изобретения в Монголии. В последующем были проведены исследования возможности комплексной переработки и получены положительные результаты по углям месторождений Багамур и Адуун-Чулун для получения полукокса сорбента, синтез-газа, синтетического жидкого топлива и переработки золошлаковых отходов в волокнистые теплоизоляционные материалы и даны соответствующие рекомендации для использования плазменных технологий.

В 2010 г. были обследованы указанные выше линии газификации и оборудование для получения синтез-газа, установленные на Дарханском металлургическом комбинате и Эрдэнэтском ГОК. При этом был установлен ряд недостатков, в том числе вдоль газопровода от газификатора до печи и на газовых горелках конденсируется смола, которая может быть опасной для здоровья обслуживающего персонала и экологически опасной для окружающей среды. Анализ проб смолы и мелкодисперсной пыли уноса с мокрых скрубберов газогенераторной установки показал высокое содержание высокотоксичных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). При этом содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирен, бенз(j)флуорантен, бенз(g,h,i)перилен и др.) значительно превосходит нормативные показатели предельно допустимых концентраций.

Для исключения канцерогенных веществ было рекомендовано на выходе газификатора установить плазмотроны для разложения токсичных веществ плазмохимическим способом.

За последние десять лет в научной лаборатории «физика плазмы и плазменные технологии» Бурятского государственного университета проведены теоретические и экспериментальные исследования углей ряда месторождений Бурятии, Забайкальского края и Монголии. Целями исследований являлись: выявление возможности плазменной переработки углей различного качества и получение комплекса целевых продуктов из углей: сорбента, синтез-газа и синтетического жидкого топлива волокнистых теплоизоляционных материалов и золошлаковых отходов этих углей. Теоретические и экспериментальные исследования заключались в предварительных расчетах удельных энергозатрат и фазовых превращений в заданном диапазоне температур углей различного химического состава, исследование структуры и химического состава углей до и после обработки углей низкотемпературной плазмой, исследование полученного синтез-газа и т.д. По результатам исследований выработан ряд рекомендаций по созданию плазменноэнергетических установок по растопке котлов и газификаторов, созданы варианты модульных плазменных газификаторов, оформлены патенты на изобретения, защищены кандидатские диссертации, выпущены монографии, опубликованы статьи в центральных и зарубежных изданиях.

В процессе исследований было расширено понятие «комплексной» переработки углей, которое заключается в следующем. В традиционном понимании под «комплексной» переработкой подразумевается получение горючего газа, кокса или синтез-газа и золошлаковых отходов с дальнейшей их переработкой. При обработке углей в плазменном реакторе совмещенного типа получается синтез-газ и активированный уголь. При этом было замечено, что на охлаждаемой крышке реактора конденсируются ультрадисперсные частицы угля в виде сажистых соединений, при обработке которых были обнаружены фуллерены и углеродные нанотрубки. Механизм образования углеродных наночастиц еще предстоит выяснить, но уже сейчас можно констатировать факт образования дополнительного продукта в копилке с другими получастицами при плазменной переработке углей.

Кроме того, при вытяжке и очистке полученного синтез-газа путем промывки в скруббере вымываются мелкодисперсные частицы, часть которых оседает в воде, а часть остается на поверхности воды. Эти разделенные части угля имеют абсолютно разные свойства и их также можно рассматривать как новые дополнительные продукты получения из углей при обработке низкотемпературной плазмой. Для изучения структуры, физико-химических свойств и механизма образования этих новых материалов требуются дальнейшие исследования с проведением спектрального, рентгенофазового анализа и т.д. Таким образом, при комплексной переработке углей низкотемпературной плазмой образуется ряд новых продуктов и материалов с принципиально новыми свойствами, изучение и объяснение которых требует фундаментальных исследований.

В плане разработки комплексной технологии плазменной переработки углей были проведены исследования плазменного пиролиза и газификации углей с получением сорбента на установке, приведенной на рисунке 1.

плазменный газификация твердый топливо

Рисунок 1 - Установка плазмохимической переработки углей

При этом получены:

синтез газ с содержанием СО - 40,2 %; Н2 - 46,7 %; калорийностью 3000 ккал/кг;

твердый остаток (фракции до 0,2 мм -10 %; от 0,2 до 1 мм - 70 %; более 1 мм - 20 %) с сорбционной активностью по бензолу - 0,08 мг/л; по метиленоголубому -123 мг/л.

Данные результаты по параметрам не уступают продукции, получаемой по традиционным технологиям [8,9].

При этом, если сравнить традиционный метод и плазменную технологию получения сорбентов, то последняя имеет ряд преимуществ. Во-первых, промышленная установка, использующая низкотемпературную плазму при той же производительности, что и коксовая батарея будет иметь меньшие по сравнению с ней массогабаритные показатели, на ее установку требуется меньшее время, сокращаются металлозатраты. Кроме того, коксовая печь для поддержания необходимой температуры требует использования коксового, доменного или природного газа [10].

Также важным фактором при сравнении этих технологий является время протекания процесса, плазменная технология позволяет снизить это время в несколько раз [11].

Таким образом, низкотемпературная плазма является химически активным, экологически чистым средством интенсификации сложных энергоемких производств на новом уровне достижений науки и техники в различных отраслях: энергетике( стабилизация горения топлива в котлах и снижение вредных выбросов в атмосферу), угле- и плазмохимии (получение углеводородов из углей и синтетического жидкого топлива), металлургии (активированный уголь и извлечение ценных компонентов) и др.

Воздействуя на обрабатываемые вещества и являясь универсальным теплоносителем и реагентом, плазма обладает электрическим и магнитным полем, а также сильным световым излучением, что позволяет синтезировать ряд новых веществ с уникальными свойствами, которые невозможно получить другими методами [12].

Отличительной чертой рассматриваемой в работе технологии от существующих является комплексный подход к получению углеродных наноматериалов (УНМ), активированного угля и синтез-газа, сочетающийся в едином процессе плазменной обработки угля. На сегодняшний день не существует подобного способа промышленного получения углеродных наноматериалов. Данная технология дает возможность, используя комплексный процесс плазменной обработки твердого топлива, одновременно получать углеродные наноматериалы. Блок-схема установки комплексной плазмохимической переработки угля приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок-схема установки комплексной плазмохимической переработки углей

Мелкодисперсные частицы угля, прошедшего обработку низкотемпературной плазмой, выносятся потоком синтез-газа и в блоке газоочистки при охлаждении водой разделяются на фракции: тяжелую фракцию, осевшую на дно, и легкую фракцию, всплывшую на поверхность воды. При этом эти фракции имеют разную структуру и свойства. Кроме того, сублимированная фаза, образовавшаяся при взаимодействии угольных частиц с плазмой и осевшая на охлаждаемой крышке реактора в виде сажи, содержит углеродные частицы наноразмеров и имеет свойства фуллеренов. Таким образом, полученные структуры представляют собой новый класс объектов нанометровых размеров, которые обладают уникальными физико-химическими свойствами и чрезвычайно перспективны для практического использования [13].

Известно что, одним из самых интересных объектов исследования, получаемых в углеродной плазме, является фуллерен. Различными методами, при высоких давлениях и температурах, из чистых углеродных продуктов фуллеренов С60 и С70 получают сверхтвердые вещества. В России производством коммерческих партий наночастиц занимаются только несколько известных научно-исследовательских центров. В последние годы исследования нано- и кластерных материалов получили быстрое развитие благодаря существующим и потенциальным применениям во многих технологических областях, таких как электроника, энергетика, магнитное сохранение данных, материаловедение и др.

В заключение необходимо подчеркнуть, что только при плазменной переработке углей получается комплекс экологически чистых продуктов, а сама плазменная технология является экологически чистой и практически безотходной.

На территории южного Забайкалья и Монголии имеются большие разведанные и разрабатываемые запасы углей. Для их добычи, переработки и использования потребуются новые наукоемкие, экологически чистые технологии. Одним из таких перспективных направлений являются плазменные технологии газификации и переработки твердых топлив.

Список использованных источников

1. Карпенко Е.И., Буянтуев С.Л., Цыдыпов Д.Б. Эффективность электродуговой плазмы при предварительной подготовке углей к сжиганию. «Электрические станции», №11, 1996, с.7-15.

2. Буянтуев С.Л., Карпенко Е.И., Цыдыпов Д.Б., Жуков М.Ф. Об интенсификации термохимических превращений угля. «Энергетик», №9,1994,с.15-16.

3. Карпенко Е.И., Буянтуев С.Л., Михайлов С.Ф., Цыдыпов Д.Б., Мессерле В.Е. Способ газификации углей и установка для его осуществления. Патент РФ № 2062287 от 30.03.1995г.

4. Буянтуев С.Л., Цыдыпов Д.Б., Доржиев А.Ц., Елисафенко А.В., Безпрозванных М.Н. Двухступенчатый способ термической подготовки пылевидного топлива и установка для его осуществления. Патент РФ № 217431 от 27.07.2001г.

5. Буянтуев С.Л. и др. Применение плазменных пылеугольных горелок на котле ТПЕ - 185 Улан-Удэнской ТЭЦ- 2. «Энергетик», № 3, 2003, с.13-15.

6. Буянтуев С.Л., Зонхоев Г.Б. Повышение технико-экономических показателей и экологической безопасности действующих пылеугольных электростанций на основе применения плазменно-энергетических технологий // «Теплоэнергетика» № 4 ,2010. Изд.: Российская академия наук г. Москва, с.69-74

7. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Система плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах малой и средней производительности как один из способов сохранения экологии Байкальского региона // Изв. вузов. Физика. - 2007.- № 9. Приложение. - С.292-297.

8. Буянтуев С.Л., Старинский И.В. Исследование свойств сорбентов из углей, обработанных низкотемпературной плазмой // Вестник БГУ. - Серия 9: Физика и техника. - Вып.2. - г. Улан-Удэ: Изд. Бурятского госуниверситета, 2003. - С.41-47.

9. Буянтуев С.Л., Шаронов К.С., Шишулькин С.Ю. Вопросы оптимизации теплофизических параметров плазменного газификатора углей Вестник Бурятского государственного университета. Выпуск 3. Химия, Физика. 2009. Улан-Удэ: Изд. Бурятского государственного университета. С. 146-153.

10. Буянтуев С.Л., Шаронов К.С. Влияние режимов работы плазменной газогенераторной установки на состав синтезируемого газа //Вестник ВСГТУ, выпуск №3(34), 2011. Улан-Удэ: изд. ВСГТУ, с. 48-54.

11. Буянтуев С.Л., Старинский И.В. Способ получения активированного угля и установка для его осуществления // Патент на изобретение №2314996 РФ от 05.07.2006 Опубликовано 20.01.2008. Бюл. № 2.

12. Буянтуев С.Л., Кондратенко А.С., Дамдинов Б.Б. Способ получения углеродных наноматериалов с помощью энергии низкотемпературной плазмы и установка для его осуществления // заявка на изобретение №2011106679, положительное решение от 27.08.2012

13. Буянтуев С.Л., Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Кондратенко А.С. Сырьевая смесь для высокопрочного бетона // Патент на изобретение РФ №2466110 от 10.11.2012

Размещено на Allbest.ru