Разработка экологически чистого и энергосберегающего метода газификации углей

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО МЕТОДА ГАЗИФИКАЦИИ

УГЛЕЙ

В.П. Латышев, С.М. Мельник

Институт нефте- и углехимического синтеза Иркутского государственного университета, ул. Лермонтова, 126, 664033, Иркутск, Россия

Разработан метод газификации углей в псевдоожиженном слое с целью получения отопительного газа и активных адсорбентов. Отопительный газ, содержащий малое количество смолы и окислов азота, рекомендуется для замены дорогостоящего мазута в котельных и печах прокалки промышленных изделий, адсорбент рекомендуется для очистки воды от нефтепродуктов. Разработанная технология внедрена в производство.

Актуальность проблемы эффективного использования бурых и каменных углей в энергетике, химической и ряде других отраслей промышленности обусловлена необходимостью разработки новых технологий переработки угля в энергоносители и химические продукты, которые постепенно должны восполнить дефицит нефтяного моторного, энергетического топлива и большую гамму продуктов нефтепереработки.

Потребление угля в будущем будет возрастать. Так, в производстве электроэнергии в мире доля угля к 2020 г. возрастёт до 64 % [1], что объясняется его большей дешевизной и истощением природных запасов нефти и газа.

Особенно актуальна эта проблема для регионов Российской Федерации, удалённых от источников нефтяного и газового сырья, но обладающих большими запасами угля и отходами промышленности, содержащими значительное количество углеводородов (лигнин, опилки, нефтешламы, пластмассы).

В научной литературе за последние 5-10 лет опубликованы многочисленные работы по прогнозу добычи и использованию энергоносителей, их стоимости, конкурентоспособности, объёмам потребления и воздействию на окружающую среду [2-4].

Большое внимание уделяется вопросам переработки угля на месте его добычи, в частности, на крупнейшем в России Канско-Ачинском месторождении [5], что значительно снижает затраты на перевозку и хранение угля, содержащего до 30 % влаги и 10-11 % золы.

Одним из перспективных методов переработки угля является газификация, позволяющая получить горючий газ и полукоксы (адсорбенты, восстановители и энергетическое сырьё). '

Современные методы газификации в генераторах кипящего слоя с применением паровоздушного и кислородного дутья, высокотемпературным жидким шлакоудалением значительно снижают вредные выбросы окислов серы и азота в атмосферу, уменьшают количество смолы и непрореагировавших частиц угля в газе и позволяют газифицировать отходы промышленных производств, содержащих в своём составе углеводороды. Подобные установки спроектированы и построены в Японии [6].

В институте «КАТЭКНИИуголь» изготовлена опытная установка производительностью 0,5 т/час по углю, позволяющая увеличить электрический КПД

электростанции до 50 % при одновременном снижении капитальных затрат [7]. Особенный интерес представляет технология совмещённого производства полукокса и горючего газа из угля, разработанная в ЗАО «Карбоника-Ф» в г. Красноярске [8]. Авторами сдано в эксплуатацию опытно-промышленное производство. Из 1 т угля с калорийностью 3800 ккал/кг производится 0,3 т полукокса калорийностью 6500 ккал/кг и 1700 м3 горючего газа с калорийностью 900 ккал/кг. Технологический процесс одностадийный, автотермичный и экологически безопасный. В институте нефге- и утлехимического синтеза Иркутского госуниверситета авторами разработан способ окислительного полукоксования бурых и молодых каменных углей и сконструирован двухкамерный газогенератор кипящего слоя [9,10]. Псевдоожижение угля осуществлялось паровоздушной смесью. В токе воздуха часть продуктов терморазложения сгорала, поддерживая в кипящем слое температуру 600-800 °С. Активация образующихся полукоксов проводилась водяным паром.

Активные полукоксы имели удельную поверхность до 550 м2/г, насыпную плотность — 0,23-0,59 кг/дм3, нефтеёмкость — 210 % и были испытаны в процессе очистки питьевой и сточных вод.

При повышении температуры в газогенераторе до 900°С образующийся полукокс газифицируется, газ имеет низкое содержание смолы — 0,4 г/м3 и теплоту сгорания до 3500 кДж/нм3.

На основе данных, полученных на опытной установке производительностью 80 кг/час по углю, была спроектирована опытно-промышленная установка производительностью 500 кг/час по углю для завода по производству кирпича и производительностью 1350 кг/час по углю для завода «Сибфар-фор» в Иркутской области.

Схема установки производительностью 500 кг/час представлена на рис. 1.

шь]______,

Рис. I. Технологическая схема газогенерации:

1 - бункер расходный. 2 - питатель тарельчатый. 3 - питатель шнековый, 4 - газогенератор, 5 - отбойник. О - газопровод. 7 - шнек. 8 - норошитель. 9 - контейнер. 10 - золовыгружатель, 11 -газодувка, 12 - задвижка. 13 - печь обжига. 14 - задвижка. 15 - горелка. 16 - ГЗУ

Подсушенный уголь крупностью 1-7 мм из бункера исходного угля (поз. 1) поступает в тарельчатый питатель (поз. 2). Затем шнековым питателем (поз. 3) уголь подаётся в камеру генератора (поз. 4). Полукокс с образующимся генераторным газом переносится в отбойник (поз. 5), где происходит отделение генераторного газа от уноса полукокса. Шнеком (поз. 7) унос полукокса возвращается в газогенератор. Ворошитель (поз. 8) способствует разрыхлению золы, которая периодически выгружается в контейнер (поз. 9) зо-ловыгружателем (поз. 10). В камеру газогенератора нагнетается воздух посредством газодувки (поз. 11) через задвижку (поз. 12).

Образующийся в процессе генераторный газ по трубопроводу (поз. 14) поступает в печь обжига (поз. 13), где сгорает в горелках (поз. 15). Розжиг горелок производится с помощью газозажигательного устройства (поз. 16).

В качестве сырья выбран уголь Ирша-Бородинского разреза Канско-Ачинского бассейна. Зольность угля 10,8 %, содержание влаги 32 %, серы 0,5 %, калорийность 7000 ккал/кг. Температура в камере газогенератора в пределах 780-850 °С, давление газа на выходе до 5 КПа, золоудаление сухое.

Состав образующегося генераторного газа представлен в табл. 1.

Таблица 1

Состав генераторного газа

Компонент %, об.

н2 9,56-12,73

N2 58,87-64,77

СН4 3,05-3,34

С02 5,26-5,46

СО 18,52-19,85

о2 0,24-0,27

Газ практически не содержит окислов серы и азота, содержание смолы 0,4 г/м3, калорийность до 1200 ккал/нм3. Материальный баланс газификации угля и материальный баланс сжигания генераторного газа в топке даны в табл. 2,3.

Полученный генераторный газ сжигался в кольцевой печи обжига кирпича на диффузионных горелках на заводе по производству кирпича. Давление на горелках составляло 5 КПа, максимальная температура в печах обжига в процессе испытания достигала 1230 °С, рабочая температура обжига поддерживалась на уровне 1050-1100 °С.

Таблица 2

Материальный баланс газификации

Приход Расход

Наименование статей баланса Кол-во, кг/час Наименование статей баланса Кол-во, кг/час

Уголь исходный Воздушное дутьё Полукокс циркуляционный Итого 500 1473,16 • 144,15 2117,31 Смешанный генераторный газ Зола Унос полукокса Огарки Водяной пар и газы разложения Полукокс циркуляционный Итого 1853,83 38,33 48,05 5 22,95 144,15 2117,31

Таблица 3

Материальный баланс сжигания генераторного газа в топке

Приход Расход

Наименование статей баланса Кол-во, кг/час Наименование статей баланса Кол во, кг/час

Смешанный генераторный газ 1853,18 Продукты сгорания генераторного газа 4021,03

Зола 38,33 Несгоревший унос 4,8

Унос полукокса 48,05 Водяные пары и другие газы 29,88

Воздух 2132,38 Зола 44,83

Водяные пары и газы разложения 22,95

Итого 4100,54 Итого 4100,54

Применение генераторного газа в процессе сушки и обжига кирпича вместо мазута позволило добиться значительной экономии в производстве. На основе данных завода произведён расчёт себестоимости ІГкал тепла, получаемого при сжигании мазута и себестоимость 1 Гкал тепла, получаемого при сжигании отопительного генераторного газа из угля. Данные приведены в табл. 4,5.

Таблица 4

Расчёт себестоимости 1 Гкал тепла, получаемого при сжигании мазута

№ п/п Наименование показателя Единица измерения Величина показателя

1 Количество требуемого тепла Гкал 99784

2 Количество требуемого мазута при калорийности 9.2 Гкал/т т/год 11416,9

3 Затраты на перевозку руб./год 1598370,7

4 Затраты на закупку мазута 39959267,7

5 Производственные затраты, 10 % от стоимости мазута 3995926,7

6 Итого затраты на обеспечение мазутом (сумма статей п.п. 4,5.6) 45553565,2

7 Стоимость 1 Гкал руб. 456,5

Таблица 5

Расчёт себестоимости 1 Гкал тепла, получаемого ари сжигании отопительного генераторного газа из угля

№ п/п Наименование показателя Единица измерения Величина показателя

1 Количество угля т/год 32076

2 • Суммарная выработка тепла Гкал/год 114010

2.1 В том числе:

химическое тепло газа Гкал/год 99784

тепло на выработку горячей воды Гкал/год 14226

3 Затраты на газификацию руб. 16269543

4 Себестоимость 1 Гкал руб. 142,7

Себестоимость 1 Гкал тепла, полученного при сжигании мазута, стоимостью 3500 руб./т составила 456,5 руб., себестоимость 1 Гкал тепла, полученного при сжигании генераторного газа из угля стоимостью 350-400 руб./т составила 142,7 руб., т.е. тепло, полученное при сжигании генераторного газа, в 3,2 раза дешевле полученного при сжигании мазута. Построенный по разработанной авторами технологии и пущенный в производство при их авторском надзоре газогенератор, производящий отопительный газ из бурого

угля Ирша-Бородинского месторождения, находится в эксплуатации с 2002 года, и позволил снизить стоимость 1 тыс. производимого кирпича с 2500 до 1550 рублей.

При снижении температуры в газогенераторе до 600-800 °С увеличивается выход активного полукокса, имеющего удельную поверхность до 550 м2/г, насыпную плотность 0,23-0,59 кг/дм3, нефгеёмкость 210 % и потопляемость до 10 %.

Полученные адсорбенты были испытаны в системе биоочистки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия.

Добавка адсорбента приводит к улучшению качественных показателей сточной воды при концентрации адсорбента в воде до 50 мг/л, улучшение продолжается до концентрации 3 г/л.

Добавка адсорбента в систему биоочистки снижает химически потребный кислород (ХПК) на 38-71 %, биологически потребный кислород (БПК) на 28-50 %, содержание нефтепродуктов на 25-100 %, летучих фенолов на 26-100 %.

Активные адсорбенты рекомендуются для очистки водных поверхностей при техногенных авариях, связанных с попаданием нефтепродуктов в акватории озёр и морей.

Таким образом, разработанный газогенератор рекомендуется к внедрению, как аппарат с высокими экологическими и экономическими показателями, на предприятиях по производству фарфора, кирпича, керамики, в местных котельных с целью замены дорогостоящих мазута и нефти, особенно в отдалённых от крупных промышленных центров регионах страны, не обладающих необходимым количеством мазута и природного газа, но имеющих запасы дешёвых углей.

Разработанная технология позволяет сжигать топлива с высоким содержанием азота и зольностью до 50 %, а также утилизировать промышленные отходы: гидролизные лигнины, нефтешламы, торфы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Priddle //Word Coal. - 1999. - V. 8. - N 7. - P. 9-13.

2. Калении, ИВ. Уголь в современной мире, перспективы его изучения и использования // Химия твёрдого топлива. -2001.- № 3. - С. 3-8.

3. Головин Г.С. Уголь — сырьё для получения продуктов топливного и химикотехнологического назначения. //Химия твёрдого топлива. - 2001.- № 4.— С. 3-29.

4. Грицко Г.И. Уголь в топливно-энергетическом балансе: прошлое, настоящее, прогноз на будущее. //Уголь. - 2002. - № 6. - С. 18-20.

5. Детков С.П., Борзов А.И., Гончаров Н.В и др. Актуальность переработки канско-ачинских углей на месте добычи. //Уголь. - 2003. -№ 7. - С. 47-49.

6. Carlson С.Р., Kunio Yoshikawa Development of high temperature air-blown gasification systems. Mississippi State University 208 Research Boulevard, MS 39759 USA.

7. Степанов С.Г. Тенденции развития и новые инженерные решения в газификации угля. //Уголь. - 2002. - № 11. - С. 53-57.

8. Степанов С.Г., Морозов А.В., Исламов С.П. Технология совмещённого производства полукокса и горючего газа из угля // Уголь. - 2002. - № 6. - С. 26-27.

9. Мерц Р.Х., Латышев В.П., Косыгина К.Ф., Боксер В.Б. Окислительное полукоксование углей в кипящем слое //Химия твёрдого топлива. - 1997. - № 4,- С. 59-68.

10. Латышев В.П., Мерц Р.Х. Окислительное полукоксование углей. Патент РФ № 180061173.

ELABORATION ENVIRONMENTAL CLEAR AND ENERGIES-SAVING METHOD GASIFICATION OF COAL

V.P. Latyshev, S.V. Melnic

Institute of Oil and Coal-chemical Synthesis in Ikutsk State University Lermontov st., 126, 664033, Irkutsk, Russia

With purpose on receipt peating gas and active adsorbents was elaborated the method gasification of coal in boiling-layer. Obtained gas is not contained nitrogen oxide, very low quality of resin and sulfur oxide. Adsorbent tried in process of cleaning water from petroleum products. Technology inculcates in the industry.