Разработка установки для термохимической переработки углей

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 662.74

РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

ЧульдумК.К1., КуликоваМ.П.1,2 1 Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, 2Тувинский государственный университет, г. Кызыл

THE DEVELOPMENT OF THE INSTALLATION FOR THERMOCHEMICAL PROCESSING OF COALS

ChuldumKK,1 Kulikova M.P.1,2. = Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl Tuvan State University, Kyzyl

В работе описана разработка установки для термохимической переработки каменных углей. Пиролиз предлагается проводить в условиях контакта угля с валом и витками нагретого шнека, что способствует увеличению удельной поверхности реактора на единицу объёма потока угля. Предусмотрен обогрев внешней стенки реактора и проведение процесса в условиях наложения дополнительных ультразвуковых колебаний, которые должны снизить адгезию, коэффициент трения материала о стенки аппарата и его вязкость. Технические решения, используемые при разработке установки, позволят интенсифицировать процесс пиролиза твёрдых топлив.

Ключевые слова: уголь, свойства, установка, пиролиз, параметры процесса

The paper describes the development of an installation for thermochemical processing of coal. Pyrolysis will proposed to be carried out in conditions of coal contact with the shaft and turns of the heated screw, which will contributes to an increase in the specific surface area of the reactor per unit volume of the coal flow. The external wall of the reactor is heated and the process is carried out under conditions of superposition of additional ultrasonic vibrations, which should reduce adhesion, the coefficient of friction of the material against the wall of the apparatus, and its viscosity. The technical solutions used in the design of the installation will make it possible to intensify the pyrolysis of solid fuels.

Key words: œal, properties, installation, pyrolysis, process parameters

Введение

На сегодняшний день энергоэффективность, энергосбережение и энергобезопасность входят в пять стратегических направлений приоритетного технологического развития экономики России. Программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» предполагает модернизацию, технологическое развитие, переход к рациональному и экологически ответственному использованию энергетических ресурсов, в том числе за счет внедрения технологий термической переработки низкосортных углей, извлечения и

переработки метана из угольных пластов, селективной разработки угольных пластов, технологий и оборудования по безотходной глубокой переработке угля и других. Достижение повышения энергоэффективности возможно за счет комплексного использования угля и сопутствующих ресурсов с организацией производства глубокой переработки твердых топлив.

Процессы переработки твёрдых топлив постоянно требуют функционального и аппаратурного усовершенствования, направленного на снижение капитальных и эксплуатационных затрат, на повышение выхода ценных продуктов, а также на увеличение экологической безопасности для окружающей среды. Перспективы современного пиролиза связывают с использованием различных катализаторов, добавок химических реагентов, с использованием различных физических полей (акустических, электромагнитных). Не снижается интерес к плазмохимическим технологиям, которые заключаются в использовании низкотемпературной плазмы и позволяют проводить пиролиз в условиях высокой температуры. Благодаря усовершенствованию оборудования и эволюции технических решений процессы пиролиза твёрдых топлив стали эффективнее и достигли высоких энергетических и экологических показателей.

Для переработки нефтяного и газового сырья широкое распространение получили реакторы в виде трубчатых (змеевиковых) печей. Они состоят из 2-х частей: в первой секции с радиантной печью находятся трубчатые реакторы, обогреваемые теплом, выделяемым при сгорании топливного газа; вторая секция с конвекционной печью отвечает за предварительный этап нагрева водяного пара и сырья, а также за нагрев до начальной температуры процесса пиролиза. В конвекционной секции печи реализуется тепловой обмен между греющим газом и продуктами горения, здесь нагревается и котловая (питательная) вода, которая идёт на охлаждение продуктов пиролиза. Реакторы для пиролиза твердых углеводородов и бытовых отходов часто представляют собой швельшахту или печь шахтного типа. Сырье сначала загружается в верхнюю часть реактора, там оно подсушивается и спускается через швельшахту вниз под давлением собственного веса. В средней части реактора, где среда не имеет кислорода, происходит процесс пиролиза - сырье коксуется и разлагается под воздействием высоких температур. Атмосферный воздух при этом не загрязняется, поскольку дымовые газы из реактора проходят сложную систему очистки. Они пропускаются через утилизирующий котел и сушилку-распылитель, после чего их принимает специальный абсорбер. В абсорбере дымовые газы очищаются с помощью суспензии известкового молока и выбрасываются в атмосферу обезвреженными.

1. Разработка установки пиролиза каменных углей непрерывного действия

Разработка высокоэффективной технологии и оборудования для термохимической переработки каменных углей, а также апробация теоретических разработок возможна при обеспечении проведения опытных процессов пиролиза в различных управляемых условиях, что подразумевает создание пилотной установки.

В настоящее время не существует внедренных разработок экологически чистых энергосберегающих технологий сжигания твердых топлив на основе углей

тувинского региона. Основное использование угля - энергетическое, предварительная технологическая обработка угля не применяется. В Кызылской ТЭЦ сжигается в год -215 тыс.т. угля, 40-60 тыс.т. угля сжигается частным сектором (площадь частного сектора составляет более половины жилого фонда). Из-за большого содержания «летучих» и склонности к спеканию слоевое горение тувинских углей в котлоагрегатах сопровождается высоким химическим недожогом, что приводит к сильному загрязнению атмосферного воздуха продуктами неполного сгорания угля. Поэтому разработка установки пиролиза каменных углей непрерывного действия и исследование термохимической переработки тувинских углей при широких пределах технологических параметров для получения ценной продукции является актуальной.

Каменные угли Улуг-Хемского бассейна - низкозольные, малосернистые, с высоким выходом летучих веществ. Элементный состав органической массы углей по сравнению с подобными углями других бассейнов отличается повышенным содержанием углерода и водорода. Для тувинских углей характерна низкая температура перехода в пластическое состояние (примерно 290 0С), широкий температурный интервал пластичности, высокий показатель спекаемости. Качество углей обусловливает создание производственного комплекса полного цикла, начиная от угледобывающих предприятий и заканчивая предприятиями глубокой переработки угля. Глубокая переработка угля предполагает оптимальное использование энергетического ресурса топлива путём предварительного извлечения из него ценных веществ с последующей газификацией или сжиганием углеводородных остатков. В Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов СО РАН проведены исследования процессов пиролиза, газификации углей, особенностей процессов брикетирования, экстрагируемости углей и т.п. [1-3] В результате экспериментов накоплен большой материал, характеризующий состав, физико-химические и технологические свойства каменных углей. Структура и свойства углей позволяют получать из них при термохимической переработке не только твёрдый остаток - кокс, полукокс, но и большое число химических продуктов, являющихся незаменимым сырьём в ряде отраслей промышленности. К наиболее ценным химическим продуктам, например, коксования, относятся бензол и его производные, нафталин, пек, каменноугольные масла, фенолы.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана экспериментальная установка, определены алгоритмы оптимального управления процессом, позволяющие регулировать параметры пиролиза углей. В технологиях термического разложения углеводородного сырья используются контактные методы подвода тепла к сырью с горячего теплоносителя, в таких условиях время контакта угля с теплоносителем незначительно. К основным недостаткам термоконтактного пиролиза относят необходимость нагрева и циркуляцию теплоносителя, а также то, что жидкие и газообразные продукты пиролиза неизбежно разбавляются теплоносителем и подвергаются частичному термическому разложению.

В данной разработке предлагается проведение пиролиза в условиях контакта угля с валом и витками нагретого шнека, разделяющего объем сырья на небольшие

части, равные шагу его витков, что способствует увеличению удельной поверхности реактора на единицу объема потока угля. Будет использован шнек из хромоникелевого сплава, его коэффициент теплопроводности (16,9 - 36,1 Вт/(м • К)) значительно больше, чем у каменных углей (0,16 - 0,27Вт/(м • К)), это обусловит высокую тепловую напряженность и более быструю передачу тепла к углю, и как следствие, ускорение процессов их термической переработки. Также в данной разработке предусмотрен обогрев внешней стенки реактора. Конструкция реактора позволит проводить термолиз при различных методах, таких, как полукоксование и коксование, каталитический пиролиз и т.д. Привод шнека позволяет бесступенчато изменять скорость вращения, за счет чего регулируют время пребывания угля в реакционной зоне. Температуру процесса регулируют количеством подаваемого на горелку газа пиролиза и мощностью трубчатой печи. Поскольку шнек работает в режиме экструзии угля с большими сопротивлениями, связанными силами упругости, трения и вязкости, для их уменьшения процесс пиролиза проводится в условиях наложения дополнительных ультразвуковых колебаний, последние должны снизить адгезию, коэффициент трения материала о стенки аппарата и его вязкость. Кроме того, ультразвук будет способствовать разрушению или активированию угля, интенсификации тепло- и массопереноса.

2. Схема установки пиролиза каменных углей непрерывного действия В результате выполненных изысканий, включающих НИОКР, будет создана пилотная установка для получения ценных продуктов (бездымное топливо, углеродные сорбенты). На рис 1 представлена схема установки пиролиза непрерывного действия. Преимуществом данной разработки является то, что в реакторе достигается высокие тепловая напряженность и удельная производительность, пиролиз проводится в управляемых условиях, уменьшаются эксплуатационные затраты.

Рис.1. Схема установки пиролиза непрерывного действия

Установка состоит из реактора с питающим бункером 1 и реакционной трубой 2 с полым шнеком 3 внутри. Обрабатываемый материал из бункера 1 захватывается шнеком 3 и проталкивается им по кольцевой полости между наружной трубой 2 и полым валом шнека 3 в емкость-холодильник 6 для твердого остатка. Снаружи трубы 2 расположена кольцевая печь 4, предназначенная для разгона установки и нагрева наружных слоев обрабатываемого материала. Газы пиролиза отбираются через технологические патрубки реактора, проходят очистку и сепарацию, и воздуходувкой подаются в форкамеру с инжекционной головкой 5, где осуществляется их сжигание в смеси с воздухом. Образующимися дымовыми газами обогревают внутреннюю полую часть шнека 3 по противоточной схеме. Далее, дымовые газы удаляются с противоположной стороны трубы 2 в атмосферу посредством дымососа. Избыток очищенного пиролизного газа собирают в газгольдере 12. Также для обогрева внутренней части шнека можно использовать жидкую составляющую продуктов пиролиза, собранную в емкости 11. Установка снабжена технологическими патрубками для подачи в зону пиролиза реагентов, перегретого пара, СО2, также содержит патрубки для отвода летучих и жидких продуктов; комплектуется запорно-регулирующей арматурой, узлами контроля и управления. Привод шнека состоит из мотор-редуктора и зубчатой передачи, а скорость вращения шнека регулируют частотным преобразователем. Уплотнительные устройства на концах шнека имеют водяное охлаждение. За счет развитой поверхности витков шнека и полого вала шнека происходит эффективный теплообмен с внутренними слоями обрабатываемого материала. Высокая удельная производительность установки достигается за счет малой толщины обрабатываемого материала в кольцевом пространстве реактора, непрерывного режима работы и высокой тепловой напряженности. К реакционной трубе подсоединен ультразвуковой излучатель 7, проведение процесса в условиях наложения дополнительных ультразвуковых колебаний должно снизить адгезию, коэффициент трения материала о стенки аппарата и его вязкость, а также будет способствовать разрушению или активированию вещества угля.

Технические решения, используемые при разработке установки, позволят интенсифицировать процесс пиролиза твёрдых топлив.

Библиографический список

1. Чульдум, К.К., Кара-сал, Б.К. Очистка воздушных выбросов при гидрохимической переработке сырья // Состояние и освоение природных ресурсов Тувы и сопредельных регионов Центральной Азии. Геоэкология природной среды и общества: Науч. тр. / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев. Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2012. С. 137-138.

2. Монгуш, Г.Р., Котельников, В.И., Чульдум, К.К. Энергоэффективная технология получения углеродных материалов // Природные системы и экономика Центрально-Азиатского региона: фундаментальные проблемы, перспективы рационального использования: Материалы II Всерос. молод. шк.-конф. с междунар. участием (06-09.10.2015, Кызыл). Кызыл: ТувГУ, 2015. С. 42-44.

3. Куликова, М.П. Использование углей Улуг-Хемского бассейна / Энергетик. 2012.-№1. С.31-34 Б1Ь!юдгаАсИезк1у зр1зок

1. Chuldum, K.K., Kara-sal, B.K. Ochistka vozdushnyih vyibrosov pri gidrohimicheskoy pererabotke syirya // Sostoyanie i osvoenie prirodnyih resursov Tuvyi i sopredelnyih regionov Tsentralnoy Azii. Geoekologiya prirodnoy sredyi i obschestva: Nauch. tr. / Otv. red. dokt. geol.-min. nauk V.I. Lebedev.- Kyizyil: TuvIKOPR SO RAN, 2012. -S. 137-138.

2. Mongush, G.R., Kotelnikov, V.I., Chuldum, K.K. Energoeffektivnaya tehnologiya polucheniya uglerodnyih materialov // Prirodnyie sistemyi i ekonomika Tsentralno-Aziatskogo regiona: fundamentalnyie problemyi, perspektivyi ratsionalnogo ispolzovaniya: Materialyi II Vseros. molod. shk.-konf. s mezhdunar. uchastiem (06-09.10.2015, Kyizyil). - Kyizyil: TuvGU, 2015. - S. 42-44.

3. Kulikova, M.P. Ispolzovanie ugleyUlug-Khemskogobasseyna/ Energetik.-2012.-N.1.P.31-34.

Чульдум Кежик Кан-оолович - научный сотрудник Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл, E-mail: kezhik-ch@mail.ru

Chuldum Kezhik - Research Fellow, Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl, E-mail: kezhik-ch@mail.ru

Куликова Марина Петровна - кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры химии Тувинского государственного университета; старший научный сотрудник Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл, E-mail: mpkulikova@mail.ru

Kulikova Marina - PhD of Chemistry, Lecturerin the Department of Chemistry, Tuvan State University; Senior Research Assistant in the Department of Chemical and Technological Research, Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl, E-mail: mpkulikova@mail.ru

УДК 622.7.017.

ВОЗМОЖНОСТЬ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТРУДНООБОГАТИМОГО УГЛЯ

Харлампенкова Ю.А.1, Семенова С.А.1, Патраков Ю.Ф.1,Клейн М.С.2 Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (Институт угля СО РАН) 2Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева

POSSIBILITY FOR IMPROVING THE QUALITY OF SLURRY COAL

КЬаг!атрепкоуа J.А.1, Semenova S A.1, Patrakov Yu.F.1, Klein M.S.2 1Federal research center of coal and coal chemistry, Siberian branch of the Russian Academy of Sciences (Institute of coal SB RAS), Kemerovo 2Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo

Рассмотрено влияние химического состава золы коксующего угля на технологические свойства образующегося кокса. Выявлена возможность улучшения качества исходного сырья для получения металлургического кокса.

Ключевые слова: минеральные компоненты угля, показатели качества кокса, методы обогащения.