Белое тепло черного угля

Е ТрЛЦО ЧЕРНОГО УГЛЯ

Всем нам хочется, чтобы в морозный зимний день по одну сторону нашего окна было тепло, а по другую - чисто. Что для этого нужно? Качественная во всех отношениях теплоэнергетика, эффективно генерирующая чистое тепло и не оставляющая после себя бесполезных и даже вредных отходов. Все это слабо ассоциируется с традиционными угольными котельными, до сих пор работающими в наших поселках и городах. Тем не менее природный уголь - это именно тот горючий материал, с глубокой переработкой которого связывает свои надежды малая энергетика не столь далекого будущего. Сибирские ученые вносят свой вклад в его приближение, предлагая оригинальную технологию комплексной переработки углей в чистый энергетический газ и обогащенный для последующей утилизации зольный остаток

Ключевые слова: управляемая газификация, глубокая переработка, комплексное использование энергетического и химического потенциала, малая энергетика. Key words: controlled gasification, advanced processing, integrated use of energy and chemical potential, small-scale power generation

Моздание высокоэффективных, экологически чистых и малоотходных производств по переработке твердых топлив является в настоящее время приоритетной задачей мировой энергетической стратегии.

Сегодня в энергетике и химическом производстве доминируют нефть и природный газ, что приводит к стремительному росту их рыночных цен при быстром истощении мировых запасов этого сырья. Такая ситуация заставляет вспомнить о другом широко доступном и относительно дешевом горючем ископаемом - природном угле, который можно использовать в качестве достойной альтернативы нефти и природному газу. По экспертным оценкам, мировых запасов нефти и газа при сегодняшнем уровне потребления хватит только на 30-50 лет, тогда как угля - на 500 лет и более (Г. И. Грицко, 2006). По прогнозам, геологические запасы угля составляют порядка 90—97 % общих ресурсов горючих ископаемых планеты.

После нескольких десятилетий относительного забвения уголь постепенно начинает возвращать себе ведущие позиции в мировой энергетике и химической промышленности (помимо тепловой и электрической энергии из него можно получать до 500 видов простых и сложных органических и минеральных веществ).

В настоящее время одной из актуальных задач научного сообщества является создание высокопродук-

тивных углеперерабатывающих технологий с полным, комплексным использованием всего энергетического и химического потенциала ископаемых углей.

Всем современным требованиям в полной мере отвечает наиболее перспективный термохимический способ углепереработки - газификация углей.

день по одну сторону нашего окна было

Всем нам хочется, чтобы в

¡Я НАУЧНАЯ МАСТЕРСКАЯ

Уголь

Сырой уголь

Зона нагрева и сушки

Зона пиролиза и окисления летучих

Зона окисления углерода

Зона активации Зона охлаждения

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ

26

Зона охлаждения

Зона активации

Зона окисления углерода

Зона пиролиза Зона нагрева

Промежуточный продаж

Угли газифицируются посредством управляемого термохимического процесса в режиме тепловой волны. Полный перевод органической массы углей в газообразные продукты (со степенью газификации не менее 97%) осуществляется в две стадии. На первой стадии процесса в газовую фазу переводятся летучие вещества, образуемые из насыщенных низкомолекулярных органических соединений. Газификация проводится на воздушном дутье различной интенсивности в режиме обратной тепловой волны (воздух подается в реактор снизу и проходит через угольный слой навстречу волне). Розжиг угля осуществляется сверху. Максимальная температура процесса удерживается в пределах 750—850 °С, что исключает образование вредных газообразных оксидов азота и серы, происходящее при более высоких температурах. Полная газификация углей с попутным обогащением минерального остатка проводится на второй стадии процесса. Теперь в газовую фазу переводятся высокомолекулярные органические компоненты, образующие «жесткий каркас» из конденсированных ароматических ядер. Процесс осуществляется на паровоздушном дутье различной интенсивности в режиме прямой тепловой волны (фронт горения перемещается снизу вверх вместе с потоком воздухо-паровой смеси). Максимальная температура в реакторе не превышает 800—900 °С. При таком режиме добавление пара в дутье препятствует шлакообразованию и спекаемости минерального зольного остатка, снижает улетучивание легкоплавких полезных минеральных включений

Ääg oäTeü оТ^ёо

B03P.V*

.пар

Способность природных углей при термическом разложении выделять горючий газ известна человечеству с XVII века. Первая технология угольной газификации появилась в XIX веке в Европе и применялась для получения горючего газа, используемого в основном в газовых фонарях для ночного освещения городских улиц.

Во второй половине XIX века У. Рамзаем в Англии и Д. И. Менделеевым в России была выдвинута и обоснована идея подземной газификации углей. В 50—60-х гг. прошлого века в Советском Союзе еще действовало около полутора десятков станций, созданных на основе этой идеи.

Схема устройства слоевого газификатора периодического действия для стадийной газификации угля: 1 - обратная тепловая волна при воздушном дутье

АПРОБАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ

Для отработки режимов и демонстрации возможностей предложенной технологии глубокой переработки углей создан экспериментально-демонстрационный стендовый комплекс.

Основу экспериментальной части комплекса составляет слоевой газификатор периодического действия на базе реактора вертикального типа с верхней загрузкой угля. В нижнюю часть реактора производится регулируемая подача газифицирующего агента. Температурные режимы процесса газификации контролируются зонными термодатчиками в комплекте с многоканальным терморегулятором-регистратором. Состав получаемого в процессе переработки энергетического газа и образующихся при его сжигании выбросов отслеживается зондовым газоанализатором.

На демонстрационной части стенда представлен водогрейный газовый котел-утилизатор для сжигания получаемого горючего газа, образующий вместе с радиаторами контур автономной системы водяного отопления. Отработка технологии проводилась на кузбасских каменных углях с высоким металлосодержанием (минеральная часть в основном представлена глиноземом, кремнеземом, сульфидами, карбонатами, сульфатами, фосфатами, солями и оксидами различных металлов).

С 20-х годов XX века начались работы по газификации углей для производства синтетических химических веществ и жидких топлив.

В связи с освоением гигантских месторождений более технологичных природных углеводородов - нефти и газа, дальнейшие исследования и практическое использование газификации углей в 60-е годы были приостановлены. Потребовалось не так много времени, чтобы понять, что темпы мирового потребления нефти и газа вкупе с их природными запасами не сулят человечеству долгих и радужных перспектив их безоглядного использования. Уже в 90-е годы во всем мире возобновился интерес и начался стремительный рост числа исследований и практического применения различных способов газификации твердых топлив.

К настоящему времени в мире разработано более 70 процессов газификации углеродеодержащих материалов (от биомассы до антрацитов). Наиболее активно этими вопросами занимаются в ЮАР, США, Германии, Китае, Индии и Австралии. В разных странах сейчас работают сотни га-зификационных производств. К 2015 году ожидается мировой прирост мощностей промышленной газификации углей на 70 %.

Газификация углей позволяет получать широкий спектр газообразных, жидких и твердых продуктов. Так, используя при продувке воздух, кислород, водяной пар, водород, углекислый газ или их смеси, можно получать синтез-газ для химической промышленности, восстановительный газ для металлургии, заменитель природного газа, энергетический газ различной калорийности, а также чистый водород, азот, аргон, водяной пар и многое другое.

1\1аеа^й ТТ ТТёмё ТбТабаыа

Современной промышленностью созданы и совершенствуются три основные технологические схемы газификации углей и углесодержащих материалов, в соответствии с которыми процесс переработки происходит в плотном стационарном слое (слоевая газификация), в кипящем слое (включая циркулирующий и вихревой) или в псевдоожиженном слое.

Отсев каменного угля марки «Д» крупностью 3—20 мм для исходной загрузки в газификатор (вверху);

твердый коксовый остаток после 1-й стадии газификации (промежуточный продукт -в центре);

обогащенный зольный остаток после 2-й стадии газификации

НАУЧНАЯ МАСТЕРСКАЯ

.....I

В основу разработанной в Институте горного дела СО РАН технологии глубокой углепереработки положена полная стадийная газификация органической части углей в плотном стационарном слое, проведенная в едином технологическом цикле с целенаправленным обогащением негорючей минеральной части для ее последующей утилизации. Свыше 1 % минеральной угольной массы составляют черные, цветные, редкие, редкоземельные, благородные, радиоактивные и другие металлы (по оценкам специалистов стоимость содержащихся в углях металлов, используемых в промышленности, в 100-150 раз превышает стоимость самих углей).

Вся органическая угольная масса, состоящая в основном из соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы (до 98 % этой массы составляют горючие компоненты - углерод и водород), переводится в энергетический газ. На первой стадии переработки в газовую фазу переходит до 35—40% всей органической массы угля. Анализ полученного летучего продукта показывает, что это низкокалорийный и экологически чистый энергетический газ, при сжигании которого

помимо тепловой энергии образуется молекулярный азот и углекислый газ.

Полученный твердый коксовый остаток подвергается дальнейшей газификации с одновременным обогащением. Образующаяся в итоге негорючая минеральная составляющая угля представляет собой гранулированную зольную фракцию (без участков спекания и шлакообразования), пригодную для последующего извлечения из нее ценных металлов и других полезных веществ.

Важным достоинством такой переработки является возможность использования любого углеродосодержа-щего сырья - это может быть биомасса, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы, битумы, «тяжелые» мазуты и маслоотработки, низкосортные спекающиеся угли и отходы угледобычи и обогащения.

Описанная технология разработана и апробирована в рамках программы Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 94.

Редакция благодарит сотрудника ИГД СО РАН И. Н. Хорсова за помощь в работе над статьей

|редложенная технология глубокой переработки углей исключает вынос в атмосферу летучей золы за счет использования рыхлого угольного слоя в качестве зернистого фильтра, а также практически исключает выбросы вредных оксидов азота и серы. Помимо экологических преимуществ, использование в теплоэнергетике полученного из угля энергетического газа более чем в 1,5—2 раза эффективнее прямого сжигания угля в котельной, поэтому данная технология удобна и выгодна для применения в малой теплоэнергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Газогенераторы с угольной загрузкой от 30—50 кг до 1—3 т могут отапливать небольшие поселки и производства, санатории и базы отдыха, гаражные кооперативы. Предварительные теплотехнические расчеты показывают, что одна установка по газификации угля с объемом загрузки в 1 т способна качественно отапливать 200-квартирный жилой дом в течение 12 ч.

Литература

Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. М: Недра, 1986.

Равич Б. М., Окладников В. П., Лыгач В. Н.и др. Комплексное использование сырья и отходов. М: Химия, 1988.

Русьянова Н.Д. Химия угля. М: Химия, 2003.

Грицко Г. И. Комплексные проблемы перспективного развития угольной промышленности. //6-я Всеросс. конф. Горение твердого топлива. Новосибирск, 2006. Т. 1.

Исламов С. Р. Глубокая переработка угля: введение в проблему выбора технологии. // Уголь, 2007. № 10.

Степанов С. Г. Газификация угля: возврат в прошлое или шаг в будущее?//Новости теплоснабжения, 2007. № 1.

Д. т.н., проф. А. Н. Анушенков, вед. инж. В. И. Сапронов