Газификация казахстанских сланцев и высокозольных углей в барботируемом шлаковом расплаве

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Газификация казахстанских сланцев и высокозольных углей в барботируемом шлаковом расплаве Ермагамбет Б. Т.1, Нургалиев Н. У.2, Шалабаев Ж. А.3, Холод А. В.4,

Зикирина А. М.5

1Ермагамбет Болат Толеуханулы / Yermagambet Bolat Toleukhanuly - доктор химических наук,

профессор, директор;

2Нургалиев Нуркен Утеуович /Nurgaliyev Ми^еп Uteuovich - кандидат химических наук,

ведущий научный сотрудник; 3Шалабаев Жарилкасин Аймагамбетович /Shalabayev Zharilkasin Aimagambetovich - старший научный

сотрудник;

4Холод Андрей Владимирович /Kholod А^геу Vladimirovich - бакалавр техники и технологии,

младший научный сотрудник, Институт химии угля и технологии;

5Зикирина Айнур Мухаметжановна / Zikirina Ainur Mukhametzhanovna - магистр физических наук,

преподаватель,

кафедра физики и химии, факультет компьютерных систем и программного обеспечения, Агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: в статье приведено описание по эффективному использованию низкосортных твердых топлив в процессе газификации в барботируемом шлаковом расплаве. Выявлено, что по своим качественным показателям исходным сырьем может служить смесь Кендырлыкского сланца и Сарыадырского угля. Показаны основные преимущественные достоинства данной технологии.

Ключевые слова: сланец, уголь, газификация в шлаковом расплаве, газ, парокислородное дутье.

В связи с интенсивным потреблением нефти и природного газа при ограниченности их легкодоступных ресурсов и истощением запасов, получение жидких углеводородов из альтернативных источников энергии становится актуальной проблемой, решением которой занимаются ученые и специалисты всего мира [1].

Перспективной в области глубокой переработки углеводородного сырья представляется газификация низкосортных твердых топлив для получения различных продуктов: горючего газа, моторных топлив, ценных химических углеводородных соединений, металлов, строительных материалов, брикетов, удобрений.

В настоящее время в Казахстане выявлено 25 месторождений горючих сланцев. Как альтернативные источники энергии хорошие перспективы имеют горючие сланцы Кендырлыкского месторождения, находящегося в Восточном Казахстане, с запасами около 4 млрд тонн [2].

Одним из основных преимуществ горючих сланцев перед другими видами твердых топлив является высокое атомное соотношение Н/С в их органической массе. Данный показатель в некоторых случаях составляет 1,7 (нефть 1,9; уголь 0,4-0,5). У Кендырлыкских сланцев атомное соотношение Н/С составляет 1,18-1,53. Это особенно важно для получения различных жидких углеводородов в синтезе Фишера-Тропша, где мольное соотношение Н2/СО в синтез-газе варьируется в пределах от 1 до 3.

Результаты исследований ученых показывают целесообразность газификации горючих сланцев Кендырлыкского месторождения для получения пиролизного газа, который по своим показателям вполне пригоден для производства полимерных соединений [3].

Среди различных технологий газификации твердых топлив перспективной является безотходная, энергосберегающая и экологичная технология газификации в шлаковом расплаве, барботируемом парокислородным дутьем. Данная технология позволяет перерабатывать низкосортные виды твердых топлив.

26

Проведенный нами технический и элементный анализы твердых топлив (табл. 1, 2) показал, что в качестве исходного сырья для процесса газификации в шлаковом расплаве приемлемым является использование смеси Кендырлыкского сланца и Сарыадырского угля. Степень превращения смеси органической массы сланца и угля гораздо выше, чем только угля. Выбор данного высокозольного угля обусловлен относительно низким содержанием серы (< 1%) и малым количеством образующихся в процессе газификации смолистых веществ.

Таблица 1. Характеристики Кендырлыкского сланца и Сарыадырского угля

Месторождение Состав твердых топлив

Wrf А ум С"3' 0йаГ И"3' 8"аГ Осг

Кендырлык 9,34 64,23 20,17 76,88 12,37 9,27 1,25 0,23 1720

Сарыадыр 2,94 46,47 27,68 80,47 12,97 5,26 0,77 0,53 3771

Таблица 2. Характеристика минеральной части (золы) Кендырлыкского сланца и Сарыадырского угля

Содержание, %

SiO2 Fe2Oз CaO MgO K2O+Na2O SOз

Кендырлыкский сланец

58,2 17,2 7,3 2,3 1,0 10,5 3,5

Сарыадырский уголь

59,6 14,5 8,2 1,9 1,3 11,7 2,8

Суть данной технологии заключается в организации процесса газификации твердого топлива в объеме собственного жидкого шлака, который барботируется дутьем, обогащенным кислородом.

При этом газификация углеродсодержащего твердого топлива в шлаковом расплаве можно рассматривать как неполное окисление углерода. В качестве окисляющих агентов наиболее часто используют O2 (1), Ш2 (2) и H2O (3):

С + '/2О2 ^ СО + 123,2 кДж/моль (1) C + ТО2 ^ 2СО -161,5 кДж/моль (2) C + Н2О ^ СО + Н2 - 136,9 кДж/моль (3) Для получения синтез-газа заданного состава при газификации топлива совместно с воздушным дутьем (обогащенным кислородом) вводится водяной пар, количество которого напрямую зависит от температуры процесса. Чрезмерное увеличение количества H2O с целью повышения Н2 в продуктах способствует снижению температуры и застыванию шлака. При недостатке H2O снизится количество Н2 в составе отходящих газов, что снижает возможность получения синтез-газа требуемого состава.

Процесс газификации в шлаковом расплаве осуществляется следующим образом (рис. 1). Сверху в газификатор непрерывно загружают твердое топливо. В шлаковую ванну через боковые фурмы вдувают обогащенное кислородом паровоздушное дутье ниже уровня поверхности шлака. При этом расплав, находящийся выше уровня фурм, переходит в барботируемое состояние, характеризующееся высокой интенсивностью перемешивания. Температура в зоне подвода фурмы с дутьем к шихте составляет в интервале 1300-1500 °С Нижняя часть ванны остается в спокойном состоянии. За счет высокой интенсивности

перемешивания происходит замешивание частиц ококсованного топлива в объем барботируемой зоны.

Кислород дутья, проходя через шлак, окисляет замешанные в шлаке частицы твердого топлива по реакциям: 2С + О2 = 2СО и С + О2 = СО2. Кроме О2 в газификации топлива также участвует специально подаваемый в реактор вместе с дутьем водяной пар: С + Н2О = СО+Н2.

А-А

Рис. 1. Схема процесса газификации топлива в шлаковом расплаве. 1 - твердое топливо, 2 - дутье, 3 - металлическая фаза, 4 - жидкий шлак, 5 - газоход, 6 - огнеупорная кладка, 7 - медные литые кессоны, 8 - фурмы, 9 - загрузочная воронка, 10 - сифон шлаковый, 11 - сифон для жидкометаллической фазы

Соотношение СО/СО2 в генераторном газе может регулироваться технологическими приемами в широких пределах вплоть до получения СО с минимальным содержанием СО2.

Зола топлива, состоящая в основном из оксидов, растворяется в шлаковом расплаве. По мере образования шлак выводится из газификатора через сифонное устройство. Образующийся металлический сплав также выводится из реактора.

Таким образом, основными достоинствами технологии газификации в барботируемом шлаковом расплаве являются: низкие выбросы азота, серы и пыли (чему способствуют применение О2 и Н2О); жидкое шлакоудаление; регулирование производительности процесса в широких диапазонах; высокая производительность и быстрый переход от одного вида сырья к другому; безотходность производства и экологическая безопасность данной технологии.

В случае промышленного внедрения данной технологии станет возможным многоцелевая переработка сланцев, низкосортных марок углей и отходов угольной промышленности (угольных шламов, золоотвалов), как минерального сырья для производства из него востребованных на рынке материалов и товаров широкого ассортимента.

Литература

1. Авакян Т. А. Газификация горючих сланцев с целью получения моторных топлив и химических веществ: Дисс. ... канд. техн. наук. Москва, 2013. 147 с.

2. Каирбеков Ж. К., Емельянова В. С., Мылтыкбаева Ж. К., Байжомартов Б. Б. Термокаталитическая переработка бурого угля и горючего сланца месторождения «Кендерлык» // Фундаментальные исследования, 2012. № 9. С. 924-926.

3. Гюльмалиев А. М., Каирбеков Ж. К., Малолетнее А. С., Емельянова В. С., Малтыкбаева Ж. К. Термодинамический анализ газификации сланца Кендырлыкского месторождения // Химия твердого топлива, 2013. № 6. С. 49-53.

Настоящая публикация осуществлена в рамках научно-технической программы №0020/ПЦФ-15 по теме: «Разработка технологий и создание опытно-экспериментального комплекса по глубокой переработке сланцев Казахстана производительностью по сырью 250 тонн в год», финансируемой комитетом науки МОНРК.

О нестационарных системах массового обслуживания Шлепкин А. А.

Шлепкин Алексей Анатольевич / БЫуоркт А1ехеу Апа1о11еу1ек - кандидат физико-математических

наук, доцент,

кафедра прикладной математики и компьютерной безопасности, Институт космических и информационных технологий Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Аннотация: в статье рассматриваются методы моделирования нестационарных систем массового обслуживания. Рассматривается их эффективность. Ключевые слова: система массового обслуживания, вероятностная модель.

Введение

Системы массового обслуживания (СМО) являются неотъемлемой частью нашей жизни (торговые предприятия, аэропорты, вокзалы, службы страхования, банки, телефонные станции, и т.д.). Вопрос эффективности их работы можно рассматривать, если только созданы их модели, проанализировав которые можно дать некоторые рекомендации руководству этих предприятий.

Модели СМО давно представлены двумя классами: стационарные и нестационарные. В случае стационарных моделей сложилась четкая теория, которая в некотором смысле является законченной. Для нестационарных моделей ситуация существенно сложнее. На это есть объективные причины. Дело в том, что модели СМО описываются с помощью системы линейных дифференциальных уравнений. Эта система дифференциальных уравнений решается для случая постоянных коэффициентов. Более того, если предположить, что вероятности как функции времени есть константы, то система дифференциальных уравнений становится просто системой линейных алгебраических уравнений, и все ее решения записываются в явном виде. Это и есть стационарный случай. Для нестационарного случая ни интенсивности потоков, ни вероятности не являются постоянными величинами, а являются функциями времени. Поэтому система дифференциальных уравнений, где коэффициенты не являются константами, а являются функциями времени, неразрешима в общем случае в явном виде [6]. В итоге приходится создавать модели СМО для каждой конкретной ситуации в нестационарном случае, учитывая особенности системы.

Основные определения

Коротко опишем основные элементы любой СМО.

1. Входящий поток требования (заявок) на обслуживание.

Обычно предполагается, что входящий поток заявок удовлетворяет условиям ординарности, отсутствия последействия. Эти условия обычно не обременительны и на практике выполняются. Поток требований характеризуется своей интенсивностью, то есть средним числом требований, поступающих за единицу времени. Интенсивность потока обозначим символом х(^), где t - текущее время. В стационарных системах х(^)=сош^ для нестационарных систем х(^) - это функция времени.

2. Обслуживающее устройство или канал обслуживания. Ясно, что обслуживающих устройств может быть несколько. Поэтому от числа обслуживающих устройств,

29