ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2009, № 2, с. 37-42
УДК 662.74
ПРЯМОТОЧНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ С СУХИМ ШЛАКООБРАЗОВАНИЕМ ВЫСОКОЗОЛЬНЫХ УГЛЕЙ
© 2009 г. Е. Г. Горлов, В. Г. Андриенко, К. Б. Нефёдов, С. В. Луценко, Б. К. Нефёдов
ФГУП "Институт горючих ископаемых - научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых", Москва E-mail:nefedov_bk@smtp.ru Поступила в редакцию 20.03.2008 г.
Показано, что эффективность применения сухого шлакообразования при прямоточной газификации водоугольных суспензий состоит в упрощении системы складирования шлака и утилизации зо-лошлаковых материалов; снижении расхода угля, выбросов вредных веществ и частиц в атмосферу и устранение слива воды, использованной для образования золошлаковой пульпы. По данным газификации водоугольных суспензий (5-10 мкм) на пилотной установке на кислородном дутье при степени конверсии углерода >91% получен синтез-газ, содержащий 28.5% СО, 32.5% Н2, 8.2% С02, 1.5% СН4, остальное - азот. При этом зольная пыль по химическим показателям, дисперсности и плотности соответствует европейскому стандарту ЕМ 450 по использованию зольной пыли в качестве добавки к цементу при приготовлении бетона.
Основная тенденция мировой электроэнергетики текущего века - переход на уголь в качестве топлива теплоэлектростанций (ТЭС). Более рациональный метод использования угля, чем прямое сжигание, - это его газификация с получением топливного газа. При сжигании или газификации высокозольных углей Кузбасса, Подмосковного, Челябинского, Экибастузского, Богословского, Веселовского (Свердловская область) и других месторождений возникают серьезные экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды как газовыми выбросами, так и твердыми отходами (зольными уносами и шлаками) [1, 2].
Например, крупнейшая на Урале Рефтинская ГРЭС сжигает в год 10 млн. т (а в пиковые годы -до 15 млн. т) высокозольного экибастузского угля; при этом образуется около 5 млн. т зольных уносов и шлаков. При существующей технологии жидкого золо- и шлакоудаления намывные золо-отвалы станции занимают сегодня 990 га (в них накоплено порядка 120 млн. м3 золошлаковых пульп). Для сбора и хранения твердых отходов в течение ближайших 25 лет потребуется новый полигон площадью не менее 1100 га. Существующие хранилища представляют большую экологическую опасность: пыль золоотвалов загрязняет воздух и почву, а из-за низкой надежности дамб фильтрационная вода отравляет водоемы. Кроме того, традиционная технология удаления зо-
лошлаков связана с большим расходом воды и электроэнергии.
Правительство РФ уделяет серьезное внимание вопросам обеспечения охраны окружающей среды в настоящее время, а вопросы энергосбережения являются постоянным приоритетом российской электроэнергетики.
Современные наиболее востребованные технологии переработки углей: сжигание в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), газификация или сжигание водоугольного топлива. При использовании низкотемпературного кипящего слоя можно сжигать местное и низкосортное топливо при относительно невысокой температуре (порядка 800 - 1000° С) с минимальным выбросом вредных веществ, что позволяет осуществлять процессы сжигания или газификации с сухим шлакообразованием и эффективно решать проблему загрязнения окружающей среды.
Для решения проблемы золошлакоудаления в США разработан процесс газификации угля в аппарате с последующей агломерацией золы - так называемый процесс-У, предназначенный для производства низкокалорийного газа, который может быть использован в качестве сырья для получения водорода, аммиака или метанола, а также как топлива ТЭС. Газификацию проводят в присутствии кислорода и паров воды в псевдо-ожиженном слое при давлении 5.7-7 МПа и температуре 980-1100°С. Угольная пыль отделяется
38
ГОРЛОВ и др.
в циклонах, причем из внешнего циклона пыль возвращается в газогенератор. Газ не содержит жидких продуктов, что облегчает его очистку [3]. Вследствие высокой температуры процесса для газификации могут быть использованы угли любого типа, включая спекающиеся, а полученный газ беден метаном и не содержит конденсирующихся углеводородов, что облегчает его последующую очистку. К недостаткам процесса можно отнести низкое давление, повышенный расход кислорода, необходимость тонкого размола топлива.
Американская фирма "Тексако" - лидер в разработке технологии газификации водоугольных суспензий. В 1984 г. японской фирмой "Убе Ин-дастриз" пущен крупнейший в мире газогенератор Тексако мощностью по углю 1500 т в сутки, вырабатывающий газ для синтеза аммиака [4]. На заводе Aioi (Япония) в 1987 г. была сооружена пилотная установка производительностью 6 т/сут. угля для газификации водоугольных суспензий по процессу Тексако как наиболее прогрессивному. Процесс осуществляется под давлением 1.962.94 МПа при температуре 1400°С с получением смеси газов из оксида углерода, диоксида углерода и водорода, однако с "мокрым" золо- и шлако-удалением. Степень конверсии углерода достигает 100%. В синтез-газе содержится до 52.3% оксида углерода, 33.2% водорода, 12.7% диоксида углерода. На воздушном дутье при подогреве суспензии до 150°С степень конверсии угля достигала 72% [5, 6].
Для строительства мощных современных экологически чистых ТЭС используются современные технологии "Oxefuel" и "Precombusion", немецких фирм "E.On" и "RWE" и шведской "Vatten-fall", улучшающие сжигание угля (особенно бурого) в котлах ТЭС и уменьшающих выброс С02 на единицу выработанной электроэнергии. В технологиях предусмотрена газификация угля с получением высококалорийного горючего газа.
На основании анализа современных методов углепереработки [7] следует считать, что самый эффективный способ использования низкосортных высокозольных углей для теплоэнергетики -это прямоточная газификация водоугольных суспензий с сухим шлакообразованием. Такая технология, не имеющая мировых аналогов, в масштабе опытно-промышленной установки разработана совместно ЗАО "КОМПОМАШ-ТЭК" и ФГУП ИГИ. Особенность этой технологии - использование одноэлектродных плазмотронов для
обеспечения и регулирования режима газификации, а также получение высокодисперсной и стабильной водоугольной суспензии (5-10 мкм).
Водоугольную суспензию получали по технологии, названной ИКЖТ, особенностью которой является процесс механохимической активации для сверхтонкого измельчения, гомогенизации и повышения реакционной способности топлива.
В первой стадии исходное угольное сырье (шлам гидроотвала ш. Инская Кузнецкого бассейна) измельчали в быстроходном высокочастотном диспергаторе до порошка с размером частиц суспензии (20-30 мкм) на пределе пластичной текучести. Затем порошок смешивали с водой в массовом соотношении 65:35 с добавкой 0.01- 0.05 мас.% стабилизатора (ОП-2). В заключительной стадии полученную водоугольную композицию обрабатывали в гидроударном аппарате с эффектом кавитационного воздействия. В результате такой обработки получали водоугольную систему с размером частиц 2-4 мкм, которая была стабильна в течение 2 мес и более. По основным показателям (условная вязкость при 80°С, температура застывания, содержание серы) полученное водоугольное топливо (ВУТ) было близко к мазуту М-100.
Расход энергии на производство 1 т ВУТ по технологии ИКЖТ составляет 30-40 кВт ■ ч против 150-200 кВт ■ ч по известной технологии получения водоугольных суспензий в шаровых барабанных мельницах мокрого помола.
На пилотной установке производительностью 28-29 т угля/ч проведено изучение материально-тепловых показателей процесса газификации водоугольных суспензий из низкосортных углей по методу прямоточной воздушной, воздухокисло-родной и кислородной газификации. В качестве исходного топлива был использован шлам гидроотвала ш. Инская Кузнецкого бассейна (влажность на рабочее состояние W 16.8%, элементный состав (%): С^78.1; Н^ 5.5; 0.2; 2.5; О^ 13.7; зольность на сухое состояние 9.6%, химический состав золы (%): БЮ2 56.7, А12О3 21.3, Ре203 7.7, СаО 5.6, М§0 22.6, ТЮ2 1.0, МпО 0.2, К2О 2.5, Ка20 1.8, Р205 0.7). Теплота сгорания на сухое беззольное состояние, рассчитанная по формуле Менделеева, равна =30.98 МДж/кг.
Для получения материально-тепловых показателей процесса газификацию проводили при температуре 1300-1500°С и давлении 6-7 бар. Составы влажного конвертированного газа, расходные коэффициенты по кислороду и углю, отнесенные
ПРЯМОТОЧНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИИ Составы влажного конвертированного газа после стадии газификации водоугольных суспензий
Тепловые потери, кДж/кг Состав влажного газа, об. %
СО2 СО Н2О Н2 N2 СН4 Н23
0 60.8 222.1
0
39.3 653.2
0
591.2 1204.2
0
921.8 1866.2
0 60.8 222.1
0
591.2 1204.2
0 60.8 222.1
0
591.2 1206.2
0
591.2 1204.2
11.20 11.36 11.77
11.09 11.91 12.80
11.09 12.64 14.33
11.16
13.63 16.39
10.49
10.64
11.05
19.39 11.90 13.55
9.45 9.59 9.99
9.36 10.81
12.06
12.94 14.46 16.14
38.28
38.12 37.69
38.89
38.04
37.13
39.38
37.79
36.05
39.80 37.26
34.42
39.01 38.85
38.43
40.11 38.55 36.85
40.09 39.94 39.53
41.17 39.67 36.98
26.67 25.11 23.35
d = 33%, Т 22.31
22.52 23.09
d = 33%, Т ■■
23.30 24.41 25.55
d = 33%, Т
24.26
25.27 28.26
d = 33%, Т
25.17 28.22 31.06
d = 33%, Т ■■
21.31
21.53 22.11
d = 33%, Т 23.38 25.34 27.37 d = 33%, Т 19.76 19.98 29.58 d = 33%, Т ■■
21.74 23.87 25.26
d = 50%, Т
37.75 40.00
32.18 d = 65%, Т ■■
= 1300°С, tн = 225°С 26.23 26.01
25.43 1400°С, tн = 225°С
24.79 23.65 22.49 = 1500°С, tн = 225°С 23.39 21.33 19.30
= 1600°С, tн = 225°С 22.02 18.91 16.00 1300°С, tн = 300°С 27.25 27.03
26.44 = 1500°С, tн = 300°С
24.39 22.29 20.21
= 1300°С, tн = 368°С 28.84 28.61 28.00 1500°С, ^ = 368°С 25.96
23.78
23.79 = 1500°С, ^ = 368°С
23.13 18.82 16.61 1500°С, tн = 368°С
0 14.85 14.15 53.39 14.33 1.090 0.14 0.05
591.2 16.4 12.54 57.70 11.95 1.19 0.14 0.05
1204.2 18.20 10.75 59.95 9.62 1.31 0.14 0.05
46 46
49
50 55 60
55 64 74
60 74 89
41
42
45
50 60 59
34
35 38
44 53 59
26
36
46
0.43 0.43 0.43
0.34 0.34 0.34
0.23 0.23 0.23
0.16 0.16 0.16
0.43 0.43 0.43
0.24 0.24 0.24
0.43
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.