ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2009, № 4, с. 53-59
УДК 662.74:552
УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ГАЗИФИКАЦИИ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ
В ПРЯМОТОЧНОМ ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ © 2009 г. М. Я. Шпирт, Н. П. Горюнова
ФГУП "Институт горючих ископаемых — научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: Shpirt@yandex.ru Поступила в редакцию 12.01.2009 г.
Показано, что твердыми отходами газификации водоугольных суспензий (ВУС) в прямоточном газификаторе являются только зольные уносы и шлак (ЗШО). Приведены оценки выхода зольных уносов и шлаков и их химических составов, полученные после газификации ВУС, приготовленных из бурого (Б) и длиннопламенного (Д) углей соответственно разрезов "Березовский" Канско-Ачин-ского и "Моховский" Кузнецкого бассейнов. На основе анализа имеющейся информации суммированы направления утилизации ЗШО после газификации ВУС с сухим шлакоудалением, из которых наиболее перспективны применение при строительстве автомобильных дорог и искусственных земляных сооружений (для исходных углей марок Б и Д) и в производстве золоцемента (для исходного угля марки Д).
Газификацию водоугольных суспензий применяют в ряде процессов, например, разработанных фирмой "Тексако" [1] и совместно с ФГУП ИГИ и ЗАО "Компомаш-ТЭК" [2]. Эти технологии основаны либо на паровоздушном дутье с получением относительно низкокалорийного генераторного газа, либо на газификации угля смесью водяного пара с кислородом или водяного пара с воздухом, обогащенным кислородом, для производства газа с более высокой теплотой сгорания, так называемого синтез-газа, за счет снижения в нем содержания азота воздуха по сравнению с генераторным газом.
При использовании ВУС не применяют ввод в газогенератор водяного пара, полученного в отдельном аппарате, так как он образуется непосредственно в газогенераторе в результате испарения воды, содержащейся в ВУС. Очевидно, для сокращения расхода тепла количество воды в ВУС должно минимизироваться и, следовательно, на газификацию следует направлять ВУС с максимально возможной концентрацией твердой фазы, т.е. >60 (мас. %) частиц угля. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что подобные ВУС с приемлемой вязкостью (текучестью) и устойчивостью получают из высокодисперсных частиц угля, имеющих диаметр 5— 10 мкм [2]. Эти частицы угля помимо высокой удельной поверхности по сравнению с частицами угля, используемыми для газификации в наибо-
лее освоенных промышленных процессах (в плотном (Лурги) или кипящем (Винклер) слое), характеризуются также дополнительно повышенной реакционной способностью, обусловленной механохимической активацией, возникающей при их получении на стадии измельчения угля (в вибромельницах или других современных агрегатах) [2-4].
Вследствие высокой реакционной способности частиц угля в ВУС в результате их газификации практически не образуются смолы и количество "недожога", т.е.частиц неполностью окисленного углерода, весьма незначительно. Следовательно, твердыми отходами газификации ВУС являются главным образом продукты, образующиеся при термических превращениях минеральных компонентов исходного угля, называемые шлаком и золой уноса (зольным уносом), они выпадают соответственно в газогенераторе или выносятся из последнего с газообразными продуктами газификации и улавливаются при их очистке в циклонах, рукавных фильтрах, электростатических фильтрах, водных скрубберах или в других аппаратах.
Газификация ВУС может проводиться с сухим или жидким шлакоудалением, т.е. при температурах более низких или более высоких, чем температуры образования жидкой фазы из золы или, точнее, продуктов термических превращений минеральных компонентов исходных углей. По ряду
причин (сокращение затрат тепла, не связанных с получением при газификации горючих компонентов газа (СО, Н2, СН4), простота конструктивного оформления и проведения процесса и др.) более перспективна газификация ВУС с сухим шлакоудалением, поэтому в данной статье рассмотрены только вопросы, связанные с утилизацией твердых отходов или, точнее, шлака и зольных уносов, образующихся после газификации ВУС с сухим шлакоудалением.
Согласно экспериментальным данным, в этом процессе в основном образуются зольный унос и лишь незначительное количество шлака. Выходы шлака и зольного уноса рассчитываются по отношению к зольности исходного угля (А), и коэффициенты их выхода составляют для рассматриваемого процесса соответственно около 0.05 ЛА и 0.95 ЛА или на 1 т газифицируемого угля 0.005 ЛА т и 0.095 Ла т.
Вследствие указанных выше причин шлак и зольный унос после газификации ВУС характеризуются весьма низким содержанием недожога (С0), составляющим обычно не более 2.5 и 2% соответственно для шлака и зольного уноса. По своему химическому составу и свойствам шлаки и зольные уносы или золошлаковые отходы (ЗШО) газификации ВУС близки к ЗШО, образующимся после сжигания тех же углей на электростанциях, оборудованных пылеугольными топками. В России и других странах имеется многолетний опыт сбора, складирования и утилизации ЗШО. Так, например, утилизируется в ФРГ более 80%, в Польше — 70%, в Китае — 65%, в Индии — свыше 26% от массы ежегодно образующихся ЗШО. В России, в отличие от многих других стран, основная масса улавливаемых ЗШО после сжигания углей складируется в золоотвалы, что сопровождается загрязнением среды обитания, воздушного бассейна в результате "пыления", т.е. ветровой эрозии, грунтовых и подземных вод при выщелачивании из ЗШО содержащихся в них экологически опасных соединений — макросоставляющих ^е, А1 и др.) и микроэлементов (V, Zn, РЬ, Сг, Мп и др.) под действием дождей и вод от таяния снега, поэтому, согласно законодательству России, предприятия, на которых образуются ЗШО, должны платить ежегодные экологические штрафы (Э):
Э = еМ, (1)
где М — масса хранящихся отходов одинакового класса опасности, т; е1 — выплаты за хранение 1 т отходов определенного класса опасности.
В зависимости от экологической опасности промышленные отходы разделяют на пять классов. Экологическая опасность уменьшается с увеличением номера класса, и величина ei уменьшается, например, примерно на порядок при переходе от III класса к IV классу.
Золошлаковые отходы сжигания без проведения специальных исследований относят к IV классу опасности, в дальнейшем при проведении специальных исследований класс опасности может быть снижен.
Согласно приказу МПР России № 511 от 15.06.01, отнесение ЗШО к классу опасности зависит от величины критерия К, включающего степени опасности их отдельных компонентов
(K)
K = Ш. (2)
Величину K рассчитывают по
K = C/W,, (3)
где C — концентрация 1-го компонента; W — коэффициент степени опасности (табличные значения).
Для расчета величин K необходимо изучение представительных проб ЗШО из золоотвала или текущих шлаков и зольных уносов, включая определение их полного и вещественного (по зо-лообразующим элементам) составов, а также биологической активности ЗШО по отношению к различным видам микроорганизмов. По предварительным данным, ЗШО, которые будут образовываться при сжигании бурого угля Канско-Ачинского бассейна и каменного угля Кузбасса, можно отнести к IV классу опасности.
Вследствие более высокой степени дисперсности, способствующей увеличению ветровой эрозии, класс опасности ЗШО, образующихся после газификации ВУС, будет не меньше IV. Очевидно, организация утилизации ЗШО позволяет не только исключить (при их полном использовании) или сократить экологические штрафы, но и получить дополнительную прибыль за счет реализации получаемых товарных продуктов.
Как указано выше, за рубежом и в меньшей степени в России имеются результаты многолетнего промышленного использования ЗШО после сжигания углей и опытно-промышленных и экспериментальных исследований, показывающие технико-экономическую перспективность реализации подобных мероприятий. Эти данные можно применить и к выбору оптимальных процессов утилизации ЗШО, которые улавливают при гази-
Таблица 1. Химический состав зольных уносов и шлаков, получаемых при газификации ВУС в прямоточном газификаторе с сухим шлакоудалением (мас. % в пересчете на оксиды)
Разрез угля ^02 А12О3 Fe20з СаО мбо К2О №20 с0
Моховский Березовский 60-63 28-31 21-22 10-12 5.7-6.1 8.5-9.5 3.3-5.3 41-43 1.6-1.9 5.5-6.0 2.5-2.6 1-1.2 1.0-1.2 0.8-1.0 2-2.5 1.5-2
* Соответственно для шлака и зольного уноса.
Таблица 2. Содержание микроэлементов в зольном уносе, уловленном после газификации ВУС из угля Б разреза "Березовский"
Элемент Концентрация, г/т Элемент Концентрация, г/т
А5 128.0 Мо 2.8
В 357.0 N1 23.0
Ва 2900.0 РЬ 20.0
Ве 14.0 Se 28.0
Со 30.0 Sn 2,8
Сг 23.0 Sг 1230.0
Си 48.0 V 24.0
Ga 5.7 Y 14.0
Ge 7.0 УЬ 2.8
НЕ 1.4 7П 47.0
Мп 3200.0 7г 140.0
фикации ВУС, приготовленных из углей тех же месторождений.
Разработана классификация твердых отходов добычи и переработки (обогащение, сжигание, гидрогенизация) углей [5], позволяющая на основе информации об их составах, свойствах, принятых в России ГОСТах или технических условиях, выполнить предварительный выбор наиболее перспективных направлений использования ЗШО и после газификации ВУС.
Газификацию можно проводить на водных суспензиях, содержащих как бурые, так и каменные угли. Проведенный анализ [6] позволяет сделать вывод, что наиболее перспективны для газификации бурые угли Канско-Ачинского бассейна разреза "Березовский" и каменные угли марок Д и Г Кузнецкого бассейна, например разреза "Мохов-ский" (марка Д).
После газификации ВУС с сухим шлакоудалением, проводящейся при температурах не выше 950—1000°С [2], и низкого выхода шлака химические составы шлака и зольного уноса будут примерно одинаковы, и они будут соответствовать химическому составу золы исходных углей. С учетом информации о составах золы газифицируе-
мых углей [7] и о содержаниях в них микроэлементов [5, 8], а также приведенных выше оценок по концентрациям недожога в табл. 1—3 в качестве примера показаны ориентировочные химические составы ЗШО, которые могут быть уловлены после газификации водных суспензий указанных выше углей в прям
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.