Энерготехнологическая переработка

При температурах выше 300 °С начинается деструкция твердой массы топлива; в результате распада молекул топлива из него выделяются летучие вещества — жидкие углеводородные соединения и горючие газы.

Под энерготехнологической  переработкой твердых топлив, в основном низкосортных бурых углей, понимают их химическую и термохимическую  обработку с целью получения высококачественных топлив: твердого, жидкого и газообразного. Основным сырьем энерготехнологической обработки твердых топлив являются высоковлажные бурые угли месторождений с открытой добычей, имеющие выход летучих l/da/=35—70 %, а также высокозольные сланцы Vdaf=50—90 % и дешевые каменные угли месторождений с открытой добычей с ]/da/^4Q—45 (уо Энерготехнологическая переработка твердых топлив позволяет получить искусственные жидкие моторные топлива со свойствами бензина и дизельного топлива, энергетическое газообразное топливо, а также твердое топливо с высокой теплотой сгорания.

Методы энерготехнологической  переработки твердого топлива классифицируют: а) по характеру среды, в которой топливо подвергается деструкции (разложению):

1) с нейтральной  или восстановительной средой (пиролиз топлива); 2) с окислительной средой (газификация топлива); 3) со средой водорода (гидрогенизация); б) по тепловым условиям, при которых протекает деструкция: 1) низкотемпературный процесс (до 400 °С);

2) среднетемпературный  процесс (400—700 =С); 3) высокотемпературный процесс (900°С и выше).

Пиролиз твердого топлива — это процесс деструкции (распада) молекул органического вещества твердого топлива при нагревании его без доступа кислорода. В зависимости от температуры процесса пиролиз топлива подразделяют: на бертинирование (до 300 °С), полукоксование (400—600 =С) и коксование (900°С и выше). В процессе бертинирования из твердого топлива (угля или торфа) выделяются пары воды и сорбированные поверхностью топлива газы (СОг, СН4, иногда воздух); твердое вещество топлива разлагается незначительно, но его поверхность становится более активна к процессам окисления. Теплота сгорания топлива повышается пропорционально снижению в топливе содержания влаги и сорбированных газов. При температурах выше 300 °С начинается деструкция твердой массы топлива; в результате распада молекул топлива из него выделяются летучие вещества — жидкие углеводородные соединения и горючие газы.

При температурах 400—600 °С (процесс полукоксования) из топлива выделяются первичная смола (по свойствам сходная с нефтью), первичные газы, содержащие Н2—10—30%, СН4—33—40 %, С02—5—15%, СО—5— 8% с теплотой сгорания ~23—30 МДж/м3 и твердый углеродный остаток (полукокс) с выходом летучих Vdaf = 8—12%. При температурах 900°С и выше (процесс коксования) происходит более глубокая деструкция не только исходного топлива, но и первичных продуктов его разложения. Выход жидких углеводородов (смолы) сокращается с 10—12 до 2,5—5,5%, но увеличивается до 15 % начальной массы топлива (угля) выход газообразных углеводородов с теплотой сгорания Q;= 17—19 МДж/м3.

Процесс коксования применяется в промышленности для  получения металлургического кокса  из коксующихся углей (марок К, СС, С, Г, Ж) и ценных углеводородных соединений для химических производств как побочного продукта. Процесс полукоксования пригоден для производства энергетических топлив. ‘Основанный на нем метод высокоскоростного пиролиза ЭНИНа позволяет при нагреве низкосортного бурого угля (с Qi — = 15,5 МДж/кг)-до 590°С получить высокореакционный полукокс (с Q? =27—28 МДж/кг), смолу — сырье для моторных топлив (с Q[ =36—38 МДж/кг) и газ (с Qrt = = 14,5—17 МДж/м3). Таким образом, из низкосортного угля получаются высококачественное твердое топливо, сырье для моторных топлив и газообразное топливо.

Процесс термической  переработки угля путем его пиролиза при меньших температурах (450—470°С) позволяет получить один вид энергетического топлива — облагороженный уголь с высокой теплотой сгорания. Такой процесс — процесс производства «термоугля», разработанный в Институте горючих ископаемых, заключается в высокоскоростном нагреве угля в вихревых камерах до температуры 450—470 °С, во время которого из него выделяются вся влага и 5—8 % летучих, используемых в процессе для обеспечения необходимых тепловых условий его протекания. Полученный продукт — термоуголь (с теплотой сгорания   26,5—27 МДж/кг вместо 12,5—13,8 МДж/кг в исходном угле) является высококачественным энергетическим топливом, которое по экономическим показателям можно транспортировать в любую точку страны.

Энерготехнологическую переработку твердых топлив в  окислительной среде (в воздухе, кислороде, водяном паре) называют газификацией топлива. Газификация угля — это термохимический процесс превращения угля, чаще углеродного остатка угля, в горючие газы путем обработки его в среде воздуха, кислорода и водяного пара. Процесс газификации, как правило, ведут в среде воздуха и водяного пара, кислорода и воздуха (автотермические процессы) н в среде только водяного пара (этот процесс требует подвода теплоты извне для обеспечения необходимых для химической реакции тепловых условий). Газификацию угля проводят при атмосферном и повышенном давлениях. Чем выше давление, тем больше в получающемся газе содержится водорода и тем меньше окиси углерода. С повышением давления растет производительность газогенераторов.

Технологически  газификация угля организуется: в  плотном слое, кипящем слое, в  потоке. В последние годы получила распространение газификация не только сухого угля, но и водоугольных суспензий (высококонцентрированной смеси мелких частиц угля с водой). Газификация угля в плотном слое (процесс Лурги и др.), как правило, ведется при температурах 1000—1200°С с твердым шлакоудалеиием и выше 1400 °С с жидким шлакоудалением; газификация угля в кипящем слое (процесс Винклера, ИГИ и др.) при температурах до 1000 °С — с твердым шлакоудалением, а в потоке (процесс Копперс — Тотцек и др.) при температурах выше 1500°С — с жидким шлакоудалением.

В результате газификации  угля в паровоздушной среде получается газ с теплотой сгорания 5—6,5 МДж/м3, на парокислородном дутье при атмосферном давлении — Q; до 12;5 МДж/м3, а под давлением 1—2 МПа — до 16,5—17 МДж/м3. Полученный газ можно использовать в качестве топлива для производства тепловой и электрической энергии, а также как технологическое сырье в химических отраслях народного хозяйства. Для повышения теплоты сгорания газа за счет увеличения содержания в нем СН4 до 40—70 % разработан процесс гидрогазификации, сочетающий газификацию угля   в среде водорода и водяного пара с последующим метанированн-ем получающегося газа в среде водорода. Процесс проводят при давлении 7-13,5 МПа и температуре 930 С, теплота сгорания получающегося газа 21—31 МДж/м .

Для получения  из угля искусственного жидкого топлива энерготехнологическую обработку угля проводят в среде водорода. Наиболее распространенным процессом такого типа является гидрогенизация угля — комплекс реакций угля с водородом при повышенных температурах и давлении в присутствии катализатора, сопровождающихся разрывом углеродных связей в угле и присоединением водорода. При гидрогенизации угля процесс протекает при температуре 450—480 °С и давлении 25— 30 МПа при расходе водорода 4—5% на массу угля. При использовании молибденового катализатора вместо железного давление в процессе может быть снижено до 10—15 МПа. В результате гидрогенизации из 1 кг угля образуется 55 % бензиновых и дизельных углеводородных фракций; остальное — тяжелые углеводородные фракции и углерод.

Известен процесс  гидрирования угля без введения водорода — термическое растворение .угля, в котором донором водорода являются жидкие продукты процесса. Процесс протекает при температуре 420 °С под давлением 5 МПа; в результате получаются тяжелые углеводородные фракции, аналогичные мазуту с температурой разделения выше 340°С. Ориентация энергетики всех стран мира на использование в перспективе преимущественно угля для обеспечения требуемого энергопотребления при снижении темпов роста добычи нефти, а затем и природного газа объективно приведет к созданию других, более совершенных технологических процессов и схем энерготехнологической переработки угля с целью обеспечения потребности народного хозяйства в моторном топливе, технологическом и энергетическом газе.

около 31%, но не смотря на снижение энер-гетической эффективности работы ТПТЭС по сравнению с прямым сжиганием угля, применение данной технологии позволяет получить достаточно существенные пре-имущества: улучшаются эксплуатационные и экологические характеристики котлоагре-гатов, повышается надежность их работы, наблюдается снижение капитальных и экс-плуатационных затрат. При исследовании энерготехнологического блока авторами получены зависимости приведенных затрат в системе, состоящей из энерготехнологи-ческого блока, КЭС с прямым сжиганием Канско-Ачинских углей и коксохимическо-го завода, от таких режимных параметров как температурный уровень процесса пиро-лиза, а также температура разогрева твердо-го теплоносителя.

4.