автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Плазмохимическая газификация высокозольного углеродсодержащего топлива на примере Подмосковного бурого угля и сланца джамского проявления

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева

На правах рукописи Для служебного пользований

Экз. Л

'л 7

УДК 662.61:662.732

ЦЫГАНОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЛ ГАЗИФИКАЦИЯ ВЫСОНОЗОЛЬНОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА НА ПРИМЕРЕ ПОДМОСКОВНОГО БУРОГО УГЛЯ И СЛАНЦА ДЖАМСКОГО ПРОЯВЛЕНИЯ

05.17.07 — Химическая технология топлива и газа

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

№ 839 ДСП от 15.XI.90 г. л , Москва— 1990

Работа выполнена в Новомосковском филиале Государственного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского и проектного института азотной промышленности и продуктов органического синтеза.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Федосеев Сергей Дмитриевич.

Научный консультант — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бочкис Дмитрий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, старший научный сотрудник Калиненко Руфь Абрамовна; доктор технических наук, профессор Анохин Владимир Николаевич.

Ведущее предприятие — Новомосковское ПО «Азот».

Защита состоится в ¿О час, на заседании специализированного

совета Д 053.34.03 при Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева по адресу: г. Москва, А-190, Миусская пл., 9.

С диссертацией мо^но ознакомиться в научно-информационном центре МХТИ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совет

дай-л/е. н. ЖИТО в

ОБЩАЯ лАЬОДЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ь соответствии с основными налра-ениями экономического и социального развития ьССР на 86-1990 годи н на период до 2000 года одной из важнейших роднохозяйственных задач является развитие и создачие яшципиально ноеых технологий, в частности плазменных, [чащихся висоной эффективностью, экологической чистотой, сложностью использования в качестве сырья низкосортных уг-! роде оде рошцих твердых топлив.

Одним из новых технологических направлений в реализации ¡ергетической программы СССР является комплексное использо-шие энергетического и химического потенциала твердых гора-IX ископаемых, в частности углей п сланцев, с целью повыаа-ш эффективности применения топлив и реыения экологических здач.

В этой связи плазменная переработка углей и сланцев мо-зт быть экономически эффективна при осуществлении безотход-эго комплексного процесса, в котором наряду с газификацией рганической части получают и выделяют ценные соединения и оппоненты из минеральной части.

Высокая избирательность, энергонапрялшнность, удельная роиэводительность плазменных процессов, возможность перера-отки углей и сланцев различной зольности и состава, неболь-ие габариты основного оборудования, отсутствие выбросов зо-ы, оксидол серы и азота делают эти процессы перспективными ,ля народного хозяйства.

исследования по плазменной переработке углеродсодаржа-,его сырья включены в целевую комплексную научно-техшгческуго ;рограмму Щ-008, утверлденную Госкомитетом СССР по науке и ехнике,

С учетом вышесказанного, проблема по плазмохишческой гереработке Подмосковного бурого угля и сланца Джаыского фоявления является актуальной.

Цэгь работы. Целью работы является осуществление комц-1ексной переработки высокозольного органического топлива 'на примере Подмосковного бурого угля и сланца джамскога 1роявления/ нлазмохимическим способом,

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Создать опытвди установку для плвзмохмшческой переработки васокозс ;ьного топлива. л

2. Провести термодинамический анализ гетерогенной систоун л газовой фазе с целью определения расчетных пи-рсмэтроа процесса.

3. Провезти огштние испытания, выбрать рабочие условия приведения процесса.

4. Экспериментально исследовать количественные и качественные закономерности промесса плазменной газификации Подмосковного бурого угля и с лани в Д-выского проявления.

5. Не основании подученных данных провести анализ экономичности процесса плвзменчой газификации углл.

Нвучнв.ч новизне роботы. I. Впервые доказано возможность использования плавильно-вихрзвой прямоточной камеры (конструкции МсЧ1) с источниками тепла - плазмотронами в качестве газификатора для високозольных гоп-лпв.

2. Проведен термодинамический енвлиз го программе "Acipn-З" гетерогенных систем:

Подмосковный бурый уголь (ГШ/) + воздух; ПБУ ч- паровоздушная месь; ПБУ + водяной пор

в диапазоне темпоратур 1000+3000 К и давлении 0,1 Ш1а.

3. Экспериментально подтверждена возможность получения сиктез-газз из высокогольного топлива для производство аммиака.

Способ затишен ввюрским свидетельством СССР и 1392084.

4; Впервые показана возможность экономичного извле •• чения уранв и рения из шлака и газоЕой фазы, получении* при плазмохпмический газификации ¿дамского слвнис.

¡¡в основании экспериментальных данных, полученных на опытной плззкохиуическ^К установке мощностью до 100 кВт, предложена принципиальная технологическая схема комплексной безотходно!1. переработки высоиозольних твердых горючих ископаемых и видены исходные данные для проведения технако-эконокическо-• го расчета.

- 3 -

2. Полученные экспериментальные результаты по плаъ-зл и >« иконой гз.ч;ф1иеш1и горючего сшшэ Дкзкгксго (цюяэ •

■икия с извлечением редких и ргхсшншкх ьлеиенюп позвали чп дать практические рекогащашш по ошшизсшш рабочих параметров комплексной переработки твердых горьчих ископаемых по малоотходной технологии, которые (согласно акту Зарафшанской Г113) будут использованы при рео/л-запии технологии но переработка горючих сланпел Среднеазиатского региона.

3. II соответствии с выполненные зиономически;/ расчетом илазкохимическая газификация паровоздушной с;;есш позволит снизить себестоимость оинтоз-гаэа для производство одной тонны и/миакп на 137!, чем газификация по методу Колперса-Тотиеки, а также в дна раза снизить удельные капитальные вложения б строительство установки.

Автор звшиет:

I, Возможность одновременною получения синтез-газа, редких и рассеянных элементов при плазменной газификашш Подмосковного бурого угад и слпииа Дяамсного проявления.

2, Результат» термодинамического анализа газификации Подмосковного бурого угля в плазме окислителей.

3. Результат расчета но горению угольной частицы и плазме.

•1. Полученное экспериментальны!,' путем количественное и качественны; апкономернсети щч.тессв,

Ь. Расчетное технико-экономические показатели производства сннтез-р-!3;1 плазмохгуичеокой газификацией твьрдш тон ли в.

Апрос;апия_£Ч)боту. Основные результаты диссертации докладывались и обоукдплись на: Научно-технических конференциях Новог.-осковского филиала ГИЛИ (1285, 1989 гг); У 13оесошной конференции "Горение органического вещества" (г. Новосибирск, г); Научной конференции молодых ученых МХТИ иу. Д.И. Менделеева (г. Москва,1984г); Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности, совприенгтпование процессов и аппаратов химических производств" (г, Харьков, 1985 г); реснуошшшь ском сеглшвре "Пла.чмотехнология" (г. Запорожье, 1УВ9 г.)'.

Структуре u oói.eu работы. Диссертаиия состоит из введения, пяти глав, выводов, спискч использоешшой литературы (.115 наименований), прилонений. Основной текст содержит 156 страниц машинописного текста, 50 рисунков и S.S тб(зл!ш.

Содержание работы

lio в радении показано современное состояние и перспективы использования углей и сланцев, обоснована актуальность тзмы, практическая значимость работы.

В первой гладе доны теоретические основы проиессв raaucfüKBiiBn, классификация двшюго проиессо по определенный признакам, рассмотрено современное состояние зарубежных и отечественных работ по газификации углей квк традиционными методами, реализованными л промышленности, ток и перспективными.

Особое ваиуание уделено научно-техническим разработ кви в области ллазмохимической переработки твердого угле родсодераащего сырья.

Показали актуальность темы, определена цель работы в сфорыулированы задачи, направленные для ее достижения.

Во второй главе бил сделен термодинамический анализ систем:

Подмосковный бурый уголь (ПЕУ) + воздух;

ПБУ + водяной пар;

ПБУ + паровоздушная смесь.

Для такого Енвлиза гетерогенных систем применялась программа "Астре-3", разработанная на языке "Схзртран-1У" в МШУ им. Баумана.

Проведенные расчеты равновесной системы С-О-5-/V-H-Si-AC-Fe, , образующейся при газификации Подмосковного бурого угля в диапазоне температур 1000+3000 К и давлений (0,1-1,0)«ICr Пп при задЕНных соотношениях между эле ментами, отвечают экспериментальным параметрам исследуемых систем.

Состав газообразной фазы этих систем в зависимости .от температуры при стехиокетрическом соотношении С:0 и.

- Б -

юсферноы давлении показан но рис. 1а, б, в.

а

Г

¡всо

¿воо

3000 7,/с

!ОСО

гсоо

вссо I'Л.

Рис. I. Равновесный состав газообразной фазы в зависимости от температуры для - систем:

а) ПБУ + воздух;

б) НБУ + водяной пар;

в) ПБУ + паровоздушная смесь.

Расчеты покэаывьиг, что газовая ^аза всех слсте.',! в интервале температур ^ООО+ЗООО К cociluir в основном. из коиоксида углерода, водорода в азоте.

При гешературах вьгаз 2400 К в газовой $азе появляется атоызрньгЛ водород, в незначительных количествах npi1 сутстдует сероводород, отмечено наличие некоторых компонентов минеральной чзстн исходного сырья в виде Ж, Л, S/; S¡ О, J¡£± О .

При расчете систем с учетом минеральной части и без нее существенных различий в составе газообразной <£азп пег, так so как и при увеличении давления в системе.

С..здует ответить, что в указанном диапазоне температур с азотом химических превращений не происходит.

Сера, находящаяся при температуре до 1400 К в виде сероводорода, переходит при Солее высокой : еыперзтуре в сероуглерод.

При сравнении энергозатрат на получение СО + Н<> оче видмо, чт" более экономичны процессы перовой'н паровоздушной гези^икашш (рис. 2), а максимальные расчетные суммарные кокиенграаии {G5-9B2 об.) и энергозатраты на их образование а газовой (0,3-:-1,2 кБг-ч/уЗ) лел;ат и области температур 1200-1800 К (рис. 3).

В третьей главе диссертации рассмотрены cxeí.a опытной установки, кетодшш пропедешш эксперимента, исследования плазменной газификации Подмосковного бурого угля на воздухе, водяном паре, паровоздушной смеси с ш-яонениеы результатов.

Схемо опытной установки, на которой были получены результаты, представлена на рис. 4.

Основным узлом установки является прямоточная камера. В качестве источников анергии применялись плазмотроны серии ЭДП-14ЙД конструкции ИТФ СО АЛ СССР. Процесс газификации проводился при атмосферном давлении на юз-духе, водяном пэре, паровоздушной смеси. Среднемассовея температура составляла 2000+3500 К. Основными показателями процесса с духи ли выход а состав газа, а такке онер-tгозатреты.

¿гот-г

С, н*

Рис. Зависимость энергозатрат от температуры: а - ИВУ + воздух; б - ПБУ + водяной пар? в - ПБУ + паровоздушная сыесь

&о

60

40

го

%*г

1°°° &ооо зосо 7, И

Рис. Ь. Зависимость равновесного вихода СО н от температуры при использовании различных плазмообразупцих газов:

а - воздух; б - водяной пар; в - паровоздушная смесь.

/петибо

Рис, 4. Схема опытной установки плазмохимической газнфиквшш углеродсодержашего твердого топливо,

гдо: I - шнековый питатель;

2 - нрямоточно-вихревая плавильная

камера;

3 - перегреватель пэра; 4 - плазмотроны; 5 - шклон; 6 - гозодувка;

7 - стенд управления; В - сборник шлака. '

Состав исходного сырья приведен в табл.

Таблица I

Состав исходного сырья

Показатели :Обозначение:Уголь, : Сланец, : х% вес. : % вес.

Влага общая на рабочее состояние топлива V 4,0 3,6

Зольность на су- • хое состояние л' 45,4 62,0

Содержание общей серы на сухое со стояние 5/ 4,2 4,9

сера сульфатная ЗьОу 0,1 0,6

сера пяригная 5/. 2,7 2,3

сера органическая 1.4. 2,0

Содержание 'с* АГ*

углерода водорода взотв 35,9 2,8 0,7 20,6 3,4 0,7

на сухое беззольное состояние

Содержание кислорода Ол 11,1 8 Л

Первая серия опытов была проведена с целью отработки конструктивных элементов уствнояки, определения рабочих пара?летров процесса, где в качестве плазкообрвзующе-го газа применялся воздух. Весовое соотношение топлива к расходу воздуха варьировалось от 0,33 до 1,55. Максимальный выход СО + Н2 нвблюдался при соотношении расхода топлива к расходу воздуха равном 0,96 я составлял 0,73 мЗ/ кг угля. ^

При пзроаой газнфи!ааии соотношение пара и угш варьировалось в диапазона 0,7*2,0 при постоянном расхода топлива и изменении мощности. ОДП до S? кВт,

■Резульзвги экспериментов на паровоздушной смеси представлены а тзбя„ 2.

Таблица 2

Показатели процесса плазменной газификации ПБУ паровоздушной смесью

Наименование параметров: Расход сырья, кг/ч

■ : 21 : 40 ; ; 50

Мощность плазмотронов, кВт 92 100 100

Расход воздуха, ыЗ/ч 23,2 24,2 30,7

Расход пара, кг/ч 15,0 20,0 20,0

Состав полученного газа, % об.

азот . 50,1 23,0 22,0

водород 13,4 31,0 32,0

ыоноксид углерода 28,4 34,1 35,2

диоксид углерода 5,3 2,0 1.6

Удельный выход СО+Нр, ыЗ/кг угля 1,01 1,86 1,07

Энергозатраты на газификацию I кг угля, кВт.ч'/кг 4,4 2,5 2,0

Пр паровоздушной газяфикощш, варьируя соотношением пара к воздуху, ыохно получать синтез-газ с различным соотношением СО к Н2 от 0,6 до 3,0,

Экспериментально установлено, что максимальный выход СО + Н2 образуется при соотношении углерода топлива, воздуха и водяного пара равном 1,0:1,5:0,8. Это соотношение мохет быть рекомендовано как оптимальное для паровоздушной гази^икаиии.

На рис. .5 представлена зависимость удельного выхода С0Ш2 от энергозатрат. При увеличении расхода электро. энергии выход СО + 112 существенно не меняется.

- ы -

нУсо+иЛ'

1,0

О,»

0,6

о,*

0,1

о

О £ 4 6 3

Рис. 5. Зависимость удельного выхода СО. + Н2 из ИВУ от энергозатрат для различных плазиробразуо-щих газов

* - воздух; • - пар; о - паровоздушная смесь

Экспериментальная зависимость интенсивности процесса газификации от расхода угля представлена на рис, 6. Откуда видно, что интенсивность процесса достигает 600 и 720 мЗ/мЗ»ч соответственно для воздушной и паровоздушно!! газификации. I

Для оценки прогрева частиц угля, поступавшего в плазмеиную воздушную струи, был проведен расчет одной час-ишы.

13 результате решения уравнения теплового баланса было определено, что частииэ нагревается до среднемоссо-вой температуры газа в реакторе за время, равное 2«Ю~3с при фактическом времени пребывания частицы в реакторе 0,1-0,2 с.

При исследовании образцов шлаков, подученных при

9 9 0 9

9

С ох О

*

7Л?

боа

кво

500

(50

о

10

ЛО . ъо № &о

¿Г

г-

Рве, 6, Зависимость интенсивности процессов воздушной и паровоздушной газификации ПБУ от расхода

I - воздух; 2 - паровоздушная смесь

ллазмохикической газификации бурого угля, отмечено, что они не содержат свободного, углерода в отличие от шлаков углей, полученвцх при скиганли их в топках электростанций,

В_четве£той_глвве рассмотрены результат исследований по комплексной плазмохиьшческой переработке сланиа Дяаы-ского проявления. Состав исходного сланца показан в табл./ Элементный и вещественный состав минеральной части сланца указывает на целесообразность организации технологического процесса, направленного на восстановление ряда ее компонентов. Особенно привлекает внимание наличие в сланце •

повышенных концентраций редких элементов, например рения, урана, молибдена, кадмия. Поэтому, нвряду с получением синтез-газа, исследовалась возможность выделения редких и рассеянных элементов - рения, урана.

Результаты процессов плазменной газификации слвнио представлены в табл. 3.

Таблица 3

Усредненные показатели процессе плазменной газификации сланце водяным паром

Расход:Расход: Газовая фаза, % об. пара, :сланиа:- - - - -кг/ч :нг/ч : „л : : //л . СО £0ь Нх$ :Мощность:Знерго-:плазмо- :затраты :тронов, :нВт»ч :к!]1 !мЗ(со»н.

21 25 37,53 24,7В 18,73 18 0,54 65 1,99

15. 25 26,93 37,40 7,57 22 0,69 .65 2,36

II 25 24,43 15,19 12,25 26 0,53 65 3,91

Плазыохимический метод позволяет в широком диапазоне варьировать составом плазмообрвзушего газа. Это позволяет получать сантез-газ для определенного процесса, например для синтеза ошиаяо. Приведен пример расчета энерготехнологических характеристик плазменной газификации ПьУ. Из газовой фазы при температуре 300-350°С с помощью твердого адсорбента - ГИАП-10 извлекался рений в виде семиок-сида. Концентрация рения в исходном слание составляет (1,0*5»0)10~3 иг/г. Степень извлечения рения из сырья составила 98$.

Степень обогащения шлака по урану составила 405?, а содержание его в сырье - 0,025^ вес.

Но основании экспериментальных данных, полученных на опытной установке по плазменной газификации ПБУ и слвнио Думского проявления, предложена принципиальная технологическая схема комплексного одностадийного процесса по переработке низкосортных углей и сланиев в низкотемпературной плазме.

В пятой главе проведена технико-экономическая опенка проиесса плазменной газификации ПБУ и Иршо-Бородпнско-го угля в сравнении с процессом Копперса-Тотиекп примет;-

голыш к одинаковой мощности установок и экологичному составу синтез-газа.

Как показал энолиз, плазмохииическая газификация паровоздушной сыесыз имеет лучшие экономические показатели для производства эиииэка из синтез-газа, Себестоимость синтез-газа на 15% ниео, чем при газификации по методу Копперсэ-Тотцека для производства одной тонны аммиака.

Экономический эффект от сникенид пргьеданных затрат в расчете на принятую мощность установки по производству синтез-гзаэ /I млрд.ыЗ/ составляет 6,95 пли. руб/год. 1

ВЫВОДЫ

1. Проведен аналитический обзор сырьевой базы органического твердого топлива, а такие промышленных способов его переработки.

В результате комплексного анализа предложен перспективный плазиохиыичсскиИ истод переработки высокозольных углей и сланцев.

2. Проведен термодинамический анализ многокомпонентной гетерогенной системы С-О -Мдиапазоне температур ЮОО+ЗОСО К при давлении 1,013 10"5 Па. Показано что основными компонентами газовой-фазы при температурах

'выше 1200 К являются оксид углерода и водород.

3. Полученные концентрации С0+Н2 /65*-9В% об./ и энергозатраты на их образование в газовой Фазе /0,3+1,2 кВт ч/мЗ/ в зависимости от вида газифицирующего агента лежат в области температур 1200+1800 К,

4-, На базе плавильно-вихревой прямоточной камеры конструкции МЭИ создана опытнан установка плазменной газификации Подмосковного бурого угли и сланца Джамского проявления.

Б. Получен синтез-газ с заранее заданным составом путец варьирования соотношений исходных компонентов.

6. Испытаны в качестве илазмообразуюш.его газифицируют го агента нар, воздух, паровоздушная смесь.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что процесс плазменной газификации твердого углеродсодер-

г.эщого топлива в паровоздушной окислителе позволяет получить спнтоз-гзз ,.,ля прямого производства энмизкз.

7. На основании экспериментальны;: исследований по плазменной переработке сланца Дкзиского проявления доказана возможность э'М'ективного комплексного использования органической п нинзральной частой низкосортного топлива

извлечением ценных родчнх элементов.

8. Предложена принципиальная технологическая схема йднсагзг.иНного процессе комплексной переработки низко-.jopxmix углей и сланцев с целью получения синтез-гозз и извлеченных редких и рассеяшшх алом-энтов из газовсН тазы ■л шлака.

9. Проведенная технико-экономнчсская оценка производства , С1ШТ03-Г93Э, пригодного для получения анмиэко, свидетельствует о перспективности и конкурентноспособности реализации данного способа с существующим методом Копперса-Тотцекэ.

Основное содержание диссертации изложено d следующих раСотах:

1. А.о. I392!J84 СССР. Способ получения из углеродсо-лермащего топлива синтез-газа преимущественно для производства аммиака / Д.И,Бочкис, В.И.Цыганов, Э.В.Горолонкни, Г.Ф.Мурин, В.В.Добрышев.

2. Бочкис Д.М», Гороганкин Э.В., Цыганов В.И. Газификация Подмосковного бурого угля в воздушной плэзме

/ / Всесоюзная конференция: Тез. докл.- Новосибирск, 1985.-С. 4146.

3. Гази'1"лкэцип Подмосковного бурого угля в воздушной штзмс: Сб. науч. тр. -Минск, 1984.-129 с. .

4. Бочкис Я.М., Григорьева Т.П., Цыганов В.И. Гоз:г;икэция бурого угли в плазмохимнчсскоы реакторе

/ / Всзсош. нэучно-техн. копф.: Тез. докл.- 1985.- С. 126-127.

5. Бочкис Д.;.;., Цыганов В.i!. Газификация Подмосковного бурого угля в воздушной плззмс / / I Всесоюзный семинар: Тез. /олл.- 1984.- С. 15-16.

6. Получение восстановительных: гэзов при плазменной vobr.liüamm Подмосковного бурого угля: Сб. науч. тр.-Киев, 136Í.-V? с.