Переработка угля в нефть

Главный аргумент в пользу замены нефти ископаемой синтетическим аналогом — истощение мировых запасов жидких углеводородов. Объемы известных нефтяных залежей достигают 3000 млрд баррелей — 400 млрд тонн. С учетом растущего энергопотребления, по оценкам экспертов, этого хватит еще на 30 лет. И даже если будут обнаружены новые месторождения, рассчитывать на их крупный масштаб не стоит.

Угля же на планете в избытке, по крайней мере, пока. Его геологические запасы, по оценкам специалистов, в тридцать раз больше, чем нефти. И уже сегодня 37% энергии в мире производится за счет угля, 16% за счет газа и только 9% за счет нефти.

Второй фактор, заставляющий внимательнее присмотреться к углю в качестве сырья для жидкого топлива, — рост цен на нефть и увеличение себестоимости ее добычи по мере вовлечения в разработку все более удаленных и труднодоступных месторождений.

В 1913 году его соотечественник химик Фридрих Бергиус создал свою методику гидрогенизации и запатентовал ее. Водород, соединяясь с кислородом, азотом и серой, дает воду, аммиак и сероводород. Сначала уголь измельчается до максимально мелких фрагментов, до состояния пыли: это называется деструкцией. Затем смешивается с мазутом и пятью процентами окиси железа. Пастообразная масса нагревается в присутствии водорода до 450-490 °С при давлении 200 атмосфер. Полученный продукт разделяется перегонкой на бензин, соляр и остаток (мазут), который добавляют в свежую порцию угля вместо мазута. Из трех частей угля получается одна часть бензина, 1,5 части соляра и остаток. Технология безотходна. Добавление катализаторов (молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и других компонентов) усиливает процесс гидрогенизации, повышая его эффективность.

Методика использовалась в Германии во время Первой мировой войны. Удавалось получать 15-20% бензина от органической массы угля при общем количестве жидких продуктов в 50%. Процесс проходил в один этап и назывался «бергенизация».

На первом этапе сквозь слой раскаленного угля продували перегретый водяной пар, получая так называемый «водяной газ» — смесь угарного газа (монооксид углерода) и свободного водорода. Он может применяться в качестве топлива самостоятельно или преобразовываться в жидкое горючее. Другое название продукта — синтез-газ — служит вторым наименование метода Фишера-Тропша.

Технология использовалась на заводах в Германии в 1930-х годах. Их общая производительность составляла более 5 млн тонн моторного горючего в год. Пик выпуска синтетического жидкого топлива (СЖТ) в стране пришелся на годы Второй Мировой войны.

И хотя стоило такое топливо в три-пять раз дороже, чем горючее, получаемое из природной нефти, это было оправдано. Ведь в стране к началу войны почти не оставалось собственной нефти.

Третий способ получения СЖТ из угля — термический — также предложили германские ученые в начале прошлого века. И применялся он для производства бензина во время Второй мировой войны.

Уголь без доступа воздуха при температуре 1200 °С разлагается на угарный газ и водород. Затем в присутствии катализатора из этих двух газов синтезируется бензин, солярка, мазут и другие вещества.

В 1960-1970-е годы технология была усовершенствована. В советском Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва) под руководством члена-корреспондента АН СССР Зиновия Чуханова был разработан метод высокоскоростного пиролиза углей (ВСП). Угольная пыль нагревается со скоростью 104 °С в секунду и выше — до 600–700 °С.

Такой режим пиролиза увеличивает выход жидких органических продуктов из угольной пыли вдвое по сравнению с обычным методом. И существенно улучшает их качество.

В 1987 году была создана энерготехнологическая установка по полукоксованию углей Канско-Ачинского бассейна ЭТХ-175 на Красноярской ТЭЦ-2, но ее так и не запустили.

Работа по созданию технологий термической переработки низкосортных углей и горючих сланцев путем их пиролиза в ЭНИНе ведется на протяжении многих лет.

«Основная концепция применения этих технологий исходит из того, что большинство низкосортных твердых топлив целесообразно перерабатывать, получая из них жидкие продукты — высококалорийное моторное и котельное топливо, высококалорийный горючий газ, а в ряде случаев и дефицитные химические продукты, в том числе такие, которые из нефти получить либо не удается, либо в этом случае они более дороги», — говорится в одном из разделов сайта института.

В 1943-44 годах мировое производство моторных топлив из угля составило четыре миллиона тонн. США наладили промышленный выпуск синтетического бензина в 1947 году. Фирмы «Стандарт Ойл» и «Техас» выпускали по 1 300 тонн в сутки.

Технология деструктивной гидрогенизации совершенствовалась до конца 1940-х – начала 1950-х годов. Выход бензина был доведен до 60% при практически полном превращении угля в жидкие продукты. К 1980-м заводы промышленной переработки углей в моторные топлива работали в ЮАР, Новой Зеландии, США, Китае. Опытно-промышленный завод действовал в Кемерове. В апреле 1981 года в газете «Правда» было опубликовано решение о строительстве при шахте «Бельковская» в Тульской области завода по производству жидких продуктов из бурого угля. Есть сведения, что он проработал несколько лет.

Однако открытие крупных залежей нефти в Поволжье и Западной Сибири «притормозило» проекты по разработке технологий и созданию производств. Делать жидкое горючее из нефти при тогдашних ценах в два доллара за баррель было экономически выгоднее. Заводы, ориентированные на выпуск «угольного» синтетического топлива, были переоборудованы в нефтеперерабатывающие и нефтехимические.

На своих заводах в ЮАР компания Sasol применяет две технологии: «уголь в жидкость» — CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» — GTL (gas-to-liquid). В Южноафриканской Республике, где нет собственной нефти, моторное топливо из угля производится примерно на сотне предприятий.

В промышленном сегменте наибольшее распространение получили технологии газификации углей для получения СЖТ. Методика компании «Лурга», например, предполагает использование стационарных слоев кускового угля. «Винклер» использует кипящий слой мелких угольных частиц. «Копперса-Тотцека» — аэрозольный поток топлива. Из одной тонны угля получается 2 000 м3 газовой смеси, которая может служить сырьем для производства синтетического жидкого топлива.

В Казахстане в 2012 году ДГП «НИИ новых химических технологий и материалов» представило свой вариант гидрогенизации: синтетическая нефть получается при добавлении водорода под давлением всего в 50 атмосфер. Невысокие параметры давления снижают энергозатраты. Продукт отличается более высоким, чем у природной нефти, октановым числом: 80-100 против 50-60. По оценкам ученых, на тот момент инвестиции в создание завода по выпуску СЖТ производительностью до двухсот тонн топлива в сутки по их методу составляли около шести миллионов долларов. Поскольку в Казахстане запасов угля в десятки раз больше, чем нефти, разработчики выразили уверенность, что идея будет востребована.

На Алтае в 2006 году ООО ТЭК «Полипром» была запатентована технология получения синтетического жидкого топлива (СЖТ) из бурых углей Мунайского месторождения методом высокоскоростного высокотемпературного пиролиза. Изготовлена опытная установка.

Кемеровское конструкторское бюро Климова предлагает получать жидкое топливо из смеси угля с водой в соотношении 50х50 под высоким давлением с кавитационной механической и электромагнитной обработкой.

После дробления уголь вместе с водой поступает в электроимпульсный дезинтегратор, где под электрическим разрядом мощностью в 50 тыс. кВ «разбивается» на частицы размером в 30 микрон. Затем смесь направляется в ультразвуковой дизинтегратор и измельчается до заданной фракции. Следующий этап – преобразование в плазменном реакторе: происходящие в нем химические процессы позволяют получить топливо, близкое по своим характеристикам к природной нефти.

Затраты энергии — 5 килловатт на одну тонну угля. Сырье — бурый уголь или каменный. Выход продукта — 50% от объема исходного материала. Рентабельность производства, по данным разработчика, — 400%. Дисперсностью получаемой жидкой фракции — 1-5 микрон. Использовать ее можно в качестве топлива для котлов, в каталитических теплофикационных установках, в обжиговых печах и как готовую исходную смесь для получения синтез-газа, а в дальнейшем — синтетических моторных топлив.

Другие ученые — из Бурятии — заявляют, что их технология с использованием ультразвуковой кавитации дает еще более высокий выход нефти — до 70%.

Что касается исходного сырья, то угля, пригодного для выпуска СЖТ, в стране достаточно. В первую очередь — в обжитых промышленных регионах: Кузнецком и Канско-Ачинском, а также в Иркутском, Ленском и других бассейнах.

Это подтверждается цифрами. Так, сегодня общемировые инвестиции в решение проблемы производства синтетического жидкого топлива из угля превышают 15 млрд долларов США ежегодно. В Южно-Африканской Республикой фирма Sasol уже сейчас перерабатывает 50 млн тонн угля по схеме Фишера-Тропша и выпускает 7-8 миллионов тонн СЖТ в год. Китай в 2015 году планирует организовать производство из угля порядка 1 миллиона баррелей дизтоплива в день.

Существующие сегодня технологии позволяют получать тонну синтетической «нефти» из двух-трех тонн каменного угля или из пяти тонн бурого.

Что касается цены, то рост цен на нефть и снижение себестоимости добычи угля открытым способом повышает рентабельность производства СЖТ.

Спецвыпуск журнала «Промышленные страницы Сибири» «Добывающая промышленность» №2-2015 г.

Http://www. epps. ru/journal/detail. php? id=1443

В этой статье разберем первую установку фишера-тропша. Как третьему рейху практически получалось делать бензин из газогенераторного газа (или синтез газа) полученного из угля. Схема и принцип работы установки.

Война пожирает ресурсы, а самый востребованный ресурс, фундамент экономики войны — нефть (бензин, дизель, авиационное топливо). Даже не смотря на то, что Гитлеру помогала наука и ежегодно рейх получал 20 миллионов литров топлива по технологии Фишера-Тропша из низкокачественного бурого угля империя все равно испытывала дефицит бензина, дизеля и авиационного топлива для своей многомиллионной армии. Именно по этой причини и произошла сталинградская битва. Рейху требовалась нефть Кавказа, но чтобы ее получить командование вермахта не могло позволить себе попасть в окружение которое неминуемо произошло бы оставь они за своей спиной Сталинград.

Давайте разберем как они этот бензин получали и подробно рассмотрим установки первого поколения которые сегодня усовершенствованы до 4 поколения и благополучно дают сотни миллионов литров бензина, дизеля и пр. углеводородов по всему миру.

Все знают как получают бензин из нефти — фактически ее "варят" в закрытых емкостях. Точно также сегодня можно получить грязную нефть если варить на костре старые покрышки в закрытых бочках (называют ретортами). Или обыкновенный бытовой мусор. Да, вы не ослышались если поместить мусор (любой бытовой мусор из мусорки) в закрытую бочку (закупорить герметично) и разжечь под ней костер можно получить жидкую, грязную нефть. Конечно же эта "нефть" будет грязной и чтобы ее перегнать в чистое топливо нужно множество блоков оборудования, очистки и в конце концов выход чистого топлива будет очень маленьким, а потратится при этом большое количество энергии как электрической так и тепловой (газ на поддержание процесса). Оборудование будет при этом громоздким и дорогим. Поэтому и ведутся в мире войны за качественную нефть из которой перегнать бензин и дизель стоит как можно меньше.

Франс Фишер и Ганс Тропш в 1920-х годах работавших над проблемой получения бензина пошли по другому пути — получать бензин и дизель не "варением" сырья, а катализом. Как в этом случае происходит процесс?

Сырьем для получения бензина служит твердое топливо — при этом оно может быть любым способным гореть (Есть определенные ограничения по влажности и зольности топлива, а также по количеству углерода в его составе — об этом подробно в треугольнике Таннера).

Это твёрдое топливо сперва газифицируют на газогенераторах превращая в синтез газ, а потом этот синтез газ пропускают через измельченный катализатор сделанный из определенного железа и газ преварщается в бензин и дизель при этом очень чистый — чище чем на заправках.

Не путайте газогенератор с пиролизными котлами — это совершенно разные устройства. Газ который получается называют синтез газом или газогенераторным газом.

Суть газификации заключается в том, что 20% топлива просто горит, а в это время 80% топлива превращается в синтез газ за счет тепла горения первого. Кратко этот процесс работает так: мы берем дым от костра (горение топлива в газогенераторе происходит также как в обычном костре) и пропускаем назад через раскаленные угли и когда это происходит в закрытой емкости без подсоса воздуха извне — дым становится горючим газом. Вот так все просто (рассчитать аппарат по формулам правда не просто и потом этот газ очистить).

Сделав таким образом мы получаем из следующих топлив такое количество синтез газа:

Брать любое горючее топливо имеющее низкую цену или отходы за которые платят деньги чтобы их вывести и уничтожить такие как мусор или фекалии городских отстойников например и превращать в бензин и дизель много интереснее чем добывать из нефти — жечь которую как известно все равно что "жечь ассигнации" по словам Менделеева.

Борясь в своих лабораториях десятилетиями ученые нашли металлы способные на реакцию катализа — для превращения синтез газа в бензин подойдут только 4 металла, 2 из которых забраковали, а два эксплуатируют до сих пор — Железо и Кобальт (забраковали Никель и Рутений).

Головы ломали ученые и вот каким был первый аппарат получения жидких углеводородов.

Дело в том, что при превращении синтез газа в бензин (когда мы продуваем его через порошек катализатора или шарики с нанесенным на него порошком) выделяется энергия равная 30% энергии полученной если газ поджечь. Так каждый куб газа давал около 600 ккал/нм3 при превращении. Если оставить этот процесс без охлаждения температура достигала бы чуть ли не 1500 градусов цельсия. А температура должна была быть около 210 градусов цельсия чтобы процесс шел как надо. По этой причине в трубы подавался пар который снимал лишнее тепло. Сам Фишер опытным путем установил — на такой установке расстояние между пластинами должно было быть не больше 10мм, а сделал он 7мм. Пара надо было подавать 5кг на каждый полученный литр бензина (здесь все жидкие углеводороды полученные таким путем я называю бензином и дальше также). Трубы брали диаметром чуть меньше чем водопроводные в наших квартирах с толщиной стенки 4мм чтобы их не разорвало от давления которое могло достигать 30 атмосфер.

С одного куба синтез газа получалось выжать 160г бензина. Если учесть что 1кг бурого угля давал около 3.7м3 газа можно посчитать экономику.

Длинна реактора была 5 метров, высота до 3.5 метров. Ширина реактора 2м. За один раз в реактор загружали около 3 тонн катализатора сделанного на основе железа. Вес такой установки достигал 50 тонн.

Вот как происходил процесс катализа на молекулярном уровне в этой установке (зеленые шарики это железо, правильнее железный катализатор, красные — кислород, белые водород, серые углерод):

Http://www. drive2.ru/b/3081928/

В современном мире цены на бензин уверенно поднимаются вверх, несмотря на то, что стоимость нефти постоянно падает.

В связи с этим многие начинают задумываться над тем, возможно ли в домашних условиях изготовить бензин и как это сделать.

Ведь принято считать, что бензин можно изготавливать только на огромных промышленных заводах. В данной статье постараемся разобраться с вопросом поподробнее.

Существует два эффективных и проверенных способа. Оба этих способа были разработаны германскими ученными в начале прошлого века.

В годы великой отечественной войны практически вся немецкая техника передвигалась при помощи угольного топлива.

Ведь, как известно, в Германии нет месторождений нефти, зато налажена добыча угля. Из бурого угля немцы изготавливали дизельное и бензиновое синтетическое топливо.

Как это ни удивительно, с точки зрения химии уголь не так сильно отличается от нефти, как многие полагают. Основа у них одна — это водород и горючие соединения углерода. Правда, водорода в угле поменьше. Горючую смесь можно получить, уровняв показатели водорода.

Приблизительно 80 кг бензина можно будет получить из одной тонны угля. При этом в угле обязательно должно содержаться 35% летучих веществ.

Для начала переработки, уголь мелко перемалывают до пылевидного состояния. Затем угольную пыль тщательно просушивают. После этого ее смешивают с мазутом или маслом до получения пастообразной массы.

Гидрогенизация — это добавление в угольную смесь недостающего водорода. Помещаем сырье в специализированный автоклав и нагреваем его. Температура в нем должна находиться на отметке 500 градусов, а давление 200 Бар.

В автоклаве протекает несколько достаточно сложных химических реакций. Уголь насыщается необходимым водородом, а входящие в его состав сложные частицы распадаются на простые.

В итоге мы получаем дизельное топливо или бензин. Это будет зависеть от самого процесса.

измельчение угля до состояния пыли; добавление в него масла; нагрев в автоклаве при большой температуре.

Очень важно сделать подходящее оборудование. Дома самостоятельно изготовить его достаточно сложно, ведь давление в автоклавах выше, чем в кислородных баллонах.

Не рекомендуется делать бензин своими руками в квартире. Лучше всего для изготовления бензина подходит дача или на крайний случай гараж.

Газификация это разложение твердого топлива на газы.

Позже к полученным газам добавляют недостающие вещества и трансформируют в жидкое состояние для получения бензина.

Существует несколько способов переработки угля в бензин методом газификации.

Первый способ теоретически можно использовать дома. Называется он метод Фишера-Тропша. Но данный способ достаточно трудоёмок в исполнении, требует слишком сложного оборудования, а в итоге оказывается нерентабельным, поскольку тратится много угля и готовый бензин получается дешевле.

Кроме этого, выделяется большое количество углекислого газа, процесс переработки становится очень опасным в домашних условиях. Поэтому данный способ мы не станем разбирать подробней.

Также существует термический способ газификации. Он осуществляется при помощи нагрева сырья при полном отсутствии кислорода. Естественно для этого также требуется соответствующее оборудование. Ведь температура разложения угля на газ составляет 1200 градусов.

Основной плюс данного метода заключается в том, что часть газов отправляется на синтез бензинового топлива, а часть на подогрев сырья. Это помогает снизить затраты. Таким образом, уголь сам себя подогревает.

Изготовить бензин своими руками можно с помощью старых резиновых покрышек.

резиновые отходы; печь; дистиллятор; емкости из огнеупорных материалов.

Пошаговая инструкция по изготовлению бензина из резиновых покрышек выглядит следующим образом:

Необходимо приготовить металлическую бочку с плотно закрывающейся крышкой. Кроме этого потребуется жароустойчивая трубка. Ее необходимо подсоединить сверху к крышке. Таким образом получится самодельный реторт. Затем необходима емкость для конденсата и еще одна небольшая ёмкость с двумя трубками для создания водяного затвора. Одну трубку опускают в воду, а вторую держат над ней. Далее надо собрать устройство для выработки углеродов в жидком виде. Для этого к конденсату подсоединяем трубку от нашего реторта. Затем конденсат и водяной затвор также соединяем шлангом. Вторую трубку подсоединяем к печке, на которую устанавливаем реторт. В итоге получается система замкнутого типа для крегинга при высоких температурах. Резину закладываем в реторт и плотно закрываем крышкой, затем необходимо нагреть ее на сильном огне. При высокой температуре молекулы резины разрушаются. Происходит возгонка, т. е. переход из твердого состояния в газообразное минуя жидкую стадию. Затем данный газ поступает в наш конденсатор, в котором температура намного ниже. Пары конденсируются, и как итог, мы получаем нефть в жидком виде. Полученное вещество необходимо очистить, для того потребуется дистиллятор, который часто применяют при использовании самогонных аппаратов. Взвесь доводится до кипения при температуре 200 градусов, и получается бензин.

Бензин делают не только из угля и резиновых покрышек.

Его можно получить из мусора, дров, пеллетов, листьев, скорлупы орехов, шелухи от семечек, кукурузных стержней, торфа, соломы, камыша, сорняков, тростника, старых шпал, сухого навоза птиц и животных, пластиковых бутылок, медицинский отходов и др.

Процесс производства бензина в домашних условиях, рассмотренный выше, не так сложен, как кажется на первый взгляд. Такие термины, как гидрогенизация, газификация и пр. могут вводить в заблуждение. Но на самом деле наладить производство и изготовить бензин своими руками не так трудно, как кажется.

Предлагаем Вашему вниманию интересный репортаж о том, как сделать бензин в домашних условиях:

Http://teplo. guru/bez-rubriki/benzin-v-domashnih-usloviyah. html

Что получают как из нефти, так и из угля вы можете видеть на картинках.

Но самое первое, что приходит на ум, это то, что уголь используют для отопления, а нефть – на бензин и другое топливо, газ.

Например, продукты переработки нефти идут и на изготовления лекарств, парфюмерии, пластмассы.

Уголь – это в первую очередь источник тепла, углем топят печи, а еще на электростанциях с помощью каменного угля вырабатывают электрический ток. Также из каменного Угля получают краски, лекарства, резину, пластмассу.

Из угля и нефти получают огромное количество полезных продуктов.

Одно из основных применений угля и нефти – это использование в качестве топлива.

При переработке НЕФТИ помимо топлива, получают следующие продукты:

3) сжиженный нефтяной газ, который является сырьем для нефтехимической промышленности. Из этого газа делается огромное количество продуктов, известных всем в быту: полиэтилен (пакеты), поливинилхлорид (окна ПВХ), синтетических каучук (шины), полипропилен (стройматериалы), ПЭТФ (пластиковые бутылки) и многие другие.

Нефть без сомнения очень и очень удивительное и нужное вещество во всём мире. Нефть всегда считалась и считается природным богатством. Ведь из нефти получают почти все, нефть имеет широчайшее использование. Если говорить коротко, то из неё получают множество нужных вещей и продуктов для человека, начиная от топлива и заканчивая лекарствами и продуктами питания. Любое топливо для машин, пластик, полиэтилен, вазелин, аспирин, губная помада, одежда, которая почти не мнётся, парафиновые изделия (карандаши, свечи, краски), маргарин и можно перечислять и перечислять и это будет ещё не всё. Постепенно из нефти делают новые продукты, например, уже существует искусственное мясо, молоко, сыр и др.

Уголь также перерабатывается в нужные материалы, вещества и продукты. Уголь тоже очень полезное ископаемое, из него делают множество разных лекарств, красок, пластиковых изделий, смазочный материал, множество строительных материалов и веществ, а самое чем всем известен уголь-это отличное топливо, которое даёт тепло при горении.

Http://www. bolshoyvopros. ru/questions/634483-chto-poluchajut-iz-uglja-i-nefti. html

Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Из 3,5 триллиона тонн органического топлива, которое можно извлечь из земных недр, 80% составляет уголь. В нашей стране находится половина всех мировых запасов угля.

Каменный уголь — сложная смесь органических веществ, которые образо­вались в результате разложения древесных и растительных остатков в те­чение миллионов лет. Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: кок­сование, гидрирование и неполное сго­рание.

Коксование угля осуществляется в коксовых печах, представляющих собой камеры, в верхней части которых нахо­дятся отверстия для загрузки угля (рис. 5). Камеры отделены друг от друга отопительными простенками. В них сжигается газ, предварительно подогретый в регенераторах, которые расположены под камерами.

1 — газосборник для продуктов конден­сации; 2 — отвод летучих продуктов коксова­ния; 3 — люк для загрузки угля; 4 — камеры коксования;

5 — отопительные простенки; 6 — регенераторы (теплообменники) для нагрева топливного газа и воздуха

Темпера­тура в камерах 1000–1200°С. При этой температуре без доступа воздуха каменный уголь подвергается сложней­шим химическим превращениям, в ре­зультате которых образуются кокс и летучие продукты. Коксование камен­ного угля — периодический процесс: после выгрузки кокса в камеру загру­жается новая порция угля. Получен­ный кокс гасят водой. Остывший кокс отправляют на металлургические заво­ды, где он используется в качестве восстановителя при производстве чу­гуна. При охлаждении летучих продук­тов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), азот, этилен и другие вещества. Пропуская эти газы через раствор серной кислоты, выделяют аммиак в виде сульфата аммония. Сульфат аммония используют как азот­ное удобрение. Бензол поглощают растворителем, а затем отгоняют из раствора. После отделения от аммиака и бензола коксовый газ используют в качестве топлива или как химическое сырье. Каменноугольная смола образу­ется в незначительных количествах (до 3%). Но, учитывая масштабы произ­водства кокса, каменноугольная смола рассматривается как сырье для про­мышленного производства целого ряда органических веществ. Из каменно­угольной смолы получают бензол и его производные, нафталин, фенол и другие ароматические соединения. Основные продукты, получаемые при коксовании угля, представлены на схеме (рис. 6).

Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса — пек. Он применяется для изго­товления лаков (пековый лак), незаме­нимых при окрашивании железных и деревянных конструкций.

Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под дав­лением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом обра­зуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Достоинством этого метода является возможность гидриро­вания низкосортного дешевого бурого угля, запасы которого в нашей стране огромны.

Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (ни­кель, кобальт) при обычном или повы­шенном давлении из водорода и оксида углерода (II) можно получить бензин, содержащий предельные и непредель­ные углеводороды:

Д. И. Менделеевым предложен про­грессивный способ превращения угля в газообразное топливо путем его газификации непосредственно в месте зале­гания (под землей). В настоящее время в нашей стране и за рубежом прово­дятся работы по подземной газифика­ции каменного угля.

Исследования показали, что этим методом из угля можно получить до 40% метана, 45% кокса и 3% жидкого топлива.

Если сухую перегонку угля (а также древесины или торфа) проводить при 500–550°С, то получают деготь, кото­рый наряду с битумом используется в строительном деле в качестве свя­зующего материала при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покры­тий (рубероид, толь и т. д.).

Http://helpiks. org/9-22646.html

Уголь и нефть при сравнении их элементного состава оказываются ближайшими родственниками. Главное различие твердого и жидкого топлива в разнице содержания наиболее калорийного элемента — водорода (4-8 % в угле против 11-15 % в нефти).

Если тонко измельченный уголь насыщать водородом и данный процесс будет происходить при определенных термодинамических условиях, то твердое топливо почти полностью переходит в жидкое состояние. Получается синтетическая нефть, близкая по свойствам природной.

Процесс гидрогенизации угля происходит при температуре 400-500 ОС и давлении 50-300 кгс/см2.

В качестве источника водорода и растворителя угля (пастообразователя) могут быть использованы остатки от перегонки нефти или синтетическая нефть, получаемая в результате самого процесса. Для интенсификации процесса в камеру вводится элементарный водород.

Без растворителя в жидкое состояние переходит только 5-8 % угля. В значительной мере ускорить гидрогенизацию, а также увеличить степень сжижения угля позволяют катализаторы: молибден, кобальт, никель, железо, олово, алюминий и их соединения.

Жидкое топливо из угля можно получать и по другому принципу: первоначально угольное сырьё подвергнуть процессу газификации, а потом сжижать газ в присутствии катализатора, чтобы получить различные жидкие фракции.

В настоящее время во многих странах уделяется серьезное внимание вопросам производства жидкого синтетического топлива из угля. Выделяются значительные средства на исследования, конструирование опытных установок. Исследования по гидрогенизации углей начались еще в 30-х годах в СССР. В Советском союзе эксперименты велись в основном на базе дешевых бурых углей Канско-Ачинского бассейна и газовых, длиннопламенных углей Кузнецкого бассейна.

Был разработан прогрессивный способ так называемой жидкофазной гидрогенизации, где в качестве пастообразователя (донора водорода) используется не нефть, а продукты гидрогенизации угля.

Удельный расход угля в целом зависит в первую очередь от его качества и технологических свойств, а также от метода гидрогенизации. Чтобы получить одну тонну синтетической нефти с учетом всех затрат, в том числе на производство водорода и энергетическое обеспечение процесса, требуется 4-5 тонн Канско-Ачинского или 2-3 тонны Кузнецкого угля. В зависимости от условий проведения гидрогенизации и состава исходного угля можно получить бензин, солярку, мазут, керосин, а также сырье для органического синтеза.

Еще советские ученые пришли к выводу, что затраты на производство одной тонны жидкого топлива из угля на 30% меньше, чем на получение подобных продуктов из нефти, добываемой обычным способом.

Это говорит об огромных перспективах производства синтетического топлива из углей. Но как ни парадоксально масштаб подобных исследовательских работ в России практически не ведется. Это объясняется значительным богатством России ресурсами жидких и газообразных углеводородов.

Еще один метод получения синтетического топлива — газификация, то есть облагораживание низкокалорийного угля с целью получения высококалорийных газов различного назначения. Для газификации пригодны все виды твердого топлива, в том числе бурые и каменные угли, запасы которых в России оцениваются в сотни миллиардов тонн. Еще в период с 50-го по 60-ый год в Советском Союзе работало более 340 газогенераторных станций. Они давали более 15 миллиардов кубометров энергетических и технологических газов в год. С ростом добычи более дешевого природного газа объемы газификации угля резко уменьшились. Но интерес к этому снова возник еще на заре Советского союза, но объективные причины тех лет загнали эту инициативу в далекий угол на долгие годы.

Использование в топливном балансе страны синтетических углеводородов, получаемых из угля, перспектива ближайшего будущего. Необходима оценка ресурсов и разведка месторождений углей пригодных для синтеза, разработка полупромышленных, промышленных установок для гидрогенизации и газификации. В завершении еще одно важное обстоятельство. Продукты, полученные в процессе газификации и гидрогенизации углей, гораздо меньше загрязняют атмосферу, чем уголь, сжигаемый на электростанциях.

Http://www. yaprofi. net/producing-gasoline-and-high-calorific-gases-from-coal/

В связи с исчерпанием природных нефтяных ресурсов проанализированы возможности современных промышленных технологий по переработке угля в топливо и химические продукты.

In connection with exhaustion of natural oil resources opportunities of modern industrial coal processing in fuel and chemical products are analysed.

С. В. Николаева (к. х.н., доц.), Ф. Н. Латыпова (к. х.н., доц.), С. Ю. Шавшукова (д. т.н., в. н.с.)

1 НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712, e-mail: reaktiv2003@mail. ru

2Уфимская государственная академия экономики и сервиса 450014, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145, тел. (347) 2289134, e-mail: post@ugaes. ru

1 Scientific-Research Institute of Low-Tonnage Chemical Products and Reagents of Ufa State Petroleum Technological University 75, Ulyanovykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2431712 2 Ufa State Academy of Economy and Service 145, Chernyshevskogo Str, 450014, Ufa, Russia; ph. (347) 2289134, e-mail: post@ugaes. ru

В связи с исчерпанием природных нефтяных ресурсов проанализированы возможности современных промышленных технологий по переработке угля в топливо и химические продукты.

Ключевые слова: газификация; гидрогенизация; пиролиз; синтез-газ; синтетическое жидкое топливо; уголь; химические продукты.

In connection with exhaustion of natural oil resources opportunities of modern industrial coal processing in fuel and chemical products are analysed.

Key words: gasification; hydrogenization; pyrolysis; synthesis-gas; synthetic liquid fuel; coal; chemical products.

В настоящее время мировое сообщество осознало необходимость поиска новых энергохимических источников в связи с приближающимся исчерпанием нефтяных ресурсов нашей планеты 1. Поэтому наряду с поиском альтернативных источников топлива и энергии заслуживают особого внимания вопросы использования ресурсов угля, как потенциального источника углеводородов, химических продуктов и водорода. Разумеется, уголь — продукт природы, запасы которого также небезграничны, однако в переходный период от эры углеводородного топлива к альтернативным его источникам (биомасса, водород и др.), по мнению многих специалистов, уголь может сыграть решающую роль в мировой топливно-

Технологии переработки угля в синтетическое жидкое топливо (СЖТ) были разработаны еще в начале XX в. и успешно эксплуатировались, например, уже в 1930—1940-е гг. в Германии. Однако в последующем открытие новых нефтяных месторождений, развитие нефтедобычи и нефтепереработки привели к тому, что СЖТ из угля не смогло конкурировать с аналогичной продукцией из нефти 5.

Отличительной особенностью разрабатываемых на настоящем этапе развития науки и техники технологий переработки угля является необходимость снижения выбросов в атмосферу углекислого газа. Такие технологии за рубежом получили название CCT (Clean Coal Technology) 6.

В последние годы во многих странах (Австралии, Великобритании, США, Германии, Испании, Индонезии, Колумбии, КНР, Пакистане, и Японии) ведутся научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по совершенствованию технологий и улучшению технико-экономических показателей отдельных стадий процессов переработки угля и продуктов его ожижения. Достижения в области новых технологий переработки углей обсуждаются на форумах международного уровня 712.

Получение СЖТ из угля включает следующие основные стадии: удаление золы, превращение твердого органического вещества в жидкое, обогащение его водородом и удаление кислорода, азота и серы в виде Н2О, NH3 и H2S. Промышленное распространение получили следующие технологии переработки углей: пиролиз, гидрогенизация и газификация 13-15.

Пиролиз — разложение органического вещества угля путем его нагревания в отсутствии воздуха, которое сопровождается перераспределением водорода между образующимися газообразными и жидкими продуктами и углеродистым твердым остатком. Это наиболее простой способ получения из углей жидких и газообразных продуктов. В зависимости от конечной температуры нагрева угля различают полукоксование (480—600 оС), среднетемпе-ратурное коксование (600—900 оС) и высокотемпературный пиролиз (выше 900 оС). В результате пиролиза уголь превращается в кокс или полукокс, воду, газы (Н2, СО, Н2Б, СН4), масло и смолу (фенолы, гетероциклические соединения, нафталин, антрацен). Выход продуктов для углей различных классов представлен в табл. 1 16.

К преимуществам процессов пиролиза угля следует отнести низкое давление, отсутствие дополнительных источников водорода и химических реагентов, сравнительную простоту оборудования и малую капиталоемкость. К недостаткам — сравнительно низкий выход жидких продуктов. В смолах пиролиза обычно содержится около 35 % мас. фенолов и значительные количества асфальтенов и осмоляю-щихся веществ. Поэтому пиролиз нельзя считать целесообразными для производства моторных топлив из угля.

Деструктивная гидрогенизация — термическое разложение угля под давлением 200— 700 атм с применением катализаторов на основе железа, вольфрама, молибдена и др. В отличие от коксования и полукоксованиями этим методом можно практически полностью превратить органическое вещество угля в жидкие и газообразные продукты (табл. 2) 18.

В результате гидрогенизации происходит растворение органической массы угля и насыщение ее водородом. Процесс осуществляется в две стадии, первая из которых — перевод массы угля в жидкое состояние; вторая — гидрокрекинг (парофазная гидрогенизация) с целью получения моторного топлива.

При жидкофазной гидрогенизации углей при 300—500 оС происходит разрушение сложной матрицы угля, сопровождающееся разрывом химических связей и образованием свободных химических радикалов. Стабилизируясь водородом, радикалы образуют молекулы меньшего размера, чем исходные макромолекулы. Рекомбинация свободных радикалов приводит также к образованию высокомолекулярных соединений 19. Необходимый для стабилизации радикалов водород частично обеспечивается за счет реакций дегидрирования применяемых доноров водорода, которые, кроме того, выполняют функцию пастообразо-вателя. Хорошими донорскими свойствами обладают конденсированные ароматические соединения, например, тетралин, а также смесь тетралина и крезола 20. На производстве

Большее распространение в качестве доноров водорода получили дистиллятные фракции продуктов ожижения угля, в которых содержится большое количество конденсированных ароматических соединений.

Установлено 21 22, что для гидрогенизаци-онной переработки угля в жидкие продукты предпочтительны каменные угли невысоких стадий метаморфизма, а также бурые угли с содержанием 65—86 % мас. углерода.

Гидрогенизационная переработка углей осуществляется двумя способами: термическим растворением и каталитическим ожижением.

Термическое растворение представляет собой мягкую форму химического преобразования угля. При взаимодействии с донором водорода часть органического вещества угля переходит в раствор и после отделения твердого остатка обычно представляет собой высоко-кипящий экстракт угля, освобожденный от минеральных веществ, N-, O-, S-содержа-щих соединений и других нежелательных примесей. Для повышения степени конверсии угля в раствор подают газообразный водород. Полученные первичные продукты переработки угля могут быть превращены в СЖТ с помощью вторичных процессов термопереработки, гидрогенизации и облагораживания.

Разработанный в США процесс экстракционной очистки угля («Solvent Refined Coal» — SRC) в базовом варианте «SRC-I» проводится при температуре 425—470 оС, давлении 7—10 МПа и времени пребывания в зоне реакции » 30 мин. Основным продуктом процесса является очищенный от серы угольный экстракт, затвердевающий при температуре 150—200 оС. В модифицированном варианте процесса «SRC-II» 23 (рис. 1) за счет повышения давления до 14 МПа и увеличения времени пребывания угольной пасты в реакционной зоне в качестве целевого продукта получают жидкое топливо широко фракционного состава. Выделенный из жидких продуктов газ, содержащий преимущественно водород и газообразные углеводороды с примесью сероводорода и диоксида углерода (I ступень), после охлаждения до 38 оС направляется в систему очистки от кислых газов. На криогенной установке выделяются газообразные углеводороды С3—С4 и очищенный водород, который возвращается в процесс. Жидкие продукты из газосепараторов поступают в атмосферную колонну, где разделяются на фракции: бензиновую (28—193 оС), средний дистиллят (193—216 оС) и тяжелый дистиллят (216—482 оС). Образующаяся на I ступени разделения в газосепараторах уголь-

Ная суспензия разделяется на два потока: один подается на смешение с исходным углем, другой — в вакуумную колонну. С верха вакуумной колонны часть жидкого дистиллята, содержащегося в суспензии, отводится в атмосферную колонну, а остаток с низа идет на получение синтез-газа, используемого для производства водорода или топлива.

Технология термического растворения угля EDS («Exxon Donor Solvent») 24 предназначена для производства синтетической нефти с последующей переработкой ее в моторные топлива. В этом процессе уголь после измельчения и сушки смешивается с горячим растворителем—донором водорода — предварительно гидрируемой фракцией 200—430 оС жидкого продукта процесса. Смесь подается в проточный реактор с восходящим потоком вместе с газообразным водородом, где при 430—480 оС и 14—17 МПа происходит термическое растворение угля. Полученные продукты разделяются сепарированием и вакуумной ректификацией на газы и фракции, выкипающие в пределах до 540 °С и остаток > 540 оС, в котором содержатся также непрореагировавший уголь и зола. При различном технологическом оформлении процесса (без рециркуляции остатка — I и с рециркуляцией остатка — II) выход фракций составляет, % мас. 25:

К достоинствам технологии термического растворения следует отнести более низкую, чем при пиролизе углей, рабочую температуру и возможность получения продукта заданного качества путем варьирования параметров процесса. К недостаткам — высокое давление процесса и наличие в составе продуктов высокомолекулярных соединений, которые образуются в реакторе в результате рекомбинации свободных радикалов и образования вторичных структур ароматического характера 19.

В процессе каталитической гидрогенизации катализаторы способствуют передаче водорода от растворителя к углю и активируют молекулярный водород, переводя его в атомарную форму. Применение катализаторов приводит к увеличению степени конверсии угля и улучшению состава получаемых жидких продуктов.

Рис. 1. Схема процесса термического растворения угля «SRC-II»: 1 — смеситель для приготовления пасты; 2 — печь для нагрева пасты; 3 — реактор; 4 — блок газосепараторов; 5 — абсорбер кислых газов; 6 — криогенное разделение газа; 7 — блок очистки топливного газа; 8 — разделение газообразных углеводородов; 9 — блок очистки синтез-газа и выделения водорода; 10 — блок получения серы; 11 — реактор газификации остатка; 12 — атмосферная колонна; 13 — вакуумная колонна.

Существуют разные варианты технологий прямого гидрогенизационного каталитического ожижения угля. В Германии на базе ранее применявшегося процесса Бергиуса-Пира с использованием нерегенерируемого железного катализатора разработана так называемая «новая немецкая технология» гидрогенизации угля, в которой что для получения пасты используют циркулирующий средний дистиллят. Жидкие продукты отделяются от твердого остатка вакуумной разгонкой (вместо центрифугирования), а шлам подвергается газификации для получения водорода. Рабочее давление процесса составляет 30 МПа 26' 227.

По технологии «Н-Соа1» (США) жидко-фазную гидрогенизацию проводят с применением псевдоожиженного слоя активного мелко дисперсного Со—Мо-катализатора (рис. 2) 28. Смесь сухого измельченного угля с рецирку-лирующим продуктом гидрогенизации, в которую был введен сжатый водород, нагревается и подается под распределительную решетку в реактор с псевдоожиженным слоем катализа-

Тора. Процесс осуществляется при температуре 425—480 оС и давлении около 20 МПа. Продукты реакции и непревращенный уголь непрерывно отводятся из реактора сверху, а отработанный катализатор — снизу. Постоянный вывод и регенерация катализатора обеспечивают поддержание его высокой активности.

Пары, выводимые из реактора, после конденсации разделяются на водород, углеводородные газы и легкий дистиллят. Газы направляются на очистку, водород — на рециркуляцию, жидкие продукты — в сепаратор, в котором отделяется фракция, подвергаемая затем разгонке. Из легкой части получают бензиновые и дизельные фракции. Остаточный продукт, выводимый с низа сепаратора, делится в гидроциклонах на два потока, первый их которых используют в качестве пастообразователя, а второй обрабатывают и газифицируют для получения водорода. Жидкий продукт, остающийся после отделения шлама, подвергают вакуумной разгонке с получением тяжелого дистиллята и остатка, используемого в качестве

Http://cyberleninka. ru/article/n/sovremennye-protsessy-pererabotki-uglya

В Красноярске успешно апробировано получение синтетической нефти из смеси 50% угля с водой под высоким давлением с кавитационной механической и электромагнитной обработкой. При этом вместо чистой воды можно использовать сточные и замазученные воды.

В Красноярске успешно апробировано получение синтетической нефти из смеси 50% угля с водой под высоким давлением с кавитационной механической и электромагнитной обработкой.

При этом вместо чистой воды можно использовать сточные и замазученные воды.

Технология позволяет производить полную переработку угля (как бурого, так и каменного) включающую в себя получение водно-угольной суспензии с дальнейшей ее переработкой в синтетическую нефть. Использование которой, в качестве печного топлива, не требует значительной модернизации котла. Также эта технология применяется для добычи цветных металлов из отвалов предприятий

В оборудовании нет вращающихся, трущихся и ударных механических частей, в следствии чего, нет абразивного износа измельчающего оборудования. На выходе получаем топливо дисперстностью 1-5 микрон (капля мазута при распылении форсункой имеет 5-10 микрон) по своим характеристикам близким к нефти.

От классической технологии осталась только дробилка крупного помола. После которой уголь с подготовленной водой, поступает в электроимпульсный дезинтегратор, где под электрическим разрядом (мощность разряда 50 000 киловольт) измельчается до 30 микрон. Далее поступает в ультразвуковой дизентегратор где измельчается до заданной фракции. Затем преобразуется в плазменном реакторе, где проходят химические процессы, позволяющие получить топливо близкое к природной нефти. При этом энергозатраты составляют 5 килловат на одну тонну СУН.

В оборудовании нет вращающихся, трущихся и ударных механических частей, в следствии чего, нет абразивного износа измельчающего оборудования. На выходе получаем топливо дисперстностью 1-5 микрон (капля мазута при распылении форсункой имеет 5-10 микрон) по своим характеристикам близким к нефти.

От классической технологии осталась только дробилка крупного помола. После которой уголь с подготовленной водой, поступает в электроимпульсный дезинтегратор, где под электрическим разрядом (мощность разряда 50 000 киловольт) измельчается до 30 микрон. Далее поступает в ультразвуковой дизентегратор где измельчается до заданной фракции. Затем преобразуется в плазменном реакторе, где проходят химические процессы, позволяющие получить топливо близкое к природной нефти. При этом энергозатраты составляют 5 килловат на одну тонну СУН.

Аналогичные методы в комплексе «Potram-уголь», разработанном в конструкторским бюро Шаха

Стоимость комплексов «POTRAM» по переработке угля в зависимости от производительности.

Бурый уголь размельчается до размеров 0,5 мм и перемешивается с мазутом или отработанными маслами и водой. В пропорции 1 часть бурого угля, 2 части отработанных масел (в дальнейшем кубовый остаток), 0.3 части воды. Смесь должна представлять собой пастообразный продукт, легко перекачивающийся шнековым насосом.

Подготовленная паста шнековым насосом подается в установку молекулярного взрыва. Реактор молекулярного разрыва производит генерацию мощных акустических волн путем высоковольтного импульсного электрического разряда в жидкой среде. Благодаря возможности формирования импульсов давления высокой амплитуды, этот метод позволяет воздействовать на некоторые характеристики среды, такие как состав, вязкость, дисперсность.

При воздействии импульсов давления высокой амплитуды, обрабатываемая среда подвергается воздействию сжимающих и растягивающих нагрузок. В результате – происходит дробление частиц дисперсной фазы многокомпонентных углеводородных продуктов и крекинг многоатомных углеводородных молекул. Предполагаются следующие механизмы этих явлений:

2. Кавитация в зонах разряжения, возникающих за волнами сжатия с последующим схлопыванием пузырьков отраженными от границ волнами сжатия.

3. Распад молекул воды на водород и кислород под воздействием электроразряда. Соединение молекул водорода с молекулами углерода угля, что приводит к его ожижению в среде водорода.

Способ ожижения бурого угля, основанный на измельчении и активации угольной массы с водой явлениями, сопровождающими кавитацию, и дальнейшее ожижение в среде органических растворителей, отличающийся тем, что измельчение, активацию и сжижение угля в среде органических растворителей осуществляют одновременно в реакторе импульсным электрическим разрядом в присутствии воды не менее 5 мас.% от угля.

Для отделения от ожиженного угля механических неорганических примесей и получения продуктов меньшей молекулярной массы производим нагревание ожиженного угля. Температура процесса 450-500°С. В результате из ожиженного угля получаются компоненты высокооктановых бензинов, газойлей (компоненты флотских мазутов, газотурбинных и печных топлив), бензиновых фракций, реактивных и дизельных топлив, нефтяных масел. Крекинг протекает с разрывом связей С—С и образованием свободных радикалов или карбанионов. Одновременно с разрывом связей С—С происходит дегидрирование, изомеризация, полимеризация и конденсация как промежуточных, так и исходных веществ. В результате последних двух процессов образуются крекинг-остаток (фракция с температурой кипения более 350 °C) и нефтяной кокс.

Полученная нефтяная жидкость после крекинг процесса подвергается процессу фракционной дистилляции для получения чистых товарных топлив. Дистилляция основана на различии в составах жидкости и образующегося из нее пара. Осуществляется путем частичного испарения жидкости и послед. конденсации пара. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) компонентами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) – менее летучими (высококипящими). Очистка веществ дистилляцией основана на том, что при испарении смеси жидкостей пар получается обычно иного состава – происходит его обогащение легкокипящим компонентом смеси. Поэтому из многих смесей можно удалить легко кипящие примеси или, наоборот, перегнать основное вещество, оставив трудно кипящие примеси в перегонном аппарате. Этим объясняется широкое использование дистилляции в производстве чистых веществ.

Кубовый остаток возвращается в начало технологического процесса для получения угольной пасты.

СУН приготовленная из различных углей, обладает различными характеристиками: теплотой сгорания, влажностью, зольностью и т. д.

Помимо данных характеристик, у СУН изменяется температура воспламенения.

В таблице 1, приведены типовые свойства СУН, полученного из каменного угля различных марок. Учитывая, что свойства углей различных месторождений могут изменяться, то и свойства СУН также будут отличаться.

Гетерогенные реакции на поверхности угольных частиц приводят к интенсификации горения, а активация угольных частиц паром приводит к снижению температуры воспламенения углей, чем при сжигании пылевидного сухого угля. Для антрацитов температура воспламенения снижается с 1000 градусов до 500, для газовых и длиннопламенных до 450, а для бурых до 200. 300 градусов.

1. Бункер подачи угля; 2. Электроразрядный диспергатор; 3. Промежуточная емкость; 4. Четырех роторный насос; 5.5-7-9-11. Ультразвуковой диспергатор; 6-10. Электромагнитный реактор; 8-12. Плазменный реактор; 13. Насос высокого давления; 14. Струйный кавитатор.

Цветом отмечены четыре ступени блока производства синтетической нефти.

Получение водно-угольной суспензии в электрорарядном диспергаторе;

Ультразвуковое воздействие на жидкую фазу (воду) приводит к изменению ее физических характеристик, что способствует диспергированию и стойкости эмульсии, эти изменения сохраняются достаточно долго. Наблюдается деструкция несущей фазы в результате ультразвукового воздействия и вызванные им механические реакции:

Предварительно измельченный уголь подается в бункер подачи 1, откуда поступает в электроразрядный диспергатор 2.

Для измельчения минерального сырья используется, новая не имеющая аналогов, технология электроразрядного диспергирования. Водно угольная суспензия проходя электророзрядный узел подвергается массированному электро-гидро-удару с частотой 180 электроразрядов в минуту. Вода в реализуемом способе измельчения является не только проводником энергии удара, доставляя его в мельчайшие трещинки частиц угля, но также в полном соответствии с эффектом П. А. Ребиндера снижает прочность твердого тела, облегчая его разрушение.

Различия между механическим и электроразрядным методами диспергирования: свойства получаемых продуктов различаются, поскольку при механическом способе измельчение осуществляется за счет сжимающих механических напряжений – продукт уплотняется, а при предлагаемом электроимпульсном способе измельчение осуществляется за счет растягивающих механических напряжений – продукт разуплотняется, т. е. появляются дополнительные поры, повышающие доступ растворителя к частицам угля. (В. И.Курец, А. Ф.Усов, В. А.Цукерман // Электроимпульсная дезинтеграция материалов – Апатиты. К этому следует добавить, что при измельчении угля импульсными электрическими разрядами возникает много явлений, подобных кавитационным: ударные волны, плазма и активные частицы. В воде при воздействии импульса высокого напряжения возникают гидратированные электроны (е) с временем жизни 400 мкс, происходит диссоциация молекул воды – появление активных частиц радикалов (О), (Н), (ОН). Эти активные частицы (е), (О), (Н), (ОН) вступают во взаимодействие с веществом угля, производя его ожижение (гидрирование).

Так же значительно уменьшается энергопотребление, исключены движущиеся механизмы измельчителей, их периодическая замена и абразивный износ мелющих частей.

Время выхода на рабочий режим (оцениваемое по выходу суспензии с заданными параметрами):

Таким образом, энергозатраты на приготовление водно-угольной суспензии составили 3.3 кВт*ч на тонну из предварительно дроблёного угля (размер зерен 12 мм), что более чем в 1,5 раз ниже, чем при использовании вибромельницы ВМ-400. При этом грансостав получаемой водно-угольной суспензии может оперативно изменяться в зависимости от требований к сжиганию, хранению и транспортировке.

Далее полученная водно-угольная суспензия подается в промежуточную емкость 3. После ее наполнения, включается четырех роторный насос 4, который эмульгирует и подает раствор на первую ступень блока получения синтетической нефти.

В основе процесса приготовления СУН данного типа лежат: магнитно-ультразвуковая деструкция молекул угля; магнитная активация частиц угля и их гомогенизация; гидрокрекинг и т. д., в процессе протекания которых нарушается структура угля как природной «горной» массы. Уголь распадается на отдельные органические составляющие, но уже с активной поверхностью частиц и большим количеством свободных органических радикалов. Исходная вода в плазменном реакторе претерпевает ряд превращений, в результате воздействия образуется четыре главных продукта: атомарный водород Н; гидроксильный радикал-ОН«; перекись водорода Н20; и вода в возбужденном состоянии Н20, химическая активность которых способствует образованию активной дисперсной среды, насыщенной компонентами тонкого и катионного вида.

Производительность: до 12 куб. м/ч (расширяемо до 15 куб. м/ч), т. е. около 5,5 т/ч

Полученная синтетическая нефть (СУН) обладает большой реакционной способностью по сравнению с исходным топливом, меньшей температурой в ядре факела, высокой степенью выгорания (до 99%). Дисперсная среда, выполняя роль, промежуточного окисления практически на всех основных стадиях горения топлива активируется поверхностью частиц твердой фазы. Поэтому воспламенение распыленных капель начинается не с воспламенения летучих паров, а с гетерогенной реакции на их поверхности, в том числе и с водяным паром. Активация поверхностных частиц капель приводит к снижению температуры воспламенения СУН по сравнению с воспламенением угольной пыли: для топлив из антрацита – в 2 раза;

Воспламенение СУН при правильной организации процесса горения начинается сразу же после распыления, на «срезе форсунки», топливо устойчиво горит, не нуждаясь в подсветке.

Горение протекает по механизму, достаточно хорошо изученному при исследованиях СУН и характеризуется за счет повышенного содержания в зоне реагирования газифицирующего агента (водяных паров), при несколько сниженной температуре горения, соответствующим смещением соотношения интенсивности множества одновременно протекающих ценных реакций горения в зону газификационно – восстановительных процессов, что, в свою очередь, приводит к более глубокому внутри диффузионному проникновению реагирующих газов в объем отдельных частиц и их конгломератов, обеспечивающему, одновременно с высокой степенью использования топлива (до 99%), существенное снижение генерации оксидов азота.

СУН пригодно для прямого сжигания в котлах распылением форсунками, сжигания в котлах с циркулирующим кипящим слоем, в каталитических теплофикационных установках, распылением над слоем угля.

Использовать СУН можно в качестве основного топлива в паровых и водогрейных котлах, в различных обжиговых печах, а также как готовую исходную смесь для получения синтез-газа, а в дальнейшем и синтетических моторных топлив.

Технологии производства синтетической нефти из угля активно развиваются компанией Sasol в ЮАР. Метод химического сжижения угля к состоянию пиролизного топлива был использован еще в Германии во время Великой Отечественной войны. Немецкая установка уже к концу войны производила 100 тыс. баррелей (0,1346 тыс. т) синтетической нефти в день. Использование угля для производства синтетической нефти целесообразно из-за близкого химического состава природного сырья. Содержание водорода в нефти составляет 15%, а в угле — 8%. При определенных температурных режимах и насыщении угля водородом, уголь в значительном объеме переходит в жидкое состояние. Гидрогенизация угля увеличивается при введении катализаторов: молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и др. Предварительная газификация угля с введением катализатора позволяет выделять различные фракции синтетического топлива и использовать для дальнейшей переработки.

Sasol на своих производствах применяет две технологии: «уголь в жидкость» — CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» — GTL (gas-to-liquid). Использовав свой первый опыт в Южной Африке во времена Апартеида и обеспечив частичную энергетическую независимость стране даже во времена экономической блокады, компания Sasol в настоящий момент развивает производства синтетической нефти во многих странах мира, заявлено о строительстве заводов синтетической нефти в Китае, Австралии и США. Первый завод Sasol построен в промышленном городе ЮАР Сасолбург, первым заводом по производству синтетической нефти промышленных масштабах стал Oryx GTL в Катаре в городе Рас-Лаффан, также компания запустила в эксплуатацию завод Secunda CTL в ЮАР, участвовала в проектировании завода Escravos GTL в Нигерии совместно с Chevron. Капиталоемкость проекта Escravos GTL составляет 8,4 млрд. долларов, результирующая мощность завода составит 120 тыс. баррелей синтетической нефти в день, старт проекта — 2003 год, планируемая дата запуска в эксплуатацию — 2013 год.

ООО «Энком», Бурятия. «Немецкие установки дают выход нефти из бурого угля 20%, китайские – 40- 45%. Мы пока не будем раскрывать всех подробностей, скажем лишь, что в настоящий момент мы обладаем безопасной и эффективной технологией, дающей выход нефти в 70% с помощью кавитации.» Сергей Викторович Иванов, руководитель инновационного предприятия «Энком»

Новейшие разработки, которые мы ведем с Сибирским отделением РАН, позволят использовать синтезированный из бурого угля газ для отопления бюджетных организаций, жилого сектора, отдельно стоящих комплексов и т. д. Для этого будет необходимо заменить обычные котельные на газовые, оборудованные газогенераторами. Замена одной котельной будет стоить порядка 3 млн рублей. Эти деньги окупятся за 1-2 года.

Технология наиболее эффективна и безопасна всех существующих. Она позволяет разово засыпать 6 тонн угля и 3-4 недели газогенератор будет отапливать трехподъездный пятиэтажный дом.

В ближайшее время, после детальной подготовки мы приступаем к изготовлению полупромышленной установки. Сам Бог его велел опробовать эту установку в Бурятии, которой по числу месторождений бурого угля не имеет конкурентов.

Помимо этого мы занимаемся и вопросами производства синтетической нефти из бурого угля.

Нас существующие установки не интересуют. Это 20-30% выхода нефти или газа. У китайцев – 40-45%, добавляя туда негашеную известь – это их запатентованное ноу-хау. Но есть возможность получать 60-70% газа. Эта технология и по производству газа, и по производству нефти находится у нас – экономичная, эффективная, безопасная. Осталось ее поставить на поток. Чем мы сейчас и занимаемся.

Самый серьезный интерес и к АИИС КУЭ, и к тепловым насосам, и к газогенераторам, и целому ряду других внедряемых нами инноваций проявили руководители из Иркутской области и Казахстана, где проекты не просто одобрены, а уже находятся в расчетной стадии. Даже при низких тарифах экономически для них это выгодно. И даже не просто готовы допустить наше участие в осуществлении проектов, но и привлекать бюджетные ресурсы для претворения их в жизнь. В Казахстане мы уже участвуем в конкурсах, организованных правительством республики.

Вообще, с правительством Казахстана, очень серьезно настроенным модернизировать свою экономику на основе инновационных технологий, у нас сложились очень плодотворные и разноплановые деловые отношения. С руководством этой республики мы сотрудничаем и по внедрению других уникальных технологий – утилизации любых видов твердых и жидких бытовых отходов и высокотехнологичных разработок, при которых отпадает необходимость в очистных сооружениях. Огромные площади отстойников заменяются на небольшие инновационные машины по очистке сточных вод. При этом ни запаха, ни дорогостоящей модернизации.

Используя вихревые закрученные потоки, пассивные кавитаторы заставляют закипать жидкости в области низких давлений с появлением парогазовой фазы, близкой к 100%, при низкой температуре самой жидкости. Идут процессы бурного кипения, с появлением пузырьков до 5 мм и более (в зависимости от конструкции), с последующим попаданием в зоны повышенного давления. В зонах повышенного давления происходит интенсивное сжатие пузырьков, схлопывание, и выделение мощного кавитационного импульса энергии. Выделяемая энергия кардинальным образом перестраивает структуру обрабатываемой жидкости.

ООО “КПМ” несколько лет ведёт научное сотрудничество с Карагандинским Государственным Университетом им. Академика Е. А. Букетова. Кафедра химических технологий и экологии Химического Факультета, которой руководит д. х.н., профессор Байкенов Мурзабек Исполович, занимается исследованиями кавитационной переработки: вязких нефтей, нефтепродуктов, каменно-угольной смолы. Специалистами ООО “КПМ” кафедре была оказана помощь в создании нескольких лабораторных установок, на основе наших разработок, где изучаются структурные изменения обрабатываемых жидких углеводородных материалов. На полученных результатах моделируются и создаются новые современные технологии переработки нефти и других жидких материалов.

Да работают кавитационные установки и гонят самопальный бензин из угля, я даже знаю где! И схема у меня есть и фото! Вот только не афишируют они себя т. к. ниша-то золотая! http://dxdy. ru/topic15849.html

Http://www. mining-portal. ru/publish/sinteticheskaya-neft-iz-uglya/

Ученые Государственного ракетного центра (ГРЦ) имени академика В. П. Макеева разработали новую – экономичную и компактную – технологию производства синтетических нефтепродуктов из каменноугольного сырья.

Существующие ныне способы производства Жидкого моторного топлива из угля отличаются дороговизной и громоздкостью оборудования. По этой причине они не получили широкого распространения. Ценность новой технологии в том, что себестоимость получаемого топлива и необходимые производственные площади во много раз меньше обычного.

«Наша технология производства нефтепродуктов из угля в корне отличается от традиционной, – пояснил начальник отдела нестандартного оборудования ГРЦ им. В. П. Макеева Игорь Якупов. – Главное отличие в том, что здесь нет газовой стадии, как и вредных выбросов. Если раньше для насыщения угля водородом нужно было обеспечить сверхвысокое давление – не менее 60 атмосфер – и температуру более 600 градусов, с добавлением катализатора, то теперь все гораздо дешевле и проще. Наше оборудование займет площадку всего 40 на 40 метров».

Лабораторные образцы модулей позволяют перерабатывать дешевый бурый уголь (в мире его в несколько раз больше, чем коксующегося) в аналог нефти, а затем в моторное топливо – бензин, дизтопливо и мазут. Себестоимость синтетического горючего Втрое меньше получаемого обычным путем.

Передвижные установки можно использовать и для утилизации угольных шламов, отвалов. Применение им найдется в сельском хозяйстве, в энергетике, в системе ЖКХ.

Следующая стадия – перевод экспериментального производства на промышленное. Для этого необходимо инвестировать в проект около 3-4 миллионов долларов. Интерес к новой технологии уже проявили предприятия Челябинска, Казахстана, Узбекистана и Кыргызстана.

Http://xn--o1agc1b. xn--p1ai/news/239/

Издательство Алтайского государственного технического университета

Работа подготовлена на кафедре «Ракетные двигатели и высокоэнергетические устройства автоматических систем».

Переработка углей в синтетические жидкие топлива: учебное пособие / С. Н. Козлов, А. В. Фоминых, И. Н. Филимонова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. – 48 с.

В учебном пособии представлены процессы, оборудование и технология переработки углей низких марок в жидкие моторные и топочные топлива. Рассмотрены процессы газификации угля, ожижения синтез-газа и аппаратурно-технологические схемы для реализации этих процессов для получения синтетических жидких топлив. Представленные в пособии материалы рекомендуются при изучении дисциплины «Основы теплоэнергетики. Промышленные топлива», при подготовке инженеров по специализации «Высокотемпературные установки и технологии».

9.1.2 Затраты на приобретение производственных помещений и автотранспорта

За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива используются человеком для получения энергии и химических продуктов.

В конце прошлого–начале нынешнего века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в начале первых десятилетий XXI века. Запасов же угля должно хватить на ближайшие несколько сот лет. Вывод о необходимости постоянного увеличения масштабов использования угля в энергетике и промышленности подтверждается данными по сопоставлению запасов нефти, газа, угля и сложившейся в настоящее время структурой их мирового потребления (рисунок 1).

Рисунок 1 – Соотношение мировых запасов и потребления угля, нефти и газа

Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку при традиционном способе использования угля – сжигании – образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению с нефтью и газом.

Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним относится облагороженный, или т. н. «чистый уголь», путем термохимической переработки которого, получают синтетические газообразные и жидкие топлива. Выбросы вредных веществ при использовании этих синтетических топлив значительно ниже, чем в случае применения рядового угля.

Впервые синтез углеводородов был осуществлен в начале XX века: Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан, Е. И. Орловым – этилен. В 1923 году немецкими химиками Фишером и Тропшем, сотрудниками фирмы «Рурхеми», была разработана технология синтеза жидких углеводородов из смеси газов СО и Н2. Данный процесс впоследствии был назван их именами – синтез Фишера–Тропша (ФТ-синтез) [1].

Технология производства жидкого топлива из угля методом ФТ-синтеза включает две главных стадии: газификацию угля с целью получения газа (смесь монооксида углерода и водорода) и каталитическую переработку газа в жидкие углеводороды. Процесс Фишера–Тропша для получения нефти и нефтепродуктов из угля использовался в Германии в 1930–1940-х годах.

После Второй мировой войны промышленное производство жидкого топлива из угля получило развитие в ЮАР: эта страна испытывала дефицит нефти. Первая промышленная установка для получения жидкого топлива по процессу Фишера–Тропша была введена в действие южноафриканской компанией Sasol в «одноименном» г. Сасолбург в 1956 году: конверсия осуществляется на кобальтовых и железистых катализаторах при температуре около 200 °С. В дальнейшем в этой стране той же компанией были построены еще 6 модифицированных «нефтеугольных» установок. К настоящему времени почти 70 % ежегодного спроса на нефтепродукты в ЮАР обеспечиваются их производством из угля.

Учитывая большие запасы угля в стране, использование его для получения синтетических энергоносителей не повлияет на какие-то экономические аспекты мирового соотношения в потреблении энергоресурсов.

В книге систематизированы материалы по методам газификации углей, проведен анализ технологий получения синтез-газа, последующего его ожижения и получения синтетических моторных топлив. Рассмотрена возможность использования для этих целей углей Мунайского месторождения (Алтайский край).

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специализации «Высокотемпературные установки и технологии», Бийского технологического института АлтГТУ им. И. И. Ползунова.

Ископаемые угли представляют собой природные полимеры, состав и структура которых меняется в зависимости от возраста угля. Высокомолекулярная структура угля состоит из ароматических, гидроароматических, гетероциклических и алифатических фрагментов, различных функциональных групп. Эти фрагменты связаны между собой разнообразными способами, в том числе посредством алифатических связей углерод–углерод, углерод–кислород, углерод–азот, углерод–сера. Для более молодых бурых углей характерно более высокое содержание гетероатомов (прежде всего кислорода) по сравнению с каменными углями, в составе которых преобладают конденсированные полиароматические фрагменты. Макромолекулы угольной структуры могут соединяться между собой с помощью электронно-донорно-акцепторных взаимодействий.

Одна из возможных структур угля приведена на рисунке 2. Из функциональных групп в угле обычно превалируют кислородосодержащие группы, входящие в состав фенолов, карбоновых кислот, спиртов, эфиров и карбонильных соединений. Наряду с органической массой в ископаемом угле присутствует минеральная часть, представленная такими элементами, как кремний, алюминий, кальций, железо и другие. В целом состав ископаемых углей более сложен, чем нефти, и может существенно различаться, даже в пределах одного угольного месторождения.

Целью большинства процессов химической переработки угля (за исключением получения углеродных материалов) является его преобразование в низкомолекулярные органические продукты, по возможности достаточно однородного состава. Превращение

Угля в более привычные для химика органические соединения достигается при термической обработке и воздействии различных реагентов. В процессе нагревания в первую очередь разрываются наиболее слабые алифатические цепочки, которыми связаны конденсированные ароматические структуры [1].

В основе сжигания и газификации топлива лежит общий физико-химический процесс горения, т. е. интенсивного окисления топлива [2, 6].

Окисление в общем смысле охватывает все процессы соединения топлива со свободным или связанным в химических соединениях кислородом, включая прямое окисление, реакции с двуокисью углерода, водяным паром и др. Так называемые восстановительные процессы (например, CO2 + C = 2CO) являются в тоже время окислительными по отношению к углероду.

Сжигание есть интенсивный окислительный процесс полного соединения горючей части топлива и кислорода, сопровождающийся максимальным выделением тепла и получением продуктов полного окисления – дымовых (негорючих) газов (CO2, H2O и др.) и твердого негорючего остатка – золы и шлаков.

Горение отличается от так называемого медленного окисления значительно большей интенсивностью реакций и выделения тепла.

Газификация – есть термохимический процесс переработки твердого топлива путем взаимодействия его с кислородом, водяными парами и другими газифицирующими агентами с целью превращения топлива в горючий газ (смесь CO, H2 и др.), предназначенный для последующего сжигания (энергетический и бытовой газ) или для технологических процессов (технологический газ).

К термохимическим процессам переработки твердого топлива относится переработка его путем нагревания без доступа кислорода (воздуха) – коксование и полукоксование.

Коксование и полукоксование носят принципиально иной характер, чем газификация. При коксовании, которое, как известно, протекает при температуре 1000–1100 °С, химические процессы, изменения структуры твердого остатка и выделения жидких газовых продуктов протекают только за счет подвода внешнего тепла.

Главная задача коксования – получение прочного металлургического кокса. Кроме того, при коксовании получают коксовый газ и смолу, представляющие собой ценное химическое сырье.

При полукоксовании, которое ведется при температуре порядка 500–600 °С и также за счет внешнего подвода тепла, главная задача состоит в том, чтобы получить химические продукты (смолу, газ), а твердый остаток – полукокс – является энергетическим топливом.

В основе газификации лежит либо неполное окисление топлива при недостатке кислорода, либо неполное сгорание с последующим реагированием углерода с двуокисью углерода и водяным паром с целью получения горючих газов (CO, H2 и др.). Восстановительные реакции носят эндотермический характер, т. е. сопровождаются поглощением тепла.

По сравнению с использованием топлива непосредственно в твердом виде газификация отличается большими преимуществами. Горючие газы легко транспортируются по трубам на значительные расстояния. При сжигании газа не образуется твердых остатков (золы); легко достигаются автоматизация и регулирование процесса, полнота сгорания и высокий температурный уровень горения. Для превращения твердого топлива в газообразное применяют специальные аппараты – газогенераторы.

Топливо поступает сверху в загрузочное устройство. Снизу через зазоры в колосниковой решетке подают воздух и водяной пар. В нижней части слоя, расположенной над зоной шлака и золы, происходит сгорание топлива. Так как в этой зоне 1 расходуется в основном весь кислород, она называется кислородной. Слой шлака и золы, примыкающие к колосниковой решетке, играют роль засыпки, выравнивающей распределение дутья (воздуха и водяного пара). Исследования показывают, что роль самих колосников в этом выравнивании незначительна. Кроме того, зольная или шлаковая подушка защищает

Колосники от избыточного нагрева. Продукты горения углерода, содержащие в большом количестве CO2 и в меньшем СО, поступают в зону восстановления 2. Здесь двуокись углерода, а также водяной пар вступают в химические реакции с углеродом топлива, раскаленного за счет тепла, выделившегося в кислородной зоне.

1 – кислородная зона; 2 – зона восстановления; 3 – зона сухой перегонки топлива;

Следует заметить, что эти процессы начинаются и в кислородной зоне. В результате реакций СО2 и Н2О с углеродом топлива образуются горючие газы – СО, Н2, к которым подмешивается негорючий балласт – азот (из воздуха), неразложенная часть СО2 и водяной пар.

Образующаяся смесь газов идет вверх через слой топлива и нагревает его своим («физическим») теплом. Топливо, нагретое без доступа кислорода, претерпевает сложное видоизменение своей внутренней структуры в процессе полукоксования (зона сухой перегонки 3). За счет оставшегося тепла в верхней части слоя топливо подсушивается и к газам присоединяются водяные пары в зоне сушки 4.

В результате сухой перегонки из топлива выделяются летучие, т. е. газообразные продукты, содержащие СО, СО2, Н2, СН4 (метан), непредельные и другие углеводороды, а также пары жидких продуктов – смолы и внутренней (так называемой пирогенетической) влаги. Само топливо при этом превращается в твердый продукт, состоящий из углерода и минеральных примесей (золы), называемый коксом или (при большом остаточном выходе летучих) полукоксом. Таким образом, топливо из зоны сухой перегонки в зону восстановления и далее в кислородную зону поступает в виде кокса или полукокса.

Образующийся генераторный газ, к которому в верхней части слоя топлива подмешиваются летучие, содержащие газообразные углеводороды, смоляные и водяные пары – отводится через газоотводящий патрубок. Негорючие твердые остатки в виде шлака удаляются с колосниковой решетки в ванну с водяным затвором.

На рисунке 4 показана простейшая схема топочного устройства – слоевая топка с неподвижной колосниковой решеткой для сжигания на ней угля и другого топлива. Подача топлива осуществляется сверху на горящий слой, причем топливо проходит, в общем, через те же стадии, что и в газогенераторе. Воздух вводится снизу под колосниковую решетку.

С целью выделения максимального количества тепла процесс горения организуется так, чтобы добиться полного сжигания топлива, т. е. максимального содержания в продуктах сгорания СО2 и Н2О. Состав горючей смеси (топливо + окислитель), в которой содержится наименьшее количество кислорода, необходимое для полного окисления топлива, называется стехиометрическим. При стехиометрическом соотношении нет ни избытка, ни недостатка кислорода, и в этом случае потребное количество его, или соответственное количество воздуха, называется теоретически необходимым, или, просто, теоретическим.

Отношение действительного расхода воздуха при сжигании топлива к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха (кислорода) и обозначается через α. Величина α >1.

При теоретическом расходе воздуха α = 1. Вследствие трудности хорошего смешения топлива с окислителем в практических условиях при α = 1 полного сгорания топлива добиться очень трудно. Если в топку будет поступать недостаточно кислорода (α < 1), то тогда она будет работать как газогенератор. При некотором избытке кислорода (α >1) продукты газификации и сухой перегонки первичного (рабочего) топлива и твердый углерод кокса топлива подвергаются полному сжиганию.

При большой высоте слоя топлива в нем начинают развиваться восстановительные процессы, и дымовые газы будут содержать окись углерода и другие горючие газы, что характеризует так называемую химическую неполноту сгорания. В таком случае в топочное пространство (над слоем топлива) приходится вводить вторичный воздух, необходимый для дожигания окиси углерода, а также летучих, выделившихся в верхней части слоя. При невысоком слое топлива весь воздух, необходимый для горения, вводится через колосниковую решетку.

В процессе предварительной тепловой подготовки – сушки, прогрева и в особенности сухой перегонки топлива значительно изменяется внешняя и внутренняя его структура:

Образуются трещины, поры, происходит даже измельчение кусков и, наконец, образуются и выделяются летучие продукты.

Кокс, полученный из различных топлив, характеризуется и различной прочностью: непрочный, рассыпчатый, получаемый, например, из антрацитов, тощих каменных и бурых углей, и плотный (спекшийся, сплавленный) – получаемый из ряда так называемых спекающихся каменных углей.

Дополнительные изменения во внешней структуре сжигаемого или газифицируемого слоя топлива могут получиться в результате операций топливоподачи, сепарации, т. е. распределения топлива по крупности частиц, а также в результате шуровки (разрыхления), удаления шлаков и других способов механического воздействия на слой топлива и шлака.

В зону горения поступает не первичное рабочее топливо, а кокс – твердый углеродистый остаток, содержащий также минеральную часть, образующую золу.

Влага и летучие, в зависимости от технологической схемы сжигания или газификации, могут быть отделены ранее; иначе они вместе с коксом попадут в зону горения [6].

Организация процесса сжигания твердого топлива состоит из следующих стадий:

Тепловая подготовка топлива и дутья (подогрев дутья и топлива, сушка топлива, выделение летучих);

Выделение и отвод твердой, негорючей части топлива (золы и шлаков).

Пиролиз (от греч. Pýr – огонь, жар и Lýsis – разложение, распад), превращение органических соединений в результате деструкции их под действием высокой температуры. Обычно термин используют в более узком смысле и определяют Пиролиз как высокотемпературный процесс глубокого термического превращения нефтяного и газового сырья, заключающийся в деструкции молекул исходных веществ, их изомеризации и др. изменениях [6, 13].

В последние годы заметно возрос интерес к модификациям процессов пиролиза, что объясняется относительной простотой технологического оформления этих процессов и возможностью производства на их основе ценных продуктов с различными свойствами. Установлено, что состав продуктов пиролиза бурых и каменных углей претерпевает значительные изменения, в зависимости от таких параметров процесса, как температура, среда, давление, влажность угля и др. При атмосферном давлении газовая среда не оказывает заметного влияния на отгонку летучих веществ; предварительная осушка угля, его измельчение и повышение давления реакционноспособных в условиях процесса газов увеличивают скорость пиролиза.

Впервые зависимость выхода жидких и газообразных продуктов пиролиза установлена З. Ф. Чухановым, показавшим, что при изотермическом скоростном пиролизе (скорость нагрева 10 4 °С/с и более, время реагирования 10 –1 –10 –4 с) выход смолы из бурого угля достигает 25–28 %. При этом выход бензиновой фракции (температура кипения 180 °С) составляет 28 %, а фракции, выкипающей до 230 °С, – около 40 %.

Существует промышленная установка про­изводительностью по углю 1,2 млн т в год (175 т/ч). При скоростном пиролизе битуминозного угля выход газа, жидких продуктов и кокса практически не зависит от размера его час­тиц. С ростом температуры выход газов повышается, причем отношение (С2Н2–С2Н4):(С2Н6) увеличивается с ростом темпе­ратуры до 600–650 °С, а затем начинает заметно снижаться.

Гидропиролиз угля является одним из наиболее перспективных методов. Процесс протекает в среде водорода или синтез-газа (смесь монооксида углерода и водорода). При этом значительно возрастает газовыделение, и состав образующихся продуктов заметно отличается от про­дуктов обычного пиролиза. Гидропиролиз протекает в широком интервале давлений (0,1–10,0 МПа) и температур (600–950 °С). При времени реакции 1 мин не требуется включение в схему производства пара или кислорода высокого давления. Процесс экзотермичен; образующийся кокс содержит мало го­рючей серы и может быть использован как котельное топливо. При организации сбыта газа этот процесс может оказаться экономически эффективным [3, 13].

При сочетании каталитического гидропиролиза с суперкри­тической газовой экстракцией 40 % (масс.) угля происходит перевод одного или нескольких компонентов твердой либо жидкой смеси в «сверхкритический газ» за счет контактирования смеси разделяемых компонентов с газообразным экстрагентом при температуре и давлении выше его критической точки. Наиболее распространены в качестве экстрагентов (растворителей) СО2, этан, этилен, пропан и др. Составы смол, образующихся при пиролизе и гидропиролизе, несколько различаются.

При давлении водо­рода 0–10,0 МПа, а также в условиях каталитического гидро­пиролиза при контакте с Fe2O3 или ZnCl2∙2H2O селективность образования продуктов

Зависит от парциального давления Н2. В интервале 0,3–10,0 МПа растет выход фракции бензол–то­луол–ксилол. В присутствии катализаторов увеличивается образование низших продуктов. В присутствии кислых катали­заторов при неизотермических условиях степень конверсии угля повышается.

Смола, получаемая в условиях гидропиролиза при умерен­ном давлении, содержит много ароматических соединений, не­много парафинов и высококипящих фенолов. Давление влияет на состав смолы подобно повышению температуры, кокс процесса гидропиролиза отличается высокой прочностью и меньшей микропористостью.

Следует отметить, что заметное увеличение выхода жидких продуктов наблюдается не только при пиролизе в атмосфере водорода, но и при сопиролизе угля с остатками вакуумной дистилляции нефти и высокомолекулярными органическими продуктами, которые являются донорами водорода, способными взаимодействовать с радикалами, образующимися при деструк­ции органической массы угля (состав ОМУ – это доля основных элементов органической массы угля: углерода, водорода, азота, кислорода и органической серы). Повышение выхода жидких продуктов на 20–30 % по сравнению с эксперименталь­ными результатами, полученными в реторте, и обогащение их парафиновыми углеводо-родами наблюдается при термической деструкции измельченных твердых топлив при

Атмосферном давлении в присутствии водяного пара при 440 °С и контакте в течение 15–20 мин.

Пиролиз в атмосфере метана является весьма перспектив­ным методом производства этилена и синтетического бензина. Процесс протекает при 825–900 °С, давлении 0,3–

0,6 МПа и времени контакта менее 100 с, причем с понижением давления и увеличением скорости нагрева выход этилена повышается. При 3,5 МПа и 825 °С выход С2Н4 составляет 4,3 % (масс), а при 0,7 МПа – 8,3% (масс.) [2].

При высокотемпературной обработке твердого топлива в среде кислорода воздуха, водяного пара, диоксида углерода и водорода органические составляющие топлива нацело превращаются в газообразные продукты. Основные направления газификации угля и состава продуктов приведены на рисунке 5.

К настоящему времени освоены различные модификации промышленных процессов газификации углей, наиболее распространенными из которых являются технологии Лурги (стационарный слой кускового угля), Винклера (кипящий слой угольных частиц),

Копперс–Тотцека (пылеугольный поток), Тексако (водоугольная суспензия) и их раз-личные модификации. На опытно-промышленном уровне сейчас отрабатывается около

20 технологий газификации угля нового поколения. Эффективность процессов газификации может существенно повышаться при использовании соответствующих катализаторов, позволяющих снижать температуру при сохранении высокой скорости процесса и регулировать состав продуктов.

Воздействие катализатора на процесс газификации твердого топлива иллюстрируется схемой (рисунок 6).

Катализатор может ускорять как реакции прямого превращения углерода в газообразные соединения (маршрут 1), так и газофазные реакции продуктов термического превращения угля (маршрут 2). До настоящего времени преимущественно разрабатывали процессы каталитической газификации, основанные на ускорении реакции прямого превращения угля в газообразные соединения. В этих случаях для эффективного воздействия катализатора необходимо обеспечить его хороший контакт с твердым сырьем. Для этого используют катализаторы, наносимые на поверхность угля, а также способные плавиться или возгоняться в условиях процесса, проникая в поры угля. Наиболее распространенными катализатороми процесса газификации углей являются соединения щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных (Ni, Fe, Co) металлов.

Среди технологий, проходящих опытно-промышленную отработку, следует выделить в качестве наиболее перспективных процесс ЭКСОН – каталитическая газификация угля водяным паром в кипящем слое, процесс МОЛТЕН СОЛТ – парокислородная газификация при повышенном давлении и расплаве соды, процесс ПАТГАЗ – газификация при атмосферном давлении в расплаве железа. Применяемые расплавы играют роль теплоносителя и катализатора [1].

Наиболее перспективной в настоящее время представляется газификация крупнозернистого топлива в плотном слое методом Lurgi, осуществляемым при повышенном давлении, [2, 3]. Этот метод применяется на 16 заводах разных стран мира, на которых эксплуатируется более 60 газогенераторов Lurgi. Увеличение давления позволяет существенно повысить теплоту сгорания получаемого газа за счет протекания реакций метанирования. Эти реакции экзотермичны, благодаря чему при давлении 2,8–3 МПа можно сократить потребность в кислороде на 30–35 %. Кроме того, одновременно возрастает производительность газогенератора (пропорционально давлению) и повышается КПД газификации.

В газогенераторе Lurgi (рисунок 7) исходный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 периодически загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубашкой 12. При помощи охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 топливо равномерно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под вращающуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой способствует равномерному распределению газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки избыточное количество золы с помощью ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где предварительно очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно возвратить в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.

1, 3, 13, 15 – затворы; 2, 14 – бункеры; 4, 9 – приводы; 5 – распределитель угля;

3 МПа, поэтому, чтобы обеспечить безопасную загрузку топлива и выгрузку золы, каждый из бункеров 2 и 14 снабжают двумя конусообразными затворами 1, 3, 13 и 15. При загрузке топлива в бункер 2 затвор 1 открыт, а затвор 3 закрыт. Для передачи топлива в шахту затвор 1 закрывают, по обводной газовой линии соединяют бункер с шахтой газогенератора (для выравнивания давления) и открывают затвор 5. Перед следующей загрузкой топлива в бункер 2 закрывают затвор 3, сбрасывают газ в линию низкого давления, продувают бункер азотом или водяным паром, а затем открывают затвор 1.

Аналогично осуществляют выгрузку золы из бункера 14. Типичный газогенератор Lurgi имеет диаметр 4–5 м, высоту 7–8 м (без бункеров) и производительность по углю 600–1000 т/сутки. На рисунке 8 показана принципиальная технологическая схема газификации угля по методу Lurgi. В таблице 1 приведены основные показатели схемы газификации по методу Lurgi [3].

А – производство газа; Б – конверсия оксида углерода; В – очистка газа от диоксида

Рисунок 8 – Схема газификации угля в плотном слое по методу Lurgi

Таблица 1 – Основные показатели методов газификации твердых топлив

Наряду с отмеченными выше достоинствами метода Lurgi следует указать, что в этом процессе приходится компримировать кислород, а не конечный газ, что значительно проще в технологическом отношении. Недостатки метода Lurgi: жесткие ограничения по размерам частиц – не менее 5 мм (так как при большом содержании мелочи снижается производительность аппарата); наряду с газификацией происходит термическое разложение топлива с образованием продуктов полукоксования, которые необходимо извлекать из газа и перерабатывать; низкая степень разложения водяного пара (30–40 %), вследствие чего остальное его количество при охлаждении газа конденсируется с образованием химически загрязненной воды, требующей тщательной очистки.

Весьма эффективен и достаточно широко распространен в настоящее время способ газификации мелкозернистого (размер частиц менее 10 мм) топлива в псевдоожиженном слое (метод Winkler). В различных странах мира имеется 16 промышленных установок, на которых эксплуатируется около 40 агрегатов этого типа. Метод имеет существенные достоинства: возможность непрерывной подачи топлива в газогенератор; интенсивную теплопередачу и хорошее перемешивание, обеспечивающее изотермический режим в реакционной зоне; простоту регулирования температуры и высокую производительность аппарата. Наиболее предпочтительными топливами для газификации по этому методу являются бурые и реакционноспособные каменные угли, буроугольный кокс или полукокс.

Газогенератор рассматриваемого типа (рисунок 9) работает при атмосферном давлении и имеет диаметр 5,5 м, высоту 23 м и производительность до 1100 т угля в сутки (или 3000 м 3 газа на 1 м 2 сечения шахты в час). Дробленый и подсушенный уголь из бункера 1 шнеком 4 подают на распределительную решетку 6. С помощью первичного паровоздушного дутья, подаваемого под решетку, топливо переводится в псевдоожиженное состояние и газифицируется в шахте 2. Вторичное дутье через фурмы 3 вводят непосредственно в псевдоожиженный слой, чтобы повысить степень использования углерода топлива и газифицировать смолистые вещества, выделяющиеся в нижних слоях реакционной зоны. Твердый остаток – зола – удаляется в сухом виде, поэтому температуру в аппарате поддерживают не выше 1100 °С (ниже температуры плавления золы). Часть золы (

70 %) уносится из аппарата газовым потоком и затем выделяется в выносном мультициклоне, а оставшееся количество через отверстия распределительной решетки 6 ссыпается в нижнюю часть газогенератора, откуда шнеком 7 транспортируется в бункер 9. Для ускорения эвакуации частиц золы с поверхности решетки служит водоохлаждаемый вращающийся скребок 5, работающий от привода 8 [3].

Технологическая схема рассматриваемого метода показана на рисунке 10, основные показатели приведены в таблице 1.

У способа Винклера есть следующие недостатки: большой унос с газом непрореагировавшего топлива, которое трудно возвратить на газификацию, так как оно выделяется в выносном мультициклоне вместе с большим количеством золы; пониженные температуры в зоне реакции, лимитируемые выводом золы в сухом виде; невозможность переработки спекающихся каменных углей из-за слипания их частиц нарушается режим работы газогенератора.

1 – бункера; 2 – шахта; 3 – фурмы вторичного дутья; 4, 7 – шнеки; 5 – скребок;

1 – бункер; 2 – газогенератор; 3 – котел-утилизатор; 4 – водоподогреватель;

5 – мультициклон; 6 – конденсатор-холодильник; 7 – газодувка; 8 – каплеуловитель; 9 – отстойник; 10 – емкость для пыли

Рисунок 10 – Схема газификации угля в псевдоожиженном слое по методу Винклера

Одним из наиболее эффективных современных способов газификации пылевидного топлива (диаметр частиц менее 0,1 мм) является метод Koppers–Totzek. Схема газогенератора этого типа приведена на рисунке 11.

Из бункеров 1 подсушенное пылевидное топливо шнеками 2 подают через специальные форсунки 3 («горелочные головки») в горизонтальную реакционную камеру 4. В ней находятся две (а в последних конструкциях газогенераторов Koppers–Totzek – четыре) форсунки, расположенные друг против друга. В форсунках топливо смешивается с кислородом и водяным паром, причем подача последнего организована таким образом, что он обволакивает снаружи пылеугольный (точнее, угольно-кислородный) факел, тем самым предохраняя футеровку реакционной камеры от шлакования, эрозии и действия высоких температур. Особенность рассматриваемого процесса заключается в том, что зола в жидком виде выводится из нижней части реакционной камеры, охлаждается и удаляется в виде гранулированного шлака.

1 – бункеры; 2 – шнеки; 3 – горелочные головки; 4 – реакционная камера;

На рисунке 12 представлена схема газификации угля по методу Koppers–Totzek.

Газообразные продукты отводят через верхнюю часть реакционной камеры на охлаждение и очистку от пыли. Температура газификации составляет (в зависимости от температуры плавления золы) 1500–1700 °С. Благодаря этому достигается высокая степень превращения углерода, причем все органические вещества угля превращаются только в газообразные продукты и при их охлаждении не выделяется смола. Это существенно упрощает очистку сырого газа. Другим достоинством рассматриваемого метода является возможность переработки практически любых топлив независимо от их спекаемости. Недостатки процесса: необходимость в специальном оборудовании (для тонкого размола топлива) и более высокий расход кислорода по сравнению с другими промышленными методами газификации.

Газогенератор Koppers–Totzek с двумя форсунками имеет диаметр 3–3,5 м, длину

7,5 м и объем около 28 м 3 . У четырехфорсуночной модели объем примерно вдвое больше. Главная проблема при эксплуатации этих газогенераторов заключается в необходимости обеспечить бесперебойную подачу топлива, так как из-за малого времени его пребывания в реакционной зоне незначительные перерывы в питании углем могут привести к появлению свободного кислорода в газогенераторе и в аппаратуре, расположенной после него. Это, в свою очередь, может приводить к образованию взрывоопасных концентраций находящихся там газообразных продуктов.

1 – бункер для исходного угля; 2 – мельница; 3 – циклоны; 4 – бункер для

Угольной пыли; 5 – топка; 6, 17 – электрофильтры; 7 – бункеры; 8 – котел

11 – водяной скруббер; 12, 15 – газодувки; 13 – холодильник; 14 – отсекатель;

Технологическая схема газификации угля по методу Корpers–Totzek изображена на рисунке 12, основные показатели приведены в таблице 1.

Необходимо подчеркнуть, что именно этот способ сейчас наиболее распространен в мире (в эксплуатации находится около 50 агрегатов). В частности, на основе этого метода вырабатывается примерно 5,3 млн т аммиака в год, тогда как с использованием газогенераторов Winkler – только 550 тыс. т, на базе метода Lurgi – лишь 180 тыс. т [3].

Сущность газификации угля по методу Тексако заключается в следующем: в верхнюю часть цилиндрического газогенератора под давлением 20–40 бар подают кислород и водоугольную суспензию. Процесс газификации угля завершается в потоке в течение нескольких секунд при температурах 1350–1500 °С. Далее продукты газификации поступают в камеру охлаждения, в которой жидкий шлак высаживается в водяную ванну, а газы отводятся в систему охлаждения и очистки. Кислород получается из воздуха в разделительных установках, а выделяющийся азот подается в камеру сгорания газотурбинной установки [4].

Принципиальное различие в химическом составе угля и нефти заключается в разном соотношении водород/углерод (составляет около 0,7 для углей и порядка 1,2 для нефти). Присоединением к углю дополнительного количества водорода можно получить «синтетическую нефть». Это достигается использованием молекулярного водорода или органических соединений, способных выступать в качестве доноров водорода. Лучшие результаты в ожижении угля получают в присутствии катализаторов, активизирующих молекулярный водород, и органических растворителей, способных легко отдавать атомы водорода.

Первоначальной стадией ожижения является превращение угля в так называемые асфальтены (асфальтены – остаточный продукт экстракции тяжёлых нефтяных остатков гексаном), представляющие собой высокомолекулярные соединения ароматической природы и содержащие большое количество гетероатомов. Образующиеся реакционноспособные фрагменты радикальной природы могут затем превращаться в стабильные продукты, присоединяя атомы водорода, либо полимеризоваться. Соотношение скоростей протекающих превращений определяется природой используемых катализаторов. Катализаторы, обладающие гидрирующей активностью, ускоряют реакции образования легких углеводородов. Катализаторы кислотного типа могут способствовать протеканию нежелательных реакций поликонденсации и полимеризации, приводящих к образованию высокомолекулярных продуктов

В различных странах сейчас работает более 80 опытных установок ожижения угля. Однако в промышленном масштабе технологии прямого ожижения угля в настоящее время не используются вследствие ряда причин. Основные недостатки современных технологий каталитического ожижения угля обусловлены невысокой производительностью процесса, применением высоких давлений водорода, необходимостью выделения катализатора для повторного использования в процессе. Часть этих проблем может быть решена

Путем подбора дешевых катализаторов на основе рудных материалов. Их использование позволяет отказаться от трудоемкой и технически трудноосуществимой операции по извлечению катализатора из твердого шламового остатка процесса ожижения угля. Другим путем удешевления процесса ожижения является замена молекулярного водорода на

Синтез-газ (смесь СО и Н2). Это позволяет исключить ряд технологических стадий, связанных с получением водорода, таких как очистка синтез-газа, конверсия СО, выделение Н2 из газовой смеси. [1]

Технология подземной газификации угля (ПГУ) – нетрадиционный способ разработки угольных месторождений, открывающий новые возможности в отработке угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями залегания, совмещающий добычу, обогащение и переработку угля. Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, со сбойкой (соединением) их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Таким образом, все технологические операции по газификации угольного пласта осуществляются с земной поверхности, без применения подземного труда работающих, а разработка угольного пласта происходит экологически приемлемым способом.

Россия обладает передовыми позициями в мире в области подземной газификации угля. В свое время на территории бывшего СССР работало несколько промышленных предприятий данного профиля. Некоторые из этих предприятий успешно функционировали на протяжении нескольких десятилетий. Так, в Кузбассе в течение 40 лет (с 1955 г.) эксплуатировалась Южно-Абинская станция «Подземгаз», бесперебойно снабжавшая горючим газом до 14 малых котельных г. Киселевска и Прокопьевска и закрытая в 1996 г. по причине физического износа оборудования [5].

К настоящему времени в России разрабатываются новые, значительно более совершенные технологии газификации угольных пластов, которые позволят развивать данную технологию на новом, гораздо более высоком техническом уровне, и получать при этом горючий газ со значительно большей теплотворной способностью.

Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес к подземной газификации угля. Интенсивные работы исследовательского и практического характера проводятся в Китае, где в последние годы построено 10 промышленных станций подземной газификации угля, в Австралии, где в 2003 г. построено крупное предприятие данного профиля. Проявляется активный интерес к этой технологии в таких странах, как Индия, КНДР, Южная Корея и многих других.

Нужно отметить, что в США и Западной Европе в 1980-е гг. проводились масштабные опытно-промышленные исследования по анализу эффективности советской технологии подземной газификации угля. Результатом этих исследований явилось заключение о том, что данная технология является работоспособной и весьма эффективной и будет неминуемо востребована в период сокращения мировых запасов природного газа и нефти (и сопутствующего данному процессу увеличению рыночных цен последних).

Сегодня можно утверждать, что такое время уже наступило, поэтому развитие подземной газификации угля рассматривается в мире как возможность получения дефицитного и недорогого газообразного топлива.

Для энергетики тех регионов, в которых имеются запасы угля (каменного или бурого), открываются новые возможности, а именно: строительство энергетических предприятий, работающих на «собственном» энергетическом сырье – газе подземной газификации угля [5].

На рисунке 13 представлена принципиальная схема подземной газификации.

1 – подземный газогенератор; 2 – сжатый воздух; 3 – низкокалорийный газ; 4 – установка очистки газа; 5 – воздух; 6 – компрессор; 7 – камера сгорания; 8 – пароперегреватель;

9 – дымовые газы с температурой 800–850 °С; 10 – газовая турбина; 11 – вытяжная труба; 12 – экономайзер; 13 – генератор переменного тока; 14 – электросеть; 15 – паровая

Турбина; 16 – конденсатор; 17 – насос; 18 – пар с температурой 250 °С; 19 – вода

Рисунок 13 – Принципиальная схема автономного горно-энергетического

Современные двигатели внутреннего сгорания ориентированны преимущественно на использование жидких топлив из нефти. Однако мировые запасы нефти не столь велики, как ресурсы твердого органического сырья, и весьма неравномерно распределены по различным регионам. Эти обстоятельства создают предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья ненефтяного происхождения [7, 18].

Процесс Фишера–Тропша – это химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода (СО) и водород (Н2) преобразуются в различные жидкие углеводороды. Обычно используются катализаторы, содержащие железо и кобальт. Принципиальное значение этого процесса – это производство синтетических углеводородов для использования в качестве синтетического смазочного масла или синтетического топлива.

Синтез Фишера–Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод–углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями (1,2):

Продуктами реакции являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера–Тропша являются a – и b-олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Природа применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н2 существенно сказываются на распределении продуктов. Так, при использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды.

В настоящее время рассматриваются три различных механизма реализации этого процесса. Первый механизм, называемый карбидным, впервые предложенный Фишером и Тропшем и в дальнейшем нашедший поддержку у других исследователей, предполагает образование С–С-связей в результате олигомеризации метиленовых фрагментов на поверхности катализатора. На первой стадии происходит адсорбция СО и образуется поверхностный карбид (соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием), а кислород превращается в воду или СО2 :

На второй стадии поверхностный карбид гидрируется с образованием фрагментов СНx (х = 1–3):

Удлинение цепи происходит в результате реакции поверхностных метила и метилена и далее путем внедрения метиленовых групп идет рост цепи:

Стадия обрыва цепи происходит в результате десорбции алкена с поверхности катализатора:

Второй механизм, названный гидроксикарбеновым, предполагает также гидрирование координированного на металле СО с образованием поверхностных гидроксикарбеновых фрагментов, в результате конденсации которых и происходит образование С–С–связей:

Третий механизм, который можно назвать механизмом внедрения, предполагает образование С–С–связей в результате внедрения СО по связи металл–углерод:

Для производства жидких продуктов используют процессы гидрогенизации угля, пиролиза, растворения в органических растворителях, а также процессы, совмещающие получение синтез-газа из твердого сырья и его последующую переработку в метанол, бензин, дизельное топливо.

В промышленном масштабе производят жидкое топливо из угля путем каталитической переработки синтез-газа, получаемого газификацией угля. Производство синтетических жидких топлив, основанное на процессе каталитического гидрирования угля водородом при повышенном давлении, функционировало в начале 40-х годов в Германии. В процессах пиролиза угля жидкие продукты образуются с небольшим выходом и имеют низкое качество. При использовании процессов растворения угля, технология которых отработана на опытно-промышленном уровне, также получают низкокачественные жидкие продукты, требующие значительного облагораживания для использования в качестве моторного топлива.

К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал в области каталитической деполимеризации угля в жидкие углеводородные смеси. На примере изучения реакций гидрирования органических соединений, моделирующих фрагменты структуры угля, установлено, что кислотные катализаторы ускоряют преимущественно разрыв С–С–связей, а гидрирующие катализаторы – разрыв С–О-связей. Осуществлен подбор катализаторов, обеспечивающих снижение давления водорода в процессе гидрирования угля до 10–15 МПа. Наибольший практический интерес представляют дешевые катализаторы на основе железа (например, соли железа, железосодержащие руды и концентраты). Их применение позволят отказаться от дорогостоящей стадии извлечения катализатора из твердого шлама в процессах гидрирования угля.

Технологическая схема процесса гидрогенизации угля представлена на рисун-

В качестве примера рассмотрим разработанный в Японии процесс гидрогенизации угля, основанный на применении сульфата железа в качестве катализатора. Процесс включает стадии пропитки угля водным раствором FeSO4, последующей сушки, перевода сульфата железа в сульфиды железа обработкой Na2S, подготовки пасты, ее гидрогенизации и разделение продуктов в соответствии с рисунком 14.

Каталитическая активность железорудных катализаторов в процессе гидрогенизации угля существенно возрастает после их механической активации в специальных мельницах.

Как следует из данных таблицы 2, конверсия бурого угля возрастает в 2–4 раза в присутствии активированных руд, содержащих в качестве основных кристаллических фаз гематит (гематит – широко распространенный минерал железа Fe2O3, одна из главнейших железных руд), магнетит (магнетит FeO∙Fe2O3 – минерал черного цвета, обладает сильными магнитными свойствами), пирит (пирит, или железный колчедан, минерал, дисульфид железа, FeS2, самый распространенный в земной коре сульфид), пирротин (пирротин, или магнитный колчедан, сульфид железа Fe1–xS, где x меняется от 0 до 0,2. Содержит примеси никеля, кобальта, меди).

Таблица 2 – Влияние механической активации на каталитические свойства рудных

Катализаторов в процессе гидрогенизации бурого угля при 430 °С и давлении Н2 12 МПа

* содержит 1 вес. % активированных образцов и 2 вес. % для неактивированных;

** механическая обработка в смеси с элементарной серой (0,8 вес. %) в воде

Для интенсификации процессов ожижения угля используют следующие приемы:

Подбор дешевых и эффективных катализаторов гидрогенизации угля (превращение высокомолекулярных веществ органической массы угля (ОМУ) под давлением водорода в жидкие и газообразные продукты при 400–500 °С в присутствии различных веществ – органических растворителей, катализаторов и т. д.);

Активирующая обработка угля (например, их алкилирование или модификация другими реагентами);

Переработка совместно с другими видами органического сырья (уголь–нефтяные остатки, уголь–лигнин и т. п.);

Подбор органических растворителей, способных донировать углю водород;

Оптимизация режимов процесса: температурных и временных параметров достижения стационарного режима, гидродинамических условий, стадии ввода катализатора в реакционную среду;

Использование двухстадийных процессов и различных катализаторов на каждой стадии.

Показатели некоторых технологий прямого ожижения угля приведены в табли-

Для получения из продуктов ожижения угля моторных топлив необходимо применять различные процессы гидропереработки (гидроочистка, гидрокрекинг), которые позволяют удалить гетероатомные соединения и достичь требуемого качества топлива.

Рассмотренные процессы прямого ожижения твердого органического сырья дают сложные углеводородные смеси, получение из которых высококачественных моторных топлив требует дополнительных процессов их облагораживания [14].

Альтернативные технологии получения качественных моторных топлив включают стадии газификации твердого сырья в смесь СО и Н2 и последующего синтеза углеводородных смесей, используемых в качестве бензина, дизельного топлива или компонентов моторных топлив (рисунок 15).

Синтез высших углеводородов из СО и Н2, известный как реакция Фишера–Тропша, сначала осуществляли исключительно с применением массивных железных и кобальтовых катализаторов.

Жидкие продукты процесса Фишера–Тропша, образующиеся из синтез-газа на промотированных железных или кобальтовых катализаторах, содержат преимущественно неразветвленные парафиновые углеводороды. Фракции этих жидких продуктов могут использоваться в качестве дизельных и турбинных топлив с минимальной переработкой.

Осуществление процесса Фишера–Тропша в жидкой фазе с использованием суспензии катализатора дает возможность перерабатывать синтез-газ с высоким содержанием СО в качественные жидкие топлива. Применение синтез-газа с высоким отношением СО/Н2 позволяет исключить стадию конверсии СО водяным паром, которая обычно используется для получения дополнительного количества Н2, и повысить термическую эффективность процесса.

К настоящему времени разработано поколение новых бифункциональных катализаторов, сочетающих в себе активные центры синтеза метанола, других кислородосодержащих соединений, олефинов и кислотные центры, способствующие их дальнейшим превращениям в смеси высокооктановых топлив в соответствии со схемой

В качестве составляющих катализатора, обеспечивающих превращение синтез-газа в углеводородные продукты, применяют такие элементы, как железо, кобальт, рутений. Цеолитный носитель поставляет активные центры кислотного типа, катализирующие реакции перераспределения водорода и гидрокрекинга.

Высокооктановые бензины могут быть получены при комбинации процессов Фишера–Тропша или синтеза метанола с процессом превращения смеси линейных углеводородов или метанола на цеолитных катализаторах. В одном из применяемых вариантов первой стадией является синтез из СО и Н2 на катализаторах Фишера–Тропша смеси углеводородов преимущественно линейного строения

На второй стадии линейные углеводороды СNHM превращаются в смесь ароматических и разветвленных углеводородов на цеолитсодержащем катализаторе

В других вариантах первая стадия включает синтез метанола из СО и Н2 на цинкхромовых или медьцинкхромовых оксидных катализаторах

На последующей стадии осуществляется конверсия метанола в высокооктановый бензин с помощью катализаторов, содержащих высококремнеземистые цеолиты. Цеолитные катализаторы позволяют превратить в высокооктановые бензиновые смеси не только метанол, но и смеси других кислородсодержащих соединений (например, диметиловый эфир, альдегиды).

На основе использования высококремнеземистных цеолитных катализаторов разработаны эффективные процессы получения высокооктанового бензина из метанола. Схема разработанного фирмой «Мобилойл» процесса включает превращение метанола в первом реакторе в диметиловый эфир на обычном кислотном катализаторе. Диметиловый эфир превращается во втором реакторе на цеолитном катализаторе ZSM–5 в высокооктановый бензин – углеводородную смесь, содержащую много ароматических соединений и разветвленных парафинов. Максимальное число атомов углерода в образующихся углеводородах не превышает десяти. Отсутствие углеводородов с высоким молекулярным весом объясняется малой величиной пор цеолита ZSM–5 [7].

Далее, в качестве примера, рассмотрим возможность использования метода

Фишера–Тропша применительно к бурым углям Мунайского месторождения, распо-ложенного в Солтонском районе Алтайского края.

До августа 2005 года Алтай не входил в число угледобывающих территорий России и все топливо традиционно завозилось из Кемеровской области. В начале 2005 года в Солтонском районе края к освоению Мунайского месторождения угля приступил разрез Мунайский.

Мунайское месторождение бурого угля расположено в Солтонском районе в 100–120 км от г. Бийска. Прогнозируемые запасы оцениваются в 250 млн тонн. Бурый уголь добывается карьерным способом и используется в энергетической сфере.

В настоящее время на двух разрезах (Мунайский-1 и Мунайский-2) разведанные запасы составляют 34 млн тонн. С начала 2005 года на угольном разрезе идет активная промышленная разработка, вкладываются серьезные инвестиции.

Администрация края реализует программу по развитию Солтонского месторождения. Применение бурого Мунайского угля экономически целесообразно для районов Алтайского края Восточной зоны. В частности, при переходе на такой уголь в этих районах экономия бюджетных средств может составить до 15 млн рублей. Основными покупателями Солтонского угля являются Бийский, Зональный, Смоленский, Советский, Солтонский, Тогульский и Целинный районы.

Отпускная цена Мунайского угля значительно ниже бурых углей других месторождений. Его зольность не превышает 6 процентов, тогда как обычно потребляемый Алтаем уголь из других регионов имеет зольность до 25 %.

Характеристики бурых углей солтонского месторождения представлены в табли-

Мунайский бурый уголь характеризуется высоким содержанием углерода (73,8 %), низким содержанием серы (6 %), балласта в виде азота (21,2 %), низкой зольностью (6,8– 9,2 %).

При получении жидкого топлива на основе синтеза Фишера–Тропша мунайские угли конвертируют в синтез-газ (смесь СО и Н2), а затем он превращается в синтетическую «сырую нефть», так называемую «синтнефть». Это – смесь углеводородов, которая при последующей переработке разделяется на различные виды практически экологически чистого топлива, свободного от примесей соединений серы и азота. Достаточно добавить 10 % искусственного топлива в обычное дизельное, чтобы продукты сгорания дизтоплива стали соответствовать экологическим нормам. Другое преимущество синтезированного дизельного топлива – почти двукратное увеличение цетанового числа.

Существенным преимуществом технологии переработки твердого органического сырья по методу Фишера–Тропша, является максимальная гибкость технологии. В зависимости от конъюнктуры рынка из одного сырья и практически на одном и том же оборудовании можно выпускать различные товарные продукты, например синтетическое жидкое топливо, бензол, этилен, формальдегид и другие нефтехимические продукты.

Уголь предварительно измельчается, смешивается с водой и после механохимической активации образует водоугольную суспензию. Далее эта суспензия при температуре 1200 °С, подвергается процедуре термодинамической деструкции (газификации) в реакторе трубчатого типа (рисунок 17). Полученный при этом газ, по своему составу угарный (СО), насыщается парогазовой смесью, в результате чего образуется смесь газов СО + Н2.

После прохождения процедуры очистки от вредных примесей и освобождения от лишних паров воды в осушителе синтез-газ становится сырьем для дальнейших переделов. Газ подается газодувкой в реактор синтеза, в котором происходит конверсия полученного газа в жидкость–синтетическое жидкое топливо (СЖТ) по технологии «Gas to liquids» (GTL).

Реактор синтеза представляет собой колонный аппарат, заполненный на ¾ разогретым мазутом марки М–100 с диспергированным в нем катализатором. Так как реакция синтеза СЖТ экзотермическая, то в процессе работы реактора синтеза необходимо отводить тепло. Отвод тепла осуществляется путем принудительной циркуляции мазута через теплообменник. Температура реакции синтеза держится в интервале 270–320 °С в зависимости от выбранного режима работы:

– при T = 320 °С образующийся мазут в реакторе подвергается непосредственно крекингу (крекинг проводят нагреванием нефтяного сырья или одновременным воздействием на него высокой температуры и катализаторов) на более легкие фракции, в основном на дизельную и бензиновую, которые в последующем, в виде парогазовой смеси направляются на ректификацию. В данной схеме применяются железистые катализаторы синтеза в виде Fe2O3.

Непрореагировавший газ для поддержания оптимальной температуры (1200 °С) возвращается в начало процесса и частично подается водно-угольная суспензия (4 % от всего объема сырья) или производимый на установке мазут. Температурный режим поддерживается за счет регулировки подачи дополнительного топлива. Технологической схемой предполагается выход твердых нейтральных отходов (зола), объем которых зависит от показателей зольности исходного сырья. Зола затем может использоваться в качестве наполнителя при производстве строительных материалов.

В ходе технологического процесса с одной тонны углей образуется:

Основным товарным продуктом (ТП) при конверсии углей низких марок является синтетическое жидкое топливо.

Так, из 1 тонны бурого угля, в зависимости от его исходных характеристик качества, выход СЖТ может составлять 380–420 кг (38–42 %).

Синтетическая нефть в ректификационной колонне разделяется на следующие фракции:

В зависимости от условий технического задания, возможно также другое соотношение топливных фракций:

На рисунке 18 изображена технологическая схема модульной установки для переработки угля в топливные компоненты.

1 – грохот; 2 – узел (модуль) измельчения угля; 3 – узел (модуль) приготовления

Водоугольной суспензии (кавитатор); 4 – реактор трубчатого типа; 5 – блок очистки газов; 6 – восстановительный процесс СО+Н2 парокислородная газификация;

Рисунок 18 – Технологическая схема модульной установки для переработки угля

Грохочение – сортировка сыпучих материалов по крупности частиц (кусков) на грохотах, применяется для разделения угля, руды, строительных и др. сыпучих материалов на фракции или для выделения из материала частиц определённой крупности [9]. При Грохочении материал, двигаясь по ситу грохота, расслаивается: чем крупнее частицы, тем выше слой, в котором они движутся. Частицы, размер которых в поперечнике меньше размера отверстия сита (нижний класс), достигнув его поверхности, проваливаются через отверстие, т. е. просеиваются (в нижний подрешетный продукт), более крупные частицы (верхний класс) скатываются по ситу и образуют верхний, надрешетный, продукт. Ввиду ог-раниченности длины грохота не все частицы с размерами меньше размера отверстия

Сита успевают просеяться, часть из них остается в надрешетном продукте, засоряя его

Эффективность Грохочения зависит от многих факторов: крупности и формы частиц исходного материала и его нагрузки на грохот; типа грохота; размера и формы отверстий сита, его длины и угла наклона. Максимальная эффективность Грохочения у барабанных грохотов составляет 60–70 %, качающихся 70–80 %, вибрационных 90–98 %.

Грохот – один из основных видов технологического оборудования дробильно-сортировочных заводов и обогатительных фабрик. Грохоты подразделяются на неподвижные, их называют устройства, и подвижные, их называют машины. Неподвижные Грохоты (колосниковые, дуговые, конические) состоят из рабочего органа неподвижной просеивающей поверхности и установки для её крепления. Колосниковые Грохоты имеют наклонную поверхность и щель свыше 50 мм и применяются для грубой сортировки крупнокусковых материалов; дуговые Грохоты используются для обезвоживания и сортировки мелкозернистых материалов (угля, песка): конические – для обезвоживания и грубой сортировки.

Подвижные Грохоты обеспечивают высокую эффективность грохочения. Такие Грохоты состоят из одной или нескольких просеивающих поверхностей (сит), а также устройств для их установки и механизма, приводящего сита в движение. По характеру движения сит различают Грохоты с вращающимися поверхностями (барабанные), качающиеся, вибрационные и полувибрационные. Барабанные Грохоты состоят из концентрических просеивающих поверхностей, вращающихся вокруг одной оси. Такие Грохоты используются преимущественно для промывки материалов с попутной грубой сортировкой.

У качающихся Грохотов одно или несколько сит закреплены в прямоугольном коробе, соединённом с движущим механизмом, чаще эксцентриком. Материал движется по ситу Грохота под действием силы тяжести или сил инерции. Благодаря жёсткой кинематической связи между коробом Грохота и эксцентриком размах колебаний сит строго определён и не зависит от нагрузки на Грохот. Короб вибрационного Грохота колеблется под действием усилий, создаваемых вибратором. По характеру вибрации различают Грохоты с прямолинейными, эллиптическими и круговыми вибрациями короба. В отличие от качающихся, у вибрационных Грохотов величина колебаний сит не постоянна и зависит от нагрузки.

При переработке угля используются центробежно-ударные дробилки [8].

В центробежно-ударных дробилках разрушение породных кусков происходит в результате их удара о неподвижную массивную преграду. Такой способ разрушения получил название «ударно-отражательного дробления». Разрушаемый кусок породы оказывается не подпертым какой-либо жесткой поверхностью (наковальней), а является «свободным». В соответствии с этим появился термин «свободный удар».

В центробежно-ударных дробилках реализуется два типа преград, о которые ударяется летящий с большой скоростью кусок породы. Преградой может служить массивная броня, тогда такой способ разрушения принято называть «камень о металл» или «камень о броню». Преградой может служить также подушка из дробимого материала, такой способ разрушения принято называть «камень о камень».

В основу технологии по приготовлению водоугольных суспензий заложено свойство углеводородного сырья, угля, нефти и других углеводородных соединений подвергаться «гидрогенизации», т. е. присоединению водорода к ато­мам углерода под большим давлением, до 700 атмосфер, и при высокой температуре (от 400 до 550 °С).

Вторым фактором, позволяющим обеспечивать не только измельчение, перемешивание, но и химические эффекты присоединения, замещения, слияния и разрыва молекул является использование кавитации.

В кавитационных аппаратах, применяемых для тонко-дисперсного измельчения угля, всасывающие полости выполнены таким образом, что в них возникают разрежения, и закачиваемая диспергатором водоугольная пульпа находится под значительным разрежением, способствующим насыщению пульпы кавитационными пузырьками.

При переходе пульпы через диспергатор возникают зоны и импульсы с повышенным давлением.

Кавитационные пузырьки, оказавшиеся в зоне повышен­ного давления или под действием импульса повышенного давления, начинают интенсивно схлопываться.

В точке исчезновения пузырька возникают мгновен­ные перепады давления от 4000 до 25 000 кг/см 2 , мгновенные значения температуры 2000–3400 °К; на поверхности пузырька возникают и при его исчезновении концентрируются электрические заряды, напряженностью до 10 11 В/м.

Таким образом, на молекулярном уровне в достаточ­ном простом оборудовании возникают условия для протекания реакций гидрогенизации.

Кавитация приводит к возникновению реакционно-способных радикальных частиц. В случае воды такими радикальными частицами являются атом водорода и гидроксильный радикал.

Модель физико-химических процессов, протекающих в кавитационном пузырьке и в прилегающем к нему объеме жидкости (вода; вода + H2O2; O3; О2) включает элемен­тарные акты, приводящие к образованию продуктов сонолиза воды:

Гомолитическое расщепление воды с образовани­ем радикалов • Н и • ОН, при рекомбинации которых образуется в том числе и пероксид водорода Н2О2;

Образование гидроперекисных радикальных соеди­нений при наличии в реакционной среде кислорода;

Взаимодействие радикальных продуктов сонолиза воды с пероксидом водорода;

Дальнейшие вторичные процессы возбуждения и перезарядки продуктов сонолиза воды.

Таким образом, в водной среде, находящейся в поле кавитационных колебаний, присутствуют гидрокил-, пероксид – и другие радикальные частицы и соединения.

Гидроксил-радикал является мощнейшим окислителем, который может существовать в воде, обладая высоким окислительным потенциалом. Гидроксил-радикал способен окислять практически все органические соединения. Вместе с этим гидроксил-радикал является типичным электрофилом и по этой причине легко вступает в реакцию с молекулами, содержащими ароматическое коль­цо [10].

Трубчатые реакторы (рисунок 19) применяют для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации. При одновременном скоростном движении нескольких фаз в таких реакторах достигается наиболее интенсивный межфазный массообмен [9, 11].

В аппаратах этого типа поверхности охлаждения расположены параллельно движению реагентов и таким образом отвод или подвод тепла осуществляется по мере его выделения или поглощения.

Конструктивно реакторы могут быть выполнены в виде трубчатого аппарата с охлаждающей рубашкой около каждой трубки. Могут быть трубчатые реакторы с общей охлаждающей рубашкой (реактор кожухо-трубного типа с размещением катализатора в трубках или межтрубном пространстве). Могут быть аппараты с двойными трубками, когда слой катализатора имеет кольцевое сечение. Такой аппарат находит применение в полимеризации пропанпропилиновой фракции. Аппарат состоит из отдельных секций. Их может быть до 12. Процесс происходит при 260 °С, давлении 7 МПа. Внутренний диаметр трубы составляет 150 мм. Высота отдельного элемента 14 м. Достоинством такого аппарата является возможность применения хладагента, высокого давления (кипящая вода под давлением).

Недостатком является его малая производительность, большая занимаемая площадь, неудобство выгрузки катализатора [9].

Одним из важнейших вопросов охраны воздушного бассейна от вредных газопылевых выбросов, многие годы находящемся в центре внимания специалистов всего мира, является разработка методов очистки и утилизации побочных продуктов в виде, пригодном для дальнейшего использования. Опасность дымовых выбросов заключается в том, что они носят географически сосредоточенный характер, в результате чего в ряде регионов загрязнение атмосферы диоксидом серы (SO2) принимает угрожающие размеры.

Принципиальная схема блока очистки газов представлена на рисунке 20.

В настоящее время для очистки дымовых газов от серы применяется самая современная техника.

Важнейшей составной частью таких установок является: абсорбер 5, в котором неочищенный газ 1 охлаждается и очищается посредством химической реакции. Для очистки от SO2 и других веществ, таких как HСL, HF и пыли, газ пропускается через суспензию абсорбера, состоящую из известковой муки и воды. Оба компонента смешиваются в приёмнике окисления суспензии 12. Затем вода подводится к отстойнику абсорбера 6. Возникающая при очистке газа смесь сульфата и сульфита кальция превращается в отстойни-

Ке абсорбера посредством интегрированного окисления в суспензию сульфата кальция (гипс).

С помощью гидроциклонных установок 7 и ленточного фильтра 8 производится обезвоживание гипсовой суспензии и выделение гипса. В гидроциклоне происходит деление гипсовой суспензии на крупно – и мелкозернистую. В то время, как мелкозернистая суспензия отводится обратно в отстойник абсорбера, крупнозернистая обезвоживается на ленточном фильтре с выделением влажного гипса. Перед выходом газа из абсорбера отделяются оставшиеся капли воды. Только после этого очищенный газ 2 нагревается в регенеративном теплообменнике 4 и направляется в дымовую трубу.

1 – неочищенный газ; 2 – очищенный газ; 3 – очищенный газ на просушку; 3 – регенеративный теплообменник; 5 – абсорбер; 6 – отстойник абсорбера;

7 – гидроциклон; 8 – ленточный фильтр; 9 – буферная ёмкость; 10 – отработанная вода;

11 – силосная башня с известковой мукой; 12 – приёмник окисленной суспензии;

Ректификация (от позднелатинского Rectificatio – выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. Потоки пара и жидкости в процессе ректификации, перемещаясь противотоком, многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах). Часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость – менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов [10, 11, 12].

Аппараты, служащие для проведения ректификации, – ректификационные колонны, состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара – куба и дефлегматора.

Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал – насадка. Куб и дефлегматор – это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители).

Назначение тарелок и насадки – развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар–жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

Различают непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и обеднённых другими. Полная колонна состоит из 2-х секций – укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны. Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде кубового остатка (также продуктовый поток).

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число – важная характеристика процесса ректификации: чем больше R, тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, которое находится расчётным путём в предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси [10].

Экологическая чистота процесса газификации низкосортных углей обуславливает низкий уровень выбросов в атмосферу. Благодаря предварительной очистке газа сокращаются выбросы оксидов серы, азота и твердых частиц.

На рисунке 21 приведены характерные величины удельных выбросов при сжигании и газификации низкосортных углей [4].

Http://textarchive. ru/c-2066206-pall. html

Поделиться ссылкой: