Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Методы получения синтетических топлив из угля

Получаемые из угля синтетические топлива могут быть твердыми, жидкими газообразными. К твердым синтетическим топливам относится большое количество облагороженных или улучшенных топлив типа "чистый уголь", угольные брикеты, полукокс, термоуголь, автоклавированный уголь. Синтетические жидкие топлива представлены котельным топливом (заменитель нефтяного мазута), моторными топливами и метанолом. Газообразные топлива, получаемые из угля, представляют собой топливный газ, "заменитель природного газа" и синтез-газ.

Получение из угля синтетических топлив осуществляется различными

методами. Твердое топливо с повышенной экологической чистотой

получается в результате удаления из исходного угля вредных примесей, таких как сера и минеральные примеси.

Преимуществами "чистого угля" являются снижение выбросов SO2 и

твердых частиц при сжигании, а также повышение теплотворной способности по сравнению с исходным углем. При получении топлива для коммунально-бытовых целей используется брикетирование угольной мелочи.

В результате происходит снижение выбросов твердых частиц при сжигании и может повышаться теплотворная способность топлива. В некоторых случаях в брикеты вводят специальные химические добавки, снижающие выход смол, сажи, серы и других вредных продуктов при сжигании.

Повышение качества бурых углей, имеющих низкую теплотворную

способность из-за большого количества влаги и кислорода, достигается путем их облагораживания при пиролизе или обработке перегретым паром.

Термическое облагораживание бурого угля повышает его теплотворную способность, кроме того снижается эмиссия SO2 и NOx (для полукокса и термоугля) и могут уменьшаться выбросы твердых частиц при сжигании автоклавированного кускового угля.

Процесс газификации угля является многоцелевым относительно состава продуцируемого газа. При получении газообразных топлив выделяются три основные направления, связанные с производством топливного газа, заменителя природного газа и синтез-Газа.

Состав и теплотворная способность продуцируемого газа зависят не

только от режимов газификации, но и от конструкции используемого

газогенератора. Применение топливного газа позволяет решать экологические и технологические проблемы в энергетике, металлургии и других отраслях промышленности. Особенностью получаемого заменителя природного газа является низкое содержание СО и, следовательно, относительно низкая токсичность, что позволяет широко применять этот газ в бытовых целях. Синтез-газ используется для химической переработки в метанол, моторные топлива или для получения водорода. Для получения жидких топлив непосредственно из угля используются процессы гидрогенизации, пиролиза, ожижения растворителями.

При получении котельного топлива (заменителя нефтяного мазута) и

моторных топлив требуется дополнительное применение процессов

гидропереработки жидких угольных продуктов с целью уменьшения содержания серы и других нежелательных примесей. Наиболее легко перерабатывается "угольная нефть", получаемая в процессе каталитической гидрогенизации угля.

Жидкие топлива из синтез-газа экологически намного безопаснее, чем топлива, получаемые прямым ожижением угля. Последние содержат высокое количество канцерогенных полициклических соединений.

Современные технологии химической переработки угля

Пиролиз

До начала XX века пиролизом каменного угля получали большинство химических продуктов. Эти процессы основаны на нагревании углей без доступа воздуха с целью их термической деструкции.

Пиролиз осуществляют в различных температурных интервалах, в

зависимости от назначения получаемых продуктов. Низкотемпературный пиролиз (или полукоксование) проводится обычно при 500 ° - 600°С, а высокотемпературный пиролиз (или коксование) - при 900° - 1100°С.

Современные процессы низкотемпературного пиролиза бурых углей ориентированы преимущественно на получение синтетического жидкого топлива и полукокса.

Гидрогенизацией смол пиролиза можно получать моторные топлива, однако их стоимость пока выше, чем моторных топлив из нефти. Твердые продукты пиролиза бурого угля имеют более широкое применение в качестве облагороженного энергетического топлива, брикетированного топлива коммунально-бытового назначения, восстановителей в цветной и черной металлургии, компонентов шихты при получении металлургического кокса, а также углеродных сорбентов. Среди известных методов получения полукокса из бурого угля весьма перспективен для промышленного освоения предложенный с участием автора каталитический пиролиз в кипящем слое катализатора окисления. Важнейшим преимуществом технологии каталитического пиролиза является повышение экологической чистоты, обусловленное отсутствием смолообразования, резким уменьшением содержания канцерогенных веществ в твердом продукте, уменьшением объема газовых выбросов и концентрации в них вредных веществ.

Газификация

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 состав продуктов приведены на схеме.

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 (водноугольная суспензия) и их различные модификации. На опытно-промышленом 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.

Катализатор может ускорять как реакции прямого превращения углерода в газообразные соединения, так и газофазные реакции продуктов термического превращения угля. До настоящего времени преимущественно разрабатывали процессы каталитической газификации, основанные на ускорении реакций 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 катализаторами 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 в расплаве соды, процесс ПАТГАЗ - газификация при атмосферном давлении в расплаве железа. Применяемые расплавы играют роль теплоносителя и катализатора.

Применение катализаторов может быть сопряжено с появлением новых технологических проблем. Среди них следует выделить проблему разработки простых и надежных методов введения катализатора в реакционную смесь и извлечения его для повторного использования в процессе газификации. В выполненных с участием автора работах установлено, что эта проблема может решаться путем осуществления процесса газификации угля в кипящем слое частиц катализатора. В качестве каталитически активных материалов оказалось возможным использовать дешевые и доступные металлургические и котельные шлаки, которые содержат элементы (Fe, Ni, Mn и др.), способные катализировать реакции окисления, конверсии СО и углеводородов,

метанирования. Такие каталитически активные материалы можно использовать в процессе газификации до их полного износа. В режиме циркуляции частиц мартеновского шлака при температурах 850 - 900С и атмосферном давлении паровоздушной смеси степень конверсии угля в газообразные продукты составляет 90%, а интенсивность газификации превышает показатели известных технологий газификации, осуществляемых при аналогичных температурах и давлении.

Ожижение

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 нефтей). 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 получаются в присутствии катализаторов, активирующих молекулярный водород, и органических растворителей, способных легко отдавать атомы водорода (тетралин, крезол и другие).

Предложенный механизм каталитического ожижения угля можно представить следующей схемой.

Первоначальной стадией ожижения является превращение угля в так

называемые асфальтены, 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.

Исследования подтвердили эффективность применения железосодержащих рудных катализаторов (пирит, пирротит, магнетит) для ожижения Канско-Ачинских углей в среде водорододонорных растворителей. По своей активности они сопоставимы с промышленным алюмокобальтмолибденовым катализатором, применяемым в нефтепереработке. Этот, неожиданный на первый взгляд, результат объясняется тем, что процесс гидрогенизации угля в среде водорододонорного растворителя протекает по механизму опосредованного катализа. Суть этого механизма сводится к тому, что ожижение угля осуществляется преимущественно не молекулярным водородом, а путем переноса атомов водорода от молекул органического растворителя (например, тетралина, который при этом дегидрируется до нафалина):

уголь + тетралин уголь-Н2 + нафталин.

Роль катализатора в основном сводится к восстановлению утраченных Н - донорных свойств растворителя (в частности, к гидрированию нафталина с получением тетралина):

катализатор + Н2 Катализатор-Н2

катализатор-Н2 + нафталин

Катализатор + тетралин.

Для эффективного обеспечения данной функции катализатор может

обладать даже умеренной гидрирующей активностью, в частности, присущей железосодержащим катализаторам.

Более благоприятная ситуация в плане промышленного освоения сложилась с технологиями, в которых совмещены процессы газификации угля до синтез-газа его и последующая переработка в метанол или жидкие углеводородныесмеси. В промышленном масштабе на основе синтез-газа осуществляют крупнотоннажное производство следующих продуктов: метанола, жидких алифатических углеводородов и метана. Технологии синтеза жидких топлив из СО и Н2 прошли промышленную проверку в двух вариантах, известных как процесс Фишера-Тропша и процесс Мобил. Процесс Фишера-Тропша экономически мало выгоден для производства малооктановых бензинов вследствие низкой производительности катализаторов (0,3 - 0,7 т/м3 Кт в сутки) и низких

октановых чисел получаемой бензиновой фракции (50 - 72). Технология Мобил, основанная на использовании высококремнеземестых цеолитов в качестве катализаторов превращения метанола в высокооктановый бензин, отличается более высокой производительностью, селективностью и качеством продукта (получаемый бензин имеет октановое число 91 - 98).

В принципе из синтез-газа можно получить почти любые органические

продукты, производимые сейчас нефтехимическим синтезом. Возможные пути получения химических продуктов при каталитической переработке синтез-газа иллюстрируются следующей схемой.

Условия осуществления этих превращений уже известны, хотя

эффективность ряда из этих процессов еще далека от желаемой.

Отходы угледобычи

Использование в цементном производстве отходов и побочных продуктов других отраслей промышленности способствует не только экономии топлива, электроэнергии и сырья, но и увеличивает объем выпуска продукции, сокращает площади хозяйственно пригодных земель, отводимых под карьеры и отвалы, улучшает экологические условия.

Использование углеотходов:

· в производстве кирпича позволяет получить кирпич с высокими строительно-техническими характеристиками и сэкономить топливно-энергетические ресурсы за счет горения имеющегося угля в составе углеотходов;

· в производстве портландцементного клинкера углеотходы полностью или частично заменяют глинистый компонент сырьевой шихты, при этом приводят к уменьшению расхода газа для обжига клинкера, улучшают работу печного агрегата.

Полученный клинкер обладает высокой активностью, производимый при этом цемент обладает высокими строительно-техническими свойствами.

Товарный же уголь используется в теплоэнергетике. После теплоэнергетического использования образуется зола, которая используется в качестве стройматериалов, в производстве удобрений. Зольные отходы используются как вяжущие материалы (золодобавки к цементу, известковозольные, известкошлаковые), инертные наполнители (из них в результате переработки производится аглопорит, обжиговый и безобжиговый гравий; без переработки используются в строительстве (кирпич, легие бетоны и асфальт)). Из зольных расплавов получают каменное литье, шлакопемзу, шлаковату [1, 2].

 

 

Уголь содержит большое количество химических элементов в виде различных солей, входящих в его минеральную и органическую части. Наибольшая концентрация редких элементов имеет место в малозольных углях, в которых они тесно связаны с органическим веществом угля.

Некоторые угли содержат в заметных количествах F, Co, Br, Sr, Ce, Eu, Tb, Yb, Lu, W, Pt, Pd. В последние годы большое промышленное значение приобретают рассеянные и редкие элементы – Ge, Ga, Sc, Mo.

Даже при содержании сотых и даже тысячных долей процента редких и рассеянных элементов от массы угля извлечение их может быть выгодно.

Анализируя таблицу 2 среднего содержания элементов в угольном пласте Великан - II, сравнивая значения с минимальными промышленно-значимыми содержаниями, целесообразно извлекать следующие элементы: F, Ba, Hf, Re. В золах углей пласта Великан - II значения таких элементов как F, P, Co, Sr, Ba, Ce, Sm, Eu, Tb, Lu, W, Re, Bi превышают минимальные промышленные содержания, и их извлечение имеет смысл.

Для пласта Великан - II вскрышными породами будут являться следующие породы: аргиллиты, алевролиты, песчаники, алевро-песчаники, конгломераты, кальцитовый цемент, алевролиты. Все эти породы могут использоваться в строительной индустрии. В некоторых породах значение химических элементов превышает их кларковое содержание, а некоторые элементы даже выгодно извлекать.

В породах, слагающих слои:

- в аргиллитах кларковое содержание превышают следующие элементы: литий, бериллий, скандий, титан, железо, медь, цинк, рубидий, иттрий, циркон, ниобий, молибден, олово, церий, европий, иттербий, лютеций, гафний, тантал, свинец, торий;

- в алевролитах кларковое содержание превышают скандий, хром, железо, кобальт, цинк, ниобий, молибден, барий, церий, европий, тербий, иттербий, свинец и уран;

- в алевро-песчаниках кларковое содержание превышают следующие элементы: литий, бериллий, скандий, титан, хром, никель, медь, цинк, сурьма, молибден, барий, церий, европий, гафний, свинец, уран;

- в песчаниках кларковое содержание превышают: литий, скандий, марганец, железо, кобальт, мышьяк, иттрий, молибден, европий.

В углевмещающих породах:

- в аргиллитах кларковое содержание превышают следующие элементы: бериллий, фосфор, скандий, хром, железо, кобальт, медь, цинк, ниобий, молибден, олово, церий, европий, лютеций, гафний, свинец, ;

- алевролитах кларковое содержание превышают литий, бериллий, фосфор, скандий, титан, хром, железо, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, сурьма, ниобий, молибден, церий, европий, тербий, лютеций, гафний и свинец;

- в алевро-песчаниках кларковое содержание превышают следующие элементы: литий, скандий, титан, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, сурьма, иттрий, ниобий, европий и лютеций, гафний;

- в песчаниках кларковое содержание превышают: литий, фосфор, скандий, титан, ванадий, хром, железо, никель, медь, цинк, иттрий, ниобий, молибден, циркон, церий, европий, тербий, иттербий, лютенций, гафний, свинец.

Анализируя таблицу среднего содержания элементов в угольных пластах Черногорского месторождения можно сделать вывод, что целесообразно извлекать такие элементы как F, P, Co, Sr, Ba, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, W, Re, Bi, Th .

 


Извлечение: Li, Sc, Cr, Fe, Zn, Pb  
Извлечение Li, Sc, Fe,Nb, Pb, P, Cr, Co, Eu  
3 Технологическая схема переработки углей и отходов

Каменный уголь
Добыча
Обогащение
Отходы
Доизвлечение угля
Хим.-технол. пр-во
Дорожное стр-во
Стройматериалы
Кирпич
Аглопорит
Вяжущие мат-лы
Цемент
Комб. вяжущие мат-лы
Дорожные основания Строит. щебень Подстил. слои дорожных одежд Балансировка ж/д путей  
С/х
Микроэл-ты
Удобрения
Уголь
Теплоэнергетика
ЗШО
Производство удобрений
Отходы
Стройматериалы
Расплав
Каменное литье
Шлакопемза
Шлаковата
Инертные наполнители
Без переработки
Переработанные
Кирпич Легкие бетоны и асфальт Золобетон Мелкие блоки из золобетона  
Аглопорит
Обжиговый гравий
Безобжиговый гравий
Вяжущий материал
Золо-добавки к цементу
Известковозольные
Известкошлаковые
Отходы
Вскрышные породы
Глинистые
Песчано-гравийные
Дорож. ст-во
Стекло
Производство бетона и асфальта
стройматериалы
Соединения Al
Кирпич
Гидрогенизация
Синтетическое топливо
Химические продукты
Полукоксование
Полукокс
Подсмольная вода
Газ
Полукоксовая смола
Остаток
Активированный уголь
Битумы
Сырые фенолы
Шпалопропиточное масло
Парафиновое масло
Восковая смола
Клей
Металлургия
Тепло, электроэнергия
Коксование с исп. жирных углей
Газ
Аммиак
Смола
Хим. продукты
Нафталин Масла Фенолы Пек Сульфат аммония Серная кислота Лак
Кокс
Сорбент
СО+О2
Каменноугольный кокс
Произв-во чугуна
Газификация
Газ восстановитель
Металлургия
Синтез. газ
Твердые отходы
Стройматериалы
Извлеч. F, Sc, Co, Br, Sr, Zr, Nd, Ba, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf
Извлечение: F, Sc, Rb, Y, Eu, Th, Ce  

 

 


Рис. 3 Технологическая схема переработки углей и отходов

Кровля Пластмасса Дорожный деготь  
СН4 Н2 Хим. продукты Синтетическое топливо

 

Заключение

В результате лабораторной работы было изучено геологическое строение минерального и химического состава углей и вмещающих пород Черногорского месторождения, изучены возможности комплексного освоения месторождения, а также отходов добычи и переработки, описаны возможности извлечения попутных компонентов с их перечислением, составлена технологическая схема переработки углей и отходов Черногорского месторождения.

Также была составлена принципиальная схема переработки углей месторождений полезных ископаемых, исходя из экологических, экономических требований.

 

 

Список литературы

 

1. http://www.wasterecycling.ru/archive_journal/dekabr_2006_6/promothodi/othodiugledobichi.jdx

2. http://www.uzsm.uz/ru/section.scm?sectionId=3136&contentId=3165

 

 

Последнее изменение этой страницы: 2017-07-16

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...