Автотермическая переработка угля в кипящем слое с комбинированным производством энергоносителей

В первую очередь, уголь используется как энергетическое топливо в различных отраслях промышленности и в энергетике, а так же как технологическое сырье в металлургии и химической промышленности.

На ближайшую перспективу правительственными документами о долгосрочной энергетической стратегии поставлена задача увеличения доли угольного топлива в энергетическом балансе страны примерно в полтора раза. Но традиционные методы сжигания угля по существу достигли своего предела экономической и экологической эффективности. При действующей системе ценообразования на энергетическую продукцию сроки окупаемости инвестиций в типовые электростанции на угольном топливе приближаются к уровню 20 лет.

В то же время при непрерывном росте мирового потребления стали растет и потребление коксующихся углей для ее производства. Однако запасы этих марок угля все более сокращаются, а себестоимость добычи возрастает, что в конечном итоге обеспечивает непрерывный рост цен на коксовую продукцию.

В течение последних десятилетий активное потребление дешевой нефти и природного газа оказывало подавляющее воздействие на развитие новых технологий использования угля. Как следствие, на сегодняшний день в стране главным способом использования угля является его прямое сжигание по технологиям, основы которые разработаны в начале прошлого века.

Уголь как энергетическое сырьё является наиболее экологически опасным из всех ископаемых видов топлива из-за повышенной эмиссии вредных веществ при его сжигании [1]. Известно, что можно значительно снизить ущерб природной среде от угольной энергетики, если использовать облагороженный, или «чистый», уголь, синтетические газообразные или жидкие виды топлива, получаемые путём глубокой переработки угля [2- 3].

Технологии термической переработки угля по способу подвода тепловой энергии, необходимой для расщепления органической массы угля (ОМУ), могут быть разделены на аллотермические и автотермические [4]. Характерной особенностью аллотермических процессов переработки угля является их экологическая опасность из-за сложности утилизации побочных продуктов пиролиза угля и отработанного газообразного теплоносителя, поступающего в атмосферу. Приведение таких производств в соответствие природоохранным нормативам заключается, как правило, в сооружении очистных устройств для обезвреживания выбросов и требует инвестиций, сопоставимых со стоимостью основного оборудования. Поэтому актуальной задачей является создание новых технологий термической переработки угля, которые в принципе не производят экологически опасных отходов. Автотермические процессы переработки угля являются более предпочтительными, поскольку при генерации тепловой энергии за счёт окисления части органической массы угля возможно полное или частичное превращение летучих продуктов пиролиза в менее токсичные компоненты и их полное огневое обезвреживание.

В последнее время в мире наблюдается активизация в области переработки углей. С одной стороны, этому способствует тенденция к снижению качества добываемых углей и нарастание дефицита высококалорийных углей с низким содержанием вредных примесей. Значительный толчок повышенного интереса к углю дала катастрофа на японской АЭС «Фукусима» и последовавшие за ней корректировки энергетических программ ряда крупных индустриальных стран в сторону сокращения доли атомной энергии. С другой стороны, мировая конъюнктура стимулирует непрерывный рост цен на коксовую продукцию и специальные виды топлива. Но, несмотря на многолетние и очень значительные усилия отдельных исследователей и крупных промышленных корпораций, до настоящего времени в промышленном масштабе так и не реализованы высокопроизводительные, простые в аппаратурном оформлении и экологически безопасные технологии переработки угля с получением продукции с повышенной потребительской стоимостью.

Таким образом, в настоящее время остро стоит задача разработки и внедрения принципиально новых, энергетически и экономически эффективных, экологически безопасных и высокопроизводительных технологий использования угля. Решение этой задачи позволит придать качественно новый импульс дальнейшему развитию энергетики и смежных отраслей промышленности РФ. Настоящая работа посвящена именно этой актуальной теме.

На основе результатов, полученных при исследовании поведения бурого угля в процессе его нагрева, разработана новая технология энерготехнологической переработки угля «ТЕРМОКОКС-КС». Она заключается в автотермической карбонизации (частичной газификации) углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем. При этом из горючей массы угля производится два компонента: горючий газ, который сжигается в этом же реакторе для производства тепловой энергии, и высокоактивный коксовый остаток — среднетемпературный кокс (термококс), который является ценным сырьем широкого спектра использования [5−8].

Объектом исследования является теплотехнологическая установка для карбонизации угля в кипящем слое.

Предмет исследования — характеристики технологического процесса переработки угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в автотермическом реакторе с кипящим слоем.

Цель исследования состоит в разработке процесса автотермической переработки углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем с комбинированным производством среднетемпературного кокса и тепловой энергии.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

2. Выполнить анализ технологий термической переработки угля, направленных на получение твёрдых и газообразных продуктов, оценить состояние исследований в данной области и уровень их промышленного использования и определить направление исследований.

3. Исследовать закономерности процесса нагрева угля низкой степени метаморфизма, выявить основные управляющие параметры, изучить влияние управляющих параметров на показатели процесса карбонизации и характеристики получаемого среднетемпературного кокса в автотермическом реакторе с кипящим слоем.

4. Разработать технологический процесс автотермической переработки углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем.

4. На основе опытно-промышленной апробации технологии разработать практические рекомендации по эффективному использованию технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС» в промышленном масштабе.

Теория и методология исследований основаны на положениях теплофизики, химической физики, а также экспериментальных и теоретических данных в области теплотехнологической переработки угля.

В работе использованы следующие методы исследований: натурный теплофизический эксперимент, математическое моделирование, метод сравнения и аналогий, метод обобщений и др.

Основы методологических приёмов, использовавшихся в настоящей работе, были заложены Я. Б. Зельдовичем, Д.А. Франк-Каменецким, Б. В. Канторовичем, Г. Ф. Кнорре, Н. В. Лавровым, В. В. Померанцевым, A.A. Агроскиным, А. Ф. Чудновским и др.

Информационную базу исследований в настоящей работе составили:

• научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов, отчётов, материалов научных конференций;

• результаты собственных экспериментов и расчётов.

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем:

1. Разработан автотермический технологический процесс комбинированного производства энергоносителей различного назначения из углей низкой степени метаморфизма, с применением термоокислительной обработки измельченного угля в кипящем слое.

2. Предложены и научно обоснованы технологические схемы, реализующие технологический процесс автотермической переработки угля в кипящем слое.

3. Определена область режимных параметров, обеспечивающих достижение эффективных технико-экономических показателей процесса карбонизации углей различных марок.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования характеристик автотермического процесса карбонизации углей с высоким выходом летучих веществ в кипящем слое, а именно количественная взаимосвязь между управляющими параметрами процесса и характеристиками целевого продукта — среднетемпературного кокса, — как основа для разработки технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС».

2. Технологический процесс карбонизации углей в кипящем слое на воздушном дутье «ТЕРМОКОКС-КС» и его аппаратурное оформление в виде модифицированного типового котельного агрегата.

Практическая значимость:

1. Получены соотношения режимных параметров процесса карбонизации угля (расходы угля и воздуха, температура переработки, производительность реактора по твёрдому продукту) и характеристик получаемого термококса, которые приняты для использования при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе процесса «ТЕРМОКОКС-КС»;

2. На основе результатов исследований разработаны технологические регламенты процесса карбонизации для углей марок 2Б, ЗБ, Д, в том числе обогащаемых углей, включая отсевы обогащения используемые проектно-конструкторскими организациями (ВНИПИЭТ, НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» и др.).

Личный вклад автора состоит в самостоятельном анализе литературных источников и получении экспериментальных данных, постановке, подготовке и проведении экспериментов по карбонизации углей различных марок, разработке практических рекомендаций по реализации данной технологии в промышленном масштабе.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований, сопоставлением с результатами других исследователей. Результаты, полученные на опытном стенде, были использованы для проектирования опытно-промышленной установки для комбинированного производства тепла и термококса. Параметры опытно-промышленного процесса имеют высокую корреляцию с расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает достоверность и обоснованность результатов работы.

Реализация результатов работы:

1. На основе исходных данных, полученных автором, в 2007 году выполнена модификация котла КВТС-20 (котельная разреза «Берёзовский-1» ОАО «СУЭК», г. Шарыпово) для работы по технологии «ТЕРМОКОКС-КС» (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

2. Результаты исследования процесса карбонизации багануурского бурого угля использованы в 2010 г. в качестве исходных данных при выполнении проекта «Модернизация ТЭЦ-2 в г. Улан-Батор по технологии „ТЕРМОКОКС-КС“ с целью производства 210 тыс. т/год бездымного бытового топлива» (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

3. В 2012 году результаты исследования процесса карбонизации березовского бурого угля использованы в качестве исходных данных для инвестиционного проекта строительства энерготехнологического модуля мощностью 100 тыс. т/год брикетированного термококса (заказчик — ОАО «СУЭК») (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

Апробация результатов диссертационных исследований. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2006 г.), XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), XIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: СИБРЕСУРС 2010» (Кемерово, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных литературных источников и 7 приложений. Работа содержит 194 страницы машинописного текста, в том числе 142 страницы основного текста диссертации и 52 страницы приложений, 49 рисунков и 26 таблиц.

Список использованных источников

включает 80 наименований.

Основные выводы, полученные в результате введения буроугольного кокса в аглошихту:

1. Интенсификация процесса агломерации. С повышением доли термококса линейно повышается вертикальная скорость спекания, сужается зона горения по высоте слоя.

2. Производительность процесса спекания изменяется по кривой с максимумом при замещении коксовой мелочи на 40−50%. При этом производительность повышается на 15−20%. При увеличении замены более 50% производительность снижается и при полной (100%о) замене уменьшается до исходного уровня при работе на коксовой мелочи.

3. Крупность использованного в опытах БК (1−5, 0−3, 0,5−3 мм) существенного влияния на показатели процесса не оказывает. Однако, учитывая отдельные положительные моменты процесса, а также высокую реакционную способность БПК, для агломерации целесообразно использовать класс 15 мм.

4. Для улучшения количественных показателей аглопроцесса и сохранения качества агломерата на производственном уровне рекомендуется замена коксовой мелочи в топливе на БК в количестве 40−50%.

Результаты проведенных опытов для условий Абагурской аглофабрики ОАО «Евразруда» позволяют рассматривать термококс как перспективное топливо для агломерации железных руд.

В таблице А.1 приведены требования к агломерационному топливу. В этой же таблице приведены средние характеристики качества термококсов, полученных по технологии ТЕРМОКОКС-КС.

Показатели Требования к аглотопливу Буроугольный термококс Термококс из угля марки Д

Крупность 0−3 мм — 100%, класс класс содержание 0−5 мм 0−13 мм класса 100% 100%

0−0,5 мм минимальное

Влажность, Ж, % до 20 до 5 до 3

Зольность, Аа, % до 18 8−9 до 16

Выход летучих веществ, 0/о до 10 до 9 до 7

В составе летучих отсутствуют отсутствуют отсутствуют веществ не должно быть смолистых продуктов или минимальное их