Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред
Исследованы существующие технологии термических превращений углеродсодержащих сред, в том числе углей различной степени метаморфизма, в синтез-газ. Проведены их анализ и сравнительная характеристика по ряду показателей. Установлено, что паровая окислительная среда в аллотермических технологиях высок...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2017
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138640 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред / Л.Т. Холявченко, Е.Ю. Пигида, С.Л. Давыдов, С.В. Демченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 41-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-138640 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1386402018-06-20T03:08:29Z Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред Холявченко, Л.Т. Пигида, Е.Ю. Давыдов, С.Л. Демченко, С.В. Исследованы существующие технологии термических превращений углеродсодержащих сред, в том числе углей различной степени метаморфизма, в синтез-газ. Проведены их анализ и сравнительная характеристика по ряду показателей. Установлено, что паровая окислительная среда в аллотермических технологиях высокотемпературных превращений (ТГ ≥ 2000 К) наиболее полно отвечает требованиям качества конечного продукта, экологической безопасности его производства, рациональному использованию исходного сырья. За счет высокоэнтальпийного водорода из окислительной среды выход полезного продукта термопревращений увеличивается на 40 – 45 % , калорийность газа составляет 11,5 – 12 МДж/м³, степень переработки углерода 98 99 %, газовая фаза на 97 – 99 % представлена синтез-газом. Показано, что пароплазменная технология может быть успешно применена в промышленной теплоэлектроэнергетике как альтернатива нефти и природному газу, химической промышленности, металлургии при создании защитных атмосфер и производстве восстановительных сред в технологиях прямого восстановления железа. Досліджено існуючі технології термічних перетворень середовищ, що містять в собі вуглець, в тому числі вугілля різного ступеня метаморфізму, в синтез-газ. Сформовано ряд показників, що характеризують кожну з них. Проведено аналіз різних технологій перетворень середовищ, що містять в собі вуглець, по сформованому ряду показників і їх порівняльна характеристика. Встановлені технічна, економічна, соціальна доцільність і сформульовані умови застосування тієї чи іншої технології термічних перетворень середовищ, що містять в собі вуглець, стосовно до реалій України. Показано, що аллотермічні технології третього покоління перетворень які тримають середовища, що містять в собі вуглець , можуть бути успішно застосовані в промисловій теплоелектроенергетиці, як альтернатива нафти і природного газу, в хімічній промисловості, в металургії при створенні захисних атмосфер і виробництві відновлювальних середовищ в технологіях прямого відновлення заліза. Existing technologies of thermal transformations of carbon-containing media, including coals of various degrees of metamorphism, into gas synthesis were studied and analyzed by a number of indicators. Technical, economic, social expediency has been established, and the conditions for the application of this or that technology of thermal transformations of carbon-containing media have been formulated with reference to the realities of Ukraine. It is shown that allothermal technologies of the third generation of transformations of carboncontaining media can be successfully applied in industrial heat and electric power industry as an alternative to the oil and natural gas, chemical industry, in metallurgy when creating protective atmospheres and producing reducing media in direct iron reduction technologies. 2017 Article Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред / Л.Т. Холявченко, Е.Ю. Пигида, С.Л. Давыдов, С.В. Демченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 41-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138640 662.87:533.92:532.5 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследованы существующие технологии термических превращений углеродсодержащих сред, в том числе углей различной степени метаморфизма, в синтез-газ. Проведены их анализ и сравнительная характеристика по ряду показателей. Установлено, что паровая окислительная среда в аллотермических технологиях высокотемпературных превращений (ТГ ≥ 2000 К) наиболее полно отвечает требованиям качества конечного продукта, экологической безопасности его производства, рациональному использованию исходного сырья. За счет высокоэнтальпийного водорода из окислительной среды выход полезного продукта термопревращений увеличивается на 40 – 45 % , калорийность газа составляет 11,5 – 12 МДж/м³, степень переработки углерода 98 99 %, газовая фаза на 97 – 99 % представлена синтез-газом. Показано, что пароплазменная технология может быть успешно применена в промышленной теплоэлектроэнергетике как альтернатива нефти и природному газу, химической промышленности, металлургии при создании защитных атмосфер и производстве восстановительных сред в технологиях прямого восстановления железа. |
| format |
Article |
| author |
Холявченко, Л.Т. Пигида, Е.Ю. Давыдов, С.Л. Демченко, С.В. |
| spellingShingle |
Холявченко, Л.Т. Пигида, Е.Ю. Давыдов, С.Л. Демченко, С.В. Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Холявченко, Л.Т. Пигида, Е.Ю. Давыдов, С.Л. Демченко, С.В. |
| author_sort |
Холявченко, Л.Т. |
| title |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| title_short |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| title_full |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| title_fullStr |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| title_full_unstemmed |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| title_sort |
оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138640 |
| citation_txt |
Оценка эффективности технологий высокотемпературных превращений углеродсодержащих сред / Л.Т. Холявченко, Е.Ю. Пигида, С.Л. Давыдов, С.В. Демченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 132. — С. 41-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT holâvčenkolt ocenkaéffektivnostitehnologijvysokotemperaturnyhprevraŝenijuglerodsoderžaŝihsred AT pigidaeû ocenkaéffektivnostitehnologijvysokotemperaturnyhprevraŝenijuglerodsoderžaŝihsred AT davydovsl ocenkaéffektivnostitehnologijvysokotemperaturnyhprevraŝenijuglerodsoderžaŝihsred AT demčenkosv ocenkaéffektivnostitehnologijvysokotemperaturnyhprevraŝenijuglerodsoderžaŝihsred |
| first_indexed |
2025-07-10T06:15:52Z |
| last_indexed |
2025-07-10T06:15:52Z |
| _version_ |
1837239537936367616 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
41
УДК 662.87:533.92:532.5
Холявченко Л.Т., канд. техн. наук, ст. науч. сотр.,
Пигида Е.Ю., канд. техн. наук, ст. науч. сотр.,
Давыдов С.Л., магистр,
Демченко С.В., магистр
(ИГТМ НАН Украины)
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД
Холявченко Л.Т., канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Пігіда Є.Ю., канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Давидов С.Л., магістр,
Демченко С.В., магістр
(ІГТМ НАН України)
ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЙ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ
ПЕРЕТВОРЕНЬ СЕРЕДОВИЩ,ЩО МІСТЯТЬ В СОБІ ВУГЛЕЦЬ
Kholiavchenko L.Т., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
Pigida E.Yu., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
Davydov S.L., M.S. (Tech.),
Demchenko S.V., M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukraine)
PERFORMANCE VALUATION OF TECHNOLOGY OF CARBON-
CONTAINING MEDIA HIGH-TEMPERATURE TRANSFORMATIONS
Аннотация. Исследованы существующие технологии термических превращений угле-
родсодержащих сред, в том числе углей различной степени метаморфизма, в синтез-газ.
Проведены их анализ и сравнительная характеристика по ряду показателей.
Установлено, что паровая окислительная среда в аллотермических технологиях высоко-
температурных превращений (ТГ ≥ 2000 К) наиболее полно отвечает требованиям качества
конечного продукта, экологической безопасности его производства, рациональному исполь-
зованию исходного сырья. За счет высокоэнтальпийного водорода из окислительной среды
выход полезного продукта термопревращений увеличивается на 40 – 45 % , калорийность
газа составляет 11,5 – 12 МДж/м
3
, степень переработки углерода 98 - 99 %, газовая фаза на
97 – 99 % представлена синтез-газом.
Показано, что пароплазменная технология может быть успешно применена в промыш-
ленной тепло- электроэнергетике как альтернатива нефти и природному газу, химической
промышленности, металлургии при создании защитных атмосфер и производстве восстано-
вительных сред в технологиях прямого восстановления железа.
Ключевые слова автотермическая, аллотермическая технология, газификация, термиче-
ские превращения, углеродсодержащая среда, параметры.
Введение. Украина является энергозависимой, импортирующей до
70 млрд. м
3
природного газа.
________________________________________________________________________________
© Л.Т. Холявченко, Е.Ю. Пигида, С.Л. Давыдов, С.В. Демченко, 2017
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
42
Диверсификация поставок энергоносителей с других источников затрудне-
на. В этих условиях разработка альтернативных источников энергии для Ук-
раины носит актуальный характер, переходя порой в проблему, угрожающую ее
независимости.
Вторая проблема в Украине – это низкая энергоэффективность ее предпри-
ятий, особенно ориентированных на экспорт (металлургическая и химическая
промышленности). По оценкам Международной экономической ассоциации
(МЭА) экономика Украины считается одной из наиболее затратных в Европе и
СНГ. Так, энергоемкость украинского ВВП выше по сравнению с богатой на
энергоносители Россией и в два - три раза превышает средний показатель энер-
гоэффективности по странам ЕС [1,2]. Предприятия металлургического ком-
плекса, химпрома, построенные по технологиям начала прошлого столетия, не
модернизируются и не могут конкурировать с современными технологиями. С
позиции энергоэффективности вся экономика Украины необоснованно ориен-
тированы на высокий удельный вес потребления природного газа при острой
недостаче собственной его добычи. Отсюда актуальность и острота проблемы
энергобезопасности страны. Решение этой проблемы - в энергоэффективности,
рациональном использовании ресурсов, энергосбережении. Необходимо интен-
сифицировать, усилить поиск альтернативных видов энергии, возобновляемых
источников энергии.
Целью данной работы является обобщение результатов исследований тех-
нологий термических превращений углеродсодержащих сред и научное обос-
нование пароплазменной технологии.
Изложение основного материала. В докладе экспертов британской иссле-
довательской компании Peak Oil Group за 2010 г. отмечается, что максималь-
ный объем добычи нефти в мире (4580 млн. т) придется на 2015 год [2]. Далее
намечается спад ее добычи из-за истощения существующих месторождений.
Дешевая нефть, себестоимость которой составляет 185 долл/т (25 долл/барр)
закончилась в 2005 г. Обнаружить новые месторождения «легких» энергоноси-
телей с такими низкими производственными затратами шансов нет, а при дос-
тигнутых темпах потребления по оценкам МЭА рост их добычи прекратится
уже к 2030 году.
Запасы нефти и газа очень ограничены, их общий баланс на рынке энерго-
носителей составляет в настоящее время 10 – 20 %, а мировые цены на нефть
достигли своего исторического максимума - 147,5 долл/барр в 2008 г. И не-
смотря на то, что эти цены на нефть и газ резко колеблются в зависимости от
конъюнктуры рынка, новейших технологий, событий политического характера,
тенденция снижения объемов их потребления неизбежно соблюдается во всем
мире. Происходит переориентация мировой энергетики с нефти и газа на твер-
дое топливо и возобновляемые источники энергии. В мире 25 % энергии произ-
водится из угля, мировые его запасы оцениваются в 1 триллион тонн. Размеще-
ны они более-менее равномерно по всем регионам земного шара и при нынеш-
них темпах потребления угля достаточно не на одну сотню лет. Для сравнения
природного газа едва ли хватит на 50 – 60, а нефти на 40 лет. При этом, в отли-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
43
чие от цен на нефть и газ, цены на уголь отличаются высокой стабильностью
[3]. Особенно остро в настоящее время проблема перехода к альтернативным
сырьевым источникам стоит в Украине, где запасы нефти и газа практически
исчерпаны или же ограничены сложностью их залегания на больших (свыше 5 -
6 тыс. м) глубинах. Однако Украина владеет значительными запасами твердых
горючих ископаемых – каменный и бурый угли различной степени метамор-
физма, сланцы, торф, озерный сапропель. Общие ресурсы угля в Украине на се-
годняшний день составляют более 100 млрд. тонн, а разведанных и подтвер-
жденных (по данным «British Petroleum Statistikal») - более 33,8 млрд. тонн.
Разведанные запасы торфа составляют 0,93- 1 млрд. тонн, сланца
33,0 млрд. тонн [4]. Украина обладает неисчерпаемыми запасами возобновляе-
мых источников энергии – древесина, отходы сельскохозяйственного производ-
ства, твердые бытовые отходы (ТБО).
Кроме того, в процессе добычи, обогащения и переработки угля образуется
огромное количество отходов, к которым относятся метановоздушные смеси,
порода в смеси с углем, отходы углеобогащения. Все это преимущественно
складируется, выбрасывается в атмосферу, отвалы, отстойники, водоемы, за-
грязняя окружающую среду. В угольной отрасли находится 35 илонакопителей
вместимостью 129 млн. м
3
, которые занимают площадь более 1800 га и содер-
жат 116 млн. т шламов зольностью 45 – 70 %. Эти отходы практически не вос-
требованы, занимают большие площади плодородных земель, создают почвен-
ную эрозию, загрязняют окружающую среду. На 65 % снизилось потребление
бурого угля. Уголь, как и ТБО, из-за высокого уровня загрязнения окружающей
среды и высокой эмиссии СО2 при прямом сжигании является «грязным» энер-
гетическим сырьем. В теплоэнергетику при этом вовлекается всего 20 – 30 %
собственно угля, остальное выбрасывается в окружающую среду в виде пыли,
отходящих газов, золы и др., нанося ей непоправимый вред. Причем, в услови-
ях все увеличивающегося объема прямого сжигания экологические проблемы
увеличиваются, переходя на первый план.
С увеличением объемов добычи угля и его потребления проблемы нараста-
ют от непрерывного понижения добычных горизонтов, увеличения напряжен-
ного состояния массива под действием налегающих пород, газонасыщенности
добычных горизонтов, проявления такого опасного явления как выбросы угля и
газа. Непрерывно снижается качество добываемого угля, увеличивается дис-
пропорция в балансе разведанных и добываемых богатых, коксующихся и бед-
ных, бурых углей. Угрожающими темпами накапливаются шлам, зола и угли,
малопригодные в энергетике, металлургии и химии. Эти проблемы есть следст-
вием технологии прямого сжигания твердого топлива. Построенная на принци-
пе одноцелевого использования угля по формуле С+О2 = СО2 + Q (кДж/кг) она
изначально обречена на многие недостатки, которые заключаются в: обогаще-
нии углей; использовании дорогостоящих систем топливоподготовки и подачи;
устройстве громоздких и небезопасных мест захоронения миллионов тонн
твердых и жидких отходов; обустройстве систем золо- и шлакоудаления;
строительстве и эксплуатации дорогостоящих систем газоочистки от пыли, ок-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
44
сидов серы и азота. Совершенствуются системы подготовки, подачи, смешива-
ния, обогащения, улучшаются процессы сжигания в кипящем, циркулирующем
слоях. Применяются дополнительные меры по воспламенению и поддержанию
процесса горения низкокалорийных углей, организацией «подсветки». Пробле-
мы прямого сжигания угля усугубляются неизбежным «недожогом» углерода,
который в золе составляет 10 – 20 %, что делает зольные остатки малопригод-
ными для прямого использования. Тысячи их тонн, накапливаясь в зольных от-
валах, отравляют окружающую среду из-за сохраняющихся реакционных ка-
честв золы. Очевидно, что вся добываемая масса угля должна перерабатываться
комплексно восстановлением и реализацией всех ее составляющих. Это воз-
можно путем предварительной термической переработки углеродсодержащих
сред любого состава и качества методом газификации с полной (100 %) конвер-
сией углерода и восстановления минеральной составляющей на специализиро-
ванных предприятиях по месту добычи твердого топлива или возле крупных
энергогенерирующих химических или металлургических комплексов. Для этого
на смену технологии прямого сжигания должны прийти новые технологии пре-
вращений углеродсодержащих сред. В этом случае предварительная подготовка
твердого топлива переводом его в газообразное состояние, в том числе всех ви-
дов органического сырья независимо от его морфологии и последующему сжи-
ганию может стать основой таких технологий.
Процессы перевода твердого топлива в газ можно в некоторой степени клас-
сифицировать по следующим признакам: теплоте сгорания, МДж/м
3
(низкой –
4,18 - 6,70, средней – 6,70 - 18,80, высокой – 31 - 40); назначению газов (для
энергетических и технологических целей); размеру частиц топлива (крупнозер-
нистое, мелкозернистое, пылевидное); типу дутья (воздушное, кислородное,
парокислородное, паровое и их смеси); способу удаления минеральных приме-
сей (мокрое и сухое золоудаление, жидкое шлакоудаление); давлению (атмо-
сферное – до 0,13 МПа, среднее – до 13 МПа; высокое – свыше 3 МПа); харак-
теру движения топлива (в псевдостационарном опускающемся слое, псевдо-
сжиженном (кипящем) слое, в движущемся потоке пылевидных частиц); темпе-
ратуре газификации (низкая - (до 800°С), средняя – 800 - 1300°С и высокотем-
пературная (выше 1300°С); балансу тепла в процессе газификации (автотерми-
ческий, аллотермический). К настоящему времени накоплен достаточно боль-
шой опыт газификации твердого топлива на основе автотермического метода,
базирующегося на сжигании части газифицируемого топлива для разгона и
поддержания эндотермических реакций процесса окисления углерода и других
органических элементов. Наиболее распространенными в мировой промыш-
ленной практике являются давно разработанные, хорошо апробированные ав-
тотермические технологии: газификация в кипящем слое при атмосферном
давлении (метод Винклера) [5] и дальнейшее ее развитие в U-Gas, KRW, Wes-
tinghause Corporation [6] , газификация в плотном стационарном слое (метод
Лурги) как базовая и ее развитие Britich Gas / Lurgi [6], высокотемпературная
газификация в потоке (метод Texaco) и дальше технологии Shell, Prenflo, Destee
и др. [7]; газификация пылевидного топлива в расплаве (метод Koppers-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
45
Totzekа) [6].
Общим положительным показателем для автотермических технологий явля-
ется: все базовые и последующие варианты их развития прошли путь широкой
апробации, масштабного внедрения, приспособлены к переработке относитель-
но дешевых, мелких и высокозольных углей любых марок. Все они могут быть
использованы при переработке ТБО. По сравнению с прямым сжиганием авто-
термическим методам присущи невысокие (средние) показатели вредных вы-
бросов в окружающую среду, практически отсутствуют или малые объемы вы-
бросов побочных продуктов (смолы, ароматические углеводороды, пыль), ма-
лореакционный зольный остаток, степень конверсии углерода 90 – 95 %. Ос-
новные составляющие газовой фазы – Н2 – 35 - 37 %, СО – от 50 % в техноло-
гиях Texsaco, Копперс-Тотцека до 20 – 23 % в Лурги, СО2 – 13 – 30 %. Тепло-
творная способность газа 6 – 10 МДж/м
3
.
Наряду с положительными качествами, автотермическим методам присущ
целый ряд существенных недостатков, которые сдерживают их широкое и бы-
строе распространение. Основные из них: сжигание части дефицитного угля
для поддержания процесса; большое содержание CO2 в конечном продукте; вы-
сокие капитальные затраты и металлоемкость конструкции; значительный унос
угольных частичек с генераторным газом; большое количество загрязненных
вод и большие затраты на их очистку. В первую очередь это наличие в конеч-
ном продукте соединений, загрязняющих окружающую среду СО2, N2, NO2 и
др. Так СО2 в целевом продукте автотермических газификаторов достигает 10 –
30 %, азот до 60 % при газифицирующем агенте воздухе. При переработке ТБО
могут присутствовать очень токсичные соединения серы, азота, ароматических
углеводородов. Последующая очистка газов от включений разного характера –
дорогостоящий процесс. Из-за низких температур (< 1800 К), характерных для
автотермических методов газификации, невозможны процессы комплексной
переработки сырья. Чтобы создать повышенный высокий температурный ре-
жим процесса превращений (1800 – 1900 К), необходим кислород высокой (до
95%) степени очистки. Его производство - сложное, громоздкое и дорогостоя-
щее технологическое мероприятие, а применение других более доступных и
недорогих окислительных сред ведет к снижению температуры процесса, ско-
рости химических реакций, образованию балластных и вредных соединений в
составе газа. Из-за низких температур происходит полная деструкция веществ,
сопровождающих гетерогенные системы – смолы, парафины, сернистые, азот-
ные соединения, фураны и диоксины, что многократно усугубляет процесс
термических преобразований вредными выбросами в окружающую среду. В
этой связи совершенствуются системы управления процессом, утилизации те-
пла, решаются технические проблемы превращений углеродсодержащих сред,
создаются более мощные производительные агрегаты. Однако недостатки базо-
вых автотермических технологий, исходящие из основы – прямого сжигания
части топлива в процессе превращений, неизбежно сопровождают усовершен-
ствованные системы.
Для предварительного анализа различных технологий превращений угле-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
46
родсодержащих сред авторами сформирован ряд показателей, которые могут
конкретно характеризовать каждую из них (таблица 1). Сравнивая эти показа-
тели, представляется возможным с некоторым приближением установить тех-
ническую, экономическую, социальную целесообразность и сформулировать
условия применения той или иной технологии.
Таблица 1 - Показатели технологий превращения твердых углеродсодержащих сред
Показатели Прямое
сжигание
Технологии газификации [6, 8]
Автотермическая Аллотермическая плазменная
Лурги Винклер
Коппер-
са-
Тотцека
Тексако Воздушная Паровая
Крупность
угля, мм
пыль >
0,150
6 - 40 < 8 > 0,1 > 0,1 > 0,15 > 0,15 > 0,15
Газифиц.
агент
воздух О2 + пар О2 + пар О2 + пар О2 + пар воздух воздух пар
Тем-ра про-
цесса, К
800 – 1000 1000 -
1500
1000 -
1500
1600-
1800
1600-
1800
2000 -
3000
2000 -
5000
2000 -
5000
Давление,
МПа
0,1 – 0,2 2-3 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 2-3 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2
Газификация
видов углей
ТБО
сортировка
Не все
Не все
Да
Все
Не все
Да
Все
Не все
Да
Все
Не все
Да
Все
Не все
Да
Все
Все
Да
Все
Все
Да
Все
Все
Да
Полнота
деструкции
Неполная Неполн. Неполн. Неполн. Неполн. Полная Полная Полная
Зольный
остаток
Высокоре-
акционный
Малоре-
акцион-
ный
Малоре-
ционный
Малоре-
акцион-
ный
Малоре-
акцион-
ный
Ней-
траль-
ный
Ней-
траль-
ный
Ней-
траль-
ный
Выбросы в
атмосферу
Высокие Средние Средние Средние Средние Низкие Низкие
Очень
низкие
Vг, м
3
/кг угля - 1,8-2,1 1,8-2,0 2,0-2,5 2-2,8 3-4 3-4 2,6 -3,2
Состав газа: Выбросы,
от сжиг.,
мг/м
3
при газификации, %
Н2 пы
ль
16 37 - 39 35 - 45 35 35-37 30-31 30-36 54-60
СО H
Cl
35 20 - 23 30 - 38 42 - 50 40-50 34,1 35-40
СН4 N
Ox
362 10 - 12 1 - 2 0 0 0 0 0
СО2 С
О2
40-48 27 - 30 13 - 25 13 - 20 13-20 28 2-3 0,2-0,5
N2 S
O2
65 - - - - 20-30 15-20 0
H2+CO Pb 0,19 57 - 62 65 - 86 70 - 80 80 - 85 65,1 35-40 95-99
Побоч. про-
ты в газе
Тяж. мет.,
диоксины
Смола,
мазут
и др.
Пыль,
углево-
дор.
- Пыль,
углево-
дор.
азот азот -
Степень
конверс.
углер., %
80 - 85 90 - 95 90 90 - 95 90 - 95 95 - 99 95 - 99 95 - 99
Qu, МДж/м
3
- 6 - 10 6 – 9,5 6 - 9 6 - 10 4,4 – 4,6 11,5 - 12 11,5 - 12
КПД технол,
%
- 75 - 80 75 - 80 70 - 80 до 75 70 - 80 70 - 80 90 - 95
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
47
Качество и количество целевого продукта зависит от температуры процесса.
Результаты исследований зависимостей составляющих газовой фазы от темпе-
ратуры (рисунок 1) показывают, что температура оказывает решающее воздей-
ствие на общий выход и на выход энергосоставляющих элементов газовой фа-
зы. Так, в районе изменений ТГ ≥ 2000 К наблюдается рост выхода ингредиен-
тов синтез-газа и общий выход газовой фазы. При температуре от 1800 до
2000 К синтез-газ составляет 97 – 98 %, Н2 в нем до 50 %, СО – 48 - 49 %.
Рисунок 1 - Выход в объемных долях синтез-газа (Н2 +СО) и его составляющих
Н2 и СО от ТГ при коэффициенте расхода окислителя, равном 0,45
Выполненными нами исследованиями [9] установлено, что пароплазменные
технологии превращений углеродсодержащих сред обладают целым рядом
преимуществ: высокий (до 90 – 95 %) энергетический КПД, что обеспечивает
экономию исходного сырья; снижение выноса пылевых частиц с выходным
продуктом: серы, диоксинов и фуранов в условиях температуры свыше 1450 ºС.
Вновь образующиеся соединения приобретают легко улавливаемые формы
(H2S, COS); CO2 практически отсутствует. Технология отличается высокой се-
лективностью выхода полезного продукта, а его состав мало зависит от качест-
ва исходного сырья (таблица 1).
Пар, как окислительная среда, не вносит в состав газовой среды конечного
продукта каких-либо балластных и тем более вредных компонентов. Паровая
плазма, представляющая собой совокупность атомов, электронов, ионов, ради-
калов кислорода и водорода при температуре 2000 – 8000 К, является активным
реагентом в окислительно-восстановительных процессах. В отличие от воз-
душной плазмы в водяной отсутствует балласт в виде азота, доля которого в
воздухе составляет 75 – 76 %. Энтальпия паровой плазмы почти на порядок
выше, чем у других газов (аргона, азота, воздуха, кислорода, их смесей). Высо-
кие тепловые свойства паровой плазмы позволяют производить термические
превращения любой органической среды вплоть до восстановительных процес-
сов минеральной части, что полностью отвечает требованиям комплексной пе-
реработки. Пароплазма отличается доступностью плазмообразующего агента –
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
48
воды, отсутствием каких-либо требованиям к ее очистке.
В процессах термических преобразований различных углеродсодержащих
сред пароплазменным потоком выходной продукт по составу представлен прак-
тически только синтез газом (СО + Н2) и конденсированным остатком мине-
ральной составляющей (зола). Теплотворная способность газовой фазы в 3 раза
выше, чем воздушной плазмы и достигает 11,5 – 12 МДж/м
3
, водородно-
монооксидное число Н2/СО больше 1, а при определенных условиях может дос-
тигать 2, что оптимально для процессов Фишера-Тропша. Твердый зольный ос-
таток выделяется в виде стеклованной нейтральной массы, вес которой по от-
ношению к исходному газифицируемому материалу может достигать 1:400, а
сам материал используется в стройиндустрии. Полученный газ может быть ис-
пользован немедленно в процессах энергопроизводства, химического синтеза,
восстановительных металлургических процессах, а может быть складирован
впрок или транспортирован на расстояние к потребителю.
Бесспорные преимущества пароплазменной газификации углеродсодержа-
щих сред также в комплексной их переработке. В этом случае минеральная
часть среды в виде оксидов восстанавливается, образуя ценные компоненты
конденсированных элементов кремния, ферросилиция, алюминия, железа и др.
Согласно оценке [10] рыночная стоимость продуктов пароплазменной ком-
плексной переработки угля в десять раз превышает стоимость самого угля и
оборудования для его переработки.
Выводы. Установлено, что пароплазменная технология высокотемператур-
ных превращений наиболее полно отвечает требованиям качества конечного
продукта, экологической безопасности его производства, рациональному ис-
пользованию исходного сырья. За счет высокоэнтальпийного водорода из окис-
лительной среды выход полезного продукта термопревращений увеличивается
на 40 – 45 % , калорийность газа составляет 11,5 – 12 МДж/м
3
, степень перера-
ботки углерода 98 - 99 %, газовая фаза на 97 – 99 % представлена синтез-газом.
Пароплазменная технология превращений углеродсодержащих сред универ-
сальна: применима для газификации углей любого качества, торфа, сланцев,
отходов угледобычи, углеобогащения, в том числе ТБО, шахтных метано-
воздушных смесей при высоких скоростях термических превращений. Устрой-
ства для реализации плазменных технологий отличаются компактностью и ма-
лой металлоемкостью основного оборудования, небольшими капиталовложе-
ниями. Это основные показатели, определяющие преимущество данной техно-
логии над существующими.
–––––––––––––––––––––––––––––––
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стракович, М.А. Дальние перспективы развития мировой энергетики / М.А. Стракович,
Ю.В. Синяк, С.Я. Чернавский // Топливо. - 1981. – Вып.14. - №3. – С. 12-25.
2. The Oil Crunch 2010: A Wake-Up Call For The Uk Economy - Second Report Of The Uk Industry
Taskforce On Peak Oil & Energy Security (Itpoes) [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.foresightfordevelopment.org/sobipro/55/900-2010-the-oil-crunch-a-wake-up-call-for-the-uk-
economy-second-report-of-the-uk-industry-taskforce-on-peak-oil-and-energy-security-itpoes. - Загл. с экра-
на.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
49
3. Розпорядження кабінету Міністрів України від 15.03.2006р №145-р про схвалення Енергетич-
ної стратегії України до 2030 року [Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/145-2006-р. - Загл. с экрана.
4. Тополев, В.С. Проблема топливно-энергетических ресурсов в мире и Украине / В.С. Тополев,
А.Е. Хлапенов [и др.] // Уголь Украины. - №5. – 2004. – С. 3 – 11.
5. Жуков, М.Ф. Плазмохимическая переработка угля / М.Ф. Жуков, Р.А. Калиненко, А.А. Левиц-
кий. – М.: Наука, 1990. – 200 с.
6. Тютюнников, Ю.Б. Технологические схемы, расчет и моделирование промышленных процес-
сов газификации угля / Ю.Б. Тютюнников, М.С. Шептовицкий, И.В. Шульга. - Харьков: УГЭУ, 1986.
– 66 с.
7. Дроздик, И.Д. Новое направление использования углей / И.Д. Дроздик, Ю.С. Кафтан,
Ю.Б. Колганская // Кокс и химия. – 1994. – №4. – С. 4-16.
8. Химическая технология горючих ископаемых / Под. ред. Г.Н. Макарова, Г.Ф. Харламповича //
Учебник для ВУЗов. – М.: Химия, 1986. – 496 с.
9. Давыдов, С.Л. Расчетные показатели переработки углей и отходов их обогащения методом па-
роплазменной газификации / С.Л. Давыдов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. трудов. –
Днепропетровск, 2013. – № 108. – С. 179-185.
10. Экономическая эффективность плазмохимической переработки угля [Электронный ресурс].
Режим доступа: http://tbc-inv.ru/tech/2009. - Загл. с экрана.
REFERENCES
1. Strakovich, M.A., Sinyak, Ju.V. and Chernyavskiy, S.Ya. (1981), ―Long-term prospects for the de-
velopment of world energy―, Toplivo, no. 3, pp. 12-25.
2. Foresight for Development, 2010 The Oil Crunch: A Wake-Up Call For The Uk Economy - Second
Report Of The Uk Industry Taskforce On Peak Oil & Energy Security (Itpoes), available at:
http://www.foresightfordevelopment.org/sobipro/55/900-2010-the-oil-crunch-a-wake-up-call-for-the-uk-
economy-second-report-of-the-uk-industry-taskforce-on-peak-oil-and-energy-security-itpoes (Accessed 12
May 2017).
3. Cabinet Of Ministers Of Ukraine, Order Cabinet Of Ministers Of Ukraine by 15.03.2006 р №145-р
approval of the Energy Strategy of Ukraine till 2030, available at: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/145-
2006-р (Accessed 12 May 2017).
4. Topolev, V.S., Hlapenov, A.E. et.al. (2004), ―The problem of fuel and energy resources in the world
and Ukraine‖, Ugol Ukrainy, no. 5, pp. 3 – 11.
5. Zhukov, M.F., Kalinenko, R.A., and Levickiy, A.A. (1990), Plazmokhimicheskaya pererabotka uglya
[Plasma-chemical processing of coal], Nauka, Мoskow, USSR.
6. Tyutyunnikov, Yu.B., Sheptovickiy, M.S. and Shulga, I.V. (1986), Tekhnologicheskie skhemy, ras-
chet i modelirovanie promyshlennykh protsessov gazifikatsii uglya, [Technological scheme, calculation
Modeling of industrial processes and coal gasification], UGJeU, Harkov, Ukraine.
7. Drozdik, I.D., Kaftan, Yu.S. and Kolganskaya, Yu.B. (1994), ―New direction of use of coals‖, Koks i
khimiya, no. 4, pp. 4 - 16.
8. Makarov, G.N. and Harlampovich, G.F. (1986), Himicheskaya tekhnologiya goryuchikh iskopaemykh
[Chemical technology of combustible minerals], Khimiya, Мoskow, USSR.
9. Davydov, S.L. (2013), ―Calculated parameters of processing of coals and wastes of their enrichment
by the method of steam-plasma gasification‖, Geo-Technical Mechanics, no. 108, pp. 179-185.
10. Die Wirtschaftlichkeit von plasmaunterstützte chemische Verarbeitung von Kohle (2009), available
at: http://tbc-inv.ru/tech/2009 (Accessed 22 September 2016).
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Холявченко Леонид Тимофеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник в от-
деле проблем разрушения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова На-
циональной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, dsl77@ua.fm.
Пигида Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник в отделе
проблем разрушения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Нацио-
нальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, dsl77@ua.fm.
Давыдов Сергей Леонидович, магистр, младший научный сотрудник в отделе проблем разруше-
ния горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии
http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/145-2006-р
http://tbc-inv.ru/tech/2009
http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/145-2006-р
http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/145-2006-р
http://tbc-inv.ru/tech/2009
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. №132
50
наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, dsl77@ua.fm.
Демченко Сергей Вячеславович, магистр, младший научный сотрудник в отделе проблем разру-
шения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии
наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, demchik@bk.ru.
About the authors
Kholiavchenko Leonid Тimofeevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Researcher in
Department of Rock Breaking Problems, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the Na-
tional Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine.
Pigida Evgeniy Yuryevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher in Department
of Rock Breaking Problems, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Acade-
my of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine.
Davydov Sergey Leonidovich, Master of Science (M.S.), Junior Researcher in Department of Rock
Breaking Problems, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of
Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, dsl77@ua.fm.
Demchenko Sergey Vyacheslavovich, Master of Science (M.S.), Junior Researcher in Department of
Rock Breaking Problems, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy
of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, demchik@bk.ru.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація. Досліджено існуючі технології термічних перетворень середовищ, що містять
в собі вуглець, в тому числі вугілля різного ступеня метаморфізму, в синтез-газ. Сформовано
ряд показників, що характеризують кожну з них. Проведено аналіз різних технологій перет-
ворень середовищ, що містять в собі вуглець, по сформованому ряду показників і їх порівня-
льна характеристика. Встановлені технічна, економічна, соціальна доцільність і сформульо-
вані умови застосування тієї чи іншої технології термічних перетворень середовищ, що міс-
тять в собі вуглець, стосовно до реалій України.
Показано, що аллотермічні технології третього покоління перетворень які тримають се-
редовища, що містять в собі вуглець , можуть бути успішно застосовані в промисловій теп-
ло- електроенергетиці, як альтернатива нафти і природного газу, в хімічній промисловості, в
металургії при створенні захисних атмосфер і виробництві відновлювальних середовищ в
технологіях прямого відновлення заліза.
Ключові слова: автотермічна технологія, аллотермічна технологія, газифікація, термічні
перетворення, середовища, що містять в собі вуглець.
Abstract. Existing technologies of thermal transformations of carbon-containing media, includ-
ing coals of various degrees of metamorphism, into gas synthesis were studied and analyzed by a
number of indicators.
Technical, economic, social expediency has been established, and the conditions for the appli-
cation of this or that technology of thermal transformations of carbon-containing media have been
formulated with reference to the realities of Ukraine.
It is shown that allothermal technologies of the third generation of transformations of carbon-
containing media can be successfully applied in industrial heat and electric power industry as an
alternative to the oil and natural gas, chemical industry, in metallurgy when creating protective at-
mospheres and producing reducing media in direct iron reduction technologies.
Keywords: autothermal technology, allothermal technology, thermal transformations, gasifica-
tion, carbon-containing medium.
Статья поступила в редакцию 20.03.2017
Рекомендовано к публикации д-ром технических наук Васильевым Л.М.
mailto:demchik@bk.ru
|