Плазменная газификация угля с извлечением ценных компонентов минеральной массы

Аннотация

Мессерлеаб В.Е., Устименков А.Б. Плазменная газификация угля с извлечением ценных компонентов минеральной массы. В статье представлена комплексная плазмохимическая технология переработки твёрдого топлива на примере тургайского бурого угля или бурого угля. Проведены термодинамические и экспериментальные исследования технологии. Технология позволяет получать синтез-газ из органической массы угля и ценные компоненты (технический кремний, ферросилиций, алюминий, кремнийуглерод) из минеральной массы. Полученный таким образом высококалорийный синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, в качестве высококалорийного восстановительного газа вместо доменного кокса, а также в качестве энергетического газа для тепловых электростанций.

В настоящее время и в обозримой перспективе (до 2100 г.) мировая экономика ориентирована на использование органического топлива, преимущественно твердого топлива, доля которого в выработке электроэнергии составляет 40 %. электроэнергии и 24 % в производстве тепловой энергии. Поэтому развитие плазменных технологий для их эффективное и экологически чистое применение представляет собой приоритетную задачу в области использование топлива. С экологической точки зрения комплексная плазменная технология переработки угля для производства синтез-газа из угольной органической массы (КОМ) и ценных компонентов угля минеральная масса (ШМ) весьма перспективна. Суть данной технологии заключается в нагреве угольной пыли путем окисления электродуговой плазмы до температуры ее полной газификации, превращая СОМ в экологически чистое топливо – синтез-газ, свободный от частиц золы, оксидов азота и серы. В то же время оксиды ШМ восстанавливаются за счет углеродного остатка, образуя ценные компоненты, такие как технический кремний, ферросилиций, алюминий и углеродистый кремний [1]. В комплексном плазменном угле обработка, эндотермический эффект реакции газификации углерода паром

H2O+C=CO+H2 – Q = 131500 kJ/mol

полностью компенсируется мощностью плазмы электрической дуги. Оксиды ШМ восстанавливаются до металлов и металлоиды посредством следующих реакций:

МеnOm+mC=nMe+mCO,

МеnOm+2mC=MenCm+mCO,

где Me — металл или металлоид в ШМ, а n и m — стехиометрические коэффициенты реакции.

В результате реакции (1) органическая масса угля превращается в синтез-газ, а минеральная часть угля масса превращается в ценные компоненты по реакциям (2) и (3).

Термодинамический расчет процесса плазменно-паровой комплексной переработки тургайского бурого угля с зольностью 28 % и теплотой сгорания 13 180 кДж/кг выполнено с использованием программного кода ТЕРРА [1] в диапазоне температур 300-4000 К и давления 0,1 МПа.

Газовая фаза продуктов комплексной переработки угля включает, в основном, синтез-газ с концентрацией до 99 об. % при 1500 К. Концентрация водорода (50 – 60 %) превышает концентрацию CO концентрация (33 – 48 %) во всем диапазоне температур (1000–4000 К). С повышением температуры, концентрация монооксида углерода снижается с 46 % при 1500 К до 35 % при 4000 К. Газификация. степень достигает 100 % при температуре 1800 К. Большая часть компонентов ШМ превращается из конденсированную фазу в газообразную при температуре выше 1500 К, полностью переходя в газообразную фаза при температуре выше 2600 К. При температуре выше 3000 К газообразная фаза включает: в основном Si, Al, Ca, Fe, Na и соединения SiO, SiH, AlH и SiS. Удельное энергопотребление монотонно возрастает от 1,1 кВтч/кг при 1000 К до 6,6 кВтч/кг при 4000 К.

Проведена комплексная плазменная переработка угля с получением синтез-газа и ценных компонентов исследовали с помощью универсальной экспериментальной установки, подробно описанной в [2]. Экспериментальная установка рассчитана на работу в диапазоне мощностей от 40 до 120 кВт, среднемассовая температура 1800–3000 К, расход угольной пыли 3–10 кг/ч, расход газообразного реагента (пара) 0,5–10 кг/ч.

На основе данных материального и теплового баланса найдены интегральные показатели процесса плазменно-паровой комплексной переработки тургайского бурого угля. Электрическая мощность реактора составляла 60 кВт при расходе угля 7,1 кг/час и расход пара 4,5 кг/час. При удельной потребляемой мощности на процесс 5,17 кВт·ч/кг. Среднемассовая температура реагентов достигала 3100 К, выход синтез-газа составил 95,2 % (СО-45,8 %, Н2-49,4 %), степень газификации угля 92,3 %, степень сероочистки угля ставка составила 95,2 %.

Пробы твердого остатка для определения скорости восстановления оксидов ШМ отбирали из разных агрегатные сборки. Рентгеновский анализ образцов показал, что восстановленный материал был обнаружен в шлак в виде ферросилиция, карбида кремния и железа. Максимальная скорость восстановления оксидов в ШМ (47 %) наблюдался в шлаке от стенок плазменного реактора в зоне максимальной температуры.

Список использованной литературы

1. Messerle V.E., Ustimenko A.B. // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Chemistry and chemical technology. 2012. V. 55. N. 4. P. 30.
2. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Lavrichshev O.A. // Fuel. 2016. V. 164. P. 172