» » » » Производство моторных топлив из угля с применением атомной энергии

Производство моторных топлив из угля с применением атомной энергии

В.М.Поплавский, Г.И.Сидоров, А.Н.Чебесков, В.М.Декусар, ГНЦРФ - ФЭИ (г. Обнинск); Н.Е.Шубин, Глава администрации г.Обнинска; Г.С.Головин, А.А.Кричко, А.С.Малолетнев, Институт горючих ископаемых (г.Москва); В.В.Заманов, ЗАО «Тулаинжнефтегаз» (г. Тула)

Сущность переработки угля заключается в комплексном использовании как углеводородной (органической), так и минеральной его частей. Уголь с помощью различных физико-химических процессов можно перерабатывать в разнообразную промышленную продукцию.

В мировой практике освоены технологии, в которых из углей получают более пятисот продуктов (синтез-газ, котельное топливо, нафту для производства бензина, ксенон, криптон, аммиак, сульфат аммония, углекислоту, различные углеводородные волокна, горный иск, выделяют редкие металлы и т.д.).

Немного в мире найдется технологических кластеров, которые прошли столь же непростую цепь развития, как переработка угля. Однако переработка угля является очень энергоемким процессом. Так для производства 4х106 тонн моторных топлив необходимо сжигать на ТЭЦ около 4х106 тонн угля и получать 40х106 тонн отходов.

Существенное снижение вредных выбросов промышленного комплекса по производству синтетического жидкого топлива из угля может быть достигнуто при применении в его составе экологических безопасных ядерных реакторов типа БН для выработки электроэнергии, водяного пара и газового теплоносителя на собственные нужды производства, а также обеспечения в районе его эксплуатации ближайших поселков.

В России разработана экономически эффективная универсальная технология переработки угля методом гидрогенизации под невысоким давлением водорода 6-10 МПа, вместо 20-30 МПа в зарубежных процессах, позволяющая рентабельно производить из бурых и низкосортных каменных углей высококачественный бензин, дизельное и реактивное топливо, фенолы, бензол, ксилолы и другие продукты углехимии.

Наиболее существенное повышение эффективности переработки угля может быть достигнуто при использовании высоконадежных экологически безопасных ядерных реакторов типа БН в составе промышленного комплекса для энергообеспечения и интенсификации технологического процесса получения синтетического жидкого топлива (СЖТ). Это позволит резко улучшить экологическую обстановку в районе добычи и переработки углей.

Институтом горючих ископаемых г. Москва и ГНЦ РФ-ФЭИ г. Обнинска совместно с другими организациями ведутся совместные работы по созданию типового атомного энерготехнологического комплекса (АЭТК) экологически чистого производства синтетического моторного топлива производительностью 500 тыс. т/год и более.

В статье приведены итоги многолетних исследований:

  • экспериментальные данные, полученные по гидрогенизации бурого угля Канско-Ачинского бассейна под давлением в 6 МПа;
  • работы по обоснованию концепции типового промышленного модуля АЭТК производства СЖТ с энергообеспечением от АЭС типа БН;
  • сведения о новом методе глубокой переработки нефтяного сырья;
  • экспериментальные данные по интенсификации технологического процесса помощью гамма-излучения.

При определении современного состояния энергетики необходимо учитывать ряд обстоятельств и особенностей, которые собственно и задают не только количественную, но качественную, структурную сторону её развития.

Наблюдается явное замедление темпов прироста запасов нефти, неравномерность ее поставок из-за истощения экономически выгодных нефтегазоносных провинций.

Ориентация громадных энергопроизводящих мощностей на условно экологически чистые и технологически совершенные газ и нефтепродукты требует увеличения затрат « т.ч. энергетических, на продление эксплуатации отработавших скважин, на добычу энергосырья в трудноосваемых районах, на технологии глубокой переработки нефти, на защиту окружающей среды. В мировом энергобалансе доля нефти к середине настоящего столетия необратимо снизится до уровня ~ 8 %, в нашей стране до ~ 30 %; в дальнейшем стабилизации, а тем более роста этих уровней, не ожидается. По данным Министра природных ресурсов Российской Федерации Ю.П. Трутнева рентабельная добыча нефти в нашей стране будет продолжаться около 10 лет, т.е. до 2015 года.

Постепенно преодолеваются выявленные трудности развития угольной промышленности, темпы ее развития наращиваются, особенно в наиболее эффективных бассейнах открытой добычи. Доля угля в энергобалансе к середине настоящего столетия поднимется до ~ 60 %.

Уголь рассматривается как мост в энергетику будущего.

Становится экономически выгодным использование принципиально нового источника энергии - ядерного топлива, и не только для производства электроэнергии, что уже освоено в промышленных масштабах, но и для производства тепла, в т.ч. технологического назначения.

Для компенсации инерционности развития энергетики на основе угля и ядерного топлива в качестве временной меры рассчитывают на увеличение добычи природного газа.

Доля гидроэнергии в энергобалансе выходит на предельный уровень ~ 6%.

В ряде случаев выгодно использовать горючие сланцы, ветровую, геотермальную, солнечную энергии, биоэнергетику.

Развитие водородной энергетики и промышленное освоение энергии термоядерного синтеза по ряду причин экономического и инженерно-технического плана отодвигается на 2-ю половину текущего столетия. Однако упаковка водорода в продукты конверсии угля и других тяжелых углеводородов природного или промышленного происхождения (битумы, сланцы, нефтяные остатки) становится актуальной при производстве жидких топлив, продуктов органического синтеза. В этом случае водорода требуется не так много (~ 3-5% масс), что приводит к приемлемым затратам; целевой продукт к тому же легко хранить, накапливать, транспортировать.

Таким образом, на обозримую перспективу может получать развитие не водородная, а углеводородная энерготехнология, основу которой составит гидрогенизация углеводородного сырья.

1. Технологии нового поколения производства жидких продуктов из угля

Главной особенностью предлагаемой новой технологии является ее высокая экономическая эффективность, отличающаяся от промышленной технологии Германии 30-х годов XX столетия, а также соответствующих разработок, выполненных в США, Японии, Великобритании и других странах в последнее время. Кроме того, при ее реализации имеется возможность получения жидкого топлива из угля прямой гидрогенизацией по конкурентоспособным ценам в сравнении с производством их из нефтяного сырья.

В последние годы во многих странах мира продолжают проводиться научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по совершенствованию технологий и улучшению показателей отдельных стадий разрабатываемых процессов переработки угля и продуктов ожижения, что значительно повышает эффективность метода в целом. Исследования по гидрогенизации углей в настоящее время широко проводятся в Австралии, Великобритании, Германии, Испании, Индонезии, Колумбии, Китайской Народной Республике, Пакистане, США и Японии. В качестве иллюстрации можно привести материалы международных конгрессов "Coal Science" (1995 г., Испания, 1997 г., Германия и 1999 г., Китай), "Catalysis in coal conversions" (1997 г., г.Новосибирск), "Science and Technology of Carbon" (1998 г., Франция), "The 6-th Japan-China symposium on Coal and Cl Chemistry" (1998 г., Япония), на которых были рассмотрены достижения науки в этой области [1-2].

В Германии, США, Японии, России подготовлены к промышленной реализации новые процессы гидрогенизации угля в жидкие продукты, применение которых на практике ранее сдерживалось низкими ценами нефти на мировом рынке (85-90 US$/т.) по сравнению с углем (30-50 US$/T.).

В Германии фирмами Veba Oil, Ruhrkohle AG, Saarbergwerke AG и др. разработана и проверена в условиях опытно-промышленных установок (производительностью по сырью до 200 т/сутки) «новая немецкая технология» гидрогенизации угля под давлением 20,0-30,0 МПа, в которой по сравнению с промышленным процессом 40-х годов усовершенствованы стадии подготовки угля, переработки продуктов ожижения, в т. ч. с применением процесса гидропиролиза для переработки твердых остатков. На опытно-промышленном предприятии в г.Боттропе переработано в жидкие продукты более 350 тыс. т углей различных месторождений Германии (Gesamtmenge, Westemholt-Kohle, Prosper-Kohle), а также опробованы угли месторождений США и Австралии (Иллинойс N6, Вайоминг, Западная Дакота и др.). Разработаны технические проекты для получения 1,0-3,0 млн. т моторных топлив и химических продуктов из угля в год.

В США фирмами Exxon, Gulf Oil Corp., Pittsburgh and Midway Coal Mining и др. отработана технология гидрогенизации угля под давлением 20,0 МПа с рециркулирующим пастообразователем-донором водорода в присутствии суспензированного алюмокобальтмолибденового катализатора (процесс SRC), а также модификация процесса H-Oil – процесс H-Coal, реализованного фирмой Hydrocarbon Research, некаталитический процесс EDS и Другие. Сообщалось о начале строительства установки по переработке 1500 т угля/сутки в штате Огайо.

Наиболее интенсивно работы по созданию технологии гидрогенизации III-го поколения в последние годы проводятся в Японии, где в рамках государственной программы "unshain" фирмой Nippon Coal Oil Co., Ltd и корпорацией NEDO сооружена и начата Успешная эксплуатация опытно-промышленной установки производительностью 150 т УП1я в сутки (г.Кашима). Процесс осуществляется под давлением 17,0-19,0 МПа с применением железосодержащего катализатора (3,0-5,0% в расчете на сырье). В 1998 г. проведены 5 опытных пробегов по полной технологической схеме (за 1900 ч переработано 6500 т углей) по гидрогенизации индонезийского угля месторождения Tanito-Harum Wr -4,0%; Ad-6,8%; Сdaf -76,1%; Hdaf -5,7%; Ndaf-1,5%; Sdaf-0,3%; Odaf-16,4%). Продолжительность пробегов составила от 300 до 1900 ч. Давление процесса изменялось от 17,0 МПа в 4-х пробегах при температуре 450-4550С до 19,0 МПа в 5-м пробеге при температуре 4620С. В качестве катализатора применяли натуральный пирит (Fe - 46,1%; S - 52,5%, Si - 0,7%; Al 0,1%), поставленный из Финляндии; измельченный в шаровой мельнице в среде пастообразователя до размера частиц менее 0,7 мм. Добавка пирита составляла в 3,0 мае о расчете на уголь. В качестве пастообразователя вначале применяли антраценовое масло с т. кип. 213-3840С (С - 91,3%; Н - 6,3%), а затем по мере получения жидких продуктов из угля – фракцию с т. кип. 220-5380С после гидрирования для придания ей донорно-водородных свойств.

При гидрогенизации в опытном пробеге продолжительностью 1920 ч (17,0 МПа, 4550С, соотношение Н2/сырье 880 нм3/т) выход жидких продуктов с т. кип. до 5380С составил 52,0%, газа - 19,0%; воды - 10,0%, остатка (т. кип. > 5380С+ твердые) - 26,0% при рас. ходе водорода около 5,0% в расчете на уголь. При повышении давления до 19,0 МПа, температуры - до 4620С и подачи водорода до 930 нм3/т в пробеге продолжительностью 1400 ч было получено 58,0% жидких продуктов при газообразовании 22,0%, выходе воды 10,0% остатка - 16,0% и расходе водорода 5,5%. Таким образом, была подтверждена в опытно-промышленном масштабе возможность применения технологии NEDOL для глубокой переработки угля и начата разработка концепции промышленного предприятия. Принято решение о разработке проекта и создании к 2011 г. демонстрационной установки производительностью 30000 т угля/сутки в Индонезии, провинция Tanjung Enim.

Научно-исследовательским центром Takasago Coal Liquefaction Center, Kobe Steel проведены исследования по усовершенствованию технологии NEDOL-BCL переработки углей в жидкие продукты методом гидрогенизации. Усовершенствования процесса BCL, разработанного ранее применительно к бурым углям месторождения Yalloum и проверенного на установке 50 т угля/сутки (Австралия, 1993 г.), касались следующих стадий:

Сушка угля в составе углемасляной пасты за счет нагрева ее отходящим горячим шламом процесса (2700С, 3,5 МПа);

Двухступенчатая гидрогенизация углемасляной пасты в двух последовательно расположенных реакторах;

Гидрирование гидрогенизата из горячего сепаратора после сжижения угля над стационарным катализатором в одном технологическом потоке;

Экстракционное выделение из шлама процесса жидких продуктов.

Необходимо отметить, что предложения о сушке угля в составе углемасляной пасты были выдвинуты фирмой Saarbergwerke AG еще в 70-х годах и апробированы на углях Канско-Ачинского бассейна. Такая сушка позволяет утилизировать тепло отходящего с установки угольного шлама и осуществлять процесс в мягких условиях без окисления угля. При этом уменьшаются выбросы водяного пара и угольной пыли по сравнению с обычной сушкой. Однако в этих условиях подготовка угля жестко связана с процессом гидрогенизации, требует разработки специальной теплообменной аппаратуры, устойчивой к эрозии, и решения других вопросов. Кроме того, в системе появляется дополнительный цикл рециркулирующего растворителя и отделения от него воды.

Двухступенчатая гидрогенизация угля. Исследования по гидрогенизации бурого угля из Австралии, Японии и суббитуминозного угля из Индонезии показали [4-6], что при температуре 300-4000С происходит глубокое превращение углей в жидкие высокомолекулярные соединения, которые необходимо стабилизировать водородом для предотвращения их конденсации при дальнейшем нагреве и гидрогенизации в дистиллятные продукты. Поэтому, предложено осуществлять процесс в двух реакционных стадиях . На первой стадии при 380-4200С происходят указанные первичные превращения, а на второй стадии - окончательная гидрогенизация при температуре 450-4600С. При этом увеличивается выход жидких дистиллятных продуктов и снижается газообразование. Так, при гидрогенизации австралийского угля месторождения Yalloum выход жидких продуктов увеличивается с 50,1 до 61,8% в расчете на сухой беззольный уголь, а газообразование уменьшается с 18,4 до 13,3%. Для индонезийского угля месторождения Banko получены, соответственно следующие величины - 65,5 и 67,9% , 15,7 и 10,1%.

Гидрирование дистиллятных продуктов ожижения угля. Для придания донорнородных свойств пастообразователю в процессе NEDOL-BCL на опытном заводе в г.Кашима применена отдельная стадия гидрирования фракции с т.кип. 220-4200С по аналогии с процессом ИГИ. Для уменьшения эксплуатационных расходов предложено осуществлять процесс в одном технологическом потоке, а именно - гидрогенизат из горячего сепаратора предложено направлять при температуре 350-3800С в смеси с водородсодержащим газом в реакторы со стационарным Al-Ni-Mo катализатором, в которых под рабочим давлением 150-17,0 МПа осуществляется частичное гидрирование би- и трициклических ароматических углеводородов в тетрагидроароматические, а также частичное удаление S-, N-, и O-содержащих соединений. Таким образом, их общей схемы производства исключается процесс гидрогенизации дистиллятов с т. кип. 220-4200С.

Следует отметить, что аналогичная схема в промышленных условиях Ангарского нефтехимического комбината была проверена в 50-х года при переработке нефтяного мазута [8]. Однако практического применения эта схема не нашла, т.к. парогазовый поток, выходящий из горячего сепаратора, увлекал с собой значительное количество высококипящих фракций, в т.ч. асфальтенов, преасфальтенов и тяжелых металлов, которые относительно быстро дезактивировали стационарный катализатор (применяли катализатор WS2+NiS+Al2O3, давление 55,0 МПа, температура 360-380°С). Преимущества однопоточной схемы, таким образом, нивелировалось частыми остановками для перегрузки катализатора.

Экстракционное разделение шлама. Выделение жидких продуктов из шлама после сжижения угля является одной из наиболее сложных стадий производства. Необходимо из шлама (содержание твердых 15,0-20,0%, катализатор, непревращенная ОМУ) извлечь жидкие продукты, иначе их выход в процессе будет низким. В процессе ИГИ для этой цели предложена схема с центрифугированием шлама и вакуумной дистилляцией для получения вторичного шлама с содержанием твердых до 50,0%, чтобы обеспечить его транспортабельность по трубопроводам. В процессе NEDOL-BCL предложено осуществлять экстракцию шлама собственными растворителями при температуре 2700С и давлении 3,5 МПа. Твердые продукты экстракционного разделения при дальнейшей переработке могут быть использованы в процессе газификации для получения водорода.

Из практики работ ИГИ и МИТХТ им. М. В. Ломоносова [9-11] по экстракционному разделению шламов, выполненных в 80-х годах, известно, что эта стадия является весьма сложной в аппаратурном оформлении, сопровождается потерями растворителя, требует применения газового теплоносителя, хотя и позволяет получать вторичный шлам с содержанием до 70,0% твердых веществ в порошкообразном виде, т.е. сводит к минимуму потери жидких продуктов.

Естественно, что эти гипотетические усовершенствования процесса NEDOL-BCL требуют опытной проверки, которая, по-видимому, будет осуществлена в перспективе, т.к. показатели усовершенствованного процесса (Advanced-BCL) закладываются в рекламу крупного углеперерабатывающего комплекса по переработке 30000 т суббитуминозного угля/сутки Индонезии.

Угли Индонезии, результаты, гидрогенизации которых приводятся в таблице 1, являются весьма благоприятным сырьем для переработки в жидкие продукты, т.к. содержат мало золы, значительное количество водорода и умеренное - кислорода (суббитуминозные угли).

Анализ приведенных данных японских исследователей показывает, что применение высокого давления при гидрогенизации индонезийских углей сопровождается высоким расходом водорода, что связано с превращением кислорода углей, в основном в воду. Исследованиями, проведенными в ИГИ [12] по гидрогенизации этих углей, показано выход воды при давлении 6,0-10,0 МПа в присутствии эмульгированного Мо катализатор в 2-3 раза ниже, т.к. кислород удаляется в основном в виде диоксида углерода.

Таблица 1. Результаты гидрогенизации углей Индонезии и Австралии (4500С, 27,0-24,0 МПа, 60 мин., катализатор Fе2O3) [7]

Месторождение

W, %

Ad,%

H/C

О/С

Выход продуктов,
мас. %

Расход H2,
мас.%

масла

асфальтены

Banko

34,3

2,6

0,87

0,23

72,2

2,5

8,3

Adaro

25,0

1,4

0,84

0,21

63,5

10,9

7,3

Pasir

16,0

1,0

0,83

0,19

63,2

12,4

8,1

Berau

23,5

2,4

0,82

0,22

64,1

5,3

5,7

Cerenti

52,7

6,4

0,88

0,30

63,8

2,7

8,4

Yallourn*

65,0

1,6

0,85

0,31

56,4

10,0

7,8

* Гидрогенизация в проточной установке производительностью 0,1 т/сутки; 4500С, 14,7 МПа, 0,75 кг/л.час, 1,0% FeOOH, растворитель: уголь=2,5:1,0 Расход водорода извне также существенно ниже и составляет 1,5-2,0% вместо 6,0-8,0% при гидрогенизации под давлением 15,0 МПа и выше в присутствии железного катализатора, так как, по-видимому, протекает реакция:

Fe
СО+3Н2 --> CH4+H2O.

На основании полученных сведений и результатов экспериментальных исследований совместно индонезийскими (ВРРТ) и японскими (NEDO, BCL) организациями в 1999 г. разработана концепция сооружения на о. Суматра (угольное месторождение Banko) предприятия по переработке 30000 т угля/сутки для получения 140 тыс. барр/сутки жидких продуктов по стоимости 20,0 US$/6app. (стоимость угля 15,22 US$/r). Предполагается к осуществлению следующие этапы работ: испытания угля Banko на пилотной установке (0,1 т/сутки) в исследовательском центре в г. Takasago (Япония); конструирование и сооружение, начиная с 2001 г., опытного завода (300 т угля/сутки) в Индонезии; строительство к 2011 г. промышленного углеперерабатывающего предприятия. Предполагается использование технологии процесса Advanced-BCL (Япония). Основным мотивом для разработки проблемы и сооружения промышленного предприятия является 40,0%-ная обеспеченность Индонезии собственными нефтепродуктами и наличие в стране больших запасов малозольных углей, пригодных для добычи высокопроизводительным открытым способом при сравнительно низкой стоимости - 15,0 US$/T.

В Китае проводятся совместные работы с Японией по созданию промышленной установки производительностью 5000 т угля/год, на которой для гидрогенизации планируй использовать бурые угли месторождения Yilan, провинция Helongiiang (Wr-8,46%; Ad-9,1%; Cdaf-77,43%; Hdaf-5,66%; Ndaf-1,56%; Sdaf-0,38%; Odaf-14,97%; содержание Vt - 94,0%; I - 1,44%, экзинит - 3,60%). В составе золы углей присутствуют в основном соединения (мас.%): SiO2 - 50,68; Al2O3 - 31,17; Fe2O3 - 7,50; CaO - 3,06; TiO2 - 1,40. В 1997 г. Beijing Research Institute of Coal Chemistry совместно с NEDO [13], были проведены 4 опытных пробега по гидрогенизации углей месторождения Yilan на установке производительностью 0,1 т/сутки. Давление процесса изменялось от 17,0 МПа до 25,0 МПа при температуре 4500C. В качестве катализаторов применяли натуральный пирит, Fe2O3 и синтетический FeS2 с добавкой S. Количество катализаторов составляло 3,0 маc. %, добавка серы – 1,0 мас. % в расчете на уголь. В качестве пастообразователя вначале применяли антраценовое масло, а затем по мере получения жидких продуктов из угля - угольные дистилляты после предварительного гидрирования.

В СССР в 70-80-х годах интенсивно проводились исследования, опытные и проектно-конструкторские разработки, направленные на создание конкурентоспособного с переработкой нефти производства жидких топливных и химических продуктов из бурых и каменных углей, в основном открытой добычи, крупнейших в мире месторождений Канско-Ачинского, Кузнецкого и др. угольных бассейнов [1, 2]. В этих работах участвовало большое число научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и промышленных предприятий Советского Союза. Были разработаны научные основы и новая отечественная технология производства жидкого топлива гидрогенизацией угля под давлением водорода (10,0 МПа, 425-4350С, время реагирования на стадии сжижения угля 60 мин., эмульгированный Мо катализатор), которая прошла апробацию в условиях опытно-промышленного производства на заводе СТ-5; концепция и проектно-конструкторская документация для сооружения в Канско-Ачинском бассейне промышленного предприятия мощностью от 3,0 до 4,5-5,0 млн. т жидких продуктов в год. В состав углеперерабатывающего предприятия включены принципиально новые процессы подготовки и переработки угля (сушка в вихревых камерах, микронный помол, диспергирование, нанесение на уголь эмульгированного катализатора и др.), сжигания твердого остатка для регенерации Мо катализатора, очистки ВСГ от примесей и известные из практики нефтепереработки процессы, необходимые для функционирования промышленного предприятия. В ближайшей перспективе сооружение предприятий по производству из угля 3,0-5,0 млн. т моторных топлив в год в одном угольном регионе вряд ли целесообразно в связи с трудностями обеспечения инвестициями на создание столь крупномасштабного производства. Более реальным представляется строительство упрощенных установок модульного типа мощностью 500 тыс. т жидких продуктов в год.

2.Термические преобразования углей с воздействием гамма-излучения

Исследование гамма-радиационного воздействия на характер термического разложения углей представляет интерес с точки зрения поиска различных направлений его использования, например при гидрогенизации углей.

Облучение гамма-радиацией дозами от 10*104 до 240*104 Дж/кг проведено на установке ГУ-200 с источником облучения Со60 суммарной активностью 75000 кюри, мощностью Дозы облучения 0,69 Дж/кг*с, а также на радиационной установке РХ-гамма-30 с сочником Со60 суммарной активностью около 15 кг-эквивалент радия. Облучение проводили при комнатной температуре в инертной среде.

В качестве исходных объектов были взяты бурый уголь Ирша-Бородинского месторождения, газовый уголь Граматеинского разреза, а также пасты, приготовленные на основе этих углей и фракции нефти с температурой кипения выше 2600С (1:1). Для исследования использовали образцы углей, измельченные до аналитической пробы. Из данных таблицы 2 следует, что элементный состав исследованных углей и пригодных на их основе паст с нефтепродуктом изменяется незначительно.

Дериватографическое исследование проводили на венгерском дериватографе фирмы MOM при нагревании в аргоне до 10000С со скоростью подъема температуры 100/мин. В качестве эталона применяли прокаленную окись алюминия. Время, прошедшее от конца облучения до начала съемки дериватограммы, составляло не более 30 мин. Для изучения характера термического разложения образцов проводили по 3-4 параллельных опыта. Относительная ошибка измерения составляла около 5%.

Реакционную способность углей по отношению к кислороду воздуха оценивали методом дериватографии по тангенсу угла наклона на восходящей ветви кривой дифферешго ального термического анализа (ДТА).

Для характеристики процесса термического разложения углей были выбраны следующие показатели: I - температурная область максимального разложения (Т2 - Т1), определяемая по полуширине максимума основного разложения на кривой скорости потери массы (ДТГ); 2 - температура, соответствующая максимуму основного разложения на кривой ДТГ (точка перегиба); 3 - отношение количества летучих веществ VTпер-T1, выделяющихся в температурном интервале Тпер1 к общему количеству летучих веществ, выделяемых в интервале температур Т2 - Т1; 4 - отношение количества летучих VT2-Tпер, выделившихся в температурном интервале Т2пер, к количеству летучих веществ, выделяемых в области Т21; 5 - скорость разложения в точке перегиба (dc/dT)Tпер, определяемая по кривым потери массы (ТГ) и скорости потери массы (ДТГ).

Результаты дериватографического исследования углей приведены в таблице 3. Из анализа приведенных данных видно, что интервал максимального разложения углей (Т21), определяемый по полуширине максимума основного разложения на кривой ДТГ, сдвигается в сторону более низких температур при дозах облучения 10*104 и 30*104 Дж/кг по сравнению с исходным углем. Об этом же свидетельствует и большая доля выделения летучих веществ, определяемая до точки перегиба (Тпер) на кривой ДТГ при дозах облучения 10*104 и 30*104 Дж/кг по сравнению с исходным углем. Полученные данные указывают, по-видимому, на преобладание деструктивных процессов при небольших дозах облучения углей.

Воздействие гамма-радиации на бурый уголь проявляется в смещении температуры максимального разложения (Тпер) в область более низких температур при небольших дозах облучения (до 30*104 Дж/кг), а именно с 4550С для исходного угля до 4400С для угля, облученного при дозе 30*104 Дж/кг. При увеличении дозы облучения от 50*104 до 240*104 Дж/кг Тд, возрастает от 450 до 4600С. Это также указывает, по-видимому, на преобладание деструктивных процессов при дозах облучения до 30*104 Дж/кг и усиление роли поликонденсационных процессов при дозах облучения более 50*104 Дж/кг. Об этом свидетельствует и экстремальное изменение скорости основного разложения (dc/dT) Тпер газового угля, рассчитанной для точки перегиба кривой ДТГ, в зависимости от дозы облучения (таблица 6). Максимум скорости основного разложения наблюдается при дозе 30*104Дж/кг.

Реакционная способность по отношению к кислороду воздуха как для бурого, так и для газового углей достигает максимального значения при дозах облучения 10*104 и 30*104 Дж/кг, что указывает на образование в углях реакционноспособных групп под воздействием гамма-радиации.

Таким образом, результаты дериватографического исследования подтверждают вывод о преобладании деструктивных процессов в углях под влиянием гамма-радиационного воздействия при небольших дозах облучения.

Исследование характера термического разложения облученных паст показало некоторые изменения по сравнению с исходными пастами. Например, для пасты на основе бурого я они проявляются в снижении температуры максимума основного разложения на 250С, котором увеличении скорости основного разложения, а также общего выхода летучих веществ при нагревании до 10000С.

Полученные результаты можно объяснить усилением деструктивных процессов при термообработке угольных паст в результате гамма-радиационного воздействия.

Проведенное исследование показало, что термической деструкцией углей можно управлять за счет активирования углей путем ионизирующего излучения.

Полученные результаты представляют интерес для гидрогенизации углей, так как известно, что термическая деструкция является одной из стадий процесса деструктивной гидрогенизации, и от условий ее проведения могут зависеть как выход, так и качество продуктов гидрогенизации углей.

Таблица 2. Характеристика исследовавшихся образцов

Наименование образца

Доза

Технический и элементный состав, %

облучения,
Дж/кг

Wа

Аd

Sd

Cdaf

Ndaf

Ndaf

(O+S)
по разно­сти

Бурый уголь Ирша-Бородинского месторождения

-

10,62

4,15

0,31

70,68

4,99

0,93

23,40

То же

50*104

10,11

4,10

0,30

71,55

5,00

0,89

22,56

Паста на основе угля и нефтепродукта

-

-

2,30

0,51

74,80

8,57

0,57

16,06

То же

10*104

-

2,20

0,84

74,80

8,61

0,61

15,98

-//-

50*104

-

2,10

0,89

75,30

8,89

0,59

15,22

Уголь Г6 Граматеинского раз­реза

-

3,96

3,58

0,25

79,15

5,51

2,30

13,04

То же

50*104

3,66

3,54

0,25

79,21

5,70

2,36

12,73

Паста на основе угля Г6 и нефтепродукта

-

-

1,80

1,00

80,10

8,75

1,42

9,73

То же

10*104

-

1,80

1,02

80,10

8,71

1,47

9,72

-//-

50*104

-

1,70

0,81

80,60

8,73

1,35

9,32

Таблица 3. Влияние гамма-радиации на термическое разложение углей

Наименование образца

Доза облучения, Дж/кг

Область максимального разложения, (T1-T2), °C

VTПер-T1/VT2-T1

VT2-Tпер/VT2-T1

Тпер,°C

(dc/dT)Tпер

tg альфа, отн.ед.

Бурый уголь Ирша-Бородинского месторождения

0

407-510

0,41

0,59

455

0,005

4,2

То же

10*104

390-500

0,52

0,48

450

0,005

5,4

-//-

30 * 104

380-500

0,50

0,50

440

0,005

4,9

-//-

50 * 104

400-520

0,45

0,55

450

0,005

4,1

-//-

100 * 104

403-515

0,48

0,52

460

0,005

4,0

-//-

240 * 104

403-527

0,46

0,54

460

0,005

4,0

Каменный уголь Г6 Граматеинского разреза

0

412-485

0,50

0,50

445

0,006

4,7

Тоже

10 * 104

407-487

0,62

0,38

445

0,007

5,5

-//-

30 * 104

410-497

0,52

0,48

445

0,008

4,9

-//-

50 * 104

410-495

0,47

0,53

445

0,007

4,7

-//-

100 * 104

425-500

0,46

0,54

460

0,007

4,6

-//-

240 * 104

425-503

0,47

0,53

460

0,005

4,5


3. Использование ядерного энергоисточника

Как показано в работе [14], технология гидрогенизации требует использования энергоисточника, обеспечивающего производство тепла довольно высокой температуры - до 500-5500C.

Наиболее распространенная в настоящее время реакторная технология - реакторы с водой под давлением (кипящие и некипящие) могут вырабатывать тепло на уровне 3000C. Ядерные реакторы с гелиевым охлаждением генерируют тепло с температурой до 750-8000C. Именно этот тип реактора был использован для энергообеспечения процесса газификации угля (реактор Peach-Botton в ~ 60-е годы в США), что является первым прецедентом совмещения в едином комплексе химической и ядерной технологий [15, 16, 17]. Однако новое поколение указанных реакторов пока находится в стадии разработки.

Анализ показывает, что наиболее подходящими для процесса гидрогенизации по термодинамическим параметрам являются ядерные энергетические установки (ЯЭУ) с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением. Технология подобных ЯЭУ освоена в России. Так на Белоярской АЭС с 1980 года находится в промышленной эксплуатации энергоблок с быстрым реактором БН-600 тепловой мощностью 1500 МВт, с высокой степенью надежности и безопасности генерирующий пар с температурой 5050C при давлении 14 МПа.

Имеется действующая с 1969 года установка меньшей мощности БОР-60 (60 МВт тепловых). Кроме того, до недавнего времени, в Казахстане, успешно работала АЭС с реактором БН-350 тепловой мощностью 1000 Мвт. Разработан проект и идет сооружение на Белоярской AЭС быстрого реактора БН 800 мощностью 2100 МВт тепловых.

Таким образом, имеется широкий по мощности спектр реакторных установок, удовлетворяющих требуемым температурным параметрам, но предназначенных для выработки электроэнергии.

Применительно к энерготехнологическому комплексу, осуществляющему гидрогенизацию угля с использованием ядерного энергоисточника, имеется широкое поле для технико-экономической оптимизации. Так, исключение из схемы ЯЭУ с быстрым натриевым реактором парогенератора и турбогенератора (составляющих около 50% стоимости ЯЭУ) и замена их на теплообменник «натрий-газ», генерирующего газовую среду с необходимыми параметрами, может привести к существенному удешевлению не только собственно установки, но и всего энерготехнического комплекса. При этом практически будет решена проблема обеспечения экологией чистоты.

По материалам конференции «Высокие технологии XXI века», proatom.ru

02 июля 2007 /
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Вставка ссылкиВставка защищенной ссылки Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите код: