Раздел 4. Современные технологические процессы в ТЭК (стр. 6 )

Одним из перспективных методов использования угля считается сжигание угля в кипящем слое. Этот метод основан на использовании новой технологии работы котлоагрегата, заключающейся в том, что уголь сжигается в виде слоя частиц, поддерживаемых в кипящем состоянии потоком воздуха, который также обеспечивает поступление кислорода, необходимого для процесса горения. При использовании кипящего слоя наличие однородной температуры в топке котла позволяет получать высокую эффективность сжигания угля при средних температурах (800-900 ), в результате чего не происходит расплавления золы и последующего отложения ее на поверхностях нагрева. Более того, становится возможным использование не вызывающих коррозии газов, образующихся в процессе горения, в газовой турбине для производства электроэнергии.

Внутри кипящего слоя может быть достигнута очень высокая интенсивность теплопередачи, в результате чего появляется благоприятная возможность введения труб котлоагрегата внутрь кипящего слоя и, следовательно, сокращения длины этих труб. Расчеты и эксперименты показывают, что при сжигании угля в кипящем слое достигается высокий КПД – в пределах 78-95%. Кроме того, использование в кипящем слое известняка или других аналогичных материалов обеспечивает улавливание  и удаление в самом кипящем слое в процессе сжигания; это важное преимущество при использовании угля с высоким содержанием серы. Таким образом, с точки зрения защиты окружающей среды сжигание в кипящем слое является одним из наиболее перспективных методов использования угля, разрабатываемых в настоящее время.

Согласно оценкам, основанным на данных работы опытно-промышленных установок, капитальные затраты на строительство электростанций, использующих котлы с топками кипящего слоя, могут быть на 15-25% ниже, чем при строительстве обычных электростанций. Общий КПД ТЭС, использующих эту технологию, может достичь 45-50%, что примерно на 10% выше, чем у обычных ТЭС.

Следующим, одним из наиболее многообещающих способов переработки угля, который позволяет существенно снизить капитальные затраты и издержки производства, является подземная газификация угля.

Газификация — это высокотемпературный гетерогенный процесс неполного окисления органической части твердого топлива кислородом воздуха или другим окислителем. Аппараты, в которых протекает газификация, называют газогенераторами, а получаемые газы — генераторными. В зависимости от применяемого окислителя (дутья) различают воздушный, паровоздушный, водяной или смешанный генераторный газ и соответствующие способы газификации. Цель газификации — получить из низкосортного (например, высокозольного) топлива высококачественные генераторные газы.

Производительность газогенератора высотой 4, 6 и диаметром 3,6 м до­стигает 7500 . Сейчас применяются газогенераторы кипящего слоя (высотой 20 и диаметром 5 м), производительностью около 25 000 м'/ч. Парокислородный газ, имеющий теплоту сгорания 7—12 МДж/м3, применяют как топливо в металлургической, стекольной, керамической и других отраслях промышлен­ности, а также для питания двигателей внутреннего сгорания.

Только 70% углерода, содержащегося в топливе, при газификации переходит в генераторный газ. Однако эффективность использования и транспортировки газа по трубопроводам превышает потери углерода (30%).

Синтетические топлива из угля могут открыть новую главу в истории его использования. Теоретически химические процессы получения синтетических нефти и газа хорошо известны, и в настоящее время, главной задачей в этой области является дальнейшая разработка промышленной технологии. В принципе преобразование угля в жидкое или газообразное топливо заключается в добавлении водорода к углероду, содержащемуся в угле при особых высокотемпературных условиях, иногда в присутствии катализатора, чтобы обеспечить более эффективное протекание химической реакции. Существует два способа получения газообразного топлива из угля. Один из них связан с реакцией угля с водяным паром при высоких температуре и давлении в реакторе. При этом способе дополнительная энергия поступает благодаря частичному окислению угля. Продукт, получаемый в этом процессе, называется низкокалорийным газом. Этот газ может быть экономично использован на месте в ряде областей. Если при газификации вместо атмосферного воздуха используется чистый кислород, получается синтетический газ с более высокой теплотой сгорания. Возможна также производство газа с теплотой сгорания, близкой к теплоте сгорания природного газа. Это достигается при помощи каталитической реакции, называемой метанация. Другой способ получения высокаллорийного газа представляет собой прямую реакцию между углем и водородом (гидрогенизация).

       Подземная газификация угля является одним из самых дешевых способов извлечения угля. В отличие от газификации извлеченного угля он не требует специальных промышленных установок для производства синтетического газа. Из-за этой особенности подземная газификация угля привлекает к себе особое внимание. Подземную газификацию угля особенно целесообразно применять в тех случаях, когда угольные пласты залегают слишком глубоко, чтобы обеспечить экономичную его добычу традиционными способами. Обычно газификация осуществляется либо путем вдувания под давлением воздуха, в результате чего образуется низкокалорийный газ, либо путем подачи дутья из смеси кислорода с паром в целях получения синтетического газа с более высокой теплотой сгорания. В ряде случаев в целях получения высококалорийного газа можно также осуществлять подачу водородного дутья.

       Вначале подземную газификацию твердого топлива осуществляли шахтным способом. С поверхности проходили две наклонные выработки, внизу их соединяли штреком и там разжигали дрова. Процесс газификации поддерживали подачей воздуха по одной из выработок (дутьевой); по другой отводили генераторные газы, содержащие в качестве горючих компонентов окись углерода, водород, углеводороды и др.

       Описанный метод очень трудоемкий и дорогостоящий. В настоящее время применяют бесшахтный способ газификации (рис. 29).

  1  2  3 

  7  6  5  4

Рис. 29. Схема подземной газификации угля:

1,3 - скважины (дутьевая и газоотводящая), 2 - панель газификационная, 4 - сбоечный канал, 5 - выгазованное пространство, 6 - огневой забой,

7 - зона шлаков.

С поверхности на расстоянии 15-35 м друг от друга бурят специальные горные выработки - скважины: одна - дутьевая (диаметром 150-200 мм), вторая - газоотводящая (300 - 400 мм). В зависимости от условий залегания месторождения их размещают по-разному. Пологие и горизонтальные пласты мощностью до 4-5 м вскрывают вертикальными скважинами, крутые - наклонными (пробуренными по лежачему боку) или в сочетании с вертикальными. На пластах большой мощности выработки располагают наклонно с таким расчетом, чтобы они не попадали в зону  сдвижения  пород под выгазованным пространством.

Канал газификации создают путем соединения скважин между собой. Их сбойка в зависимости от геологических условий и физико-химических свойств угля осуществляется фильтрационно-огневым, электрическим  и буровым способами, а также разрывом  пласта водой либо воздухом высокого давления. Наиболее распространены  первый  метод (для трещиноватых пластов угля) и третий  (для плотных). В последнем случае  применяют  специальные буровые станки типа БГС  - 2, снабженные  гибкими шарнирными трубами и валами. Скорость сбойки достигает 3 м/сут.

При фильтрационно-огневом способе в дутьевую  скважину бросают раскаленный кокс или зажигательный патрон  и подают туда воздух. Уголь загорается, и огонь перемещается (0,6 - 0,7 м/сут) в направлении второй скважины.

Очистка газа от твердых и газообразных примесей  осуществляется  технологическим комплексом, сооруженном на поверхности. Теплотворная способность генераторного газа составляет  . Он может использоваться не только как энергетическое топливо, а и быть сырьем для химической промышленности (получение аммиака, спирта, бензина и др.).

Газификация пока что не получила распространения из-за того, что:

процесс оказался практически неуправляемым; подача газа сопровождалась большими колебаниями его количества и калорийности; происходило неожиданное обрушение кровли после выгорания пласта.

Кроме того, теплотворная способность газа во многих случаях оказывалась ниже теплотворной способности угля, что делало неэкономичной передачу газа на большие расстояния.

Дальнейшее развитие подземной газификации угля определяется, прежде всего, ее народнохозяйственной эффективностью (в сопоставлении с другими  способами добычи): себестоимостью, производительностью труда и размерами капитальных вложений на строительство соответствующих предприятий (станций). Себестоимость во многом обуславливают  затраты  на сооружение технологических комплексов. Однако ее можно снизить, увеличив мощность станций.

Рассматриваемый способ добычи  угля - единственный метод, полностью исключающий подземный труд рабочих. Преимущество газа как топлива и ценного сырья вызвало форсированное развитие его производства, в первую очередь - сравнительно  дешевого природного  газа, по мере исчерпания запасов которого будут, вероятно, найдены более эффективные способы бесшахтной добычи угля. 

Жидкие топлива в виде синтетической сырой нефти могут быть получены из угля тремя основными способами. При первой из них синтетический газ, полученный путем газификации угля, с помощью процесса синтеза преобразуется в жидкое топливо ( процесс Фишера-Тропша). При втором в процессе пиролиза (нагревание в отсутствие кислорода) производится синтетическая нефть, которая затем обрабатывается водородом с целью получения высококачественного жидкого топлива. Наконец, можно осуществить сжижение угля и фильтрованием удалить из образовавшегося продукта золу. После очистки продукта от растворителей и его обработки водородом получается синтетическая нефть.