Скачать (32,7 Кб)

Горючее добытое в плазме
Плазменная газификация углей и сланцев — способности, плюсы, перспективы

Член-корреспондент АН СССР Г. Н. Кружилин
Химия и Жизнь №11, 1981 г., с. 20-23

Плазменная разработка — дело сравнимо новое. Она зародилась в ракетной технике и астронавтике и на данный момент равномерно завоевывает для себя место в других областях. Плазмотроны уже достаточно обширно используются — приемущественно для нагрева газов: высокотемпературная газовая струя употребляется для резки металла, для плавления и распыления тугоплавких материалов, нанесения их в виде тонких слоев на поверхность изделий.

Длительное время плазменная обработка числилась применимой только для повторяющихся процессов. Но на данный момент ее начинают использовать и в процессах непрерывных, при этом сфера их использования равномерно расширяется. Естественно, что для этого нужно улучшать плазменную технику, и сначала наращивать ее ресурс — продолжительность работы.

Напомним, что плазма — это подогретый до высочайшей температуры газ, содержащий, при этом в довольно высочайшей концентрации, электроны и положительные ионы. В генераторе плазмы — плазмотроне газ (либо водяной пар) греется электронной дугой. Разность потенциалов меж анодом, которым служит корпус аппарата, и вольфрамовым стержнем-катодом около 500 вольт. Электронный разряд проходит по каналу очень ионизированного газа, и температура в плазменном шнуре добивается 5000-10000°С. При всем этом катод подвергается бомбардировке томными положительными ионами. Это приводит к сильному его разогреву и эрозии. Происходит также и эрозия анода. В общем, срок службы электродов в значимой степени ограничивает общий ресурс плазмотрона.

Сейчас плазмотроны мощностью до 500 кВт уже могут накрепко работать около тыщи часов. Разумеется, таковой ресурс полностью достаточен для того, чтоб использовать плазменную технологию в многотоннажных непрерывных производствах, в том числе и для переработки твердого горючего в высококалорийный газ либо жидкое горючее. Актуальность же этой задачки отлично известна; ее значимость для нашего народного хозяйства отмечена в решениях XXVI съезда КПСС.

Плазменная разработка может отыскать применение для переработки сибирских углей с получением синтетического газа либо углеводородного водянистого горючего, которые по трубопроводам будут транспортироваться в центральные районы страны. Есть и другие способности ее использования. Это газификация низкосортных местных углей и сланцев — выработка высококалорийного газа для электрических станций с парогазовыми блоками либо газовыми турбинами, которые могут работать при переменной нагрузке и благодаря этому делать роль «полупиковых» и «пиковых»; это газификация углей и других топлив в газогенераторах малой мощности — для ублажения потребностей компаний в газовом горючем.

Во всех случаях в хоть какой из перечисленных схем поначалу нужно получить так именуемый синтез-газ — смесь окиси углерода и водорода, по способности свободную от балластирующих газов — азота, двуокиси углерода, кислорода, водяного пара. Потому процесс должен идти фактически без доступа воздуха, другими словами на парокислородном дутье.

Это — главное требование, предъявляемое к плазменной газификации твердого горючего. Для его выполнения нет принципных препятствий. Кислородное дутье полностью доступно — сделанные академиком П. Л. Капицей установки с турбодетандером для получения кислорода из воздуха выпускаются в нашей стране серийно и полностью накрепко работают довольно длительное время, их останавливают на профилактический ремонт через полтора-два года. Что все-таки касается ненужного балласта, то возникновение в синтез-газе примесей СО2, О2, Н2О фактически исключено благодаря довольно высочайшей температуре процесса — не ниже 1100-1200°С. По условиям термодинамического равновесия системы уголь — газ концентрации примесей близки к нулю уже при температуре около 1000°С — этот принципиальный итог был получен на теоретическом уровне Е. И. Самуйловым в ЭНИНе им. Г. М. Кржижановского и экспериментально доказан Г. Н. Худяковым на лабораторном плазмотроне мощностью 50 кВт.

Таким макаром, применение плазмы для газификации твердого горючего, в том числе сибирских углей, принципно полностью может быть. Поглядим, сулит ли такая возможность сколько-либо значительные выгоды. А для этого вспомним обычный метод газификации, которую до сего времени ведут в традиционном слоевом генераторе. Ах так работает слоевой генератор.

Кусочки горючего движутся сверху вниз, воздух поступает снизу ввысь. Сначала он проходит слой шлака и несколько греется. Потом нагретый воздух попадает в зону горения и газификации горючего. Приобретенная смесь газов (СО, СО2, N2, O2) движется вверх, подогревая следующие слои угля. Находящиеся в жестком горючем летучие соединения возгоняются. Но поначалу уголь либо торф подсушиваются, теряют воду, и в газовую смесь попадает водяной пар. Газ загрязняется также маленькими частичками уносимого горючего. Все это усугубляет качество газа, осложняет его транспортировку по трубам к установкам-потребителям: смолы и твердые частички могут выпадать на стены и забивать трубопровод. Потому газовую смесь, которую получают в традиционных газогенераторах, приходится промывать водой в скрубберах. В итоге теплотворная способность газового горючего падает еще более, калорийность получаемого газа изредка превосходит 1000-1200 ккал/м3. К этому нужно добавить огромные утраты тепла со шлаком и уносом и связанный с теплоотдачами очень низкий к. п. д. — всего только 40-50%. В конце концов, нельзя не сказать о низкой производительности слоевого газогенератора — несколько тонн твердого горючего в час.

Все же слоевые газогенераторы такового типа сыграли огромную роль. Конкретно они длительное время обеспечивали газовым топливом бессчетные промышленные печи. Установки газификации угля совершенствовались, были сделаны газогенераторы, работающие под давлением; у их был несколько выше к. п. д., а производительность по углю достигала 30 т/ч. Но в связи с широким внедрением природного газа создание газа из твердого горючего при помощи газогенераторов существенно уменьшилось и сохранилось только у потребителей, которые по местным условиям не могут получать относительно дешевенький и вкупе с тем высококалорийный природный газ.

На данный момент положение с топливно-энергетическими ресурсами поменялось. Чтоб решить поставленную партией задачку — освоить богатейшие припасы сибирских углей, нужно вновь уделить огромное внимание газификации твердого горючего. Очевидно, сейчас не может быть и речи о возврате к морально устаревшим техническим принципам переработки угля в газ и жидкое горючее. И плазменная разработка — с ее высочайшим к. п. д., большой производительностью, красивым качеством получаемых товаров — представляется в особенности многообещающей. Поведаем о ней подробнее. Плазменный генератор для газификации угля представляет собой обыденную топочную камеру. Только заместо горелок на стенах камеры установлены плазменные реакторы с плазмотронами.

В каждом из плазмотронов смесь водяного пара и кислорода греется при помощи электронного газового разряда до температуры в среднем около 3000°С. Жаркие газовые струи в реакторе соединяются в раскаленный факел. В этом факеле угольная пыль, поступающая в реактор, с большой скоростью газифицируется — появляется синтез-газ (СО + Н2), который выходит в топочную камеру со средней температурой 1100-1200°С. Как и в обыкновенной котельной установке, в камере и газоходах газ охлаждается приблизительно до 100°С, улавливаются шлак и зола.

Мощность плазмотронов просто регулировать, изменяя силу тока в цепи. Потому в газогенераторе можно автоматом поддерживать температурный режим на данном рациональном уровне даже при неминуемых в эксплуатации конфигурациях свойства перерабатываемого горючего. При помощи плазмотронов довольно легко изменять мощность газогенератора, пускать его в работу после плановых либо принужденных остановок. В этом смысле плазменный газогенератор несоизмеримо удобнее в эксплуатации, ежели традиционная пы-леугольная топка. Можно не боясь утверждать, что мощность по углю плазменного генератора будет не ниже мощности современных пылеугольных -топок — до 500 т/ч. Для массовой переработки углей в высококалорийный метан либо углеводородное жидкое горючее, вероятнее всего, прибыльнее будет использовать плазменные газогенераторы большей единичной мощности.

Плазменный газогенератор представляет собой топочную камеру (1), на стенах которой установлены плазменные реакторы (2) с плазмотронами (3). В плазмотронах при помощи электронного газового разряда разогревается смесь водяного пара и кислорода. Жаркие газовые струи плазмотронов вдуваются в реактор, сливаясь в раскаленный факел. В реакторы поступает угольная пыль. Тут она газифицируется, а газы выводятся из камеры газогенератора — на остывание и чистку. 4 — сепаратор угольной пыли, 5 — пароперегреватель, 6 — подогреватель воздуха, 7 — энергоустановка для питания плазмотронов, 8 — подготовка горючего

Для питания плазмотронов такового высокопроизводительного газогенератора будет нужно электронная мощность 100-150 МВт. Если использовать плазменные реакторы мощностью около 1500 кВт, на стенах камеры придется установить приблизительно 80 таких реакторов. Мы уже гласили, что из-за эрозии электродов плазмотроны нуждаются в повторяющемся ремонте, но когда реакторов 10-ки, их можно чинить попеременно, не останавливая газогенератор и даже не изменяя его мощности.

Итак, плазменная газификация угля — вещь полностью настоящая, даже в больших промышленных масштабах. И технические препядствия, связанные с ограниченным ресурсом плазмотронов из-за эрозии электродов, тоже разрешимы. Появляется последующий вопрос: как значительны достоинства плазменной технологии по сопоставлению с имеющейся?

Приобретенный синтез-газ нужно очищать от сероводорода. Но это существенно легче, чем избавляться от окислов серы, обязательной составляющей отходящих газов пылеугольных котельных. Разработка удаления сероводорода из газовых консистенций освоена и применяется в больших масштабах на Оренбургском газовом месторождении для чистки природного газа — она проще и экономичнее всех узнаваемых способов освобождения от SO2 и SO3. Не считая того, пылеугольные котельные дают приблизительно в 5 раз больше отходящих газов, чем плазменные газогенераторы.

Большая единичная мощность плазменного газогенератора и возможность обычной чистки газа от сернистых соединений в большей мере могут найти перспективность плазменной газификации для массовой переработки сибирских углей. Это главные достоинства новейшей технологии. Но не единственные.

По-видимому, газогенератор большой единичной мощности на чисто кислородном дутье, но без плазмотронов чуть ли вообщем сумеет отлично работать — сначала из-за неравномерности температурного поля, в итоге которой понижается качество получаемого газа: больше балластирующих примесей (СО2, О2, N2), больше трудноудаляемых окислов серы.

Правда, по забугорным данным, в газогенераторах с кипящим слоем и кислородным дутьем температурное поле довольно однородно. Но здесь возникают другие препядствия, значительно ограничивающие единичную мощность агрегата. Одна из их заключается в том, что в нем достаточно тяжело форсировать режим — из-за уноса маленьких частичек горючего потоком газа, передвигающимся через кипящий слой снизу ввысь. Очень трудно также более либо наименее умеренно распределить поступающее горючее по слою, вывести шлак и золу. Почти во всем все эти трудности и трудности известны по опыту работы котельных топок с кусковым сжиганием горючего в слое. Их мощность по горючему ограничена достаточно низким пределом — около 15 т/ч. А в современных пыле-угольных топках паровых котлов сжигается, как мы уже знаем, до 500 т угля в час. Приблизительно на таковой же либо даже в два раза больший скачок производительности можно рассчитывать при переходе к плазменной газификации угольной пыли. И вот что в особенности принципиально: благодаря высочайшей температуре плазмы газификация угольной пыли завершается в главном в самом реакторе, потому унос фактически исключен. Несколько другая ситуация свойственна для газификации сланцев и окисленных углей. В данном случае нужная для проведения процесса температура 1200°С навряд ли достижима — это связано с затратами огромного количества тепла на разложение СО2 и на нагрев золы. Как следует, нужен дополнительный подвод тепла от наружного источника. Таким источником может быть плазмотрон.

При плазменной газификации на кислородном дутье сланцев Кашпирского месторождения (калорийность 1940 ккал/кг сухого горючего) нужно затратить 180 кВт электроэнергии на тонну начального горючего. Беря во внимание, что плазменная разработка дает возможность перерабатывать низкосортное горючее, также многозольное горючее — прямо до отходов углеразработок — и получать при всем этом очищенные от серы высококалорийный газ либо жидкое горючее, такие энергозатраты на работу плазмотронов никак нельзя считать чрезмерными.

Таким макаром, к. п. д. плазменной газификации приближается к 90%. Его можно еще повысить, если питать плазмотроны энергией атомных электрических станций. Актуальность такового решения, позволяющего сберегать органическое горючее, не раз отмечал президент АН СССР академик А. П. Александров.

Эффективность плазменной газификации может быть еще выше, если на сто процентов перейти на чисто паровое дутье. При разложении водяного пара на кислород и водород синтез-газ обогащается водородом, в итоге вырастает его теплотворная способность. Очевидно, плазменная газификация горючего на электроэнергии АЭС вероятна только в этом случае, если эта энергия в излишке. Другими словами, процесс прибыльнее всего вести ночкой, в торжественные и выходные деньки. А плазменные газогенераторы, с их гибкостью, способностью работать временами с разной нагрузкой, как нельзя лучше подходят для этого. Возможность перерабатывать низкосортное горючее в периоды, когда атомные электростанции недогружены, когда их энергию нужно аккумулировать, представляет особенный энтузиазм. Ожидаемые технико-экономические характеристики плазменной газификации углей Канско-Ачинского месторождения очень обнадеживают. При производстве метана в плазменном генераторе серьезные издержки (на создание тонны условного горючего в год) составят около 75 руб/здесь, а с учетом транспортировки в Центр по трубопроводам — около 110 руб/здесь. Канско-Ачинский уголь довольно дешев — в среднем 10 руб/здесь. Эксплуатационные расходы, связанные с плазменной газификацией горючего и передачей газа по трубопроводам в Центр, составят приблизительно 16 руб/здесь. Так что в Центре метан, приобретенный плазменной газификацией сибирского угля, будет не дороже 26 руб/здесь. Заметим, что на данный момент в системе Мосэнерго употребляют горючее себестоимостью от 16 до 25 руб/здесь. Означает, предлагаемая схема полностью реалистична.

Что касается плазменной переработки сибирских углей в жидкое углеводородное горючее, то и тут нет никаких противоречий с экономикой. По расчетам, такое горючее в Центре обойдется в 35 руб/здесь. Обыденное горючее из нефти (напомним, что на мировом рынке она стоит уже больше 200 баксов за тонну) навряд ли дешевле.

Мы затронули тут только самые общие технико-экономические вопросы плазменной газификации твердого горючего и удостоверились, что дело это перспективное. Что все-таки касается технологии переработки углей и сланцев в газ и жидкое горючее, режимов работы плазменного реактора и газогенератора в целом, конструкций особых плазмотронов — над всем этим еще предстоит работать.

Вспять