Баланс распределения рения в продуктах плазмохимической переработки горючих сланцев

Образец	Вес	Концентрация рения, мг/г	Содержание рения в образцах		Примечание
			мг	% к исходному
Исходные горючие сланцы	10 кг	1,0.10-3	10,0	100,0	Содержание рения по паспорту
Насадка, В том числе	6,87кг		8,84	88,4
Верхний слой	2,73 кг	5,0.10-4	1,36	13,6
Средний слой	2,10 кг	5,0.10-4	1,08	10,6
Нижний слой	2,04 кг	3,16.10-3	6,42	64,2
Пыль, в том числе:	16 г		1,89.10-1	1,9
Из циклона на тканевом фильтре (1)	5 г	(4,0.10-2)* 1,83.10-2	(0,2)* 9,15.10-2	0,9	*-нейтронно-акти-вационный анализ
Из циклона на тканевом фильтре (П)	11 г	(4,0.10-2)* 8,89.10-2	(0,44)* 9,78.10-2	1,0
Шлак:	6 кг	Не обнаружено		0,0
Всего:				90,3
Потери рения				9,7

Был рассчитан баланс одного из самых труднолетучих и ценных компонентов горючих сланцев – урана.

Таблица 4.13

Баланс распределения урана в продуктах плазмохимической переработки горючих сланцев

Продукты термообработки	Количество образовавшихся продуктов,кг	Содержание урана в продуктах		Выход урана, %
		%	кг
Исходный сланец	800,0	0,025	0,20	100,0
Шлак	514,0	0,035	0,18	90,0
Пыль в циклоне	0,6	0,000	0,00
Потери	-		0,02	10,0
Всего				100,0

Таким образом, плазменная газификация сланцев Джамского проявления, показавшая, что его органическая часть в процессе газификации дает высокий выход синтез-газа (96%), а минеральная часть превращается в твердый остаток с высоким концентрированием редких и рассеянных элементов, явилась ярким примером комплексной эффективной малоотходной технологии, соответствующей одному из основных требований современной химии.

Газификация углеродсодержащего сырья в плазме может также рассматриваться как один из способов получения водорода. Еще в конце 70-х годов IXX века в работе был выполнен сопоставительный расчет 15 методов получения водорода, который показал преимущество плазменного по сырьевым и энергетическим расходным показателям. Данные этих расчетов представлены в табл. 4.14.

Таблица 4.14.

Сравнительная оценка различных способов получения водорода по сырьевым и энергетическим расходным показателям*)

№ п/п	Наименование процесса	Исходное сырье	Исходное топливо	Расход электроэнергии в % от суммарного расхода энергетических средств	Суммарный расход энергетических средств**)	Энергетический к.п.д. процесса
1.	Электролиз воды (норм. давление)	Вода	Электроэнергия	100,0	23,0	17,0
2.	Электролиз воды (давление 10 атм)	Вода	Электроэнергия	100,0	18,0	23,0
3.	Парокислородная газификация бурого угля в кипящем слое	Бурый уголь пар(Н2О) кислород	Бурый уголь	12,0	15,0	27,0
4.	Парокислородная газификация мазута (нормальное давление)	Мазут, пар, кислород	Мазут	15,0	13,0	31,0
5.	Парокислородная газификация мазута (давление 20 атм)	Мазут, пар, кислород	Мазут	12,0	12,0	35,0
6.	Металло-паровая конверсия природного газа в движущемся слое контакта (норм.давление)	Природный газ	Природный газ	13,0	11,0	37,0
7.	Парокислородная газификация кокса (нормальное давление)	Кокс, пар, кислород	Кокс	16,0	11,0	38,0
8.	Парокислородная конверсия природного газа в кипящем слое катализатора	Природный газ, пар, кислород	Природный газ	11,0	10,0	42,0
9.	Паровая конверсия природного газа в трубчатых печах (норм. давление)	Природный газ, пар	Природный газ	10,0	9,0	44,0
10.	Термическое разложение метана в аппаратах периодического действия (норм. давление)	Природный газ	Природный газ	15,0	7,0	56,0
11.	Циклический процесс разложения воды с циркулирующими в процессе ртутью и НВr(процесс Марк-1), использование тепла атомного реактора	Вода	Уран	5,0	7,0	58,0
12.	Парокислородная конверсия природного газа в кипящем слое катализатора с циркулирующим теплоносителем	Природный газ, кислород	Природный газ	10,0	7,0	61,0
13.	Паровая конверсия природного газа в трубчатых печах (давление 20 атм)	Природный газ	Природный газ	9,0	7,0	62,0
14.	Плазменная пароводяная газификация бурого угля	Водяной пар и уголь	Уголь и электроэнергия	51,0	8,0	64,0
15.	Плазменная парокислородная газификация бурого угля	Водяной пар, кислород, уголь	Уголь и электроэнергия	32,0	7,0	73,0

^*)Расходы сырья и основных энергетических средств (тут) в расчете на 1т Н₂(чистотой 98%, давл. 60 атм).

^**)Топливо + топливный эквивалент сырья, соответствующий современным энергетическим нормам.

Таким наглядным примером плазменной газификации углеродсодержащих соединений является промышленная установка гибкого типа для переработки углеродсодержащих отходов в синтез-газ с использованием плазмы. Схема этой установки представлена на рис. 4.8. Установка была предназначена для производства водорода методом плазмохимической переработки органических отходов широкого углеводородного диапазона до 700 т/год по сырью.

Рис.4.8. Схема получения синтез-газа из углеводородного

сырья плазменным способом

1 - источник

2 - пароперегреватель

2'- запасной пароперегреватель

3 - плазмотрон

4 - камера смешения

5 - форкамера

6 - реактор

7 - труба Вентури

8 – сепаратор

Рис.4.9

Принцип действия плазменного модуля заключается в следующем. Генерируемый в пароводяном плазмотроне, мощностью 500 кВт каждый, высокотемпературный поток частично ионизированного водяного пара со среднемассовой температурой 3200К и расходом 108 кг/ч поступает в камеру смешения, в которую также поступает поток газообразных углеводородных отходов с расходом 60,3 кг/ч через систему отверстий тангенциально к плазменному потоку. После предварительного перемешивания в камере смешения, перемешивание реагентов продолжается в форкамере с одновременным протеканием эндотермической реакции конверсии. Завершается процесс конверсии в имеющем футеровку плазмохимическом реакторе с температурой стенок порядка 1700 К.

Реакционный поток из плазмохимического реактора поступает в водоохлаждаемый канал форкамеры и трубу Вентури, где происходит его интенсивное охлаждение за счет испарения и нагрева воды, подаваемой через форсунку. Для предотвращения капельного уноса из трубы Вентури в плазменном модуле установлен охладитель-сепаратор и система вентилей, позволяющих в период разогрева футеровки реактора и при отклонениях от рекомендованных параметров процесса направлять газы на свечу.

Регулирование температуры газов на выходе из плазменного модуля в пределах 400-450^оС осуществляется за счет изменения расхода воды в форсунку трубы Вентури. Реакторная часть плазменного модуля заканчивается запорной арматурой.

Основной аппарат плазменного модуля - плазмохимический реактор имеет высоту около 2 м, диаметр около 1,3 м. Габариты плазмотрона: длина 0,8-1,0 м, диаметр 0,6-0,7 м. К.п.д. плазмотрона 0,75-0,8.

Энергозатраты на производство синтез-газа с учетом всех теплопотерь составляют 4,03 кВтч/кг или 1,875 кВтч/м³.

Степень конверсии углеводородных отходов - более 99%.

Газодисперсный поток реакционной смеси, поступающий на постплазменную стадию (конверсия, очистка и разделение) характеризуется следующими параметрами:

- расход потока - 293 кг/ч (424 м³/ч);

- температура потока - 700 К (430^оС);

- давление - 0,1 МПа;

- содержание высокодисперсной сажи - 8 г/м³

- состав газовой фазы потока - Н₂-37,82; СО-18,11;

реакционной смеси (% мол.): СН₄-0,40,2; С₂Н₂-0,30,2

Н₂О-42,44; С_конд.-1,00,5.

Требуемое соотношение Н₂:СО может регулироваться изменением рабочих параметров плазмотрона, а также изменением соотношения плазмообразующего газа - водяного пара и исходного сырья - углеводородных отходов.

Постплазменная стадия состоит из конверсии СО, улавливания технического углерода и очистки водорода от примесей. Конверсию СО в СО₂, сопровождающуюся получением дополнительного количества водорода, а также улавливание сажи проводится традиционными методами. Очистка водорода производится металлогидридным способом извлечения водорода из водородсодержащего потока. Этот способ обеспечивает получение водорода сверхвысокой чистоты. Он основан на способности некоторых металлов и сплавов образовывать при адсорбции водорода гидриды, которые легко разлагаются при определенных условиях, выделяя водород. Металлогидридный способ извлечения и очистки водорода отличается сравнительной простотой, безопасностью и незначительными энергозатратами.

Плазменная установка гибкого типа не только позволяет обезвреживать органические отходы широкого диапазона, но и производит водород необходимой чистоты для нужд региональной промышленности.

В ряде других стран, таких как Швеция, США, ЮАР еще в начале 80-х годов прошлого века уже были реализованы проекты по производству конвертированного газа плазменным способом.

Так в ЮАР построен завод по получению губчатого железа (250-300 тыс. т/год), на котором использован плазменный реактор мощностью 40 МВт для производства синтез-газа из отходящих доменных газов и газов, получаемых при переработке угля. Применение плазменной технологии при выплавке стали сокращает потребление кокса в расчете на 1 т железа с 500 до 50 кг в результате замены значительной части кокса дешевым углем.

На обычных установках восстановительной металлургии синтез-газ получают паровой конверсией природного газа; применение плазмы снижает его расход на 50%, устраняет необходимость в сероочистке и сокращает пуско-остановочные операции.

Разработан плазменный генератор, пригодный для конверсии различного сырья (угля, мазута, полукокса, биомассы) в синтез-газ требуемого состава (от 43 до 62% СО и от 55 до 35% Н₂, при содержании СО₂не более 3%). Уголь газифицируется в плазменном реакторе при температуре 1400^оС, синтез-газ проходит через колонну, заполненную горячим коксом для регулирования содержания в газе СО₂и воды. Потребление энергии плазменным генератором при получении газа с высоким содержанием СО не превышает 7-10% от общего энергопотребления в процессе. Можно получить также синтез-газ с повышенной концентрацией водорода до 30-40%, но процесс будет экономичен только при весьма дешевой электроэнергии.

При плазменной газификации угля в отсутствие кислорода среди конечных продуктов не образуются такие вредные для окружающей среды выбросы, как оксиды азота и серы, полициклические и ароматические углеводороды, диоксин. Твердый остаток газификации выводится из реактора в виде расплавленного шлака. Шлак гранулируется при быстром охлаждении водой с получением стекловидного продукта, содержащего в связанном виде соли тяжелых металлов: никеля, ванадия, хрома, кобальта, железа. Эти соли не выщелачиваются водой, поэтому шлаковые выбросы не вызывают загрязнения грунтовых вод.

Разработан процесс получения топливного газа из угля, торфа и различных органических отходов (в том числе из автопокрышек). Стоимость такого топлива сопоставима со стоимостью импортируемой в США нефти.