Переработка горючих сланцев

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: «Химическая технология топлива»

 

 

 

 

                                               

 

 

РЕФЕРАТ

по предмету: «Основы энергетического использования»

 

на тему: «Переработка горючих сланцев»

 

 

 

                                                          

 

 

 

 

 

 

Выполнил

студент группы ХТ – 10      Чупа М.А.

 

Проверил                   Кипря А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Донецк,2012 

   СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 Введение        3

 

1.Состав, классификация и свойства горючих сланцев   4

 

2. Развитие процессов  переработки горючих сланцев                        6

 

3. Экспериментальные  установки переработки горючих  сланцев    12

 

4. Развитие представлений  о строении горючих сланцев и                                                                                                           процессах их переработки                                                                     16

 

 Выводы     26

 

 Список литературы 27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Нефть и природный газ в настоящее время являются основными видами сырья для энергетики и химической промышленности. Вместе с тем постоянный рост энергопотребления, увеличение цен на энергоресурсы, истощение традиционных нефтяных и газовых запасов, перемещение месторождений в труднодоступные северные и восточные регионы, высокие инвестиционные затраты на создание инфраструктуры на вводимых в эксплуатацию месторождениях и увеличение расходов на транспортировку, требуют расширения сырьевой базы и совершенствования технологий переработки. Поэтому, наряду с разработками в области энерго- и ресурсосберегающих технологий, все большее внимание уделяется поиску новых источников углеводородного сырья и их переработке. С этой точки зрения большую ценность представляют твердые горючие ископаемые (ТГИ), в первую очередь, уголь и горючие сланцы, запасы которых очень велики. Мировые запасы горючих сланцев в пересчете на эквивалентное топливо в десятки раз превышают ресурсы нефти и природного газа.

Горючие сланцы являются одним из перспективных видов органического сырья, которые могут в значительной степени компенсировать, а в будущем и заменить нефтепродукты и газ. В отличие от других видов ТГИ, горючие сланцы содержат значительные количества водорода в органическом веществе. Возможность получения из горючих сланцев жидких и газообразных углеводородов, близких по составу и свойствам к нефтепродуктам и природному газу, позволяет рассматривать их как важные стратегические ресурсы.

Для ряда регионов, в первую очередь, не имеющих существенных ресурсов нефти и газа, вопрос обеспечения топливом и углеводородным сырьем может быть решен путем освоения современных технологий переработки ТГИ. Известны решения подобных проблем: производство синтетических топлив из синтез-газа, полученного газификацией бурых углей в ЮАР, переработка горючих сланцев в Бразилии и Китае, комплексная переработка горючих сланцев в Эстонии и др.

 

  

1. Состав, классификация и свойства горючих сланцев

Горючие сланцы - это полезное ископаемое осадочного образования, которое при термическом воздействии образует смолу, газ и зольный остаток. Первые понятия о горючих сланцах носили общий характер и до начала 1930-х гг. XX века, при рассмотрении этих горючих ископаемых, в основном, пользовались классификацией углей Г. Потонье. По мере развития сланцевой промышленности, применения более совершенных методов исследования горючих сланцев и накопления фактического материала, расширялось представление об условиях их накопления и превращения органического вещества, его составе и свойствах. Промышленное значение горючих сланцев, в  первую очередь определяется следующими характеристиками: содержание органического вещества, выход смолы, теплота сгорания, содержание редких и рассеянных элементов, способность быть источником получения ряда соединений, в том числе для химической промышленности, сельского хозяйства и медицины.

Для определения направлений промышленного использования горючих сланцев необходимо иметь сведения об их химическом и минералогическом составе, структуре органического вещества, наличии органоминеральных соединений, а также об изменениях, которые претерпевает исходное вещество на различных стадиях термического или химического воздействия. Основные показатели качества и технологические свойства, определяющие практическое значение горючих сланцев, связаны с содержанием в них органического вещества и обусловлены его происхождением и степенью преобразований. Горючие сланцы разных месторождений значительно отличаются друг от друга по внешнему виду, составу и свойствам. Особенностью горючих сланцев является переслаивание в нем богатых и бедных слоев органического вещества. В химический состав органического вещества входят: углерод, водород, кислород, азот и сера. Углерод является основным элементом, определяющим теплоту сгорания горючих ископаемых. Содержание его в органическом веществе горючих сланцев может колебаться от 55 до 85%. Водород – второй по важности теплотворный элемент, который играет существенную роль в энергетическом потенциале керогена, поскольку его теплота сгорания (129, 8 МДж/кг) почти в 4 раза выше, чем у углерода (34 МДж/кг). Содержание водорода колеблется в пределах 7-12%. По сравнению с другими твердыми горючими ископаемыми органическое вещество горючих сланцев отличается повышенным содержанием водорода и тем самым, лучшей способностью переходить в жидкие и газообразные продукты при термическом разложении: выход летучих 50-95%; смолы 15-75%. С увеличением содержания в керогене углерода, возрастает и содержание водорода, а соотношение С/Н составляет 7,5 - 9,5. По этому показателю горючие сланцы близки к нефти: нефть 6,0-7,5; торф – 9,0-11,0; бурые угли – 11,0-15,0; каменные угли – 13,0-20,0. Содержание кислорода в керогене может колебаться от 5 до 30%. Азот является постоянным компонентом керогена и составляет 0,5-5,0%. Содержание серы колеблется в пределах от долей процента до 8,0-11,0%.

Теплота сгорания горючих  сланцев может колебаться в широких  пределах: от 4-5 до 20-25 МДж/кг. Наиболее высокой теплотой сгорания – более 15 МДж/кг – характеризуются горючие сланцы отдельных слоев и пластов Эстонского, Ленинградского, Рубежинского, Болтышского месторождений, некоторые сланцы Австралии, Новой Зеландии. Большинство горючих сланцев мира имеют среднюю 8-12 МДж/кг или низкую – 5-8 МДж/кг теплоту сгорания.

Содержание серы в горючих сланцах колеблется от долей процента до 8-12%. Сера содержится в виде сульфидов (пирит, марказит), сульфатов (гипс, сульфаты железа) и органических соединений. Зольный остаток от сжигания сланцев может составлять 45 - 85%.

Такое разнообразие структуры и свойств долгое время препятствовало созданию единого классификационного подхода к данному виду ТГИ. Основная причина заключается в том, что при составлении промышленной классификации должны учитываться требования к сланцевому сырью по конкретному направлению его использования.

Общие направления переработки  горючих сланцев таковы: энергетическое – прямое сжигание, энерготехнологическое  – газификация с получением высококалорийного  газа и смолы, энергохимическое –  газификация с получением низкокалорийного газа и смолы, технологическое – сжигание пылевидного сланца и расплав золы с получением клинкера для производства цементов и химическое – получение жидких продуктов – обогащение, флотация и выделение концентрата из органического вещества, термическая экстракция или экстракция в сверхкритических условиях.

Качественными характеристиками при этом должны быть: содержание органического  вещества и выход смолы; теплота  сгорания (по классам); содержание серы, редких и рассеянных элементов в  исходном сланце, смоле полукоксования, газовых продуктах и зольном остатке; состав получаемых продуктов – смолы и газовой смеси; и, основной показатель – соотношение выхода смолы полукоксования к теплоте сгорания (по группам).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Развитие процессов переработки горючих сланцев

Мировая сланцеперерабатывающая промышленность является старейшей  отраслью топливной промышленности; осветительные масла, парафин, и  некоторые другие продукты, прежде чем их стали вырабатывать из нефти, производились из сланцев. За рубежом горючие сланцы впервые были переработаны в химические продукты с целью получения ихтиола на месторождении Зеефильд (Австрия) в 1596 г.

Однако, первое сланцеперерабатывающее предприятие было построено лишь в 1838 г. во Франции. Немного позднее началось промышленное использование горючих сланцев в Шотландии. В 1850 г. Юнг, Мельдрум и Бинни построили небольшой завод в г. Бадгейте, послуживший прототипом для целого ряда последующих предприятий. Благодаря производству сланцевой смолы и других продуктов, таких как парафины, аммиак, сульфат аммония, а также строительных материалов, шотландская сланцевая промышленность просуществовала более 100 лет, несмотря на высокую стоимость сланцевой смолы по сравнению с сырой нефтью.

В период первой мировой войны, в связи с нехваткой жидкого топлива, во многих странах горючие сланцы вновь стали рассматривать в качестве сырья для получения синтетических моторных топлив. В Швеции, Швейцарии, Австрии, Германии разрабатывались технологии производства смолы из горючих сланцев. Исследовательские работы были продолжены в период второй мировой войны.

В 1940 г. в Швеции была создана государственная компания по производству жидкого топлива из горючих сланцев. Завод горючих сланцев в Кварнторпе состоял из трех печей Берга, двух туннельных печей и одного агрегата Люнгстрема для переработки сланцев непосредственно в слое методом электрического нагрева.

В 1925 г. в Германии была построена вращающаяся печь для получения  смолы, в 1940 г. в Гольштейне работали уже две туннельные печи. В 1947 г. в Германии функционировали 30 реторт Лурги.

В 1937–1966 гг. ежегодная добыча горючих сланцев в Австрии составляла до 600 т. Горючие сланцы добывались исключительно для производства сырой смолы, использовавшейся в качестве основы для приготовления медикаментов.

В 1940 г. австралийская компания «Нейшнл Ойл» построила в Глен Девисе завод по переработке горючих сланцев, имевший 64 реторты Памферстона.

В 1930-е гг. в широких масштабах началось создание технологий переработки горючих сланцев в США. Горное бюро США создало несколько опытных организаций, которые успешно разработали системы выемки пластов и переработки извлеченного сланца. Однако в области переработки дело не продвинулось дальше опытных маломощных установок.

В 1920-е гг. началась промышленная переработка горючих сланцев в Китае. В 1949 г., с образованием Китайской Народной Республики, начался расцвет китайской сланцевой промышленности. К началу 1960-х гг. годовое производство сланцевой смолы достигло 780 тыс. т. Сланцевую смолу перерабатывали для получения бензина, керосина, дизельного топлива, парафина и смазочных масел. Открытие в 1962 г. крупного месторождения нефти в Дацине привело к сокращению общего объема производства смолы.

Необходимо отметить, что значительное повышение цен на нефть в 1973 г. явилось толчком для очередного этапа развития мировых сланцевых технологий. В 1980–1991 гг. горючие сланцы Колорадо перерабатывали по процессу «Юнокал». В 1991 г. в Бразилии начала функционировать установка по переработке горючих сланцев с внутренним нагревом газовым теплоносителем по процессу «Петросикс».

В 1991 г. в Фушуне был построен новый завод по переработке горючих сланцев с 80 ретортами мощностью 100 т/сут каждая для переработки крупнокускового сланца. В 2000 г. горючие сланцы стали перерабатывать в Австралии по процессу «Тасиук».

В разные периоды горючие  сланцы перерабатывали в промышленном масштабе в Австралии, Бразилии, Швейцарии, Швеции и Эстонии, Испании, Китае, Южной  Африке. С 1951 г. по 1966 г. во всех странах, за исключением России и Китая, предприятия по добыче и переработке горючих сланцев были закрыты.

На сегодняшний день в мире лишь немногие страны осуществляют промышленную переработку горючих сланцев, среди них Китай, Бразилия и Эстония. Однако начатые еще в первой половине XX века научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области переработки горючих сланцев в синтетические моторные топлива не прекращались и к настоящему времени вновь стали актуальными.

Исследования в области разработки технологий переработки горючих сланцев в некоторых странах стали содержанием долгосрочных бюджетных программ. Горючие сланцы определены как стратегические ресурсы, проведены технико-экономические расчеты эффективности производства из горючих сланцев синтетических топлив, созданы пилотные или опытно-промышленные установки.

Развитие сланцевой промышленности в различных странах характеризовалось периодическими подъемами и спадами. Это связано с рядом причин: условиями добычи и переработки сланцев, уровнем технического развития, состоянием топливно-энергетического комплекса и мирового нефтяного рынка.

Неоднократно, в зависимости от политической обстановки в мире и цен на нефть в некоторых  странах развивалась сланцевая промышленность, чтобы восполнить недостаток стратегически важных продуктов (бензин, масла). Но появление нефтепродуктов – дешевых и многотоннажных конкурентов продуктов сланцепереработки – в большинстве случаев приводило к закрытию предприятий по переработке сланцев.

Тем не менее, к настоящему времени накоплен значительный опыт в области технологии переработки горючих сланцев. Запатентовано около трех тысяч агрегатов и процессов переработки горючих сланцев. Многие прошли стадии пилотных и опытных испытаний.

В данном разделе приведены и проанализированы многие из когда-либо успешно эксплуатируемых опытных и полупромышленных установок по переработке горючих сланцев за рубежом.

В 1964 г. компании Тоско, Стандарт Ойл, СОХИО, Кливленд Клиффс Компани  организовали совместное предприятие  «Колони Дивелопмент», которое в 1965 г. создало «полупромышленную» установку с использованием процесса Тоско II. Одним из преимуществ процесса является использование всего перерабатываемого сырья, включая сланцевую мелочь. Отсутствие в составе продуктов переработки дымовых газов позволяет получать газ с высокой теплотой сгорания. Разработка процесса проводилась учеными Денверского исследовательского института США.