Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Изучение газификации горючих сланцев 8
1.1. Газификация горючих сланцев без использования катализатора 10
1.2. Каталитическая конверсия горючих сланцев 16
ГЛАВА II. История развития сланцевого дела в России 26
2.1. Начало исследовательских работ по изучению горючих сланцев России26
2.2. Возникновение сланцеперерабатывающих предприятий 39
2.3. Развитие технологии сланцепереработки в СССР в 1940—1980 гг 67
ГЛАВА III. Экологические проблемы сланцеперерабатывающего производства 94
3.1. Добыча горючих сланцев 94
3.2. Экологические проблемы сланцеэнергетики 97
3.3. Экологические проблемы термической переработки горючих сланцев 114
3.4. Использование минеральной части горючих сланцев 126
Заключение 129
Список используемой литературы 134
- Каталитическая конверсия горючих сланцев
- Возникновение сланцеперерабатывающих предприятий
- Экологические проблемы сланцеэнергетики
- Использование минеральной части горючих сланцев
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время нефть и природный газ рассматривают в качестве основных источников сырья для химической промышленности и энергетики. Развитие технологий бурения, разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений позволяет надеяться на то, что в ближайшие годы существенного снижения объемов добычи этих ископаемых не будет. Тем не менее, стоимость нефти и газа постоянно растет вследствие перемещения месторождений на Север и в труднодоступные регионы, сложности разработки глубоко залегающих пластов, и их истощения. Поэтому возрастает значимость таких источников энергии, как уголь и горючие сланцы. Горючие сланцы, широко распространенные во всем мире, являются важным потенциальным топливно-энергетическим и химическим сырьем, которое при дальнейшем развитии будет вносить все более значительный вклад в экономику ряда стран.
Горючие сланцы занимают среди твердых горючих ископаемых особое положение как по происхождению и составу, так и по роли в качестве энергетического и химического сырья. От других видов твердых топлив они отличаются повышенным содержанием водорода в их органическом веществе и поэтому более высоким выходом из него жидких органических продуктов (сланцевой смолы) при термическом разложении. Горючие сланцы рассматриваются в качестве перспективного источника для получения искусственного жидкого топлива и сырья для химической промышленности. В то же время они обычно многозольны; при комплексном использовании необходимо также решать вопросы утилизации их минеральной части.
За последние годы значительно повысился интерес к вопросам использования твердых горючих ископаемых, в том числе горючих сланцев. Комплексный анализ становления и развития сланцевой отрасли в России в
4 течение длительного исторического периода, охватывающего различные условия государственного строя, позволяет обобщить опыт прошлого в интересах решения научно-технических проблем на современном этапе.
Цель исследования: анализ производства углеводородного сырья на базе твердого топлива, в частном случае, горючих сланцев; исследование процесса пиролиза и газификации горючих сланцев Кашпирского и Ленинградского месторождений; рассмотрение этапов развития технологии сланцепереработки в России, выявление оптимальных методов и перспективных технологий и реализации последних с учетом региональных экологических норм и требований.
Научная новизна работы направлена на выполнение поставленной цели, что определяется решением следующих задач:
- изучен процесс пиролиза горючих сланцев Кашпирского и Ленинградского
месторождений;
- систематизированы и обобщены научно-технические разработки и
архивные документы, относящиеся к зарождению и развитию сланцевого
дела в России;
выявлены основные экологические проблемы, возникающие при добыче и термической переработке горючих сланцев;
на основе обобщения историко-технического материала - создана целостная историческая картина развития техники и технологии сланцевого дела в России в XX веке;
определены перспективы развития сланцевого дела на современном этапе.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются горючие сланцы, их переработка, а также выявление на всех этапах развития сланцевого дела в России становления и совершенствования технологии переработки горючих сланцев, форм и методов их использования.
Хронологические рамки исследования охватывают большой исторический период. О существовании горючих сланцев в Прибалтийском крае и Поволжье было известно еще в XVIII веке. Среди исследователей
5 сланцев - российские, немецкие и эстонские ученые Ф.Б.Шмидт (1832— 1908), Н.Ф. Погребов (1860-1942), П.А. Пальчинский (1875-1929), П.Н. Когерман (1891—1951). Становление сланцедобывающей и сланцеперерабатывающей отраслей топливной промышленности на территории России датируется началом XX века и связано с осложнением топливного обеспечения в годы Первой мировой войны и Революции. В 1916 г. в Петрограде организуется Тепловая комиссия, цель которой найти возможность промышленного использования горючих сланцев в качестве местного топлива. В 1916 г. в Эстонии, ав 1918 г. в России были заложены первые шахты для добычи сланцев.
К настоящему времени накоплен значительный опыт в области сланцепереработки не только в России, но и за рубежом. Начиная с середины XIX столетия небольшие сланцеперерабатывающие заводы действовали во многих странах, в частности в Англии, Франции, Германии, Швеции, Австралии, Бразилии, США, но после второй мировой войны, не выдержав конкуренции с нефтяной промышленностью, они были закрыты. В результате, в настоящее время действующие производства по переработке горючих сланцев существуют лишь в Эстонии, Китае, Бразилии и в небольшой степени в России. Ряд процессов на уровне пилотных установок реализован в США, Австралии. Однако исследовательские и опытные работы в области разработки технологии сланцепереработки не прекращались и к настоящему времени вновь стали актуальными.
Географические рамки диссертационного исследования наиболее полно охватывают территорию России и Эстонии, где в советский период была создана мощная сланцедобывающая и сланцеперерабатывающая отрасли промышленности.
Исследовались состав и свойства горючих сланцев Кашпирского и Ленинградского месторождений.
Практическая значимость диссертационной работы. Впервые обобщен материал по истории развития сланцевой отрасли промышленности
в России. Исследован процесе пиролиза кашпирских и ленинградских горючих сланцев в реакторе с неподвижным слоем катализатора в условиях быстрого нагрева (100 С/мин) с 20 до 600 С в токе водяного пара.
Разработанная методика проведения экспериментальных исследований по газификации и каталитической конверсии горючих сланцев применяется в учебном процессе Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина при проведении практических занятий по дисциплинам «Газохимия» и «Химия одноуглеродных молекул» студентам и магистрантам, обучающимся по направлениям 250100, 250400 и 550800.
Степень изученности темы. Историография.
Об истории развития сланцевой отрасли промышленности в России, помимо монографий [1, 2] в последние годы публикаций было мало.
В архивах Российской Федерации содержится богатый материал по развитию сланцеперерабатывающей промышленности России, который, однако, разбросан по сотням источников и до сих пор недостаточно проработан. Среди фондов Российского государственного архива экономики (РГАЭ) наиболее ценными для решения данной проблемы оказались ф. 660 (1918-1939) - учреждений по руководству сланцевой, сапропелевой и озокеритной промышленностью (Главсланец); ф. 290 (1915-1933) -Всесоюзного научно-исследовательского института сланцевой и сапропелевой промышленности треста «Союзсланец» Наркомата тяжелой промышленности СССР; ф. 3139 (1918-1923, 1931-1933) - Главного топливного управления (Главтоп) Наркомтяжпрома СССР; ф. 3429 (1917— 1932) - Высших советов народного хозяйства РСФСР и СССР (ВСНХ РСФСР и ВСНХ СССР); ф. 6880 (1918-1922) - Правления нефтяной промышленности Производственного управления Главного управления топливной промышленности ВСНХ; ф. 7297 (1932-1939) - Народного комиссариата тяжелой промышленности СССР (НКТП СССР); ф. 14 (1965-1991) - Министерства угольной промышленности СССР (Минуголь СССР); ф. 359 (1946-1951) — Главного управления газификации твердого топлива и
7 подземной газификации топлива (Главгаз) Министерства нефтяной промышленности СССР (МНП СССР); ф. 8701 (1930-1931, 1939-1957) -Главного управления сланцевой промышленности (Главсланец) Минуглепрома СССР; ф. 8726 (1943-1961) — Главного управления искусственного жидкого топлива и газа (Главгазтоппром) при Совете Министров СССР; ф. 8850 (1939-1943, 1948-1956) - Главного нефтегазового управления (Главнефтегаз) Миннефтепрома СССР. В Государственном архиве Российской Федерации (ГАРФ) проработаны материалы ф. 3348 (1883—1928) — личного фонда горного инженера, консультанта главного сланцевого комитета П.А. Пальчинского (1875-1930) ), дающие представления о технологии добычи и переработки горючих сланцев.
В процессе работы над данной темой были изучены материалы научных конференций; журналы, освещающие вопросы истории горного дела и журналы русских научных обществ, работы по технике переработки сланцев, оборудованию сланцевого дела.
Каталитическая конверсия горючих сланцев
Для проведения экспериментов по каталитической конверсии сланцев реактор пиролиза разделили на две зоны сетчатым разделителем таким образом, что выделяемая парогазовая смесь проходила через стационарный слой катализатора (рис. 1.3). Использовали МО катализатор, нанесенный на носитель Katalco 57-4 (табл. 1.4). В ходе опыта катализатор сульфидируется. Для сравнения результатов по выходу и составу газов каждый опыт проводили последовательно на свежем, а затем, на сульфидированном катализаторе при тех же температурах. Остальные части установки и параметры процесса не изменились. 1 — мерный цилиндр, 2 — насос подачи воды, 3 — электропечь (испаритель), 4, 7 -термопары, 5, б - регуляторы температуры, 8 - реактор с электрообогревом, 9 — холодильник, 10 - приемная колба, 11, 15, 16 — краны, 12 - обратный холодильник, 13 — абсорбер, 14 — газометр. В табл. 1.5 представлены данные по выходу продуктов процесса пиролиза с использованием NiO-катализатора Katalco 57-4. При пропускании парогазовой смеси через неподвижный слой катализатора он, по-видимому, сульфидируется (опыт 1). Последующий опыт (опыт 2) при той же температуре проводили на том же катализаторе, что и первый. Объем полученного газа приводили к нормальным условиям. С повышением температуры с 500 до 650 С выход жидкой части изменился с 69,6 до 71,0 г в опытах каталитической конверсии кашпирских сланцев и 69,0 г в опытах на ленинградских сланцах. Выделение подсмольной воды из жидкой части не было предусмотрено. При увеличении температуры на 150 С конверсия кашпирского сланца увеличилась с 40 до на свежем катализаторе, и с 37 до 47,6% на закоксованном катализаторе. Конверсия ленинградского сланца увеличилась с 31 до 42 % на свежем катализаторе, и с 28 до 41 % на закоксованном катализаторе (рис. 1.4). Так же, как и в опытах без использования катализатора, степень конверсии ленинградских сланцев оказалась меньше на 11 %, по сравнению с кашпирскими.
При равных температурных условиях объем полученного газа был максимален при пропускании парогазовой смеси через слой свежего катализатора (опыты №1). С повышением температуры объем газа увеличился с 0,63 до 2,03 л. в опытах на кашпирских сланцах, с 0,5 до 2,1 л. — ленинградских (рис. 1.5, 1.6). Как видно из рис. 1.5, 1.6, выход газа в экспериментах по газификации сланцев без использования катализатора был значительно ниже и составил 0,45-1,62 л. в опытах на кашпирских сланцах, 0,5-1,0 л. — ленинградских. Результаты опытов, проведенных на закоксованном катализаторе (опыты №2), показали незначительное уменьшение объема газовой смеси. Материальный баланс опытов каталитической конверсии представлен в табл. 1.6. В табл. 1.7, 1.8 представлены данные по составу газовой смеси, полученной в опытах газификации и каталитической конверсии сланцев. Содержание высококалорийных газов Н2, CRj в опытах, проведенных на ленинградских сланцах, значительно ниже, чем в опытах на кашпирских. Напротив, для ленинградских сланцев характерна высокая доля СОг в отходящих газах — 46-62 об. %, что свидетельствует о значительном содержании минеральной части в исследуемом образце. Содержание газов Сг+ в парогазовой смеси пиролиза ленинградских сланцев было незначительным. Как видно из рис. 1.7, выход водорода увеличивается в два раза с повышением температуры с 500 до 650 С. Содержание Н2 в отходящих газах максимально в опытах по каталитической конверсии кашпирских сланцев, проведенных на свежем катализаторе: до 90 % при температуре 650 С. В опытах без использования катализатора содержание водорода значительно ниже по сравнению с опытами с каталитической конверсией: 25,5 % по сравнению с 41 % при 500 С; 27 % по сравнению с 75 % при 550 С; 55 % по сравнению с 80 % при 600 С; 73 % по сравнению с 90 % при 650 С. Для ленинградских сланцев также характерно увеличение содержания водорода в парогазовой смеси при пропускании ее через слой катализатора. В среднем, содержание водорода в опытах на ленинградских сланцах в два раза меньше по сравнению с кашпирскими. Как видно из рис. 1.8, выход метана уменьшается с повышением температуры. Содержание СН4 в отходящих газах в экспериментах на кашпирских сланцах выше, чем на ленинградских. Максимальный выход метана наблюдается в опыте без использования катализатора на кашпирских сланцах при температуре 500 С - 34 %. В среднем содержание метана выше на 5-10 % в экспериментах, проведенных на сульфидированном катализаторе, по сравнению с экспериментами, проведенными на свежем катализаторе. На рис. 1.9, 1.10 графически представлены результаты газо-хроматографического анализа состава парогазовой смеси, полученной в ходе экспериментов по газификации и каталитической конверсии кашпирских и ленинградских горючих сланцев.
Как видно из рис. 1.9, при температуре 500 С основным компонентом парогазовой смеси пиролиза кашпирских сланцев является метан (34 %), содержание водорода меньше (25 %). С повышением температуры выход водорода увеличивается, а метана -уменьшается: при 650 С содержание Н2 - 73 %, СН4 - 8 %. В экспериментах по каталитической конверсии сланцев по сравнению с процессом газификации содержание водорода значительно выше: 40 % при 500 С и до 90 % при 650 С для кашпирских сланцев. В экспериментах, проведенных на ленинградских сланцах, выход водорода меньше: 19,6 при 500 С. Он увеличивается до 49,9 % при 650 С. Выход монооксида углерода меняется незначительно с повышением температуры и составляет 5-10 % для всех экспериментов. Общее рассмотрение приведенных экспериментальных данных свидетельствует о том, что превращения сланцев при повышенных температурах (500-650 С) протекают весьма интенсивно. При этом, образуется в первую очередь газ, обогащенный водородом. Эти результаты представляют несомненный практический интерес, так как концентрация этого компонента в газе при 650 С достигает 78-89 %. Важно отметить, что
Возникновение сланцеперерабатывающих предприятий
К началу 1920 г. сланцевое дело в России вступило во второй период своего развития. Стадии лабораторных опытов, определивших направления дальнейшего использования горючих сланцев, закончились. Отправным пунктом, наметившим начало нового периода, явилась постановка работ по добыче сланца в Поволжье. Из трех намеченных районов — Сюкеевского, Симбирского и Кашпирского, наиболее выгодным по геологическим и техническим условиям добычи и по количеству запасов был признан Симбирский - Средне-Волжский район, где с 1919 г. были сосредоточены работы по добыче сланца. Уже к началу 1920 г. количество добытого сланца на Ундорском руднике составило 149 146 пудов, из которых 89 650 пудов было отправлено на Сенгилеевский цементный завод для организации работ по обжигу цемента [38]. Большое распространение сланценосной толщи было обнаружено в Веймарнском районе. По сравнению с эстонскими месторождениями веймарнское является довольно бедным, однако благоприятное сочетание открытых и подземных работ и попутная добыча известковой бутовой плиты позволили вести здесь промышленную добычу сланца, который направлялся на газовый завод, на Путиловский завод, на цементный завод «Нева» и сжигался на предприятиях сланцевой промышленности в виде топлива. Известковая плита направлялась в Ленинградский торговый порт в качестве строительного материала.
Из Волжских районов сланец вывозили на Сенгилеевский и Вольский цементные заводы, для промышленных и коммунальных хозяйств, а также использовали в рабочих поселках на рудниках. В 1920 г. в Волжском районе было добыто 1 537 537 п. сланца, в Северном — 294 563 п. Однако, вывезено только 325 209 п. из Волжского района и 180 000 п. из Северного [38]. Отсутствие железнодорожного сообщения с местами сланцевых разработок являлось одним из главных препятствий к промышленному развитию добычи. Сообщение с поволжскими сланцевыми разработками поддерживалось гужевым путем. При таких условиях ни вывоз добываемого сланца, ни снабжение разработок материалами, инструментами, продовольствием были невозможны. На тот момент существующие железнодорожные ветки были незначительны: в Поволжье от Копей Степана Разина (Ундоры) до железнодорожной станции Симбирск — 11—12 верст, от Кашпира до Сызрани — 30 верст. И лишь в Веймарне в результате ходатайства Главсланца были построены железнодорожные пути, с тем, чтобы обеспечить Петроградскому газовому заводу возможность доставки сланца с рудников. Несмотря на возрастающие темпы добычи, сланец в то время еще не успел завоевать определенного рынка сбыта, в связи с чем наблюдалось скопление добытого сланца в значительном количестве на рудниках. Опыты по применению сланца для обжига цемента начались зимой 1919-1920 гг. на цементном заводе «Нева» в Петрограде. Опыты дали удовлетворительные результаты и явились исходным пунктом последовавших за ними дальнейших работ в этом направлении.
Подобные работы проводились и на Вольском цементном заводе. Опыты показали возможность использования сланцев для получения клинкера. По сорту полученный цемент относился к романскому. Было решено перевести на сланец Сенгилеевский и Вольский цементные заводы. В те годы горючие сланцы Поволжья начали применять в новых сферах, например, сланец стали использовать на мельницах Саратовского района (№3,4,5,6), в мастерских строили и переделывали топки для сжигания сланца. Интерес появился и у населения крупных Поволжских городов (в деревнях сланец уже являлся обычным видом топлива) и спрос на сланец для бытового отопления постепенно растет. В результате работ со сланцевой смолой, проводившихся в лаборатории Кусковского нефтеперегонного завода под Москвой, удалось получить ихтиоловые препараты. Получающиеся при перегонке сланцев подсмольные воды шли на производство сернокислого аммония, а также применялись в сельском хозяйстве. Местное население пользовалось подсмольной водой, полученной при переработке ундорских сланцев, как лечебным средством при чесотке и других кожных заболеваниях [38]. Для переработки сланца было намечено строительство сланцеперегонного завода в Ундорах, производительностью 15 тыс. п. сланца в сутки, и небольшого завода при Вольском цементном заводе. В связи с организацией 18 мая 1919 г. Горного Совета ВСНХ «Главсланец» был подчинен ему. Постановлением ВСНХ № 2584 от 6 июня 1921 г. было создано Главное управление топливной промышленности, в состав которого вошел «Главсланец» [42]. 12 октября 1921 г. по приказу Главного управления по топливу (ГУТ) ВСНХ было образовано
Центральное управление сланцевой промышленности ГУТ ВСНХ («Цусланец») [43]. В конце 1921 г. было решено перевести сланцевое дело на хозяйственный расчет. С переходом на хозяйственный расчет районам пришлось энергично искать средства к существованию. Отсутствие оборотных средств значительно усложняло размещение и выведение сланца на рынок, а голод в Поволжье катастрофически сказался на продовольственном снабжении сланцевых районов, что вызвало уход рабочих с рудников [44]. Стесненность ГУТа в денежных средствах вынудила Правительство рассмотреть вопрос о дальнейшем существовании сланцевого дела. По распоряжению Р.И. Берзина создали комиссию под председательством В.Н. Голицына для решения вопроса о дальнейшем существовании сланцевой промышленности [44]. Было установлено, что в конце четвертого года существования сланцевая отрасль вплотную подошла к переходу на самоокупаемость. Применение горючих сланцев было реализовано в целом ряде отраслей промышленности: в цементном деле на заводах «Нева» и Вольском; в газовом деле - на Петроградском газовом заводе; и, наконец, в сланцеперегонном деле — на Московском сланцеперегонном заводе (ст. Кусково). Широкие перспективы открывались перед сланцем для
Экологические проблемы сланцеэнергетики
Для примера: в Эстонии с целью откачки грунтовых вод до уровня ниже разрабатываемого пласта горючих сланцев ежегодно откачивается до 250 млн м3 грунтовых вод (25 м3 воды на 1 м3 добытой породы) [111]. В результате в водоносном пласте образуется воронка депрессии, уровень воды в местных водоемах понижается, а местное население сталкивается с проблемой дефицита водных ресурсов [112]. В Бразилии за 34-летний период существования сланцевой промышленности в районах сланцедобычи уровень грунтовых вод понизился с 8 до 35 м [107]. Шахтные и карьерные воды, откачиваемые при добыче сланцев, загрязнены его мелкими частицами, а также (в небольшой степени) углеводородами (нормируются как нефтепродукты) и сульфидами. Для их извлечения сооружаются специальные пруды - отстойники, после которых очищенная вода направляется в местные водоемы. Однако после такой очистки в воде все ещё содержатся растворенные соли и минералы [113]. Другим видом деформации земной поверхности является накопление отвалов пустых пород (терриконы), отходов обогащения («хвосты»), а также отходов термической переработки горючих сланцев: полукокса и золы.
До 1970-х годов в Прибалтийском сланцевом бассейне отсыпка пустых пород производилась в отвалы пирамидальной формы высотой до 60-80 м. Наличие в пустых породах органического вещества часто приводило к самовозгоранию терриконов, что вызывало загрязнение атмосферы и дождевых стоков продуктами сгорания. В настоящее время для предотвращения самовозгорания применяется плоская форма отвалов с укладкой горизонтальных изолирующих прослоев и последующим озеленением [97]. 3.2. Экологические проблемы сланцеэнергетики Впервые горючие сланцы начали использовать в энергетических целях на цементных заводах «Порт Кунда» и «Асери» в Эстонии в 1921 г. В 1922 г. на этих заводах потребляли 79,3 тыс. т сланцев в качестве топлива для обжига портландцементного клинкера и 34,2 тыс. т для производства пара [94]. В 1924 г. на сжигание эстонских сланцев была переведена Таллинская электростанция мощностью 22 МВт. Парогенератор, оборудованный слоевой топкой с колосниковой решеткой, имел производительность 35 т/ч. Давление по пару составляло 2,5-4 МПа, температура пароперегревателей - 400 50 С [114]. Вскоре на севере Эстонии был построен ряд других электростанций на горючих сланцах: электростанция в Пюсси (3,7 МВт), Кохтла (3,7 МВт), Кунда (2,3 МВт), Кивиыли (0,8 МВт). К концу 1930-х гг. общая мощность сланцевых электростанций достигала 32,5 МВт [115]. При сжигании сланцевого сырья в топках с колосниковыми решетками основной проблемой было образование большого количества зольной пыли несгоревших частиц, увеличение потребности в избыточном кислороде, необходимом для полного сгорания топлива. Для решения этой задачи была создана двухступенчатая топка сжигания горючих сланцев. Посредством разделения топки на первичную и вторичную топочные камеры обеспечивалось ступенчатое сжигание с тем, чтобы предотвратить смешение подаваемого вторичного воздуха с ранее поданным воздухом и разделить зоны газификации и окисления. Конфигурация вторичной топочной камеры и режим подачи вторичного воздуха обеспечивали более полное смешение топочного газа с подаваемым воздухом.
Качество смешения также было повышено посредством устройства узкого канала, через который проходит топочный газ с высокой скоростью, а в форсунки, распределенные по периметру канала, подается вторичный воздух [115]. Топки с колосниковыми решетками использовались для сжигания горючих сланцев до 1960-х гг. В 1949 г. была внедрена новая технология сжигания сланцев в топке с факельно-кипящим слоем на электростанции в г. Кохтла-Ярве мощностью 48 МВт [116]. В 1951г. электростанция с факельным сжиганием сланцев мощностью 72,5 МВт была построена в г. Ахтме. Основным аппаратом нового энергетического использования горючих сланцев стал парогенератор типа БКЗ-75-39-Ф Барнаульского котельного завода производительностью 75 т/ч, первоначально разработанный для сжигания углей. Испытания котла с факельно-кипящим слоем показали, что он обеспечивает более эффективное сгорание сланца, содержание оксидов азота в дымовых газах было в пределах 300 мг/м3, а степень связывания оксидов серы — в пределах 70-75 % от общего количества серы в сланце [117]. Попытка освоить факельно-кипящий слой на модернизированном для этого крупном котле ТП-17 производительностью по пару 220 т/ч оказалась менее удачной. При работе на сланцевом сырье производительность котлоагрегатов оказалась значительно ниже проектной - котлы БКЗ-75-39-Ф работали с максимальной нагрузкой 65 т/ч вместо 75 т/ч — из-за образования плотных трудноудаляемых золовых отложений, вызывающих высокотемпературную коррозию, и, как следствие, износ поверхностей нагрева.
Практика эксплуатации парогенераторов впервые выявила негативные особенности сжигания горючих сланцев, связанные с загрязнением поверхностей нагрева, высокотемпературной коррозией и износом испарительных труб. Стало очевидно, что котлоагрегаты, предназначенные для каменного и бурого угля, неорганическое вещество которых в топочном процессе заметно не активируется, не пригодны для эффективного и экономичного сжигания сланцев как топлива с очень сложными свойствами неорганической и органической частей. Следующим этапом развития энергетического использования горючих сланцев стало внедрение технологии факельно-пылевидного сжигания сланцев под высоким давлением. Разработка котлов для сжигания сланцев проводилась инженерами Таганрогского котельного завода в сотрудничестве с учеными Таллиннского политехнического института и ряда других научно-исследовательских институтов СССР. 30 декабря 1959 г. был осуществлен пуск первого котла Балтийской электростанции ТР-17 со следующими проектными параметрами: паропроизводительность 220 т/ч, давление перегретого пара 10 МПа, температура перегрева 540 С. Четыре блока электростанции имели по два парогенератора ТР-67, спроектированные на производительность 320 т/ч каждый, с давлением перегретого пара 14 МПа и температурами основного и промежуточного перегревов 540 С. Мощность станции к 1965 г. достигла проектной, и эта ГРЭС стала одной из крупнейших электростанций СССР и Европы [94]. В период 1969-1973 гг. вблизи г. Нарва была введена в эксплуатацию Эстонская электростанция мощностью 1600 МВт электроэнергии (8 блоков по 200 МВт) с увеличением ежегодной потребности в сланцах на 8-9 млн т. На электростанции были установлены парогенераторы типа ТР-101 паропроизводительностью 640 т/ч каждый, с давлением пара 14 МПа и температурами основного и промежуточного перегревов 540 С [94].
Использование минеральной части горючих сланцев
В США значительный интерес проявляется к переработке горючих сланцев в месте их залегания. Применение технологии подземной переработки твердых горючих ископаемых значительно снижает потребление воды и исключает проблему размещения остатков добычи и использования остатка переработки. При этом практически не нарушается профиль местности. Однако, при любом способе подземной переработки сланцев велика вероятность загрязнения грунтовых вод остатками их переработки и повышения их щелочности [146]. С целью предотвращения возможного загрязнения грунтовых вод компания «Шелл» разработала систему защиты окружающей среды, заключающейся в замораживании грунтовых вод вокруг разрабатываемого участка путем циркуляции хладагента, создающего подземный ледяной барьер. Предполагается, что он должен препятствовать взаимопроникновению подземных вод в зону добычи и, наоборот, углеводородных компонентов в пластовые воды. После окончания пиролиза ледяной барьер вокруг области подземной переработки промывается водой и паром для удаления остатков углеводородов и рекуперации тепла переработанных горючих сланцев [147]. 3.4. Использование минеральной части горючих сланцев Отходы добычи вмещающих пород сланцевых пластов, зольных остатков от сжигания или термохимической переработки сланцев могут служить основой производства многих строительных материалов. Карбонатные породы, алевролиты, аргиллиты и другие вмещающие породы пластов горючих сланцев или межпластовые прослои, попутно добываемые с горючими сланцами, в зависимости от физико-химических свойств и химического состава могут частично или полностью найти применение в производстве разнообразных строительных материалов.
Одним из наиболее перспективных направлений использования кремнистых и карбонатных пород, извлекаемых из недр при добыче прибалтийских сланцев, является производство фракционированного щебня [102]. Известковые породы могут быть использованы при производстве цемента в качестве карбонатного компонента исходной сырьевой смеси. Исследования и опытно-промышленные испытания, проведенные на цементном заводе в г. Сланцы, показали, что при замене известняка отходами добычи и обогащения сланца качество клинкера и портландцемента не ухудшается [97]. В настоящее время разработаны и внедрены в производство технологические процессы изготовления сланцезольного ячеистого бетона. Определяющими качествами золы как вяжущего вещества для производства изделий из автоклавного ячеистого бетона являются: содержание свободной извести (СаОСВоб) - не менее 16 %, остаток на сите 80 мкм - от 5 до 35 % [105]. Сланцевая зола широко используется при строительстве автомобильных дорог для устройства монолитного основания в качестве вяжущего взамен цемента. Смесь, приготовленная из 20-25 % сланцевой золы и 75-80 % песка, щебня и другого материала, равномерно укладывается и уплотняется. Зола использовалась при строительстве дорог в Эстонии, Латвии, Литве, Белоруссии и России. Применением сланцевой золы при строительстве автодорог упрощается технология строительства и уменьшается его стоимость [105]. Крупная сланцевая зола в качестве известкового удобрения [105] для повышения урожайности сельскохозяйственных культур на 40 % эффективнее по сравнению с применяемой известковой мукой. За один сезон вносится 5-6 т/га золы, процедура повторяется через 5—7 лет. Удельная поверхность крупной сланцевой золы 50-120 м /кг. Мельчайшая фракция сланцевой золы ( 20 ім) улавливается во второй ступени очистки газов — в электрофильтрах [105]. Цементные заводы используют мельчайшую фракцию золы сланца при производстве сланцезольного портландцемента высоких марок. Летучая зола добавляется в количестве 30 % от массы цемента.
Используемая в качестве добавки зола имеет следующие показатели: удельная поверхность — не менее 320 м2/кг, содержание свободной извести - до 12,5 %. Мельчайшая фракция летучей золы может использоваться также на заводах железобетонных изделий. Ее применение улучшает технологические свойства бетонной смеси и приводит к экономии цемента без снижения прочности бетона (взамен цемента в раствор добавляется до 20 % сланцевой золы). Кроме перечисленных направлений применения золы, проведенными исследованиями показана целесообразность использования сланцевой золы в производстве синтетических моющих средств, теплоизоляционных материалов, отделочных и строительных материалов на основе фосфогипса, синтетической керамики [105]. Важным фактором, препятствующим более широкому использованию сланцевой золы, является повышенное содержание в ней токсичных веществ, в том числе тяжелых металлов.
Похожие диссертации на Переработка горючих сланцев с получением химических продуктов
