Инновационная технология высокоскоростного пиролиза органического сырья в установках с твердым теплоносителем по методу Галотер

Е. К. Айбульдинов1,  М. С. Петров2, Р. М. Салихов2,

1 — ТОО «Научно-производственная компания «EL Invest», 010000, г.Нур-Султан, elaman_@mail.ru

1 — ООО «ТТУ», 192283, г.Санкт-Петербург, РФ, info@oil-shale.ru

АННОТАЦИЯ. Разработана технология, позволяющая эффективно перерабатывать низкосортные горючие ископаемые — сланцы, угли, битумы, лигниты, шунгиты, твердые бытовые и промышленные отходы. Продукты переработки -нефть, газ, кокс, тепло-и электроэнергия, синтез-газ, метанол, пропилен, строительные материалы, ферросплавы, клинкер и карбиды. Экологические параметры предприятий соответствуют нормам ЕС. Данная технология может послужить основой для развития углехимической отрасли РК, «зеленой» экономики, а также утилизировать продукты обогащения угля, в том числе угольных мелочей для получения ценных продуктов переработки, уменьшить выбросы энергетических предприятий, быть конкурентоспособной, наилучшей доступной технологией по сравнению с мировыми аналогами.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Низкосортное топливо, переработка, пиролиз, горючие сланцы, уголь, твердые бытовые отходы, тяжелые нефтяные остатки.

ВВЕДЕНИЕ. Эффективность добычи и переработки запасов полезных ископаемых зависят от эффективности технологий переработки добываемого сырья. Огромные неиспользуемые запасы углеводородов и чистого углерода имеются в нетронутых природных залежах низкосортного ископаемого топлива, а также в техногенных залежах — на полигонах твердых бытовых и промышленных отходов. Например, запасы бурого угля в России составляют триллионы тонн, а добыча-около 70 миллионов тонн в год. На территории России расположено около 180 месторождений горючих сланцев с запасами сланцевой нефти 190 млрд тонн, из них 10 млрд тонн горючих сланцев в Ленинградской области с нефтяным эквивалентом от 1 до 1,5 баррелей на тонну. В Карелии имеются запасы 1 млрд тонн шунгита с содержанием углерода 30-90%. На территории России накоплено более 31 миллиарда тонн твердых бытовых отходов. Ежегодно их объем увеличивается на 60 миллионов тонн.

Все перечисленные выше ископаемые классифицируются как низкосортные горючие ископаемые, то есть, как ископаемые с физико-химическими характеристиками, затрудняющими их включение в топливно-энергетический баланс из-за высокой зольности, влажности или низкой температуры плавления золы, либо наличия и образования опасных веществ. Наличие эффективных технологий позволяет использовать эти огромные ресурсы. Установки с твердым теплоносителем (УТТ) могут успешно работать с применением различных режимов — полукоксования, коксования, парового пиролиза, окислительной паровой газификации. Такая гибкость позволяет получать различные целевые продукты в различных пропорциях: синтетическую нефть, газ, кокс, тепло-и электроэнергию, синтез-газ с последующим получением метанола, пропилена и полимеров. Полученная зола не содержит углерода и может быть использована для производства строительных материалов, цемента, ферросплавов, карбидов, удобрений и др., что обеспечивает безотходность производства. Установки УTT являются экологически чистыми — они работают в границах городов Европейского Союза.

ТЕХНОЛОГИЯ И РЕФЕРЕНЦИИ. Технология высокоскоростного пиролиза горючих сланцев в установках с твердым теплоносителем основана на методе Галотер, изобретенном в 1947 году инженером И. С. Галынкером и разработанном Энергетическим институтом ЭНИН (Москва). Сущность способа заключается в том, что пиролиз сырья происходит при его смешивании с горячей золой во вращающемся барабане реактора без доступа кислорода. Органическое вещество разлагается с образованием парогазовой смеси, которая при охлаждении образует различные фракции синтетических нефти и газа. Полукокс сжигается в аэрофонтанной топке. Часть горячей золы возвращается в реактор для нагрева свежей порции сырья, избыток золы охлаждается и удаляется из процесса. Тепло золы, дымовых газов и синтез-газа используется в котле-утилизаторе для получения пара с энергетическими параметрами для производства тепловой и электроэнергии. Технология освоена на коммерческом и промышленном уровнях.

Семь установок УТТ, построенных в Эстонии, были спроектированы при участии специалистов ООО «ТТУ». В Нарве с 1980-84 годов эффективно работают две установки УТТ-3000 мощностью по 1 млн. тонн сырья в год каждая. В 2009 году они были переименованы в Enefit-140. В 2006-2015 годах в Кохтла-Ярве были спроектированы, построены и введены в эксплуатацию три УТТ-3000, переименованные в Петротер. Две УТТ-500 построены в Кивиыли в 2005-2009 годах. Еще один завод «Энефит-280» был построен под Нарвой в 2009-2012 гг. без участия специалистов ООО «ТТУ», он работает в режиме опытно-промышленной установки. В целом за 2006-2015 годы построено шесть заводов, обеспечивающих 365% прироста мощностей по переработке сланца методом Галотер с 2,0 до 7,8 млн. тонн в год. Инвестиции составили около 600 миллионов долларов, а добыча достигла более 8 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в год. Сейчас в Эстонии сланцы при помощи процесса Галотер приносят синтетическую нефть, газ, тепло- и электроэнергию, ценные химические продукты и строительные материалы из сланцевой золы и данное предприятие соответствует нормам ЕС по выбросам.

Специалисты ТОО «Научно-производственная компания «EL Invest» и ООО «ТТУ» за период 2009-2020 провели дополнительные исследования и разработки, учли опыт работы эстонских заводов и усовершенствовали технологические схемы, позволяющие получать из сланца и низкосортных топлив (углей) не только синтетическую нефть, газ, тепло и электроэнергию, но и продукты с более высокой добавленной стоимостью и меньшей зависимостью от колебаний мировых цен на нефть — тиофены, фенолы, кокс, синтез-газ с возможностью дальнейшего производства метанола, чистых топлив, олефинов и полимеров,  вырабатываемая электроэнергия может использоваться для плавки золы с добавлением марганцевой руды, угля, кокса и с получением клинкера, ферросплавов и карбидов.

ПЕРЕРАБОТКА СЛАНЦА. Технико-экономическая оценка проекта добычи и переработки сланца на Ленинградском месторождении Прибалтийского бассейна демонстрирует высокую привлекательность для инвесторов. На строительство новой шахты «Кировская» мощностью 4 млн. тонн в год и завода по переработке сланца мощностью 4 линии УТТ-3000 потребуется около $ 500 млн. в течение 6 лет. Годовая добыча составит: синтетической нефти 3,7 млн. баррелей, 720 000 МВт-часов электроэнергии и 2 млн. тонн золы. Чистая прибыль составит около $ 100 млн. в год при ценах на нефть $ 50 за баррель. Срок окупаемости 7 лет. Внутренняя норма прибыли составляет 26 %. При первоначальных инвестициях в размере $ 500 млн. рыночная стоимость акций компании после выхода на проектную мощность составит более $ 1,8 млрд.

В качестве другого примера в технико-экономическом обосновании проекта разработки сланцевой нефти в Северной Африке рассматривались три варианта. Горючий сланец имеет следующие характеристики на сухую основу:

  • выход масла 8,47% масс.
  • выход газа 4,7% масс.
  • выход полукокса 85,6% масс.
  • углеродС15,62% масс.
  • водород Н 1,65% масс.
  • кислород O 8,0% масс.
  • азот 0,67% масс.
  • сера S 2,27% масс.
  • зола 71,79% масс.
  • низшая теплотворная способность 1522 ккал/кг

Базовый вариант 1-добыча нефти:

  • Карьер на 3 млн. т сланца в год;
  • 3 установки для переработки горючих сланцев УТТ-3000, каждая мощностью 3330 тонн горючих сланцев в сутки или 1 млн. тонн в год;
  • Электростанция, состоящая из турбинного цеха, оснащенного паровыми противодавленческими турбинами 3х30 МВт и генераторами;
  • Дистилляционная опреснительная установка с многоступенчатыми установками мгновенного испарения, где отработанный пар из турбин используется для испарения и опреснения морской воды.

Вариант 2-производство цемента. В качестве варианта № 2 дополнительно к базовому варианту рассматривался вариант строительства цементного завода по производству 3 млн. т цемента из сланцевой золы с добавлением 2,7 млн. т известняка с использованием энергии из горючих сланцев;

Вариант 3-производство полипропилена. В качестве варианта № 3, альтернативного варианту № 2, рассматривалось строительство дополнительно к базовому варианту установки переработки синтез-газа в полипропилен для производства 279 000 тонн полипропилена в год вместо сланцевой нефти и сланцевого газа. Кроме того, вместо сжигания полукокса применяется режим газификации с получением дополнительного синтез-газа;

В Таблице 1 представлены результаты экономической оценки проекта для трех установок УТТ-3000, 3. Млн тонн в год, сроком службы 33 года, в том числе 3 года строительства.

Таблица 1 —  Экономические параметры вариантов

  Вариант 1 МасляныйВариант 2 ЦементныйВариант 3 Полипропилен
Инвестиции$ млн340572522
Продукты, количество в год:    
НефтьБаррелей1 381 132288 733
ЭлектричествоМВт-ч400 864220 864587 124
Тиофеновтонны24 30024 30024 300
Вода опресненнаяКуб.м.36 836 10036 836 10036 836 100
Золатонны2 057 4001 057 4002 057 400
Сольтонны442 033442 033442 033
Цементтонны3 000 000
Полипропилентонны279 000
Выручка от реализации, в год$ млн160206309
Денежный поток в период проекта$ млн1 9912 4024 131
Внутренняя норма доходности (ВНД)%24,3%19,2%29,5%
Срок окупаемости от старта (СОС)годы676
Срок окупаемости с момента запуска производства  годы  3  4  3
Рентабельность активов (РА)%701527905
Дисконтированный денежный поток (ДДП)  $ млн  349  351  799
Ставка дисконтирования (СД)%10%10%10%
Чистая приведенная стоимость (ЧПС) @ DR 10%$ млн349351799
Учетная норма прибыли (УНП)%23%17%30%
Дисконтированный срок окупаемости (ДСО)  Годы  8  10  7
Рыночная стоимость предприятия$ млн7499391 519
*Расчеты были сделаны на основе строительства УТТ-3000  в Эстонии

ПЕРЕРАБОТКА УГЛЯ. Пример демонстрирует исследования образца угля из Казахстана с плавкой золы и производством ферросплавов.

  • Влажность Wa =6,03% 
  • Зольность Ad = 8,31%
  • Элементный состав % масс. на сухое состояние —   C   69,14 — 68,86;    H  6,36 — 5,86;    N  1,86 — 1,74;    S 0,4.

Выход продуктов полукоксования по Фишеру, в % масс. на сухой уголь составил:

  • полукокс– 72,6; 
  • смола  — 10,1;
  • вода  пирогенетическая  — 7,7;
  • газ — 9,6.

Смола полукоксования имеет элементный состав, % масс.:  C   78,75 — 79,07;   H  8,84 — 8,35;   N  0,97 — 1,11;   S -1,16.

Элементный состав полукоксового газа: C 73,46%; H 18,62%; N 0,44%; S 0,3% ;O 7,18%.

Вещественный состав полукоксового газа:

ВеществаЭлементы
  Масc %СНОSN
МетанCH445,9934,49311,498
ЭтанC2H613,5910,8702,717
ПропанC3H85,454,4610,992
БутанC4H102,632,1760,452
ПентанC5H125,264,3780,878
ЭтиленC2H44,203,6040,601
ПропиленC3H65,184,4370,740
БутиленC4H83,042,6010,434
ВодородН20,090,0000,085   
Окись углеродаCO6,202,6540,0003,546
АзотN20,440,0000,0000,435
Углекисл. газCO25,001,3640,0003,637
БензолC6H62,632,4260,202
СероводородH2S0,320,0190,299
Всего 100,00073,46318,6197,1830,2990,435

Полукокс из реторты имеет следующие характеристики: 

  • зольность Ad=11,03%мас,
  • выход  летучих Vd = 13,44%мас;
  • элементный состав: С- 74,52%;  H- 3,89%;  N-2,47%;  S- 0,35%; О- 7,74%.

Полученный коксозольный остаток после удаления летучих при 850ºС в течение 7 минут (кокс) имеет:

  • Зольность 12,35%мас;
  • элементный состав: C- 77,23%;  H-1,14%;  N- 2,43%;  S-0,19%; О- 6,66%.

Зола легко отделяется от кокса в магнитном и электрическом полях.

Зола угля имеет состав:

Состав золыХим. формулаЗначение,  %
Двуокись кремнияSiO253
Окись железаFe2O311
Окись алюминияAl2O327
Окись кальцияCaO2,5
Окись магнияMgO1,3
Трехокись серыSO31,2
Двуокись титанаTiO21
Пятиокись фосфораP2O50,65
Окись натрияNa2O0,65
Окись калияK2O1,9

Охлажденный до 90°С коксозольный остаток (КЗО) выводится в систему разделения КЗО на зольный и коксовый концентраты.

Зольный концентрат смешивается с марганцевой рудой и подается в индукционные тигельные плавильные печи, где получают ферросплав и шлак. Ферросплав охлаждается, дробится и складируется.

Коксовый концентрат брикетируется и складируется для отгрузки потребителям. В качестве связующего используется окисленная тяжелая фракция смолы.

Экономические параметры проекта переработки 1 млн. т в год такого угля приведены в таблице ниже:

Количество
ед./сут.
Цена,
$ / единицу
Сумма,
$ / сут.
Годовые
показатели, $
Инвестиции, в т.ч.:123 820 164 
   Установка УТТ70 000 000 
   Электростанция ЭС50 321 239 
Сепараторы, брикетирование1 166 308 
Индукционные печи2 332 617 
Затраты, в т.ч.:95 77828 733 504
Добыча3 3361033 36010 008 000
Переработка3 336723 3527 005 600
Сепарация КЗО, плавка, брикет-ие1 2551012 5543 766 087
Покупка марганцевой руды, т161164,3726 5137 953 817
Амортизация22 6166 784 667
Выручка, в т.ч.:502 488150 746 417
Масло, т240455109 16632 749 809
Электричество, kW-h2 542 4590,02563 56119 068 441
Ферросплав, т2151 048225 09767 529 205
Кокс, т1 047100104 66331 398 962
Прибыль406 710122 012 913
Прибыль к налогообложению384 094115 228 246
Прибыль после налогообложения307 27592 182 597
Поток наличности329 89198 967 263
Окупаемость, дней375
Окупаемость, лет1,251,25
Рентабельность инвестиций, %/год80%
Доход с 1 т угля, долл/т115

ПЕРЕРАБОТКА ШУНГИТА. Республика Карелия располагает запасами шунгита, которые оцениваются в 1 млрд. тонн при средней теплотворной способности 4000 ккал/кг. Это выше, чем теплота сгорания прибалтийских сланцев. В регионе имеются значительные запасы металлических руд, пригодных для извлечения цветных и редких металлов. Известный интерес к строительству металлургических предприятий проявляют иностранные инвесторы. Реализации намерений препятствует нехватка энергоресурсов в Карелии, 50% потребности в энергии удовлетворяется за счет импортного топлива. Эта проблема может быть решена путем вовлечения шунгитов в энергетический баланс при строительстве электростанций на основе шунгита. Со времен Петра Великого до сих пор не найдено технологий, позволяющих использовать шунгит в качестве энергетического топлива из-за высокой зольности сырья, летучести состава, легкоплавкости золы и практического отсутствия летучих веществ в горючей массе. С момента открытия шунгитов были проведены промышленные эксперименты по использованию их в качестве котельного топлива и сырья для производства синтез-газа, но все они оказались безуспешными, проводились без учета природных особенностей шунгитов.

Горение шунгитов в топках паровых котлов сопровождалось образованием золовых расплавов с образованием агломератов, препятствующих распределению продуваемого воздуха и нарушающих процесс  горения. Чтобы раздробить их, требовался ручной труд. Попытки переработки шунгитов в газогенераторах для получения синтез-газа также не увенчались успехом по следующим причинам:

— для работы газогенератора требуется кусковой материал размером 25-125 мм, но кусковой шунгит в зоне сушки и в зоне газификации разрушается с образованием мелких частиц из-за высоких температур. Это приводит к образованию сводов и нарушению движения материала;

— в зоне горения, как и в котлах, происходило образование зольного расплава, что приводило к слипанию и остановке движения твердой фазы.

Использование шунгита в качестве энергетического топлива может быть достигнуто с помощью технологии УТТ, в которой шунгит нагревают до температуры его воспламенения путем смешивания с горячей золой и самоизмельчения, затем смесь частично сжигают и подвергают газификации в присутствии водяного пара с образованием золы и синтез-газа. Синтез-газ сжигается в котлах или используется для производства метанола и пластиков. Для организации производства требуются опытно-конструкторские работы. Срок строительства-~2 года. Капитальные затраты на электростанцию с одним энергоблоком УТТ мощностью 1 млн. тонн в год составят 130-150 млн. долларов. При теплотворной способности шунгита 4000 ккал / кг мощность электростанции достигнет 200 МВт.

ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. Техногенные месторождения твердых бытовых и промышленных отходов имеют элементный состав, сходный с составом горючих сланцев, например,прибалтийского:

Таблица 2 — Элементный состав горючих сланцев и твердых бытовых отходов, %% показан в таблице ниже:

 CHONSClВодаЗольность
Нефтяной сланец26.64.910.70.550.0650.0654.9252.2
Твердые бытовые отходы34.76.414.00.80.10.15.038.9

Добавление активированной извести СаО в твердые коммунальные отходы в пропорции 10% для связывания и нейтрализации вредных примесей серы и хлора делает составы сланцев и отходов еще более близкими.

Использование установок УТТ для их переработки, помимо успешного решения экологической проблемы, имеет ряд преимуществ по сравнению с сортировкой и сжиганием бытовых отходов на полигонах ТБО:

— Нет необходимости в предварительной сортировке мусора, за исключением отделения металлов. Это позволяет избежать тяжелого ручного труда и снижает эксплуатационные расходы. Вместо ручного отбора проб вторичных пластмасс технология позволяет производить промышленные пластмассы через переработку синтез-газа;

— Технология УТТ позволяет работать по приему и утилизации отходов практически «с колес», то есть без большого склада на площадке. Свалки отходов вызывают массовое загрязнение земной поверхности и отравление атмосферы, опасны для людей;

— Переработка твердых бытовых отходов по этой технологии дает реальную прибыль за счет реализации продукции и, соответственно, будет самоокупаемой;

— В установках УТТ вместе с отходами могут перерабатываться промышленные отходы нефтяной, сланцевой и угольной промышленности, накопленные в отработанных карьерах и шламонакопителях в предыдущие годы. Таким образом, можно рекультивировать землю, занятую отходами;

— Используя технологию УТТ, можно перерабатывать твердые бытовые отходы, накопленные на полигонах за прошедшие годы эксплуатации, в том числе ранее закрытые;

— В отличие от технологий сжигания, установки УТТ при пиролизе сырья не образуют такого опасного продукта, как хлордиоксин (тетрахлордибензодиоксин), поэтому стоимость их строительства на порядок ниже стоимости мусоросжигательных установок.

— Зола твердых бытовых отходов, особенно в старых свалках 1960-1980 гг, содержит большое количество редких металлов, которые могут извлекаться при плавке золы с использованием собственной электроэнергии.

Ожидаемые экономические показатели: удельные капитальные вложения 12 тыс. руб. на 1 т ТБО в год против 30-170 тыс. руб. на технологию сжигания. Доход от переработки 1 тонны твердых бытовых отходов составит 2400 рублей против убытка до 1200 рублей при сжигании или хранении с сортировкой. При использовании УТТ продукция, получаемая из каждой тонны неочищенных твердых отходов: 60-100 кг нефти, 650 кВт-ч электроэнергии, 20-30 кг черных и цветных металлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Наличие отработанной и эффективной технологии переработки позволяет вовлекать низкосортные ископаемые природных и техногенных месторождений в торговый баланс промышленности с высоким социально-экономическим эффектом. С переходом нашей страны на «зеленую экономику» назревает острый вопрос необходимости развития углехимии, которая может обеспечить качественное изменение потребительских свойств продукции и, соответственно, увеличить ее рыночную цену, а самое главное – позволит выйти за пределы рынка энергетического угля. Для каждого вида органического сырья необходимо проведение анализа сырьевой базы, исследования образцов, разработка технологической схемы производства, материально-тепловых балансов производства, грубых экономических оценок и обоснования инвестиций, на основании которых владельцы месторождений принимают решения о дальнейшем  инвестировании и строительстве энерготехнологических и углехимических предприятий.

Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в twitter
Twitter
Поделиться в telegram
Telegram
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в vk
VK
Ad

Другие новости

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *