Предисловие

После курса «Теория химических процессов» студенты специальности 25.04 слушают курс «Химическая технология переработки природных энергоносителей и получение углеродных материалов».

Зная теоретические основы процессов, студенты приступают к изучению их технологического оформления. К этим технологиям относятся переработка угля и нефти и получение углеродных материалов. Получаемые продукты используются в различных базовых отраслях народного хозяйства: топливно-энергетическом комплексе, металлургии, химической технологии органического синтеза, в автомобильном транспорте, авиации, ракетостроении и др.

Инженер-технолог специальности 25.04 должен понимать специфику химической технологии угля, нефти и углеродных материалов и их общность с позиций используемого сырья, применяемых способов и аппаратурного оформления. Он должен также понимать, каковы тенденции их развития.

Внимание студентов привлекается к комплексу вопросов охраны окружающей среды, способам очистки сточных вод, газовых выбросов, утилизации отходов рассматриваемых технологий. Эти вопросы актуальны из-за того, что технологии специальности 25.04 экологически достаточно «грязные».

Используемые в технологиях высокие температуры делают необходимым рассмотрение различных способов утилизации тепла.

Авторы в настоящем пособии старались учитывать эти требования.

Ограниченный объем пособия не позволяет разбирать все в деталях. Такая задача и не ставилась. Необходимо было дать общий взгляд на технологические основы специальности 25.04. Отдельные технологии подробно, в деталях разбираются в курсах специализаций, читаемых на кафедре химической технологии углеродных материалов. Эти частности можно найти в отдельных учебных пособиях, монографиях, справочниках, журнальных статьях и т.д.

Пособие написано в соответствии с программой соответствующего курса, утвержденного Ученым советом РХТУ им. Д.И. Менделеева. Настоящий курс лекций читается студентам IV курса дневного отделения.

В В Е Д Е Н И Е

Твердые природные энергоносители (ТПЭ) – торф, горючие сланцы, бурые и каменные угли составляют 90% всех горючих ископаемых мира. Россия наряду с США, Китаем и Австралией владеет 60% всех запасов ТПЭ. Наличие существенных запасов этих энергоносителей и передовых технологий их переработки в значительной степени определяет промышленный потенциал России, ее роль как индустриально развитой державы.

Использование твердых топлив традиционно в энергетике и металлургии. В наше время появились новые направления и технологии их комплексной переработки.

Переработка ТПЭ традиционными методами проводится для получения широкого ассортимента продуктов:

- твердых топлив и углеродистых восстановителей с высоким содержанием углерода, не выделяющих при сгорании смолистых веществ;

- высококалорийных газов, органических и неорганических веществ, используемых в качестве химического сырья;

- пеков и пекового кокса, используемых в качестве сырья для производства углеграфитовых материалов;

- восков, биологически активных веществ, кормовых дрожжей, красителей, комплексных удобрений при переработке торфов и бурых углей;

- моторных топлив, смазочных материалов, растворителей и иных продуктов, аналогичных продуктам, получаемым при переработке нефти.

Получение перечисленных продуктов достигается при использовании нескольких групп технологических процессов, таких как:

- термическая переработка ТПЭ без доступа воздуха, при 500-1100^оС, включающая низкотемпературное коксование (полукоксование) (500-600^оС), среднетемпературное (600-700^оС) и высокотемпературное коксование (1000-1100^оС). При коксовании происходит расщепление органической массы сырья с получением газа, смолы и твердого остатка;

- газификация твердых топлив при 800-1600^оС – высокотемпературный процесс взаимодействия газифицирующих агентов (воздух, кислород, водяной пар и их смеси) с органической массой топлив, приводящий к превращению в горючие газы. Основная часть сырья превращается в оксид углерода СО и водород, которые служат сырьем для получения аммиака, спиртов, углеводородов;

- гидрогенизация ТПЭ при 400-500^оС, сочетающая термическое расщепление органической массы с каталитическим гидрированием получаемых продуктов;

- экстракция и термическое растворение ТПЭ органическими растворителями при 380-450^оС.

Все процессы переработки природных энергоносителей имеют следующие особенности:

- большие масштабы предприятий. Так крупные коксохимические предприятия перерабатывают по 8-12 млн. тонн угля в год. Это обуславливает высокий уровень механизации и автоматизации технологических процессов, а также большие единичные мощности установок;

- комплексная переработка сырья с получением широкого ассортимента продукции, позволяющая свести к минимуму отходы производства;

- использование типового оборудования – насосов, компрессоров, дробилок, грохотов, ректификационных и адсорбционных аппаратов, теплообменников, а также специфических устройств, не имеющих аналогов в других отраслях – печей коксования, газогенераторов.

Все способы переработки ТПЭ можно классифицировать по следующим группам:

- механические – дробление и классификация топлив с получением сырья заданного гранулометрического состава; окусковывание с целью получения из мелких классов топлив кусков определенных размеров, формы, прочности; обогащение сырья с отделением ценного компонента от примесей;

- термохимические – сушка топлив, различные виды их коксования, газификация углей и сланцев;

- химические и каталитические процессы – гидрогенизация ТПЭ, сероочистка продуктов коксования, модификация гуминовых кислот и восков и др.;

- физические и физико-химические процессы – улавливание и переработка продуктов полукоксования, коксования, газификации, гидрогенизации ТПЭ (процессы ректификации, абсорбции, адсорбции; фугование, фильтрование, отстаивание многокомпонентных смесей).

Все технологии переработки топлив можно разбить на несколько технологических операций (переделов), позволяющих получить из исходного сырья целевые продукты:

- подготовка ТПЭ к переработке, включая их усреднение, дробление, классификацию, обогащение и в ряде случаев сушку сырья и его брикетирование;

- основной передел, характерный для конкретного технологического процесса (например, коксование в камерных печах);

- процессы газоочистки, обусловленные необходимостью выделять из образующихся газообразных продуктов как ценные, так и токсичные компоненты (аммиак, сероводород, пыль и др.);

- переработка жидких продуктов. Практически во всех технологиях термохимической переработки ТПЭ образуются сложные смеси, которые необходимо перерабатывать в целевые продукты;

- утилизация и очистка сточных вод и выбросов с целью сокращения отходов и создания замкнутых водооборотных циклов.