СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОССТАНОВИ-ТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ УГЛЯ

Изобретение относится к химической технологии и металлургии, а именно к способам переработки угля и предназначено для получения жидких и газообразных веществ его состава, технологических газов, веществ- восстановителей металлов и попутно образующих веществ.

Известен способ и установка ожижения и дистилляции летучих веществ, содержащихся в твердом углеродистом материале по [1]. Способ включает в себя пропускание материала через установку реформинга, внутри которой имеется температурный градиент, возрастающий по мере того, как материал продвигается вниз через установку реформинга. Более ценные летучие компоненты материала покидают материал при соответствующих им температурах испарения и выходят из установки реформинга для переработки в конденсаторах. Некоторую часть каждой фракции потока летучего материала повторно нагревают и рецуркулируют через установку реформинга, чтобы подать тепло для поддержания температурного градиента. Вспрыскивание рециркулируемого материала происходит ниже уровня, где данная фракция покинула установку реформинга, так что рециркулируемая фракция снова будет выходить из установки реформинга, подвергаясь по конденсации.  На дне установки рефоринга нелетучую часть углеродистого материала удаляют из установки реформинга для дальнейшей переработки или сбыта. Изобретение позволяет увеличить эффективность обработки угля и разделять летучие вещества на ценный газ и жидкие фракции.

Недостатком известного способа является сложность его осуществления, выражавшаяся в многостадийности технологических процессов выделения и конденсации летучих веществ угля с применением многочисленных аппаратур и дополнительных операций по их утилизации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ газификации угля [2], согласно которому уголь прежде чем использовать в газификации при температурах 450-500⁰ С освобождают от летучих и смолистых веществ в реакторе предварительного нагрева. Данный реактор через стенку нагревают теплом газа после газификации угля.  Летучие вещества, состоящие из тяжелых углеводородов, бензола с его производными, фенолов, высокомолекулярных и гуминовых органических кислот, охлаждают в специальном холодильнике для перевода их в жидкое состояние и собирают в сборнике без последующего их разделения на компоненты.

Недостатками известного способа является то, что выделенные летучие и смолистые вещества охлаждают для их перевода в жидко-газообразное состояние, что затрудняет дальнейшее их использование в виду того, что разделение охлаждённой смеси летучих и смолистых веществ на отдельные компоненты требуют проведения дополнительных технологических операций, имеющих значительные материально-энергетические и временные затраты.

Целью изобретения является осуществление полной переработки угля с разделением выделяемых веществ на отдельные компоненты и получения восстановительных веществ.

Поставленная цель достигается способом восстановления металлов из полиметаллических концентратов, включающий предварительное нагревание угля в реакторе с внешним обогревом, выделение летучих и смолистых веществ из состава угля, их охлаждение, газификацию оставшегося углеродистого материала веществами окислителями, причем охлаждение газообразных летучих и смолистых вещества осуществляют в конденсационной колонне с  тарелками, на которых по высоте колонны выдерживают  градиент температуры в убывающем порядке,  согласно температуре конденсации газообразных компонентов состава смеси летучих и смолистых веществ, последовательно выделяют из газовой смеси каждого конденсированного компонента в отдельности в жидком виде при достижении температуры его конденсации,  после отделения конденсированных веществ от неконденсируемых газов,  смесь газов разделяют на отдельные газы, остаток углеродистого материала в реакторе нагрева подвергают газификации эквимолярным количеством водяного пара, полученную равноколичественную смесь водорода и окиси углерода (СО:Н₂=1:1) применяют в качестве восстановителя металлов и подвергают конверсии водяным паром, поглощённая раствором щелочи образованная углекислота, образует карбонатные соединения, а оставшийся  водород после сушки используют в качестве восстановителя металлов  состава полиметаллического концентрата.

Заявленный способ поясняется технологической схемой, представленной на рисунке, где:

 1 - реактор нагрева угля;

 2 –конденсационная колонна с тарелками;

 3-сборники конденсированных веществ;

 4- разделитель газовой смеси;

 5 – газогенератор;

 6-теплообменник–утилизатор тепла I;

 7- теплообменник–утилизатор тепла II;

 8 – реактор конверсии СО;

 9–теплообменник–утилизатор тепла III;

 10 – щелочной абсорбер СО₂;

 11 – конденсатор водяных паров.

Схема условно делиться на три стадии: I) выделение летучих и смолистых веществ, их разделение на отдельные компоненты, получение углеродистого материала; II) получение смеси (СО+Н₂); III) получение чистого Н_2. в качестве восстановителя металлов в составе полиметаллического концентрата.

Заявленный способ осуществляется следующим образом: уголь подают во внешне обогреваемый   реактор 1 нагревают через внутренний корпус реактора температурой 680-700⁰С, сначала испаряется влага, затем при температуре 350^оС уголь очищают от летучих и легко выделяемых компонентов, затем нагревают при температуре 500-550^оС, при этом уголь переходит в пластическое состояние, в котором отделяют смолистые вещества от углерода и начинают его графитизацию, образующийся полукокс при температуре 680-700^оС превращают в чистый углеродистый материал. Выделенные  летучие и смолистые вещества, а также газы, выводят из реактора 1, они поступают снизу в  конден-сационную колонну 2, охлаждаемую водой. Внутри 

конденсационной колонны с тарелками 2 выдер-живают регулируемый  температурный градиент по убывающей зависимости температурам конденсации  конденсируемых веществ. Тарелки конденсационной колонны 2 соединены со сборниками конден-сированных веществ 3. Конденсация газообразных веществ происходит в обратной зависимости от их температуры испарения из состава угля. Привя-занный к составу смеси выделенных веществ температурный градиент режима охлаждения по высоте конденсационной колонны позволяет осуществить полное разделение смеси выделенных веществ на чистые компоненты. Конденсация и разделение выделенных из состава угля веществ происходит в следующем порядке в интервале температур:

-  каменноугольный пек    360^-500 ^оС;

- антрацены   270- 360 ^оС;

- метилнафталены  230- 270 ^оС;

- нафталеновая фракция  210 -230 ^оС;

- фенолы и пиридины  170-200 ^оС;

- бензол и его гомологи  90- 170^оС; 

После выделения всех конденсированных веществ, из конденсационной колонны (2)  выводят смесь неконденсируемых газов N₂, H₂, CO, SO₂, образующихся при переработки угля в реакторе 1,  смесь газов охлаждают для разделения на чистые газы и далее разделяют на отдельные газы в разделительном узле 4.                                                      

Для газификации углеродистого материала в газогенератор подают водяной пар соблюдением   стехиометрического соотношения С:Н₂О=1:1 с тем, чтобы в газогенераторе протекала реакция неполного окисления углерода с образованием эквимолярной  смеси СО и Н₂:

С + Н₂О = СО + Н₂                                         (1) .

Для того, чтобы не загрязнить состава генераторного газа другими газами, дополнительно осуществляют нагрев газогенератора 5 через стенку   сжиганием угля с условием утилизации образующихся дымовых газов. При использовании углеродистого материала в качестве восстановителя в металлургических, химических процессах нагрев реактора 1 осуществляют автономно извне. Из газогенератора зола выноситься в теплообменник-утилизатор тепла I 6 и охлаждают водой, далее используют по назначению. Полученные в газогенераторе 1 газы СО и Н₂ являются сильными восстановителями, однако при температурах 800-830^оС восстановительная способность СО выше чем у Н₂, а при температурах 830-850^оС наоборот восстановительная способность водорода преобладает над свойством СО. Поэтому, в зависимости от предполагаемой температуры при осуществлении процесса восстановления металлов используют смесь Н₂+СО, проводят конверсию СО с эквимолярным получением Н₂, используют при этом водород в качестве восстановительного реагента. Исходя из данного положения, в первом случае генераторный газ непосредственно направляется в металлургическое или химическое производство в качестве восстановительного реагента, а во втором случае  газовая смесь с температурой 680-700^оС подают в реактор 1 для нагрева угля через стенку реактора, затем подают для охлаждения до 320-350⁰С в теплообменник-утилизатор тепла II 7, образующийся насыщенный водяной пар направляют в газогенератор 5 для газификации углерода, а охлаждённый генераторный газ направляют в реактор 8 для осуществления каталитической реакции конверсии оксида углерода:

СО +Н₂О = СО₂ + Н₂                                                         (2).

При поступлении генераторного газа в реактор 8 для конверсии СО, в реактор подают водяной пар   в количестве, которому соответствуют содержание СО в составе водяного газа. Наиболее оптимальным режимом осуществления каталитической конверсии СО является температура 350-380^оС, поэтому при подаче водяного пара регулируют его температуру до значения, которое обеспечило бы с учётом экзотермичности реакции 2 температуры среды реакции в данных пределах.

Конвертированный газ, состоящий из эквимолярных количеств Н₂ и СО₂, охлаждают до температуры 18-20⁰С в теплообменнике-утилизаторе тепла II 9, получают водяной пар, затем подают в абсорбер (10), где раствором щелочей из его состава выделяют СО₂. Наиболее простым способом выделения СО₂ из смеси газов является его поглощение щелочами по реакциям:

СО₂ + СаО =СаСО₃                                                             (3),

NaOH +CO₂= NaHCO₃                                    (4).

Карбонатные соединения выпадают в осадок, а газообразный Н₂  из абсорбера 10 направляют в конденсатор 11, где из него при температуре -5^оС выделяют пар воды, полученный после сушки от паров воды Н₂ используют в качестве восстановителя металлов в составе полиметаллического концентрата.

Пример.

Для определения параметров способа переработки угля и получения восстановительных веществ использованы пробы угля Фон-Ягнобского месторождения Таджикистана состава, мас.%׃ С-81,0; Н-5,2; N-1,0; O-2,0; S-1,4; зола-5,3; влажность угля-4,0, содержание летучих веществ 0,98%, содержание смолы 4,5% и галенитсодержащего концентрата Кони Мансур (Таджикистан) минералогического состава, мас. %: PbS-46,0; ZnS-5,10; CuFeS₂-5,04; FeS₂-34,64; SiO₂ -7,12; Al₂O₃ -2,10.

  Количество основных веществ, полученных при переработке 1000 кг угля исследуемой пробы представлены в Таблице. 

Таблица

Количественные данные веществ, полученные при переработке 1000 кг угля исследуемой пробы