WO2013039417A1

WO2013039417A1 - Method and device for the plasma chemical treatment of coal

Info

Publication number: WO2013039417A1
Application number: PCT/RU2011/000711
Authority: WO
Inventors: Вячеслав Геннадьевич ПЕВГОВ
Original assignee: Pevgov Vyacheslav Gennadievich
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-03-21
Also published as: RU2538252C2; RU2013116761A

Abstract

The invention relates to the coal industry. The invention concerns a method and a device for the plasma chemical treatment of coal in a hydrogen-containing solvent in a plasma chemical reactor that comprises a chamber for generating a film flow of a fluid medium, an inner electrode, an outer electrode, an inlet nozzle, an electric discharge chamber, and an outlet for a liquid and a gaseous component. The raw material obtained at the outlet is divided into a liquid product, a solid fraction and a gaseous fraction. Solid fraction waste is removed from the solid fraction and sorption waste is removed from the gaseous fraction. After sorption purification and after removal of the solid substance waste, the unspent raw material is fed back into a preparation chamber. The raw material is acted upon using the products of low-temperature electric discharge plasma. The invention makes it possible to reduce the cost of the technical process and increase the liquid fraction yield.

Description

СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ METHOD OF PLASMA CHEMICAL COAL PROCESSING

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИAND PLASMA CHEMICAL PROCESSING DEVICE

УГЛЯ COAL

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ APPLICATION AREA

Изобретения относятся к угольной промышленности, а именно к способам переработки угля и устройствам для переработки угля. The invention relates to the coal industry, and in particular to methods of processing coal and devices for processing coal.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE INVENTION

Энергопотребление в мире постоянно растет. Основные энергоносители - нефть и газ удовлетворяют примерно 70 % потребностей. Отношение доказанных извлекаемых запасов горючих ископаемых к их годовой добыче составляет для нефти около 40, для угля более ста. В настоящее время нефть является основным источником органического сырья. Ограниченность мировых запасов нефти и постоянный рост стоимости нефтедобычи, вследствие вовлечения в эксплуатацию более труднодоступных месторождений, стимулируют создание новых процессов химической переработки альтернативного органического сырья. Energy consumption in the world is constantly growing. The main energy sources - oil and gas satisfy approximately 70% of the needs. The ratio of proven recoverable reserves of combustible minerals to their annual production is about 40 for oil and more than one hundred for coal. Currently, oil is the main source of organic raw materials. The limited global oil reserves and the constant increase in the cost of oil production, due to the involvement of more inaccessible fields, stimulate the creation of new processes for the chemical processing of alternative organic raw materials.

По запасам уголь является наиболее важным источником органического сырья на Земле и одним из наиболее доступных источников энергии, но сжигание угля ведет к образованию двуокиси углерода, серы и других вредных веществ. Увеличение потребления ископаемого угля сопровождается ростом экологической нагрузки на окружающую среду, так как при сжигании и переработке угля образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению с нефтью и газом. In terms of reserves, coal is the most important source of organic raw materials on Earth and one of the most affordable sources of energy, but burning coal leads to the formation of carbon dioxide, sulfur and other harmful substances. An increase in the consumption of fossil coal is accompanied by an increase in the environmental load on the environment, since the combustion and processing of coal produces more harmful by-products than oil and gas.

Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более чистых видов топлива угольного происхождения, к которым относятся синтетические газообразные и жидкие топлива, полученные путем химической переработки угля, поскольку выбросы вредных веществ, при использовании синтетического топлива, значительно ниже, чем в случае применения исходного угля. Reducing environmental damage from coal energy can be achieved by switching to environmentally friendly fuels of coal origin, which include synthetic gaseous and liquid fuels obtained by chemical processing of coal, since emissions of harmful substances when using synthetic fuel are much lower, than in the case of the use of source coal.

Используют такие технологии, как каталитическая газификация угля водяным паром в кипящем слое, парокислородная газификация при повышенном давлении в расплаве соды, газификация при атмосферном давлении в расплаве железа. Применяемые расплавы играют роль теплоносителя и катализатора. Наиболее распространенными катализаторами процесса газификации угля являются соединения щелочных, щелочноземельных и некоторых переходных металлов, например, Ni, Fe, Co. Technologies such as catalytic gasification of coal by steam in a fluidized bed, vapor-oxygen gasification at elevated pressure in a soda melt, gasification at atmospheric pressure in a molten iron are used. The melts used play the role of a coolant and a catalyst. The most common catalysts for coal gasification are compounds of alkali, alkaline earth and some transition metals, for example, Ni, Fe, Co.

В качестве каталитически активных материалов оказалось возможным использовать дешевые и доступные металлургические и котельные шлаки, которые содержат такие элементы, как Fe, Ni, Mn а также другие элементы, способные катализировать реакции окисления углеводородов и конверсии СО. Такие каталитически активные материалы можно использовать в процессе газификации до их полного износа. В режиме циркуляции частиц шлака при температурах 850 - 900 °С и атмосферном давлении паровоздушной смеси степень конверсии угля в газообразные продукты составляет 90%. As catalytically active materials, it was possible to use cheap and affordable metallurgical and boiler slags that contain elements such as Fe, Ni, Mn, as well as other elements capable of catalyzing the oxidation of hydrocarbons and the conversion of CO. Such catalytically active materials can be used in the gasification process until they are completely worn out. In the mode of circulation of slag particles at temperatures of 850 - 900 ° C and atmospheric pressure of the steam-air mixture, the degree of conversion of coal to gaseous products is 90%.

Востребованность технологий переработки угля определяется стоимостью нефти, а также степенью совершенства технологии переработки, тем самым создавая предпосылки для активного внедрения современных угольных технологий для повышения эффективности переработки угля. The demand for coal processing technologies is determined by the cost of oil, as well as the degree of refinement of the processing technology, thereby creating the prerequisites for the active introduction of modern coal technologies to increase the efficiency of coal processing.

При плазмохимической обработке возможно, как расщепление молекул тяжелых соединений, входящих в состав угля, так и полимеризация легких углеводородов. Электроразрядная плазма позволяет простыми способами изменять режимы обработки, используя управление параметрами плазмы через режимы работы источника питания. When plasma-chemical processing is possible, both the splitting of the molecules of the heavy compounds that make up the coal, and the polymerization of light hydrocarbons. Electric discharge plasma allows simple methods to change the processing modes using the control of plasma parameters through the operating modes of the power source.

Известен «СПОСОБ ¹ ОЖИЖЕНИЯ КАМЕННОГО УГЛЯ» [1]: «Способ ожижения каменного угля, основанный на измельчении, активации и сжижении угля в среде органических растворителей, которое осуществляют одновременно в реакторе импульсным электрическим разрядом в присутствии воды не менее 5 мас.% от угля, причем в предпочтительном варианте осуществления соотношение уголь: органический растворитель не превышает 1 :2, затем полученную смесь разделяют на сжиженный уголь, который направляют на перегонную колонну, подобную нефтяной, а нерастворенный уголь возвращают на обработку электрическим импульсным разрядом». The well-known "METHOD ¹ LIVING STONE COAL" [1]: "A method of liquefying coal based on grinding, activation and liquefaction of coal in an environment of organic solvents, which is carried out simultaneously in the reactor by pulsed electric discharge in the presence of water of at least 5 wt.% From coal moreover, in a preferred embodiment, the ratio of coal: organic solvent does not exceed 1: 2, then the resulting mixture is separated into liquefied coal, which is sent to a distillation column, similar to petroleum, and undissolved coal return to treatment by electric pulse discharge. "

В [1] плазма используется для дробления обрабатываемого продукта и для «активации» воды. Для этих целей необходимо присутствие воды в обрабатываемом продукте в количестве не менее 5 мае. % от угля. В то же время требование присутствия воды в исходном продукте накладывает ряд ограничений на реализацию возможных режимов переработки исходного сырья. Так при нормальном давлении названное требование не позволяет производить обработку при температурах выше 100 °С, в то время как из проведенных экспериментов следует, что наиболее эффективные процессы преобразования углеводородов в электроразрядной плазме начинаются с температур выше 200 °С. Наличие воды в жидком состоянии затрудняет применение перегонной колонны. В [1] возможны трудности при необходимости использования газообразных компонентов, так как они ухудшают условия образования ударной волны, производящей дробление продукта. In [1], plasma is used to crush the processed product and to “activate” water. For these purposes, the presence of water in the processed product in an amount of at least 5 May is necessary. % of coal. At the same time, the requirement for the presence of water in the initial product imposes a number of restrictions on implementation of possible modes of processing of feedstock. So, at normal pressure, the aforementioned requirement does not allow processing at temperatures above 100 ° C, while from the experiments it follows that the most effective processes for the conversion of hydrocarbons in electric discharge plasma begin at temperatures above 200 ° C. The presence of water in a liquid state makes it difficult to use a distillation column. In [1], difficulties are possible when it is necessary to use gaseous components, since they worsen the conditions for the formation of a shock wave producing crushing of the product.

Возникает необходимость в способе обработки исходного продукта на основе угля, не требующего присутствия воды, при котором неравновесная плазма позволяет организовать протекание объемных плазмо - химических процессов, при этом свободные электроны плазмы могут быть катализаторами протекания химических реакций. There is a need for a method of processing a coal-based starting product that does not require the presence of water, in which a non-equilibrium plasma allows the organization of bulk plasma-chemical processes, and free plasma electrons can be catalysts for chemical reactions.

Техническим результатом, на достижение которого направлены предлагаемые изобретения, является создание способа плазмохимической переработки угля, позволяющего осуществлять удешевление технологического процесса и увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов переработки угля на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки, а также устройства для плазмохимической переработки угля, реализующее указанный способ, позволяющее осуществлять увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов плазмохимической переработки угля на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки. The technical result to which the invention is directed is to create a plasma-chemical processing of coal, which allows to reduce the cost of the process and increase the yield of liquid fractions by separating the products of coal processing into fractions, followed by selection of target fractions, separation of waste and returning the remaining fractions to the initial processing stage , as well as devices for plasma-chemical processing of coal, which implements the specified method, allowing increase the yield of liquid fractions by dividing the products of plasma-chemical processing of coal into fractions, followed by selection of target fractions, separation of waste and returning the remaining fractions to the initial stage of processing.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат достигается тем, что предложен с Способ плазмохимической переработки угля, при котором осуществляют переработку угля, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы в плазмохимическом реакторе, включающем камеру формирования пленочного потока жидкой среды, электрод внутренний, электрод внешний, входной штуцер, электроразрядную камеру, выход потока жидкой компоненты, а также выход потока газообразной компоненты, в качестве жидкой среды используют угольную крошку в водородсодержащем растворителе, в том числе, с содержанием газообразных компонентов, полученное на выходе сырье подают в приемную емкость, после чего его разделяют на фракции, при этом выделяют жидкий продукт, после чего из газообразной фракции удаляют отходы сорбции посредством сорбционной очистки в узле сорбционной очистки, а из жидкой фракции удаляют отходы твердых фракций в узле отделения отходов твердых фракций, затем неизрасходованное сырье после сорбционной очистки и после отделения отходов твердых фракций повторно направляют в камеру подготовки для последующей переработки и смешивания с жидкими и/или газообразными веществами - донорами водорода в соотношении, позволяющем достигать в смеси молярного соотношения водород/углерод более 1, при значениях удельного энерговклада, превышающих 1 кВт на кубический сантиметр, при напряженности приложенного электрического поля более 1 кВ на мм и при температурах перерабатываемого сырья в диапазоне 100 - 400 °С, воздействуют на перерабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 до 20x10^"16 Вх см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью перерабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. The technical result is achieved by the fact that the proposed method of plasma-chemical processing of coal, which carry out the processing of coal, both in continuous and in pulse-periodic mode of maintaining plasma in a plasma-chemical reactor, including a chamber for forming a film flow of a liquid medium, an internal electrode, an external electrode, inlet fitting, electric discharge chamber, fluid component outlet, and the outlet stream of the gaseous component, coal crumb in a hydrogen-containing solvent is used as a liquid medium, including with the content of gaseous components, the raw material obtained at the outlet is fed to a receiving tank, after which it is separated into fractions, and a liquid product is isolated, after which the gaseous fraction removes sorption wastes by means of sorption purification in the sorption purification unit, and solid fractions are removed from the liquid fraction in the solid fraction waste separation unit, then unspent raw materials e after sorption purification and after separation of the solid fraction waste, it is re-sent to the preparation chamber for subsequent processing and mixing with liquid and / or gaseous substances - hydrogen donors in a ratio that allows achieving a hydrogen / carbon molar ratio of more than 1 in a mixture, with specific energy input values, exceeding 1 kW per cubic centimeter, with an applied electric field strength of more than 1 kV per mm and at temperatures of processed raw materials in the range of 100 - 400 ° C, they affect the process raw materials supplied by products of low-temperature electric discharge plasma with an E / N parameter in the range from 1x10 ^"16 to 20x10 ^{" 16} Вх cm ² , where Е is the intensity of the applied electric field created above the surface of the processed raw materials, where N is the total concentration of molecules and atoms in plasma.

Для реализации вышеуказанного способа плазмохимической переработки угля используют устройство для плазмохимической переработки угля. To implement the above method of plasma chemical processing of coal, a device for plasma chemical processing of coal is used.

Технический результат также достигается тем, что предложено устройство для плазмохимической переработки угля, обеспечивающее переработку угля, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы в плазмохимическом реакторе, который содержит камеру формирования пленочного потока жидкой среды, электрод внутренний, электрод внешний, входной штуцер, электроразрядную камеру, выход потока жидкой компоненты, а также выход потока газообразной компоненты, с использованием в качестве жидкой среды угольной крошки в водородсодержащем растворителе, в том числе, с содержанием газообразных компонентов, с обеспечением подачи полученного на выходе сырья в приемную емкость, с последующим разделением на фракции в разделителе фракций, с последующим выделением жидкого продукта, с разделением газообразных отходов посредством выполнения сорбционной очистки в узле сорбционной очистки, а также с выделением на отходов твердых фракций в узле отделения отходов твердых фракций, с выполнением повторной переработки неизрасходованного сырья после сорбционной очистки и после смешивания в камере подготовки с жидкими и/или газообразными веществами - донорами водорода в соотношении, позволяющем достигать в смеси молярного соотношения водород/углерод более 1, при значениях удельного энерговклада, превышающих 1 кВт на кубический сантиметр, при напряженности приложенного электрического поля более 1 кВ на мм и при температурах перабатываемого сырья в диапазоне 100 - 400 °С, с воздействием на перерабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 The technical result is also achieved by the fact that the proposed device for plasma-chemical processing of coal, providing processing of coal, both in continuous and in pulse-periodic mode of maintaining plasma in a plasma-chemical reactor, which contains a chamber for forming a film flow of a liquid medium, an internal electrode, an external electrode, inlet fitting, electric discharge chamber, the output of the flow of the liquid component, as well as the output of the flow of the gaseous component, using coal crumb as a liquid medium in a hydrogen-containing solvent, including with the content of gaseous components, ensuring the supply of the raw material obtained at the outlet to the receiving tank, followed by separation into fractions in the fraction separator, followed by separation of the liquid product, with the separation of gaseous waste by performing sorption purification in the sorption unit purification, as well as separation of solid fractions into waste in the separation unit of solid fractions, with the reprocessing of unspent raw materials after sorption purification and after mixing in the preparation chamber with liquid and / or gaseous substances - hydrogen donors in a ratio that allows to achieve molar in the mixture hydrogen / carbon ratios of more than 1, with values of specific energy input exceeding 1 kW per cubic centimeter, with an applied electric field of more than 1 kV per mm and at rah perabatyvaemogo feedstock in the range of 100 - 400 ° C, with exposure to feedstock of low temperature plasma of electrical discharge to parameter E / N in the range of 1x10 ^"16

16 2 16 2

до 20x10^" Вх см , где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью перерабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. up to 20x10 ^" B cm, where E is the intensity of the applied electric field created above the surface of the processed raw materials, where N is the total concentration of molecules and atoms in the plasma.

Схема плазмохимического реактора, который входит в состав устройства для плазмохимической переработки угля, представлена на Фиг.1, где позиции пронумерованы следующим образом: The scheme of the plasma-chemical reactor, which is part of the device for plasma-chemical processing of coal, is presented in figure 1, where the positions are numbered as follows:

1 - камера формирования пленочного потока жидкости, 1 - camera forming a film of fluid flow,

2 - электрод внешний, 2 - external electrode,

3 - электрод внутренний, 3 - internal electrode,

4 - входной штуцер, 4 - input fitting

5 - электроразрядная камера, 5 - electric discharge chamber,

6 - выход потока жидкой компоненты, 6 - output stream of the liquid component,

7 - выход потока газообразной компоненты 7 - output stream of the gaseous component

Схема предлагаемого устройства для плазмохимической переработки угля, реализованного на основе плазмохимического реактора, представлена на Фиг.2, где позиции пронумерованы следующим образом: A diagram of the proposed device for plasma-chemical processing of coal, implemented on the basis of a plasma-chemical reactor, is presented in Figure 2, where the positions are numbered as follows:

8 - плазмохимический реактор, представленный на Фиг.1 , 8 - plasmachemical reactor shown in Fig.1,

9 - приемная емкость, 9 - receiving capacity

10 - разделитель фракций, 10 - fraction separator,

11 - узел сорбционной очистки, 11 - site sorption treatment

12 - узел отделения отходов твердых фракций, 12 - site separation of waste solid fractions,

13 - камера подготовки. На Фиг.1 представлена схема плазмохимического реактора для плазмохимической переработки угля, который включает камеру формирования пленочного потока жидкости 1, электрод внешний 2, электрод внутренний 3, входной штуцер 4, электроразрядную камеру 5, выход потока жидкой компоненты 6, выход потока газообразной компоненты 7. 13 - training chamber. Figure 1 presents a diagram of a plasma chemical reactor for plasma chemical processing of coal, which includes a chamber for forming a film liquid stream 1, an external electrode 2, an internal electrode 3, an inlet fitting 4, an electric discharge chamber 5, an output of a stream of a liquid component 6, an output of a stream of a gaseous component 7.

На Фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства для плазмохимической переработки угля, которое включает плазмохимический реактор 8, схематично представлен на Фиг.1, приемную емкость 9, разделитель фракций 10, узел сорбционной очистки 11, узел отделения отходов твердых фракций 12, камеру подготовки 13. Figure 2 presents a diagram of the proposed device for plasma-chemical processing of coal, which includes a plasma-chemical reactor 8, is schematically shown in Figure 1, the receiving tank 9, the fraction separator 10, the sorption treatment unit 11, the separation unit of solid fractions 12, the preparation chamber 13.

В предложенном устройстве разделение фракций возможно, например, с использованием ректификационной колонны, предназначенный для обеспечения разделения получаемых продуктов реакции по фракциям, с поддержанием температуры и давления на уровне, обеспечивающем нахождение в газообразном состоянии целевых фракций, с возвращением не подвергшегося реакции сырья на повторную переработку после сортировки на узле разделения фракций, в частности, на ректификационной колонне, а также с возвращением на повторную переработку прошедших разделение на ректификационной колонне целевых фракций, которые не использованы в качестве выходной продукции, для обеспечения воздействия на обрабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 до 20x10^"16 В х см², где Е напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме, предусмотрено выполнение отделения газовой фракции, сорбционной очистки газа, в том числе, например, от H₂S. In the proposed device, the separation of fractions is possible, for example, using a distillation column, designed to ensure the separation of the obtained reaction products into fractions, maintaining the temperature and pressure at a level that ensures that the target fractions are in a gaseous state, with the return of the unreacted feedstock for recycling after sorting at the fraction separation unit, in particular, at a distillation column, as well as with the return to the recycling of the past separation to the distillation column of the desired fractions, which are not used as outputs to provide exposure to the treated feedstock temperature plasma of electrical discharge to parameter E / N in the range of 1x10 ^"16 to ^{20x10" 16} x cm ^2, where E is the intensity of the applied of the electric field created above the surface of the processed raw materials, where N is the total concentration of molecules and atoms in the plasma, it is envisaged to perform separation of the gas fraction, sorption purification of gas, including, for example, t H ₂ S.

При работе в непрерывном режиме достигают более легкое поддержание однородной жидкой пленки на электроде, так как возникающие в импульсно - периодическом режиме звуковые и даже ударные волны способствуют ухудшению однородности жидкой пленки. В то же время, работа в импульсно - периодическом режиме позволяет легче поддерживать устойчивое создание однородной плазмы в электроразрядном промежутке. When operating in continuous mode, it is easier to maintain a uniform liquid film on the electrode, since sound and even shock waves arising in a pulse-periodic mode contribute to a deterioration in the uniformity of the liquid film. At the same time, operation in a pulsed-periodic mode makes it easier to maintain a stable creation of a uniform plasma in the electric-discharge gap.

Поток перерабатываемого сырья подают тангенциально в камеру формирования пленочного потока жидкости 1. После формирователя пленочного потока жидкости перерабатываемая среда движется по спирали, равномерно покрывая внутреннюю поверхность внешнего цилиндра - внешнего электрода 2. Устройство включает также внутренний электрод - 3. Перерабатываемое сырье подают через входной штуцер 4. Между внешним 2 и внутренним 3 электродами зажигается плазма в электроразрядной камере 5. Плазма однородно заполняет коаксиальный промежуток между электродами. Высокая плотность радикалов приводит к интенсивному протеканию неравновесных реакций. В случае, если на разорванные связи будут в основном присоединяться атомы водорода или другие легкие радикалы, в продуктах реакции возникнут более легкие, по сравнению с исходными, углеводороды. The stream of processed raw materials is fed tangentially into the chamber for forming the film flow of liquid 1. After the shaper film the fluid flow, the processed medium moves in a spiral, uniformly covering the inner surface of the outer cylinder - the outer electrode 2. The device also includes an inner electrode - 3. The processed feed is fed through the inlet 4. Between the outer 2 and inner 3 electrodes the plasma is ignited in the electric discharge chamber 5. Plasma uniformly fills the coaxial gap between the electrodes. A high density of radicals leads to an intense course of nonequilibrium reactions. In the event that hydrogen atoms or other light radicals will mainly be attached to the broken bonds, lighter hydrocarbons will appear in the reaction products compared to the initial ones.

После плазмохимической переработки сырье в виде жидкой компоненты на выходе 6 и вновь образовавшейся газообразной компоненты на выходе 7 с плазмохимического реактора 8 поступает в приемную емкость 9, откуда раздельно отбираются твердая, жидкая и газообразная компоненты разделителем фракций 10, где отделяются твердые отходы, а остальные возвращаются на повторную переработку в камеру подготовки 13. Газообразная компонента после узла сорбционной очистки 1 1 тоже поступает в камеру подготовки 13. Твердые отходы поступают после узла отделения отходов твердых фракций 12 в камеру подготовки 13. Воздействие на перерабатываемое сырье осуществляют продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 до 20x10^"16 Вх см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью обрабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме After plasma-chemical processing, raw materials in the form of a liquid component at exit 6 and a newly formed gaseous component at exit 7 from the plasma-chemical reactor 8 enter a receiving tank 9, from which solid, liquid, and gaseous components are separated separately by fraction separator 10, where solid waste is separated, and the rest are returned for re-processing into the preparation chamber 13. The gaseous component after the sorption treatment unit 1 1 also enters the preparation chamber 13. Solid waste arrives after the separation unit about solids 12 moves in the preparation chamber 13. Exposure of the feedstock is carried out electric discharge product temperature plasma with a value of the parameter E / N in the range of 1x10 ^"16 to ^20x10" Bx ¹⁶ cm ^2, where E - intensity of the applied electric field generated above the surface processed raw materials, where N is the total concentration of molecules and atoms in the plasma

Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществлено воздействие на перерабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда, а благодаря узлу сорбционной очистки газов возможно, например, осуществить обессеривание продукта, получаемого из угля, например, из каменного угля. Thus, in the device according to the invention, the processed raw materials are exposed to low-temperature plasma products of electric discharge, and, thanks to the sorption gas cleaning unit, it is possible, for example, to carry out the desulphurization of a product obtained from coal, for example, coal.

Не подвергшееся реакции сырье снова возвращается на переработку после отделения твердых отходов, содержание которых во многом определяется наличием окислов и карбидов металлов, которые в противном случае вошли бы в состав золы после сжигания продукта. На вторичную переработку возвращаются и углеводороды, прошедшие сорбционную очистку. Предложенное устройство для плазмохимической переработки угля осуществляет использование низкотемпературной электроразрядной плазмы, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы - при котором плазма более однородная, и позволяет проводить расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья. Unreacted raw materials are returned to processing again after separation of solid waste, the content of which is largely determined by the presence of metal oxides and carbides, which otherwise would have been included in the ash after burning the product. Hydrocarbons that have undergone sorption treatment are also returned to recycling. The proposed device for plasma-chemical processing of coal uses low-temperature electric discharge plasma, both in continuous and in pulsed-periodic mode of plasma maintenance - in which the plasma is more uniform, and allows the splitting of long organic molecules with the possibility of changing the processing modes of raw materials.

Устройство для плазмохимической переработки угля позволяет осуществлять изменения режимов обработки сырья - непрерывный или импульсный, позволяет использовать узел разделения углеводородных фракций, позволяет проводить сорбционную очистку газообразной компоненты, например, от серы, находящейся в виде сероводорода. Устройство позволяет уменьшать зольность продуктов переработки угля. A device for plasma-chemical processing of coal allows you to make changes to the processing modes of raw materials - continuous or pulsed, allows you to use the unit for the separation of hydrocarbon fractions, allows sorption purification of the gaseous component, for example, of sulfur, which is in the form of hydrogen sulfide. The device allows to reduce the ash content of coal processing products.

Пример Example

Устройство для плазмохимической переработки угля включает плазмохимический реактор с камерой формирования пленочного потока нагретого мазута с взвешенными в нем частицами угля с частицами размером менее 0,5 мм, электрод внешний, электрод внутренний, входной штуцер, электроразрядную камеру, выход потока жидкой компоненты, выход потока газообразной компоненты, кроме того, устройство включает приемную емкость, разделитель фракций, узел сорбционной очистки, узел отделения отходов твердых фракций, камеру подготовки. Осуществляли переработку исходного сырья, представлявшего собой частицы угля, взвешенные в мазуте. A device for plasma chemical processing of coal includes a plasma chemical reactor with a chamber for forming a film stream of heated fuel oil with coal particles suspended in it with particles smaller than 0.5 mm, an external electrode, an internal electrode, an inlet fitting, an electric discharge chamber, a liquid component flow outlet, a gaseous stream outlet components, in addition, the device includes a receiving tank, a fraction separator, a sorption treatment unit, a solid fraction waste separation unit, a preparation chamber. Carried out the processing of feedstock, which was a particle of coal suspended in fuel oil.

В процессе переработки на сырье воздействовали продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 до 20x10^"16 Вхсм², где Е - напряженность приложенного электрического поля, которое создали над поверхностью обрабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. During processing, the raw materials were exposed to the products of low-temperature electric discharge plasma with an E / N parameter in the range from 1x10 ^"16 to 20x10 ^{" 16} Vhcm ² , where E is the applied electric field strength that was created above the surface of the processed raw materials, where N is the total concentration molecules and atoms in plasma.

В примере использовали устройство для плазмохимической переработки угля с расходом жидкой компоненты 0,2-0,5 кубических метров в час. В качестве жидкой компоненты использовали нагретый до 250°С мазут с взвешенными в нем частицами угля размером менее 0,5 мм, борботированный легкими углеводородами. Толщина жидкой пленки, протекающей по электроду, составила 1 - 2 мм, при толщине газового зазора 0, 2 - 0, 5 мм. Использовали как непрерывный, так и в импульсно - периодический режим поддержания плазмы, при частоте следования импульсов 30 кГц, при длительности отдельного импульса порядка 15 мкс. In the example, we used a device for plasma-chemical processing of coal with a flow rate of a liquid component of 0.2-0.5 cubic meters per hour. Fuel oil heated to 250 ° С was used as a liquid component with coal particles suspended in it less than 0.5 mm in size, borothed with light hydrocarbons. The thickness of the liquid film flowing through the electrode was 1–2 mm, with a gas gap thickness of 0, 2–0.5 mm. Used both continuous and in pulse - periodic regime of plasma maintenance, with a pulse repetition rate of 30 kHz, with a single pulse duration of the order of 15 μs.

При горении в непрерывном режиме напряжение горения составляло около 1500 вольт при среднем токе 5-6 ампер, в то время как при горении в импульсно - периодическом режиме напряжение в импульсе на электродах составляло 2 000 вольт при среднем токе около 1,5 ампера. Напряжение горения электрического разряда слабо зависело от полярности электродов. When burning in continuous mode, the burning voltage was about 1500 volts with an average current of 5-6 amperes, while when burning in pulse-periodic mode, the voltage in the pulse on the electrodes was 2000 volts with an average current of about 1.5 amperes. The burning voltage of an electric discharge depended weakly on the polarity of the electrodes.

Предложенное устройство плазмохимической переработки угля осуществляет использование низкотемпературной электроразрядной плазмы, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы - при котором плазма более однородная, и позволяет проводить расщепление длинных органических молекул с возможностью изменения режимов обработки сырья. The proposed plasma-chemical coal processing device uses low-temperature electric-discharge plasma, both in continuous and in pulse-periodic mode of plasma maintenance - in which the plasma is more uniform, and allows splitting of long organic molecules with the possibility of changing the processing modes of raw materials.

Для преимущественного перевода исходного сырья в жидкое синтетическое топливо необходимо достигать его предварительного нагрева, например, до 200-300 °С, газообразную и твердую фракции продуктов переработки после отделения отходов возвращать на повторную переработку. For the predominant conversion of the feedstock into liquid synthetic fuel, it is necessary to preheat it, for example, to 200-300 ° C, return the gaseous and solid fractions of the processed products after separation of the waste to recycling.

Использование для переработки органического сырья низкотемпературной плазмы, создаваемой приложенным внешним электрическим полем, не только осуществляет более дешевый альтернативный подход к решению проблемы переработки угля, в частности, сжижения угля, но и позволяет целенаправленно влиять на состав получаемой синтетической нефти. Так, например, возврат очищенной сорбцией газообразной компоненты и очищенной от шлаков твердой непрореагировавшей компоненты обратно в зону плазмы может существенно повысить выход жидких целевых продуктов в общем балансе веществ. The use of low-temperature plasma generated by an applied external electric field for processing organic raw materials not only provides a cheaper alternative approach to solving the problem of coal processing, in particular, coal liquefaction, but also makes it possible to purposefully influence the composition of the obtained synthetic oil. So, for example, the return of the gaseous component purified by sorption and the solid unreacted component purified from slag back into the plasma zone can significantly increase the yield of liquid target products in the general balance of substances.

При необходимости, вводят в перерабатываемое сырье катализаторы, в том числе, соли и окислы тяжелых металлов, например такие, как соли железа, молибдена, кобальта и других химических элементов с незаполненной внутренней электронной оболочкой или же элементов, проявляющих несколько значений валентности в соединениях. If necessary, catalysts are introduced into the processed raw materials, including salts and oxides of heavy metals, for example, salts of iron, molybdenum, cobalt and other chemical elements with an empty internal electron shell or elements exhibiting several valency values in the compounds.

Предложен способ плазмохимической переработки угля, позволяющий осуществлять удешевление технологического процесса и увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов переработки угля на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки. A method for plasma-chemical processing of coal is proposed, which allows to reduce the cost of the process and increase the yield of liquid fractions by separating the products of coal processing into fractions with subsequent selection of target fractions, waste separation and return of the remaining fractions to the initial stage of processing.

Предложено устройство для плазмохимической переработки угля, реализующее указанный способ, позволяющее осуществлять увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов плазмохимической переработки угля, на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки. A device for plasma-chemical processing of coal is proposed that implements the indicated method, which allows increasing the yield of liquid fractions by separating the products of plasma-chemical processing of coal into fractions, followed by selection of target fractions, waste separation, and returning the remaining fractions to the initial processing stage.

Способ плазмохимической переработки угля позволяет повысить качество исходного продукта, а также энергетическую эффективность его переработки, предложенное устройство для плазмохимической переработки угля позволяет реализовать указанный способ. The method of plasma-chemical processing of coal can improve the quality of the starting product, as well as the energy efficiency of its processing, the proposed device for plasma-chemical processing of coal allows you to implement this method.

Технический результат достигнут созданием способа плазмохимической переработки угля, позволяющего осуществлять удешевление технологического процесса и увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов переработки угля на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки, а также созданием устройства для плазмохимической переработки угля, реализующее указанный способ, позволяющее осуществлять увеличение выхода жидких фракций посредством разделения продуктов плазмохимической переработки угля на фракции с последующим отбором целевых фракций, отделением отходов и возвратом остальных фракций в исходную стадию переработки. The technical result is achieved by the creation of a plasma-chemical processing of coal, which allows to reduce the cost of the process and increase the yield of liquid fractions by separating the products of coal processing into fractions, followed by selection of target fractions, separation of waste and returning the remaining fractions to the initial processing stage, as well as by creating a device for plasma-chemical processing coal, implementing the specified method, allowing to increase the yield of liquid fractions by separation of products of plasma-chemical processing of coal into fractions, followed by selection of target fractions, separation of waste and return of the remaining fractions to the initial stage of processing.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ INDUSTRIAL APPLICABILITY

Изобретения относятся к угольной промышленности, а именно к способам и устройствам для переработки угля. The invention relates to the coal industry, and in particular to methods and devices for processing coal.

Предложенные способ и устройство, предназначенные для плазмохимической переработки угля выводят процесс переработки угля за рамки используемых в настоящее время равновесных, тепловых способов обработки, позволяют удешевить технологию переработки и повысить энергетическую эффективность способов сжижения и/или газификации угля. Использование в предлагаемых изобретениях низкотемпературной плазмы, создаваемой приложенным внешним электрическим полем, осуществляет дешевый альтернативный подход к решению проблемы сжижения и/или газификации угля. The proposed method and device for plasma-chemical processing of coal take the process of coal processing beyond the currently used equilibrium, thermal processing methods, reduce the cost of processing technology and increase the energy efficiency of methods for liquefying and / or gasifying coal. The use of the proposed invention low-temperature plasma generated by the applied external electric field, provides a cheap alternative approach to solving the problem of liquefaction and / or gasification of coal.

Наличие свободных низкоэнергетических, с энергией в несколько эВ электронов в низкотемпературной плазме является источником эффективных каналов преобразования вложенной в электроразрядную плазму электрической энергии в энергию разрыва химических связей. The presence of free low-energy electrons with an energy of several eV in a low-temperature plasma is a source of effective channels for converting the electrical energy deposited in an electric-discharge plasma into the energy of breaking chemical bonds.

Изобретения реализованы практически и могут найти активное применение в промышленности и в научных исследованиях. The inventions are implemented in practice and can find active application in industry and in scientific research.

Изобретения могут также активно использоваться для разработки и внедрения новых технологий в угольной промышленности. The inventions can also be actively used to develop and introduce new technologies in the coal industry.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ INFORMATION SOURCES

1. Патент RU 2391381, публ. 10.06.2010. 1. Patent RU 2391381, publ. 06/10/2010.

Claims

СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИУГЛЯ ФОРМУЛА METHOD FOR PLASMA-CHEMICAL COAL PROCESSING AND DEVICE FOR PLASMA-CHEMICAL COAL PROCESSING FORMULA

1. Способ плазмохимической переработки угля, при котором осуществляют переработку угля, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы в плазмохимическом реакторе, включающем камеру формирования пленочного потока жидкой среды, электрод внутренний, электрод внешний, входной штуцер, электроразрядную камеру, выход потока жидкой компоненты, а также выход потока газообразной компоненты, в качестве жидкой среды используют угольную крошку в водородсодержащем растворителе, в том числе, с содержанием газообразных компонентов, полученное на выходе сырье подают в приемную емкость, после чего его разделяют на фракции, при этом выделяют жидкий продукт, после чего из газообразной фракции удаляют отходы сорбции посредством сорбционной очистки в узле сорбционной очистки, а из жидкой фракции удаляют отходы твердых фракций в узле отделения отходов твердых фракций, затем неизрасходованное сырье после сорбционной очистки и после отделения отходов твердых фракций повторно направляют в камеру подготовки для последующей переработки и смешивания с жидкими и/или газообразными веществами - донорами водорода в соотношении, позволяющем достигать в смеси молярного соотношения водород/углерод более 1, при значениях удельного энерговклада, превышающих 1 кВт на кубический сантиметр, при напряженности приложенного электрического поля более 1 кВ на мм и при температурах перерабатываемого сырья в диапазоне 100 - 400 °С, воздействуют на перерабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1x10^"16 до 20х10^"16 Вх см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью перерабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. 1. A method of plasma-chemical processing of coal, in which coal processing is carried out both in continuous and in a pulsed-periodic mode of maintaining plasma in a plasma-chemical reactor, including a chamber for forming a film flow of a liquid medium, an internal electrode, an external electrode, an inlet fitting, an electric discharge chamber, the output of the flow of the liquid component, as well as the output of the flow of the gaseous component, as a liquid medium, coal chips are used in a hydrogen-containing solvent, including those containing gaseous of the components, the raw material obtained at the outlet is fed into a receiving tank, after which it is separated into fractions, a liquid product is isolated, after which sorption wastes are removed from the gaseous fraction by means of sorption purification in the sorption purification unit, and solid fractions are removed from the liquid fraction separation of solid fractions, then unspent raw materials after sorption purification and after separation of solid fractions, are re-sent to the preparation chamber for subsequent processing and mixing with liquid / or gaseous substances - hydrogen donors in a ratio that allows to achieve a hydrogen / carbon molar ratio in the mixture of more than 1, with specific energy input exceeding 1 kW per cubic centimeter, with an applied electric field of more than 1 kV per mm and at temperatures of the processed raw materials in in the range of 100 - 400 ° C, they affect the processed raw materials by products of low-temperature electric discharge plasma with an E / N parameter in the range from 1x10 ^"16 to 20x10 ^{" 16} V cm ² , where E is the voltage applied electric field created above the surface of the processed raw materials, where N is the total concentration of molecules and atoms in the plasma.

2. Устройство для плазмохимической переработки угля, обеспечивающее переработку угля, как в непрерывном, так и в импульсно - периодическом режиме поддержания плазмы в плазмохимическом реакторе, который содержит камеру формирования пленочного потока жидкой среды, электрод внутренний, электрод внешний, входной штуцер, электроразрядную камеру, выход потока жидкой компоненты, а также выход потока газообразной компоненты, с использованием в качестве жидкой среды угольной крошки в водородсодержащем растворителе, в том числе, с содержанием газообразных компонентов, с обеспечением подачи полученного на выходе сырья в приемную емкость, с последующим разделением на фракции в разделителе фракций, с последующим выделением жидкого продукта, с разделением газообразных отходов посредством выполнения сорбционной очистки в узле сорбционной очистки, а также с выделением на отходов твердых фракций в узле отделения отходов твердых фракций, с выполнением повторной переработки неизрасходованного сырья после сорбционной очистки и после смешивания в камере подготовки с жидкими и/или газообразными веществами - донорами водорода в соотношении, позволяющем достигать в смеси молярного соотношения водород/углерод более 1, при значениях удельного энерговклада, превышающих 1 кВт на кубический сантиметр, при напряженности приложенного электрического поля более 1 кВ на мм и при температурах перабатываемого сырья в диапазоне 100 - 400 °С, с воздействием на перерабатываемое сырье продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра E/N в диапазоне от 1х10^'16 до 20x10^"16 В х см², где Е - напряженность приложенного электрического поля, создаваемого над поверхностью перерабатываемого сырья, где N - полная концентрация молекул и атомов в плазме. 2. A device for plasma-chemical processing of coal, providing processing of coal, both in continuous and in pulsed-periodic mode of maintaining plasma in a plasma-chemical reactor, which contains a chamber for forming a film flow of a liquid medium, an internal electrode, an external electrode, an inlet fitting, an electric discharge chamber, the output of the flow of the liquid component, as well as the output of the flow of the gaseous component, using coal chips in a hydrogen-containing solvent as a liquid medium, including with the content of ha shaped components, ensuring the supply of the raw material obtained at the outlet to the receiving tank, followed by separation into fractions in the fraction separator, followed by separation of the liquid product, with the separation of gaseous waste by performing sorption purification in the sorption purification unit, as well as with separation of solid fractions into waste in the separation unit of solid fractions waste, with the reprocessing of unspent raw materials after sorption purification and after mixing in the preparation chamber with liquid and / or gas typical substances - hydrogen donors in a ratio that allows achieving a hydrogen / carbon molar ratio of more than 1 in a mixture, with specific energy input exceeding 1 kW per cubic centimeter, with an applied electric field of more than 1 kV per mm and at temperatures of processed raw materials in the range of 100 - 400 ° C, with exposure to feedstock of low temperature plasma of electrical discharge to parameter E / N in a range from 1x10 to ^'16 20x10 ^"16 x ² cm, where E - voltage application of the electric field generated above the surface of the feedstock, wherein N - total concentration of molecules and atoms in the plasma.