Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы использования твердого топлива на тепловых электростанциях 14
1.1. Тенденции развития ресурсной базы энергетики 14
1.2. Проблемы энергетического использования твердых топ лив 18
1.3. Перспективы создания безотходных и экологически чистых тепловых электростанций 20
1.4. Способы газификации твердого топлива 22
1.5. Обзор научных исследований по газификации углей в барбо тируемом шлаковом расплайе 30
1.6. Краткие выводы и постановка задачи исследований 36
2. Балансовая модель газификации антрацитового штыба в расплаве шлака 3 9
2.1. Обоснование и характеристика технологической схемы интенсивной газификации угля в аэрошлаковом расплаве 39
2.2. Физико-химическая и математическая модель процесса, протекающего в газовой фазе барботируемого расплава 41
2.2.1. Стехиометрическая газификация углерода 43
2.2.2. Газификация с выносом непрореагировавшего углерода 48
2.2.3. Газификация в промежуточном режиме 51
2.2.4. Режим горения
2.3. Расчетно-аналитическое исследование состава продуктов газификации в расплаве и основных энергетических характеристик процесса (тепловыделения в расплаве, энтальпия и теплота сгорания продуктов газификации, КПД газификации) 56
2.4. Зависимость основных характеристик процесса газификации диспергированного углерода в барботируемом расплаве от состава дутья и коэффициентов подачи окислителей в расплав 66
2.5. Краткие выводы 66
3. Одно- и многоступенчатый процессы газификации угля с добавками известняка в экологически чистой и безотходной энерготехнологической установке 71
3.1. Модель процесса газификации угля с одноступенчатой подачей дутья в расплав 71
3.2. Двухступенчатый процесс газификации угля (с подачей дутья в расплав и на поверхность расплава) 76
3.3. Анализ влияния различных факторов на эффективность процесса газификации угля в расплаве (качество угля, количество и качество известняка, состав дутья и т.п.) 84
3.4. Зависимость основных характеристик процесса газификации угля в барботируемом расплаве от состава дутья и коэффициентов подачи окислителей через верхние фурмы 99
3.5. Проверка адекватности результатов расчета по балансовой математической модели экспериментальным данным 105
3.6. Краткие выводы 105
4. Исследование кинетики процессов реагирования углерода в газообразной среде барботируемого расплава шлака 109
4.1. Физико-химическая модель реагирования в газообразной среде 109
4.2. Математическая модель процесса газификации угля в расплаве шлака
4.3. Описание алгоритма и программы исследования математической модели 115
4.4. Влияние различных факторов на скорость реагирования и изменение состава газовой смеси по высоте барботируемого слоя 117
4.5. Краткие выводы 132
5. Технические предложения по опытно-промышленной установке и рекомендации по ведению процесса газификации угля в аэрошлаковом расплаве 13 3
5.1. Преимущества новой нетрадиционной технологии высокоскоростной газификации угля в расплаве шлака 133
5.2. Краткое описание тепловой схемы и опытно-промышленной установки с технологией газификации (сжигания) угля в аэрошлаковом расплаве 134
5.3. Технические предложения и рекомендации по промышленным установкам для газификации угля в расплаве шлака 145
5.4. Выбор рациональных режимов тепловой работы установки с бар-ботируемым шлаковым расплавом 150
5.5. Краткие выводы 152
Заключение 154
Список использованных
- Перспективы создания безотходных и экологически чистых тепловых электростанций
- Газификация с выносом непрореагировавшего углерода
- Двухступенчатый процесс газификации угля (с подачей дутья в расплав и на поверхность расплава)
- Математическая модель процесса газификации угля в расплаве шлака
Введение к работе
з
Актуальность работы. В последнее время развитие промышленности и сельского хозяйства приводит к постепенному ухудшению экологической обстановки. Сжигание топлива ухудшенного качества на тепловых электростанциях, работающих по традиционным технологиям, увеличивает негативное воздействие энергопредприятий на окружающую среду. В связи с этим основной проблемой использования энергетических углей на пороге XXI века становится освоение новых нетрадиционных экологически чистых и безотходных технологии производства электрической и тепловой энергии.
Предлагаемая новая технология газификации угля в аэрошлаковом расплаве является безотходной и экологически чистой. В то же время она пока еще мало изучена, математические модели для нее достаточно не разработаны, не определены кинетические характеристики процессов, не изучены особенности гидродинамики и теплообмена в ванне шлакового расплава. Решению проблемы создания таких моделей и соответствующих расчетных методов посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является создание технологических основ газификации угля в барботируемом расплаве шлака и определение оптимальных параметров ведения процесса для экологически чистой и безотходной ТЭС.
Конкретные задачи исследований, решаемые в работе:
разработать балансовую модель процесса газификации топлива, на основе которой дать методику инженерных расчетов опытно-промышленных установок (ОІІУ) для газификации угля (на примере Донецкого АІІІ) в расплаве шлака;
исследовать кинетические особенности процесса газификации углерода в барботируемом расплаве шлака на основе дифференциальной модели процесса;
выявить влияние режимных и других факторов (влияние количественного и качественного соотношения подаваемых компонентов: топлива, известняка, кислорода, пара и воздуха) на технологический процесс газификации низкосортных топлив в аэрешдзковои расплаве;
- разработать технические предложения и рекомендации по организации режимов газификации угля на ОПУ для экологически чистой ТЭС. Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые разработана трехстадийная балансовая модель процесса газификации угля в барботируемом расплаве шлака;
разработана и исследована новая кинетическая модель процесса газификации угля в расплаве, которая обосновывает возможность использования балансовых моделей для инженерных расчетов технологической установки газификации угля в расплаве, определены условия равновесия газофазной среды на выходе из расплава;
впервые в качестве режимных характеристик моделей газификации в шла-: ковом расплаве введены соотношения коэффициентов подачи кислорода и водяного пара, что позволяет существенно расширить возможности аналитического
. исследования режимов газификации различных видов твердого топлива.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанная методика расчета позволяет определять основные технологические показатели процесса газификации угля для проектируемых и эксплуатируемых установок газификации и сжигания топлива в аэрошлаковом расплаве, может быть использована также при расчете принципиальных тепловых схем ТЭС с внутри-цикловой газификацией угля.
Расчетные технологические показатели процесса газификации угля, получен
ные в работе, использованы ОАО «НИИ экологических проблем энергетики» (г.
Ростов-на-Доку) при проектировании и создании котельного агрегата и установ
ки для газификации и сжигания угля в аэрошлаковом расплаве на Несветай-
. ГРЭС.
Достоверность и обоснованность результатов раьоты ОазТфуетсзгнз-нспояь— зовании фундаментальных положений теории газификации и горения твердых топлив, согласовании полученных расчетных результатов с имеющимися результатами независимых опытно-промышленных испытаний на Новолипецком металлургическом комбинате и Рязанском опытно-экспериментальном машино-
строительном заводе, а также на согласовании полученных диссертантом результатов с опубликованными расчетными и экспериментальными данными других работ.
Личный вклад автора состоит в:
разработке основных разделов балансовой и кинетической математических моделей газификации угля;
разработке комплекса программ, реализующих данные модели на ЭВМ, для расчетно-анхтитического исследования процесса газификации;
анализе и оценке результатов собственник теоретических исследований и независимых промышленных испытаний, на основании которых сделаны выводы и рекомендации для практического использования на ТЭС;
построении номограмм для выбора областей рациональных режимов работы агрегата с барботируемым шлаковым расплавом.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались на региональной научно-технической конференции "Экологически чистая энергетика" (г. Новочеркасск, 1994 г.), всероссийской научно-технической конференции "Подготовка кадров и экологические проблемы энергетики" (г. Екатеринбург, 1997 г.), юбилейной научно-технической конференции студентов и аспирантов НГТУ (г. Новочеркасск, 1997 г.), на 2-ом Международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (г. Казань, 1998 г.), научно-технической конференции преподавателей кафедр ТЭС и ТОТ (г. Новочеркасск, 1998 г.), научно-техническом совете НИИЭПЭ (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.) и заседаниях кафедры ТЭС НГТУ (г. Новочеркасск, 1998-1999 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы имеется 5 публикаций, перечень которых приведен в общем списке использованных источников.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, список использованных источников, состоящий из 97 наименований, приложения с текстами программ, реализованных па ЭВМ и актом внедрения, содержит 196 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 6 таблиц.
Перспективы создания безотходных и экологически чистых тепловых электростанций
Энергетическое использование твердых горючих ископаемых связано с целым комплексом проблем, на первом плане из которых на современном этапе стоят задачи значительного сокращения газообразных выбросов в окружающую среду и ликвидации золошлаковых отходов за счет их использования в качестве вторичного сырья. Эти проблемы еще более обостряются по мере ухудшения качества углей. Необходимо учесть, что ухудшение качества угля неблагоприятно сказывается на работе энергетических установок вследствие ухудшения работы топливоподающего и пылеприготовительного оборудования, потери устойчивости процессов горения, шлакования или заноса поверхностей нагрева, повышения его износа, ухудшения и прекращения выхода жидкого шлака.
Изменение качества твердого топлива, подаваемого в топки котлоагрегатов, может привести к нарушению топочного режима и разрушению футеровки, заносу теплообменников, расположенных в горизонтальном газоходе, и забиванию регенеративных воздухоподогревателей. Все это в значительной степени влияет на размеры топочных камер и газоходов, увеличивает металлоемкость и объем строительно-монтажных работ при создании ТЭС.
Таким образом, вышеизложенный краткий анализ показывает, что основные факторы, вызывающие рост хозяйственных потерь, связанных с ухудшением качества сжигаемых углей, обусловлены несовершенством традиционных технологий сжигания углей, в которых наличие балласта - минеральной части -вызывает ухудшение процессов воспламенения и выгорания топлива, рост затрат на его хранение и транспортировку, шлакование, эрозионный износ, нарушение воздушного режима в котельных агрегатах и т.д.
Непосредственное сжигание натурального твердого топлива приводит к повышенному загрязнению окружающей среды вредными пылегазовыми выбро 19 сами, такими как зола, сернистые соединения, оксиды азота и т.д., особенно если речь идет о низкосортных углях.
Необходимо отметить также, что большинство применяемых в мировой практике традиционных технологий сжигания твердого топлива с точки зрения ресурсосбережения и экологичности обладает следующими существенными недостатками: - потребность предварительного обогащения углей с выделением дополнительных инвестиций в угледобывающую отрасль; - необходимость установки громоздких и дорогостоящих систем топливо-пылеприготовления, пылеподачи и газопылеочистки; - обязательность устройства мест захоронения твердых, илистых и жидких выбросов, т.е., организация системы золошлакоудаления и строительство зо-лошлакоотвалов. Решению указанных проблем уделяется большое внимание во всем мире. Очевидно, что в последние время развитие теплоэнергетики все в большей степени зависит от решения проблем экологического характера.
Возможными путями решения поставленной задачи могут быть: разработка эффективных методов нейтрализации образующихся в производственном процессе вредных твердых, жидких и газообразных выбросов; перевод энергоагрегатов с твердого на экологически чистое газообразное топливо, использование более рациональных традиционных методов сжигания твердого топлива (ступенчатое сжигание, топки с псевдоожиженным слоем и т.д.), а также применение устройств по очистке выбросов.
Другим аспектом экологических проблем энергетики является постепенный рост золошлаковых отходов и связанные с этим затраты на транспортировку, строительство и содержание золоотвалов, которые являются сложными гидротехническими сооружениями с повышенной аварийной опасностью [23]. На тепловых электростанциях Российской Федерации, работающих на угле, образуется около 40 млн.т. золошлаков в год. Уже в настоящее время золоотва-лами занято 20000 Га. [24].
Золоотвалы в период активной эксплуатации являются источником высокодисперсной пыли, загрязняющей значительные площади плодородных земель и водных источников. Таким образом, с одной стороны, золоотвалы являются природоохранными объектами, а с другой - потенциальными источниками загрязнения окружающей среды.
Охрана окружающей среды будет оставаться важнейшей задачей научно-технического прогресса в энергетике. Поэтому основной проблемой использования энергетических углей становится разработка и освоение новых нетрадиционных экологически чистых и безотходных технологий производства электрической и тепловой энергии.
В связи с этим очевидно, что необходима перестройка традиционных технологических процессов переработки твердых топлив на принципиально новых подходах с целью создания и внедрения производств с высокими технико-экономическими показателями, малым количеством отходов и низким уровнем антропогенного загрязнения окружающей среды [8,25].
Учитывая чрезвычайную важность проблем как эксплуатационного, так и экологического характера, перед энергетиками остро встает вопрос о создании безотходных и экологически чистых технологий, т.е. технологий, повышающих комплексность использования сырьевых и энергетических ресурсов.
Традиционные технологии сжигания твердого топлива создавались в расчете на получение главного целевого продукта - электрической и тепловой энергии. Для этого использовалась химическая энергия углерода и других горючих составляющих твердого топлива (водорода и серы), в то время как минеральная часть рассматривалась как балласт и не использовалась в технологическом процессе. Однако в этом балласте может содержаться значительное количество ценных металлов: алюминия, кремния, марганца, хрома, цинка, меди, кальция, железа и др. Кроме того, в углях обнаружено присутствие более 50 редких элементов и цветных металлов, входящих в состав как органической, так и минеральной частей [26-30]. Наиболее часто встречающиеся в золе углей 22 элемента можно разбить на три группы [31]. В первую группу входят 6 химических элементов, которые целесообразно извлекать при существующем уровне техники: Ge, Ga, Al, Si, Mg, Tm. Во вторую группу включены Fe, V, Mo, Ті, Be, As, возможность извлечения которых в промышленных масштабах требует дополнительных научных исследований. В третью группу включены химические элементы Ni, Mn, Си, Cr, Zn и др., промышленное извлечение которых из золы нецелесообразно.
Проведенные исследования [28,29,32-35] показывают, что летучая зола и шлаки являются ценным минеральным сырьем, которое может использоваться во многих отраслях народного хозяйства: при производстве строительных материалов, в дорожном строительстве путем замены традиционного минерального сырья шлакощебнем, при производстве шлакоситалловой плитки и т.д..
В Германии и США в строительстве используется 20-ь30% ежегодного количества золошлаковых отходов, во Франции и Англии - до 80%, а в России -менее 4% [24]. Это связано с тем, что количество несгоревшего углерода в этих золах может достигать 30% и более.
Также одной из причин, сдерживающей использование золошлаковых отходов в строительной промышленности, является нестабильность их химического и фазового состава [36].
Газификация с выносом непрореагировавшего углерода
Установившийся режим работы камеры (рис.2.2) характеризуется определенной интенсивностью барботажа в надфурменном объеме шлаковой ванны, которая зависит от расхода и температуры подаваемого кислородсодержащего дутья. Этому режиму соответствует характерное значение глубины барботируемого слоя, а также установившийся режим непрерывной загрузки топлива постоянного состава.
Любое изменение режимных параметров (расхода или температуры воздуха, степени его обогащения кислородом; расхода, состава, свойств или состояния загружаемого топлива; количественных характеристик теплообмена на стенах шлаковой ванны) ведет к изменению режима работы установки.
Если в процессе работы установки время химических превращений компонентов топлива (на всех их стадиях) до практически полного использования кислорода, содержащегося в дутье, меньше времени пребывания газовых пузырей в барботируемом объеме (т.е., если в пузырях газов на выходе из Загрузка угля и известняка барботируемого слоя содержание кислорода близко к нулю), то интегральные материальный и тепловой балансы системы практически не зависят от особенностей отдельных стадий процесса. В этом случае конечный состав продуктов горения и газификации топлива по всем компонентам может быть найден с помощью квазистатической модели, аналогичной математическим моделям ПЖВ в предположении равновесных термодинамических состояний исходных компонентов и продуктов процесса.
При подаче угля в барботируемый шлаковый расплав происходят сложные процессы тепломассообмена, сопровождаемые термохимическими превращениями с участием конденсированной и газовой фаз. Вместе с тем ряд задач можно решить, исходя из достаточно простых моделей. Это объясняется интенсивными массообменными процессами, протекающими в барботи-руемой ванне, и высокими скоростями химических реакций при температурах расплава ( 150(Ы 600С).
Так, исследование различных горизонтов ванны с барботируемым шлаковым расплавом [76-78], а также результаты экспериментальных исследова 43
. гидродинамики ванны, проведенные в [31], показали высокую однородность концентрационных и температурных полей в надфурмевдой зоне. Это обстоятельство дает возможность при описании процессов представить агрегат в виде реактора идеального перемешивания. Высокие скорости химических реакций позволяют также предположить, что составы фаз, образующихся при переработке углей, близки к равновесным, что находит подтверждение при экспериментах на печах Ванюкова [79]. Эти предположения дают возможность проведения теоретического анализа процессов на основе моделей равновесного выхода фаз.
Поскольку КПД газификации является одним из факторов, влияющих на эффективность процесса, представляется целесообразным на базе Математической модели газификации угля определить те основные технологические параметры, которые наиболее существенно влияют на коэффициент полезного действия (отношение теплоты сгорания продуктов газификации к теплоте сгорания угля). В качестве определяющего параметра принимается расход угля на уста. новку, поэтому удобно расход основных компонентов (кислорода, воздуха, водяного пара и продуктов газификации) относить к 1 кг рабочей массы топлива, что позволит достичь известного обобщения результатов.
Значительный интерес представляет изучение процесса при различных режимах газификации при атмосферном давлении. Рассмотрим основные из них [80].
Рассмотрим случай, когда водяной пар Н20 и кислород 02 подаются в стехиометрическом соотношении а+[Н ,5, т.е., к топливу подводится окислитель в количестве, обеспечивающем окисление всего углерода до СО. Здесь а и р - коэффициенты подачи кислорода и водяного пара соответственно, которые представляют собой отношение количества окислителя, подведенного для взаимодействия с углеродом топлива, к количеству окислителя, теоретически необходимого (из стехиометрических соотношений) для полного сгорания топлива до С02 и Н2.
Основные уравнения процесса в этом случае имеют вид: С + 0.5О2 = СО+117300кДж (2-1) С + Н2О = СО + Н2-134500кДж (2-2) Умножим первое уравнение на а, второе - на р. Тогда уравнения принимают следующий вид: а-С + 0.5-а-О2 = а-СО + 117300-а 3-С + (3-Н20 = р-СО + р-Н2 - 134500-Р Суммируя эти уравнения, получаем: (а + Р)-С + 0.5-а-О2 + (3-Н20 = (а + Р)-СО + Р-Н2 + 117300-а - 134500-р С учетом того, что а + р = 0.5, имеем: 0.5-С + 0.5-а-О2 + Р-Н20 = 0.5-СО + Р-Н2 + 117300-а - 134500-р или С + а-02 + 2-р-Н20 = СО + 2-р-Н2 + 235000-а - 269000-р Учитывая, что J3 = 0.5 - а, получаем выражение: С + а-02 + (1 - 2-а)-Н20 = СО + (1 - 2-а)-Н2 + 504000-а - 134500 (2-3) При составлении модели необходимо учесть, что летучие компоненты топлива С л, Hr, Sr иОг вступают между собой в реакции взаимодействия: С + 2Н2 = СН4; H2 + S = H2S; С + 02 = С02, причем Hr, Sr и Ог полностью расходуются в данных реакциях. Необходимо определить, какая часть углерода Сг расходуется на эти реакции (т.е., определить долю летучего углерода Сл).
Двухступенчатый процесс газификации угля (с подачей дутья в расплав и на поверхность расплава)
Данная модель описывает процессы, протекающие во всем объеме камеры-газификатора (рис.2.2). При разработке математической модели были сделаны следующие допущения: - физико-химические процессы протекают в барботируемой ванне, рассматриваемой как реактор идеального перемешивания; - весь кислород, подаваемый на нижние фурмы, расходуется на взаимодействие с углеродом с образованием СО и С02. Химический состав выделяющегося из шлаковой ванны газа соответствует равновесному, рассчитываемому по реакции СО+Н20 = СО2+Н2 для заданной температуры; - химический состав газов после дожигания над расплавом соответствует равновесному при температуре на выходе из камеры-газификатора.
Газификация угля в расплаве шлака рассматривается как процесс, протекающий в три стадии [82].
Первая стадия процесса - термическая деструкция компонентов загрузки в расплаве шлака (рис.3.1). На этой стадии в условиях "термического удара" происходит сушка топлива, выход летучих, расплавление минеральной части и образование диспергированного углерода.Состав загрузки: на 1 кг рабочей массы угля подается известняк в количестве b из в кг. Состав рабочей массы топлива: Cr ;Hr ;Sr ;Or ;Nr ;Ar; Wtr. Известняк, поступающий в расплав с рабочей влажностью WH3B %, содержит балластные примеси Аизв % (Fe203, Si02, MgO, Si и т.д.) и карбонат кальция СаСОз в количестве (100 - WH3B - Аизв) % Зная расход известняка, подаваемого в расплав, можно определить основность образующегося шлака к= CaO/Si02, и наоборот, зная основность, рассчитать соответствующий расход известняка _Ar-(SiQ2-k-CaO) caC03 "изв л Здесь Si02, CaO - содержание оксида кремния и оксида кальция в шлаке угля, % масс; І СаСОз СаО молекулярная масса карбоната и оксида кальция, г/моль. Образующиеся продукты деструкции в расчете на 1 кг рабочей массы угля: 1) жидкий (расплавленный) шлак массой тшл кг тшл=тА+тизв где тА = А7100 - масса шлака топлива; тизв - масса шлака известняка; тизв = Ьизв Аизв/100+тСаО = = bH3B-AH3B/100+0,56-broB-(l-WH3B/100-AH3B/100), где т ао - масса СаО, кг.
В общую массу шлака тшл входит масса его тяжелой (металлосодержащей) фракции mMCT=Fe2O3-mA/100 кг и легкой фракции ігіщЛ=тшл - тмет; 2) газообразные продукты, нм : объем сероводорода 22,4-ks-Sr VH с = = 0,007 ks Sr. н2ь 3200 ь При определении объемов газов учитывается, что часть водорода идет на образование сероводорода по реакции H2+S=H2S, кг 2-ks-Sr Am H = = 0,000625 ks-Sr; "2 3200 ь идет на образование метана. а остальная часть водорода массой vH2s "VCH4 VH2OvN2 vC02 вуг л из в Первая стадия Термическая деструкция тис m А ПІД угля тизв Рис.3.1. Схема первой стадии процесса. Тогда объем метана, образующегося по реакции С + 2-Н2 = СН4, 22,4 (нг - 2 ks -Sr /32) V, CHz = 0,056-Hr-0,0035-ks -Sr 100-4 Часть углерода (в % от рабочей массы топлива) идет на образование С02 по реакции С + 02 = С02 АС =12 =0,375-Ог, со2 32 кроме того, часть углерода (в % от рабочей массы топлива) расходуется на образование СН4 по реакции С + 2-Н2 = СН4 АС" = 3-Hr - 0,1875 -ks -S1 12-(нг -2-ks Sr /12J-100 сн4 100.4 Объем диоксида углерода, образующегося по реакции С + 02 = С02 С = 22!410 = оГ с2 3200 Объем диоксида углерода, образующегося при разложении карбоната кальция по реакции СаСОз = СаО + С02, определяем по формуле V 3=0,00224-bH3B-(100-WH3B-AH3B). Тогда объем диоксида углерода, образующегося при термической деструкции угля, составит VC02 = vQ2 + vg3 = 0,007 Or + 0,00224 Ьшв (100 - WroB - Аизв); объем азота гГ yN 2 № г N2 2800 объем водяных паров VH2O-0,0124 .(wtr+bH3B-WH3B/, 3) диспергированный в расплаве углерод массой Шр, кг тс= 01{сГ-дссо2-АСсн4) = = 0,01 (сг - 0,375 (У - 3 Нг + 0,1875 ks Sr). Рассмотрим тепловой баланс первой стадии. Подвод теплоты Q] в зону деструкции определяется из выражения Ql = Hgas + тшл сшл 1шл + AQl » где Hgas - энтальпия продуктов газификации, кДж; Сшл, їшл - теплоемкость и температура шлака; Hgas=V(VH2s -CH2S +VCH4 -Ссн4 +Vco2 СС02 + VN2 CN2 + VH2O -сн2о р AQ! - тепловыделение в ходе реакции СаС03 = СаО + С02 - 177900 кДж; W А і їизв - изв kP 1Т7АЛЛ ЬиЗ В ґ AQf = 177900 V 100 100 100
Вторая стадия - газификация углерода в барботируемом расплаве шлака (рис.3.2). В зону барботажа (в расчете на 1 кг рабочей массы угля) поступает тс кг диспергированного углерода. Через фурмы в расплав подается в общем " з случае парокислородовоздушное дутье: воздух в количестве Vv м , кислород в количестве VK м и водяной пар массой dn кг. Из зоны барботажа отводится тшл кг жидкого шлака, тмет кг жидкого полиметалла, а также газообразные продукты газификации. Подробное описание процесса и уравнений второй стадии приведено в п.2.2. V» t vVC02 VH20 тсн Вторая стадияГазификация углерода в расплаве шлака VV.VK, d; тА тшл S тмет Рис.3.2. Схема второй стадии процесса. Третья стадия - реагирование в газовой среде над расплавом смеси продук тов первой и второй стадий (режим 1). В объем над расплавом поступают про дукты первой: VH2S , VCH4,VN2,VH20 и Vco2 и второй стадии: VCO VH2 Vco2 VN2 VH2O- Равновесный состав газа определяется константой равновесия реакции СО+ Н20 = Н2 + С02+27700 кДж. Образующаяся смесь газов поступает далее на дожигание в котел-утилизатор и имеет состав: Vco ,VH2 ,VH2S ,VCH4 ,VC02 , VN2 и V .
Схематически процесс реагирования, протекающий на третьей стадии, изображен на рис.3.3. VH2S VCH4 і І і Реагирование в смеси газообразных продуктов первой и второй стадий vCO VH2 VH2S vCH4,VC02, VN2 VH9o Рис.3.3. Схема третьей стадии процесса.
В этом случае вместе с продуктами первой и второй стадий в газовую среду над расплавом поступает парокислородовоздушное дутье, а именно: воздух в It» -j М о количестве Vv м , кислород в количестве VK м и водяной пар в количестве III dn кг (режим 2). Основные реакции имеют вид: а-СО + 0,5-а-О2 = а-С02 +279400-а кДж; b-CO + b-H20 = b-H2 + ЬС02 + 27700-b кДж. Здесь а - доля оксида углерода СО, идущая на первую реакцию, b - доля СО, идущая на вторую реакцию.
Возможен также режим, при котором непрореагировавший в расплаве углерод в количестве т кг выносится на поверхность расплава, где окисляется дутьем, подаваемым через верхние фурмы (режим 3). Поскольку режимы 1 и 2 являются его частными случаями, то рассмотрим данный режим подробнее (рис.3.4). В этом случае основные химические реакции, протекающие на третьей стадии, имеют вид: С + 0,5-О2 =СО+ 117300 кДж (3-1) а -СО + 0,5 а 02 = а С02 + 279400 а кДж (3-2) b-CO + b-H20 = b-H2 +b-C02 +27700-b кДж (3-3) Если просуммировать реакции (З-І)-(З-З), то получим С + 0,5 (1 + а) 02 + b Н20 = (1 - а - Ь) СО + b Н2 + (а + Ь) С02 + +117300 + 279400 -а + 27700- b кДж (3-4) На основании этого уравнения составляем пропорцию 12-Да-0,01867-С =11,2-тс (! + ») из которой определяем долю СО, вступающую в реакцию (3-2), а = 0,02-Аа-Сн/тс-1, где Да - коэффициент подачи кислорода в зону над расплавом; тс - количество углерода, не прореагировавшее на второй стадии процесса, и выносимое на поверхность расплава и в зону над расплавом. Также из уравнения (3-4) можно определить объемы газов, образующихся в результате совместного протекания реакций (З-І)-(З-З) на третьей стадии, нм3/кг рабочей массы угля:
Математическая модель процесса газификации угля в расплаве шлака
Установившийся режим работы камеры-газификатора характеризуется определенной интенсивностью барботажа в надфурменном объеме шлаковой ванны, которая зависит от расхода и температуры подаваемого парокислород-содержащего дутья. Этому режиму соответствует характерное значение глубины барботируемого слоя Н, а также установившийся режим непрерывной загрузки топлива постоянного состава.
Любое изменение режимных параметров (расхода или температуры пара, воздуха, степени его обогащения кислородом; расхода, состава, свойств или состояния загружаемого топлива; количественных характеристик теплообмена на стенах шлаковой ванны) ведет к изменению режима работы установки.
Опишем физическую модель процесса сжигания угля в расплаве (рис.4.1). В общем случае расплав представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой, представленной различными фракциями рядового угля и флюса; жидкой, представляющей собой шлаковый расплав и газо z А по образной, образуемой за счет пузырьков дутья и дымовых газов. На рис.4.1 показан случай, когда глубина погружения твердых включений h меньше общей высоты Н барботируемого слоя.
Частицы диспергированного углерода не смачиваются шлаковым расплавом и вытесняются из него на внутреннюю поверхность и в объем газовых пузырей в барботируемом слое. Следует отметить, что при погружении частиц топлива ниже уровня фурм вероятность их попадания в объем газовых пузырей резко уменьшается, что создает условия для потерь теплоты с механическим недожогом топлива.
В случае недостатка кислорода процесс реагирования в объеме газового пузыря завершается образованием продуктов неполного горения топлива, равновесный состав которых определяется химическим составом горючей массы топлива и величиной коэффициентов подачи кислорода и пара в расплав.
Минимально допустимая высота барботируемого слоя включает в себя высоту двухфазного динамического слоя, в пределах которого воздух, кислород и, пар в пузырях прогреваются до температуры, близкой к температуре шлаковой ванны, и высоту трехфазного динамического слоя, равную глубине погружения частиц топлива в барботируемый расплав.
Выделяющаяся в ходе реакций энергия в условиях высокоинтенсивного турбулентного обмена передается шлаковому расплаву. Температуру расплава в силу высокой интенсивности барботажа и равномерного распределения топлива в пузырях можно считать постоянной по высоте. Перенос тепла от расплава к стенкам осуществляется путем теплопроводности через слой гарнисса-жа и далее через стенку к охлаждающей воде. В установившемся режиме процесс, протекающий в трехфазном слое, считается изотермическим.
В данной работе рассматривается математическая модель выгорания и газификации топлива в пределах трехфазного динамического слоя.
Совокупность предпосылок, определяющих степень идеализации модели процесса полного и неполного горения угля в барботируемом расплаве шлака, вытекает из анализа физической модели процесса: - распределение топлива и газовых пузырей в объеме расплава на глубине от Ъ\ до z2 считается равномерным; - изучаемые физико-химические процессы в связи с высокой интенсивностью барботажа предполагаются изотермическими, т.е. барботируемая ванна рассматривается как реактор интенсивного перемешивания; - рядовой уголь, подаваемый в расплав, проходит стадии термического измельчения, сушки, расплавления минеральной части и выхода летучих компонентов горючей массы топлива. Частицы угля в виде мелкодисперсного коксового остатка, прогретого до температуры расплава, попадают на глубине с координатой Z[ внутрь газовых пузырей.
Для барботируемого расплава, в котором происходит газификация угля при атмосферном давлении, определяющими являются следующие химические реакции [84,85]: С + О2 = СО2 + 409154 Дж/моль углерода (4-1) С+0,5О2=СО+117300 //-//-//- (4-2) Система дифференциальных уравнений (4-10)-(4-16) представляет собой замкнутую систему дифференциальных уравнений первого порядка с 7-ю неизвестными: Qv, цс, JU02, Мсо2 Мсо Мн2 Мн2о с замкнутой системой равенств в условиях однозначности, когда при т = 0 (z = 0) Qv=(Qv)o; Мс = (Мс)0; Мо2=(Мо2)0; М„2о=(Мн2о)о М со \ Мсо /о М со2 Мсо2)о Мн2 Мн2)о Начальные концентрации компонентов в данном случае могут быть записаны следующим образом:
От выражения для концентрации углерода /лс перейдем к выражению для относительной глубины полного и частичного выгорания топлива ЛВ = ЛВ / В, где ЛВ - масса топлива, прореагировавшего за одну секунду на участке от 0 до Z; В - секундный расход рабочей массы топлива, Z - текущая высота распла 115 ва. Расчетный анализ (на основе формул для полного объема газов Vp) показывает, что зависимость между объемом газов и объемом дутья при газификации в расплаве может быть представлена следующей эмпирической формулой Va=Vdymm+110-AB/CrH. (4-22) или Уг = 0,01867ак Сгн + 0,0889-av-CrH + 1,24-dn+110-AB/C . Выражение для концентрации углерода juc представим следующей формулой СС/100-АВ Мс=— (4-23) Уг Отсюда — =CrH l-8,89-Mc-(o,21-ak+av+14-dn/CrH) юо 1 + 110-Мс/Сгн
Определению кинетических констант реакций газификации (4-1)-(4-9) посвящено значительное число работ, например [86-93]. Анализ данных показы вает, что для одних и тех же углей значения химической константы к0 и энергии активации Еа, полученные разными авторами, существенно отличаются между собой. Это связано, скорее всего, с условиями проведения экспериментов, наличием предварительной термической обработки углей, использованием при расчете величины химической константы различных значений удельной поверхности и др. В данной работе значения кинетических констант реакций (4-1)-(4-6) приняты согласно [86], а для реакций (4-7)-(4-8) - согласно [87].
Программа для расчета кинетики процессов газификации углерода реализована на ЭВМ в среде Delphi 4.0 и описана в модуле RunUn.pas (см. прил.З). При работе программы используются блоки SavDatUn.pas (для работы с исходными данными), MainUn.pas (для вывода результатов в табличной форме) и Му-Math.pas (для интегрирования системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта). В описании функций dQy, dMc, dMo2, dMh2o, dMco, dMco2 и dMh2 запрограммированы правые части дифференциальных уравнений (4-Ю) - (4-16), которые необходимы для вычисления соответствующих производных. Процедура TRunForm.MyRun предназначена для интегрирования системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта, а процедура TRunForm.BuildNu предназначена для формирования начальных значений концентраций каждого из рассчитываемых компонентов (согласно формулам (4-17)-(4-20)).
