Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологических процессов переработки угля 14
1.1 Коксование 15
1.2 Газификация 16
1.3 История и тенденции развития технологий глубокой переработки угля 17
1.4 Аллотермические процессы переработки угля 22
1.5 Автотермические процессы переработки угля 23
1.5.1. Газификация угля в псевдоожиженном слое 23
1.5.2. Пылеугольная газификация 26
1.5.3. Слоевая газификация угля: схема с прямым дутьём 27
1.6 Процессы серии «ТЕРМОКОКС». Анализ преимуществ и недостатков 30
1.7 Постановка задач исследования 3 8
2 Анализ и исследование процессов тепло- и массопереноса при слоевой газификации угля с обращенным дутьём 41
2.1 Существующие представления о механизме процесса 41
2.1.1 Общая картина процесса 42
2.1.2 Передача тепла в направлении против потока газа 44
2.1.3 Кинетика термического разложения угля 48
2.1.4 Химическое реагирование в зоне восстановления 53
2.2 Экспериментальное изучение основных механизмов тепло- и массопереноса 58
2.2.1 Определение коэффициента температуропроводности бурого угля 59
2.2.2 Определение эффективной кинетики термического разложения буроугольных частиц 62
2.3 Сопоставление экспериментальных данных с существующими представлениями о процессе и анализ влияния различных механизмов тепло- и массопереноса 67
2.4 Управляющие параметры процесса 72
3 Экспериментальное исследование теплотехнологического процесса слоевой газификации бурого угля с обращенным дутьём 75
3.1 Описание экспериментального стенда 75
3.2 Методика обработки данных в экспериментах 76
3.2.1 Методика обработки данных стендовых испытаний в случае использования азотно-кислородного дутья 78
3.2.2 Методика обработки данных стендовых испытаний в случае использования чисто кислородного дутья 86
3.3 Экспериментальное исследование влияния управляющих параметров на показатели теплотехнологического процесса при работе газификатора на буром угле 88
3.3.1 Влияние расхода дутьевого воздуха и фракционного состава угля 88
3.3.2 Влияние влажности угля 94
3.3.3 Влияние расхода дутьевого кислорода 97
3.4 Анализ результатов экспериментального исследования 103
4 Численное исследование влияния управляющих параметров на показатели процесса слоевой газификации бурого угля с обращенным дутьём 111
4.1 Физическая модель процесса 111
4.2 Математическая модель процесса 115
4.2.1 Уравнения модели 115
4.2.2 Алгоритм решения системы уравнений модели 120
4.2.3 Проверка адекватности модели 123
4.2.4 Определение параметров модели по экспериментальным данным 124
4.3 Исследование процесса с помощью численных экспериментов 126
5 Применение результатов исследований 132
5.1 Внедрение результатов исследований в практику проектирования установок для переработки угля в среднетемпературный кокс и газ 132
5.2 Вклад в развитие теории процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём 134
5.3 Очередные задачи исследований 135
Заключение 137
Список использованных источников 140
Приложение
- История и тенденции развития технологий глубокой переработки угля
- Экспериментальное изучение основных механизмов тепло- и массопереноса
- Методика обработки данных стендовых испытаний в случае использования азотно-кислородного дутья
- Вклад в развитие теории процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём
Введение к работе
Развитие цивилизации зависит от многих факторов, но определяющим является уровень развития энергетических технологий и освоения энергоресурсов. Бурная индустриализация XX века была основана на освоении нового вида энергии: электрической - и новых энергоресурсов: нефти, природного газа, урана и гидроресурсов. Стремительное развитие науки, техники и общества в целом во второй половине XX века, создание на рубеже нового тысячелетия постиндустриального, так называемого «информационно-сервисного» общества обусловлено использованием именно этих источников энергии. За кадром остается тот факт, что фундаментом постиндустриального общества являются доступные и дешёвые, но, к сожалению, быстро исчерпывающиеся энергоресурсы.
Развитие и совершенствование энергетики должно проводиться на основе достижений фундаментальной и прикладной науки, разработки новых технологий, позволяющих создавать высокоэффективное энергетическое оборудование, и, наконец, с учетом огромной роли энергетики для страны и мира, возможности на основе технико-экономического анализа принимать соответствующие политические решения.
Чрезмерная привлекательность природного газа для потребителей при убыточности его поставок на внутренний рынок по действующим ценам создает растущую напряженность баланса газа. Поскольку он обеспечивает почти половину внутреннего потребления энергоресурсов России (в Европейской части - свыше двух третьих), дефицит газа означает прямую угрозу энергетической безопасности страны. Необходимо отметить, что для России по некоторым данным обеспеченность разведанными запасами сегодняшних уровней добычи составляет по нефти лишь несколько больше чем на 20 лет, по газу — на 90 лет, тогда как по углю и природному урану многие сотни лет.
Следует обратить особое внимание на наблюдаемый в России в последние 10—20 лет низкий уровень интереса к фундаментальным исследованиям и новым технологическим разработкам по эффективному использова-
нию угля в энергетике. Уголь занимал главенствующие позиции в энергетике XIX века, когда стал основным топливом индустриальной революции, быстрого развития экономики, железных дорог и морского транспорта. Но уже в конце XIX века его начала теснить нефть, а с 1940-х годов — природный газ. Переход на углеводороды привел к закату эпохи угля по экономическим и экологическим причинам. Нефть и газ были дешевле, их добыча была безопаснее, а их сжигание приводило к гораздо меньшим выбросам пыли, оксидов серы и углерода. Шахты закрывались, электростанции переводились на газ, и угольная отрасль во многих странах стала достоянием истории. В России в 1990-1994 гг. добыча угля уменьшалась более чем на 30 млн тонн ежегодно, в 1995-1998 гг. сокращение достигало 12 млн тонн в год, а объём добычи сократился к 1998 году до 232 млн тонн, что почти на 200 млн тонн меньше, чем в 1988 г.
Актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами.
Резкий рост цен на нефть и природный газ после 2000 года, опасения по поводу энергетической безопасности, неясные перспективы с развитием многих газовых проектов и общая нестабильность на рынках энергетического сырья заставили вновь задуматься о проверенном в течение веков источнике энергии — угле. И интерес к углю растет не только в энергетике. Рост потребления стали в Китае и других азиатских странах резко повысил спрос на кокс и другие углеродные материалы. Сочетание этих факторов очень быстро превратило уголь из энергетического сырья прошлого в сырьё настоящего. В целом на рынке ожидается десятилетие широкомасштабных инвестиций в угольный сектор. Инвесторы рассматривают самые разнообразные проекты в различных регионах мира. Правительством России в 2008 году была утверждена Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года («Дорожная карта»), согласно которой доля угля в энергетике должна вырасти примерно в полтора раза.
Уголь как энергетическое сырьё является наиболее экологически опасным из всех ископаемых видов топлива из-за повышенной эмиссии вредных веществ при его сжигании [1]. Известно, что можно значительно снизить ущерб природной среде от угольной энергетики, если использовать облагороженный, или «чистый», уголь, синтетические газообразные или жидкие виды топлива, получаемые путём глубокой переработки угля [2; 3].
Технологии глубокой переработки угля по способу подвода тепловой энергии, необходимой для расщепления органической массы угля (ОМУ) могут быть разделены на аллотермические и автотермические [4]. Характерной особенностью аллотермических процессов переработки угля является их экологическая опасность из-за сложности утилизации побочных продуктов пиролиза угля и отработанного газообразного теплоносителя, поступающего в атмосферу. Приведение таких производств в соответствие природоохранным нормативам требует инвестиций, сопоставимых со стоимостью основного оборудования. Поэтому актуально создание технологий термической переработки угля, в которых жидкие побочные продукты пиролиза не образуются. Автотермические процессы переработки угля предпочтительнее, поскольку при генерации тепловой энергии за счёт окисления части ОМУ возможно полное или частичное превращение летучих продуктов пиролиза в менее токсичные компоненты - Н2, Н20, СО, С02, СН4, H2S и др.
В области малой и средней энергетики целесообразно разрабатывать комбинированные схемы производства, позволяющие повысить экологическую безопасность, экономическую и энергетическую эффективность использования углей низкой степени метаморфизма, а также расширить сферу их применения. К новому поколению таких схем относится автотермический процесс переработки угля «ТЕРМОКОКС-С» - процесс слоевой газификации угля с обращенным дутьём, в рамках которого горючая масса угля разделяется на два компонента: газообразный энергоноситель — горючий газ — и высокоактивный коксовый остаток — среднетемпературный кокс.
В настоящем исследовании выполнен комплекс работ по изучению и совершенствованию экологически безопасного процесса переработки угля «ТЕРМОКОКС-С».
Объектом исследования в настоящей работе является теплотехноло-гическая установка для слоевой газификации угля с обращенным дутьём.
Предмет исследования — комбинированный процесс переработки угля в газообразный энергоноситель и среднетемпературный кокс в слоевом реакторе шахтного типа.
Целью работы является совершенствование теплотехнологического процесса переработки угля в твёрдые и газообразные продукты при слоевой газификации с обращенным дутьём. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
Проанализировать существующие технологии глубокой переработки угля, направленные на получение твёрдых и газообразных продуктов, оценить состояние исследований в данной области;
Выполнить критический анализ механизмов тепло- и массопереноса при слоевой газификации угля с привлечением экспериментальных исследований;
Выполнить экспериментальное исследование влияния основных управляющих параметров на показатели теплотехнологического процесса;
С учётом новых экспериментальных данных усовершенствовать физическую модель процесса, разработать математическую модель, алгоритм численного решения, реализовать математическую модель программно;
Выполнить численные эксперименты по исследованию процесса слоевой газификации угля с целью определения влияния отдельных механизмов тепло- и массопереноса на интегральные показатели процесса;
Разработать практические рекомендации по совершенствованию процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём.
Теория и методология исследований основаны на положениях теплоэнергетики, теплофизики, химической физики, а также экспериментальных и
теоретических данных в области теплотехнологической переработки угля при слоевой газификации с обращенным дутьём.
В работе использованы следующие методы исследований: натурный эксперимент, моделирование, метод сравнения и аналогий, метод обобщений
и др.
Основы методологических приёмов, использовавшихся в настоящей работе, были заложены Я.Б. Зельдовичем, Д.А. Франк-Каменецким, Б.В. Канторовичем, Г.Ф. Кнорре, Н.В. Лавровым, В.В. Померанцевым, А.А. Агроски-ным, А.Ф. Чудновским, Р.И. Нигматулиным, А.А. Самарским и др.
Информационную базу исследований в настоящей работе составили:
научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных
статей, научных докладов, отчётов, материалов научных конференций;
результаты собственных экспериментов и расчётов.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
Для бурого угля экспериментально определены температурная зависимость коэффициента температуропроводности и эффективная кинетика термического разложения в диапазоне режимных условий, используемых в промышленных газификаторах;
Получены зависимости влияния расхода дутьевого воздуха, фракционного состава и влажности бурого угля на показатели процесса слоевой газификации с обращенным дутьём, такие как скорость процесса газификации, выход кокса и горючего газа, их характеристики;
Определено влияние расхода дутьевого кислорода на показатели процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём, такие как скорость процесса газификации, выход газообразного и твёрдого продуктов процесса, их характеристики. На основе полученных данных разработан новый способ получения синтез-газа и среднетемпературного кокса из бурого угля, позволяющий радикально снизить себестоимость синтетических углеводородных топлив;
4. Выполнен анализ всех стадий процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём, на основе которого усовершенствована физическая и разработана математическая модели процесса. С помощью математической модели выполнено численное исследование процесса.
Практическая значимость:
На примере угля марки Б2 разреза «Бородинский» (Красноярский край) определены границы целесообразных режимов переработки бурого угля в газообразный энергоноситель (горючий газ) и среднетемпературный кокс в промышленных теплотехнологических установках на основе процесса «ТЕРМОКОКС-С»;
В широком диапазоне расходов дутьевого воздуха и дутьевого кислорода, а также для различных фракционного состава и влажности бурого угля получены корреляционные соотношения показателей процесса газификации (скорость процесса, производительность реактора по газу и твёрдому продукту, их характеристики), которые приняты для использования в качестве расчётных формул при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС»;
Разработан и защищен патентом РФ способ получения синтез-газа и среднетемпературного кокса в слоевом реакторе с обращенным кислородным дутьём, который предназначен для применения в составе промышленных комплексов по производству синтетических углеводородных топлив и продуктов на основе среднетемпературного кокса из бурого угля;
Разработаны и программно реализованы универсальные методики обработки данных .стендовых испытаний по слоевой газификации угля с обращенным воздушным, кислородным и обогащенным дутьём, используемые с целью получения исходных данных для проектирования промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС» (основных технологических показателей процесса, его материального и теплового балансов);
5. Разработаны практические рекомендации по совершенствованию процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём, позволяющие улучшить эксплуатационные характеристики существующих и проектируемых теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС».
Личный вклад автора состоит в самостоятельном анализе литературных и экспериментальных данных, подготовке и непосредственном проведении экспериментов по газификации, определению коэффициента температуропроводности и эффективной кинетики термического разложения бурого угля, разработке и реализации математической модели процесса, проведении численных экспериментов и разработке технических предложений по интенсификации и расширению сферы применения процесса «ТЕРМОКОКС-С», совершенствовании методического обеспечения экспериментальных исследований и технологического тестирования углей с целью подготовки исходных данных для проектирования промышленных теплотехнологических установок. Автор выражает благодарность коллективу Красноярского филиала Института теплофизики СО РАН под руководством А.А. Дектерёва и лично А.В. Минакову - за консультации по численной методике и А.А. Гаврилову -за предоставление программы Draw 2D Surface для визуализации расчёта.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Теоретические положения работы основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования, а также на собственных экспериментальных данных и данных исследований, представленных в известных работах других авторов.
Реализация результатов работы. Все практически значимые результаты диссертационной работы (методики обработки данных стендовых испы-
таний, практические рекомендации по совершенствованию процесса и др.) приняты компанией «Сибтермо» для использования при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС», что подтверждается соответствующим актом внедрения.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.), XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных, (г. Кемерово, 2009 г.), VI Всероссийской конференции молодых учёных (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), VI Всероссийском теплофизическом семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Красноярск, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации, и 1 патент на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных литературных источников и 8 приложений. Работа содержит 226 страниц машинописного текста, в том числе 145 страниц основного текста диссертации и 81 страницу приложений, 69 рисунков и 75 таблиц. Список использованных источников включает 92 наименования.
Краткое описание структуры диссертационной работы:
Первый раздел посвящен обзору существующих технологических процессов переработки угля, сравнительному анализу их преимуществ и недостатков, определению областей их практического применения.
Во втором разделе рассмотрены процессы тепло- и массопереноса при слоевой газификации угля с обращенным дутьём. Выделены основные управляющие параметры изучаемого процесса.
Третий раздел посвящен экспериментальному исследованию влияния управляющих параметров на показатели теплотехнологического процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём. Приведена схема экспериментального стенда, а также методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных. Выполнен анализ результатов экспериментальных исследований.
Четвёртый раздел посвящен моделированию процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём. С учётом новых экспериментальных данных усовершенствована физическая модель процесса, разработана математическая модель, приведены описание численного алгоритма, порядок определения параметров и проверки адекватности математической модели. Выполнены численные эксперименты.
В пятом разделе на основе полученных данных разработаны практические рекомендации по проектированию тешютехнологических установок для полной или частичной газификации угля на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС». Обобщены имеющиеся сведения о механизме изучаемого процесса, выделены ключевые вопросы для дальнейших исследований.
История и тенденции развития технологий глубокой переработки угля
Одним из старейших методов глубокой переработки твёрдого топлива является полукоксование [9]. Сущность этого процесса состояла в том, что уголь предварительно нагревали в кучах без доступа воздуха для удаления дурного запаха и дыма и только после этого использовали в быту. Впервые полукоксование ископаемых углей проведено в Англии и Германии в конце XVI столетия с целью получения облагороженного бытового топлива.
Процесс газификации твёрдого топлива начали использовать в промышленности значительно позднее, чем процессы сухой перегонки (коксование, полукоксование). История развития технологий глубокой переработки угля имеет несколько периодов оживления интереса к этим технологиям.
Первый период начался в конце XVIII - начале XIX века. Приоритет принадлежит Великобритании (В. Мэрдок, 1792 год). Целевыми продуктами были «светильное масло» и «светильный газ». К 40-м годам XIX века уличное освещение газом из угля и бытовое использование газа получили широкое распространение и применялись почти во всех крупных и средних городах Европы и Америки. Газ и жидкие продукты пиролиза производились в стальных ретортах с внешним обогревом.
Второй период относится к концу XIX века и связан с производством твёрдого бездымного топлива для бытового использования (в том числе для каминов) в Великобритании. Удовлетворение спроса на это топливо практикуется и в настоящее время. В Англии, например, производится около 30 видов бездымного бытового топлива.
Начало третьего периода развития приходится на середину 30-х годов XX века, и лидером здесь стала Германия. Причиной послужило отсутствие собственной нефти и наличие больших запасов низкосортных бурых углей. В 1938 году для коксования и газификации использовалось 12,5 млн. тонн угля в год, а к концу Второй мировой войны — до 30 млн. тонн в год. Жидкие продукты коксования перерабатывали с целью получения синтетического жидкого топлива (СЖТ). Кокс широко использовали для газификации при производстве синтез-газа (для синтеза СЖТ) и водорода, а также в металлургии.
В СССР, США, Великобритании и ряде других стран, где имелись запасы и нефти, и угля, технологии глубокой переработки угля получили развитие в меньшем масштабе. Их применяли в металлургии и для производства технологических газов для синтеза аммиака, метанола и - очень редко -СЖТ.
Начало «эры дешевой нефти» в конце 50-х — начале 60-х годов XX века, связанное с разработкой крупных нефтяных месторождений на Ближнем Востоке, в Западной Сибири и в ряде других регионов, привело к резкому снижению интереса к технологиям переработки угля. В это время производство СЖТ было свернуто почти во всех странах. Кокс продолжал использоваться лишь в качестве бытового топлива, сырья для производства технологического газа для синтеза аммиака, а также в ряде производств цветной и черной металлургии.
Начало четвертого периода развития технологий глубокой переработки угля связано с «энергетическим кризисом» 1972 года, когда страны ОПЕК резко увеличили цены на нефть и ввели квоты на её добычу. К середине 80-х годов рынок нефти и природного газа стабилизировался, но интерес к технологиям переработки угля не уменьшился. Во-первых, стала ясна перспектива исчерпания запасов дешевой нефти, природного газа и коксующихся углей. Во-вторых, интерес к совершенствованию процессов глубокой переработки угля обусловлен обострением экологических проблем в развитых странах, так как использование кокса и газообразных продуктов переработки угля в качестве энергетических и технологических топлив позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. В связи с этим в мире ожидается рост мощностей по газификации угля на" 70% к 2015 г., причем 80% этого роста придется на Азию [7]. В настоящее время в мире работает более 420 установок газификации угля.
Следует отметить, что индустриальный рывок в развитии цивилизации за последние полвека привел к радикальному обострению экологической ситуации на Земле, причём, в первую очередь, за счёт бурного роста потребления ископаемых углеводородных топлив. Особенно актуальна эта тема для России, у которой энергоемкость ВВП (при расчёте его по паритету покупательной способности валют) превышает среднемировой показатель в 2,3 раза, по странам Европейского союза — примерно в 3 раза, а по сравнению с мировым лидером энергосбережения, Японией, - почти в 6 раз. Причем это -средний показатель по стране, то есть в ряде конкретных отраслей он гораздо выше.
Энергоемкость российской промышленности на 30-40% предопределяется суровыми климатическими условиями и территориальным фактором. Кроме того, в России высока доля энергоемких производств. Однако по оценке аналитиков определяющий вклад вносит низкий уровень технологий и техники, не отвечающих мировым показателям. Такие базовые отрасли промышленности, как металлургия и энергетика, используют технологии полувековой давности. В период их разработки просто отсутствовало такое понятие как «экологическая безопасность». Поэтому попытки приводить традиционные производства прошлого века в соответствие с современными природоохранными нормами оказываются высокозатратными и малоэффективными.
Президент России своим указом № 889 от 4 июня 2008 г. поставил задачу снизить к 2020 году энергоёмкость валового внутреннего продукта не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом. В рамках решения этой задачи предложено радикально переработать природоохранное законодательство с тем, чтобы «обеспечить рациональное и экологически ответственное использование энергии и энергетических ресурсов». Исходя из сегодняшних экономических реалий, следует ожидать, что срок достижения такого высокого для России показателя будет отодвинут, как минимум, на десять-пятнадцать лет. Однако в условиях мировой глобализации и конкуренции у российской промышленности просто нет альтернативы. На ближайшие десятилетия снижение энергоёмкости валового внутреннего продукта останется её стратегической задачей. Проблема обостряется тем, что утверждённая Правительством России в 2008 году Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года предусматривает радикальное изменение топливного баланса страны в пользу увеличения доли угля в энергетике. Ввиду резкого отставания экологического уровня отечественных технологий сжигание тонны условного топлива в виде угля на электростанциях и котельных оказывает наибольшее негативное воздействие на окружающую среду по сравнению с другими видами топлива. Вступление России в Киотское соглашение ещё более затруднит использование угля за счёт введения контроля за выбросами углекислого газа.
Очевидно, что в обозримой перспективе лидирующее положение в российской экономике смогут занять только те предприятия, которые перенесут акцент с традиционных способов использования топлива с последующей утилизацией отходов на принципиально новые технологии, которые изначально не производят таких отходов. В этой связи, как в специальных периодических изданиях, так и в СМИ, разворачивается дискуссия о степени технологической готовности отечественной промышленности к такому развороту. Что касается крупной угольной энергетики, то в большинстве случаев приходится признать, что в течение последних двадцати лет она находилась в определенном застое и заметно отстала от передовых зарубежных фирм в плане разработки современных технологий и оборудования [10]. Это отставание консервирует существующие устаревшие, экологически небезопасные и низкоэффективные технологии и в ближайшие годы может болезненно отразиться на экономике страны [11].
Экспериментальное изучение основных механизмов тепло- и массопереноса
В рамках настоящей работы была поставлена задача определения зависимости эффективного коэффициента температуропроводности угля от температуры, а также эффективной кинетики термического разложения исследуемого топлива. В качестве сырья бьш использован уголь марки Б2 разреза «Бородинский» Канско-Ачинского угольного бассейна (Красноярский край). Данный уголь был выбран основным сырьём в настоящем исследовании, поскольку он является наиболее представительным для Канско-Ачинского бассейна (КАБ) — перспективной сырьевой базы для переработки угля. Кроме того, на данном угле работает промышленное предприятие ЗАО «Карбоника-Ф» в г. Красноярске, использующее технологию «ТЕРМОКОКС-С». Средний технический и элементный состав угля, использованного в экспериментах, представлен в таблице 2.1. Для данного типа угля имеются некоторые данные о коэффициентах тепло- и температуропроводности [38], а также о кинетике термического разложения и горения пылевидных частиц [39]. Однако ввиду уже упоминавшегося отсутствия достаточных сведений о конкретных условиях экспериментов, в которых они были получены, о свойствах исследованных образцов, недостаточного соответствия условий экспериментов условиям процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём оказалось необходимым проведение собственных исследований указанных характеристик топлива.
В экспериментах осуществлялся односторонний нагрев одиночных образцов рядового угля размером 50x50x30 мм до температур 873, 973, 1073, 1173, 1273 К, наиболее характерных для процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём. При организации экспериментов для устранения ошибки, связанной с учётом тепла от сгорания летучих, идущего на нагрев образца, нагрев осуществлялся в инертной среде аргона. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 2.1.
Образец 1, имеющий форму прямоугольной пластины, устанавливался в теплоизолирующую форму из диатомита 2 таким образом, чтобы теплообмен между средой и частицей мог происходить только через одну поверхность последней. Такая сборка быстро помещалась в лабораторную электропечь 3, прогретую до заданной температуры. После этого печь закрывалась изолирующей крышкой 4, оснащённой патрубками для подачи и отвода аргона 5 и 6. В образце на глубине 0, 7, 15 и 30 мм от нагреваемой поверхности были установлены термопары 7 (рис. 2.2), с помощью которых в блоке регистрации температур 8 велась запись термограммы прогрева частицы. Ещё одна термопара находилась за пределами угольной пластины и регистрировала температуру внутри камеры печи. Процесс нагрева продолжался до тех пор, пока температура изолированной поверхности образца не достигала температуры в камере печи. Результаты экспериментов по нагреву одиночных угольных частиц приведены в приложении А.
Большое количество работ [54—56] посвящено определению коэффициента температуропроводности как функции температуры посредством решения т.н. обратных коэффициентных задач теплопроводности (ОКЗТ). В таких задачах по известным краевым условиям и результатам измерения температуры внутри тела определяется зависимость температуропроводности материала от температуры посредством решения нестационарного уравнения теплопроводности без правой части. (Строго говоря, задачи поиска теплофизических характеристик по известному температурному полю следует называть скорее инверсными, поскольку, как указывает автор [57], обратные задачи предполагают определение граничных условий по заданному температурному полю и заданной математической модели.) В рамках данного подхода с использованием известного аналитического решения одномерного уравнения теплопроводности [58] в настоящей работе на основе экспериментальных данных в интервале температур 873-1273 К с шагом по температуре 100 К были вычислены постоянные значения коэффициента температуропроводности буроугольных частиц, представленные на рисунке 2.3. Для сравнения на рисунке приведены также данные исследований автора [38], выполненных на Ирша-Бородинском угле.
Данные [38] совпадают с полученными в настоящей работе значениями коэффициента температуропроводности при температурах, не слишком близких к температуре нагрева образца. Это связано с тем, что вблизи температуры нагрева возрастание температуры в рассматриваемом сечении происходит очень медленно и при решении ОКЗТ возникает источник погрешности, связанный с большой неопределённостью момента времени, в который температуру образца в данном сечении можно считать достигшей температуры нагревателя. (На рисунке 2.3 подобная ситуация проиллюстрирована при температуре нагрева 873 К.) Полученное в таком случае значение коэффициента температуропроводности можно скорректировать, если использовать данные по нагреву образца до более высоких температур, поскольку указанный источник погрешности в таком случае пропадает. (На рисунке 2.3. скорректированное значение показано для случая нагрева до 1073 К.) Однако в отсутствие таких данных, как это, очевидно, имело место при определении зависимости коэффициента температуропроводности от температуры автором [38], а также в данной работе при температуре выше 1173 К, исключить эту ошибку практически невозможно.
Методика обработки данных стендовых испытаний в случае использования азотно-кислородного дутья
Пересчет рабочей массы угля и твёрдого остатка газификации на сухое беззольное состояние: где Wr — содержание влаги в угле/твёрдом остатке газификации, %; тг — рабочая масса угля/твёрдого остатка газификации, кг; Ш — масса сухого угля/твёрдого остатка газификации, кг; т — масса сухого угля/твёрдого остатка газификации без золы, кг; А — содержание золы в угле (на сухую массу), %. Далее для вычисления удельной теплоты сгорания угля проводится пересчёт содержаний компонентов в исходном угле/твёрдом остатке газификации на рабочую массу. Например, 2. Удельная теплота сгорания угля/твёрдого остатка газификации. Низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг, рассчитывается по формуле Менделеева (3.4) [68]. где Cr ,Hr ,Or ,Sr — содержания компонентов в угле/твёрдом остатке газификации в пересчёте на рабочую массу, %. Высшая удельная теплота сгорания вычисляется с использованием выражения (3.5) [68]. 3. Средний состав сухого продуктового газа. Здесь и далее состав газа, масса исходного угля, масса твёрдого остатка газификации, тепловой и материальный балансы процесса относятся на участок реактора, при прохождении которого фронтом физико-химических превращений режим работы газификатора может считаться стационарным (установившимся).
Таким участком в экспериментах являлся промежуток между 4 и 7 термопарами, расположенными в нижней части реактора экспериментального стенда (см. рисунок 3.1). Поэтому для определения среднего состава продуктового газа из массива данных о мгновенном составе газа извлекается часть, соответствующая промежутку времени, в который тепловая волна проходила выбранный участок. 4. Выход твёрдого остатка газификации вычисляется по формуле (3.6): где в — выход твёрдого остатка газификации, %; тх — масса твёрдого остатка газификации, кг; то — масса исходного угля, кг. 5. Насыпная плотность угля определяется по формуле (3.7): где VQ — объём исходной засыпки, м3. Объём исходной засыпки вычисляется как произведение площади сечения реактора на высоту засыпки, измеряемую в каждом эксперименте. 6. Масса исходного угля в промежутке с установившимся режимом: где Vycm - объём участка реактора с установившимся режимом, м3. 7. Приблизительное значение массы твёрдого остатка газификации на участке с установившимся режимом: 8. Время прохождения процесса газификации на участке с установившимся режимом равно промежутку времени между моментами установления некоторой заданной температуры на границах расчётной области, определяемому по термограмме процесса. 9. В случае использования азотно-кислородного дутья при определении объёма сухого газа, произведённого на участке реактора с установившимся режимом, принимается, что сухой продуктовый газ состоит только из определяемых газоанализатором компонентов (Н2, СО, С02) и азота, а также (в некоторых режимах) небольшого количества метана, определяемого на основе материального баланса эксперимента. Серосодержащие компоненты ввиду их крайне низких концентраций в газе не учитываются. Объём азота в продуктовом газе складывается из азота в подаваемом дутье и азота, выходящего из угля в процессе его газификации.
При этом считается, что весь газифицирующийся азот угля переходит в газ в форме Nz- Выход азота из исходного угля определяется в рассматриваемом промежутке реактора как разность между массами азота в исходном угле и в твёрдом остатке газификации, отнесённая к плотности азота при нормальных условиях (н.у.). С учётом принятых допущений объём сухого продуктового газа в пересчёте на нормальные условия при использовании азотно-кислородного дутья на участке с установившимся режимом может быть вычислен по формуле (3.10). Здесь VN — объём азота, вышедшего из участка реактора с установившимся режимом за время прохождения по нему тепловой волны, нм3. VN включает в себя азот подаваемого дутья и азот из угля в рассматриваемой области; Н2, СО, СОг, СЩ — содержание компонентов в сухом продуктовом газе, об. %. Из полученного значения объёма сухого газа далее легко вычислить объём и массу каждого из анализируемых компонентов. 10. Масса «входящего» (в процесс) водорода для участка с установив шимся режимом - это масса водорода в Щ , включая водород влаги топлива: где Нуга - содержание водорода в сухой беззольной массе исходного угля, %; \mlcm J — масса угля в промежутке с установившимся режимом, пересчитанная на сухое беззольное состояние, кг; Мн2, Мн2о — молекулярные массы водорода и влаги соответственно, кг/кмоль. 11. Масса «исходящего» (из процесса) водорода для промежутка с ус тановившимся режимом без учёта водорода в водяном паре продуктового га за - это масса водорода в ntfm, включая водород влаги, Н2 и водорода в СЩ сухого продуктового газа: где Нml.ост. - содержание водорода в твёрдом остатке газификации, %; Хт{ст J - масса твёрдого остатка газификации на участке с установившимся н режимом, пересчитанная на сухое беззольное состояние, кг; г 2 - масса Н2 в продуктовом газе, кг; тг 4 и JHCHA — соответственно масса СН4 в продуктовом газе и его молекулярная масса, кг и кг/кмоль.
Вклад в развитие теории процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём
Значительные исследовательские усилия в настоящей работе были направлены на прояснение и уточнение механизма до настоящего времени слабо изученного процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём. Эта задача столь обширна, что в рамках одной диссертационной работы оказалось невозможным охватить весь спектр неразрешённых вопросов. В данном разделе обобщим теоретические представления о процессе слоевой газификации угля с обращенным дутьём с учётом новых данных, а также обо- значим наиболее важные вопросы для дальнейших исследований в этой области.
При моделировании теплопереноса по конденсированной фазе в направлении против потока газа, как показано в настоящей работе, не следует использовать постоянное значение эффективного коэффициента теплопроводности, поскольку это приводит к «размазыванию» фронта ФХП и искажению экспериментально наблюдаемого характера нагрева твёрдой фазы.
При построении математической модели процесса слоевой газификации с обращенным дутьём в настоящей работе использована формула коэффициента теплоотдачи, рекомендованная для угольных частиц в известной работе [30]. Применение в модели формулы другого автора [80], приводящей к более низким значениям коэффициента теплоотдачи, значительно изменяет характеристики процесса, хотя эта формула также получена, в том числе, для угольных частиц. Это иллюстрирует значительный разброс литературных данных, полученных в приложении к сугубо конкретным условиям. Поэтому при выборе и использовании литературных данных для построения модели процесса рекомендуется проявлять предельную осторожность и по возможности проверять используемые данные экспериментально. Для дальнейшего усовершенствования модели процесса слоевой газификации, по мнению автора настоящей работы, необходимо проведение экспериментальных исследований с целью уточнения коэффициента теплоотдачи для наиболее перспективных с точки зрения применения в рассматриваемой технологии марок углей.
Как было показано, процесс слоевой газификации угля с обращенным дутьём имеет чрезвычайно сложную физико-химическую природу, и данная работа может считаться только одним из этапов изучения его механизма. В связи с этим можно сформулировать некоторые направления для последующих исследований в этой области.
Ранее было отмечено, что существовавшие до настоящего времени представления о физико-химических процессах в области реактора, традиционно называемой зоной восстановления, по крайней мере, в режимах карбонизации не соответствуют действительности. Очевидна необходимость проведения экспериментальных исследований физико-химических процессов в зоне восстановления, поскольку в литературе такие данные в настоящий момент полностью отсутствуют и реальный характер протекания указанных процессов неизвестен.
Следует отметить существующие недостатки в методике проведения экспериментов по слоевой газификации угля с обращенным дутьём. На взгляд автора, в последующих экспериментальных исследованиях важно полностью прояснить вопросы о показаниях термопар в натурном эксперименте и о влиянии сушки сырья потоком сухого дутьевого воздуха в длительных экспериментах (прежде всего, в режимах карбонизации). Без этого, как неоднократно упоминалось в работах предшествующих авторов, а равно и в данной работе, затруднительна оценка совпадения данных, полученных посредством математического моделирования, с экспериментальными.
В настоящей работе определена эффективная кинетика термического разложения для размеров буроугольньгх частиц до 6,5 мм в диапазоне температур, характерном для процесса газификации бурого угля. Очевидно, что полученные данные недостаточны для разработки моделей процесса слоевой газификации углей более высокой степени метаморфизма и частиц существенно более крупных размеров. В этой области также требуются значительные дополнительные исследования.
1. Выполнен критический анализ механизмов тепло- и массопереноса при слоевой газификации угля с обращенным дутьём, экспериментально определены температурная зависимость коэффициента температуропроводности и кинетика термического разложения бурого угля в диапазоне режимных условий, используемых в промышленных газификаторах.
2. Разработаны и внедрены универсальные методики обработки данных стендовых испытаний по слоевой газификации угля с обращенным воздушным, кислородным и обогащенным дутьём, используемые с целью получения исходных данных для проектирования промышленных теплотехноло-гических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС» (основных технологических показателей процесса, его материального и теплового балансов).
3. В широком диапазоне расходов дутьевого воздуха получены значения показателей теплотехнологического процесса переработки бурого угля при слоевой газификации с обращенным дутьём, таких как скорость процесса газификации, выхода газообразных и твёрдых продуктов процесса, их характеристик. Определены границы основных режимов работы газификатора на примере угля марки Б2 разреза «Бородинский» (Красноярский край): режима карбонизации (безотходного целевого производства среднетемпературного кокса и попутного производства газообразного энергоносителя), режима полной газификации (целевого производства газообразного энергоносителя) и области смешанных режимов, в которых работа газификатора нецелесообразна.
Похожие диссертации на Совершенствование процесса переработки угля при слоевой газификации с обращенным дутьем
