Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ тенденций развития термической и термохимической переработки угля
1.1 Проблемы технологического использования угля 28
1.2 Термическая переработка угля 34
1.2.1 Твердые продукты термической переработки угля 34
1.2.2 Жидкие продукты термической переработки угля 35
1.2.3 Газообразные продукты термической переработки угля 36
1.3 Тенденции развития технологий полукоксования 37
1.3.1 Полукоксование с использованием внешнего нагрева 37
1.3.2 Полукоксование с использованием внутреннего нагрева 38
1.3.3 Полукоксование мелкодисперсных топлив 40
1.3.4 Термическая переработка угля без производства жидких продуктов
1.3.5 Комбинирование термической переработки угля с производством электроэнергии
1.4 Газификация угля 47
1.4.1 Динамика развития газификации угля 47
1.4.2 Целевые продукты 51
1.4.3 Типы современных промышленных газификаторов 52
1.4.4 Перспективные технологические принципы газификации угля
1.5 Численные методы исследования тепло- и массопереноса при автотермической переработке угля
1.5.1 Основные положения численного моделирования автотермической переработки угля
1.5.2 Механизм взаимодействия углерода с газами и факторы, влияющие на различие в реакционной способности углей
1.5.3 Математические модели тепло-и массопереноса при газификации одиночной частицы
Массоперенос и химическое реагирование в порах 67
Моделирование гомогенных реакций 71
Формализованное описание выхода летучих веществ 72
Другие допущения и упрощения 73
1.5.4 Математические модели тепло- и массопереноса при горении и газификации угольной пыли
Одномерные модели 76
Многомерные модели 77
1.5.5 Математические модели тепло- и массопереноса в слоевых газификаторах
Выводы к разделу 1 80
Постановка задач исследований 83
2 Газификации канско-ачинских углей в прямоточном пылеугольном реакторе
2.1 Системный анализ процесса газификации 84
2.2 Физическая модель процесса газификации 87
2.3 Математическая модель тепло- и массопереноса при газификации угольной пыли в прямоточном реакторе
2.4 Влияние различных параметров на процесс газообразования в реакторе
2.5 Расчет технологического режима прямоточной пылеугольной газификации канско-ачинских углей
2.6 Экспериментальное исследование газификации угольной пыли 121
2.6.1 Описание экспериментального стенда 122
2.6.2 Методика проведения экспериментов 125
2.6.3 Определение коэффициентов реакционного газообмена по экспериментальным данным
2.6.4 Эксперименты по газификации бородинского бурого угля на кислородном дутье
2.6.5 Обсуждение экспериментальных результатов и сопоставление их с расчетными данными
Выводы к разделу 2 139
3 Технологический процесс газификации угля на кислородном дутье с твердым шлакоудалением (процесс "КАТЭК")
3.1 Предпосылки для разработки процесса 142
3.2 Традиционный вариант газификации угля (базовый вариант) 144
3.3 Принципиальное отличие процесса "КАТЭК" 145
3.4 Предварительные технологические показатели процесса "КАТЭК" 149
3.5 Численное моделирование газификатора с защитой стенок испа- 152
ряющейся пленочной завесой
3.5.1 Методика расчета 152
3.5.2 Тепловые потоки в газификаторе 154
3.5.3 Расчет длины участков испарения и перемешивания 158
3.5.4 Расчет материального и теплового баланса и тепловых пото- 159 ков для газификатора типа "КАТЭК" производительностью 0,5 т/ч по углю
3.5.5 Тепловой режим работы стенок камеры газификатора 163
3.6 Опытный газификатор "КАТЭК" 166
3.6.1 Описание опытной установки "КАТЭК" 166
3.6.2 Основные технические решения по установке "КАТЭК" и их 169 проверка на огневом стенде
3.6.3 Комплексные испытания установки "КАТЭК" 172
3.7 Расчет материального и теплового баланса и тепловых потоков для 180
газификатора типа "КАТЭК" мощностью 50 т угля в час
Выводы к разделу 3 185
4 Эффект "тепловой волны" при газификации угля в плотном слое
4.1 Математическая модель тепло- и массопереноса в слоевом газифи- 187
каторе
4.1.2 Описание модели 187
4.1.2 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных 192
4.1.3 Эффект "тепловой волны" в слоевом газификаторе 195
4.2 Экспериментальное исследование "обратной тепловой волны" в слоевом газификаторе
4.2.1 Описание экспериментального стенда и методика проведения экспериментов
4.2.2 Получение активированного полукокса из канско-ачинских бурых углей в автотермическом слоевом газификаторе
4.2.3 Получение полукокса из длиннопламенного кузнецкого угля в автотермическом слоевом газификаторе
Выводы к разделу 4 217
5 Технологический процесс получения полукокса и горючего газа в автотермическом слоевом газификаторе (процесс "Карбоника")
5.1 Предпосылки для разработки процесса 219
5.2 Принципиальное отличие технологии "Карбоника" от промышленных процессов термической переработки угля
5.3 Принципиальное отличие технологии "Карбоника" от процессов термической переработки КАУ, реализованных в опытно-промышленном масштабе
5.4 Принципиальное отличие технологии "Карбоника" от промышленных процессов производства активированных углей
5.5 Технологическая схема, материальный и тепловой балансы про- 244
цесса "Карбоника"
Выводы к разделу 5 250
6 Концепция создания экологически безопасного 252
энерготехнологического комплекса на основе технологии "Карбоника"
6.1 Общее направление развития 252
6.2 Экологическая оценка энерготехнологического комплекса 253
6.3 Оценочные технико-экономические показатели энерготехнологиче- 260
ского комплекса по переработке КАУ
6.4 Оценочные технико-экономические показатели энерготехнологиче- 266
ского комплекса по переработке кузнецких углей марки Д
Выводы к разделу 6
- Твердые продукты термической переработки угля
- Математическая модель тепло- и массопереноса при газификации угольной пыли в прямоточном реакторе
- Принципиальное отличие процесса "КАТЭК"
- Получение активированного полукокса из канско-ачинских бурых углей в автотермическом слоевом газификаторе
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы обусловлена следующими причинами:
продукты, получаемые из угля должны быть конкурентоспособны, а угольные технологии - энергоэффективны и экологически безопасны;
необходимо увеличивать выпуск продуктов экологического назначения -углеродных сорбентов для очистки воды и газовых выбросов.
Эти направления являются приоритетными задачами развития науки и техники в топливно-энергетическом комплексе и отражены в "Основных положениях энергетической стратегии России на период до 2020 года".
Особенно актуальна проблема эффективного использования бурых канско-ачинских углей (КАУ), транспортировка которых на расстояние более 500 км от места добычи в рядовом виде неэффективна. Следовательно переработка КАУ в целевые продукты вблизи мест добычи - единственный рациональный путь развития угледобывающих предприятий КАТЭКа.
Объектами исследования являются термические и термохимические процессы переработки углей низкой степени метаморфизма в горючий газ и твердые углеродсодержащие продукты. В промышленности наибольшее распространение получили газификация и полукоксование. Обе эти технологии основаны на высокотемпературном превращении угля в газообразные (газификация) либо твердые, жидкие и газообразные (полукоксование) продукты с меньшим молекулярным весом, чем у органической массы исходного угля, и сопровождаются интенсивным тепло- и массопереносом.
Автотермическая газификация считается одним из наиболее перспективных направлений использования угля и позволяет получать технологические газы для химической промышленности и металлургии, а так же газообразный энергоноситель для различных термических процессов и производства электрической и тепловой энергии в парогазовых установках (ПТУ). При использовании внутрицикловой газификации угля электрический КПД повышается с 33-38 до 46-50 %, а удельные выбросы вредных веществ уменьшаются более чем на порядок по сравнению с традиционной паротурбинной установкой.
В энергетике и химической промышленности, как правило, применяются пылеугольные газификаторы с жидким шлакоудалением. Удаление шлака в расплавленном состоянии имеет ряд негативных последствий:
повышенный удельный расход кислорода;
относительно низкий КПД газификации, который не превышает 72 %;
необходимы гарнисажиая футеровка газификатора и громоздкий радиационный теплообменник, что снижает надежность и эффективность блока газификации.
Поэтому актуально исследование процессов тепло- и массообмена в пыле-угольном газификаторе и использование полученных результатов при разработке технологий газификации угля на основе новых технических решений, обеспечивающих безаварийное снижение температуры гшжгазовощ потока в реакторе ниже точки плавления золы и тверд(т'Р^>^^^штьПАШ
I "библиотека
1 С.Петербург KRQ\
\ '—
Так же перспективна разработка технологий получения из угля твердых продуктов - полукокса и углеродных сорбентов. Серьезным препятствием для применения традиционных аллотермических технологий является их экологическая, опасность и низкая энергоэффективность. У таких технологий три принципиальных недостатка: ~ побочные продукты пиролиза сложны для переработки и очень токсичны;
низкий КПД процесса;
с отработанным теплоносителем в атмосферу поступают вредные вещества - оксид углерода, пыль, канцерогены, смолистые вещества и т.п.
Характерный пример - установка ЭТХ-175 на Красноярской ТЭЦ-2.
Поэтому актуально создание технологий термической переработки угля, в которых жидкие побочные продукты пиролиза не образуются. Для этой цели предпочтительнее использование автотермических процессов. В них тепловая энергия, необходимая для разложения угля, генерируется в пределах аппарата за счет окисления части угля, прежде всего его летучих компонентов.
Разработка методик расчета тепло- и массопереноса в угольных газификаторах и обоснование новых технических и технологических решений по автотермической переработке угля в целевые продукты имеют существенное значение для ускорения научно-технического прогресса в топливно-энергетическом комплексе и являются важными народнохозяйственными задачами.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой комплексной программой 0.Ц.008 ("Энергия"), утвержденной ПСНТ, Госпланом СССР и АН СССР (№474/250/132 от 12.12.1980 г.), отраслевыми научно-техническими программами Министерства угольной промышленности СССР на 1985-92 годы и тематическим планом ЗАО "Карбоника-Ф" на 1994-2003 годы.
Цель работы заключается в теоретическом обосновании и разработке автотермических технологий переработки угля в горючий газ, полукокс и углеродные сорбенты.
Основные задачи исследования:
выполнить анализ термических и термохимических способов переработки твердых топлив и определить технологические принципы создания эффективных и экологически безопасных процессов и аппаратов;
определить параметры реакционного газообмена при газификации угля в диапазоне режимных условий пылеугольного газификатора;
разработать математические модели тепло- и массопереноса в пылеуголь-ном и слоевом газификаторах;
выявить контролирующие механизмы, методы интенсификации тепло- и массопереноса, способы увеличения КПД газификации угля и определить режимные параметры автотермической газификации КАУ;
теоретически обосновать и разработать новые технические решения защиты стенок пылеугольного газификатора от высокотемпературных воздействий и жидкого шлака;
- обосновать и разработать новые способы и устройства для автотермической переработки угля, обеспечивающие энергоэффективное и экологически безопасное получение горючего газа, полукокса и углеродных сорбентов.
В работе использован комплексный метод исследований, включающий научный анализ теории и практики термической и термохимической переработки угля, математическое моделирование и экспериментальные исследования в лабораторных и опытно-промышленных условиях, а также промышленное внедрение результатов исследований.
Численное моделирование теплофизических и физико-химических процессов газификации угля базируется на известных достижениях фундаментальных и прикладных наук, таких как теория тепло- и массообмена, физическая химия, теория горения, вычислительная математика и др. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на базе института "КАТЭКНИИутоль", НПО "Луч" (в настоящее время на его базе создан Национальный ядерный центр Республики Казахстан, г. Курчатов) и ЗАО "Карбоника-Ф" (г. Красноярск).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований в области тепло- и массообмена и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных, успешными испытаниями опытно-промышленных установок, созданных с использованием результатов исследований, промышленным применением разработанных способов и устройств для термохимической переработки и продуктов, полученных из угля, - горючего газа, углеродных сорбентов и полукокса.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту
Кинетические параметры (коэффициенты реакционного газообмена) реагирования бородинского бурого угля с диоксидом углерода и водяным паром в диапазоне режимных условий, используемых в промышленных газификаторах.
Математическая модель пылеугольного газификатора с распределенными параметрами учитывающая межфазный тепло- и массоперенос, теплообмен со стенкой, выход летучих веществ, гомогенное и гетерогенное реагирование, рециркуляцию пылегазового потока, а так же величину теплопотерь по зонам, определяемую из тепловых потоков в стенку с учетом экспериментальных данных о полях температур в футеровке реактора.
Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований пылеугольной парокислородной газификации КАУ, на основе которых определены технологические режимы процесса и установлено следующее:
- скорость конверсии органической массы угля не лимитируется межфазным массообменом и химическим реагированием, а определяется мощностью теплового потока в зону эндотермических реакций газификатора и наиболее рациональный способ увеличения удельной производительности реактора - повышение температуры в окислительной зоне за счет снижения теплопотерь и увеличения удельного расхода кислорода;
- выход горючих компонентов зависит только от перепада температур в реакторе, а самый существенный резерв увеличения КПД газификации -снижение температуры газа на выходе из газификатора ниже температуры жидкого шлакоудаления.
Автотермическая технология газификации угольной пыли на кислородном дутье с твердым ишакоудалением и защитой стенок реактора испаряющейся пленочной водяной завесой и методика расчета газификатора, учитывающая тепло- и массообмен при испарении завесы.
Математическая модель нестационарного тепло- и массопереноса в слоевом газификаторе, учитывающая межфазный тепло- и массообмен, выход влаги и летучих веществ, гомогенное и гетерогенное реагирование.
Результаты математического и физического моделирования газификации угля в автотермическом слоевом реакторе, на основе которых выявлен эффект "обратной тепловой волны" в слое газифицируемого угля на воздушном дутье, определены параметры, управляющие "тепловой волной", и их влияние на основные показатели работы газификатора, а так же технологические режимы получения полукокса с заданными свойствами.
Автотермическая технология получения горючего газа и полукокса в слоевом газификаторе, принцип действия которого основан на использовании эффекта "обратной тепловой волны", и результаты ее промышленного освоения.
Результаты исследований физико-химических и структурно-механических свойств новых продуктов, полученных в автотермическом слоевом газификаторе, - активированного угля из КАУ и полукокса из бурых и длиннопла-менных углей.
Концепция создания экологически безопасного безотходного энерготехнологического комплекса для переработки низкосортных углей в сортовой уголь, полукокс, электрическую и тепловую энергию.
Практическая значимость
Кинетические параметры реагирования угля, математические модели и методики расчета пылеугольного и слоевого газификаторов использованы для проектирования опытно-промьшшенных и промышленных установок.
Способ и устройство для автотермической газификации угольной пыли, основанные на использовании защиты стенок реактора испаряющейся пленочной водяной завесой, могут быть применены при создании газификаторов большой единичной мощности.
Автотермическая технология получения горючего газа и полукокса из угля в слоевом газификаторе может быть применена для создания эффективных и экологически безопасных производств для переработки низкосортных углей в электрическую и тепловую энергию и высококалорийный полукокс (среднетемпературный кокс).
Полученный полукокс имеет высокую реакционную способность, структурную прочность и термическую стойкость, большое электрическое сопротив-
ление, незначительное содержание вредных примесей и летучих веществ и может быть эффективно применен как:
восстановитель в производстве ферросплавов, карбида кальция и фосфора;
агломерационное топливо;
карбюризатор;
топливо в доменном производстве для вдувания в горн доменных печей;
полупродукт при производстве кокса и коксобрикетов;
бездымное топливо для коммунально-бытового использования.
- Новый продукт - активированный уголь АБГ из КАУ обладает высокой ад
сорбционной активностью и, благодаря энергоэффективной и экологически
безопасной технологии его производства, имеет низкую стоимость. Он ис
пользуется в промышленности, коммунальном хозяйстве и природоохран
ных технологиях как сорбент одноразового применения, так как его цена
ниже затрат на регенерацию.
Реализация результатов работы
Полученные результаты исследований нашли практическое применение:
при создании опытного газификатора производительностью 0,5 т угля в час в НПО "Луч" (Семипалатинск-21, ныне г. Курчатов);
при разработке технического проекта блока газификации БГУ-100 мощностью 100 т угля в час;
при разработке технических условий на новый продукт - активированный уголь АБГ из канско-ачинских углей (ТУ 6-00209591-443-95) и технологического регламента его производства (ТР 6-00209591-444-01);
при создании экологически безопасного промышленного производства активированного угля АБГ и тепловой энергии - ЗАО "Карбоника-Ф" (г. Красноярск);
при использовании на ряде предприятий (РАО "Норильский никель", РАО "ЕЭС России" и др.) активированного угля АБГ взамен более дорогостоящих и менее эффективных сорбентов других производителей;
при разработке концепции развития ОАО "Разрез "Березовский-1" (г. Шарыпово).
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Современные процессы переработки и физико-химические методы исследования угля, нефти и продуктов их превращения" (Иркутск, 1982 г.); XVI Международной научной конференции по тепло- и массообмену (Минск, 1985); V Всесоюзном совещании по химии и технологии синтетического топлива из угля (Москва, 1985 г.); Всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" (Красноярск, 1986 г.); Международной школе-семинаре "Проблемы тепло- и массообмена в современных технологиях сжигания и газификации твердого топлива" (Минск, 1988 г.); Всесоюзной научно-практической конференции "Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и нефтехимических продуктов
из угля" (Донецк, 1989 г.); Всесоюзном симпозиуме "Проблемы газификации углей" (Красноярск 1991 г.); Международной научной конференции "Химия угля на рубеже тысячелетий" (Клязьма, 2000 г.); II Международной научно-практической конференции "Природно-ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России" (Пенза, 2002 г.); Международной научно-практической конференции "Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства" (Москва, 2002 г.); Международной выставке-ярмарке по добыче, обогащению и переработке угля "Экспо-Уголь 2002" (присуждено 3 диплома в разных номинациях) и Международной научно-практической конференции "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (Кемерово, 2002 г.); Международной конференции "Имидж Красноярского края. Будущее региона" (Красноярск, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии освоения минеральных ресурсов" (Красноярск, 2003 г.); Всесоюзной конференции "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" (Красноярск, 2003 г.), а так же на совещаниях, технических советах и семинарах ряда предприятий и организаций топливно-энергетического и металлургического комплекса в период с 1988 по 2003 годы.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 40 печатных работ, в том числе 1 монография, 15 статей в периодических изданиях, 11 докладов на конференциях, 5 патентов на изобретения, 1 свидетельство на полезную модель, 2 депонированные рукописи и тезисы 5 докладов.
Личный вклад автора
Автору принадлежат постановка задач данного исследования, обоснование, разработка и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, разработка методик расчета газификаторов, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, участие в создании технологических процессов, способов и устройств, испытании опытных и промышленных установок и образцов продукции.
При решении отдельных задач принимали участие работающие под научным руководством автора А.Б. Морозов (защищена кандидатская диссертация) и аспирант А А.. Гроо. Автор благодарит за помощь в работе канд. техн. наук СР. Исламова СР. и д-ра физ.-мат. наук B.C. Славина, многие предложения которых использованы при подготовке диссертации.
Структура и состав диссертации
Диссертация состоит из введения, шести разделов с выводами, заключения, списка использованных источников и 8 приложений. Работа содержит 389 страницы машинописного текста, 57 рисунков и 58 таблиц. Список использованных источников включает 345 наименований.
Твердые продукты термической переработки угля
С этих позиций объектами исследования являются автотермические процессы переработки углей низкой степени метаморфизма в горючий газ и твердые углеродсодержащие продукты.
Следует отметить, что если производство газа в автотермических газификаторах широко используется в промышленности, то для производства полукокса в промышленном масштабе существует только один автотермический способ - уже упоминавшая термообработка угля в кольцевой печи. Этот способ разработан в 60-70-е годы в США компанией Salem Corporation и реализован в промышленном масштабе в 80-е годы в Германии (Rheinbraun AG) и Канаде (Luskar Ltd) /133, 161/. Углеродные сорбенты с высокой адсорбционной активностью получают только по двухстадийной аллотермической технологии, включающей карбонизацию и активацию /70, 94, 100/, причем обе стадии очень энергоемки и экологически опасны.
Систематические исследования и разработка способов автотермической переработки угля начались в 20-40-е годы XX века, и приоритет в этой области принадлежит Германии/133, 136, 180, 187, 330/. Большинство современных технологий переработки угля созданы с использованием немецких разработок тех лет. В 40-60-е годы XX века были сформулированы основные теоретические представления о физико-химических процессах, происходящих при химическом реагировании угля с газами, и выполнены фундаментальные исследования, не потерявшие актуальности до настоящего времени. В данном направлении неоспоримо лидерство советских ученых: А.С. Предводителева /113/, Л.Н. Хитрина /181/, Я.Б.Зельдовича /57/, Н.Н.Семенова /123/, Н.В. Лаврова /82/, Д.А. Франк-Каменецкого /178/, Б.В. Конторовича /64/, Л.А. Вулиса /37-38/, Е.С. Головиной /42/, Г.Ф. Кнорре /72/, Б.В. Померанцева /112/, А.Б. Резнякова /116/, С.Д. Федосеева /175-176/, З.Ф. Чуханова /184-186/, И.А.Яворского /194-195/. Парадоксально, но немцы, разработавшие все основные типы газификаторов, не создали сильной научной школы и не выполнили сколько-нибудь ярких фундаментальных исследований по газификации угля.
История переработки угля включала периоды бурного развития и спады. Наибольших масштабов промышленная переработка угля достигла в 30-50-е годы XX века. В СССР в 1958 году перерабатывалось в полукокс и газ более 20 млн т угля /176/. В настоящее время действует единственный завод полукоксования в г. Ленинске-Кузнецком, построенный в 40-е годы и выпускающий 80-90 тыс. т в год полукокса для производства углеродных сорбентов и карбюризаторов /133, 190/. Промышленных газогенераторов в России практически нет.
Спрос на угольные технологии упал в начале 60-х годов с началом разработки крупных нефтяных месторождений на Ближнем Востоке и в Западной Сибири. "Энергетический кризис" 1972 года, когда страны ОПЕК резко увеличили цены на нефть и ввели квоты на ее добычу, дал толчок новой волне интереса к угольным технологиям. В середине 80-х годов рынок нефти и природного газа стабилизировался и реализация ряда программ по переработке угля, прежде всего в синтетическое жидкое топливо (СЖТ), была приостановлена. Дальнейшее развитие и коммерческое применение получили несколько направлений: газификация угля, производство термооблагороженного топлива и углеродных сорбентов. Ниже кратко приведено современное состояние и основные недостатки автотермических способов, применяющихся в этих направлениях.
Газификация угля, ориентированная ранее на получение синтез-газа и технологических газов, стала в 90-е годы XX века самым перспективным и динамично развивающимся направлением в энергетике. Внутрицикловая газификация угля с использованием парогазовых установок (ПГУ) позволила увеличить электрический КПД тепловых электростанций с 33-35 до 46-50 %, сократить удельный расход топлива и на порядок уменьшить удельные выбросы вредных веществ - твердых частиц и оксидов азота и серы /95, 203, 217, 260/. После 1993 года в разных странах было введено в эксплуатацию 18 ТЭС на основе внутрицикловой газификации (ТЭС ПГУ) мощностью от 60 до 300 МВт, и ежегодный прирост суммарной мощности ТЭС ПГУ составляет около 30 % в год /319, 323/. Кроме того, в ряде регионов, бедных природным газом (США, Китай и др.), газ из угля используют для синтеза метанола и аммиака /296, 339/. Большинство новых процессов газификации разработано в Германии, США и Англии /4,187, 214, 224/. В России в 80-90-е годы работы по газификации угля не вышли за пределы лабораторных стендов. Исследования в этом направлении велись ИГИ /1/, ВТИ /9, 16/, НИИЭПЭ /85, 188/, ИВТАН /12, 13, 53, 166/ и некоторыми другими организациями /5, 54, 80, 87, 92, 118, 119, 144, 183/.
Анализ работ по созданию промышленных газификаторов большой единичной мощности показывает, что наиболее перспективен аппарат, в котором реализован следующий технологический принцип: одноступенчатый автотермический пылеугольный газификатор на парокислородном дутье с жидким шлакоудалением работающий под давлением 3 МПа. Из 18 ТЭС ПТУ на 14-ти применили газификаторы, использующие этот принцип /21II.
Основной недостаток таких газификаторов - жидкое шлакоудаление. Именно им обусловлена необходимость "обрывать" эндотермические восстановительные реакции углерода с газами при достаточно высокой температуре (-1800 К), что влечет повышенный удельный расход кислорода, сооружение дополнительной ступени для утилизации физического тепла газа - радиационного теплообменника, применение жаропрочных коррозионно-стойких материалов, снижение надежности и КПД газификации (отношение теплоты сгорания газа к теплосодержанию исходного угля). В то время как в слоевых процессах КПД газификации достигает 80 %, в пылеугольных данный параметр составляет 69-72 % /4, 136, 214/, и это считается пределом. В 30-40-е годы в Германии и Франции были предприняты попытки создать промышленный пылеугольный газификатор с твердым шлакоудалением не доводя максимальную температуру в ядре факела до температуры размягчения шлака
Математическая модель тепло- и массопереноса при газификации угольной пыли в прямоточном реакторе
Промышленные слоевые газификаторы представляют собой вертикальные аппараты шахтного типа с подачей угля сверху, а дутья - снизу. В нижней части газификатора имеется устройство для удаления минеральной части. Как правило, это конусная колосниковая вращающаяся решетка. Газификатор работает в стационарном режиме, и слой материала по ходу дутья можно разделить на отдельные зоны: - слой шлака, защищающий колосниковую решетку от высокотемпературных воздействий; - зона горения, где расходуется свободный кислород, содержащийся в исходном дутье, и генерируется тепловая энергия для эндотермических реакций газификации; - зона газификации, в которой углерод топлива реагирует с продуктами горения, поступающими из зоны горения; - зона подготовки (пиролиза и сушки) топлива.
Для балансовых расчетов и определения состава газа используются модели с сосредоточенными параметрами, в которых газовая фаза термодинамически равновесна, а органическая масса угля реагирует полностью либо до заданной степени конверсии углерода /64, 82, 270/. Предполагается, что газификатор адиабатический, так как расстояние, в пределах которого водоохлаждаемая стенка реактора оказывает влияние на температуру слоя, невелико ( 0,1 м) по сравнению с диаметром аппаратов (от 2 до 5 м).
Достаточно большое время контакта газа с материалом слоя (от 5 до 30 с) и удовлетворительная корреляция расчетных и экспериментальных данных /64, 82, 270/ дают основание считать, что предположение о термодинамическом равновесии газовой фазы в слоевом газификаторе правомерно.
Для инженерных расчетов, когда требуется определить уровень температур в зонах (прежде всего в зоне горения, где важно не допустить шлакования слоя), степень конверсии углерода и другие режимные параметры, используются одномерные стационарные модели /17, 197, 200, 211, 218, 222, 245, 254, 300, 325/. Одномерные модели представляет собой систему уравнений тепло-и массообмена стационарного слоя с движущимся потоком газа, учитывающие химическое реагирование углерода с газами, выход летучих веществ и влаги. Результатами расчета являются температурные и концентрационные профили по высоте газификатора.
Yu с соавторами /343/ рассматривает слоевой газификатор как цепочку реакторов идеального смешения для каждой зоны.
Нестационарные модели тепло- и массопереноса в газификаторе /263/ предназначены, в основном, для определения динамических характеристик аппарата при изменении технологических режимов. Только в работе /36/ предпринята попытка смоделировать нестационарное поведение аппарата с целью интенсификации массопереноса в газификаторе. В /226/ приведены расчетные и экспериментальные данные о движении фронта горения в слое древесного угля без привязки к какому-либо технологическому процессу. В этой работе режимные параметры исследований близки к представленным в данной диссертации. Статья Dasappa с соавторами /226/ опубликована в 2001 году, но наше исследование положено в основу двух патентов РФ /105-106/, полученных еще в 1994 году (приоритет от 11.11.92 и 16.08.93). Выводы и разделу 1
1. Выявлено, что технологическая переработка твердых топлив позволяет эффективно получать ряд целевых продуктов. Наиболее перспективные направления нетопливного использования угля - высокотемпературная автотермическая газификация, в том числе внутрицикловая с применением ТЭС ПТУ, и производство термооблагороженных твердых углеродных продуктов - адсорбентов, восстановителей и т.п.
2. В результате анализа промышленных процессов термической переработки углей определено, что в подавляющей их части используется аллотермиче-ский принцип нагрева сырья, при котором образуются токсичные и экологически опасные побочные продукты - смолистые вещества, подсмольные воды и отработанный теплоноситель. В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция увеличения интереса к твердым продуктам термической переработки угля и снижения - к жидким, так как целевые продукты, производимые из жидких компонентов переработки угля, замещены аналогами из нефти и природного газа. В ряде производств отказались от технологической переработки побочных продуктов, и используют их для генерации электрической и (или) тепловой энергии.
3. Показано, что автотермические способы переработки угля, в которых происходит полное или частичное расщепление летучих продуктов пиролиза на нетоксичные компоненты за счет окисления органической массы угля (ОМУ), предпочтительнее, так как эти способы экологически безопасны, энергоэффективны и менее капиталоемки. Наиболее перспективна газификация твердого топлива, когда органическая масса угля полностью или частично конвертируется в горючий газ при реагировании с кислородом, водяным паром и продуктами газификации.
4. Анализ тенденций развития автотермической газификации угля показал, что для энергетики (для внутрицикловой газификации), а в перспективе и для химической промышленности (для синтеза метанола, аммиака, СЖТ и т.п.) требуются газификаторы единичной мощностью 150-250 МВт или 50-100 т угля (марки Б2) в час, а основные технологические принципы, на основе которых возможно создание аппарата такой мощности - одноступенчатый пылеуголъный автотермический реактор, использующий повышенное давление ( 3 МПа), работающий на кислородном или парокислородном дутье. Наибольшая производительность реакционного объема достигнута именно в пылеугольных газогенераторах на парокислородном дутье. Эти аппараты позволяют перерабатывать угли любой степени метаморфизма, практически исключают образование таких побочных продуктов, как смола и фенолы. При увеличении единичной мощности пока не встречается таких принципиальных препятствий, как в случае слоевых аппаратов или с кипящим слоем.
5. Выявлен основной недостаток пылеугольных газификаторов - пониженный КПД газификации (до 72 % по охлажденному газу), так как температуру на выходе из аппарата необходимо поддерживать выше температуры нормального жидкого шлакоудаления - 1770-1870 К. Известные технические и технологические решения, положенные в конструкцию пылеугольных газификаторов, не позволяют снизить температуру на выходе из аппарата, хотя гетерогенные реакции газификации, особенно на высокореакционных бурых углях, достаточно интенсивно идут и в диапазоне температур 1270-1770 К. Жидкое шлакоудаление приводит к повышенному удельному расходу кислорода, снижению надежности и увеличению стоимости блока газификации, так как требуется применение гарнисажной футеровки, жаропрочных материалов и сооружение дополнительной ступени утилизации тепла газа -радиационного теплообменника.
Принципиальное отличие процесса "КАТЭК"
Процессы нагрева, пиролиза и гетерогенного реагирования для каждой фракции осуществляются стадийно. В период времени 0 т т3инд (период индукции) частицы подвергаются нагреву. В следующий период rJUHd х rJUHd + х{л выходят летучие вещества, а при г TJUHd + т]гл происходит гетерогенное реагирование. Величины TJUHd и т]гл для каждой фракции определяются отдельно. Правомерность допущения стадийности процесса газификации подтверждается экспериментальными данными Бабия и Ку-ваева/10/. Незначительным наложением процессов во времени, обнаруженном в их экспериментах, пренебрегаем.
Поскольку период индукции существенно зависит от температуры окружающей среды /10/, в условиях неизотермического потока TJmd в явном виде не определяется. Примем допущение, что период индукции для каждой фракции равен времени нагрева частицы до температуры воспламенения Твоспл.- Без существенной погрешности для мелких частиц бурых углей можно принять Твоспл= 900 К /10, 72/.
По рекомендации Бабия и Куваева /10/ принимаем, что скорость выхода летучих веществ в период rJmd т xJUHd + х}гя неизменна во времени и зависит только от размера частицы. 7. Частица изотермична. Экспериментальные и расчетные данные показывают /10/, что для пылеугольных частицBi \.
Газовая фаза в каждый момент времени в данной расчетной ячейке идеально перемешана и находится в термодинамическом равновесии. Скорости гомогенных реакций стремятся к бесконечности. Последнее допущение для температур выше 1370-1400 К обосновано в работах Померанцева с соавторами /112/ и Smoot oM /299, 316/. В зоне горения, когда коэффициент избытка кислорода в газовой фазе больше единицы, газовая фаза состоит из 02, Н20, С02 и N2, а в восстановительной зоне - из СО, Н2, С02, N2 и Н20. Содержанием метана пренебрегаем.
Твердая фаза состоит из углерода (кокса) и летучих веществ. Влага топлива испаряется мгновенно. Зола инертна и не оказывает влияния на выгорание частиц. Последнее допущение подтверждается тем, что при помоле значительная часть золы отделяется. Оставшаяся зола не смачивает поверхность частиц, а собирается в виде капелек /10/.
Нагрев свежей смеси осуществляется конвекцией за счет рециркуляции продуктов реагирования. Для учета рециркуляции вводятся две величины: коэффициент рециркуляции р, равный отношению масс рециркулирующего и исходного потоков, и!?- расстояние, на котором осуществляется эжекция газов к корню факела. Поскольку состав и температура рециркулирующего потока неизвестны, они определяются итерационным способом. Для первой итерации берутся расчетные данные, получаемые в предположении полного выхода летучих веществ и потребления кислорода. 16. Как будет далее показано в параметрическом исследовании математической модели (см. разд. 2.4), на показатели процесса газификации существенно влияет величина теплопотерь в газификаторе. Большинство исследователей не уделяют этому должного внимания и ограничиваются введением в уравнения сохранения энергии радиационной и конвективной составляющих, учитывающих теплообмен со стенкой. Температура стенки Тст при этом задается. Такой подход, верный по содержанию, не всегда приемлем для инженерных расчетов. Этот подход справедлив, когда стенка реактора изотермична или температура стенки регулируется и может быть точно определена, что было осуществлено на некоторых экспериментальных стендах. В большинстве газификаторов, в том числе во всех промышленных аппаратах, температура стенки сложным образом зависит от тепловых потоков и явным образом не может быть определена или измерена. В данной работе принята следующая методология учета теплообмена со стенкой: а) при параметрическом исследовании варьируется величина теплопотерь АН, задаваемая в виде доли от теплоты сгорания исходного угля. Так легче ориентироваться в удельном тепловом балансе газификатора; б) при расчете оптимальных режимов промышленного газификатора в зоне, где температура газового потока выше температуры жидкоплавкого со стояния, температура стенки принимается равной температуре нормаль ного жидкого шлакоудаления. После указанной зоны задается соотноше ние Тст/Тг. Величина АН задается в процентах от теплоты сгорания угля; в) в расчетах, которые сравниваются с экспериментальными данными, полу ченными на стендовой установке, и используются для определения кине тических параметров (см. разд. 2.6), задается определяемая эксперимен тально величина теплопотерь по зонам. Тепловой поток, аккумулируемый футеровкой, и потери тепла в окружающую среду рассчитываются на основе данных контроля температуры стенок реактора термопарами, размещенными в несколько ярусов по длине реактора на различном расстоянии от стенки в каждом ярусе (см. разд. 2.6); г) при расчете газификатора с защитой стенок реактора испаряющейся пленочной завесой тепловой поток, воздействующий на стенку, определяется из теплового расчета. Учитывается теплообмен радиацией, включающий излучение и поглощение твердой фазой и трехатомными газами, и теплообмен конвекцией между пылегазовым потоком и пленочной завесой (см. разд. 3.5). Расчет газификатора при этом ведется поэтапно, и шаг интегрирования определяется из условий сходимости.
Получение активированного полукокса из канско-ачинских бурых углей в автотермическом слоевом газификаторе
В ходе экспериментов определялись: степень конверсии углерода - по содержанию азота в газовых пробах, состав газа по длине реактора - хромато-графическим методом и с помощью оптико-адсорбционного газоанализатора ГАУ-Д, температура по длине реактора - термоэлектродами ТПП и пирометром. Экспериментальные результаты семи опытов (№№ 15-21) приведены в табл. Д.З-Д.П приложения Д. Данные по температуре и составу газа представлены только для верхней зоны газификатора на расстоянии 1,08 м от точки ввода угля. На этом расстоянии, а в ряде экспериментов и на более коротком отрезке (см. табл. Д.5-Д.6 приложения Д), реагирование практически завершалось, и нижняя зона газификатора работала как радиационный теплообменник.
Средняя скорость движения потока в газификаторе - от 1,8 до 2,8 м/с, то есть время нахождения частиц в верхней зоне (1,08 м) - от 0,4 до 0,6 с.
Уровень теплопотерь в верхней зоне, определяемый по темпу прироста температуры футеровки (тепло, аккумулируемое футеровкой), составил от 6,7 кВт до 11,1 кВт или от 10 до 13,1 % от теплоты сгорания угля в разных экспериментах. Обсуждение экспериментальных результатов и сопоставление их с расчетными данными В табл. Д.5-Д.Ц приложения Д приведены экспериментальные данные по составу газа и его температуре в различных точках отбора проб и сравнение этих данных с расчетными, определенными по математической модели.
Пик температуры находится на расстоянии 0,1-0,2 м от точки ввода угля (время нахождения частиц 0,06- 0,08 с), а на расстоянии 0,4 м (0,12-0,16 с) в большинстве случаев процесс газификации завершался. В точках отбора на расстоянии 0,12 и 0,24 м от точки ввода угля газ состоит в основном из 02, СО2 и N2 с небольшим содержанием в ряде случаев СО и Н2. В этой зоне газовая фаза еще плохо перемешана, на что указывает: во-первых, большой разброс в соотношении N2 и 02 (то есть 02, и воздух плохо перемешаны), во-вторых, наличие в пробе одновременно 02, С02 и Н2, что противоречит термодинамическому равновесию и может быть следствием того, что в пробу отобраны не перемешанные микрообъемы. Степень конверсии углерода изменялась от 84 % (эксперимент 20) до 98 % (эксперимент 16 и 18), выход сырого газа во всех экспериментах был на уровне 1,6-1,85 нм3/кг исходного угля, а выход (СО+Н2) - от 0,87 (эксперимент 21) до 1,8-1,86 (эксперименты 15, 16, 18). КПД газификации был в пределах 54,7-65,1 %, а термический КПД- 73,5-86,5% (соответственно эксперименты 20 и 15). Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает их удовлетворительную корреляцию. Максимальные отклонения, как правило, не превышают 10%, что находится в пределах погрешности эксперимента.
На расстоянии 0,44 м (при расходе угля 12,7-16 кг/ч) и 0,76 м (при расходе угля 20 кг/ч) от точки ввода угля наблюдается в эксперименте и подтверждается расчетом максимум содержания СО в газе, далее содержание СО падает, а содержание Н2 увеличивается на несколько процентов, что объясняется сдвигом равновесия реакции СО + Н20 —» С02 + Н2 вправо при понижении температуры. Этим же, видимо, объясняется то, что расчет дает более высокое соотношение (СО : Н2) по сравнению с экспериментом (то есть закалка пробы про 138 исходит не мгновенно, а реакция сдвига частично идет в пробоотборнике), хотя суммарное содержание (СО + Ні) в расчете и в эксперименте достаточно близки. На соотношение (СО : Н2) влияет также дрейф влажности угля (влажность разных проб угля была от 18 до 20,5 %).
Соотношение кислород/уголь не определяет однозначно степень конверсии углерода и КПД газификации, так как эти величины зависят от величины теплопотерь (последний фактор в ходе эксперимента неуправляем). Однако удовлетворительная корреляция расчетных и экспериментальных данных дает основание утверждать, что с помощью этой математической модели можно рассчитать параметры процесса.
1. С позиций системного анализа определена стратегия математического моделирования газификации угля, выделены уровни иерархии моделей.
2. Разработана математическая модель пылеугольного газификатора с распределенными параметрами, учитывающая межфазный тепло- и массоперенос, теплообмен со стенкой, выход летучих веществ, гомогенное и гетерогенное реагирование, рециркуляцию пылегазового потока, а так же величину теплопотерь по зонам, определяемую из тепловых потоков в стенку с учетом экспериментальных данных о полях температур в футеровке реактора.
3. Сконструирован и изготовлен экспериментальный стенд для исследования газификации угольной пыли производительностью до 20 кг/ч по углю. Разработана методика экспериментального исследования газификации угольной пыли на парокислородном дутье. Оценка погрешности методики показала, что наиболее достоверная информация о степени конверсии углерода может быть получена при использовании в качестве трассера азота воздуха, применяемого для транспортирования угольной пыли в реактор. Определение степени конверсии углерода по зольности остатка дает повышенную погрешность. Приемлемая точность определения коэффициентов реакционного газообмена коксовых частиц с диоксидом углерода и водяным паром (погрешность менее 50 %) на данной установке может быть получена при использовании узких фракций угольной пыли - 160-200 и 200-315 мкм.
4. Проведено исследование динамики газообразования в прямоточном реакторе для полифракционного потока и для узких фракций на дутье различного состава. В качестве исходных параметров процесса использованы массовые потоки кислорода и водяного пара. Выходная информация представлена в виде температурных и концентрационных профилей по длине реактора. На основе последних рассчитана конверсия углерода и ряд интегральных показателей процесса.
5. По экспериментально полученным профилям температуры, степени конверсии углерода и объемного состава газовой смеси по длине реактора определены коэффициенты реакционного газообмена при совместном реагировании бородинского бурого угля с диоксидом углерода и водяным паром в диапазоне температур 1500-2000 К на дутье, близком по составу к используемому в промышленности. Коэффициенты реакционного газообмена для фракции 160-200 мкм и 200-315 мкм обобщаются следующими выражениями (м/с):
