Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Житературный обзор 7
1.1, Состояние и перспективы развития газификащи за рубежом и в СССР 8
1.2, Обоснование метода газификации углей в кипящем слое под давлением 22
1.3, Динамика газообразования в процессе газификации твердого топлива 25
Глава 2. Динамика газообразования при газишшщ угля в кипящем слое под давленим 39
2.1. Выбор методики экспериментального исследования динамики газообразования 39
2.2. Описание установки и методики проведения экс-перимента 42
2.3. Результаты экспериментальных исследований .,
2.3.1. Влияние скорости дутья на динамику газообразования 53
2.3.2. Влияние фракционного состава угля на динамику газообразования 66
2.3.3. Влияние состава дутья на динамику газообразования 70
2.3.4. Математическое моделирование процесса газификации угля в кипящем слое под давлением 83
Глава 3. Получение синтетического газа газишкацией углей в кипящем слое под давлением mm g-
3.1, Газификация углей на паровоздушном дутье с целью получения энергетического газа 94
3.1.1. Описание установки и методики проведе ния эксперимента 94
3.1.2, Результаты экспериментальных исследований 101
3.2, Газификация углей на парокислородном дутье с
целью получения технологического газа 106
Глава 4. Экономическая оценка процесса получения сшиетйческого газа газишкавдей углей в кипящем слое поддавлением 115
4.1, Экономические показатели производства энергетического газа 115
4.2. Экономические показатели производства технологического газа 119
Глава 5. Рекомендации по промышленному внедрению процесса получения энергетического газа 125
Выводы 131
Литература
- Динамика газообразования в процессе газификации твердого топлива
- Влияние фракционного состава угля на динамику газообразования
- Результаты экспериментальных исследований
- Экономические показатели производства технологического газа
Динамика газообразования в процессе газификации твердого топлива
Последней модернизацией процесса Лурги является газогенератор пРур - 100" /18,19/. В 1979 г. в Дорстене была построена опытная установка производительностью по углю от 3 ДО 7 т/ч с газогенератором Лурги, работающим при давлении до 10 МПа /20/.
Основные преимущества этого процесса: увеличение удельной производительности путем повышения давления до 10 МПа; возможность использования различных углей, существенно отличающихся по качеству; уменьшение выхода жидких продуктов и увеличение содержания метана в газе,
Фирма Рейнише Браунколе разрабатывает высокотемпературный процесс Бинклера /21,22/. Особенность этого процесса заключается в газификации угля в кипящем слое под давлением I ШПа и температуре 1100. Установка рассчитана на газификацию бурого и молодого каменного угля. Газ может использоваться для синтеза аммиака и метанола или в металлургической прошпшенности как газ-восстановитель с низким содержанием КИСЛЫХ продуктов /СО2 + Н20 10% /. При газификации на воздушном дутье получается низкокалорийна газ для энергетических целей /23/.
В начале 1978 г. фирмой Рейнише Браунколе построена пилотная установка по газификации угля в кипящем слое под давлением I МПа в г. Фрехен. Производительность установки 24 т в сутки угля, количество получаемого газа - 36000 нм сутки /24/. Намечено также строительство демонстрационной установки мощностью по углю 15 - 20 т/ч с добавкой в слой доломита или известняка для предотвращения спекания золы и одновременно очистки газа от сернистых соединений /25/.
В течение последних лет фирма Крупп-Копперс совместно с компанией Шелл Интернешенл Петролеум /26,27/ разрабатывает процесс газификации угольной пыли под давлением 1,5 - 3,0 МПа /модернизация процесса Копперса-Тотцека/. В 1978 г. введена в строй полупромышленная установка производительностью по углю 150 т в сутки в г. Гарбурге /28,29/.
Газ, получаемый по этому методу, состоит преимущественно из окиси углерода и водорода / СО - 65; Н2 ,- 25% /. Процесс ха-рактеризуется низкими удельными расходами по пару и кислороду. Расход кислорода составляет: для каменного угля 0,9 - 1,0 кг/кг, для бурого угля около 0,7 кг /в пересчете на горючую массу/. Выход газа - 2 нм /кг топлива. К.п.д. газификации - 77,5%.
Преимущества метода: нет ограничений по качеству угля; отсутствие жидких продуктов /смол, фенолов и др./; высокая производительность процесса; высокий термический к.п.д.
В ШРГ разрабатывается процесс Саарберг-Отто под давлением 3 МПа, позволяющий использовать любые виды углей /зольностью до 40% / и шламы гидрогенизации /30,31/. В качестве дутья применяют воздух, воздух, обогащенный кислородом, кислород и водяной пар. Процесс предлагается для производства следующих газов: энергетического, восстановительного, синтез-газа. Состав газа, получаемого при газификации битуминозного угля на парокислородном дутье, следующий, % об.: СО - 50; Н2 - 31; С02 - 19; СН - 0,2. Высшая теплота сгорания газа 10,4 №/нм .
В 1980 г. в Фельклингене-Шюрстемхаузене состоялась сдача в эксплуатацию демонстрационной установки по газификации угля по способу Саарберг-Отто. Производительность установки по топливу II т/ч и по газу 22000 нм /ч. Давление 2,5 МПа /32/.
Особенность процесса Саарберг-Отто: применение широкой гаммы углей с различной реакционной способностью; высокая тур-булизащя реагентов в зоне газификации /увеличивается скорость газообразования и улучшается состав газа/; в газе отсутствуют высококипящие углеводороды, переработка и использование кото-рых было бы связано с дополнительными расходами.
К 1984 г. фирма Саарберг-Отто ставит цель создать промышленную установку для электростанции мощностью 800 МВт /17/.
В 1978 г. в Оберхаузен-Холстене была пущена опытно-промышленная установка по газификации водоугольной суспензии под давлением 4Ша /метод Тексако/ с получением 12000 ш /ч сырого газа и производительностью по углю б т/ч /33,34/. Содержание твердая веществ в водоугольной суспензии составляет 55 -609Й. Состав сырого газа, % об.: СО - 45 55; Н? - 30 40; С0? -15 20; СН - 1»0. Планируется строительство установки произ-водительностью 100 тыс. м /ч газа в середине 80-х годов /35/;
Преимущества процесса: низков требование к исходному топливу /содержание золы до 40 /; в данном процессе может быть использован шлам, получаемый при гидрогенизации угля; газ не содержит жидких продуктов, что облегчает очистку; рабочее давление 4 ШПа и выше обеспечивает высокую производительность процесса.
Влияние фракционного состава угля на динамику газообразования
По методу М.К. Гродзовсного /89/ в слой опускалась гребенка из ряда трубочек, в которых на различных уровнях по высоте были просверлены отверстия. Засасываемый в отверстия газ растворялся в непрерывном потоке холодного азота, В результа-те этого происходила достаточно быстрая "закалка" отбираемых проб, и устранялось дальнейшее реагирование компонентов газа MOW собой. Эта методика газоотбора себя не оправдала. В результате засасывания газа через отверстия малого диаметра, от-бираемые пробы носили точечный характер, и состав газа сильно зависел от расположения частиц топлива перед точечным отверстием.газозаборной трубки. По данной методике нельзя было до-биться повторяемости результатов. Кроме того, вследствие значительного разбавления проб газа азотом / 10 - 20 кратное /, концентрации компонентов в анализируемом газе становились незначительными / 0,3 - 0,5# с комбинациями от 0,1 до 0,6% / и уменьшалась точность анализа.
Специфична методика отбора газа при помпши так называемого серебряного холодильника, разработанная Н.А. Каржавиной /95/, По этой методике отбор газа осуществлялся из всей массы газа после колосниковой решетки, являющейся верхней частью серебряного холодильника. Достоинством этого метода является отбор проб газа из всего сечения в любой момент времени, что исключает элемент случайности. Однако подобный метод может быть применен только при условии тщательной изоляции стенок газогенератора от теплопотерь. Различие температур у стенок и в центральной части газогенератора приводило к ухудшению сум - 41 маркого состава газа на выходе и тем самым к искажению действительной картины газообразования. Данная методика давала большие погрешности, особенно в окислительной зоне, с чем соглашается Н.А. Каржавина в своей статье /I00/. Предложенная ею ме-тодика отбора проб газа с помощью серебряного холодильника искажала результаты замеров особенно при малой концентрации кислорода в дутье из-за сильного отвода тепла холодильником, что приводило к неравенству температур в различных частях слоя топлива.
По методу, предложенному Х.й, Колодцевым /82/, отбор газа осуществлялся через трубку с узкой и длинной щелью, снабженной холодильником. Охлаждающее влияние холодильника имело место и в данном методе, однако оно было значительно меньше, вследст-вие относительно небольшой его поверхности. Несмотря на имеющийся недостаток, методика исследования процесса газообразования в слое топлива, разработанная Х,И, Колодцевым, наиболее точно описывает процессы происходящие в газогенераторе и дает надежные и хорошо повторяющиеся результаты. Обеспечивается усредненный отбор газа по сечению и быстрое его замораживание, Газозаборная трубка оказывает минимальное влияние на структуру слоя, вследствие ее малых размеров,
Анализируя методики различных исследователей в процессе изучения газообразования в слое топлива, в частности, рассматривая важнейший вопрос о способе отбора газа из слоя можно сделать вывод, что из всех применяемых газозаборных устройств нашим требованиям наиболее полно отвечает методика Х.И. Колод-цева,
Эскиз газозаборного устройства для исследования динамики газообразования в процессе газификации в кипящем слое под давлением представлен на рис. 2.1. В стальной трубке диаметром 10 мм помещалась газозаборная трубка диаметром 3x2 мм, на конце которой с помощью резьбы крепилась щелевая насадка, служившая для отбора газа. Чрезвычайно малая ширина щели / 0,1 мм / являлась достаточной гарантией того, что состав газа не иска-жался в процессе отбора пробы. Так как щель имела значитель-ну протяженность / 17 мм /, то тем самш достигалось автоматическое усреднение отбираемшс проб газа, что имеет важное значение , поскольку точечный отбор может давать случайные не-воспроизводимые результаты. го лась его
Для осуществления интенсивного охлаждения / "закалки" / отбираемых проб газа и тем самым полного исключения возможно-протекания вторичных реакций газозаборная трубка охлажда водой.
Конструкция газозаборного устройства позволяла перемещать вдоль оси газогенератора, работающего под давлением I МПа, Отбор проб газа осуществлялся после установления стабильного режима газификации.
Результаты экспериментальных исследований
Это обстоятельство также свидетельствует об увеличении протяженности зон в кипящем слое. Следует отметить, что с физической стороны процесс газификации угля в кипящем слое зависит и от гидродинамики, и от тепловых условий, тесно связанных друг с другом. Во всех проведенных опытах трудно отделить влияние одного фактора от другого из-за того, что повышение скорости дутья в слое частиц сопровождается уменьшением температуры.
При всех исследованных режимах газификации образование СО, Hg и СО2 происходит одновременно / рис. 2.5 /, но рост-концентрации двуокиси углерода в окислительной зоне происхо дит более интенсивно, чем окиси углерода и водорода. На всем протяжении окислительной зоны соотношение СО/СО2 не превышает 0,5. Это свидетельствует о том, что в окислительной зоне в основном образуется двуокись углерода. Абсолютные значения концентрации водорода и окиси углерода невелики.
Исследование влияния режима дутья на динамику газообразования показало, что с уменьшением скорости дутья соотношение окислов углерода изменяется в сторону увеличения содержания окиси углерода, и возрастает концентрация водорода в газе,
Это можно объяснить тем, что изменение скорости дутья неразрывно связано с температурнБм режимом процесса, вследствие чего температура в окислительной зоне увеличивается от 1010 при! скорости дутья 0,43 м/с до 1100 при 0,31 м/с, а, следователь-но, возрастает и концентрация горючих компонентов / СО и Но /;
Переход из одной зоны в другую характеризуется, с одной стороны, максимумом COg, с другой - изменением закономерности роста концентрации окиси углерода и водорода. Это подтвержда-ется также ходом температурных кривых. Температура достигает максимального значения к концу окислительной зоны и соответст-вует максимуму на кривой выхода двуокиси углерода. Затем тем-пература понижается, что говорит о протекании эндотермических реакций восстановления двуокиси углерода и разложения водяного пара;
Наличие максимума СО2 в окислительной зоне свидетельству-ет о восстановлении двуокиси углерода в конце этой зоны, ко-торое при максимуме температуры до ошо протекать в большей мере, чем в любом другом участке слоя. Это согласуется с данны-ми многочисленных исследований кинетики этой реакции. Под -тверждением факта восстановления двуокиси углерода служит также непрерывный рост концентрации окиси углерода на выходе из окислительной ЗОНЫ.
При переходе из окислительной зоны в восстановительную значительно уменьшается содержание СО2 и происходит дальнейший рост концентрации окиси углерода и водорода в газе. Если-в окислительной зоне отношение окислов углерода СО/С0 не превышает 0,5, то к концу восстановительной зоны оно составляет в зависимости от режима процесса 0,95 - 1,75.
Из рис. 2.5 видно, что максимальное содержание окиси углерода в газе наблюдается на выходе из слоя и составляет 14 -18 , тогда как в конце окислительной зоны оно не превышает 7,5 -9,0 . Это показывает, что - 50 окиси углерода образуется в результате восстановления двуокиси углерода в восстановительной зоне.
Образование водорода происходит как за счет разложения Н2О, так и в результате конверсии окиси углерода водяным паром. Если проследить за динамикой образования Н2, то можно заметить, что в окислительной зоне концентрация водорода не превышает - 8,0 , а к концу восстановительной зоны она возрастает в зависимости от условий проведения эксперимента в 2 - 2,2 раза, что составляет 79 - 84 от общего количества образовавшегося в процессе газификации водорода.
Таким образом, в восстановительной зоне определяющими реакциями являются: С + С02 = 2С0 С + н2O = СО + н2 СО + н2о = со2 + н2 Основные процессы газообразования / увеличение выхода водорода и окиси углерода и уменьшение концентрации СО / в вое-становительной зоне начинают интенсивно развиваться уже в начальном участке зоны, сразу же после того как практически весь кислород прореагировал, и: почти заканчиваются к ее концу. Восстановительную зону условно можно подразделить на несколько участков по высоте кипящего слоя: в начальном участке проис-ходит интенсивное восстановление двуокиси углерода и разложе -бі те водяного пара; в верхнем - наблюдается понижение интенсивности протекания восстановительных реакций;
Рассмотрим изменение состава газа по высоте кипящего слоя / рис. 2.8 /. Дш этого воспользуемся фактором У , характеризующим отношение концентрации отдельна кошонентов в восстановительной и окислительной зонах.
Экономические показатели производства технологического газа
Наращивание энергетического потенциала СССР будет осуществляться за счет ввода тепловых электростанций, преимущественно на твердом топливе /118/, По прогнозам ввода новых мощностей на электростанциях доля ТЭС на органическом топливе от суммарно вводимых мощностей составит 549 в 1981-85 г.г, И" 39# в 1986-90 г.г.
В перспективе основную долю органического топлива, потребляемого ТЭС, составят угли: преимущественно низкокачественные / каменные и бурые угли с большим содержанием влаги, золы и серы /. Постоянное увеличение ввода мощностей в будущем также потребует резкого сокращения загрязнения окружающей среды газами и тепловыделением от электростанций,
Вместе с тем, для существенного повышения эффективности ТЭС необходим ввод новых блоков с пониженными удельными расходами топлива и уменьшенной материалоемкостью оборудования, В этом направлении перспективным является замена паросиловых установок парогазовыми / ШУ /.
На основе проектных разработок США, технико-экономичео ких исследований СССР и опыта практического применения ФРГ сделан вывод, что для условий энергетики в настоящее время наиболее реальны и экономически оправданы / по капитальным затратам и эксплуатационным расходам / процессы газификации углей под давлением с очисткой газа от пыли и сернистых соединений и: использованием его в парогазовых установках /119-121/,
По сравнению с прямым сжиганием твердого топлива такой метод существенно упрощает основное топливоиспользующее оборудование за счет исключения воздействия на него запыленных сернистых газов и в 2 - 3 раза сокращает массовый расход очищаемых газов. Экономически целесообразно создание энергетических ПГУ с внутрицикловой газификацией твердого топлива под давлением на паровоздушном дутье также потому, что на процесс газификации в таких условиях используется воздух от компрео сора газотурбинного агрегата и пар, отработанный в части высокого давления энергетической паровой установки,
По данным, полученным на лабораторной и- опытной установках по газификации твердого топлива и очистке газа НПО ЩТЙ им. И,И. Ползунова Минэнергомаша СССР и ВНИПЙЭнергопромом Минэнерго СССР выполнены работы, в которых показано, что при современных параметрах энергетического оборудования и показателях технологического процесса газификации угля в кишщем слое под давлением / по методу ИГО / применение парогазовых установок с: внутртцикловой газификацией твердого топлива вместо обычных пылеугольных паротурбинных установок обеспечит /без учета производства серной кислоты / экономию топлива до 8% I 300г.у.Ти. на кВтч /, экономию капзатрат до 1096 и приведенных затрат до: 1І9 . Расход металла на существующих теплоэлектроцентралях составит 23, а с ПГУ и: внутрицикловой газификацией - 9,2 кг/кВтч /70/.
Принципиально новыми для отечественного машиностроения элементами таких ПГУ являются газогенераторы с системами очистки генераторного газа, которые могут быть отработаны в составе опытно-промышленной ПГУ мощностью 250 МВТІ
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указано: "Создать опытно-промышленную парогазовую установку мощностью 250 МВт с внутрицикловой газификацией твердого топлива".
Принципиальная технологическая схема парогазовой установки с внутрицикловой газификацией топлива представлена на рис. 5.1. Она предусматривает приготовление топлива необходимого фракционного состава.
Дробленный уголь фракции 3 - 10 мм подается в бункер /4/ и далее через систему шлюзования /5/ - в окислитель /6/, работающий под давлением. Давление в системе шлюзования создается сжатым генераторным газом. Окислитель предназначен для предотвращения шлакования углей в газогенераторе при газификации спекающихся углей. Окисление угля осуществляется воздухом. Из окислителя топливо подается в газогенератор, где происходит его газификация в кипящем слое под давлением на паровоздушном дутье. Воздух для газификации проходит последовательно осевой /19/ и дожимающий /16/ компрессоры и после смешения с паром поступает в газогенератор. Пар на процесс газификации топлива отбирается после приводной паровой турбины /17/.
Генераторный газ после газификации охлаждается испарительными поверхностями нагрева высоконапорного парогенератора /ВПГ/, размещенными в газогенераторе, очищается от механических примесей и подается в ВПГ /22/ через расширительную газовую турбину /15/. Очистка газа должна обеспечивать надежную работу расширительной и основной газовых турбин. Для этого предусматривается грубая очистка в циклоне /12/ и тонкая очистка в скруббере /13/ с использованием газоводяных охладителей и нагревателей для рекуперации физического тепла генераторного газа.
