Исследование и разработка технологии газификации малозольных углей в плотном слое под давлением при паровоздушном дутье

Процессы слоевого горения и газификации углей применяются на практике с давних времен. На этих процессах основано действие многих энергетических устройств и агрегатов — слоевых топок котельных установок и промышленных печей различного назначения, газовых генераторов в энергетических и химических технологиях и т. д. Систематические исследования закономерностей горения угольных частиц и слоевого горения углей проводятся уже более 100 лет [1−35].

Известны исследования по слоевому горению в Горном бюро США Крейзингера с сотрудниками в 1917;1918 годах, далее их последователей Одибера, Хаслама и Русеела, а также всесторонние исследования Мотта в Англии в 1935;1941 годах [11]. Процессы распространения горения в подвижном и неподвижном слое угольных частиц в это же время и позднее исследовались зарубежными учеными В. Нуссельтом, П. Николсом, М. Эйлером, Д. Г. Сполдингом и другими [23, 32, 33]. В Советском Союзе обобщением экспериментальных материалов и разработкой расчетно-теоретических моделей слоевого процесса в 1930;1940 годах занимались К. К. Фарнес, М. А. Майерс, Б. В. Канторович, Д. Г. Гинзбург, Н. В. Шишаков, В. И. Блинов и другие [2, 3, 5, 32]. Дальнейший вклад в развитие теории и практики процессов горения и газификации углерода (угля, кокса и графита) внесли JI.A. Вулис, З. Ф. Чуханов, М. К. Гродзовский, Г. Ф. Кнорре, А. С. Предводителев, JI.H. Хитрин, О. А. Цуханова, JI.A. Вулис, Н. В. Лавров, В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Ю. А. Рундыгин, А. Б. Резняков, С. В. Бухман, Е. С. Головина, Г. С. Сухов, Л. П. Ярин, B.C. Альт-шулер, Г. П. Сеченов, В. И. Бабий, Х. И. Колодцев, Ю. Ф. Куваев, Т.В. Вилен-ский, Д. М. Хзмалян и другие [6−14]. Широко известны исследования по макроскопической кинетике химических реакций и теории процессов переноса в реальных системах Д.А. Франк-Каменецкого [4]. Из зарубежных авторов, внесших вклад в теорию реакций углерода с газами и парами воды, можно отметить П. Л. Валкера, Ф.Дж. Русинко, Л. Г. Аустина, М. Лето-ра, Т. Блайхольдера, Д. Бинфорда, X. Эйринга, С. Эргана, М. Менстера и других [11, 13,15, 27, 32].

Слоевое горение и газификация угля является чрезвычайно сложным гетерогенным физико-химическим процессом, которому присуща сложная кинетика. Этот процесс развивается в полидисперсной и гетерогенной среде в условиях фильтрационного и диффузионного переноса газов. Для процесса характерно наличие одновременного переноса энергии, импульса и массы в весьма сложной и неоднородной геометрической системе при наличии гомогенных и гетерогенных химических превращений, а также присутствие фазовых превращений с тепловой деформацией слоя, явлениями спекания и изменения структуры и свойств минеральной части топлива (угля) и коксового остатка.

По мере накопления экспериментального материала по исследованию процессов слоевого горения стали появляться теоретические разработки методов расчета газообразования в слое. Так А. С. Предводителевым с сотрудниками были выведены усредненные уравнения горения в угольном канале и слое и получены решения, описывающие концентрации кислорода, окиси и двуокиси углерода (углекислоты) по глубине слоя [5, 11]. Несмотря на то, что эти решения не учитывали полностью все детали слоевого процесса, в том числе исключали из расчета характеристики объемного горения окиси углерода, в общем, они давали достаточно правильную картину динамики газообразования в слое.

Известна приближенная теория выгорания и газификации угля в слое, разработанная В. В. Померанцевым с сотрудниками [27]. Получены решения уравнений выгорания в слое, определяющие концентрации кислорода и углекислоты в слое, а также скорость выгорания кокса с учетом полидисперсности топлива, дающие удовлетворительное совпадение теории с опытными данными. Несмотря на то, что эта теория получила распространение, она имела существенные недостатки, связанные с приближениями при постановке задачи.

Еще одна из первых теорий горения и газификации в неподвижном слое и в потоке вещества принадлежит Б. В. Канторовичу [15, 34], который, используя на обширный экспериментальный материал, построил систематическую модель кинетики горения топлива, учитывающую структурные характеристики среды и их изменение вдоль слоя, удовлетворительно описывающую реальные процессы. Однако эта теория имела существенные недостатки, такие как игнорирование зависимости скорости распространения волны горения от физико-химических характеристик вещества и режимных факторов (скорости процесса задавались априори). Автор отказался от рассмотрения слоевого горения как совокупности взаимосвязанных процессов тепломассопереноса и химического превращения, что в проточных системах приводит к несбалансированности конкурирующих процессов подачи в слой активных компонентов и самого химического процесса горения и газификации. В таких условиях существование стационарного процесса в слое становится невозможным и, следовательно, теорию, основанную на понятии скорости распространения волны горения как единого физико-химического процесса, следует признать несостоятельной.

Решение задачи об определении скорости распространения волны горения в пористой реагирующей среде при подводе извне газообразного окислителя впервые было получено А. П. Алдушиным, А. Г. Мержановым и Б. И. Хайкиным для нового направления в теории горения — самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Они определили скорость распространения волны СВС в виде функции геометрических, физико-химических и режимных параметров системы на основе совместного анализа процессов фильтрационного и теплового переноса в слое [36].

Этот классический результат был положен в основу балансного метода анализа непрерывного слоевого процесса, развитого Г. С. Суховым и Л. П. Яриным [15, 37, 38]. Балансный метод оперирует понятиями скорости подачи активных компонентов и скорости волны горения в твердой фазе. Хотя этот метод относится к частному случаю слоевых процессов с арре-ниусовской кинетикой, идущих с образованием конденсированных продуктов, по мнению авторов, не существует принципиальных трудностей для распространения его на случай горения газообразующих систем, таких как процесс горения и газификации угля в плотном слое.

Накопленные к настоящему времени опытные данные о процессах горении и газификации в плотном слое чрезвычайно разнородны и зачастую противоречивы. По-видимому, по причине того, что эксперименты проводились на разнообразных лабораторных установках, полупромышленных и промышленных агрегатах с конкретными марками углей разного дисперсионного состава при различных условиях и параметрах системы, зачастую не полностью контролируемых. Это обстоятельство снижает практическую ценность полученных результатов и препятствует обобщению экспериментальных данных разных авторов. Поэтому можно сказать, что построение законченной теории процессов горения и газификации угля в плотном слое, в настоящее время нельзя считать завершенной.

Интерес к технологиям переработки низкосортных натуральных твердых топлив (бурых и каменных углей), антрацитов и горючих сланцев, торфа, древесных отходов и т. д. на установках термохимической конверсии (газификации и пиролиза) в настоящее время возрастает в связи с неизбежным предстоящим переходом мировой энергетики на малоуглеродные и неуглеродные, в том числе водородные, технологии [39−44]. Среди ведущих направлений предстоящей диверсификации энергетики будут технологии газификации твердых топлив [45−48].

Актуальность работы. Общемировая тенденция к увеличению цен на углеводородные топлива подталкивает потребителей искать альтернативные более дешевые энергоносители. Газификация твердых топлив (углей) является одним из путей поддержания конкурентоспособности для многих производств. Многие технологические процессы требуют для своего обеспечения большого количества тепловой энергии, которую можно легко получить путем сжигания газа, полученного путем газификации угля. Кроме того, генераторный газ может быть использован в газопоршневых электрогенераторах, что является актуальным для автономного энергообеспечения отдаленных производственных и гражданских объектов. И, наконец, не следует забывать, что генераторный газ является хорошим сырьем для получения жидких синтетических топлив, например, путем проведения процесса Фишера-Тропша в составе комплекса «газогенератор, паровой котел-утилизатор, паровинтовой или газопоршневой электрогенератор и установка синтеза жидких моторных топлив».

Одним из перспективных направлений развития газификации является газификация натуральных твёрдых топлив, в том числе сернистых и высокозольных углей, как стадия их подготовки к использованию в топках теплопотребляющих агрегатов, не приспособленных для прямого сжигания. Процессы и методы газификации твердого топлива в зависимости от назначения получаемого газа можно классифицировать следующим образом [10, 49−50]:

• получение газов заданной теплоты сгорания;

• получение газов заданного состава.

Существуют различные типы процессов газификации углей, принципиально отличающихся в основном организацией процесса взаимодействия топлива и окислителя. Например, газификация с неподвижным или псевдоожиженным слоем или же со спутным потоком пылевидного топлива. Газификация проводится в специальных аппаратах — газогенераторах, которые также отличаются друг от друга в зависимости от типа процесса. В случае использования воздушного дутья получается низкокалорийный газ, в случае кислородного дутья — среднекалорийный газ.

В то время как газогенераторы с воздушным дутьём обычно работают при атмосферном давлении, газогенераторы с кислородным дутьём работают не только при атмосферном, но и при повышенных давлениях, что приводит к увеличению выхода метана.

В связи с возвращением мировой энергетики к технологиям газификации твердых ископаемых топлив, а также возобновляемых органических ресурсов, возникает необходимость разработки новых современных технологий их газификации и более глубокого понимания физико-химических основ этих процессов [51−60].

В соответствии с вышеизложенным основной целью работы является развитие существующих представлений о генерации горючих газов в плотном слое и разработка технологии их производства в газогенераторах Лурги, работающих под давлением на малозольном шубаркольском угле при паровоздушном дутье, в том числе:

• Определение возможности организации эффективного процесса газификации под давлением малозольного шубаркольского угля в газогенераторах Лурги при паровоздушном дутье.

• Определение оптимального газификационного соотношения «пар-воздух» (показателей газификации) в дутьевой смеси и диапазона надежной бесшлаковой работы газогенераторов Лурги с паровоздушным дутьём при газификации шубаркольского угля (содержащего предельно низкое количество минеральной части — зольного остатка);

• разработка математической модели физико-химических процессов газификации углей в плотном слое газогенератора Лурги.

Для достижения этих целей решались следующие задачи:

• Анализ существующих методов газификации углей в плотном слое при паровоздушном дутье и оптимизации соотношения объемов пара и воздуха в дутьевой смеси.

• Проведение систематических экспериментальных исследований на промышленных газогенераторах Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при паровоздушном дутье и определение оптимальных значений показателей газификации.

• Сравнительный анализ режимов газификации угля при паровоздушном и парокислородном дутье и определение целесообразности работы Фабрики газификации угля на паровоздушном дутье.

• Разработка математической модели физико-химических процессов газификации углей в плотном слое газогенератора Лурги на основе анализа существующих теоретических методов и новых экспериментальных данных.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту):

• Оптимальные значения показателей газификации газогенераторов Лурги, работающих под давлением на низкозольном шубаркольском угле при паровоздушном дутье.

• Результаты экспериментальных исследований работы газогенераторов Лурги при паровоздушном дутье под давлением.

• Математическая модель физико-химических процессов газификации углей в плотном слое газогенератора Лурги.

Практическая значимость.

• Разработана конструкции газогенератора Лурги под давлением, способного работать на низкозольном угле.

• Проведен сравнительный анализ результатов исследований работы газогенераторов Лурги на паровоздушном и парокислородном дутье.

• Анализ технико-экономических показателей работы газогенераторов Лурги показал возможность реализации технологии газификации углей при паровоздушном дутье с одновременным производством кокса.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований, проведением модельных и широкомасштабных натурных экспериментальных исследований с применением современных экспериментальных методов. Апробация работы.

Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: II Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (Самара, 2004), конференции «Техперевооружение объектов энергетики на основе продуктов и услуг Уральского турбинного завода» (Екатеринбург, 2004), 3-й Международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение, оптимизация энергопотребления и обеспечение экологической безопасности на предприятиях металлургической, горной и нефтехимической промышленности» (Санкт-Петербург, 2005), I Международной научно-технической конференции и Инвест-форуме Восточно-Казахстанской области «Энергетика, экология, энергосбережение» (Казахстан, Усть-Каменогорск, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики — ЭЭТПЭ-2007» (Барнаул, 2007), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007) и Второй Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики — ЭЭТПЭ-2008».

Барнаул, 2008), Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009), 5th International Conference on «Technical and Physical Problems of Power Engineering» TPE-2009, (Bilbao, Spain, 2009), Международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля» (Москва, ВТИ, 2009).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованном ВАК, 9 докладов и 6 тезисов докладов на конференциях различного уровня, учебное пособие и монография [61−78, 130].

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова (АлтГТУ).

Научным руководитель и научный консультант.

Научный руководитель диссертационной работы — Почетный работник высшего профессионального образования России, профессор АлтГТУ им. И. И. Ползунова, заведующий лабораторией НИИ СО РАН-АлтГТУ, д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Научный консультант диссертационной работы — докторант АлтГТУ им. И. И. Ползунова, к.т.н. Загрутдинов Р.Ш.

Результаты исследования были использованы при проведении пуско-наладочных работ на оборудовании первой очереди Фабрики газификации угля АО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар), составлении рекомендаций по режимам эксплуатации газогенераторов Лурги под давлением с паровоздушным дутьем и при проектировании оборудования второй очереди Фабрики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.