Исследование технологического режима газогенераторов Лурги при парокислородной газификации углей под давлением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ООЗ1В5ЭОВ

ЗАГРУТДИНОВ Равиль Шайхутдинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЛУРГИ ПРИ ПАРОКИСЛОРОДНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

01 04 14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 МАР 2000

Барнаул 2008

003165906

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете

им ИИ Ползунова

Научный руководитель: доктор технических кгук, профессор

Сеначин Павел Кондратьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жмудяк Леонид Моисеевич доктор технических наук, доцент Пузырев Евгений Михайлович

Ведущая организация:

Уральский государственный технический университет (УГТУ-УПИ), г Свердловск

Защита состоится « 04 » апреля 2008 г в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 212 004 03 при Алтайском государственном техническом университете им И И Ползунова по адресу 656038, г Барнаул, пр Ленина, 46, АлтГТУ E-mail D21200403@mail га. тел/факс (3852)260516

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан « 03 » марта 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

АЕ Свистула

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время проблемы энергетики и энергосбережения приобретают все большее значение Среди них важное значение имеет проблема энергетической безопасности производственных процессов, гражданских и других объектов Актуальными остаются проблемы обеспечения энергией отдаленных районов, пунктов и хозяйственных объектов Поэтому разработка комплексных энергетических установок (таких, например, как газогенератор, газовый двигатель или работающая на газе электрогенераторная станция с котлом-утилизатором) для автономного обеспечения тепловой, механической и электрической энергией является весьма актуальной проблемой Исходным звеном такой установки может быть автономный газогенератор, работающий на угле

Многие производственные и технологические процессы требуют для своего обеспечения большого количества тепловой энергии (пара или горячего газа), которую можно легко получить путем сжигания газа, полученного путем газификации угля

Основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах генерации горючих газов из каменных углей местных месторождений в плотном слое под давлением в газогенераторах, работающих по технологии Лурги на низкозольном шубаркольском угле При этом главными направлениями исследования были следующие

• определение диапазона надежной бесшлаковой работы газогенераторов Лурги при газификации шубаркольского угля, содержащего предельно низкое количество минеральной части (зольного остатка),

• достижение максимально возможного снижения величины показателей газификации (газификационного отношения пар/кислород) в дутьевой смеси

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

• Рассмотрение и обзор существующих методов газификации углей и выбор наиболее рациональной технологии производетва газа из низкозольного шубаркольского угля

• Обобщение существующего опыта организации технологического процесса газификации углей в плотном слое под давлением при парокисло-родном дутье в газогенераторах Лурги

• Проведение систематических экспериментальных исследований на промышленных газогенераторах Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье, с целью достижения оптимальных значений показателей газификации и выработки рекомендаций для проектирования второй очереди газогенераторной станции

Научная новизна работы заключается

В определении оптимальных значений показателей газификации газогенераторов Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при па-

рокислородном дутье под давлением, а также получение и обобщение обширного экспериментального материала, описывающего технологический процесс Лурги

Практическая значимость. Отлажен технологический процесс газификации низкозольного шубаркольского угля при парокислородном дутье под давлением на промышленных газогенераторах Лурги и получены оптимальных значения показателей газификации Результаты исследования внедрены на предприятии АО «Алюминий Казахстана» (г Павлодар, Республика Казахстан) Издано учебного пособие по результатам исследования

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня П 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) и III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России, 1 статья в региональном журнале, 6 докладов и 3 тезиса доклада на конференциях различного уровня и 1 учебное пособие

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы Содержит 124 страниц, 29 рисунков, 12 таблиц и 49 цитированных источников СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показаны ее научное и практическое значения, изложены основные положения, выносимые на защиту 1 ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

Рассмотрены существующие технологии переработки углей коксование, полукоксование, гидрогенезация и газификация Показано, что газификация твердого топлива является важным направлением техники использова-

ния натуральных твердых топлив и, прежде всего, ископаемых бурых и каменных углей.

Скачок цен на углеводородное топливо в начале ХХ-го века спровоцировал интерес к газификации и высокоинтенсивным технологическим процессам с использованием пылевидного угля. Это, прежде всего газификация в восходящем потоке фирмы Shell и GE, водоугольной суспензии — ConocoPhil-ips, в нисходящем потоке - Siemens. Первые два процесса получили признание в Китае, третий - в Северной Америке, четвертый - находится в развитии.

Рисунок 1 - Принципиальная схема газификатора Пурги и его

реакционных зон: I - газовое пространство:

II — зона выделения

летучих;

III - вторичная восстановительная

зона;

IV-первичная восстановительная

зона;

V- окислительная

зона;

VI - зольная подушка.

В 1930 г. Фирма Лурги (Ьи^) разработала метод газификации топлива кислородом и паром при повышенном давлении. Результаты лабораторных, полупроизводственных, а позднее и производственных испытаний показали, что таким способом можно использовать малоценные топлива и получить из них богатые газы, соответствующие по своей теплоте сгорания бытовому газу. Кроме того, подбором давления и производственного режима можно вырабатывать газы разного состава, синтетический газ с требуемым соотношением между Н% и СО (рис. 1).

В 1984 году в США был запущен завод «Великие равнины» (штат Дакота) для производства заменителя природного газа из угля с газификаторами ГУ-го поколения, на котором 14 газогенераторов с внешним диаметром 4,0 м вырабатывали газ, а также и широкий набор побочных продуктов (мазут, фе-

нолы, серу, сульфаты, аммиак и др) Более 20 лет завод успешно работал на углях класса лигнит Газогенераторы зарекомендовали себя как надежные и неприхотливые технологические агрегаты Единичная мощность которых в полтора раза превысила проектную Процесс Лурги был выбран из-за того, что на тот момент это была единственная отработанная технология, которую могли профинансировать инвесторы

В середине 90-х годов прошлого столетия был запущен газовый завод в Китае с газогенераторами ZVU типа Лурги (Lurgi) Производительность газогенераторов с диаметром шахты 2,8 м на каменном угле достигала 18500 м3/ч, завод проработал 9 лет В настоящее время в мире в эксплуатации находится более 130 газогенераторов типа Лурги Более всего эти газогенераторы распространены в ЮАР и Чехии В слоевых газогенераторах фирмы BGL процесс газификации угля осуществляется под давлением под давлением, как и в газификаторах Лурги, но с жидким шлакоудалением 2 ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ В ПЛОТНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Среди всех известных технологий газификации углей наибольшее распространение получил процесс газификации угля в плотном слое под давлением Процессы газификации углей были весьма распространены в XX веке Многие отечественные (СССР и Россия) и зарубежные заводы работали по методу газификации в плотном слое При этом с парокислородным дутьем под давлением работал, например, Щекинский газовый завод в Тульской области Завод в Котла-Ярве в Эстонской ССР, завод в г Сланцы в Ленинградской области и прочие работали с паровоздушным дутьем при атмосферном давлении Они обеспечивали снабжение газом ряда городов, в том числе Москвы, Ленинграда, Таллина и других В 1936 г для снабжения г Цитау (40 000 жителей, Германия) был построен газовый завод с двумя генераторами, диаметр шахты 1,2 м, генераторы работали под давлением 2,0 МПа и производили 3,5 млн м"3 бытового газа в год В 1941 г был пущен в эксплуатацию газовый завод в г Белене (Германия), на котором установлено 10 генераторов Компанией Mitsubishi Hi (Япония) разработана технология газификации углей в спутном потоке иод давлением на воздушном дутье В настоящее время в различных странах разрабатываются другие технологические процессы производства горючих газов, которые находятся в развитии Интерес к процессам генерации газа из углей в мире постоянно растет

Среди всех известных технологий газификации углей наибольшее распространение получил процесс газификации угля в плотном слое Из процессов газификации в плотном слое наиболее отработанной и надежной в эксплуатации является схема газификации в плотном слое под давлением — процесс Лурги (Lurgi) В нашей работе именно этот процесс газификации углей является предметом исследования Рассмотрим его подробнее

На рис 2 и 3 приведены фронтальный и боковой разрезы газогенераторного цеха АО «Алюминий Казахстана» для газификации Шубаркольский бу-

рый уголь фракции 5-30 мм Газогенераторы рассчитываются на давление до 1,4 МПа, а газификация угля может производиться под давлением 1,2-1,3 МПа В качестве дутья используется парокислородная, паровоздушная или парокислородновоздушная смеси (табл 1) Расчетная температура в реакционной зоне составляет около 1300-1400 К, а интенсивность процесса газификации порядка 2000 кг/м2*ч

Процесс газификации в слоевых газогенераторах Лурги противоточный Факторами, лимитирующими температуру процесса, являются плавкостные характеристики топлива Для шубаркольского бурого угля лимитирующим является температурный интервал 1470-1680 К (от температуры начала деформации до температуры начала размягчения) Процесс газификации в газогенераторах Лурги организован таким образом, чтобы зола не размягчалась, не сплавлялась, а оставалась в твердом состоянии как в активной зоне, так и на колосниках решетки, создавая изолирующий слой

В результате процесса газификации в предохладитель поступает сырой неочищенный газ, в котором, кроме СО и #2, содержатся прочие компоненты, а именно С()2, СЩ, СпНт, Я25, ТУ2 и водяной пар с определенным содержанием масел, фенолов и газолина Химические реакции, происходящие в газогенераторе под давлением, являются главным образом экзотермическими, а вырабатываемое тепло впоследствии утилизируется

Рассмотрим физико-химические процессы, протекающие в газогенераторе с плотным слоем На рис 1 схематически показаны отдельные реакционные зоны и физико-химические процессы, происходящие внутри реактора газификатора

В верхней части реактора находится газовое пространство I с газовыпускным отверстием Ниже располагается зона выделения летучих (зона полукоксования) II

Далее показана вторичная восстановительная зона III (зона прогрева топлива), с преобладающими следующими основными реакциями

С + С02 = 2СО - 175,6 МДж/кмоль, (1)

СО + НгО - СОг + #2 + 43,1 МДж/кмоль (2)

Под ней расположена первичная восстановительная зона IV (зона теп-лопоглощения) с преобладающими следующими основными реакциями раскаленного углерода с водяным паром и двуокисью углерода

С + 2НгО = С02 + 2Н2 - 89,5 МДж/кмоль (3)

С + С02 = 2СО - 175,6 МДж/кмоль, (4)

С + Н20 = СО + Н2- 132,6 МДж/кмоль, (1+2)

Заметим, что образующийся в восстановительных зонах III и IV газ содержит два горючих компонента - оксид углерода и водород Как видно из приведенных уравнений, реакция (1) частично протекает и в восстановительной зоне IV. Еще ниже расположена активная зона горения V (окислительная зона), в которой происходит горение твердого топлива с образованием СО и СОг по реакциям

2С + 02 = 2СО + 218,8 МДж/кмоль, (5)

С + О, = С02 + 394,4 МДж/кмоль. (б)

При взаимодействии СО иЯ2в III и IV зонах может образовываться метан, который в процессе подвергается термическому распаду

СО + 3#2 = С#4 + Н20 + 203,7 МДж/кмоль, ' (7)

С#4 = С + 2Я2-71,1 МДж/кмоль. (8)

Участок между зоной активного горения и колосниковой решеткой VI представляет собой слой зольной подушки Отметим важное технологическое условие газификации в плотном слое - в неподвижном слое допустимая температура лимитируется температурой плавления твердого топлива, по-существу, золы

Таким образом, в нижней зоне V происходит окисление угля до С02 (окислительная зона), в средней зоне IV С02 восстанавливается до СО (восстановительная зона) Нижняя и средняя зоны вместе называются зоной газификации Горячие газы этих зон с температурой порядка 1100-1200 К нагревают и подвергают пиролизу уголь в вышележащих зонах III и II Эти две последние зоны вместе образуют зону подготовки топлива

Таблица 1

Параметры парокислородной дутьевой смеси

1 Необходимое количество дутьевого пара на газификатор, т/ч 9,9

2 Количество кислорода в дутье одного газификатора, м7ч 1443

3 Количество внешнего (чистого) пара в дутьевой смеси, т/ч 5,9-4,9

4 Давление дутьевой смеси, МПа 1,3

5 Температура внешнего пара в дутье, К 620

6 Давление внешнего пара в дутье (регулируемое), МПа до 3,0

7 Температура смеси napos аммиачно-фенольной воды с парами масел подаваемых в дутье, К 470-570

8 Количество смеси паров аммиачно-фенольной воды с парами масел подаваемых в дутье, т/ч 4,0-5,0

Сочетание всех приведенных выше основных реакций газификации (1)-(8) определяет состав образующегося газа, который изменяется по высоте газификатора Таким образом, генераторный газ обычно получают продуванием смеси воздуха или кислорода с паром через слой угля, организуя неполное сгорание топлива

Поскольку в газификаторе протекают как экзотермические, так и эндотермические реакции, то в соответствии с принципом Ле-Шателье равновесия экзотермических реакций при увеличении температуры в рассматриваемой зоне смещаются в сторону образования исходных веществ, а при уменьшении температуры — в сторону образования продуктов реакции При этом отношение С01С02 зависит от различных факторов избытка воздуха, температуры процесса, способа контактирования части топлива с окислителем и других Равновесие экзотермических реакций, а также реакции при уменьшении температуры процесса смещается в сторону образования СО и С02 При этом пропорции получения С0/С02 зависят от различных факторов избытка воздуха, температуры процесса и способа контактирования части топлива с окислителем Меньшие объемные скорости окислителя способствуют образованию СО Равновесие экзотермических реакций сдвинуто в сторону образования исходных продуктов при температурах выше 1300 К и не зависит от давления Образование метана по реакции более вероятно при повышении давления газификации

Многочисленные исследования макромеханизма реакций взаимодействия углерода в плотном слое с Н20 и С02, протекающих в восстановительных зонах III и IV и определяющих состав получаемого газа, показали, что лимитирующими стадиями являются хемосорбция и образование промежуточных соединений, а также что в реагировании принимает участие менее 40 % поверхности углерода Интенсифицировать процесс можно применением катализаторов, увеличивающих скорость реакций в 2-3 раза Наиболее целесообразно в процессах газификации использовать катализаторы, ускоряющие реакции в окислительных и восстановительных зонах Кроме того, в восстановительных зонах газогенератора химические реакции протекают в кинетической области, далеки от равновесия и не успевают завершиться Поэтому длина реакционной зоны не укладывается по высоте слоя топлива и только при глубоком реагировании может быть ей равна

Тепла, поступающего из окислительной зоны газогенератора и выделяющегося при протекании экзотермических реакций, недостаточно для обеспечения этих реакций и они полностью не успевают завершиться Для интенсификации реакций углерода с С02 и Н20 и увеличении степени их превращения необходимо предусмотреть организацию дополнительного подвода тепла в восстановительные зоны газогенератора

Термодинамические расчеты позволяют определить равновесные составы газов в зависимости от температуры и давления газификации Однако использовать результаты этих расчетов для предсказания реального состава газов довольно сложно из-за значительных различий в скоростях реакций и влияния на процесс ряда технологических факторов

В процессе слоевой газификации угля сочетаются термическая переработка топлива и собственно газификация полукокса или кокса, полученного в зоне подготовки топлива Поэтому газ, выводимый из аппарата, содержит не только компоненты, образовавшиеся в процессе газификации, но и продукты пиролиза влажного твердого топлива, смолы в паровом состоянии, водяной пар, а также уносы (пылевидного топлива и золы) При охлаждении отводимого из газификатора газа происходит конденсация смол и воды, которые далее должны очищаться и подвергаться переработке В этом процессе изменяется и состав твердой фазы В зону газификации поступает уже не уголь, а кокс, а из окислительной зоны выводится раскаленный шлак

Термическое разложение твердого топлива можно осуществлять в различном интервале температур В интервале до 820 К протекает процесс полукоксования, при котором практически полностью выделяются смолистые вещества, и другие продукты, которые могут конденсироваться при охлаждении В интервале 820-1070 К (среднетемпературное коксование) образуется незначительное количество смолистых веществ и выделяются углеводородные газы и водород Повышение температуры до 1370 К (высокотемпературное коксование) приводит к образованию кокса и выделению горючих газов, состоящих в основном из метана и водорода В условиях изменения темпера-

туры процесса газификации можно получать различные продукты термического распада топлива Продукты могут быть отобраны из газификации после прохождения их через зоны постепенно снижающихся температур при противотоке топлива и газов (прямой процесс) или после пропускания их через зоны повышающихся температур при параллельном токе топлива и газов (обратный процесс)

Горючий газ может быть получен в газификаторе при высокой интенсивности выгорания углерода топлива при определенных условиях ведения процесса При газификации топлива, основными объемными реакциями являются горение углерода и водорода, а также конверсия окиси углерода водяным паром Протекание этих реакций в значительной мере зависит от взаимодействия дутья (воздуха или кислорода и водяного пара) с поверхностным углеродом

Время пребывание газов в слое тоже оказывает влияние на протекание процесса При прочих равных условиях термический распад горючей массы топлива практически не зависит от давления Однако повышение давления существенно влияет на протекание вторичных реакций В присутствии катализатора при пониженном давлении образуется большое количество углеводородов, но требуется большое количество катализаторов При повышении давления и температурном уровне процесса ниже 970 К увеличивается выход метана, а при температуре более 970 К изменение давления существенного влияния на образование метана не оказывает В целом в присутствии катализатора, скорость реакции возрастает с ростом давления Интенсивность процесса пропорциональна корню квадратному из роста давления, а сжигание уноса (мелких частиц) пропорционально корню четвертой степени из роста давления при проведении газификации мелкозернистого топлива в кипящем слое под давлением

При увеличении времени пребывания увеличивается выход газа и снижается выход смолы и пирогенетической влаги В газе повышается содержание СЯ4 и снижается содержание непредельных соединений углеводородов и водорода Увеличение температуры при неизменном времени пребывания приводит к увеличению СаНт и водорода, в смоле снижается количество фенолов и асфальтенов При поддержании в зоне термического разложения высокого давления и температуры свыше 1070 К (при наличии активной среды - водорода) можно получить газы с высокой низшей теплотой сгорания

В результате проведенного анализа процессов газификации угля в плотном слое и на основе данных, приведенных в отчете Института исследования топлив «иУР» в Биховице (г. Прага, Чехия), можно сделать следующие выводы С учетом всех обстоятельств, рациональной следует признать схему схему газификатора Лурги с колосниковой решеткой, с верхней загрузкой топлива и боковым выводом тепла, с охлаждаемой водяной "рубашкой", периодичной бункерной засыпкой угля и непрерывным золоуда-

лением Представляется рациональным и предлагается осуществлять газификацию в аппарате с сухим шлакоудалением, поскольку зольность топлива не превышает 3-5 % на рабочую массу

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЛУРГИ НА ШУБАРКОЛЬСКОМ УГЛЕ ПРИ ПАРОКИСЛОРОДНОМ ДУТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Основной целью комплекса исследований на предприятии АО «Алюминий Казахстана», выполненных в пуско-наладочный период на газогенераторах Лурги под давлением с парокислородным дутьем, работающих на шубаркольского угля, являлось достижение максимально возможного снижения величины показателей газификации (газификационного отношения пар/кислород) в дутьевой смеси

В газогенераторах Лурги под давлением на газогенераторной станции АО «Алюминий Казахстана» газифицируется длиннопламенный каменный уголь марки Д При этом расчетный расход угля на одном газогенераторе составляет 6,25 т/час Особенностью выбора топлива для газификации являлось то обстоятельство, что Заказчиком было предложено применить низкозольный уголь, используемый в технологии завода при обжиге гидрооксида алюминия.

В мировой практике эксплуатации газогенераторов Лурги газификация угля с зольностью не превышающей Ай=3,5-3,7 % не имела место Как правило, газифицировались каменные и бурые угли с зольностью на сухую массу не менее Аа=10-12 % Связано это с тем, что низкая зольность исследуемого топлива является фактором, ограничивающим его применение при газификации в плотном слое Малая зольность является причиной низкой скорости образования зольной подушки (зона VI) В целях поддержания высоты зольной подушки, исключающей пережог элементов колосниковой решетки, последняя должна иметь либо очень низкую скорость вращения, либо включаться кратковременно Однако низкая скорость вращения и, соответственно, минимальное количество удаляемой золы затрудняет равномерную раздачу дутьевой смеси по сечению реактора, что в свою очередь может привести к температурным перекосам и зашлаковке отдельных участков активной зоны газогенератора При наблюдаемых перекосах температур, появлении «прогаров» основным инструментом ликвидации этих нарушений процесса газификации является интенсивная прокрутка колосниковой решетки, что, в свою очередь, ведет к быстрому уменьшению высоты зольной подушки, критерием которой является резкий рост температуры падающей золы

При проектировании газогенераторной станции АО «Алюминий Казахстана» и для выбора необходимого оборудования низкозольный шубаркольский уголь был подвергнут специальному анализу в Институте исследования топлив «1Л/Р» в Биховице (г Прага, Чехия) В результате исследований были выданы следующие рекомендации 1) значения показателей газификации (по внешнему дутьевому пару ^=6,6-7,1, по суммарному, внешнему и внутреннему, дутьевому пару .К"2=8,2-8,8), 2) спекаемость угля (показатель свободного набухания РБТ) очень мала - почти нулевая(поэтому для обеспечения нормального техноло-

гического процесса в газогенераторах не требуется устройство и монтаж специальных устройств, разрушающих спекание угольной массы в верхней части реактора)

По данным лабораторных анализов температура спекания ^-1095-1100 К Низкая спекаемость угля по результатам исследований обеспечивается только для температур в верхней части реактора (на выходе из зоны сушки топлива) не превышающих 620 К Однако, в отдельных случаях при исследовании и поиске оптимальных режимов, температуры в этой зоне доводились до температур 670 К При этом температуры в зоне температур низкотемпературной карбонизации достигали иногда температур спекания Т5= 1100 К

Для оценки шлаковочных свойств минеральной части газифицируемого угля и для предварительного прогноза и планирования исследований по определению оптимальных режимов работы газогенератора, кроме информации по плавкостным характеристикам его минеральной части, крайне необходимо представление по его химическому составу (табл 2)

Таблица 2

Химический состав минеральной части газифицируемого шубаркольского угля

Химический состав золы Содержание в % от всей массы

Двуокись кремния, Б02 47-48

Триоксид алюминия, А1203 19,8-23,6

Триоксид железа, Ре2Оз 4,5-5,8

Окись кальция, СаО 6,0-9,0

Окись магния, МдО 2,0-3,3

Диоксид титана, ТЮ2 0,88-0,99

Пятиокись фосфора, Р205 0,2-1,0

Триоксид серы, БОз 4,0-7,3

Окись калия, К20 1,2-3,0

Окись натрия, №гО 1,7-3,4

Четырехокись марганца, Мп304 0,05-0,15

Из литературных источников известно, что в газогенераторах Лурги между входными и выходными параметрами имеется максимум 105 взаимных зависимостей При этом не учитываются зависимости чисто производственного значения, а также те зависимости, которые могут быть обусловлены типом и размерами производственного оборудования Имеется в виду влияние на процесс газификации следующих факторов - временного ритма дозагрузки топлива, циклов удаления золы, скорости вращения колосниковой решетки и т п, которые кроме загрузки генераторной установки и качества газифицируемого топлива, зависят от размеров устройств впуска угля, устройств выпуска золы, отвального устройства колосниковой решетки данного типа и т д Знание этих соотношений имеет значение в первую очередь при конструктивном решении технологического оборудования Не нуждается в рассмотрении и способ подачи угля и удаления золы, если он сам по себе не противоречит требованиям собственно технологии производства газа под давлением

В соответствии с задачами исследований из всех взаимных зависимостей экспериментальной проверке нами в основном подвергались

• соотношения входных параметров (состав и концентрация газифицирующей смеси - показатели газификации) и выходных (содержания отдельных компонентов неочищенного газа, теплотворной способности, удельной теплоты сгорания),

• зависимости температур слоев угля в зонах сушки топлива 7\ (температур слоя угля под ретортой) и в зоне низкотемпературной карбонизации Г2 от коэффициентов газификации,

• зависимости выходных параметров генераторного газа (содержания отдельных компонентов неочищенного газа, теплотворной способности, удельной теплоты сгорания) от температур слоев угля в зонах сушки топлива Тх (температур слоя угля под ретортой) и в зоне низкотемпературного полукоксования Тг

Наиболее определяющими и оказывающими максимальное влияние на режим работы газогенераторов факторами является газификационное соотношение дутья, характеризующееся двумя коэффициентами К! и К2 (показателями газификации)

• — отношение количества внешнего перегретого дутьевого пара (т/час) к количеству технического (95 %-го) кислорода в дутье при нормальных условиях (нм3/час) Кх = <2[ /Г0 2 ,

• К2 — отношение суммарного количества (внешнего перегретого и внутреннего насыщенного) дутьевого пара (т/час) к количеству 95 %-го (технического) кислорода в дутье при нормальных условиях (нм7час)

к2 =62/^02

Коэффициенты газификации К\ и К2 являются интегральными характеристиками газификатора Лурги, позволяющими рассматривать работу и оптимизировать технологический процесс агрегата в обобщенном виде

В процессе анализа результатов экспериментов не учитывалось, что изменение удельного потребления кислорода автоматически вызывает изменение удельного потребления пара, если природа газифицируемого угля и золы требует сохранения постоянных величин показателей газификации (газифи-кационного отношения) В анализе не рассматривались удельные расходы, поскольку речь идет о производных параметрах от производительности газогенераторной установки, то есть из выработки неочищенного газа

Газифицируемый шубаркольский уголь отличается исключительно низкой зольностью (А* = 1,5-3,5 %) В данном случае низкая зольность исследуемого топлива является фактором, ограничивающим его применение при газификации в плотном слое Это связано с низкой скоростью образования зольной подушки (зона VI) В целях поддержания высоты зольной подушки, исключающей пережог элементов колосниковой решетки, последняя должна иметь очень низкую скорость вращения Однако низкая скорость вращения и, соответственно минимальное коли-

чество удаляемой золы затрудняет равномерную раздачу дутьевой смеси по сечению реактора, что в свою очередь может привести к температурным перекосам и зашлаковке отдельных участков активной зоны газогенератора

Большинство действующих газовых заводов, газифицирующих каменный уголь, работают с показателями газификации /Ср 6,9-7,9 Предварительный технико-экономический анализ данной проблемы показал, что только за счет оптимизации газификационного отношения на 4-х газогенераторах можно было бы получить экономию приблизительно до 90000 т пара в год

Таким образом, главной целью экспериментальных и опытных работ, которые проводились в этом направлении, было повышение эффективности газификации под давлением путем экспериментальной проверки наиболее подходящих газификационных отношений при относительно низких (до 620-640 К) температурах газификационного пара

В табл 3 приведены средние объемные концентрации составляющих генерируемого газа и основные технико-экономические и энергетические показатели газогенераторов Лурги, достигнутые ходе наладочных и исследовательских работ на газогенераторной станции АО «Алюминий Казахстана»

Таблица 3

Технико-экономические показатели газогенератора Лурги

Обозна- Единица

Параметр чение измерения Формула Значение

Состав газа

н2 - % 41,1

СО - % 23

С02 - % 28,3

СН„ - % 7,5

о2 - % 0,1

Давление пара Р МПа 1,5

Температура пара Т К 603

Средняя теплоемкость пара С кДж/(кг*К) 1,52

Теплосодержание (энтальпия) пара / МДж/кг 3,10

Расход пара о кг/ч 4900

Теплотворная способность газа ог МДж/нм3 10,05

Расход газа Vе нм^ч 9250

Теплотворная способность угля СГ МДж/кг 26,8

Расход угля я кг/ч 6000

кпд-

Газификации Пгазчф % 57,8

газогенератора (низший) н 1 г-ра % Ог*И/ГСГ*Я+ 0*С*(] 56,9

Наиболее существенное влияние на процесс газификации угля под давлением оказывают состав (соотношение между объемными долями компонентов) и температура газифицируемой дутьевой смеси В производственной практике состав газифицируемого материала, как правило, характеризуется соотношением между подводимым паром и кислородом (показатель газификации), кроме этого дополнительно вводится только температура газифицирующего пара Для технической практики такого представления достаточно, с теоретической же точки зрения оно неудовлетворительно. Сам по себе показатель газификации (газификационное отношение) не учитывает изменений концентрации кислорода и, стало быть, взаимного соотношения между НгО (газообразная), Ог и Н2 Аналогичным образом температура стороннего пара сама по себе не может в достаточной мере характеризовать газифицирующую смесь с точки зрения теплового баланса процесса

При прохождении топлива через отдельные зоны генератора кроме его просушивания, карбонизации и газификации происходят также изменения неорганических веществ, которые содержатся в топливе В процессе газификации минеральная часть угля подвергается целому ряду изменений и химических реакций - экзотермических и эндотермических Кроме эндотермического разложения глинистых материалов, при котором выделяется содержащаяся в них вода, происходит преимущественно разложение карбонатов (СаСОз, РеСОз), окисление пирита и окислов железа, обезвоживание (дегидратация) гипса, разложение сульфата железа и т п С учетом того, что в генераторе происходит изменение условий (окислительная и восстановительная атмосфера), это изменение влияет также на характер реакций в отдельных реакционных поясах (зонах) Вполне обосновано можно предполагать, что, например, сначала трехвалентное железо в восстановительной зоне (поясе) генератора в атмосфере с высоким парциальным давлением водорода восстанавливается до Ре~~, а в следующей окислительной зоне (поясе) снова происходит окисление до Реъ

Подобным образом высокое парциальное давление С02 при газификации угля под давлением играет существенное значение и может быть первичной причиной производственных осложнений.

Абсолютное содержание зольных остатков, которые практически полностью выражаются содержанием золы, и их состав имеют принципиальный смысл для собственной эксплуатации генератора, работающего под давлением, так как, по сути, заранее определяет или ограничивает технологические условия эксплуатации, а следовательно и его экономическую эффективность

Чем выше точка размягчения или плавления золы, тем более высокую температуру можно использовать в окислительной зоне генератора и тем более полно осуществляются реакции газификации в пользу калорических

соединений газа при не очень высоких показателях газификации То, каким образом будет вести себя смесь неорганических веществ в самой горячей зоне генератора, определяется не только ее химическим составом, но также и взаимным соотношением некоторых компонентов и типом среды По аналогии с определением шлакующих свойств минеральной части углей в котельной энергетике, в газогенераторной технике неким правилом, на основании которого можно заранее судить о качестве золы и его поведении в реакторе, может служить соотношение между содержанием окислов Л, А1, Ре, Са и Mg> определяемое формулой

[ре10ъ}+[Са0]+^0]

Чем больше указанное отношение, тем меньше зола склонна к образованию топливных шлаков или эвтектик с низкими температурами плавления Практический опыт показывает, что это правило не должно быть всеобщим, так как все зависит и от содержания других соединений, в первую очередь щелочей, которые существенно влияют на физические свойства золы

Другими параметрами, по которым судят о поведении золы при газификации или сжигании, являются температура размягчения (¿А), плавления (гв) и начала жидкого состояния^) золы Но и эти параметры будут надежными не во всех случаях, и по следующим причинам 1) лабораторное определение температур гА, /в, 'с происходит при других условиях, чем аналогичный процесс нагрева в газогенераторе под давлением, 2) зола, которая используется для лабораторного определения, получается при сжигании (окислении) пробного угля и при этом имеет другой состав, чем смесь неорганических веществ, поступающая из восстановительной в окислительную зону генератора

Ненадежность или невоспроизводимость одновременно применяемых методов для точного определения свойств и природы золы с учетом процесса газификации приводит к тому, что и в настоящее время мы все еще вынуждены проводить процесс газификации более или менее «наошупь» и с опозданием Только по характеру золы, выносимой из генератора, делается вывод о ходе газификации и осуществляются технологические вмешательства (изменение газификационного отношения, изменение скорости удаления золы, загрузка генератора и т п )

Причиной образования спеченного топливного шлака является не только высокая температура в окислительной зоне Кроме мягких и твердых (спеченных частично или полностью) кусков шлаков или даже обычно неустранимых налипаний различного типа непосредственно в реакторе газогенератора, может происходить также возникновение "гидравлических" шлаков, особенно в тех случаях, когда зола содержит большую долю свободной окиси кальция Мера способности приобретать гидравлические,

цементационные свойства выражается так называемым гидравлическим модулем А, который определяется формулой

А= М]

[Si02] + [Al20i]+[Fez03] Опасность образования "гидравлических" шлаков тем больше, чем больших величин достигает указанный модуль

В себестоимость производства генераторного газа немаловажный вклад вносит стоимость кислорода, расходуемого на парокислородное дутье При этом общеизвестно, что с повышением зольности угля под воздействием комплекса факторов увеличивается и удельный расход кислорода в дутьевой смеси, величина которого по многочисленным экспериментальным данным возрастает и составляет примерно 1% при увеличении зольности топлива Ad на 1% на сухую массу

Расчетный удельный расход кислорода для газификации малозольного шубаркольского угля (по данным UVP) составляет 87-88 нм71000 нм3 генераторного газа Однако в процессе всех пуско-наладочных и исследовательских работ к этим значениям удельных расходов кислорода не удалось даже приблизиться

На рис 4 представлена зависимость расхода кислорода от расхода генераторного газа При анализе этой зависимости необходимо учитывать тот факт, что она получена при работе газогенераторов при различных показателях (коэффициентах) газификации Видно, что указанная зависимость близка к линейной во всем диапазоне изменения расходов кислорода и генераторного газа Если эти результаты представить в виде формулы, то получим (на единицу объемного расхода генераторного газа)

Fo2~ —70,0 + 0,161Fsas

Здесь Fq2 - объемный расход кислорода на газификацию (нм7час), Fgas -

объемный расход генерируемого в аппарате газа (нм3/час) На рис 5 показана зависимость удельного расхода кислорода от коэффициента газификации Кг Эта зависимость представляющую полиномиальную линию второй степени (параболу) Для шубаркольского угля эта зависимость может быть представлена формулой

F02 = 170 - 90,0+10,0К? Как можно видеть из рисунка, минимальное значение удельного расхода кислорода составляет в отдельных режимах работы 148-150 нм3/1000 hmj газа При этом минимум удельного расхода кислорода приходится на режимы работы газогенераторов с показателями газификации К,=4,5-5,3

Известно, что реакционная способность угля определяется его способностью взаимодействовать с кислородом, и соединяться с ним в виде окиси углерода (в присутствии водяного пара) или с кислородом как таковым

Геологически молодой уголь и, в первую очередь, уголь с высоким содержанием летучих горючих веществ обладает большей реакционной способностью, чем более старые угли

Ркислорода=Т[Ргаза)

Рисунок 4 - Зависимость расхода кислорода от расхода генераторного газа (при различных коэффициентах газификации)

Рисунок 5 - Зависимость удельного расхода кислорода от коэффициента газификации К-,

Для процессов газификации высокая реакционная способность выгодна, напротив, например, для технологических процессов в металлургии или в литейном деле желательно, чтобы используемый кокс имел как можно меньшую реакционную способность Реакционная способность угля или температура реакционности, следовательно, могла бы стать одним из показателей, который был бы полезен для оценки угля и для его выбора в качестве сырья для технологических процессов газификации угля кислородом и водяным паром под давлением

Шубаркольский уголь с этой точки зрения является высокореакционным и имеет содержание летучих около 47 % При этом температура реакционности для него составляет 7^-1240 К, а удельный расход кислорода на 1 тонну горючих веществ — 300-310 нм3 С учетом наличия содержания кислорода в угле (до 15 %) и частичной конверсии водяного пара на раскаленном углероде в активной зоне расчетный удельный расход кислорода не должен был превышать 90 нм3/1000 нм3 газа Однако, эта величина на практике не было достигнуто ни в одном режиме работы ни одном из четырех газогенераторов Лурги

И напротив, если не учитывать содержание кислорода в угле и частичной конверсии водяного пара на раскаленном углероде в активной зоне, то удельный расход кислорода составит 145-150 нм3/1000 hmj газа, что соответствует фактически замеренным величинам

Исследование работы газогенератора в сторону уменьшения коэффициента газификации К\ в процессе испытаний производилось крайне осторожно из-за возможности образования шлаков Как уже отмечалось выше, для исключения спекания угля необходимо иметь температуру слоя в верхней части газогенератора, не превышающую 620 °С

В производственных условиях при газификации угля с пониженным содержанием золы существует большая опасность образования как гидравлических, так и твердых (спеченных) шлаков То есть, несмотря на другие благоприятные последствия, с точки зрения экономии энергии (кислорода), существуют другие условия для образования шлака, в первую очередь вследствие повышенного содержания в золе шубаркольского угля РегОъ (до 12-13 %) Поэтому, уменьшение газификационного отношения производилось крайне осторожно, ступенчато, с освоением каждой ступени и контролем зольных остатков При этом повышенное внимание уделялось режимам работы газогенераторов с целью предотвращения самопроизвольного понижения расходов кислорода и внешнего дутьевого пара, а значит и газификационного отношения, которое может в некоторые моменты времени достигать предельно низких значений

В процессе проведения пуско-наладочных и исследовательских работ, продолжавшихся более трех месяцев, было достигнуто снижение газификационного отношения с расчетных величин по внешнему дутьевому пару с A"i~6,31 до величины равной 2,66 Получены зависимости выходных парамет-

ров (состав газа и его теплотворная способность) от величины газификацион-ного отношения (коэффициентов К\ и К2) Режимы работы газогенераторов Лурги в области минимальных значений коэффициентов газификации /<ч=2,66-4,0 являются опасными с точки зрения зашлаковки Поэтому исходя из результатов испытаний рекомендован технологический режим работы газогенераторов с коэффициентом газификации #[=4,0-4,2

9Д 85 вр 75 7С 65 во 55 5 О

-1.0 35

К2 2 6 3 1 35 4В 51 5,8 81 6Д 71

К1

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента газификации К2 от коэффициента Кг

На рисунке 6 представлена экспериментальная зависимость коэффициента К2 от коэффициента К\ , полученная на газогенераторах Лурги на па-рокислородном дутье под давлением, работающих на шубаркольском угле, которая может быть обобщена регрессионным полиномом третьей степени

К2 = 4,4845 - 0,437 Щ + 0,1929К\ - 0,005 Щ3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 Произведен анализ существующих методов газификации углей и выбор наиболее рациональной технологии производства газа из низкозольного шубаркольского угля, а именно, на газогенераторах Лурги под давлением с использованием парокислородного дутья и разработаны рекомендации по созданию газогенераторной станции на АО «Алюминий Казахстана»

2 Проведены систематических наладочные и экспериментальные исследования на промышленных газогенераторах Лурги Доказана принципиальная возможность газифицирования низкозольного (Ал — 1,5-3,5 %) шубаркольского длиннопламенного каменного угля марки Д в плотном слое под давлением с использованием парокислородного дутья В экспериментах достигнуты ре-

жимы работы газогенераторов с минимальными значениями коэффициента газификации К\ = 2,66

3 С целью определения диапазона надежной и безшлаковочной работы газогенераторов Лурги в результате наладочных и исследовательских работ получен и обработан большой массив экспериментальных данных В результате анализа установлены различные эмпирические зависимости, а также регрессионные формулы, описывающие технологический процесс Лурги, в том числе

• значения удельного расхода кислорода (при вариации значений коэффициента газификации в диапазоне 2,5-6,5),

• обобщенные экспериментальные зависимости объемной концентрации составляющих генераторного газа от коэффициента газификации Кх (в указанном диапазоне) и от коэффициента газификации К2 (варьируемого в диапазоне 3,7-8,8),

• обобщенные экспериментальные зависимости между коэффициентами газификации К\ и К2

4 Экспериментально установлен оптимальный диапазон проведения технологического режима процесса газификации с К\ = 4,0-4,2, который исключает возможность зашлаковки и образование спеченных конгломератов в реакторе газогенератора

5 Анализ движения материальных потоков (энергетического баланса) газогенераторов Лурги показывает, что достигнуты удовлетворительные результаты по коэффициенту полезного действия энергоагрегата — 56,9 % и энергетическому коэффициенту газификации 57,8 % при производстве генераторного газа теплотворной способности не менее 10 МДж/нм3 и производительности не менее 220000 нм3 газа в сутки

Результаты исследования были использованы на предприятии АО «Алюминий Казахстана» и при разработке рекомендаций при проектировании второй очереди газогенераторной станции (г Павлодар, Республика Казахстан) По результатам исследования издано учебное пособие

Основные результаты опубликованы в работах: статьи в изданиях, рекомендованных ВАК-

1 Загрутдинов Р.Ш. Наладочные испытания газогенераторов Лурги и перспективы газогенераторных технологий / Р Ш Загрутдинов, А Н Нагорнов, П К Сеначин // Ж Ползуновский вестник — 2007 — №3 -С 40-47

статьи, отражающие основное содержание работы -

2 Загрутдинов Р Ш. Результаты промышленных испытаний по газификации длиннопламенного каменного угля в слоевом газификаторе / Р Ш Загрутдинов, А Н Нагорнов, Н А Нагорнов, И С Белоусов, А Т Ибрагимов, Н П Деревянкин // Актуальные проблемы энергетики Энергосбережение Труды II Всероссийской научно-практической конференции / Самара, 18-20

мая 2004 г - Самара Самарский областной Дом науки и техники, 2004 -С 35-39

3 Загрутдинов Р.Ш. Создание компактных небольших энергетических предприятий по выработке тепла и электроэнергии на базе местных месторождений торфа, горючих сланцев, бурого и каменного угля / Р.Ш. Загрутдинов, А Н Нагорнов, Н А Нагорнов, Д Г Малыхин // Сборник докладов конференции «Техперевооружение объектов энергетики на основе продуктов и услуг Уральского турбинного завода» / Екатеринбург, 17 ноября 2004 - Екатеринбург. ЗАО «Уральский турбинный завод», 2004 — С 88-92

4 Загрутдинов Р.Ш. Применение технологии газификации твёрдых теплив в различных отраслях промышленности Республики Казахстан / Р Ш. Загрутдинов, А Н Нагорнов, Н А Нагорнов, Д Г Малыхин, А Т Ибрагимов, Н П Деревянкин // Энергетика, экология, энергосбережение Материалы I Международной научно-технической конференции / Усть-Каменогорск, 2-4 июня 2005 г - Усть-Каменогорск Изд-во ВКГТУ, 2005 - С 144-146

5 Ибрагимов А Т. Перспективы газогенераторных технологий и их внедрение в промышленной энергетике/ А Т Ибрагимов, Н П Деревянкин, Р.Ш. Загрутдинов, А Н Нагорнов, Н А Нагорнов // Достижения и перспективы развития энергетики Сибири Материалы IV Международной научно-технической конференции / Красноярск, 20-21 октября 2005 г - Красноярск Изд-во Краснояр филиала ОАО «Сибирский ЭНТЦ», 2005 - С 455-463

6 Силин В Е Перспективы использования биомассы в энергетических циклах с газификацией / В Е Силин, А А Кузнецов, С М Надир, В В Костюнин, А Ф Рыжков, Р.Ш. Загрутдинов // Ж Энергетика региона, 2005 - № 1-2 (78-79) январь-февраль - С. 43-46

7 Загрутдинов Р.Ш. Наладка и опытная эксплуатация газогенераторов Лурги на парокислородном дутье и перспективы газогенераторных технологий / Р Ш. Загрутдинов, А.Н Нагорнов, П К Сеначин // Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ-2007) Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / Барнаул, 17-20 октября 2007 - Барнаул ОАО «Алтайский дом печати», 2007 — С 124-128

8 Загрутдинов Р.Ш. Перспективы газогенераторных технологий и их внедрение в промышленной энергетике / Р Ш Загрутдинов, А Н Нагорнов, Д Г Малыхин, П Э Капуста // Матер III Междунар научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» / Екатеринбург, 21-23 ноября 2007 - Екатеринбург Изд-во «ИРА УТК», 2007. - С 83-87

тезисы докладов и другие издания - •

9 Рыжков АФ Перспективы газогенераторных технологий и их внедрение в промышленной энергетике/ А Ф Рыжков А Ф, В Е Силин, » Р.Ш. Загрутдинов, А Н Нагорнов // Труды 3-й Международной научно-практической конференции «Энерго-ресурсосбережение, оптимизация энер-

гопотребления и обеспечение экологической безопасности на предприятиях металлургической, горной и нефтехимической промышленности» / Санкт-Петербург, 25-27 апреля 2005 - С -Пб Изд-во «Санкт-Петербургская электротехническая компания», 2005 -С 61-62

10 Загрутдинов Р Ш. Экономические аспекты перевода теплопотреб-ляющих установок промышленных предприятий Восточно-Казахстанской области на сжигание генераторного газа, полученного из бурого или каменного угля / Р Ш Загрутдинов, А H Нагорнов, H А Нагорнов, А Т Ибрагимов, H П Деревянкин // Энергетика, экология, энергосбережение Инвест-форум Восточно-Казахстанской области / Тезисы докладов - Усть-Каменогорск Изд-во ВКГТУ, 2005 - С 31-32

11 Загрутдинов Р.Ш. Наладочные испытания газогенераторов типа Лурги на паровоздушном дутье / Загрутдинов Р Ш , Нагорнов А H , Сеначин ПК// Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии. «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ-2007) Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / Барнаул, 17-20 октября 2007 -Барнаул ОАО «Алтайский дом печати», 2007 -С 123-124

12 Загрутдинов Р Ш Технологии газификации углей и производства моторных топлив Учебное пособие / Р Ш Загрутдинов, А H Нагорнов, П К Сеначин - Барнаул Изд-во Алт гос техн ун-та им И И Ползунова, 2008 -112 с

Подписано в печать 03 03 2008 Формат 60*84 1/16 Печать - ризография .

Усппл 1,39 Тираж 120 экз Заказ 5у /2008

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензии ЛР № 020822 от21 09 98, ПЛД № 28-35 от 15 07 97

Отпечатано в ЦОП АлтГТУ, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина,46

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

1.1 Ископаемые угли и их характеристики

1.2 Технологии переработки углей 14 Коксование угля 14 Полукоксование угля 15 Гидрогенизация угля 16 Газифика ция угля

1.3 Основные существующие схемы газификации угля 21 Газификация угля в газогенераторах Лурги 23 Газификация угля в газогенераторах фирмы BGL 27 Газификация угля в газогенераторах концерна Shell 30 Газификация угля по технологии ConocoPhilips E-gas

Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens

Некоторые другие технологии газификации углей

1.4 Выводы по первой главе

2 ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

В ПЛОТНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

2.1 Краткий обзор и современное состояние проблемы

2.2 Конструктивные особенности устройства и работа газогенераторов Лурги

Основное оборудование газогенераторов Лурги

Технологический процесс газогенераторов Пурги

2.3 Физика и химия процессов газификации углей

2.4 Влияние условий проведения процесса газификации на характеристики получаемого газа

Влияние температуры и давления на процесс газификации 73 Влияние вида дутья на состав генерируемого газа

2. 5 Выводы по второй главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЛУРГИ НА ШУБАРКОЛЬСКОМ УГЛЕ ПРИ ПАРОКИСЛОРОДНОМ ДУТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

3.1 Характеристики шубаркольского угля

3.2 Зависимости, используемые при газификации угля в плотном слое под давлением

3.3 Схема экспериментального контроля { анализируемых параметров

3.4 Влияние состава минеральной части топлива на пределы изменения входных параметров газифицирующей дутьевой смеси

3.5 Удельный расход кислорода на газификацию топлива

3.6 Неблагоприятные режимы работы газогенератора

Лурги на шубаркольском угле

3.7 Экспериментальные зависимости, характеризующие процесс газификации Лурги

3.8 Материальный баланс и технико-экономические показатели работы газогенератора Лурги

В настоящее время проблемы энергетики и энергосбережения приобретают все большее значение. Среди них важное значение имеет проблема энергетической безопасности производственных процессов, гражданских и других объектов. Актуальными остаются проблемы обеспечения энергией отдаленных районов, пунктов и хозяйственных объектов. Поэтому разработка комплексных энергетических установок (таких, например, как газогенератор, газовый двигатель или работающая на газе электрогенераторная станция с котлом-утилизатором) для автономного обеспечения тепловой, механической и электрической энергией является весьма актуальной проблемой. Исходным звеном такой установки может быть автономный газогенератор, работающий, например, на местном угле.

Многие производственные и технологические процессы требуют для своего обеспечения большого количества тепловой энергии (пара или горячего газа), которую можно легко получить путем сжигания газа в технологической установке или в непосредственной близости от нее. Необходимое количество горючего газа с заданными свойствами может быть получено путем газификации угля.

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 [1-6]. Среди ведущих направлений предстоящей диверсификации энергетики будут технологии газификации твердых топлив [7-10].

Под газификацией обычно понимают высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твёрдых или жидких горючих ископаемых или продуктов их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.

Таким образом, газификация твердого топлива решает задачи перевода твердых горючих ископаемых, в том числе углей, в удобное для сжигания топливо - горючие газы.

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 [11-15]:

• 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 работают при атмосферном давлении, газогенераторы с кислородным дутьём работают не только при атмосферном, но и при повышенных давлениях, что приводит к увеличению выхода метана. Более современными являются газогенераторы Лурги, Винклера, Копперс-Тотцека, Велман-Галуши и другие.

В настоящее время разрабатываются и развиваются другие технологии газификации углей и производства синтез-газа. Например, в слоевых газогенераторах фирмы BGL процесс газификации угля осуществляется под давлением, как и в газификаторах Лурги, но с жидким шлакоудалени-ем. Реализованы десятки проектов производства синтез-газа путем газификации угля в газогенераторах концерна Shell. К более новым относится процесс газификации водо-угольной суспензии под давлением по технологии - ConocoPhilips E-gas. Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens может работать с разными видами топлива, такими как каменный уголь, бурый уголь, биомасса и жидкие отходы. Технологии газификации твердых топлив, особенно углей, непрерывно развиваются и совершенствуются. Однако до настоящего времени наиболее распространенным и надежным в эксплуатации, по многим причинам, является процесс газификации в плотном слое под давлением по технологии фирмы Лурги (Lurgi).

В соответствии с вышеизложенным основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах генерации горючих газов из каменных углей местных месторождений в плотном слое под давлением в газогенераторах, работающих по технологии Лурги на низкозольном шубаркольском угле. При этом главными направлениями исследования были следующие:

• определение диапазона надежной бесшлаковой работы газогенераторов Лурги при газификации шубаркольского угля, содержащего предельно низкое количество минеральной части (зольного остатка);

• достижение максимально возможного снижения величины показателей газификации (газификационного отношения пар/кислород) в дутьевой смеси.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Рассмотрение и обзор существующих методов газификации углей и выбор наиболее рациональной технологии производства газа из низкозольного шубаркольского угля.

• Обобщение существующего опыта организации технологического процесса газификации углей в плотном слое под давлением при па-рокислородном дутье в газогенераторах Лурги.

• Проведение систематических наладочных и экспериментальных исследований на промышленных газогенераторах Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье, с целью достижения оптимальных значений показателей газификации и выработки рекомендаций для проектирования второй очереди газогенераторной станции.

Научная новизна работы заключается:

В определении оптимальных значений показателей газификации газогенераторов Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье под давлением, а также получение и обобщение обширного экспериментального материала, описывающего технологический процесс Лурги.

Практическая значимость

Отладка технологического процесса газификации низкозольного шубаркольского угля при парокислородном дутье под давлением на промышленных газогенераторах Лурги и получение оптимальных значений показателей газификации. Внедрение результатов исследования на предприятии ОАО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Республика Казахстан). Издание учебного пособия по результатам исследования.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется анализом и обобщением достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований. Применением современных и апробированных экспериментальных методов исследования. Проведением широкомасштабных модельных и натурных экспериментальных исследований и использованием достоверных результатов других авторов. Выполнением работы при участии высококвалифицированных отечественных и зарубежных специалистов. 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) и III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России, 1 статья в региональном журнале, 6 докладов и 3 тезиса доклада на конференциях различного уровня и 1 учебное пособие [16-27].

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

Научным руководителем диссертационной работы является заведующий вузовско-академической лабораторией АлтГТУ-НИИ СО РАН, профессор АлтГТУ д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Результаты исследования были использованы на предприятии АО «Алюминий Казахстана» и при разработке рекомендаций при проектировании второй очереди газогенераторной станции (г. Павлодар, Республика Казахстан). По результатам исследования издано учебное пособие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Энергетика XX1.века: Условия развития, технологии, погнозы / JI.C. Беляев, А.В. Лагерев, В.В. Посекалин и др.; Отв. ред. И.И. Воропай. -Новосибирск: Наука, 2004. - 386 с.

2. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия 2050: стратегия инновационного прорыва. -М.: ЗАО «Изд-во Экономика», 2005. - 624 с.

3. Мировая энергетика и переход к стойчивому развитию / Беляев Л.С., Марченко О.В., Филиппов С.П. и др. Новосибирск: Наука, 2000. -269 с.

4. Перспективы энергетических технологий. Стратегии и сценарии до 2050 г. Часть 1. Технологии и экономика мировой энергетики до 2050 г. / Доклад Междунар. энергет. агентства (ОЭСР/МЭА). Под ред. Н. Херста: пер. А.О. Кокорина. М.: WWF России, 2007. - 464 с.

5. Demirbas A. Hydrogen production via pirolytic degradation of agricultural residues // Energy Sources, 2005. Vol. 27(8). P. 769-775.

6. Kreeith F., West R.E. Fallacies of a hydrogen economy // Proc. of IV Inter. Mech. Engineer Congress, 13-19 Nov. 2004, Anaheim, CA. / Paper No. IMECE2004-59980.

7. Кейко A.B., Свищев Д. А., Козлов A.H. Газификация низкосортного твердого топлива: уровень и направления развития технологии. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. - 66 с.

8. Рыжков А.Ф. Перспективы развития когенерационных энергоисточников и газогенераторные технологии // Проблемы развития централизованного теплоснабжения: Материалы междунар. научнопрактич. конф., г. Самара, 21-22 апреля 2004 г. Самара, 2004. - С. 125130.

9. Techno-Economic Analysis of Hydrogen Prouction by Gasification of Bion / Lau F.S., Bowen D.A., Dihu R. et al / Report of Gas Technology Inst. 2002.- 154 p.

10. Rezaiyan J. Cheremisinoff N.P. Gasification technologies. A primer for engineers and scientists. Paris: Marcel Dekker, 2005. - 272 p.

11. Альтшулер B.C. Новые процессы газификации твердого топлива. М.: Недра, 1976.-200 с.

12. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М.: Изд-во «Москва», 1977. - 344 с.

13. Хоффман Е. Энерго-технологическое использование угля. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 152 с.

14. Чуханов З.Ф., Хитрин Л.Н. Энерготехнологическое использование топлива. М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 128 с.

15. Лебедев В.В., Рубан В.А., Шпирт М.Я. Комплексное использование углей. М.: Недра, 1980. - 236 с.

16. Силин В.Е., Кузнецов А.А., Надир С.М., Костюнин В.В., Рыжков А.Ф., Загрутдинов Р.Ш. Перспективы использования биомассы в энергетических циклах с газификацией // Энергетика региона № 1 -2 (78-79) январь-февраль 2005, С. 43-46.

17. Загрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Сеначин П.К. Наладочные испытания газогенераторов Лурги и перспективы газогенераторных технологий // Ползуновский вестник, 2007. №3. С. 40-47.

18. Загрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Сеначин П.К. Технологии газификации углей и производства моторных топлив: Учебное пособие.-Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им; И.И. Ползунова, 2008.- 112 с.

19. Химическая технология твердых горючих ископаемых: Учеб. для вузов / Под ред. Г.Н. Макарова и Г.Д. Харламповича. М.: Химия, 1986.-496 с.

20. Школлер М.Б. Полукоксование каменных и бурых углей. -Новокузнецк: Инженерная академия России. Кузбасский филиал, 2001. -232 с.

21. Федосеев С.Д., Чернышев А.Б. Полукоксование и газификация твердого топлива. М.: ГНТИ нефтяной и горнотопливной литературы (Гостоптехиздат), 1960. - 327 с.

22. Уайтхерст Д.Д., Митчелл Т.О., Фаркаши М. Ожижение угля. Химия и технология термических процессов: Пер. с англ. / Под ред. В.Г. Липовича. -М.: Химия, 1986. 256 с.

23. Лавров Н.В. Физико-химические основы горения и газификации топлива. М.: Изд-во «Недра», 1957. - 172 с.

24. Альтшулер- B.C. Методы интенсификации работы промышленных газогенераторов. М.: Недра, 1955. - 250 с.

25. Сеченов Г.Н., Альтшулер B.C. Газогенераторы для производства энергетических газов из твердого топлива // Газовые процессы. Получение энергетических и технологических газов. М.:Наука, 1967.-С. 41-49.

26. Белосельский B.C., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136 с.

27. Песочин В. А., Толмачев И .Я. Расчет газификации» угольных частиц в прямоточном реакторе // Химия твердого топлива, 1991.- № 5, с. 88-91.

28. Гельперин Н.И., Мясоеденков В.М. и др. Псевдоожижение газовыделяющей твердой фазы // Химия твердого топлива, 1989.- № 5, с. 73-76.

29. Альтшулер B.C., Сеченов. Г.П. Газификация бурых углей в кипящем слое под давлением с получением энергетических газов для тепловых электростанций. /В сб. Газовые процессы./. Получение энергетических и технологических газов. М.: Наука, 1967, с.49-54.

30. Кафтанов С.В., Федосеев С. Д. и др. Исследование высокоскоростного пиролиза бурого угля в потоке // Химия твердого топлива, 1971.- № 6, с.21-25.

31. Сеченов Г.П. Получение энергетического газа из сернистых углей западного Донбасса путем их газификации в кипящем слое под давлением //Химия твердого топлива, 1971.- № 6, с.59-66.

32. Голованов Н.Г. Уголь как топливо и химическое сырье (книга -реферат).- М.: Недра, 1957.- 112 с.

33. Дешалит Г.И. Расчеты процессов газификации топлива.-Харьков: В ища школа, 1959.- 136 с.

34. Лавров Н.В. и др. Введение в теорию горения и газификации. М.: Недра, 1962.- 126 с.

35. Лапидус А.Л. Уголь и природный газ источники жидкого топлива. М.: Мир, 1986.- 132 с.

36. Равич М.Б, Тепловые балансы газогенераторов.- М.: Гостоптехиздат, 1957.-144 с.

37. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов газогенераторов.- М.: Недра, 1966.- 124 с.

38. Бесков С.Д. Технохимические расчеты М.: Высшая школа, 1966.- 520 с.