Теплофизические параметры процесса плазменной переработки углей

Шаронов, Константин Сергеевич

Теплофизические параметры процесса плазменной переработки углей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Шаронов, Константин Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Улан-Удэ МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Теплофизические параметры процесса плазменной переработки углей»

Автореферат диссертации на тему "Теплофизические параметры процесса плазменной переработки углей"

На правах рукописи

10« ■ ■

Ои:

Шаронов Константин Сергеевич

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 глдр

Улан-Удэ-2012 г.

005014464

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Буянтуев Сергей Лубсано-вич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Урбах Эрих Кондратьевич

кандидат технических наук Балданов Баир Батуевич

Ведущая организация:

Иркутский государственный технический университет

Защита состоится 28 марта 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.03 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Восточносибирского государственного университета технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул Ключевская, 40 в.

Электронная версия автореферата размещена на сайте http://portal.esstu.ru 27 февраля 2012 г.

Автореферат разослан 27 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бадмаев Б.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное положение на топливно-энергетическом рынке таково, что при существующих темпах прироста использования природных топливных ресурсов, прежде всего нефти, ее запасов остается на несколько десятков лет. В связи с этим все большее внимание уделяется технологиям, позволяющим использовать уголь в качестве сырья для производства углеводородного топлива. К этим технологиям относятся газификация угля с получением горючего газа и жидкого топлива, технологии использования водоугольного топлива и т.д.

В настоящее время уголь в основном используется как топливо в котельных и на тепловых электрических станциях для выработки тепла и электроэнергии, однако эти технологии сжигания сопряжены с такими проблемами как неполное сгорание угля, выбросы окислов азота, углерода, золы. Кроме этого существует опасность заражения почвы в местах, где производят выброс шлаков. Помимо сжигания угля существуют и другие направления его использования, в частности, получение синтез-газа и сорбента (активированного угля). Кроме того, синтез-газ является исходным сырьем для получения синтетического жидкого топлива. Синтез-газ получают путем газификации угля в газификаторах, работающих по технологиям Винклера, Лурги, Копперс-Тотцека. Не останавливаясь на особенностях работы этих газификаторов, отметим, что их общим недостатком является наличие каменноугольной и других смол, конденсирующихся при охлаждении получаемого синтез-газа. Сорбент (активированный уголь) получают путем термической обработки природного угля. Однако технологии получения активированного угля не позволяют производить его в достаточных количествах, что является препятствием к широкому применению углеродных сорбентов.

Решить вышеуказанные проблемы, сопутствующие технологиям получения синтез-газа и сорбента можно, применив для термической обработки угля низкотемпературную плазму. Практическая ценность низкотемпературной плазмы доказана в трудах многих исследователей как в России так и за рубежом. В энергетике можно выделить следующие направления внедрения плазменных технологий - розжиг твердого топлива в котлах ТЭС, сопутствующая ей газификация угля и получение сорбента. Кроме того, как уже упоминалось выше, при газификации угля получают синтез-газ, который может быть использован для получения синтетического жидкого топлива (СЖТ).

метры плазменной установки. Это возможно осуществить с помощью автоматизации процесса плазменной переработки углей. Под автоматизацией в данном случае понимается комплекс мер, направленных на увеличение эффективности плазменной переработки различных видов углей путем настройки режима обработки углей. Автоматизация должна включать в себя обработку исходного сырья, анализ образующихся продуктов и корректировку режима в сторону увеличения качества продуктов обработки. Наибольший интерес представляют в этом отношении низкосортные угли, забалластированные золой, а также угли, содержащие большой процент летучих веществ и влаги. При этом угли могут одновременно низкосортными по критерию зольности и высокореакционными по критерию выхода летучих веществ. В энергетике такие угли имеют широкое распространение. Состав и свойства поставляемых углей меняются от партии к партии, поэтому исследования теплофизических параметров процесса плазменной переработки углей различного состава и свойств имеют актуальность для разработки и внедрения плазменных технологий в промышленное использование.

Для исследований выбраны бурые угли окино-ключевского и адун-чулунского месторождений. Выбор этих углей обусловлен технико-экономическими причинами. Окино-ключевской разрез Республики Бурятия начал свою работу в 2009 г. и в 2012 г. планируется выход на промышленный уровень, в связи с этим исследования по газификации углей этого разреза представляют интерес. Ранее в Бурятском государственном университете и Восточно-сибирском государственном технологическом университете были проведены исследования по газификации и получению сорбента из каменных углей тугнуйского (Республика Бурятия), урейского (Читинская область) месторождений и бурых углей баганурского месторождения (Монголия), и были получены хорошие результаты как по синтез-газу, так и по сорбенту. Месторождение «Адуунчулуун» (Монголия) также разрабатывается недавно. Исследования плазменной переработки углей этого месторождения призваны выявить возможность получения сорбента, синтез-газа и, в дальнейшем, СЖТ для собственных нужд разреза.

Целью работы является исследование процесса плазменной переработки низкосортных углей для установления оптимальных теплофизических параметров этого процесса и выработки рекомендаций по использованию плазменных технологий.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

1. Расчетными методами определить состав продуктов газификации бурых углей окино-ключевского (Респ. Бурятия) и адун-чулунского (Монголия) месторождений в зависимости от состава углей и режимов обработки, а также оптимальные геометрические размеры реактора для плазменной обработки углей.

2. Выявить особенности плазменной газификации рассматриваемых углей.

3. Разработать экспериментальный вариант установки для плазменной переработки исследуемых углей.

4. Провести экспериментальные исследования по получению синтез-газа на созданной экспериментальной установке. Определить оптимальные соотношения угля, воздуха и пара при обработке данных углей в плазменном газификаторе.

5. Изучить состав и микроструктуру исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме. Установить взаимосвязь между составом продуктов плазменной переработки и составом и микроструктурой исследуемых углей в исходном состоянии.

6. Определить возможность получения СЖТ из синтез-газа, полученного методом плазменной газификации исследуемых углей.

7. Разработать систему автоматизированного управления плазменным газификатором.

8. Рассмотреть возможность исключения, с помощью низкотемпературной плазмы, ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на газификаторах (гг. Эрдэнэт, Дархан МНР), работающих по традиционным технологиям газификации.

Научная новизна работы:

1. Получены новые результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований переработки окино-юпочевского и адун-чулунского углей в плазменной установке (температура, удельные энергозатраты на процесс газификации).

2. Определены оптимальные режимы (расход компонентов, температура), а также геометрические размеры реакционной камеры экспериментальной установки для плазменной переработки окино-юпочевского и адун-чулунского углей.

3. Получены данные по составу и микроструктуре исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме.

4. Предложен новый - с применением низкотемпературной плазмы -способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами газификации.

Практическая ценность работы:

1. Проведенные исследования процесса плазменной газификации низкосортных углей показали эффективность этих технологий. Применение плазменных технологий переработки углей позволяет создавать компактные установки, отличающиеся низкой металлоемкостью, минимальными время- и трудозатратами на запуск, а также легкостью управления режимами работы, которые могут быть использованы для получения синтез-газа в малом производстве и т.д.

2. Создана новая двухступенчатая плазменная установка, которая позволяет проводить процесс газификации углей, содержащих большое количество золы и летучих (до 30 и 50% соответственно), а также углей низкой степени углефикации (бурые угли).

3. Полученный после обработки исследуемых углей синтез-газ с содержанием Н2:СО в пропорции от 1:1 до 2:1 может быть применен для синтеза жидких углеводородов при температуре процесса 230-320°С, в присутствии никеля и кобальта, а также осажденных катализаторов на их основе, при давлениях от атмосферного до 3 МПа.

4. Разработана система автоматизированного управления для установки плазменной переработки углей, которая настраивает режим работы установки под обрабатываемые угли в зависимости от состава получаемого синтез-газа.

5. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и создании промышленных установок плазменной переработки углей, разработке системы исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами газификации.

6. Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе для студентов, изучающих дисциплины «Нетрадиционные технологии на ТЭС», «Плазменные технологии», «Автоматизация и управление тепловыми процессами» и др.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты расчетов плазменной обработки окино-ключевского и адун-чулунского углей в экспериментальном плазменном газификаторе, выполненных с помощью программ ТЕРРА и Плазма-уголь-2.

2. Результаты экспериментов и оптимальные режимы плазменной обработки углей окино-ключевского и адун-чулунского месторождений, при которых получен синтез-газ состава Н2:СО =47,3:34,4 (об. %) для окино-ключевского угля и Н2:СО =45,5:36,9 (об. %) для адун-чулунского угля.

3. Микроструктурное строение частиц угля до и после обработки в низкотемпературной плазме. При этом установлено, что изначально оба исследуемых угля имеют закрытое строение, что затрудняет выход летучих и снижает степень вовлечения углерода в реакцию газификации. После плазменной активации углей происходит раскрытие пор, что позволяет получить газ, содержащий до 80% основных горючих компонентов.

4. Рекомендации к использованию рассматриваемых углей в качестве первичного сырья для получения синтетического жидкого топлива. Полученный путем плазменной обработки окино-ключевского и адун-чулунского углей синтез-газ подходит для реакции Фишера-Тропша над N1- и Со- катализаторами, для которых требуется соотношение Н2:СО от 1:1 до 2:1.

5. Система автоматизированного управления плазменным газификатором, которая позволяет оптимизировать процесс плазменной газификации за счет настройки режимов и теплофизических параметров процесса.

6. Способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на традиционных промышленных газификаторах (работающих но методу Лурги), который •заключаетел в установке шшменно-муфелыюго блока на выходе газификатора.

Достоверность полученных результатов подтверждается метрологическим обеспечением проводимых исследований. Используемые методы химического анализа синтез-газа обеспечивают возможность получения результата с погрешностью не более 10%. В работе использовались статистические методы обработки полученных экспериментальных данных. Расчетные методы определения состава синтез-газа основаны на использовании прикладного программного продукта ТЕРРА и Плазма-уголь-2 со сравнением полученных расчетных и экспериментальных данных.

Личный вклад автор» заключается:

1. В участии в модернизации и разработке новой экспериментальной плазменной установки;

2. В разработке системы автоматизированного управления плазменной установкой;

3. В проведении экспериментальных исследований, расчетов и обработке результатов, а также формулировке основных выводов работы.

Апробация работы. Положения и результаты работы по теме диссертации докладывались на 1-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения» (Улан-Удэ, 2008 г.); 1 -й Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (Улан-Удэ, 4-7 сентября 2008 г.); 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 27-30 августа 2009 г.); Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (Москва, 17-23 октября 2008 г.); Международной конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 1214 июня 2009 г.); Международной конференции ЮНЕСКО «Глобаиьные и региональные проблемы устойчивого развития мира» (Улан-Удэ, 8-10 июня 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (г. Улан-Удэ, 16-17 сентября 2011 г.); Ежегодной научно-практической конференции молодых ученых и преподавателей ВСГТУ (Улан-Удэ, 2006-2011 г.); Ежегодной научной конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ (Улан-Удэ, 2006-2.011 г.). Работа внесена в список Инновационных разработок и проектов Республики Бурятия на 2008-2012 гг.

Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 8 публикациях. В том числе две статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, за-

ключей!!;!, списка литературы и приложения. Работа содержит 63 рисунка и 28 таблиц. Список цитируемой литературы включает 145 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «ведении обоснована актуальность темы проводимых исследований, сформулированы цели работы, задачи, решаемые в ходе выполнения работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность полученных результатов работы.

Периа;г глава посвящена рассмотрению вопросов использования методов плазменной переработки углей в топливной промышленности, необходимости применения автоматизации для этих процессов.

Анализ позволил сделать следующие выводы:

1. Газификация углей с применением плазменной технологии позволяет использовать низкосортное топливо.

2. Плазменная газификация углей имеет преимущества перед традиционными методами газификации, благодаря более эффективному выходу продуктов реакции в единицу времени.

3. Использование плазменных реакторов позволяет автоматизировать процесс газификации угля.

Обзор литературы, касающемся использования традиционных и плазменных методов переработки твердого топлива показал техническую и экономическую эффективность последних. Недостатки традиционных методов переработки угля в синтез-газ и сорбент, такие как большая металлоемкость, сложность технологического процесса, наличие каменноугольной смолы при газификации и дороговизна сорбента могут быть устранены с применением плазменных технологий переработки угля.

Кроме того, использование плазменных технологий позволяет применить автоматизацию процесса переработки, давая возможность работать с углями любого состава, что, в свою очередь, обеспечит продвижение этих технологии на промышленный уровень.

Во второй главе представлены расчеты выхода продуктов газификации исследуемых углей с помощью методики химической термодинамики многокомпонентных и гетерогенных систем (программа ТЕРРА) в диапазоне температур от 400 до 2000 К. Также проведен расчет геометрических размеров газификатора с помощью программы Плазма-уголь-2. Проведены две серии расчетов. В первой предполагалось использование воздуха в качестве газифицирующего агента. Во второй серии расчетов в таком качестве был использован водяной пар. В таблице 1 приведены характеристики исследуемых углей и расчетное содержание воздуха и водяного пара в реакции.

На рисунке 1 показан равновесный состав газовой фазы продуктов воздушной газификации окино-ключевскога угля. Концентрация горючих компонентов (СО+Н2) увеличивается с ростом температуры процесса, и при

температуре 1200 К она достигает 45% газовой фазы и затем мало изменяется. Азот представлен молекулярным азотом, концентрация которого при 1200 К составляет 55%. Такой состав является причиной низкой теплотворной способности этого газа (5,3 МДж/нм3).

При паровой плазменной газификации окино- ключевского угля наблюдается увеличение содержания горючих компонентов в газовой фазе (рис.')..). При температуре 1200 К их суммарный выход достигает 98%. Концентрация балласта, который, в первую очередь, представлен азотом воздуха, составля ет менее 1%. Это связано с отсутствием воздуха в исходных данных для рас чета. Расчетная теплотворная способность такого газа составляет

МДж/нм3.

Таблица 1

Основные характеристики исследуемых углей и расчетное массовое содер-

жание воздуха и пара в реакции газификации

Уголь А ■усш Ор,„ кДж/кг Воздух, кг/кг Пар, кг/кг

Окино ключевской 2.1,3 22,3 42,3 16709 3,14 0,82

Адун-чулунский 21,2 8,3 45,4 14770 1,24 0,33

и.15

0 15

;:1.ш . ШШ ¡«ни •,

Рис.1 Равновесный состав газовой фазы при воздушной газификации окино-

ключевского угля

Аналогичные расчеты были проведены для адун-чулунского угля. Уголь адун-чулунского месторождения является бурым углем (марка 2Б), поэтому результаты термодинамического расчета его газификации схожи с результатами, полученными для окино-ключевского угля (марка ЗБ). Газо-

вал фаза продуктов воздушной газификации представлена в основном горючими веществами (СО+Н:!) иа 47% и азотом на 43%, остальное - диоксид углерода, метан и вода. Теплотворная способность этого газа составляет 7,1 МДж/нм3. Газовая фаза продуктов паровой газификации содержит до 98% горючих веществ. Теплотворная способность его выше за счет большего содержания водорода и равна 11,8 МДж/нм3.

По результатам термохимических расчетов можно сделать выводы, что максимальный выход смеси газов Н2+СО для всех рассматриваемых углей наблюдается при температуре 1000-1100 К и не меняется при ее дальнейшем повышении. Это справедливо для случаев как воздушной, так и паровой газификации.

. 1 \ ■•■и

: ' ' ' K2u

essai вмм \

ê _ J**

0 S

.'/■'■(ИЗ ' : %

0 Ш£Щш9МШЯШ:

ItlMl- "*

fi ill(l "1 t ЙЯЙ ¡г:(ш ,

:;;iili

Pire. 2 Равновесный состав газовой фазы при паровой газификации окино-

ключевского угля

В таблице 2 представлены сводные результаты расчетов удельных затрат энергии на газификацию рассматриваемых углей и равновесный состав горючих компонентов газовой фазы. Для сравнения приведены аналогичные данные по тугнуйскому, баганурскому и урейскому углям, которые были получены ранее. В таблице 3 приведены данные по составу этих углей. Согласно расчетам наиболее выгодна в плане затрат энергии газификация туг-нуйского угля - (-0,29 кВтч/кг) при воздушной и 0,59 кВтч/кг при паровой газификации (при Т=1000 1С). Наиболее энергозатратной является газификация окино-ключевского угля - 0,3 кВтч/кг при воздушной и 2 кВтч/кг при паровой газификации (при 1-1000 К). Для остальных углей удельные затраты энергии имеют промежуточные значения - 0,2-0,3 кВтч/кг при воздушной и 1,0-1,5 кВтч/кг при паровой газификации (при Т=1000 К). Причина столь разных результатов кроется к свойствах и химическом составе углей.

Кроме этого немаловажно микроструктурное строение частиц угля. Разветвленная поровая структура увеличивает эффективную площадь частицы угля, и, как следствие, выход синтез-газа. Плотная структура снижает степень газификации частиц угля. Из этого следует, что при газификации уголь первоначально следует активировать, т.е. создать разветвленную поровую структуру, удалив при этом значительную часть влаги и летучих. Активацию можно провести с помощью низкотемпературной плазмы.

На следующем этапе расчетов плазменной газификации угля проводятся расчет процесса плазменной газификации рассматриваемых углей с помощью программы «Плазма-уголь-2». Расчет проводится с целью создания двухступенчатой установки, конструкция которой будет рассмотрена в третьей главе (рис. 5). Расчет проводится для двух случаев - воздушной и паровой газификации. При этом расход угля выбран фиксированным - 20 кг/ч, а расходы воздуха и пара - согласно предыдущим расчетам термодинамического равновесия.

Таблица 2

Расчетный выход продуктов (об. %) и удельные затраты энергии при плазменной газификации различных видов углей

Т=1000 К Воздушная газификация Паровая газификация

н2, % СО, % общ. % Оуд, кВтчУкг н2, % СО, % общ. % С?уд> кВтч/кг

Тугнуйский 12 25 37 -0,29 52 35 87 J 0,59

Баганурский 23 25 48 0,18 55 30 85 1,52

Урейский 13 25 38 0,13 53 40 93 1,74

Окино-ключевский 10 30 40 0,29 52 38 90 2,01

Адун-чулунский 19 38 57 0,25 51 37 88 1,11

Таблица 3

Основные характеристики исследуемых углей

Уголь А* у<Ш Ор V н, кДж/кг

Тугнуйский 14 19,4 45 23030

Баганурский 36,4 9,3 41 14694

Урейский 10 13,0 43,0 22103

Окино-ключевской 21,3 22,3 42,3 16709

Адун-чулунский 21,2 8,6 45,4 14770

Газификатор состоит из двух коаксиальных цилиндров, расположенных вертикально. Цель расчета состоит в определении длины второй ступени и места расположения струйного плазматрона П2. Диаметр первой ступени составляет 0,15 м. Диаметр второй ступени выбран большим для увеличения производительности установки. Поскольку состав продуктов газификации мало зависит от диаметра второй ступени (рис. 3), то её диаметр выбран равным 0,6 м для равномерного заполнения факелом струйного плазматрона сечения второй ступени. В ходе расчета расходы угля, воздуха и пара, мощность плазматрона, а также отношение диаметров оставались неизменными, изменялась лишь длина ступени.

Результаты расчета хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью программы ТЕРРА. Согласно результатам расчета процесс газификации начинается непосредственно в первом реакторе совмещенного типа и достигает максимума на расстоянии х>0,7 м от начальной точки.. При паровой газификации получаем схожие результаты, различие заключается в том, что концентрация СО и Н2 в этом случае выше. Следует отметить провал на графике (рис. 3) в окрестности точки х=0,3 м. Это связано с резким увеличением диаметра установки в этом месте (рис. 5).

О, об.

Рис. 3 Объемное содержание горючих компонентов (СО+Н2) при разных диаметрах второй ступени на примере паровой газификации окиио-ключевского угля

Согласно результатам расчета процесса газификации адун-чулунского угля (рис. 4) процесс заканчивается при х>0,2, т.е. на выходе первого реактора. Степень газификации углерода при этом достигает 70%.

Исходя из этого, место размещения второго плазматрона должно быть в области 0,3<х<0,7, т.е. там, где еще нет полной конверсии углерода. Образовавшийся в первой ступени газ будет гореть во второй ступени, давая дополнительное количество тепла, которое будет зависеть от расхода реагентов

состава используемых углей и вида газификации.

а, об.

Н2

-»-со

— СО 2

-*>-СН4

0,05 ОД 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,75

Рис. 4 Объемное содержание компонентов газовой фазы при паровой газификации адун-чулунского угля при работающей первой ступени

Для достижения этой цели предпочтительнее использовать паровую газификацию угля в первой ступени, т.к. она дает большее количество горючего газа, следовательно, для газификации угля во второй ступени потребуется меньшее количество энергии. Длина второй ступени должна быть такой, чтобы к ее завершению степень газификации углерода достигала 100%. С учетом предыдущих расчетов длину ступени выберем равной 1,5 м. Место расположения плазматрона на 0,4 м от начала второй ступени.

Так как газификатор будет работать с углями разных марок, то следует сделать запас по длине второй ступени. Величина его должна быть сравнима с длиной первой ступени, т.к. для некоторых углей, согласно расчетам, достаточна длина 0,3-0,4 м для полной газификации. С учетом этих рассуждений, длину второй ступени выберем равной 2,0 м.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований газификации окино-ключевского и адун-чулунского углей на двухступенчатой установке, а также результаты анализа микроструктурного состава исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме. Для проведения экспериментальных исследований создана двухступенчатая установка плазменной переработки твердых топлив (рис. 5). При создании экспериментальной установки был использован модульный принцип, т.е. конструктивно установка поделена на несколько модулей или секций (камер). Важным является вертикальное расположение модулей, где происходят процессы массо- и теплообмена между твердыми частицами сырья и газовым теплоносителем.

Это исключает необходимость дополнительного дутья для продвижения твердого топлива, а также обеспечивает отсутствие зон, где могут скапливаться частицы топлива.

Первой ступенью установки является коаксиальный плазматрон совмещенного типа с внутренним диаметром 0,15 м и длиной 0,4 м, вторая ступень представляет собой набор цилиндрических модулей, общей длиной 2,0 м и внутренним диаметром 0,6 м. В верхней части второй ступени установлен струйный плазматрон ЭДП-212. Ранее была создана и испытана экспериментальная двухступенчатая установка, первая ступень которой работала в алло-термическом режиме, вторая - в автотермическом режиме. Источником тепловой энергии служила только первая ступень. Установка имела также вертикальное расположение модулей, но диаметр их был одинаковый.

Рис. 5 Устройство экспериментальной установки 1 - реактор I ступени; 2 - магнитная катушка; 3 - дозаторы; 4 - бункеры сырья для первой и второй ступени; 5 - катод; 6 - эжектор; 7 - парогенератор; 8 - камера II ступени; 9 - струйный плазматрон; 10 - труба вывода газа; 11 - сборник твердого остатка; 12 - скруббер; 13 - фильтр,

14-ороситель.

Основное отличие новой установки - увеличенный диаметр второй ступени и наличие второго плазматрона, за счет которого можно предварительно либо в ходе работы поднимать температуру во второй ступени для увеличения эффективности газификации.

Экспериментальная установка может работать в следующих режимах:

1. Работа только первой ступени, уголь и газифицирующие агенты подаются в первую ступень (I режим).

2. Работа только второй ступени, уголь и газифицирующие агенты подаются во вторую ступень. (II режим).

3. Работа первой ступени, вторая ступень включается периодически для подогрева. Уголь подается в первую ступень, а газифицирующие агенты подаются во вторую ступень (III режим).

4. Работа первой ступени, вторая ступень включается периодически для подогрева. Уголь и газифицирующие агенты подаются одновременно в обе ступени (IV режим).

5. Работа обеих ступеней одновременно, уголь и газифицирующие агенты подаются одновременно в обе ступени (V режим).

В последних трех режимах в первой ступени происходит выход летучих, и вырабатывается дополнительное количество теплоты, которое утилизируется во второй ступени.

При проведении исследований исходный уголь проходил плазмотерми-ческую обработку, продуктами обработки являлись синтез-газ и твёрдый остаток. Синтез-газ отбирался в верхней части скруббера и подвергался химическому анализу на лабораторном газоанализаторе ГХЛ-1 по методике, изложенной в ГОСТ 7018-75. Принцип действия газоанализатора основан на избирательном поглощении и сжигании газов. В процессе экспериментов регистрировались расходы угля, воздуха и пара, значения напряжения и тока в цепи плазматронов и температурные режимы в реакторе и второй ступени.

Для исследований выбраны угли двух месторождений: окино-ключевского и адун-чулунского. Исследования продуктов плазменной обработки проводились физико-химическими методами, т.е. исследование химического состава, физического состояния, теплотворной способности синтез-газа и микроструктурного строения частиц угля.

Первоначально исследовалось влияние атмосферного воздуха на состав и качество получаемого синтез-газа для рассматриваемых углей в I режиме работы установки, т.е. реагенты подавались в первую ступень, второй плаз-матрон при этом был отключен. В каждом последующем опыте изменялось количество поданного воздуха в реактор от 30 до 180 кг/ч при постоянном расходе угля равном 50 кг/ч. Во второй серии экспериментов в плазменный реактор подавался водяной пар в количестве 5-30 кг/ч. Результаты экспериментов для окино-ключевского угля показаны в таблице 4.

По результатам экспериментов видно, что при воздушной газификации газ состоит, в основном, из водорода и компонентов воздуха. Содержание

оксида углерода колеблется около 10%, в то время как содержание кислорода колеблется в пределах 10-16 %. В случае паровой газификации объем водорода увеличивается вдвое, содержание оксида углерода не превышает 15%. С увеличением расхода подводимого воздуха объемная доля азота и кислорода возрастает, что сопровождается соответствующим понижением теплотворной способности синтез-газа. Подача водяного пара позволила увеличить содержание горючих веществ и, как следствие, увеличить энергетическую ценность получаемого синтез-газа.

Следует отметить тот факт, что содержание СО и С02 при обоих видах газификации имеют близкие значения. Это связано с тем, что бурые угли, к которым относится окино-ключевской уголь, углерод содержат в основном в связанном виде, поэтому для образования СО нужно затратить больше энергии, чем в реакции со свободным углеродом, кроме того для этих углей характерно высокое содержание летучих.

Таблица 4.

Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме I (об. %)

Компоненты Расход воздуха, кг/ч

30 60 90 120 150 180

н2 22,0 14,8 11,9 8,6 7,1 6,1

СО 9,6 11,6 11,0 11,3 12,0 11,6

со2 5,8 7,0 7,7 8,0 8,3 8,5

02 10,7 13,3 14,5 15,2 15,6 16,0

балласт 51,9 53,3 54,9 56,8 56,9 57,8

СО+Н2 31,6 26,4 22,9 19,9 19,2 17,7

0, кДж/нм3 3598,2 3068,1 2689,4 2366,4 2298,1 2131,6

Компоненты Расход па ра, кг/ч

10 20 30 40 50 60

н2 41,6 40,8 41,3 38,6 38,0 37,6

СО П,2 13,7 13,2 13,5 15,1 14,0

со2 7,8 9,8 10,9 11,5 11,9 12,2

02 0,1 0,1 од 0,1 0,0 0,0

балласт 39,2 35,6 34,6 36,3 34,9 36,1

СО+Н2 52,8 54,5 54,4 52,1 53,1 51,6

0, кДж/нм3 5925,8 6156,8 6137,9 5892,5 6030,9 5844,7

Результаты экспериментов по газификации адун-чулунского угля схожи с аналогичными результатами для окино-юпочевского. При воздушной газификации газ также содержит много основных компонентов атмосферного воздуха. При паровой газификации содержание водорода увеличивается в среднем на 25-30%. Содержание СО так же колеблется в пределах 10-15%

для обоих видов газификации, и оно близко к содержанию С02. В этом случае оксид углерода (II) так же не успевает выделиться в достаточном количестве.

Далее были проведены исследования газификации окино-ключевского и адун-чулунского углей во второй ступени установки (режим II). При этом первая ступень была отключена. Расходы угля, воздуха и пара оставлены без изменения. Согласно результатам экспериментов получаемый синтез-газ из исследуемых углей еще более худшего качества, чем в первой ступени. Это объясняется наличием большого количества воздуха в объёме второй ступени, а также недостаточным ее прогревом. Общее содержание горючих компонентов не превышает 30% как при воздушной, так и при паровой газификации. Использование в качестве газифицирующего агента пара дает прирост водорода вдвое, но высокое содержание балласта приводит к тому, что газ также обладает низкой калорийностью и не пригоден для сжигания. Получение СЖТ из такого газа также затруднено, поскольку газ содержит много балласта.

Таблица 5.

Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме III (об. %)

Компоненты Расход воздуха, кг/ч

30 60 90 120 150 180

н2 26,8 18,0 14,5 10,4 8,6 7,3

СО 23,8 26,8 26,5 27,0 28,6 27,5

С02 0,1 0,1 ОД 0,2 0,2 0,2

Ог 9,2 11,6 12,8 13,4 13,9 14,2

балласт 40,1 43,4 46,2 49,0 48,8 50,8

СО+Н-, 50,6 44,8 40,9 37,4 37,2 34,9

Q, кДж/нм~' 5920,5 5348,0 4921,4 4548,6 4558,8 4285,3

Компоненты Расход пара, кг/ч

10 20 30 40 50 60

н2 50,2 48,9 49,3 46,0 45,3 45,0

СО 30,5 37,7 36,3 37,5 39,3 36,3

С02 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 1,2

о2 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0

балласт 19,1 . 13,1 14,0 16,2 15,0 17,5

СО+Н-, 80,6 86,6 85,7 83,5 84,6 81,2

Q, кДж/нм3 9296,7 10078,0 9950,3 9733,8 9889,5 9468,4

Для достаточного выхода синтез-газа при газификации таких углей их следует предварительно активировать, т.е. увеличивать эффективную по-

верхность угольных частиц, подвергая их тепловому удару. При этом удаляется значительная часть летучих составляющих и влаги. Для достижения этой цели было принято решение использовать одновременную работу обеих ступеней. Уголь подавался в первую ступень, где происходила его активация в потоке плазмы, а газифицирующие агенты подавались во вторую ступень (III режим). В таком режиме процесс газификации осуществляется во второй ступени, а первая используется для активации угля. В этом случае струйный плазматрон во второй ступени использовался для предварительного подогрева зоны реакции до температуры 900-1000°С. По результатам экспериментов видно, что синтез-газ получается значительно лучшего качества, чем в предыдущих экспериментах (табл. 5). Суммарное содержание горючих компонентов при воздушной газификации достигает уровня 50%, а при паровой -80% и выше. Калорийность этого газа выше значения калорийности в предыдущих экспериментах в 1,5-2 раза. Аналогичные результаты были получены для адун-чулунского угля.

На следующем этапе проводились исследования работы установки в режиме IV. При этом первая ступень была включена постоянно. Второй плазматрон использовался периодически для подогрева зоны реакции второй ступени. В первую ступень подавалось фиксированное оптимальное количество угля и пара, соответствующее режиму III.

Таблица 6.

Состав синтез-газа при воздушной и паровой газификации окино-ключевского угля в режиме V (об. %)

Компоненты Расход воздуха, кг/ч

60 120 180 240 300 360

Н2 26,4 17,7 14,2 10,3 8,5 7,2

СО 22,8 25,8 25,4 25,9 27,5 26,5

со2 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,7

02 9,3 11,8 12,9 13,5 14,0 14,3

балласт 41,0 44,2 46,8 49,6 49,3 51,3

со+н2 49,2 43,5 39,7 36,2 36,0 33,7

Q, кДж/нм3 5746,8 5182,6 4768,1 4401,8 4408,8 4143,5

Компоненты Расход пара, кг/ч

20 40 60 80 100 120

Н2 49,4 48,2 47,3 45,3 44,7 44,4

со 28,9 32,6 34,4 35,5 36,2 35,7

со2 0,8 1,1 1,2 1,2 1,3 1,7

02 од од 0,1 0,0 0,0 0,0

балласт 20,8 18,1 17,1 17,9 17,8 18,2

СО+Н2 78,3 80,8 81,7 80,8 80,8 80,1

Q, кДж/нм3 9012,8 9353,9 9484,7 9409,5 9422,9 9336,1

Во вторую ступень подавался уголь в количестве 50 кг/ч и газифицирующие агенты. Синтез-газ в режиме IV образуется немного худшего качества по сравнению с режимом 1П (содержание СО+Н2 снижено, в среднем, на 20-25%), однако производительность установки в этом режиме вдвое выше, чем г. III режиме. Худшее качество газа можно объяснить недостаточной активацией угля во второй ступени. Для более полной активации частиц угля во второй ступени было решено оставить второй гошматрон включенным (режим V, табл. 6). Для сохранения одинаковых условий эксперимента массовые расходы угля и газифицирующих агентов были оставлены без изменения. Согласно результатам экспериментов наблюдается увеличение содержания горючих компонентов в составе синтез-газа по сравнению с режимом IV, что можно объяснить лучшей, по сравнению с режимом IV, степенью активации угольных частиц. При этом в режиме V производительность установки

также вдвое выше, чем в режиме III.

Сопоставляя экспериментальные и расчетные данные можно сделать вывод о их соответствии друг другу (рис. 6). Следует отметить, что тенденции хода расчетных и экспериментальных кривых для воздушной и паровой газификаций исследуемых углей совпадают. Экспериментальные кривые расположены ниже расчетных, в среднем на 10-15%, что можно связать с неточностью анализа газов, возможным отличием характеристик угля, но более всего с тем фактом, что в расчетах не учитывается микроструктурныи состав угля. Можно предположить, что малая эффективная поверхность угольных частиц не позволяет им газифицироваться полностью.

70 60

5 58 40

30 10

,10 О

—- (ээсчет ■ ж- Н2 - гизейеримент СО- эксперимент

10131619 » 2528.3t.S4 Я «0:4 Зчс «9«25 58 РЁСХЙД »эра, КГ/Ч

Рис. 6 Расчетные и экспериментальные данные паровой газификации окино-ключевского угля (режим V).

Изменяя количество воздуха либо пара, можно менять соотношение Н2 и СО. Оптимальные в плане наибольшей калорийности соотношения реагентов имеют следующие значения: уголь:воздух=2:1, уголь;пар=2:1 для окино-ключевского угля; уголь:воздух=3:1, уголь: пар==2:1 для адун-чулунского

угля. Эта значения близки к расчетным значениям, приведенным во второй главе (табл. 1).

Как показали эксперименты, наиболее эффективна в рассматриваемом режиме паровая газификация углей. В этом режиме производительность установки по синтез-газу, при указанных оптимальных соотношениях угольюкислитель, составляет 170 им3/ч (1,7 пм3/кг угля) для окиио-ключевского угля и 227 нм7ч (2,27 нм3/кг угля) для адук- чулунского угля. Учитывая, что энергетически наиболее выгодные соотношения Н2:СО для этих углей 47:34 для окино-ключевского и 46:37 для адун-чулунского, получаем соотношения горючих компонентов: для окино-ключевского 0,8 нм3/кг Н2 и 0,58 им 7кг СО; для адун-чулунского 1,04 нм3/кг Н2 и 0,84 нм3/кг СО. При этом суммарная мощность шшматронов составляет 80 кВт, мощность вспомогательных агрегатов - 15 кВт. Отсюда следует, что удельные энергозатраты на плазменную обработку обоих видов углей составляют около 1 кВтч/кг, что соответствует расчетным значениям.

Завершающим этапом экспериментальных исследований является изучение микроструктурного строения исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме. Исследования проводились с помощью микроскопа МЕТ-2 и программного комплекса для анализа изображений Scope-Photo 3.1. Увеличение составляет 400х, цена одного деления на изображениях 2 мкм (рис. 7, 8).

а - до обработки в низкотемпературной плазме., 6 - после обработай

При сравнении изображений 7а и 76, а также 8а и 86 видно образование норовой структуры у частиц угля, прошедших обработку в низкотемпературной плазме. Делая вывод, можно сказать, что изначально оба исследуемых угля не имеют достаточно развитой пористой структуры, что затрудняет выход летучих и снижает степень вовлечения углерода в реакцию газификации. Это же подтверждается экспериментальными данными (режимы i и ¡1). После активации углей (режимы III, IV, V) происходит раскрытие пор (рис. 76, 86), что способствует лучшему выходу летучих, целом, позволяет получить

содержащий до 80 % основных горючих компонентов. Кроме того, уголь, прошедший обработку в низкотемпературной плазме, обладает сорбирующими свойствами (табл. 6), что также подтверждает наличие процесса образования пор.

а б

Рис. 2 Микроструктурное строении частиц адун-чулунского угля а - до обработки в низкотемпературной плазме, б - после обработки

Таблица 7

Результаты анализов сорбционной активности (СА) углей, прошедших обработку в низкотемпературной плазме (режим I)______

Уголь СА по йоду, см3/г СА по бензолу, см3/г С А по железу, мг/г СА по метиленовому голубому, иг!г

Окино-ключевский 22,1 0,09 2,9 59,0

А дун-чулунский 24,6 0,17 3,1 48,0

Тугнуйский 19,4 0,157 2,24 123,9

БАУ 30,5 0,22 - 38-40

Сорбирующие свойства угольного остатка, полученного плазменным методом, сравнимы с сорбирующими свойствами березового активированного угля (БАУ), а также со значениями, полученными другими исследователями для тугнуйского угля. Полученные результаты подтверждают эффективность применения низкотемпературной плазмы для обработки угля как при газификации, так и при получении сорбентов. Имеющиеся расхождения в свойствах сорбентов, полученных плазменным методом, объясняются различием состава и свойств исходных углей.

В четвертой главе приведены расчеты выхода СЖТ из полученного в ходе экспериментов синтез-газа, представлены схема и описание разработанной автоматизированной системы управления плазменным газификато-

ром, а также про,«ложен способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами.

Для получения СЖТ вариант с использованием водяного пара в качестве окислителя более привлекателен, поскольку содержание СО и Н2 в газовой фазе достаточно велико. Это справедливо для работы установки с исследуемыми углями в режимах 1II-V, поскольку в режимах I и И синтез-газ получается с большим содержанием балластов и его использование для получения СЖТ невыгодно. Поскольку реакция газификации при использовании в качестве окислителя водяного пара идет с поглощением тепла, целесообразно применять метод двухступенчатой газификации, при котором в первой ступени осуществляется частичная газификация угля (аллотермический процесс), а во второй ступени осуществляется реакция полной газификации в присутствии водяного пара (режим III). Но в режиме 111 удельные энергозатраты составляют порядка 1,0 кВтч/кг, поэтому более выгодно использовать режим V с соотношением уголь:пэр=1:1. При этом получается газ среднего объемного состава 112:00=48:33 для окино-ключевского угля и Hz:CO=45:37 для адун-чулунского.

Полученный в ходе экспериментов синтез-газ может быть использован для синтеза углеводородов по методу Фишера-Тропша. Дня синтеза по этому методу используются никелевые и кобальтовые катализаторы, а также катализаторы на основе железа. Синтезы над никелевыми или кобальтовыми катализаторами проводятся на смеси Н2:СО -1:1-2:1. Процесс протекает по реакции:

пСО + 2пН2 -> [- СН2]п+пН20-165,0 кДж/молъ (1)

Для катализаторов на основе железа требуются обратные по составу смеси: Н2:СО =1:2 или 1:1. При этом процесс протекает по реакции:

2пСО 4 пН2 -> [- СИ 2 ]я + пС02 - 207,9 кДж/моль (2)

Выход синтез-газа из 1 тонны рассматриваемых углей и 600 кг пара составит, 800 им3 Н2 и 580 нм3 СО для окино-ключевского угля; 1040 им3 Н2и 850 нм3 СО для адун-чулунского угля. В данном случае полученный газ больше подходит для синтеза углеводородов над Со- катализаторами, так как соотношение Н2:СО лежит в пределах 1:1-2:1. При этом необходима высокая степень очистки газа от балластов. При этом из 1 т окино-ключевского угля может быть получено 234 кг углеводородов, из которых 52,% бензина, т.е. 122 кг. Из 1 т адун-чулунского угля может бьпъ получено 320 кг углеводородов, из которых 166 кг бензина.

Таким образом, при плазменной газификации исследуемых углей был получен синтез-газ, который при высокой степени очистки (электрофильтровая, сухая адсорбционная и пр.) может быть применен для синтеза жидких углеводородов при температуре процесса 230-320° С, в присутствии мелкораздробленных никеля и кобальта, а также осажденных катализаторов на их основе, при давлениях от атмосферного до 3 МПа, т.к. путем изменения расхода газифицирующих агентов, можно добиться соотношения И2:СО

в газовой фазе равной 2:1, которая необходима для синтеза жидких углеводородов.

Рис. 9 Система управления плазменным газификатором на основе ЭВМ М - мотор; ДУ - дозирующее устройство; Д - датчик; Г1Г - парогенератор; ДТ - датчик тока; ИП - источник питания; УУ - устройство управления (ЭВМ); ПОИ - панель отображения информации; БВП- блок ввода параметров; БОД- блок обработки данных; Т1, Т2, ТЗ, Т4 -термопары; МВ - мотор-вентилятор; МК - мотор-компрессор; УС - устройство сопряжения; ГА - газоанализатор.

Следующим этапом работа является разработка автоматизированной системы управления плазменным газификатором. Задача системы - из определенного сорта угля получить возможно более калорийный синтез-газ, при ограниченных расходах реагентов. Работа системы отчасти заключается в измерении температуры, которая, как известно, является инерционной величиной. При этом процесс управления силой тока и расходом реагентов протекает на несколько порядков быстрее. Поэтому, такую систему желательно строить на основе ЭВМ. В системе на основе ЭВМ вполне возможен обход опасных зон регулирования, где могут возникнуть неуправляемые колебания в каналах управления. На рисунке 9 изображена схема системы управления газификатором. На всех устройствах размещаются датчики. На парогенераторе, компрессоре откачивания газа, дозаторе устанавливаются расходомеры.

расходомеры. Для организации такой системы управления необходимо устройство сопряжения. Измерительные сигналы с установки преобразуются устройством сопряжения в цифровые, передаваемые на компьютер. С другой стороны, сигналы управления с компьютера декодируется устройством сопряжения в аналоговые управляющие сигналы, которые непосредственно, либо через релейную систему, управляют всеми агрегатами установки.

Поскольку газификация является инерционным процессом, при создании автоматической системы управления нужно учитывать возможность опасных участков на характеристике регулирования. Прежде всего, это связано с вопросами управления температурой. Температура в зоне реакции зависит не только от силы тока в цепи плазматронов, но и от удельной теплоты сгорания самого угля. В качестве приоритетов при дальнейшей модернизации системы можно предложить учет инерционности плазменного процесса, обеспечение его непрерывности, исследование возможности введения в систему функции автоматической настройки параметров под определенный тип угля.

Применение плазменных технологий позволит решить важную проблему - исключение вредных веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами. Были обследованы технологические линии газификации и оборудование для получения синтез-газа, используемого для предварительного нагрева металлических заготовок дарханского металлургического комбината и эрдэнэтского завода по получению железа из руды методом прямого восстановления (МНР). При этом в тракте газопровода было обнаружено наличие конденсирующейся ядовитой смолы, представляющей экологическую опасность и опасность для здоровья обслуживающего персонала (табл. 8).

Рис. 10 Установка струйного плазматрона в трубе вывода газа

Такие соединения образуются при неполной переработке угля, вследствие недостаточной температуры на протяжении отдельных участков зоны реакции. Следует отметить, что в скруббере плазменных установок, работа

которых была исследована в настоящей работе и ранее, не обнаружено подобных соединений. Это связано с увеличением реакционной способности веществ в плазме, а так же с тем фактом, что градиент температурного поля в реакционной камере незначителен, благодаря наличию второго плазматрона. Кроме того, большинство из приведенных в табл. 8 веществ разлагаются при температурах выше 1000 °С на более простые углеводороды парафинового ряда.

Таблица 8

Содержание полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в пробах каменноугольной смолы и мелкодисперсной пыли уноса с мокрых скруббе-_ров газогенераторной установки_

брутто-формула Смола, нг/мг Пыль, нг/мг "С 1цип> °с опасность пдк, лд*

Нафталин СЮНЙ 38,2 535,3 80,3 218 - 20 г/м3

Аценафтилен с12н8 31,9 1466,3 92 270 - 2,2 г/кг*

Аценафтсн С12Н10 1,8 110,0 96,0 279 - 2,1 г/кг*

Флуорен СнНш . 7.6 1073,3 116 295 - -

Фенантрен СнНю 83,7 1810,4 101 332 лейкоцитоз 0,8 мг/м3

Антрацен СнНю 42,4 848,7 216 351 раздражение 0,1 мг/м3

Флуорантен С]бНю 191,6 892,8 110 384 - -

Пирен С^Ню 226,0 808,0 150 392 раздражение 0,1 мг/м3

Бенз(а)антрацен С^Нп 377,9 227,9 160,5 438 слабый канцероген -

Хризен С^Нп 302,1 185,3 254 448 канцероген -

Бенз(Ь)флуорантен С20Н12 268,4 94,0 168 481 - -

Бенз(к)флуорантен С20Н12 404,9 126,0 217 480 - -

Бенз(а)пирен С20Н12 468,8 143,1 180 310 канцероген -

Индено( 1,2,3-сс!)пирен С22Н12 329,1 86,9 162 - -

Дибенз(а,Ь)атрацен С22Н14 27,9 5,6 270 524 канцероген -

Бенз^,1м)перилен С22Н12 241,6 61,7 272 525 - -

Бенз0)флуорантен 135,2 44,4 - -

Бенз(е)перилен 224,7 65,4 179 312 - -

Перилен С20Н12 102,8 26,6 265 503 - -

Е ПАУ 3502,6 8611,7

Поэтому для снижения количества смол можно предложить установку муфельного участка с плазматроном в тракте газопровода применяемых газогенераторов (рис. 10). Это позволит поддерживать высокую температуру (порядка 1000-1200 °С) в газопроводе и обеспечит разложение смол, находящихся в парообразном состоянии.

Основные выводы и результаты работы

1. Расчетными методами определен состав продуктов газификации бурых углей окино-ключевского (Респ. Бурятия) и адун-чулунского (Монголия) месторождений в зависимости от состава этих углей и режимов обработки. Определены геометрические размеры реактора.

2. Выявлены особенности газификации бурых углей окино-ключевского и адун-чулунского месторождений. Эти угли содержат углерод в основном в связанном состоянии, наряду с высоким содержанием летучих веществ, поэтому их плазменная газификация должна проводиться в два этапа - активация угольных частиц в первой ступени, затем газификация в присутствии газифицирующих агентов во второй ступени.

3. Разработан новый вариант двухступенчатой установки для плазменной переработки исследуемых углей.

4. Проведены экспериментальные исследования по получению синтез-газа на созданной экспериментальной установке. Оптимальным режимом работы установки является режим паровой газификации, при котором реагенты подаются одновременно в обе ступени плазменной установки. Соотношения реагентов для исследуемых углей в этом режиме имеют следующие значения: уголь:воздух=2:1, уголь:пар=2:1 для окино-ключевского угля; уголь:воздух=3:1, уголь:пар=2:1 для адун-чулунского угля. При этих соотношениях получен синтез-газ следующего объемного состава: Н2:СО=26:23 (воздушная газификация), Н2:СО=49:30 (паровая газификация) - для окино-ключевского угля; Н2:СО=32:30 (воздушная газификация), Н2:СО=43:35 (паровая газификация) - для адун-чулунского угля.

5. Исследована микроструктура рассматриваемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме. Установлено, что у частиц угля, прошедших обработку в низкотемпературной плазме наблюдается образование пор, что позволяет сделать вывод о наличии процесса активации. Это характерно для режимов с основной газификацией во второй ступени и предварительной активацией в первой, что способствует лучшему выходу летучих в этих режимах работы установки и позволяет получить газ, содержащий до 80% основных горючих компонентов.

6. При плазменной газификации исследуемых углей получен синтез-газ, который может быть использован для синтеза жидких углеводородов по известному методу Фишера-Тропша над Со-катализатором, при условии высокой степени очистки его от балластных газов.

7. Разработана система автоматизированного управления плазменным газификатором, которая позволяет поддерживать выбранные теплофизи-ческие параметры работы установки на заданном уровне.

8. Для исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на промышленных газификаторах, работающих по традиционным технологиям, предлагается установка плазменно-муфельного участка в тракте газопровода применяемых газогенераторов.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С. Система управления теплофизическими параметрами плазмохимической установки газификации углей // Энергосбережение - теория и практика: труды Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - С. 193-196.

2. Буянтуев СЛ., Шишулькин С.Ю., Шаронов К.С. Вопросы оптимизации теплофизических параметров плазменного газификатора углей // Вестник БГУ: Химия и физика. - Вып. 3. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2009. - С. 146-152.

3. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С. Блок-схема процесса автоматизированного управления плазменным газификатором // Инновационные технологии в науке и образовании: материалы Международной конференции (12-14 июня 2009 г.). - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2009. - С. 232-237.

4. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С. Вопросы управления процессом плазменной газификации углей // Наноматериалы и нанотехнологии. Нанораз-мерные структуры в физике конденсированного состояния. Технологии наноразмерных структур: сборник трудов 2-й научно-практической конференции с международным участием (27-29 августа 2009 г.). -Улан-Удэ: изд-во БГУ, 2009. - С. 146-150.

5. Буянтуев СЛ. Шаронов К.С. Управление теплофизическими параметрами установки плазменной газификации углей// Энергосбережение и природоохранные технологии для устойчивого развития Байкальского региона: Сборник статей секции международной конференции ЮНЕСКО «Глобальные и региональные проблемы устойчивого развития мира», 8-10 июня 2010 г. - Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2010. - С. 3136.

■ 6. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С., Кондратенко A.C., Пшеничникова Л.И., Ендонгомбо Г., Батсайхан Б. Исследование возможности получения синтез-газа из угля разреза «Адуунчулуун» (Монголия) и синтетического жидкого топлива // Инновационные технологии в науке и образовании: сборник трудов международной научно-практической конференции г. Улан-Удэ, 16-17 сентября 2011 г. -Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2011. -С. 11-14.

7. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С. К вопросу об автоматизации управления теплофизическими параметрами установок плазменной газификации углей // Вестник Бурятского государственного университета. Выпуск 3: Химия и физика. - Улан-Удэ: Издательство Бурятского госуниверситета, 2011.-С.231-236.

8. Буянтуев СЛ., Шаронов К.С. Влияние режимов работы плазменной газогенераторной установки на состав синтезируемого газа // Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета, №3. - Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2011. - С.48-54.

Подписано в печать 27.02.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,1 печ. л. Тираж 100. Заказ № 39.

Отпечатано в типографии Изд-ва Федерального государственного бюджетного учреждения науки БНЦ СО РАН 670047 г. Улан-Удэ ул. Сахьяновой, 6.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Шаронов, Константин Сергеевич, Улан-Удэ

61 12-5/2327

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

(ФГБОУ ВПО ВСГУТУ)

На правах рукописи

Шаронов Константин Сергеевич

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОЙ

ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Буянтуев С.Л.

Улан-Удэ-2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНИЛ ПЛАЗМЫ ДЛЯ

ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ....................................................Л О

1.1 Методы газификации углей..............................................................11

1.2 Методы плазменной газификации углей..............................................18

1.2.1 Общие сведения о плазмотронах................................................18

1.2.2 Плазменные технологии в топливной энергетике............................21

1.2.3 Плазменная газификация твердого топлива..................................22

1.3 Теоретические основы процесса газификации......................................27

1.4 Автоматизированные системы управления процессом

плазменной газификации углей.......................................................31

1.4.1 Теоретические основы построения систем

управления тепловыми процессами............................................32

1.4.2 Общая характеристика промышленных систем

автоматического регулирования.................................................36

1.4.3 Структура промышленной системы управления

тепловыми процессами............................................................39

1.5 Технологии получения синтетического жидкого топлива

из синтез-газа...............................................................................44

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЕДОВАНИЯ

ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ.................................47

2.1 Расчет процесса газификации исследуемых углей

с помощью программы ТЕРРА..........................................................47

2.1.1 Определение удельных затрат энергии и равновесного состава продуктов газификации

окино-ключевского угля..........................................................47

2.1.2 Определение удельных затрат энергии и равновесного состава продуктов газификации

адун-чулунского угля..............................................................57

2.2 Расчет процесса плазменной газификации исследуемых

углей с помощью программы Плазмоуголь-2.......................................65

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ В ДВУХСТУПЕНЧАТОМ ПЛАЗМЕННОМ ГАЗИФИКАТОРЕ.................................................................72

3.1 Описание экспериментальной плазменной установки..............................72

3.1.1 Модернизированная двухступенчатая плазменная установка.............77

3.1.2 Система электропитания плазменной установки.............................86

3.1.3 Управление режимами работы и измерение параметров...................96

3.2 Исследования комплексной переработки углей окино-ключевского и адун-чулунского месторождений

в двухступенчатом плазменном газификаторе......................................101

3.2.1 Методики исследования основных свойств углей..........................101

3.2.2 Исследование процесса плазменной обработки углей в первом

и втором режимах работы экспериментальной установки................104

3.2.3 Исследование процесса плазменной обработки углей

в третьем режиме работы экспериментальной установки.................113

3.2.4 Исследование процесса плазменной обработки углей в пятом

и четвертом режимах работы экспериментальной установки............117

3.3 Исследование сорбционных свойств и микроструктурного

строения рассматриваемых углей.....................................................123

ГЛАВА 4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ КОМПЛЕКСНОЙ

ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ.......................................................128

4.1 Исследование возможности получения синтетического жидкого топлива...128

4.2 Система автоматизированного управления плазменной установкой..........132

4.2.1 Структура и функциональные узлы автоматизированной

системы управления плазменной установкой..............................135

4.3 Применение плазменных ступеней для улучшения экологических показателей традиционных промышленных газификаторов....................144

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.................................150

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Современное положение на топливно-энергетическом рынке таково, что при существующих темпах прироста использования природных топливных ресурсов, прежде всего нефти, ее запасов остается на несколько десятков лет. В связи с этим все большее внимание уделяется технологиям, позволяющим использовать уголь в качестве сырья для производства углеводородного топлива. К этим технологиям относятся газификация угля с получением горючего газа и жидкого топлива, технологии использования водоугольного топлива и т.д.

плазмы доказана в трудах многих исследователей как в России так и за рубежом. В энергетике можно выделить следующие направления внедрения плазменных технологий - розжиг твердого топлива в котлах ТЭС, сопутствующая ей газификация угля и получение сорбента. Кроме того, как уже упоминалось выше, при газификации угля получают синтез-газ, который может быть использован для получения синтетического жидкого топлива (СЖТ).

Технологии плазменной переработки угля появились не так давно, поэтому в промышленном использовании, можно сказать, не встречаются. Различные виды углей, с различным составом, по-разному ведут себя в процессе плазменной обработки, поэтому для каждого вида угля необходимо подбирать режимы процесса. Составляющими режима обработки являются температура процесса, массовые расходы реагентов, электрические параметры плазменной установки. Это возможно осуществить с помощью автоматизации процесса плазменной переработки углей. Под автоматизацией в данном случае понимается комплекс мер, направленных на увеличение эффективности плазменной переработки различных видов углей путем настройки режима обработки углей. Автоматизация должна включать в себя обработку исходного сырья, анализ образующихся продуктов и корректировку режима в сторону увеличения качества продуктов обработки. Наибольший интерес представляют в этом отношении низкосортные угли, забалластированные золой, а также угли, содержащие большой процент летучих веществ и влаги. При этом угли могут одновременно низкосортными по критерию зольности и высокореакционными по критерию выхода летучих веществ. В энергетике такие угли имеют широкое распространение. Состав и свойства поставляемых углей меняются от партии к партии, поэтому исследования теплофизических параметров процесса плазменной переработки углей различного состава и свойств имеют актуальность для внедрения плазменных технологий в промышленное использование.

Для исследований выбраны бурые угли окино-ключевского и адун-чулунского месторождений. Выбор этих углей обусловлен технико-

экономическими причинами. Окино-ключевской разрез Республики Бурятия начал свою работу в 2009 г. и в 2012 г. планируется выход на промышленный уровень, в связи с этим исследования по плазменной переработке углей этого разреза представляют интерес. Ранее в Бурятском государственном университете и Восточно-сибирском государственном технологическом университете были проведены исследования по газификации и получению сорбента из каменных углей тугнуйского (Республика Бурятия), урейского (Читинская область) месторождений и бурых углей баганурского месторождения (Монголия), и были получены хорошие результаты как по синтез-газу, так и по сорбенту. Месторождение «Адуунчулуун» (Монголия) также разрабатывается недавно. Исследования плазменной переработки углей этого месторождения призваны выявить возможность получения сорбента, синтез-газа и, в дальнейшем, СЖТ для собственных нужд разреза.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

2. Выявить особенности плазменной газификации рассматриваемых углей.

3. Разработать экспериментальный вариант установки для плазменной переработки исследуемых углей.

4. Провести экспериментальные исследования по получению синтез-газа на созданной экспериментальной установке. Определить оптимальные

соотношения угля, воздуха и пара при обработке данных углей в плазменном газификаторе.

7. Разработать систему автоматизированного управления плазменным газификатором.

Научная новизна работы:

1. Получены новые результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований переработки окино-ключевского и адун-чулунского углей в плазменной установке (температура, удельные энергозатраты на процесс газификации).

2. Определены оптимальные режимы (расход компонентов, температура), а также геометрические размеры реакционной камеры экспериментальной установки для плазменной переработки окино-ключевского и адун-чулунского углей.

4. Предложен новый - с применением низкотемпературной плазмы - способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами газификации.

Практическая ценность работы:

6. Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе для студентов, изучающих дисциплины «Нетрадиционные технологии на ГЭС», «Плазменные технологии», «Автоматизация и управление тепловыми процессами» и др.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

5. Система автоматизированного управления плазменным газификатором, которая позволяет оптимизировать процесс плазменной газификации путем настройки режимов и теплофизических параметров процесса.

6. Способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на традиционных промышленных газификаторах (работающих по методу Лурги), который заключается в установке плазменно-муфельного блока на выходе газификатора.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

Баланс производства электроэнергии в современной промышленности в настоящее время сдвинут в сторону использования для этой цели тепловой энергии сгорания топлива. Качество твердого топлива, используемого на ТЭС, сравнительно невысокое, и в перспективе не ожидается улучшения ситуации. Вероятно, что в ближайшем будущем будут использоваться низкосортные угли, теплота сгорания которых не превышает 15-16 МДж/кг [23]. Выходом из этой ситуации могло бы стать обогащение углей, однако, учитывая большие объемы потребления низкосортных углей на ТЭС и высокую стоимость их обогащения, вряд ли стоить ожидать повсеместного внедрения этих технологий [111]. Более того, в результате обогащения можно снизить лишь зольность и влажность углей, тогда как увеличить выход летучих в низкореакционных топливах путем обогащения в принципе невозможно. Это означает, что нельзя и повысить реакционную способность таких углей. Из-за низкого выхода летучих наблюдается более позднее воспламенения угольной пыли в топочном объеме (при температуре 1170-1220 К). Для решения этой проблемы требуется увеличение объема топочной камеры, а также проведение самого сжигания при пониженных тепловых нагрузках [62]. Эти факторы являются причиной значительного механического недожога, достигающего в экстремальных случаях 10-16%, и сильной неустойчивости горения пылеугольного факела, что ведет к неэффективному использованию топлива и снижению экономической эффективности котло-агрегата в целом [1, 6, 35, 89, 116].

В начале 80-х годов в научных институтах нашей страны начали пр�