Влияние температуры и вида сырья на характеристики синтез-газа при паровой бескислородной газификации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Шевырёв Сергей Александрович

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВИДА СЫРЬЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНТЕЗ-ГАЗА ПРИ ПАРОВОЙ БЕСКИСЛОРОДНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 ПАП 2014

Барнаул - 2014

005548613

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, Богомолов А.Р.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Сергей Григорьевич, заместитель генерального директора - технический директор ООО «Энерготехнологическая компания «Термококс», г. Красноярск

кандидат технических наук

Загрутдинов Равиль Шайхутдинович, заместитель технического директора по науке и новым технологиям ЗАО «СУЗМК ЭНЕРГО», г. Среднеуральск

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск

Защита диссертации состоится «27» июня 2014 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, Алтайский край, г. Барнаул, проспект Ленина, д. 46, тел/факс 8(3852) 298722, e-mail: D21200403@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «23» апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного

совета

С.П. Кулманаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Твердое топливо в энергетике развитых стран занимает значительную долю от общего количества потребляемых энергоресурсов. Например, в Европе и США доля угольного топлива в энергетике составляет более 60%, а в мире в целом более 40%. При этом в последнее время в развитых странах значительно возросло потребление древесины и отходов лесоперерабатывающей промышленности. В Швеции и Финляндии доля древесины в энергобалансе составляет около 20%. В России использование угля и биомассы в энергетике составляет в среднем около 18% и менее 1% соответственно, что является недостаточным для обеспечения энергетической независимости и безопасности производственных процессов.

Стратегия развития угольной отрасли России на период до 2030 года предполагает увеличение количества экспортируемого угля, используемого в основном для энергетики и коксохимической промышленности, на 50% (до 170 млн. тонн в год). Такой прогнозируемый рост добычи неизбежно приведет к значительному увеличению количества образующихся отходов, в основном состоящих из штыба и шламов. В РФ обогащается 95% коксующегося и 22 % энергетического угля и к настоящему времени только в Кузбассе накоплено более 25 млн. тонн шлама, а количество ежегодно образующегося штыба в России составляет более 180 млн. тонн. Данные материалы значительно ухудшают экологическую ситуацию.

Переработка таких веществ традиционными методами, например сжиганием, малоэффективна из-за высокой зольности шламов (до 50% и выше), а также нерентабельна из-за дороговизны транспортировки. Однако органическую часть данных отходов можно эффективно перерабатывать с применением нетрадиционных методов. К ним, например, относится газификация. Во многих развитых странах к технологиям газификации имеется значительный интерес. Например, в Европе и США разрабатываются и внедряются высокоэффективные электрические станции с внутрицикловой газификацией угля (IGCC), что позволяет повысить общий КПД этих станций до 50% и значительно сократить выброс вредных веществ в атмосферу.

Технология газификации является универсальным методом для переработки углеродсодержащих материалов независимо от их структуры и свойств. В результате взаимодействия газифицирующего агента и газифицируемого материала получается синтез-газ различного состава. В зависимости от состава получаемого газа различают два основных направления его использования: сжигание в энергоустановках; применение в качестве исходного сырья для синтеза различных органических веществ. При использовании синтез-газа для производства углеводородов, он должен иметь в своем составе наибольшее количество Н2 и СО и наименьшее количество балласта (N2, СОг, Ог, СН4 и др.). В этом случае газифицирующим агентом должен выступать водяной пар, который является основным источником водорода в получаемом газе.

Впервые паровую газификацию осуществили более двухсот лет назад. Пропуская через раскаленный уголь водяной пар, был получен водяной газ. В этом процессе периодически приходилось подавать воздух, чтобы компенсировать эндотермические эффекты паровой газификации. Более поздние попытки паровой газификации были основаны на применении разогретого инертного материала, который вводили непосредственно в зону газификации. Однако из-за сложности данного метода, широкого промышленного распространения он не получил.

Большинство современных газогенераторных технологий используют парокислородное и паровоздушное дутье. Применение таких газифицирующих агентов определяет как достоинства, так и недостатки этих методов. Наиболее существенными недостатками в данном случае являются: повышенное содержание балластных примесей в получаемом газе; часть углерода исходного материала неизбежно сгорает в газогенераторе.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в получении перегретого (до 1200°С и выше) водяного пара атмосферного давления при сгорании стехиометрической кислородно-водородной смеси в потоке низкотемпературного (120-140°С) пара атмосферного

давления. Перегретый пар таких параметров обладает следующими особенностями: является одновременно и газифицирующим агентом и теплоносителем, обеспечивающим компенсацию потерь теплоты на протекание эндотермических химических реакций; позволяет получать синтез-газ с высоким содержанием Н2 и СО пригодный для производства различных углеводородов.

Цель работы. Исследование влияния температуры и вида сырья при бескислородной газификации углеродсодержащих веществ угледобывающей и лесоперерабатывающей промышленности с потоком перегретого водяного пара атмосферного давления на характеристики получаемого синтез-газа для развития новых подходов в создании полигенерирующих систем, обеспечивающих производство тепловой, электрической энергии и синтез-газа.

Задачи исследования:

1) экспериментальное исследование влияния температурных условий газификации карбонизированного угля на качественный и количественный выход синтез-газа, степень и скорость конверсии;

2) изучение влияния состава смеси углеродсодержащих веществ угольной и лесоперерабатывающей отрасли на выход синтез-газа;

3) построение математической модели процесса паровой газификации, ее численное решение и сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными;

4) разработка концепции энерготехнологической схемы (ЭТС) производства синтез-газа и ее эксергетический анализ.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Получены закономерности влияния температуры конверсии и вида сырья при бескислородной паровой газификации углеродсодержащих материалов на характеристики синтез-газа при аллотермическом способе подвода теплоты.

2. Разработана математическая модель конверсии карбонизированного материала в потоке водяного пара, учитывающая основные реакции взаимодействия и теплофизические свойства веществ.

3. Представлена оригинальная концепция энерготехнологической схемы (ЭТС) производства синтез-газа и показана возможность применения ЭТС в полигенерирующих системах.

Практическая значимость работы:

1. Полученные закономерности взаимодействия перегретого водяного пара и углеродсодержащих веществ позволяют проектировать конструкции газогенераторов, обеспечивающие получение синтез-газа с содержанием Нг и СО более 75% (об.).

2. Разработанная ЭТС может быть использована в качестве основы при создании полигенерирующих систем, обеспечивающих получение синтез-газа, тепловой и электрической энергии.

3. Результаты исследования приняты к внедрению в качестве проектного решения полигенерирующей системы, работающей на отсеве угля и полукокса на ООО «Завод полукоксования», г. Ленинск-Кузнецкий.

4. Материалы экспериментальных исследований включены в образовательный процесс при обучении студентов специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Объект исследования: процесс бескислородной газификации углеродсодержащих веществ в потоке перегретого (до 1200°С и выше) водяного пара атмосферного давления.

Предметом исследования является синтез-газ, изменение его характеристик (качественный и количественный состав) при различных параметрах осуществления процесса бескислородной паровой газификации углеродсодержащих материалов.

Область исследования соответствует следующим областям исследований паспорта специальности 01.04.14 для технических наук: «п.6 Экспериментальные исследования,

физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях».

Методы исследования: включают экспериментальные исследования по установлению влияния температурных условий газификации, свойств исходного сырья на качественный состав и количественный выход синтез-газа; моделирование процесса бескислородной паровой газификации углеродсодержащих веществ с решением полученной модели итерационно-интерполяционным методом.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием апробированных методик проведения экспериментальных исследований. Определение характеристик используемых материалов основано на использовании государственных стандартов. Измерение и контроль параметров процесса осуществлен с применением известных теоретических зависимостей и приборов, внесенных в государственный реестр средств измерений. Повторяемость экспериментальных результатов, а также их удовлетворительная сходимость с данными других авторов также обеспечивают достоверность полученных результатов.

Апробация работы проходила на региональных, Российских и международных конференциях, семинарах и форумах. Основные результаты работы были представлены на II Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (2011 г., Томск), VII Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (2011 г., Кемерово), III Всероссийской 56 научно-практической конференции «Россия молодая» (2011 г., Кемерово), конференции молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (2012 г., Кемерово), XIV Минском международном форуме по тепломассобмену (2012 г., Минск), VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (2012 г., Новосибирск), Всероссийской конференции «Химическая физика и актуальные вопросы энергетики» (2012 г., Томск), IX Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (2012 г., Кемерово), Всероссийской молодежной конференции «Горение твердого топлива» (2012 г., Томск), Всероссийской конференции «Химия и химическая технология: достижения и перспективы» (2012 г., Кемерово), Международной молодежной конференции «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения» (2012 г., Томск), V Всероссийской 58 научно-практической конференции «Россия молодая» (2013 г., Кемерово), Зй научно-практической конференции «Современные тенденции и технологии добычи, производства, переработки и использования угольных и углеводородных топлив в промышленности и энергетике» (2013 г., Алушта), 11 научной международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (2013 г., Алушта), VIII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (2013 г., Екатеринбург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 7 в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименований, 10 приложений. Работа написана на 178 страницах, включает в себя 27 рисунков и 14 таблиц.

Личный вклад автора состоит в разработке экспериментального стенда конверсии углеродсодержащих веществ и планировании исследований, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Автором разработана концепция ЭТС переработки углеродсодержащих материалов угольной отрасли. Осуществлено составление материального и энергетического балансов предложенной схемы, а также построена эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргута. Разработка математической модели и ее численное решение проведено совместно с д.ф.-м.н. Субботиным А.Н.

Работа выполнена в рамках научных исследований Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева при поддержке: государственного контракта ГК 14.740.11.0101, направленного на реализацию Федеральной целевой программы «Научные и

научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 г.; гранта РФФИ № 12-0831162.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность исследований в области переработки твердого топлива (углеродсодержащих веществ угольной и лесоперерабатывающей отрасли) с получением газообразного продукта (синтез-газа). Представлены цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлено обоснование выбора направления исследований. Дана краткая характеристика процесса газификации, представлены основные уравнения химических реакций, характеризующих процесс газификации, и выделены основные параметры процесса, влияющие на состав получаемого синтез-газа в различных газогенераторных технологиях.

Основные параметры, влияющие на состав синтез-газа, приняты следующие: давление и температура в газификаторе, гидродинамический режим газифицируемого материала, вид газифицирующего агента и способ подвода тепла на компенсацию теплоты эндотермического эффекта реакций. На основе принятых параметров, влияющих на процесс газификации, рассмотрены традиционные известные газогенераторные технологии: Lurgi, Winkler, Koppers-Totzek. Отражены их достоинства и недостатки.

Анализ выявленных достоинств и недостатков рассмотренных технологий, показал, что производимый синтез-газ для нетопливного применения должен характеризоваться высоким содержанием Нг и СО. Особое значение при такой постановке имеют некоторые важные условия газификации. Газифицирующим агентом должен выступать чистый водяной пар (без кислорода) атмосферного давления (либо незначительно выше атмосферного), температура которого позволяла бы получать высококачественный синтез-газ, отличающийся небольшим количеством балластных примесей и высоким содержанием Н2 и СО. В качестве гидродинамического режима при газификации на первоначальном этапе исследований принято использовать стационарный или плотный проницаемый слой, как наиболее приемлемый для простоты ведения опытов, так и для упрощения модельных исследований. Учитывая все эти требования, впервые использован и отработан при проведении опытов по газификации способ получения перегретого водяного пара атмосферного давления с температурой 1200"С, основанный на горении стехиометрической кислородно-водородной смеси (горючей смеси) в потоке низкотемпературного (120-140'С) водяного пара. При этом получаемый перегретый (высокоэнтальпийный) водяной пар выступает и в качестве газифицирующего агента и в качестве теплоносителя, обеспечивающего аллотермический подвод тепла в зону газификации на протекание брутто эндотермического процесса паровой газификации.

Во второй главе представлены методики проведения эксперимента и подготовки исходного сырья для газификации, средства и способы исследования процесса бескислородной паровой газификации, представлена характеристика используемых в опытах материалов.

Для установления закономерностей взаимодействия перегретого водяного пара и исходных углеродсодержащих веществ был разработан экспериментальный стенд (рисунок 1).

Экспериментальный стенд позволяет проводить исследование паровой газификации при температуре до 1200°С в стационарном проницаемом слое исходного вещества. В качестве газифицируемых веществ применялись материалы угольной промышленности Кузбасса: штыб шахты «Березовская» и разреза «Междуреченский», шлам центральной обогатительной фабрики (ЦОФ) «Березовская» и отходы лесоперерабатывающей промышленности - древесная стружка и опилки.

Для представленного экспериментального стенда реализована система автоматического сбора и регистрации основных параметров, характеризующих процесс газификации:

1. температура до слоя исходного материала, в слое и после него;

2. расход низкопотенциального водяного пара;

3. состав синтез-газа.

Рисунок I. Схема экспериментального стенда

I - вход низкотемпературного пара; II - вход высокотемпературного пара; III - выход паро-газовой

смеси; IV - выход конденсата; V - выход влажного газа; VI - выход сухого газа; VII - охлаждающая

вода

1 - парогенератор; 2 - генератор горючей смеси; 3 - зона смешения рабочего участка;

4 - реакционная зона рабочего участка; 5 - конденсатор; 6 - емкость разделения;

7 - емкость сбора конденсата; 8 - емкость осушения газа; 9 - газоанализатор; 10 - перистальтический насос; 11 - газовый барабанный счетчик; 12 - манометр

Т\, Т2, 7з - соответственно измерение температуры перед реакционной зоной, в реакционной зоне и i

после нее

В процессе экспериментальных исследований осуществлялся непрерывный контроль температуры низкопотенциального водяного пара, расхода получаемого синтез-газа и расхода горючей смеси. Регистрация температуры осуществлялась при помощи хромель-копелевых и хромель-алюмелевых термопар, поверенных по справочным данным. Расход низкопотенциального пара определялся весовым способом при конденсации соответствующего количества водяного пара. Расход образующегося синтез-газа определялся при использовании газового барабанного счетчика и перистальтического насоса. Контроль состава получаемого газа осуществлялся при помощи поточного газоанализатора, измеряющего концентрации Н2, СО, СОг, О2, CII4 в объеме получаемого газа. Произведена оценка погрешности измерений, которые не превышали ± 3%. Погрешность измерения концентрации водорода в газовой смеси не превышала ± 5%.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований и их

анализ.

Для установления полноты сгорания горючей смеси были проведены исследования по оценке влияния соотношения расходов горючей смеси и низкотемпературного водяного пара. Результаты экспериментальных исследований показали, что при повышении начальной доли горючей смеси в исходном потоке пара выше 25% (типичные значения для лабораторных исследований процесса газификации) доля несгоревших компонент составляет не более 0,5-0,6 % но отношению к суммарному расходу пара и горючей смеси. Таким образом, в получаемом высокотемпературном паре всегда будут присутствовать компоненты горючей смеси, однако их концентрация не оказывает существенного влияния на состав получаемого синтез-газа.

При установлении влияния температуры высокоэнтальпийного водяного пара на состав получаемого синтез-газа были проведены исследования по газификации исходных карбонизированных материалов. На рисунке 2 представлены характерные экспериментальные результаты по газификации штыба шахты «Березовская» для стационарных условий работы экспериментального стенда при температуре в слое материала 735°С. Время продолжительности всех экспериментальных исследований составляло около 1500 секунд. Экспериментальные данные показывают, что при повышении температуры в слое исходного

_

материала существенно повышается концентрация СО (рисунок 3) в объеме получаемого синтез-газа, при этом концентрация СОг (рисунок 4) снижается. Концентрация водорода при этом остается практически неизменной и составляет около 52-55% для температурного интервала 700-104СГС и различного вида исходного сырья, используемого в экспериментальных исследованиях. Содержание метана независимо от вида сырья и температуры в слое исходного материала составляет менее 1%.

у

-.........^ „ —

\ Тг / н2 С°\ -

СИ, со2. о2 -—V-

| - ■ \ .....

700

600 у 500 400 3(50 200

Рисунок 2. Зависимости концентрации основных продуктов реакций от времени для штыба шахты «Березовская». Температура в слое материала 735°С

40

ю

700

800

900 Т, •с

Рисунок 3. Зависимость концентрации СО в получаемом синтез-газе для штыба шахты «Березовская» при времени конверсии 1000 с от начала эксперимента

15 -10

700

500

850

900

Т, 'С

Рисунок 4. Зависимость концентрации С02 в получаемом синтез-газе для штыба шахты «Березовская» при времени конверсии 1000 с от начала эксперимента

Изменение температуры в слое газифицируемого материала оказывает влияние на соотношение Нг:СО. В исследованном температурном интервале данное соотношение изменяется в среднем от 1,5 до 2,2 (для угольных материалов). С повышением температуры соотношение убывает, что указывает на возможность регулирования и управления процессом с целью получения заданного состава получаемого газа.

Было установлено, что вид исходного сырья существенно влияет на состав получаемого синтез-газа. Па рисунке 5 представлены результаты газификации древесно-угольной смеси с 30% содержанием по массе древесины, которые показывают, что содержание СО в получаемом синтез-газе существенно снижается, а концентрация СОг при этом значительно возрастает. Однако при газификации древесно-угольной смеси с содержанием древесины 10% (масс.) состав синтез-газа практически не отличается от состава газа, полученного при газификации штыба шахты «Березовская» в том же интервале температур. Концентрация водорода при совместной газификации древесно-угольных смесей практически не меняется независимо от массовой концентрации древесины в смеси и составляет в среднем 52-55%.

-г 900 ' 800

Н2

со2

.

СО

/

о2

/

600 500 400 300 200 100

300 500 ~00 900 1100 1300 1500

т. с

Рисунок 5. Зависимость концентрации основных продуктов реакций от времени для смеси угля шахты «Березовская» и древесины (30% масс.). Температура в слое материала 7г—820°С

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что температура и вид исходного сырья существенно влияют на количество получаемого синтез-газа. На рисунке 6 представлены экспериментальные данные по газификации штыба шахты «Березовская» и штыба шахты «Березовская» с повышенным содержанием минеральных компонентов -добавлено 5% золы от исходной массы углеродсодержащего вещества.

1,5 ■

а

810

§60

Т, •с

930

Рисунок 6. Количество получаемого синтез-газа 1 - штыб шахты «Березовская» (А11 = 12%); 2 - штыб шахты «Березовская» + 5 % золы от исходной массы

Данные результаты показывают, что с повышением температуры увеличивается количество получаемого газа. Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о том, что минеральная часть исходного материала существенно влияет на процесс газификации.

Для оценки эффективности процесса газификации в экспериментальных условиях была произведена оценка следующих параметров: степени (X) и скорости конверсии (к) образцов, а также энергии активации - Еа (таблица 1, таблица 2).

Таблица 1

Температура, °С 700 760 860 880 900 1000

Штыб разреза «Междуреченский» X 7,02% 11,8% 21,03% 26,5% 33,8% 48,2%

/И05 4,76 7,26 14,35 17,3 22,8 31,35

Температура, С 735 790 800 915 1000

Штыб шахты «Березовская» X 12,11% 11,53% 18,99% 35,94% 58,16%

¿■105 8,05 7,90 12,78 23,84 38,77

Температура, °С 710 780 850 900 1000

Шлам ЦОФ «Березовская» X 11,33% 18,07% 21,71% 26,66% 32,79%

А105 6,29 7,22 14,55 18,4 22,29

Таблица 2

Материал Г, К £а, кДж/моль

Штыб разреза «Междуреченский» 973 1273 41,9

Штыб шахты «Березовская» 1008 1273 44,1

Шлама ЦОФ «Березовская» 983 1273 28,4

Оценка показала, что газификация в начальный момент времени и при невысокой температуре (до 850°С) более интенсивно протекает при использовании шлама ЦОФ «Березовская». При повышении температуры в слое материала до 1020°С наиболее интенсивно газифицируется образец штыба шахты «Березовская». Так как для проведения экспериментов использовались карбонизированные исходные материалы, то полученные экспериментальные данные показывают, что на протекание процесса газификации существенное влияние оказывают свойства исходного материала, в частности свойства (состав и количество) минеральной части используемых веществ.

В четвертой главе представлены результаты математического моделирования процесса бескислородной паровой газификации, их сравнение с экспериментальными данными.

При анализе состава получаемого синтез-газа, в котором до 90% объема занимает смесь Н2 и СО, и анализе литературных источников в общую математическую формулировку задачи были включены следующие химические реакции:

С + Н20 = С0 + Н2 (1)

СО + Н20=С02 + Н2 (2)

В математическую постановку задачи взаимодействия перегретого водяного пара и углеродсодержащего сырья не была включена реакция Будуара (С+С02=2С0). Такое допущение было сделано из-за того, что в условиях проводимых экспериментов скорость данной реакции незначительна. Вследствие малого времени контакта перегретого пара и углерода протекание данной реакции возможно только за пределами слоя углеродсодержащего материала, где температура снижается до 400-500Х вследствие общей эндотермичности. При таких температурах равновесие данной реакции смещено в сторону образования исходных веществ.

В физической постановке рассматриваемой задачи взаимодействия исходного материала и перегретого пара твердое пористое вещество помещено в горизонтальную трубу и соприкасается с внутренней стенкой. Радиус трубы го. Обозначим длину слоя топлива /о.

Предполагается, что изменение состава получаемого газа и изменение температуры в слое исходного материала происходит только вдоль центральной оси горизонтальной трубы Начало координат расположено на поверхности слоя исходного материала (рисунок 7). Топливо после загрузки предварительно прогревается, а затем проводится продувка высокоэнтальпийным водяным паром атмосферного давления. Предполагается, что процесс газификации подчиняется закону действующих масс.

Перегреть^ яар

\ Углеродсадержащим материал

Рисунок 7. Схема задачи

Система уравнений описывающих рассматриваемый физический процесс представлена в следующем виде:

• уравнение сохранения массы кокса

Р, = Кс = ехр(-ЕС!{ЯТ3)) (1)

• уравнение неразрывности газовой фазы

+ = р4ф4&сос2с5ехр(-£со /(ЛТ4)), (2)

• уравнение неразрывности а-компоненты газовой фазы

от ог 02 дг

• сохранение энергии газовой фазы

Р (^ + V = £ ((^4ф4 +хе)^-)-А!(Т^Т5) +

+ЯсКс + ЧсоКсо --а,Ф4(Г4 ~ТХ), К

, 16а Г; где Ля=-

сохранение энергии кокса

(4)

4 571 ^ 5Т1 о

Е Р<Ф.ср. = ^'(*•» + <? А + А5(Т4-Т5)+-3- а3 (ГЕ - Г,), (5)

гае , с,4 = £сраса

¡=1 о=1

• движение газа в порах и уравнение состояния

Система представленных уравнений решается при следующих граничных условиях: т = 0:ф,=ф,,г = 1Я са=са, а = Н, Т = Т^Т,,р = р,

2 = 0: 04=Гг,(ру)„ = Сой^, = -ТЕ),с =с

дг

г = /г: 5са/Эг = ЭГ4/& = 0,р = — = 0

ёг

В представленных уравнениях введены следующие обозначения: V - скорость фильтрации [м/с]; М4- молекулярная масса газовой фазы (индекс 4 приписывается величинам,

характеризующим газовую, а s — конденсированную фазу) [кг/кмоль]; к - коэффициент проницаемости пористого слоя [м ]; (pv)№ - расход газа во входном сечении [кг/(с"м )]; Ts,Tt, ТЕ - соответственно температуры конденсированной фазы, газа в порах и внешней среды [К]; Ея, Есо, кс,ксо - энергия активации [Дж/моль] и предэкспоненциальные множители [м/с], [1/с] реакций взаимодействия углерода исходного вещества (1) и СО (2) с перегретым водяным паром; R - универсальная газовая постоянная [Дж/моль-К]; h4a,cAa,Mia,Dia -коэффициент теплопроводности [Вт/(м'К)], массовая концентрация, молекулярная масса [кг/кмоль] и коэффициент диффузии [м2/с] а-компоненты газовой фазы, параметр с индексом а=1 - СО, а=2 - СО2, а=3 - Нг, а=4 - Н2О; р - давление газообразных продуктов в порах; As = aiJ - объемный коэффициент теплоотдачи [Вт/м3К]; j - удельная поверхность пор [1/м]; ЯсЯсо ~ тепловой эффект первой и второй реакции соответственно [Дж/кг]; es - степень черноты; т- время [с]; z - размерная пространственная координата, направленная по оси трубы [м]; аь аг, аз - коэффициенты теплоотдачи во входном, выходном сечении и на внешней стенки трубы [Вт/м2'К]; г\, го - наружный и внутренний радиусы трубы [м]; pj,cpl,\l,§i -плотность [кг/м3], теплоемкость [Дж/(кг'К)], коэффициент теплопроводности [Вт/(м'К)] и объемная доля: кокса (г-1), воды (г—2), золы (г—3) и газовой фазы (г=4); А.4, XR, Xs -коэффициенты молекулярной и лучистой теплопроводности газовой фазы и коэффициент теплопроводности конденсированной фазы [Вт/м'К]; а - постоянная Стефана - Больцмана [Вт/м^К4]; ц - коэффициент динамической вязкости [Па'с]; ß - константа в квадратичном законе фильтрации; Те - температура водяного пара; скорости изменения массы соответствующих газовых компонент при а = 1,4 [кг/м3с]:

-MHij мсо мНг м»2 ' мСОг =--— Rr, R-, —-Rn, R> =-— Rx, н--— Ron , Rä —--

Mc Mc w 3 Mc N Mf, wo 4 Mco NO

Представленная выше система уравнений решалась численно с применением итерационно-интерполяционного метода. Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных было произведено на основе эксперимента с образцом штыба шахты «Березовская» при температуре в слое материала 1000'С. Масса образца до начала эксперимента то = 2,5916 г, масса образца после эксперимента т = 1,0844 г.

Численные расчеты проводились при приведенных выше условиях и следующих значениях остальных параметров: р, = 1500 кг/м3, р2 =1560 кг/м3; р3 = 1 ООО кг/м3, р4 = 1,25 кг/м3, с, =1630 Дж/(кг-К), с2 =800 Дж/(кгК) с3 =4190 Дж/(кгК), А., =0,4 Вт/(м'К), Хг =0,61 Вт/(мК), А, =0,8 Вт/(м-К), Х4 =0,0268 Вт/(м'К), Х0г =0,0268 Вт/(м'К), Хсо = 0,025 Вт/(м'К), XCOi =0,038 Вт/(м-К), ХНг =0,307 Вт/(м'К), Х„г0 =0,029 Вт/(м'К), Ес = 201 кДж/моль, Есо =106,5 кДж/моль, qt =-1,0875-107 Дж/кг, q1 =-1,08-106 Дж/кг, fc, = 2,08 ■ 104 1/с, кг =2,04 10" 1/с, 5 = 6■ 105 1/м, Тн = TS =293 К, рн = 1.01 105 Па, ф]н = 0,352, ф2Н = 0, фзн = 0, ф4Н =0,648.

На рисунке 8 приведено сопоставление экспериментальных результатов и результатов численного моделирования.

Как видно из рисунка 8 наблюдается удовлетворительное согласование результатов расчета и экспериментальных данных по составу продуктов газификации при стационарном режиме работы стенда. Максимальное абсолютное отклонение результатов математического моделирования и экспериментальных данных не превышает ±5%. Результаты моделирования удовлетворительно воспроизводят качественное изменение состава во времени по основным компонентам синтез-газа. Для водорода наблюдается непрерывное падение концентрации в течение всего эксперимента, концентрация СО непрерывно возрастает, а концентрация СО2

незначительно убывает. Данный факт свидетельствует об удовлетворительной сопоставимости результатов расчета и опытных данных количественно и качественно.

Нг расчет ........\ Н2 эксперимент

СО расчет СО эксперимент

СРг расчет СОг эксперимент

350 450 550 650 750 850

Т, С

Рисунок В. Сравнение экспериментальных результатов и численного моделирования

В пятой главе представлена разработанная энерготехнологическая схема (ЭТС) и результаты расчета материального и энергетического балансов, а также оценка экономической ' целесообразности применения бескислородной паровой газификации. На основе полученных балансовых соотношений была произведена эксергетическая оценка разработанной ЭТС и построена диаграмма Грассмана-Шаргута.

ЭТС (рисунок 9) предполагает производство в одном технологическом цикле тепловой, электрической энергии и синтез-газа для производства химической продукции. Данная схема включает в себя получение перегретого пара по используемому в исследовании способу и осуществление бескислородной паровой газификации на высокозольном коксовом остатке исходного материала. В качестве исходного материала, по характеристикам которого осуществлен расчет, принят шлам ЦОФ «Березовская».

Материальный и энергетический баланс по основным элементам схемы представлен в таблице 3. Тепловая мощность по перегретому пару на входе в газификатор газового блока составляет 50 кВт при температуре пара 1200°С. Расход исходного материала в газификаторе, рассчитанный на единицу количества перегретого пара, составляет R = 0,15.

На основе энергетического и материального балансов произведен эксергетический расчет основных элементов схемы. Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), образующихся при выработке целевого продукта - синтез-газа позволяют повысить эффективность разработанной ЭТС. В частности установлено, что отходящие дымовые газы из коксового теплообменника 6 можно использовать только в качестве сушильного агента исходного материала. Эксергия получаемого синтез-газа в 1,23 раза выше эксергии коксового остатка, поступающего в газификатор газового блока ЭТС. Это свидетельствует о том, что процесс бескислородной газификации углеродсодержащих веществ угольной отрасли требует дополнительного и тщательного исследования для повышения эффективности их переработки.

промышленности

I - энергетический блок; II - коксо-энергетический блок; III - газовый блок 1 - газификатор; 2 - приемный бункер; 3 - сушильный аппарат; 4 - установка брикетирования; 5 - аппарат пиролиза; 6 - коксовый теплообменник; 7 - блок подготовки; 8 - газификатор; 9 - теплообменник пар (ПГС)-вода; 10 -теплообменник зола-пар; 11 -теплообменник зола-вода; 12 - конденсатор-сепаратор; 13 - блок очистки синтез-газа; 14 - компрессор; 15 - котлоагрегат; 16 -

теплообменник дымовой газ-вода

Таблица 3

Элемент ЭТС Вещество, г/с Энергия, Вт Вещество (энергия), г/с Энергия, Вт Вещество, г/с Энергия, Вт

Приход Расход Небаланс (погрешность, %)

5 Шлам-7,03 Дымовые газы-23,6 657 31671 Пиролизный газ-2,11 Кокс-4,92 Дымовые газы-23,6 4622 3513 24473 0 -280 (0,87%)

6 Кокс-4,9 Дымовые газы-23,6 Воздух-18,85 3513 3625 190 Кокс-4,92 Дымовые газы-23,6 Воздух-18,85 585 5558 950 0 235 (3,2%)

7 Кокс-4,92 Воздух-40,6 585 410 Отсев-1,47 Кокс-3,45 Воздух-40,6 52 123 819 0 1 (0,1%)

8 Кокс-3,45 ВТВП-23 123 118461 ПГС-24,17 Зольный остаток-2,28 Компенсация эндотермических реакций 95942 3345 19846 0 -362 (0,46%)

9 ПГС-24,17 Холодная вода -13,17 95942 1380 ПГС-24,17 Пар-13,17 59847 37147 0 328 (0,34%)

10 Зольный остаток-2,28 Пар-13,17 3140 37147 Зольный остаток-2,28 Пар-13,17 1115 39175 0 -3 (0,01%)

11 Зольный остаток-2,28 Холодная вода-13,17 1115 552 Зольный остаток-2,28 Холодная вода-13,17 287 1380 0 0 (0%)

12 ПГС-24,17 Оборотная вода-221 59847 9260 Смольная вода-21,25 Оборотная вода-221 Синез-газ-2,93 8457 60189 541 0 -80 (0,12)

16 Дымовые газы-23,6 Холодная вода -58,5 24473 2451 Дымовые газы-23,6 Горячая вода-58,5 3625 23276 0 23 (0,08)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследования: !

1) Установлено:

a) повышение температуры в слое газифицируемого материала способствует увеличению образования СО и одновременному снижению СОг в получаемом газе, в частности для штыба шахты «Березовская» в интервале температур 700°С-1020'С, концентрация СО возрастает от 20% до 37% в объеме получаемого газа; концентрация СО2 снижается с 11% до 6,5%;

b) концентрация водорода в интервале температур 700-1020°С для газифицируемых веществ остается практически постоянной на уровне 52-55%;

c) с повышением температуры возрастает объемный выход получаемого газа. На объемный выход синтез-газа существенно влияет содержание минеральной части используемых материалов. При зольности карбонизированного штыба шахты «Березовская» 12,04% максимальный выход синтез-газа составляет 1,25 л/(кг с). При повышении зольности на 5% выход синтез-газа составляет 1,55 л/(кгс).

2) Конверсия исходных карбонизированных образцов штыба позволяет получать до 90% (об.) смеси Н2 и СО. Штыб шахты «Березовская» наиболее интенсивно газифицируется среди всех использованных материалов - при одинаковом времени конверсии он обладает максимальной степенью и скоростью конверсии в 58,16% и 38,77'10"5 с"1 соответственно.

3) Количество карбонизированной древесины в смеси с угольными отходами до 10% (мае.) не оказывает влияния на состав синтез-газа. При увеличении количества древесины в смеси происходит возрастание концентрации СО2 при одновременном снижении концентрация СО.

4) Численное решение математической модели на примере конверсии штыба шахты «Березовская» удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами. Максимальное абсолютное отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает ±5%.

5) Разработана ЭТС по переработке шлама ЦОФ «Березовская» в синтез-газ с выработкой тепловой и электрической энергии. ЭТС позволяет передавать на сторону потребителю 10,5 кг/ч синтез-газа при тепловой мощности перегретого пара в 50 кВт и относительном расходе в газификаторе К = 0,15.

6) Проведен анализ энергетических и эксергетических потоков при производстве синтез-газа из углеродсодержащих веществ угольной промышленности, составлена эксергетическая диаграмма Грассмана-Шаргута, которая позволила качественно оценить параметры ВЭР. Анализ диаграммы показал, что эксергия получаемого синтез-газа на 23% превышает эксергию коксового остатка шлама ЦОФ «Березовская».

Полученные экспериментальные данные и результаты математического моделирования

могут быть использованы для разработки оригинальной конструкции газификатора, либо

модернизации существующих конструкций.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Шевырёв, С. А. Конверсия углеродсодержащих материалов в среде высокотемпературного водяного пара / H.A. Прибатурин, А.Р. Богомолов, М.В. Алексеев, С.А. Шевырёв // Вестн. Кузбасского гос. техн. ун-та. - 2010, № 4. - С. 89-93.

2. Шевырёв, С. А. Конверсия углеродсодержащих материалов / С.А. Шевырёв, А.Р. Богомолов // Вестн. Кузбасского гос. техн. ун-та. - 2011. - № 3. - С. 91-98.

3. Шевырёв, С. А. Исследование процесса водородно-кислородного перегрева пара в процессе высокотемпературной паровой газификации твердого топлива / М.В. Алексеев, А.Л. Сорокин, С.А. Шевырёв, А.Н. Гулев // Вестн. Кузбасского гос. техн. ун-та. - 2012. - № 1. -С. 102-105:

4. Шевырёв, С. А. Перспективы высокотемпературной газификации угля и шлама / А.Р. Богомолов, С.А. Шевырёв, М.В. Алексеев // Теплоэнергетика. -2013. -№ 2. - С. 76-80.

5. Шевырёв, С. А. Взаимодействие карбонизированного угля с перегретым водяным паром / Е.И. Кагакин, А.Р. Богомолов, С.А. Шевырёв, H.A. Прибатурин // Ползуновский вестн. - 2013. -№ 1.-С. 135-138.

6. Шевырёв, С. А. Моделирование слоевого противоточного газификатора для конверсии шлама угля ЦОФ «Березовская» в потоке перегретого пара / М.В. Алексеев [и др.] // Вестн. Кузбасского гос. техн. ун-та. - 2013. -№ 1. - С. 79-84.

7. Шевырёв, С. А. Исследование конверсии углей и шламов в потоке перегретого пара /А. Р. Богомолов [и др.] // Теплоэнергетика. - 2013. -№ 12. - С. 33-39.

В других печатных изданиях:

8. Шевырёв, С. А. Высокотемпературная бескислородная паровая газификация утля и шлама / С.А. Шевырёв, М.В. Алексеев // II Всероссийская научно-практ. конф. «Теплофизические основы энергетических технологий»: сб. науч. тр. / Национальный исследов. Томский политехи, ун-т. - Томск, 2011. - С. 278-282.

9. Шевырёв, С. А. Высокотемпературная паровая газификация на примере конверсии угля и шламов / С.А. Шевырёв [и др.] // VII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: сб. докл. / Кузбасский гос. техн. ун-т им. Т.Ф. Горбачева, Институт теплофизики СО РАН им С.С. Кутателадзе. - Кемерово, 2011. - С. 98-101.

10. Шевырёв, С. А. Газификация отходов угольной промышленности / С.А. Шевырёв, С.С. Азиханов, М.В. Алексеев, A.JI. Сорокин //XIV Минский международный форум по тепло-и массообмену: тезисы докл. и сообщ. / Ин-т тепло- и массообмена им A.B. Лыкова. - Минск, 2012.-С. 587-590.

11. Шевырёв, С. А. Моделирование слоевого противоточного газификатора для конверсии углей и шламов в потоке перегретого пара / М.В. Алексеев [и др.] //VIII Всеросс. конференция Горение твердого топлива: сб. докл. / Ин-т теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2012. -С. 3.1.-3.8.

12. Шевырёв, С. А. Экспериментальное исследование кинетики и теплообмена при конверсии углей и шламов в потоке перегретого пара / С.А. Шевырёв [и др.] //VIII Всеросс. конференция Горение твердого топлива: сб. докл. / Ин-т теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2012.-С. 106.1-106.7.

13. Шевырёв, С. А. Экспериментальное изучение процесса газификации кокса в среде высокотемпературного водяного пара в лабораторных условиях / С.А. Шевырёв // Горение твердого топлива: сб. тезисов и докл. / Томский политех, ун-т. - Томск, 2012. - С. 119-122.

14. Шевырёв, С. А. Экспериментальное определение кинетики процесса газификации угольных отходов в широком диапазоне температур / С.А. Шевырёв, М.В. Кривоносова //

Горение твердого топлива: сб. тезисов и докл. / Томский политех, ун-т. - Томск, 2012. - С. 122125.

15. Шевырёв, С. А. Математическая модель газификации кокса в среде высокотемпературного водяного пара и анализ технологической схемы газификатора / А.Н. Субботин, С.А. Шевырёв // Горение твердого топлива: сб. тезисов и докл. / Томский политех, ун-т. - Томск, 2012. - С. 107-111.

16. Шевырёв, С. А. Физико-математическая модель газификатора полукокса в среде высокотемпературного водяного пара / А.Р. Богомолов, А.Н. Субботин, С.А. Шевырёв // Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения: сб. трудов. / Томский политех, ун-т. - Томск, 2012. - С. 92-94.

17. Шевырёв, С. А. Конверсия углей и шламов в потоке перегретого пара / А.Р. Богомолов [и др.] // Техшчна теплоф1зика та промислова теплоенергетика : 36ipHHK наукових праць. - Випуск 5. - Днтропетровськ, 2013. - С. 82-90.

18. Шевырёв, С. А. Энерготехнологическая схема производства энергии и синтез-газа конверсией отходов угольно промышленности / С.А. Шевырёв, А.Р. Богомолов, М.В. Алексеев // VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: сб. докл. / Уральский федеральный ун-т, Институт теплофизики СО РАН им С.С. Кутателадзе. - Екатеринбург, 2013. -С. 617-623. >

19. Шевырёв, С. А. Моделирование конверсии углей и шламов в потоке перегретого пара для лабораторных условий эксперимента / М.В. Алексеев [и др.] // VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: сб. докл. / Уральский федеральный ун-т, Институт теплофизики СО РАН им С.С. Кутателадзе. - Екатеринбург, 2013. - С. 16-21.

Подписано в печать 23.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 90 экз. Заказ 2014 - 237

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Т.Ф. ГОРБАЧЕВА»

На правах рукописи

04201459737 Шевырёв Сергей Александрович

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВИДА СЫРЬЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНТЕЗ-ГАЗА ПРИ ПАРОВОЙ БЕСКИСЛОРОДНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Богомолов Александр Романович

Кемерово 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ....................15

1.1. Краткая характеристика процесса газификации..............................................15

1.2. Характеристика предлагаемой технологии......................................................27

1.3 Методы обеспечения энергоэффективного получения водорода...................30

1.4. Выводы.................................................................................................................31

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................32

2.1. Экспериментальный стенд.................................................................................32

2.2. Характеристики используемых материалов.....................................................34

2.3. Тарировка датчиков и измерение параметров процесса средствами автоматизации............................................................................................................35

2.4. Методика проведения экспериментов..............................................................38

2.5. Достоверность полученных результатов и погрешность измерений............40

2.6. Выводы.................................................................................................................42

3. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.................43

3.1. Исследование полноты сгорания кислородно-водородной смеси.................43

3.2. Влияние температуры и вида исходного материала на характеристики синтез-газа...................................................................................................................45

3.3. Степень и скорость конверсии образцов..........................................................60

3.4. Оценка энергий активации процесса газификации.........................................63

3.5. Выводы.................................................................................................................64

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ МОДЕЛИ....................................................................................................67

4.1. Математическая модель конверсии органического сырья.............................67

4.2. Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных...........77

4.3. Выводы.................................................................................................................79

5. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛИГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ.....................................................................................................................81

5.1. Описание схемы..................................................................................................81

5.2. Методика расчета материального и энергетического балансов схемы.........83

5.3. Эксергетический анализ энерготехнологической схемы. Построение диаграммы Грассмана-Шаргута.............................................................................102

5.4. Оценка экономической целесообразности применения бескислородной паровой газификации...............................................................................................115

5.5. Выводы...............................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 5........................................................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ 6........................................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ 7.........................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ 8.........................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ 9.........................................................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ 10.......................................................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие все более актуальной в мире становится проблема энергетической безопасности производственных процессов. В этом отношении запасы органического топлива в России в настоящее время позволяют полностью обеспечивать свои потребности, а также экспортировать часть энергоресурсов.

В балансовом потреблении топливно-энергетического комплекса России основную долю занимают нефть и газ, и в перспективе данное соотношение существенно не изменится [1]. Однако мировое потребление первичных энергоресурсов в большей степени основывается на использовании твердого топлива. По состоянию на 2001 г. [2] геологические запасы угля составляют 68% от общих ресурсов горючих ископаемых планеты, на долю нефти и газа приходится лишь 13 и 19% соответственно. Существующее потребление нефти и газа приведет к сокращению их добычи и использования в ближайшем будущем [3, 4]. Такая тенденция ведет к нестабильной ситуации в энергобалансе страны и впоследствии должна способствовать возрастанию добычи и потребления твердого топлива (угля), а также увеличения доли возобновляемых ресурсов в производстве тепла и электрической энергии.

За последние десять лет мировое потребление угля выросло почти на 50%, потребление природного газа - на 30%, а нефти и атомной энергии - менее чем на 10% [5]. В развитых странах доля угольного топлива в энергетике превышает 50% (в США более 60%, в целом по Европе более 60%), а в мире уголь занимает около 40% на рынке производства электроэнергии [6].

В настоящее время доля угольного топлива в энергетическом балансе России достаточно низкая и составляет менее 20% [7, 1]. Такая ситуация сложилась из-за того, что в 60-х годах 20 века были открыты крупные месторождения нефти и газа и произошла переориентация энергетики. Прогноз использования топливно-энергетических ресурсов в России показывает, что значительный прирост будет в добыче и переработке угля [8, 9, 5]. Прогнозируемый прирост мощностей производства угольной отрасли, прежде всего, будет направлен на добычу энергетических и коксующихся углей.

Перспективным направлением обеспечения энергетической независимости производственных процессов можно также считать использование ресурсов биомассы. Биомасса и древесина, в частности, являются важнейшим возобновляемым источником углеродсодержащего сырья. В некоторых развитых странах Европы биомасса уже вносит значительный вклад в топливно-энергетический баланс [10]: в Австрии 12%, в Швеции 18%, в Финляндии 23%. Запасы древесины в России огромны и составляют примерно 23% от мировых [11]. Но, несмотря на столь значительные ресурсы древесины, в нашей стране их переработке уделяется достаточно мало внимания. В основном это связано с отсутствием стимулирования на законодательном уровне производителей электрической и тепловой энергии, а также наличием крупных месторождений традиционных энергетических ресурсов - угля, нефти и газа. По экспертным оценкам вклад возобновляемых источников энергии в энергобаланс России не превышает 0,5-1% [10].

Для обеспечения энергетической безопасности и независимости технологических процессов, а также стабильного развития топливно-энергетического комплекса России, необходимо значительно увеличить долю потребления твердого топлива, в частности создать технологии глубокой переработки угля и биомассы (древесины).

Возрастающее потребление угля и биомассы в мире способствует быстрому накоплению большого количества отходов, значительную часть которых можно перерабатывать с получением различных веществ и энергии. Для угольной промышленности определенный интерес в качестве энергоресурса представляют высокозольные шламы (до 50% и выше минеральных компонентов) углеобогатительных фабрик, а также угольный штыб. В настоящее время только в Кузбассе накоплено более 25 млн. т. шламов [12]. В будущем их количество будет только возрастать, так как, с одной стороны, увеличится количество добываемого угля [8, 9, 5], а с другой стороны, повысится зольность добываемых углей, содержание мелочи и др. [12]. Перспективным угольным материалом можно считать угольную мелочь фракционного состава от 0 до 6 мм, то есть штыб [13].

Такой уголь мало подходит для слоевого сжигания в энергетических установках и его применение для получения энергии весьма ограничено, при этом количество ежегодно образующегося штыба в России составляет около 180 млн. тонн [14].

С другой стороны, Россия обладает значительными ресурсами древесины, которые оцениваются примерно в 41 млрд. тонн. По оценкам экспертов только в энергетических целях в России ежегодно технически возможно использовать до 800 млн. тонн древесной биомассы ежегодно [15], при этом накапливается примерно 70 млн. тонн древесных отходов [16], представляющих перспективный ресурс для производства энергии.

Возрастающий интерес к углеродсодержащим материалам угольной и лесоперерабатывающей отрасли связан с появлением технологий, позволяющих эффективно их перерабатывать. Среди таких перспективных технологий можно выделить процесс газификации. Сам по себе этот процесс не является новым. Уильям Мэрдок (1754-1839) впервые в 1792 году произвел сухую перегонку каменного угля [17] и применил в 1803 году полученный газ для освещения (светильный газ). Итальянский профессор Фелиций Фонтан (1730-1805), пропуская воду через раскаленный уголь, получил водяной газ, содержащий в основном СО и Н2, который в настоящее время называется синтез-газом. В России первые установки по производству синтетического газа из угля начали работать в 1835 г. К 1888 г. в России насчитывалось 210 газогенераторных установок для освещения городов, фабрик, железнодорожных станций. В начале XX века все крупнейшие города России были обеспечены газом, полученным из угля [18]. Построенные газогенераторные установки успешно эксплуатировались на территории бывшего СССР до 60х годов. Затем с освоением крупных месторождений нефти и газа произошло полное замещение синтетического газа, получаемого из твердого топлива (уголь, древесина), на природный газ и продукты нефтепереработки.

Иначе складывалась ситуация в Европе, где собственные запасы нефти и газа присутствовали в очень ограниченном количестве. Ближе к концу XX столетия были накоплены знания об основных способах газификации угля: в

плотном слое (процесс Lurgi), во взвешенном слое (процесс Winkler) и в потоке (процесс Koppers-Totzek). К этому времени активно эксплуатировались различные пилотные установки, производящие генераторный газ для нужд энергетики.

В дальнейшем при совершенствовании технологий газификации появились новые направления конверсии твердого топлива. Среди них можно выделить газификацию в расплаве [19, 20] и плазмохимическую газификацию [21].

На начало 2001 г. в мире насчитывалось около 130 парогазовых установок (ПГУ) с газификацией топлива, находящихся на стадии эксплуатации и строительства, общая установленная тепловая мощность которых была около 43000 МВт [22]. В настоящее время наблюдается прирост газификационной тепловой мощности на уровне 3000 МВт в год по газу [22]. Ежегодное введение новых газогенераторных установок свидетельствует о востребованности и перспективности такой технологии переработки.

Среди основных достоинств газификации можно выделить следующие:

1. Возможность перерабатывать твердые органические вещества различных физико-химических свойств;

2. Низкие выбросы вредных веществ (NOx, SOx [22]);

3. Возможность получать синтез-газ со средней теплотой сгорания 6,7-18,8 МДж/м3 [22];

4. Возможность получать газ, с высоким содержанием Нг и СО для использования в химической промышленности;

5. Применение внутрицикловой газификации в производстве тепла и энергии позволит повысить энергетический КПД ТЭС до 45 % и выше [23].

Тот факт, что технология газификации известна давно и развивается на протяжении более чем 200 лет, свидетельствует о том, что в данной технологии остается еще много нерешенных проблем. Закономерности взаимодействия различных газифицирующих агентов с углеродсодержащими материалами в настоящее время до конца не изучены, поэтому интерес к технологии газификации у отечественных и зарубежных исследователей достаточно высокий.

В зависимости от состава получаемого газа различают два основных направления дальнейшего его использования: сжигание в энергоустановках; применение в качестве исходного сырья для синтеза различных химических веществ. При использовании газа для синтеза химических веществ, он должен иметь в своем составе наибольшее количество Н2 и СО и наименьшее количество балласта (СОг, 02, N2 и др.). В этом случае газифицирующим агентом должен выступать водяной пар, который является основным источником водорода в получаемом газе.

Анализ литературных данных [19, 24-43] показал, что конверсию углеродсодержащих веществ осуществляют при различных физико-химических свойствах газифицируемого материала и газифицирующего агента. Состав получаемого при этом газа варьируется в достаточно широком диапазоне, что значительно затрудняет его использование для синтеза углеводородов. Основными недостатками известных исследований являются:

1. Наличие значительного количества балластных примесей в виде инертных газов, N2, СО2 и др. в получаемом синтез-газе;

2. Сложность осуществления процесса газификации при использовании дисперсного теплоносителя для компенсации тепловых потерь вследствие общей эндотермичности паровой газификации;

3. Необходимость сжигать часть углеродсодержащего материала для компенсации эндотермических эффектов в газификаторе.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в получении перегретого до 120СГС и выше водяного пара атмосферного давления при сгорании стехиометрической кислородно-водородной смеси в потоке низкотемпературного (120-140°С) водяного пара атмосферного давления. Перегретый пар таких параметров обладает следующими особенностями: может являться одновременно и газифицирующим агентом и теплоносителем, обеспечивающим компенсацию потерь теплоты на протекание эндотермических химических реакций; позволяет получать синтез-газ с высоким содержанием Н2 и СО пригодный для синтеза различных углеводородов.

Цель работы: Исследование влияния температуры и вида сырья при бескислородной газификации углеродсодержащих веществ угледобывающей и лесоперерабатывающей промышленности с потоком перегретого водяного пара атмосферного давления на характеристики получаемого синтез-газа для развития новых подходов в создании полигенерирующих систем, обеспечивающих производство тепловой, электрической энергии и синтез-газа.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование влияния температурных условий газификации карбонизированного угля на качественный и количественный выход синтез-газа, степень и скорость конверсии;

2. Изучение влияния состава смеси углеродсодержащих веществ угольной и лесоперерабатывающей отрасли на выход синтез-газа;

3. Построение математической модели процесса паровой газификации, ее численное решение и сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными;

4. Разработка концепции энерготехнологической схемы (ЭТС) производства синтез-газа и ее эксергетический анализ

Актуальность исследования процесса бескислородной паровой газификации углеродсодержащих веществ обусловлена тем, что данная технология позволяет решать комплекс задач, связанных во-первых с использованием низкокачественных и возобновляемых ресурсов для производства тепла и энергии. Во-вторых, данная технология позволяет получать синтез-газ, являющийся ценным исходным сырьем для производства таких веществ как метанол, синтетическое жидкое топливо, высшие спирты и других. В-третьих, процесс паровой бескислородной газификации может выступать как средство экономии топлива (в сравнении с другими технологиями газификации) и поэтому является ресурсосберегающей технологией.

Объект исследования: процесс бескислородной газификации углеродсодержащих веществ в потоке перегретого до 1200°С и выше водяного пара атмосферного давления.

Предметом исследования является синтез-газ, изменение его характеристик (качественный состав и количество) при различных параметрах осуществления процесса бескислородной паровой газификации углеродсодержащих материалов.

Область исследования соответствует следующим областям исследований паспорта специальности 01.04.14 для технических наук: «п.6 Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях».

Методы исследования: включают в себя экспериментальные исследования �