Содержание к диссертации
Введение
1 Процессы энерготехнологической переработки углей 10
1.1 Ископаемые угли и их характеристики 10
1.2 Технологии переработки углей 14
Коксование угля 14 Полукоксование угля 15
Гидрогенизация угля 16
Газификация угля 19
1.3 Основные существующие схемы газификации угля 21
Газификация угля в газогенераторах Пурги 23
Газификация угля в газогенераторах фирмы BGL 27
Газификация угля в газогенераторах концерна Shell 30
Газификация угля по технологии ConocoPhilips E-gas 35 Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens 37
Некоторые другие технологии газификации углей 38
1.4 Выводы по первой главе 40
2 Технология газификации углей в плотном слое под давлением 42
2.1 Краткий обзор и современное состояние проблемы 42
2.2 Конструктивные особенности устройства и работа газогенераторов Лурги 46
Основное оборудование газогенераторов Лурги 50
Технологический процесе газогенераторов Пурги 54
2.3 Физика и химия процессов газификации углей 66
2.4 Влияние условий проведения процесса газификации на характеристики получаемого газа 73
Влияние температуры и давления на процесс газификации 73
Влияние вида дутья на состав генерируемого газа 77
2. 5 Выводы по второй главе 80
3 Исследование и оптимизация режимов работы газогенераторов лурги на шуваркольском угле при парокислородном дутье под давлением 82
3.1 Характеристики шубаркольского угля 82
3.2 Зависимости, используемые при газификации угля в плотном слое под давлением 86
3.3 Схема экспериментального контроля анализируемых параметров 90
3.4 Влияние состава минеральной части топлива на пределы изменения входных параметров газифицирующей дутьевой смеси 95
3.5 Удельный расход кислорода на газификацию топлива 102
3.6 Неблагоприятные режимы работы газогенератора Лурги на шубаркольском угле 105
3.7 Экспериментальные зависимости, характеризующие процесс газификации Лурги 107
3.8 Материальный баланс и технико-экономические показатели работы газогенератора Лурги 111
3.9 Выводы по третьей главе 114
Заключение и выводы по работе 116
Литература 118
- Технологии переработки углей
- Газификация угля в газогенераторах фирмы BGL
- Конструктивные особенности устройства и работа газогенераторов Лурги
- Зависимости, используемые при газификации угля в плотном слое под давлением
Введение к работе
В настоящее время проблемы энергетики и энергосбережения приобретают все большее значение. Среди них важное значение имеет проблема энергетической безопасности производственных процессов, гражданских и других объектов. Актуальными остаются проблемы обеспечения энергией отдаленных районов, пунктов и хозяйственных объектов. Поэтому разработка комплексных энергетических установок (таких, например, как газогенератор, газовый двигатель или работающая на газе электрогенераторная станция с котлом-утилизатором) для автономного обеспечения тепловой, механической и электрической энергией является весьма актуальной проблемой. Исходным звеном такой установки может быть автономный газогенератор, работающий, например, на местном угле.
Многие производственные и технологические процессы требуют для своего обеспечения большого количества тепловой энергии (пара или горячего газа), которую можно легко получить путем сжигания газа в технологической установке или в непосредственной близости от нее. Необходимое количество горючего газа с заданными свойствами может быть получено путем газификации угля.
Интерес к технологиям переработки низкосортных натуральных твердых топлив (бурых и каменных углей), антрацитов и горючих сланцев, торфа, древесных отходов и т.д. на установках термохимической конверсии (газификации и пиролиза) в настоящее время возрастает в связи с неизбежным предстоящим переходом мировой энергетики на малоуглеродные и неуглеродные, в том числе водородные, технологии [1-6]. Среди ведущих направлений предстоящей диверсификации энергетики будут технологии газификации твердых топлив [7-10].
Под газификацией обычно понимают высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твёрдых или жидких горючих ископаемых или продуктов их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.
Таким образом, газификация твердого топлива решает задачи перевода твердых горючих ископаемых, в том числе углей, в удобное для сжигания топливо - горючие газы.
Одним из перспективных направлений развития газификации является газификация натуральных твёрдых топлив, в том числе сернистых и высокозольных углей, как стадия их подготовки к использованию в топках теплопотребляющих агрегатов, не приспособленных для прямого сжигания. Процессы и методы газификации твердого топлива в зависимости от назначения получаемого газа можно классифицировать следующим образом [11-15]:
• получение газов заданной теплоты сгорания;
• получение газов заданного состава.
Существуют различные типы процессов газификации углей, принципиально отличающихся в основном организацией процесса взаимодействия топлива и окислителя. Например, газификация с неподвижным или псевдоожиженным слоем или же со спутным потоком пылевидного топлива. Газификация проводится в специальных аппаратах — газогенераторах, которые также отличаются друг от друга в зависимости от типа процесса. В случае использования воздушного дутья получается низкокалорийный газ, в случае кислородного дутья - среднекалорийный газ.
В то время как газогенераторы с воздушным дутьём работают при атмосферном давлении, газогенераторы с кислородным дутьём работают не только при атмосферном, но и при повышенных давлениях, что приводит к увеличению выхода метана. Более современными являются газогенераторы Лурги, Винклера, Копперс-Тотцека, Велман-Галуши и другие.
В настоящее время разрабатываются и развиваются другие технологии газификации углей и производства синтез-газа. Например, в слоевых газогенераторах фирмы BGL процесс газификации угля осуществляется под давлением, как и в газификаторах Лурги, но с жидким шлакоудалени-ем. Реализованы десятки проектов производства синтез-газа путем газификации угля в газогенераторах концерна Shell. К более новым относится процесс газификации водо-угольной суспензии под давлением по технологии ConocoPhilips E-gas. Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens может работать с разными видами топлива, такими как каменный уголь, бурый уголь, биомасса и жидкие отходы. Технологии газификации твердых топлив, особенно углей, непрерывно развиваются и совершенствуются. Однако до настоящего времени наиболее распространенным и надежным в эксплуатации, по многим причинам, является процесс газификации в плотном слое под давлением по технологии фирмы Лурги (Lurgi).
В соответствии с вышеизложенным основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах генерации горючих газов из каменных углей местных месторождений в плотном слое под давлением в газогенераторах, работающих по технологии Лурги на низкозольном шубаркольском угле. При этом главными направлениями исследования были следующие:
• определение диапазона надежной бесшлаковой работы газогенераторов Лурги при газификации шубаркольского угля, содержащего предельно низкое количество минеральной части (зольного остатка);
• достижение максимально возможного снижения величины показателей газификации (газификационного отношения пар/кислород) в дутьевой смеси.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• Рассмотрение и обзор существующих методов газификации углей и выбор наиболее рациональной технологии производства газа из низкозольного шубаркольского угля.
• Обобщение существующего опыта организации технологического процесса газификации углей в плотном слое под давлением при па-рокислородном дутье в газогенераторах Лурги.
• Проведение систематических наладочных и экспериментальных исследований на промышленных газогенераторах Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье, с целью достижения оптимальных значений показателей газификации и выработки рекомендаций для проектирования второй очереди газогенераторной станции.
Научная новизна работы заключается:
В определении оптимальных значений показателей газификации газогенераторов Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье под давлением, а также получение и обобщение обширного экспериментального материала, описывающего технологический процесс Лурги.
Практическая значимость
Отладка технологического процесса газификации низкозольного шубаркольского угля при парокислородном дутье под давлением на промышленных газогенераторах Лурги и получение оптимальных значений показателей газификации. Внедрение результатов исследования на предприятии ОАО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Республика Казахстан). Издание учебного пособия по результатам исследования.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется анализом и обобщением достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований. Применением современных и апробированных экспериментальных методов исследования. Проведением широкомасштабных модельных и натурных экспериментальных исследований и использованием достоверных результатов других авторов. Выполнением работы при участии высококвалифицированных отечественных и зарубежных специалистов.
Апробация работы
Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: II Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (Самара, 2004), конференции «Техперевооружение объектов энергетики на основе продуктов и услуг Уральского турбинного завода» (Екатеринбург, 2004), 3-й Международной научно-практической конференции «Энерго ресурсосбережение, оптимизация энергопотребления и обеспечение экологической безопасности на предприятиях металлургической, горной И нефтехимической промышленности» (Санкт-Петербург, 2005), I Международной научно-технической конференции и Инвест-форуме Восточно Казахстанской области «Энергетика, экология, энергосбережение» (Казахстан, Усть-Каменогорск, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики - ЭЭТПЭ-2007» (Барнаул, 2007) и III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России, 1 статья в региональном журнале, 6 докладов и 3 тезиса доклада на конференциях различного уровня и 1 учебное пособие [16-27].
Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ).
Научным руководителем диссертационной работы является заведующий вузовско-академической лабораторией АлтГТУ-НИИ СО РАН, профессор АлтГТУ д.т.н., профессор Сеначин П.К.
Технологии переработки углей
Коксование угля - сложный процесс, состоящий из нескольких основных стадий [13-15]. Одна из них заключается в переходе твердого угля в пластическое состояние. Это размягчение наступает для различных марок угля при различных температурах. Температура размягчения углей находится в интервале температур 620-720 К. На этой стадии коксования отдельные зерна угля должны сплавляться в однородную массу. В этот период начинается также интенсивное разложение органического вещества угля, в результате чего выделяются летучие продукты - смола, газ, вода.
При дальнейшем повышении температуры до 770-820 К пластическая угольная масса начинает затвердевать - образуется кокс, из которого продолжают выделяться газообразные продукты. Повышение температуры до 1170-1370 К сопровождается дальнейшим выделением летучих веществ - преимущественно газов. В готовом коксе выход летучих веществ составляет не более 1%, в органической массе содержание углерода не менее 96,5%. В табл. 1.3 приведены основные продукты коксования угля. Выход кокса из угля составляет порядка 75 % его массы, а стоимость - порядка 33 % от стоимости всех продуктов коксования, то есть выход химических продуктов составляет порядка 25 % массы угля, а стоимость -порядка 67 %. Существующая техника коксования угля обладает рядом недостатков. И одним из существенных недостатков является то, что технологический процесс коксования является периодически действующим процессом. Полукоксование угля Из нескольких известных методов производства искусственного жидкого топлива из углей наиболее простым и легко осуществимым является полукоксование [28-30]. В отличие от описанного выше процесса коксования углей, метод полукоксования твердого топлива проводится в специальных печах без доступа воздуха при температуре 770-720 К (низкотемпературное коксование). Иногда для повышения выхода газообразных продуктов температуру процесса повышают до 970-1070 К (среднетемпературное коксование). Основными продуктами являются полукокс, смола и газ. Выход этих продуктов получается различным и зависит от характера твердого топлива (табл. 1.4). Выход летучих в процессе полукоксования углей составляет порядка 10-20%.
Искусственное жидкое топливо получают путем деструктивной гидрогенизации, а именно, обработкой топлива водородом под давлением при высокой температуре [28, 31]. При участии катализаторов одновременно, протекают две реакции: разложение (деструкция) топлива и присоединение водорода. Непосредственное гидрирование угля крайне трудно, поэтому его перерабатывают в виде пасты суспензии1 в масле-пасте. Затем паста подвергается термическому "растворению" в присутствии суспензированного катализатора под давлением в атмосфере водорода (при температуре 870-970 К) в смеси с вторичным рециркулирующим продуктом, полученным путем гидрогенизации.
Целевым продуктом жидкофазной деструктивной гидрогенизации угольной пасты является широкая фракция, состоящая из смеси бензиновой и керосиновой фракций и остатка, возвращаемого в секцию жидкофазной гидрогенизации. Широкая фракция, выкипающая до 600-630 К, далее поступает на парофазную деструктивную гидрогенизацию над стационарным катализатором и превращается в стабильный бензин и дизельное топливо. Процесс деструктивной гидрогенизации угольной пасты и тяжелого жидкого сырья проводится при температурах 750-770 К и давлении от 30 до 70 МПа. Парофазная гидрогенизация широкой фракции протекает при температуре 690-710 К идавлении 30 МПа. При деструктивной гидрогенизации каменного угля с замкнутым.балансом, то есть когда образующееся тяжелое масло целиком возвращается на повторную жидкофазную гидрогенизацию в качестве пастообразовате-ля, выход широкой фракции составляет до 60-70 % от органической массы угля. Схема получения жидкого топлива путем гидрогенизации угля показана на рис. 1.2. Около 40 % стоимости получаемого бензина приходится на расходы связанные с получением и использованием водорода. Поэтому методы получения дешевого водорода для процесса гидрогенизации имеют первостепенное значение. Рациональный расход водорода может быть достигнут подбором наиболее эффективного катализатора, способствующего меньшему образованию газа, поскольку большее газообразование приводит к большим расходам водорода.
Путем соответствующего регулирования процесса можно получать либо только бензин, либо бензин и дизельное топливо, либо бензин, фенолы, дизельное и котельное топлива. При гидрогенизации углей выход бензина составляет порядка 60 %, газообразных углеводородов - 20,5-23 %, воды - 5 %. Непрореагировавший остаток равен порядка 5 %.
Для получения таким путем одной тонны бензина расходуется 2,0-2,3 т угля, 2000-2900 м3 водорода, 7-Ю т пара, 8 м3 воды и 1200-1500 кВт-ч электроэнергии. Если же учесть, что топливо при производстве водорода расходуется и на энергетические нужды, то общий расход угля на получение 1 т бензина при гидрогенизации составит 6 т.
Значение гидрогенизации видно из того факта, что уже в 1948 году заводы по гидрогенизации углей в странах мира производили около 6,5 млн. тонн бензина в год. Известен вклад в создание и развитие химии искусственного жидкого топлива из угля и нефтяных остатков российских химиков Н.Д. Зелинского, С.С. Намёткина, Б.А. Казанского, А.Д. Петрова, Н.М. Караваева и других. Газификация угля Газификация твердого топлива является важным направлением техники использования натуральных твердых топлив и, прежде всего, ископаемых бурых и каменных углей [30, 32-34]. Большое будущее этого направления предсказал в конце прошлого столетия великий русский ученый Д.И. Менделеев, выразив это в следующих словах: «Думаю, что время выгодности устройства особых заводов для переделки топлива в горючие газы недалеко, потому, что города сильно растут, заводы и фабрики скопляются около них. И топливо здесь идет в громадных массах, а сокращение хлопот и расходов с развозкой топлива, с истопниками, с заботой об экономии топлива и с необходимостью во многих случаях высокой температуры должно дать значительные сбережения при употреблении газового топлива».
В современных условиях целесообразность развития газификации твердого топлива определяется тем, что применение газа вместо твердого топлива интенсифицирует производственные процессы, повышает производительность и культуру труда, улучшает санитарно-гигиенические условия на предприятиях, обеспечивает резкое сокращение загрязнения окружающей среды. Применение газификации твердых топлив позволяет расширить сферу их использования за счет тех потребителей, для которых непосредственное применение даже высококачественного твердого топлива или невозможно, или, по сравнению с применением газа из этого топлива, менее эффективно.
Особое значение в современных условиях имеет газификация сернистых твердых топлив, позволяющая рационально решать задачи их использования в соответствии с санитарными требованиями по охране природы. Серьезного внимания требует также газификация как резервный источник газоснабжения на основе твердого топлива, в связи с ограниченностью геологических запасов природного газа по сравнению с запасами твердого топлива. В США в настоящее время создается крупная промышленность искусственных газов - заменителей дефицитного природного газа.
Газификация угля в газогенераторах фирмы BGL
В слоевых газогенераторах фирмы BGL процесс газификации угля осуществляется под давлением под давлением, как и в газификаторах Лур-ги, но с жидким шлакоудалением. Газогенератор BGL в верхней части аналогичен по конструкции газогенераторам Лурги, однако существенно отличается нижней частью, предназначенной для работы с жидким шлаком -(рис. 1.6). За счет отказа от колосниковой решетки и применения новых сплавов для корпуса шахты стало возможным увеличение теплонапряжен-ности окислительной зоны и, как следствие, интенсификация газификаци-онного процесса. Следующим этапом в развитии слоевой газификации под давлением с жидким шлакоудалением стало увеличение диаметра шахты для увеличения единичной мощности агрегата. Первый полупромышленный газогенератор был запущен в Великобритании в 1958 году. Диаметр шахты составлял 900 мм. Он работал под давлением около 1 МПа и потреблял уголь в количестве 100 т/сутки. Газогенераторы в Вестфилде (Великобритания) имели диаметр 1,8 м и работали под давлением 2,5 МПа с потреблением угля до 300 т/сутки. Следующим этапом был газогенератор диаметром 2,8 м с потреблением топлива до 500 т/сутки. В 2000 году запущен газогенератор с диаметром шахты 3,6 м в Шварце-Пумпе (рис. 1.6 и 1.7).
Разработка процесса газификации угля началась в 1972 году со строительства пилотного (опытно-промышленного) завода в Амстердаме (Голландия). Реакторы были испытаны на заводах принадлежащих Shell в городе Харбурге (ФРГ) - производительность процесса переработки составила 150 тонн угля в сутки. Затем были запущены газогенераторы в городе Дир-Парк (США) - производительность процесса переработки составила 250-400 тонн угля в сутки.
Следующим шагом было строительство завода мощностью 2000 тонн угля в сутки в городе Бюххенум (Голландия). Завод, принадлежащий компании «Нюон-Пауэр», работает по технологии Shell (рис. 1.9). Типовой процесс газификации угля по технологии Shell описывается ниже, а принципиальная конструкция газогенератора приведена на рисунке (рис. 1.10). Рисунок 1.10 - Принципиальная схема газификатора технологии Shell
Уголь измельчается, превращается в порошок в установке для того, чтобы позволить перемещение его с помощью пневматики в накопительные сосуды. Для пневматического перемещения используется азот. Эффективность повышается, если для транспортировки угольного порошка используется азот, а не вода. Углекислый газ С02 может использоваться как транспортирующий газ в процессах превращения синтез-газа в химические продукты, а также при переработке угля в жидкое топливо. Далее угольный порошок прессуется в воронке-затворе, а затем подается в газификатор вместе с кислородом (чистота которого примерно 95,0-99,5 % по объему) и вместе с паром через сдвоенные противоположно направленные форсунки (горелки). Кислород получают из воздуха на специальных установках. Газификация угля
Вариацией сочетания количества угля, кислорода и пара регулируют режим работы газификатора в интервале температур 1700-1900 К. Это значит, что зола в угле плавится и стекает по стенкам на дно реактора, откуда она удаляется в виде шлака. Высокая температура также предотвращает образование нежелательных побочных продуктов пиролиза: остаются лишь следы метана.
На этой стадии образуется пар среднего давления в газификаторе со стенами мембранного типа. Наличие стен мембранного типа в газификаторе очень важно. Уголь вступает в реакцию с кислородом и паром, в результате чего образуется синтетический газ в соответствии со следующими химическими формулами: С + Н20 = СО + Н2\ С + 0,5Н2=СН; СИ + 0,5О2 =СО + 0,5#2 .
После того, как синтез-газ покидает зону реакции, он частично охлаждается, контактируя с рециркулирующим синтез-газом. Далее он попадает в теплообменник для дальнейшего охлаждения. В результате образуется пар либо высокого, либо среднего давления, в зависимости от конфигурации установки. Удаление твердых примесей
Небольшие количества золы в синтез-газе удаляются с помощью циклона или керамического фильтра в узле удаления твердых примесей. На выходе из этого узла синтез-газ уже практически не содержит макрочастиц. В течение многих лет себестоимость установок газификации угля постоянно снижалась за счет увеличения производительности и расширения видов сырья. Одна современная установка по производству синтез-газа, состоящая из реактора и охладителя, может обеспечить переработку 5000 тонн угля в сутки. Достоинства технологии Shell - высокая единичная мощность газогенераторов; - газификация пылевидного топлива - отсутствие отсева; - содержание СО и Иг в газе более 80%; - генерация пара высокого давления.
Основным недостатком технологического процесса является невозможность газификации высокозольных и высоковлажных углей. В настоящее время в США ведется строительство четырех заводов с технологией газификации ConocoPhilips E-gas.
Конструктивные особенности устройства и работа газогенераторов Лурги
Завод (цех) газификации топлива, оборудованный газогенераторами типа Лурги, предназначен для газификации мелкозернистого топлива в стационарном слое под давлением. На рисунках 2.1-2.3 приведены схема газогенератора Лурги, а также фронтальный и боковой разрезы газогенераторного цеха ПО «Алюминий Казахстана». В качестве сырья используется Шубаркольский бурый уголь фракции 5+30 мм.
Газогенераторы обычно рассчитываются на давление до 1,4 МПа, а газификация угля может производиться под давлением 1,2-1,3 МПа. В качестве дутья используется парокислородная, паровоздушная или пароки-слородновоздушная смеси. Расчётная температура в реакционной зоне составляет около 1300-1400 К, а интенсивность процесса газификации порядка 2000 кг/м2 ч.
Процесс газификации в слоевых газогенераторах Лурги противоточ-ный. Факторами, лимитирующими температуру процесса, являются плав-костные характеристики топлива. Для шубаркольского бурого угля лимитирующим является температурный интервал 1470-1680 К (от температуры начала деформации до температуры начала размягчения). Процесс газификации в газогенераторах Лурги организован таким образом, чтобы зола не размягчалась,не сплавлялась, а оставалась в твёрдом состоянии как в активной зоне, так и на колосниках решетки, создавая изолирующий слойі Охлаждение шлака на решетке осуществляется. пропусканием относительно «холодного» парокислородного дутья через решетку. Поддерживание надлежащего температурного режима путем подбора состава дутья является основным методом предотвращения шлакования. Большое влияние на процесс газификации оказывают температура дутьевого пара и толщина слоя. Для полного восстановления СОї оптимальной температурой является 1570 К при толщине слоя от 600 до 900 мм. Пар снижает температуру зоны горения и тем самым предохраняет от плавления минеральную часть газифицируемого топлива и уменьшает тепловые потери. Однако, избыточный пар снижает эффективность процесса. При превышении отношения пар/топливо более 0,4 происходит снижение содержания СО. Увеличение высоты слоя приводит к увеличению количества разложившегося пара. Для производства генераторного газа оптимальным является соотношение пар/топливо находящееся в диапазоне 0,5-5-0,6. При исследовании проб шубаркольского угля на газификационном стенде была определена оптимальная величина коэффициента газификации, отношения массовых количеств пара и 95 %-го кислорода, которая составила 6,9-7,0.
Газогенератор Лурги, работающий под давлением, представляет собой сложный технический агрегат, включающий следующий комплекс основных элементов: Безнапорный угольный бункер (HI 101) с впускными проемами, размещенный над угольным бункером-загрузчиком и установленный на напольные балки. Угольный бункер-загрузчик (R1101) предназначен для загрузки угля в угольную шлюзовую камеру. Он состоит из нижней (донной) части, соединенной с угольной шлюзовой камерой, 2-х шиберов (задвижек), которые формируют замыкание подаваемого угля и управляются гидравлической системой и верхнего загрузочного угольного бункера. Нижняя часть бункера-загрузчика оборудована штуцером для отсоса воздуха и перекидным шиберным клапаном с гидравлическим управлением. Бункер-загрузчик работает как безнапорное оборудование, только части, соединенные с угольной шлюзовой камерой (седло и конус) подвергаются периодическому воздействию тех же параметров, как и собственно угольная шлюзовая камера. Угольная шлюзовая камера (R1102) представляет собой цилиндри ческий резервуар, работающий под переменным давлением, спроектиро ванный как устройство приема топлива из угольного бункера (R1101) и ра ботающее под давлением корпуса газогенератора при загрузке реактора. Наддув и разгрузка генераторного газа осуществляется посредством дис танционного управления гидравлическими клапанами, находящимися на трубопроводах наддува и разгрузки угольной шлюзовой камеры. Верхний штуцер угольной шлюзовой камеры присоединяется к угольному бункеру загрузчику, а нижний штуцер к корпусу газогенератора. И верхний, и ниж ний штуцеры оснащены затворами давления с гидравлическим управлением. Для измерения минимального и максимального уровней угольная шлюзовая камера оборудуется штуцерами для установки датчиков гамма-излучателей.
Реактор газогенератора (R1101) работающий под давлением, пред ставляет собой вертикальный цилиндрический резервуар с двумя рабочими объемами. Объем I служит для производства неочищенного газа в процес се газификации угля кислородно-паровой смесью, поданной из смесителя R1103.2. Смеситель соединяется со штуцером объема I газогенератора (ре актора). Объем II спроектирован как охлаждаемый объем с использовани ем воды в качестве рабочей среды. Вода подается через штуцеры в нижней части газогенератора из парового коллектора (барабана) R1105. Образо вавшийся пар отводится из купола газогенератора в паровой коллектор (барабан). Верхняя головка газогенератора оборудована патрубком для присое динения угольной шлюзовой камеры. Газовыпускной штуцер в верхней части оболочки газогенератора предназначен для выпуска газа и для под соединения предварительного охладителя. Донная (нижняя) часть газоге нератора оборудована основанием для крепления опорного подшипника колосниковой решетки. В нижней головке имеются штуцеры для выгрузки золы, для присоединения привода колосниковой решетки и самой колос никовой решетки. , Вращающаяся колосниковая решетка (каскадного типа) предназна чена для обеспечения непрерывного удаления золы и шлака, что способст вует равномерности процесса газификации и надёжного распределения ду тья по сечению.
Зависимости, используемые при газификации угля в плотном слое под давлением
Из литературных источников известно, что в газогенераторах Лурги между входными и выходными параметрами имеется максимум 105 взаимных зависимостей. При этом не учитываются зависимости чисто производственного значения, а также те зависимости, которые могут быть обусловлены типом и размерами производственного оборудования. Имеется в виду влияние на процесс газификации следующих факторов -временного ритма дозагрузки топлива, циклов удаления золы, скорости вращения колосниковой решетки и т.п., которые кроме загрузки генераторной установки и качества газифицируемого топлива, зависят от размеров устройств впуска угля, устройств выпуска золы, отвального устройства колосниковой решетки данного типа и т.д. Знание этих соотношений имеет значение в первую очередь при конструктивном решении технологического оборудования. Не нуждается в рассмотрении и способ подачи угля и удаления золы, если он сам по себе не противоречит требованиям собственно технологии производства газа под давлением.
В соответствии с целями наших исследований из всех взаимных зависимостей экспериментальной проверке в нашем случае в основном подвергались: соотношения входных параметров (состав и концентрация газифицирующей смеси - показатели газификации) и выходных (содержания отдельных компонентов неочищенного газа, теплотворной способности, удельной теплоты сгорания); зависимости температур слоев угля в зонах сушки топлива ТІ (температур слоя угля под ретортой) и в зоне низкотемпературной карбонизации Т2 от коэффициентов газификации; зависимости выходных параметров генераторного газа (содержания отдельных компонентов неочищенного газа, теплотворной способности, удельной теплоты сгорания) от температур слоев угля в зонах сушки топлива ТІ (температур слоя, угля под ретортой) и в зоне низкотемпературного полукоксования Т2.
При этом в анализе не учитывались параметры контролирующие процесс газификации в плане надёжности для исключения аварийных ситуаций (спекания и шлаковки в угольных слоях, пережога отдельных элементов внутри реактора, поддержания требуемой разницы в давлениях внутри реактора и в кожухе охлаждения, поддержания необходимого уровня воды в паросборнике контура охлаждения и пр.). Воздействия этих параметров контроля работы газогенератора на указанные выше зависимости не входит в объём данной работы, так как сильно усложняет достижение поставленных целей и по сути дела является анализом рассмотрения аварийных ситуаций. В рамках данной работы принимается, что все параметры контролирующие процесс газификации в плане надёжности находятся в узком диапазоне указанном в эксплуатационной режимной карте оборудования.
В процессе анализа результатов экспериментальных замеров не учитывалось, что изменение удельного потребления кислорода автоматически вызывает изменение удельного потребления пара, если природа газифицируемого угля и, соответственно, золы требует сохранения постоянных величин показателей газификации (газификационного отношения). В анализе вообще не рассматривались удельные расходы, так как везде речь идет о производных параметрах из производительности газогенераторной установки, т.е. из выработки неочищенного газа.
Кстати, необходимо иметь в виду, что изменение независимых переменных, как правило, вызывает изменение не одной зависимой переменной, а обычно влияет на нескольких входных параметров одновременно. Например, изменение состава газифицирующей дутьевой смеси, а, следовательно, и состава вырабатываемого газа влияет также на удельные расходы пара, кислорода и горючей части топлива, а значит и на выход газа из топлива и производительность газогенераторной установки при данной загрузке кислородом. Теоретически совершенно невозможно, чтобы при изменении состава неочищенного газа не изменился расход топлива (при сохранении остальных параметров неизменными), так как при этом были бы нарушены условия баланса действующих масс.
Наиболее определяющими и оказывающими максимальное влияние на режим работы газогенераторов факторами является газификационное соотношение дутья, характеризующееся двумя коэффициентами Ki и К2 (показатели газификации). Показатели газификации В данной работе в качестве показателей газификации используются два коэффициента газификации (газификационные отношения), определяемые следующим образом: К\- отношение количества внешнего перегретого дутьевого пара (т/час) к количеству технического (95 %-го) кислорода в дутье при нормальных условиях (нм3/час) Kl-Ql/F02; (3.1) К2 - отношение суммарного количества (внешнего перегретого и внутреннего насыщенного) дутьевого пара (т/час) к количеству 95 %-го (технического) кислорода в дутье при нормальных условиях (нм3/час) K2=Q2lFo2- (3.2) Коэффициенты газификации К\ и Кг являются интегральными характеристиками газификатора Лурги, позволяющими рассматривать работу и оптимизировать технологический процесс агрегата в обобщенном виде.
Эксплуатация газогенераторных установок Лурги, работающих под давлением, в большинстве своём производится при высоких показателях газификации (газификационном отношении), которое означает значительные затраты на перегретый пар высокого давления. В то же время было понятно, что на газовых заводах газификации угля под давлением именно за счет уменьшения газификационного отношения (коэффициента) можно было бы получить значительную экономию и повысить энергетическую эффективность. При этом значительные резервы в повышении эффективности состоят также и при использовании более «холодного» перегретого пара. Большинство действующих газовых заводов, газифицирующих каменный уголь, работают с показателями газификации К\=в,9-1,9.
Предварительный технико-экономический анализ данной проблемы показал, что только за счет оптимизации газификационного отношения на 4-х газогенераторах можно было бы получить экономию приблизительно до 90 000 т пара в год.
Таким образом, одной из основных целей экспериментальных и опытных работ, которые проводились в этом направлении, было повышение эффективности газификации под давлением путем экспериментальной проверки наиболее подходящих газификационных отношений при относительно низких (до 620-640 К) температурах газификационного пара.
