Введение к работе
Актуальность темы. Современное положение на топливно-энергетическом рынке таково, что при существующих темпах прироста использования природных топливных ресурсов, прежде всего нефти, ее запасов остается на несколько десятков лет. В связи с этим все большее внимание уделяется технологиям, позволяющим использовать уголь в качестве сырья для производства углеводородного топлива. К этим технологиям относятся газификация угля с получением горючего газа и жидкого топлива, технологии использования водоугольного топлива и т.д.
В настоящее время уголь в основном используется как топливо в котельных и на тепловых электрических станциях для выработки тепла и электроэнергии, однако эти технологии сжигания сопряжены с такими проблемами как неполное сгорание угля, выбросы окислов азота, углерода, золы. Кроме этого существует опасность заражения почвы в местах, где производят выброс шлаков. Помимо сжигания угля существуют и другие направления его использования, в частности, получение синтез-газа и сорбента (активированного угля). Кроме того, синтез-газ является исходным сырьем для получения синтетического жидкого топлива. Синтез-газ получают путем газификации угля в газификаторах, работающих по технологиям Винклера, Лурги, Копперс-Тотцека. Не останавливаясь на особенностях работы этих газификаторов, отметим, что их общим недостатком является наличие каменноугольной и других смол, конденсирующихся при охлаждении получаемого синтез-газа. Сорбент (активированный уголь) получают путем термической обработки природного угля. Однако технологии получения активированного угля не позволяют производить его в достаточных количествах, что является препятствием к широкому применению углеродных сорбентов.
Решить вышеуказанные проблемы, сопутствующие технологиям получения синтез-газа и сорбента можно, применив для термической обработки угля низкотемпературную плазму. Практическая ценность низкотемпературной плазмы доказана в трудах многих исследователей как в России так и за рубежом. В энергетике можно выделить следующие направления внедрения плазменных технологий - розжиг твердого топлива в котлах ТЭС, сопутствующая ей газификация угля и получение сорбента. Кроме того, как уже упоминалось выше, при газификации угля получают синтез-газ, который может быть использован для получения синтетического жидкого топлива (СЖТ).
Технологии плазменной переработки угля появились не так давно, поэтому в промышленном использовании, можно сказать, не встречаются. Различные виды углей, с различным составом, по-разному ведут себя в процессе плазменной обработки, поэтому для каждого вида угля необходимо подбирать режимы процесса. Составляющими режима обработки являются температура процесса, массовые расходы реагентов, электрические параметры плазменной установки. Это возможно осуществить с помощью автоматизации процесса
плазменной переработки углей. Под автоматизацией в данном случае понимается комплекс мер, направленных на увеличение эффективности плазменной переработки различных видов углей путем настройки режима обработки углей. Автоматизация должна включать в себя обработку исходного сырья, анализ образующихся продуктов и корректировку режима в сторону увеличения качества продуктов обработки. Наибольший интерес представляют в этом отношении низкосортные угли, забалластированные золой, а также угли, содержащие большой процент летучих веществ и влаги. При этом угли могут одновременно низкосортными по критерию зольности и высокореакционными по критерию выхода летучих веществ. В энергетике такие угли имеют широкое распространение. Состав и свойства поставляемых углей меняются от партии к партии, поэтому исследования теплофизических параметров процесса плазменной переработки углей различного состава и свойств имеют актуальность для разработки и внедрения плазменных технологий в промышленное использование.
Для исследований выбраны бурые угли окино-ключевского и адун-чулунского месторождений. Выбор этих углей обусловлен технико-экономическими причинами. Окино-ключевской разрез Республики Бурятия начал свою работу в 2009 г. и в 2012 г. планируется выход на промышленный уровень, в связи с этим исследования по газификации углей этого разреза представляют интерес. Ранее в Бурятском государственном университете и Восточно-сибирском государственном технологическом университете были проведены исследования по газификации и получению сорбента из каменных углей тугнуйского (Республика Бурятия), урейского (Читинская область) месторождений и бурых углей баганурского месторождения (Монголия), и были получены хорошие результаты как по синтез-газу, так и по сорбенту. Месторождение «Адуунчулуун» (Монголия) также разрабатывается недавно. Исследования плазменной переработки углей этого месторождения призваны выявить возможность получения сорбента, синтез-газа и, в дальнейшем, СЖТ для собственных нужд разреза.
Целью работы является исследование процесса плазменной переработки низкосортных углей для установления оптимальных теплофизических параметров этого процесса и выработки рекомендаций по использованию плазменных технологий.
Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:
Расчетными методами определить состав продуктов газификации бурых углей окино-ключевского (Респ. Бурятия) и адун-чулунского (Монголия) месторождений в зависимости от состава углей и режимов обработки, а также оптимальные геометрические размеры реактора для плазменной обработки углей.
Выявить особенности плазменной газификации рассматриваемых углей.
Разработать экспериментальный вариант установки для плазменной переработки исследуемых углей.
Провести экспериментальные исследования по получению синтез-газа на созданной экспериментальной установке. Определить оптимальные соотношения угля, воздуха и пара при обработке данных углей в плазменном газификаторе.
Изучить состав и микроструктуру исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме. Установить взаимосвязь между составом продуктов плазменной переработки и составом и микроструктурой исследуемых углей в исходном состоянии.
Определить возможность получения СЖТ из синтез-газа, полученного методом плазменной газификации исследуемых углей.
Разработать систему автоматизированного управления плазменным газификатором.
Рассмотреть возможность исключения, с помощью низкотемпературной плазмы, ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на газификаторах (гг. Эрдэнэт, Дархан МНР), работающих по традиционным технологиям газификации.
Научная новизна работы:
Получены новые результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований переработки окино-ключевского и адун-чулунского углей в плазменной установке (температура, удельные энергозатраты на процесс газификации).
Определены оптимальные режимы (расход компонентов, температура), а также геометрические размеры реакционной камеры экспериментальной установки для плазменной переработки окино-ключевского и адун-чулунского углей.
Получены данные по составу и микроструктуре исследуемых углей до и после обработки в низкотемпературной плазме.
Предложен новый - с применением низкотемпературной плазмы -способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами газификации.
Практическая ценность работы:
Проведенные исследования процесса плазменной газификации низкосортных углей показали эффективность этих технологий. Применение плазменных технологий переработки углей позволяет создавать компактные установки, отличающиеся низкой металлоемкостью, минимальными время- и трудозатратами на запуск, а также легкостью управления режимами работы, которые могут быть использованы для получения синтез-газа в малом производстве и т.д.
Создана новая двухступенчатая плазменная установка, которая позволяет проводить процесс газификации углей, содержащих большое ко-
личество золы и летучих (до 30 и 50% соответственно), а также углей низкой степени углефикации (бурые угли).
Полученный после обработки исследуемых углей синтез-газ с содержанием Н2:СО в пропорции от 1:1 до 2:1 может быть применен для синтеза жидких углеводородов при температуре процесса 230-320С, в присутствии никеля и кобальта, а также осажденных катализаторов на их основе, при давлениях от атмосферного до 3 МПа.
Разработана система автоматизированного управления для установки плазменной переработки углей, которая настраивает режим работы установки под обрабатываемые угли в зависимости от состава получаемого синтез-газа.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и создании промышленных установок плазменной переработки углей, разработке системы исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого традиционными методами газификации.
Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе для студентов, изучающих дисциплины «Нетрадиционные технологии на ТЭС», «Плазменные технологии», «Автоматизация и управление тепловыми процессами» и др.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты расчетов плазменной обработки окино-ключевского и адун-чулунского углей в экспериментальном плазменном газификаторе, выполненных с помощью программ ТЕРРА и Плазма-уголь-2.
Результаты экспериментов и оптимальные режимы плазменной обработки углей окино-ключевского и адун-чулунского месторождений, при которых получен синтез-газ состава Н2:СО =47,3:34,4 (об. %) для окино-ключевского угля и Н2:СО =45,5:36,9 (об. %) для адун-чулунского угля.
Микроструктурное строение частиц угля до и после обработки в низкотемпературной плазме. При этом установлено, что изначально оба исследуемых угля имеют закрытое строение, что затрудняет выход летучих и снижает степень вовлечения углерода в реакцию газификации. После плазменной активации углей происходит раскрытие пор, что позволяет получить газ, содержащий до 80% основных горючих компонентов.
Рекомендации к использованию рассматриваемых углей в качестве первичного сырья для получения синтетического жидкого топлива. Полученный путем плазменной обработки окино-ключевского и адун-чулунского углей синтез-газ подходит для реакции Фишера-Тропша над М- и Со- катализаторами, для которых требуется соотношение Н2:СОот1:1до2:1.
Система автоматизированного управления плазменным газификатором, которая позволяет оптимизировать процесс плазменной газифи-
кации за счет настройки режимов и теплофизических параметров процесса. 6. Способ исключения ядовитых веществ из состава синтез-газа, получаемого на традиционных промышленных газификаторах (работающих по методу Лурги), который заключается в установке плазменно-муфельного блока на выходе газификатора. Достоверность полученных результатов подтверждается метрологическим обеспечением проводимых исследований. Используемые методы химического анализа синтез-газа обеспечивают возможность получения результата с погрешностью не более 10%. В работе использовались статистические методы обработки полученных экспериментальных данных. Расчетные методы определения состава синтез-газа основаны на использовании прикладного программного продукта ТЕРРА и Плазма-уголь-2 со сравнением полученных расчетных и экспериментальных данных.
Личный вклад автора заключается:
1. В участии в модернизации и разработке новой экспериментальной
плазменной установки;
В разработке системы автоматизированного управления плазменной установкой;
В проведении экспериментальных исследований, расчетов и обработке результатов, а также формулировке основных выводов работы.
Апробация работы. Положения и результаты работы по теме диссертации докладывались на 1-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения» (Улан-Удэ, 2008 г.); 1-й Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (Улан-Удэ, 4-7 сентября 2008 г.); 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 27-30 августа 2009 г.); Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (Москва, 17-23 октября 2008 г.); Международной конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (Улан-Удэ, 12-14 июня 2009 г.); Международной конференции ЮНЕСКО «Глобальные и региональные проблемы устойчивого развития мира» (Улан-Удэ, 8-10 июня 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (г. Улан-Удэ, 16-17 сентября 2011 г.); Ежегодной научно-практической конференции молодых ученых и преподавателей ВСГТУ (Улан-Удэ, 2006-2011 г.); Ежегодной научной конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ (Улан-Удэ, 2006-2011 г.). Работа внесена в список Инновационных разработок и проектов Республики Бурятия на 2008-2012 гг.
Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 8 публикациях. В том числе две статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 63 рисунка и 28 таблиц. Список цитируемой литературы включает 145 наименований.
