Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование выбора направления исследований 16
1.1. Краткая характеристика процесса газификации 16
1.2. Характеристика предлагаемой технологии 28
1.3 Методы обеспечения энергоэффективного получения водорода 31
1.4. Выводы 32
2. Экспериментальные исследования 33
2.1. Экспериментальный стенд 33
2.2. Характеристики используемых материалов 35
2.3. Тарировка датчиков и измерение параметров процесса средствами автоматизации 36
2.4. Методика проведения экспериментов 39
2.5. Достоверность полученных результатов и погрешность измерений 41
2.6. Выводы 43
3. Анализ и обсуждение экспериментальных данных 44
3.1. Исследование полноты сгорания кислородно-водородной смеси 44
3.2. Влияние температуры и вида исходного материала на характеристики синтез-газа 46
3.3. Степень и скорость конверсии образцов 61
3.4. Оценка энергий активации процесса газификации 64
3.5. Выводы 65
4. Математическая модель процесса газификации. численное решение модели 68
4.1. Математическая модель конверсии органического сырья 68
4.2. Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных 78
4.3. Выводы 80
5. Энерготехнологическая схема полигенерирующей системы 82
5.1. Описание схемы 82
5.2. Методика расчета материального и энергетического балансов схемы 84
5.3. Эксергетический анализ энерготехнологической схемы. Построение диаграммы Грассмана-Шаргута 103
5.4. Оценка экономической целесообразности применения бескислородной паровой газификации 116
5.5. Выводы 122
Заключение 125
Список литературы 127
- Характеристика предлагаемой технологии
- Достоверность полученных результатов и погрешность измерений
- Оценка энергий активации процесса газификации
- Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных
Введение к работе
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 H2 и CO и наименьшее количество балласта (N2, CO2, O2, CH4 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 1200C и выше) водяного пара атмосферного давления при сгорании стехиометрической кислородно-водородной смеси в потоке низкотемпературного (120-140C) 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 H2 и CO 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:
-
экспериментальное исследование влияния температурных условий газификации карбонизированного угля на качественный и количественный выход синтез-газа, степень и скорость конверсии;
-
изучение влияния состава смеси углеродсодержащих веществ угольной и лесоперерабатывающей отрасли на выход синтез-газа;
-
построение математической модели процесса паровой газификации, ее численное решение и сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными;
-
разработка концепции энерготехнологической схемы (ЭТС) производства синтез-газа и ее эксергетический анализ.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
-
Получены закономерности влияния температуры конверсии и вида сырья при бескислородной паровой газификации углеродсодержащих материалов на характеристики синтез-газа при аллотермическом способе подвода теплоты.
-
Разработана математическая модель конверсии карбонизированного материала в потоке водяного пара, учитывающая основные реакции взаимодействия и теплофизические свойства веществ.
-
Представлена оригинальная концепция энерготехнологической схемы (ЭТС) производства синтез-газа и показана возможность применения ЭТС в полигенерирующих системах.
Практическая значимость работы:
-
Полученные закономерности взаимодействия перегретого водяного пара и углеродсодержащих веществ позволяют проектировать конструкции газогенераторов, обеспечивающие получение синтез-газа с содержанием H2 и CO более 75% (об.).
-
Разработанная ЭТС может быть использована в качестве основы при создании полигенерирующих систем, обеспечивающих получение синтез-газа, тепловой и электрической энергии.
-
Результаты исследования приняты к внедрению в качестве проектного решения полигенерирующей системы, работающей на отсеве угля и полукокса на ООО «Завод полукоксования», г. Ленинск-Кузнецкий.
-
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 1200C 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), 3й 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 № 12-08-31162.
Характеристика предлагаемой технологии
Основная цель любого газогенераторного процесса состоит в получении смеси газов различного состава и свойств с учетом требований, предъявляемых к их дальнейшему использованию. Перспективным направлением переработки синтез-газа для России является его нетопливное применение, то есть получение химических веществ. Это утверждение основано на том, что в настоящее время замещение традиционных топлив синтетическим газом нецелесообразно, ввиду наличия больших запасов природного газа и сложившейся экономической ситуации. С учетом существующих цен на газ и уголь в нашей стране, замещение природного газа генераторным газом, получаемым из твердого топлива, можно рассматривать только на перспективу. Кроме этого синтетический газ заметно уступает природному газу по таким показателям как теплота сгорания (в 3-5 раз ниже) и возможность транспортирования на значительные расстояния.
Ранее были показаны возможные способы использования синтез-газа и их краткая характеристика (таблица 1.1.2.). Среди представленных технологий большинство основано на использовании водорода и CO.
Для существующих технологий газификации были представлены наиболее значимые факторы, изменение которых непосредственно влияет на содержание водорода и оксида углерода в синтез-газе. Анализируя эти факторы можно сделать вывод, что наиболее значимыми параметрами технологии газификации, позволяющей получать газ для его дальнейшего нетопливного применения, то есть обеспечивающие наибольше содержание H2 и CO при наименьшем количестве балласта, можно считать следующие.
По способу подведения тепла, необходимого для компенсации эндотермических эффектов процесса, наиболее предпочтительными являются газификаторы с аллотермическим способом подвода теплоты. В них не приходится сжигать получаемый синтез-газ или исходное топливо. В этом случае нет необходимости подавать дополнительный кислород либо воздух в зону горения, что позволяет избежать повышенного содержания балласта в виде O2, N2, CO2, и других веществ, а также увеличить содержание целевых компонентов в виде H2 и CO. Кроме того это позволяет отказаться от дорогостоящих кислородных станций.
Наиболее предпочтительным газифицирующим агентом стоит признать водяной пар. Его несомненным преимуществом является то, что он является основным источником водорода в получаемом газе. Еще одним значимым преимуществом использования водяного пара в качестве газифицирующего агента можно считать высокий количественный выход синтез-газа, а также самый высокий «химический КПД» газификации. Для паровой газификации «химический КПД» может достигать 129 % [24].
По способу движения материала в газификаторе можно рассматривать все три способа: плотный, взвешенный и в потоке. Однако наиболее приемлемым, по-видимому, стоит признать газификацию в плотном слое. Это направление выгодно в качестве начального этапа в освоении современных газогенераторных процессов в России, так как оно является наиболее отработанным. К достоинствам этого метода можно отнести надежность и простоту установок по сравнению с кипящим слоем и потоком.
По давлению в аппарате, оптимальным стоит признать такую конструкцию газогенератора, которая отвечала бы заданным требованиям к качеству синтез-газа для его нетопливного применения. Вместе с этим необходимо предусмотреть и такие факторы как надежность и простоту конструкции газогенератора. В случае производства синтез-газа, преимущественного образованного H2 и CO, наиболее приемлемым вариантом является газогенератор атмосферного давления или работающего под небольшим избыточным давлением. Это утверждение основано на том, что существующие конструкции аппаратов, осуществляющих газификацию в потоке, работают при давлении 0,1 МПа, при этом обеспечивается высокие показатели по качеству получаемого синтез-газа.
Рассмотрев основные параметры, влияющие на процесс газификации, можно утверждать, что наиболее приемлемым процессом производства синтез-газа для нетопливного применения является бескислородная газификация с газифицирующим агентом в виде перегретого (до 1000C и выше) водяного пара атмосферного давления, который непосредственно подается в реакционную зону газогенератора.
Водяной пар, с такими теплофизическими параметрами, можно получать путем окисления водорода ((1.2.2.), [57]) при атмосферном давлении и дальнейшего смешения полученного водяного пара с низкотемпературным паром, например, перегретым (120-140С) паром атмосферного давления, получаемом в парогенераторе.
Основное достоинство технологии во дородно-кислородного перегрева пара - это возможность получать пар с температурой до 1000-1700C, смешанный способ теплообмена, большая удельная мощность топочной камеры (более 500 МВт/м3), малая материалоемкость (менее 2 кг/МВт) [58]. Применение кислородно-водородных установок для высокотемпературного перегрева пара в энергетическом оборудовании позволяет, например, существенно увеличить КПД паровых турбинных агрегатов [59].
Такие теплофизические параметры перегретого водяного пара (давление около 0,1 МПа и температура более 1000C) позволяют рассматривать его в качестве перспективного газифицирующего агента, выполняющего две основные функции:
1. Перегретый пар непосредственно является газифицирующим агентом;
2. Перегретый пар выступает в качестве теплоносителя, поддерживающего протекание эндотермических процессов в газогенераторе. В этом случае обеспечивается аллотермический способ подвода тепла, что благотворно сказывается на качестве получаемого газа.
Стоит отметить и другие преимущества использования перегретого водяного пара:
1. Низкие материальные затраты и затраты на компримирование газифицируемого агента по сравнению с процессами под давлением;
2. Увеличение суммарного выхода СО и Н2 при повышении температуры процесса газификации (независимо от характеристик исходного материала) и вместе с этим снижение выхода CH4 и CO2 [47], причем CO2 расходуется в процессе газификации [60];
3. Возможность экономии топлива. Например, по сравнению с известными процессами Lurgi, Winkler и Koppersotzek, в которых применяется парокислородное дутьё, экономия топлива достигает 5, 15 и 18% соответственно [61].
Достоверность полученных результатов и погрешность измерений
Достоверность полученных результатов в проведенных экспериментальных исследованиях определяется использованием известных методик тарирования датчиков и измерения контролируемых параметров.
Определение влажности, зольности и количества летучих веществ, применяемых материалов, производилось по методикам ГОСТ [67…69]. Элементный анализ штыба углей и древесных произведен на приборе «Thermo Flash 2000». Элементный анализ образцов шлама ЦОФ «Березовская» проводился по методике ГОСТ [70]. Элементный анализ угольных образцов определяли на основании усредненного значения трех проб.
Как было отмечено ранее, для экспериментального стенда осуществлен автоматизированный сбор основных экспериментальных данных. При этом достоверность получаемых данных зависит от точности измерения параметров процесса применяемыми датчиками, а также погрешности обработки получаемой с датчиков информации. Для измерения температуры использовали хромель алюмелевые и хромель-копелевые термопары, тарировку которых производили сверкой выходного сигнала (мВ) со справочными данными [71]. Расход низкотемпературного водяного пара осуществляли с помощью дифференциального датчика давления (mpx5100dp), тарированного весовым способом по массовому расходу конденсированного водяного пара.
Применяемый дифференциальный датчик давления имеет линейную зависимость выходного напряжения от измеряемого перепада давления в диапазоне температур окружающей среды 0…85С. Также в данном датчике имеется термокомпенсация показаний с учетом изменения температурных условий окружающей среды. Погрешность показаний для данного датчика составляет не более ±2,5 % от текущей измеряемой величины.
Сбор информации с датчиков осуществляется при использовании приборов марки ОВЕН. Термопары, измеряющие температуру в рабочем участке, дифференциальный датчик давления, измеряющий расход низкопотенциального пара, подключены к аналоговому измерительному модулю ввода МВА8, зарегистрированному в государственном реестре средств измерений. Для данного прибора предел основной приведенной погрешности измерения температуры составляет 0,5%.
Тарировка расхода горючей смеси, поступающей из парогенератора, осуществлялась при помощи газового барабанного счетчика ГСБ-400, зарегистрированного в государственном реестре средств измерений. Тарировка осуществлялась по количеству горючей смеси и соответственном расходе из электролизной установки. Данный счетчик позволяет измерять малые расходы газа и имеет нижний предел измерения 5,5 мл/с (порог чувствительности 1 мл/с). Также при помощи данного счетчика произведена поверка перистальтического насоса Zalimp рр 1-05, подающего получаемый газ на анализ в газоанализатор «Тест-1».
Измерение концентрации компонентов в получаемом синтез-газе осуществлялось с использованием поточного газоанализатора Тест-1. Данный газоанализатор позволяет измерять концентрацию компонентов в объеме получаемого газа в следующих интервалах: Н2 до 100%, СО до 50%, СОг до 30%, 02 до 21%, СН4 до 5%. Относительная погрешность измерения при этом составляла по Н2 = ±5%, по остальным компонентам ±3%. 2.6. Выводы
Разработанный экспериментальный стенд позволяет исследовать процесс бескислородной паровой газификации карбонизированных угольных и древесных отходов в плотном слое.
Использованные средства по автоматизации сбора экспериментальных данных обеспечивают непрерывный контроль и регистрацию основных параметров процесса газификации. Использованные стандартные методики измерения параметров процесса и свойств исходных материалов, а также применяемые приборы для этого обеспечивают необходимую достоверность получаемых результатов.
Оценка энергий активации процесса газификации
Для более полной оценки процесса газификации необходимо произвести оценку энергий активации химических реакций протекающих при взаимодействии водяного пара с углем. Учитывая то, что уголь перед помещением в реактор подвергался карбонизации, его можно рассматривать как углерод с минеральными примесями. Тогда вполне правомерно представить основной реакцией процесс взаимодействия углерода с водяным паром: C+H2O=CO+H2 3.4.1. Для энергий активации необходимо знать порядок реакции. Представленная выше реакция может рассматриваться как реакция первого порядка и описываться соответствующим кинетическим уравнением. Причиной такого допущения является то, что избыток водяного пара по сравнению со стехиометрическим составляет от 70 до 150 раз. В этом случае концентрация водяного пара (или количество) считается константой и уравнение (3.4.1.) рассматривается как кинетическое уравнение первого порядка [80]. Энергии активации рассчитывались по экспериментальным данным, приведенным в таблице 3.4.1. по методике, изложенной в [81].
Полученные значения энергий активации существенно различаются при практически одинаковых значениях температур в слое исходного материала для различных образцов. Различия в значениях энергий активации объяснимы разным процентным содержанием минеральной части газифицируемого материала. Действительно, сопоставление зольности исходных углей (таблица 2.2.1.) и энергий активации для соответствующих образцов указывает на прямые корреляции этих величин. Это предполагает, что часть энергии расходуемой в процессе идет на поддержание температуры минеральной части, не участвующей в образовании продуктов реакций. И чем больше доля этого компонента в составе образца, тем больше энергии затрачивается на его нагрев.
Проведены экспериментальные исследования по установлению влияния параметров бескислородной паровой газификации различных углеродсодержащих веществ на характеристики получаемого синтез-газа. На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.
Получение перегретого водяного пара горением кислородно-водородной смеси в потоке низкотемпературного пара сопровождается незначительным количеством несгоревшего водорода. При увеличении доли горючей смеси в суммарном потоке пара и горючей смеси происходит снижение неполноты сгорания до минимального значения около 0,6%. Экспериментальные исследования паровой газификации проводились на карбонизированных (без летучих веществ) образцах исходных материалов. Это позволило рассматривать процесс газификации в основном как взаимодействие углерода исходного образца и перегретого пара. При этом было установлено, что температура газифицирующего агента и вид исходных образцов оказывают влияние на состав получаемого синтез-газа. Повышение температуры в слое материала способствует получению газа с меньшим количеством балласта в виде CO2, при одновременном возрастании концентрации CO. В частности для штыба шахты «Березовская» концентрация CO возрастает от 20% до 37%, CO2 снижается с 11% до 6,5%.
Было установлено, что газификация древесно-угольных смесей может протекать совместно, при этом концентрация древесины не должна превышать 10% от массы смеси, так как при больших концентрациях образование CO2 существенно возрастает – до 27% и более.
Исследования исходных веществ индивидуально и древесно-угольных смесей показали, что минеральная часть образцов оказывала значительное влияние на процесс газификации. Небольшое (5% от исходной массы образца) количество минеральных компонентов золы исходных веществ, добавленное в зону газификации, позволяет получать большее количество синтез-газа.
В ходе экспериментальных исследований газификации угольных отходов различного происхождения была произведена оценка скорости и степени конверсии образцов, которая показала, что с увеличением температуры в слое исходного материала степень конверсии и скорость конверсии монотонно возрастают. При этом наибольших значений эти параметры достигают при газификации угля шахты «Березовская» - 58,16% и 38,7710-5 с-1.
При взаимодействии водяного пара и углерода исходного образца была произведена оценка энергий активации для использованных образцов. На основании этой оценки (в совокупности с другими факторами) можно утверждать, что наиболее активно (выше степень конверсии) при низких температурах (700 850C) газифицируется шлам ЦОФ «Березовская». При высоких температурах (1020-1040С) наиболее активным оказался штыб шахты «Березовская».
Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных
Сопоставление результатов численного расчета и опытных данных было произведено на основе эксперимента с образцом штыба шахты «Березовская» при температуре в слое материала 1000C (рисунок 3.2.3). Масса образца до начала эксперимента т0 = 2,5916 г, масса образца после эксперимента т = 1,0844 г, степень конверсии: На рисунке 4.2.1. приведены зависимости, полученные при численном решении математической модели (4.1.1.)-(4.1.8.) исследуемого процесса конверсии с образцом штыба шахты «Березовская». Как видно из рисунка 4.2.1. наблюдается удовлетворительное согласование результатов расчета разработанной математической модели и экспериментальных данных по процентному содержанию продуктов газификации после прогрева образца и выхода лабораторного стенда на установившийся режим работы. По результатам численного моделирования полученные концентрации водорода и CO2 незначительно отличаются: максимальное расхождение по водороду составляет 5%, а по CO2 2,5%. Концентрации CO в начальный момент времени незначительно отличаются (максимальное абсолютное расхождение 4,5%). Разработанная математическая модель, как видно из рисунка 4.2.1., качественно воспроизводит поведение между концентрациями основных компонентов синтез-газа. Для водорода наблюдается непрерывное падение концентрации в течение всего эксперимента, концентрация CO непрерывно возрастает, а концентрация CO2 незначительно убывает. Такое удовлетворительное качественное соотношение модели и эксперимента можно объяснить следующим образом. В качестве основных реакций для моделирования были выбраны гетерогенная реакция взаимодействия углерода исходного образца и водяного пара, а также реакция взаимодействия CO и водяного пара:
Среди представленных реакций основной является (4.2.1.). По этой реакции образуется основное количество водорода. Реакция (4.2.2.) протекает не так интенсивно ввиду того, что время для ее осуществления ограничено и при высоких температурах равновесие в данной реакции смещено в сторону исходных продуктов. Так как по стехиометрии количество молей для всех компонентов одинаково и учитывая то, что реакция (4.2.1.) является основной, доля CO среди представленных компонентов будет наибольшая (при наибольшей молярной массе). Это значит, что при возрастании концентрации CO в получаемом синтез-газе, концентрация других компонентов будет снижаться. Поэтому наблюдается снижение концентраций компонентов H2 и CO2 относительно возрастающей концентрации CO, что подтверждается математическим моделированием.
Для описания и подтверждения полученных экспериментальных результатов была разработана и численно решена математическая модель процесса взаимодействия образца кокса «Березовская» и высокоэнтальпийного водяного пара. Сравнение полученных экспериментальных результатов и численного моделирования показывает их удовлетворительную сходимость.
Предложенная модель в представленном виде позволяет прогнозировать образование целевых компонентов синтез-газа (H2, CO). Кроме того, с учетом полученных экспериментальных данных и их теоретического подтверждения, можно использовать полученную модель для описания процесса газификации и других углеродсодержащих веществ (при соответствующих теплофизических параметрах), что в дальнейшем позволит моделировать процессы, протекающие в промышленных газификаторах. Максимальное абсолютное отклонение результатов эксперимента и математического моделирования не превышает 5%.
В последнее время во многих странах заметно активизировался интерес к так называемым полигенерирующим системам [84]. Они представляют собой комплекс тесно связанных между собой различных аппаратов, позволяющих получать в едином технологическом цикле тепловую, электрическую энергию и различные вещества. К таким веществам в первую очередь относится синтез-газ, из которого можно производить достаточно широкий спектр различных химических продуктов.
Предлагаемые технические решения в создании полигенерирующих систем предполагают использовать дисперсный теплоноситель для компенсации эндотермических эффектов в газификаторе [84]. Нагрев данного теплоносителя осуществляется, например, в котле с циркулирующим кипящим слоем [84]. Такое техническое решение заметно уступает непосредственной газификации с использованием перегретого водяного пара, являющегося одновременно и теплоносителем и газифицирующим агентом по простоте исполнения конструкции газификатора. Данный факт позволяет говорить о том, что в настоящее время можно заметно упростить получение синтез-газа. На основе проведенных лабораторных исследований паровой бескислородной газификации и установленных закономерностей влияния параметров процесса паровой газификации на состав получаемого газа, разработана энерготехнологическая схема (ЭТС) переработки углеродсодержащих веществ (ПРИЛОЖЕНИЕ 6) в синтез-газ. В качестве исходного материала для расчета ЭТС был выбран шлам ЦОФ «Березовская», элементный и технический анализ которого соответствует параметрам, представленным в табл. 2.2.1., за исключением влажности (для ЭТС влажность исходного материала принята Wr=20%). ЭТС условно можно разделить на 3 блока: энергетический (типичная когенерационная установка), коксо-энергетический и газовый. Каждый блок схемы сформирован по технологическому назначению, определяющему выработку определенных конечных продуктов.
Энергетический блок. Энергетический блок ЭТС обеспечивает выработку электрической энергии, которая обеспечивает потребности на собственные нужды, а неиспользованная часть идет сторонним потребителям. Основным элементом энергетического блока является газификатор с двойным отбором газа. Исходным топливом для такого газификатора может служить шлам, который также используется для выработки синтез-газа в газовом блоке схемы.
В газификаторах такого типа происходит отбор газа из двух зон. В одной зоне образуется достаточно чистый газ («нижний газ»), физико-химические параметры которого позволяют при одноступенчатой системе сероочистки использовать его в когенерационных установках с газотурбинными или газопоршневыми электростанциями (ГПЭС). В этой зоне конверсии при температурах процесса выше 700C переход углерода в смолу является практически нулевым [24]. Во второй зоне образуется низкокачественный газ («верхний газ») с заметным содержанием смолистых соединений вследствие температур процесса ниже 650C, который можно использовать в основном для сжигания в топках котлов с выработкой тепла.
«Верхний газ в основном идет в паровой котел и частично в установку пиролиза, расположенную в коксо-энергетическом блоке. «Нижний газ» полностью идет на сжигание в ДВС для выработки электрической энергии.
Коксо-энергетический блок. Является промежуточным звеном ЭТС и обеспечивает выработку коксового остатка, идущего на газификацию в потоке перегретого пара.
