автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка процесса пиролиза низкосортных углей в кипящем слое с целью использования генераторного газа в промышленности

* од

о

к ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

На правах рукописи ВОЯЬЧИН Игорь АлыЗянович

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ В КИПЯШЕ!.{ СЛОЕ ' С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА В ПР015Ш1ЛЕНН0СТИ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание уменоИ степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1993

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Отделении высокотемпературного преобразования энергии.Института проблем энергосбережения Академии наук Украины.

Научный руководитель - член-корреспондент АН Украины

доктор физико-математических наук Корчевой Юрий Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Сигал Исаак Яковлевич - кандидат технических наук доцент Савойский Петр Саввич

Ведуиая организация - Государственный научно-

исследовательский энергетический институт им. Г. И. Крзшгановского СРоссия, г. Москва)

Закита состоится *"// " 199V г. на заседании специа-

лизированного совета К 068.02.-01. при Государственной металлургической академии Украины по адресу:

320635,'Украина, г. Днепропетровск, проспект Гагарина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной металлургической академии Украины.

Автореферат разослан " & " г.

/

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук доцент ^

Ю. С. Паяиотсв

Актуальность работы.

6 связи с резким сохранением поставок и удорожанием импортируемого углеводородного топлива в энергетике Украина основным источником энергии на ближайшие десятилетия будут местные угли. Рчергетическое топливо Украины постоянно ухудшается вследствие роста зольности и снижения калорийности. Использование высокозолъного угля в традиционных факельных котлах усложнено, для поддержания устойчивого горения необходима добавка приро^ого газа или мазута, доля которых возрастает с ростом зольности. При зольности угля выше 50% факельное сжигание практически невозможно.

Это вызывает необходимость разработки и внедрения новых методов подготовки и переработки углей в зависимости от их качества. Для низкореакционных углей Сантрацитов и тощих) зольностью до 25% возможно их сжигание в модернизированных действующих котлоагрега-тах, а для высокозольных наиболее перспективным - сжигание в циркулирующем кипящем слое СЦКСЗ, позволяющее утилизировать топливо зольностью до 80%. Для высокореакционных углей: бурых, длиннопла-менных и газовых, основным методом термической переработки может стать парокислородная газификация в потоке (для малозольных углей} и газификация в циркулирующем кипящем слое (для высокозолъного топлива) как составная часть технологий парогазовых установок СПГУ), что позволит не только утилизировать данные виды углей, но и на 15-25% повысить эффективность их использования. Исследованию процессов газификации высокореакционных низкокалорийных углей при атмосферном и повышенном давлении, а также разработке схемы ЛГУ в ИКС посвящена данная работа.

Пельр работы является: исследование динамики газовыделения при термоконтатном пиролизе з кипящем слое в диапазоне температур 1000... 1300 К; определение макрс кинетических характеристик выхода газов-продуктов; определение влияния скорости эвакуации и давления на динамику газовьшеления; разработка технологии двухстадийной газификации угля в ИКС с термоконтактным пиролизом на первой стадии и газификацией коксозояьного остатка иа второй.

При выполнении работы были.поставлены следующие задачи:

1. Разработка методики проведения и обработки результатов экспериментов по газовыделению ери термоконтактном пиролизе углей в кипящем слое при атмосферном и повышенном давлении.

2. Определение динамики я суммарного парциального выхода низкомолекулярных компонентов пиролиэного газа' при скоростном нагреве в кипящем слое при температурах 1СОО...1300 К донецкого

газового угля СГСЮ в сопоставлении с подмосковный дурым СПБ}.

3. Оценка влияния температуры на скорость парциального газовыделения при .1000...1300 К и определение наблюдаемых макро-кинетических констант в исследуемой диапазоне температур.

4. Определение условий внешнего торможения газовыделекия при термоконтактном пиролизе угля.

5. Влияние давления С до 1,0 МПаЗ на наблюдаемый процесс выхода пиролизного газа.

6. Оценка применимости данных по динамике газообразования при термоконтактном пиролизе угля для энергетических установок.

~ 7. Проведение технологических исследовании по газификации газового и бурого угля в ЦКС.

8. Разработка технологии двухстадийной газификации угля под давлением с термоконтактным пиролизом на первой стадии и газификацией коксозольного остатка в ЦКС на второй.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработана методика проведения экспериментов по динамике газовыделения при термоконтактном пиролизе угля в кипящем слое.

2. Показано наличие двух режимов торможения (внутреннего и внешнего) газовыделения при термоконтактном пиролизе углей, обусловленных процессами, связанными с массопереносом внутри угольного вещества и вне его. • . .

3. Показано наличие в режиме внутреннего торможения колоколо-образных динамических кривых выхода газообразных продуктов с ветвями роста концентраций на первом этапе и ветвями 'спада - на втором. Бетви спада хорошо описываются кинетическим уравнением первого порядка,

4. Показана зависимость удельного выхода газов-компонентов пиролизной газовой смеси от температуры.

5. Получены макрокинетические константы выхода гаэов-компо-нентов в режиме внутреннего торможения и определена их зависимость от типа газа и степени метаморфизма топлива.

6. Определены величины предельных концентраций газов-компонентов в выходной газовой смеси при разных температурах и условия внешнего торможения газовыделения верхней части слоя парогазовыми продуктами летучих нижней часта слоя.

7. Показано влияние давления на скорость образования газов-компонентов и их.удельный выход, а также на возникновение высокомолекулярных конденсирующихся продуктов термического разложения, остающихся в коксовом остатке.

8. Предложен вероятный механизм протекания процесса газовыделения при пиролизе в условиях скоростного нагрева.

Практическая.ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана принципиальная схема процесса двухстадийной газификации высокореакционных низкокалорийных углей в ЦКС под давлением.

2. Подтверждено определяющее влияние процесса пиролиза на состав генераторного газа при газификации угля в кипящем .слое.

3. Разработана методика определения макрокинетических констант выхода газов-продуктов термоконтактного пиролиза по характеру спадавших ветвей динамических кривых выхода газов.

Результата исследований и разработок использованы при разработке технических заданий на проектирование демонстрационной и опытно-промышленной установок двухстадийной газификации угля под давлением в ЦКСГ в соответствии с решением совещания Минэнерго Украины по газификации от 24.02.92, поручением КМ Украины N 2013/22 от 29.01.93, указанием Минэнерго СМ-17 от 25.02.93, приказом Минэнерго N 116 от 03.08.93.

Расчетный экономический эффект от внедрения демонстрационной установки двухстадийной газификации углей под давлением в ИКС производительности 1 тонна угля в час ЦКС-1,0 на территории Отделения ВПЭ ИПЭ АН Украины составит 207 млн. крб/год (в ценах на 01.09.93).

Кроме того, результаты исследований используются конструкторским бюро "Южное" (КБ "Схное"), Всероссийским теплотехническим институтом СВТЮ,. предприятием ЛьвовОРГРХ и производственным энергетическим объединением Донбассэнерго при ^работке демонстрационных и опытно-промышленных установок для .газификации и сжигания угля в кипяаем слое, а также для наладки действующих котлоагрегатов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались яа трех международных и республиканской научно-технических конференциях н совещаниях.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе получено 4 авторских свидельства и 1 патент на изобретения.

Обьеы диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Представлена на 211 стр., в том числе содержит 28 таблиц, 29 стр! иллюстраций. В список литература включено 138 наименований источников.

СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы:

В О В В Е Д Е Н И И . обоснована актуальность работы, ее новизна, практическая ценность и сформулированы основные задачи исследования.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основе анализа топливно-энергетического баланса Украины рассмотрены пути повышения эффективности использования твердого топлива на электрастанциях. Показано, что одним из наиболее перспективных методов термической переработки украинского высокозольного угля является газификация в кипящем слое для ПТУ, наиболее подходящая для низкокалорийных углей с высоким содержанием летучих. Рассмотрены примеры использования технологии термоконтактного пиролиза для энергетических и энерготехнологических целей. Приведен обзор методов я результатов исследований по проблеме газовыделения при пиролизе угля в условиях медленного и скоростного нагрева.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена методическим вопросам . исследования термоконтахтного пиролиза угля в условиях кипящего слоя при атмосферном и повышенном давлении. Приведены оригинальные методики проведения экспериментов по газовыделенио при термоконтактном пиролизе в кипяаем слое как при атмосферном, так я при повышенном давлении, методика • расчета оценочного времени нагрева угольной частицы до температуры кипящего слоя, методика оценки температурной неравновесного угольных частиц при термоконтактном пиролизе в кшяцем слое,, методика оценки характерного времени газотранспорта в экспериментальных установках при атмосферном и повышенном давлении.

В ТРЕТЬЕЙ Г Л А В Е приведены основные результаты . исследований термоконтакяого пиролиза в кипящем слое в условиях внутреннего и внешнего торможения при атмосферной и повышенном давлении.

Исследовалось термическое разложение донецкого газового СГСЮ и подмосковного бурого СПБ) угля при скоростном нагреве в кипяцем слое. Данные технического и элементного Сна ед. горюч, мае. - с1аЛ анализа этих марок угля приведены в табл. 1 (в У, массовых).

Анализ газового состава пиролизного газа показал, что основная часть приходится на водород, метан_и_скисяы углерода. На рис. 1 приведены примеры динамических кривых концентраций газов-компонентов при введеннии навесок ГСШ и ПБ массой до 0,03 г при 1143 К.

Таблица 1.

Технический и элементный состав угля ГСП в ПБ

Уголь Фракция, мм V3 Аа Vе1 ус!аГ Элементный состав. оаГ

С Н - Н 0 2

1.0. . .1,6 4.3 44,3 23.2 41.6

ГСШ 0.6. . .1.0 4.8 49.5 21.5 42.6 77,0 6,6 1,5. 11.4 3,5

0,4. ..0.6 6.2 47.5 22.6 43,0

1,0. ..1,6 6,4 40,4 32,4 54,4

ПБ 0,6. .;1,0 6. г 42,1 28,9 49,9 71,5 5,0 1,2 19,7 2.6

0,4. ..0,6 5,1 49,3 25,9 51,1

У всех газов наблюдался сначала относительно быстрый рост концентраций до максимума, а потом плавный, относительно медленный спад их до нуля, который хорошо • аппроксимируется экспонентой.'

Максимальная длительность полного выхода летучих'не превышала 30-40 с , при оценочном времени нагрева- ^ частиц-—топлива - -до температуры слоя 0,5-0,7 с.

Фор!£ы ветвей роста и спада концентраций были разными для каждого газа и зависели от температуры слоя, фракции частиц и марки угля. Форма начальной ветви связана с процессом нагрева частиц, при этом наблюдалось размытие максимумов концентраций газов при термическом разложении крупной . фракция. ' Ветвь спада концентраций соответствует практически изотермическим условиям в реакторе. Максимальная концентрация тазов-продуктов термоконтакт-еого пиролиза возрастала с температурой п при уменьшении фракции частиц введеного угля. Следует отметить, что зависимость от температуры проявлялась сильнее,.чем от размера частиц.

Численное шгтегроваяие динакнческт кривых концентраций дало возможность отгреде.тать колнчества выделившихся газов. Величина полного удельного выхода Сна единицу горючей массы) пиролизнкх. газов возрастала с температурой, особенно количество водорода. Зталек-^=апредёлйР43ийс5— методом ИК-спетроскопии, имел максимум около 1153 К. Выход остальных газов ССО, СНд и С02) имел тенденцию к каскаешш начиная с 1113-1133 К.

Спадавшэ ветви динамических кривых4хороио аппроксимируются экспонентой. Это, го-первых, позволяет говорить »о первом порядке процесса выхода газов-продуктов, во-вторых, дает возможность рассчитать константы скорости выхода гаэов Константы скоростей

л, °!о об.

4.5

3.0

1.5

0.

гсш

б (мм) =1.0... 1.6 Т(К) =1145 трг(г)=0.017

ГСШ

0.6...1.0

1145

0.016 _

¿«^1-е Н4

8 Л 2-Н2

Ьо1 \ 3-С02

/\\ \ 4-СО 1 \\ Я

/ /'ч • ГСШ

I I \ 0.4-.0.6

| ' «\\ 1145

,х 0.015

1/ТЛ

'Л * \

1/ХЧ .1 \

1,7 * \\ Хо

; а \

рте

X

N 2 _1_

I и \

I Л \ £ 1 \ \ И \ \ V о

1\ » т4 ^

I V V » N

д \ о. Л_

IТХ ч. ч«>

, X .

\\ ъ

, и \ , » \ \ 7 \ ч вч

м

\

ъ

з V ч --в

К ч Чхч

I к .

!

I \ °Ч

- V \ ^

* А Ч 1 ч_N1

I 1 « ' \

* Vх X

-1—\—ь \г ■ \ -

* чч*

° I I ТА. I

6.0

4.5

3.0

1.5

ПБ • ' б (им) =1.0 «.1.6 ТСК) = 1143 ' торг(г)=. 0.014 . ПБ х~х 0.6.„1.0 / 1143 . 1 / 1 \ ПБ 0.4...0.6 /4\ 1143 / \ 0.012

'Г\ А' \ ъ А ' \ 1 1 >$4 1 Ао и / ^ 1 \ ' 1 р к 1 \ ч ' А \

¿V Ч х \хч \\ \ \ * \\ [Г /у .о( х \ !/ Ч \ \\ \ V \ \ ? \< *Л 1 1 д\ \ 1 & I 1 \<г' \\ /1 и а 'о \\ \\

¿1 V 1 ^ X \ о О \\о 1 1 1 о 1 1 ; -А 1 ^ * 1 1 ьЧ

3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 X, с

Рис. 1

Динамические кривые выхода основных пиролизных газов в кипящем слое при р = 0,1 Ша; Н < 0,05 г; 13,4 мл/!

- 9 -

экспоненциально растут с температурой Т:

1п к1 = А - В/Г, где А, В - коэффициенты пропорциональности 1-го газа.

Это позволило на основе закона Аррениуса рассчитать какрокинетические константы: эффективную • энергис выхода к передэкспоненциальяый множитель, для водорода, метана и монооксида углерода. Величины эффективных энергий выхода газов составляли (кЛх/мояь):

Газ ГСШ ГШ

Водород 58,3 45,3

Метан .38.2 30,9

Монооксид, углерода 32,9 16,6,

что более чем в 3-4 раза ниже значений-энергий■ выхода этих газов, полученных при пиролизе в условиях медленного нагрева. Следует отметить, что полученные величины эффективных энергий выхода газов-компонектоз выше для ГСШ как более метаморфкзованного топлива. . " ■

При увеличении массы навесок угля от 0,05 г до 0,2-0,3 г при атмосферном давлении и том же расходе' газа-носителя наблюдалось уширение форм динамических кривых концентраций газов Срис.2) при сохранении значений удельного выхода для каждого газа-компонента.' Дальнейшее увеличение массы до 0,5 г.и выие приводило к остановке роста максимумов концентраций газсз и появлению насыщения. Особенно четко . этот эффект набладался при выходе водорода. При увеличении темперчтуры возрастали значения предельных концентраций Сили парциальных давлений насыщения).

. Эффект торможения роста максимальных- концентраций газов наблюдался также при термоконтактном пиролизе угля в фонтанирутем слое при квазинепререрызной Спорционно через малке прскенутки времен:!) подаче - -навесок - топлжва кассой- 1,5 г в реактор фонтанирующего слоя Срис.З). Несмотря на то что промежуток времени между подачами был меньше полного 'времени выхода летучих из отдельной навески, эффекта суммирования газовнделения из разных навесок не наблюдалось, что такие подтверждает наличие предельных концентраций газов-кошонентов.

Эксперименты по териоконтактноку пиролизу в кипящем слое под давлением показали значительное уменьшение при росте давления удельного выхода пиролизной газовой смеси и изменение ее состава, в частности уменьшение содержания моноокиси угЛерода и метана. Повышение давления приводило к растягиванию во • времени

ЩЛоб.

■ 16

12

д Рч г Д к V ДДДд X V * _ а л СН4

С \ л * \ \ к < К Л А Пл >> 1 ^д \ 7 -т-2,5-4- 0.03 г 0.15 0.25 0.40

1 и ; \ * ч : V \ V Л >! \ Я л л1*? Гх

ь 1 1 ! Ч: ! 'л 1 1*4 .V \ 1 *хх И V **

12 16

3

■ 72 16 Х,С

' . _ -Рис. '2 Динамические кривые выхода газов при термоконтактном пиролизе в кипящем слое для ГСШ СО, 4-1,6 мм) при р = 0,1 МПа;' Т=1133 К

20

15

10

10

п., % об.

X / сн4 / к ^ *

■ ■ : ч

20

1, с

30

гис. л . .

Динамические кривые выхода газов при термоконтактном'пиролизе в кипящем слое для ГСШ (0,4-1.6 ш,О при р = 0,1 МПа;' Т=1173 К и последовательной подаче-трех навесок массой 1,3 г.

- и -

динамических кривых концентраций газов, которые такте имели ветви роста а спала концентраций. Обнаружено снижение уровня максимальных концентраций газов-продуктов с ростом давления. На форму ветви роста влияют не только процессы, связанные со стадией нагрева частиц топлива, но и увеличение характерного времени газотранспорта с ростом давления в реакторе. Спадавшую ветвь можно тахже аппроксимировать экспонентой, к тому же с ■ ростом давления крутизна ее падает, то есть растет общее . время газовыделения. Кроме того, рост давления приводит к снижению пористой структуры коксов и увеличению в них доли летучих, остающихся несмотря на длительное (до 120 мин) пребывание коксовых частиц в кипящем слое.

Полученные экспериментальные данные по газовыделению при термоконтактном пиролизе высокореакционного угля подтверждают отличие механизмов протекания процесса термического разложения в .условиях медленного и скоростного нагрева и позволяют сделать некоторые предположения относительно вероятного механизма протекания термоконтактного пиролиза.

¿3 процессе термической- деструкции угля происходит выделение во внутрипоровое пространство первичных продуктов в виде свободных радикалов а ионов, которые тут же вступают в реакции между собой с образованием конечных .продуктов. В условиях медленного нагрева разрыв' межфункциональных связей происходит последовательно, образуемые конечные йродукТы беспрепятственно выходят наружу. При быстром.нагреве одновременно происходит разрыв как слабых, так и сильных связей с образованием большого количества свободных радикалов и ионов, tfdSfdiijr процесс синтеза конечных продуктов в условиях ограниченной пропускной способности пористой структуры должен происходить ккгколько иначе. Если бы газообразные продукты термоконтактного пиролиза образовывались внутри угольных частиц, то при известном объеме пор и удельном выходе газов, временя газовыделения порядка 30-40 с и спадавшем характере динамических кривых концентраций во внутрипоровом пространстве угольных частиц развивалось бы, давление до' 120-190 Ша,' что привело ба к лх развалу частиц, чего в экспериментах не наблюдалось.

Вместе с тем известно, что значительная часть летучих выходит из угля в виде паров, конденсирующихся при нормальных условиях. Таким образом, относительно', небольшой прирост давления во знутрипоровом■ пространстве может привести к их конденсации з nopatf. Тогда в условиях скоростного нагрева первичным продуктом, пиролиза'может быть промежутная конденсированная, фаза, наяодлай.-:*

во внутреннем пространстве частиц, а вероятным механизмом выхода летучих в условиях термокочтактного пиролиза является выделение газов и паров через устья пор из промежуточной конденсированной фазы. Тогда парциальные давления насыщения обретают ■ смысл равновесных давлений, а определенные макроккнетические константы харак-теркзирувт скорость выхода газа в изотермических условиях при парциальном давлении газа-компонента ниже равновесного.

Повышение давления должно приводить к снижению равновесных давлений газов-продуктов и смещению процесса трансформаций промежутков конкенскроваяой фазы в конечные продукты в сторону образбвания более высокомолекулярных продуктов. Это подтверждается снижением с ростом давления удельного выхода газообразных летучих, увеличением доли летучих в коксовом остатке и снижением его пористости.

_Б ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты техно -

логических исследований двухстадийной газификации низкокалорийных ньп: углей в кипящем слое 'с термоконтактным пиролизом на первой стадии^ описана принципиальная схема демонстрационной установки ИКС-1,*0 газификации угля в ЦКС под давлением и предложены алгоритмы расчетов аппаратов термоконтактного пиролиза, а также пред- ставлены материалы по использованию результатов исследований и разработок.

Лля проверки возмоиости двухстадийной газификации низкосортного угля в ИКС был проведен цикл экспериментов на установке Ф-0,05-ЦКС производительностью до 25 кг угля в час.

Технологические эксперименты по газификации ГСШ и. ПБ угля проводились на стенде Ф-0.05-ЦКС следующим образом С рис. 4). После достижения стабильного режима горения утяя в ЦКС при температуре IIК установку переводили в гаэисикациоккый режим, увеличивая загрузку угля, высоту кипящего слоя и количество -углерзда -в рмщркулируещем- материале. Г^жим горения угля наблюдался только в нижней части реактора Ф-0,05 (на расстоянии 0,05-0,10 м от перфорированной решетки), а в остальной части реактор работал в режиме газификации.' По достижении необходимой высоты кипящего слоя начиналась выгрузка золы из нижней части ■слоя. Температура регулировалась путем изменения расхода воздуха, степени рециркуляции золы,.расхода угля и пара.

Результаты технологических, экспериментов по воздушной газификации внеокозольного газового и бурого угля в ЦКС показали:

- возможность получения целевого газа с общим содержанием водорода,, метана и моаооксида^ углерода не менее 20-35% и калорийностью до 5,6 ИДж^нм3;

- выход газов-компонетов целевого газового потока на 85-50% определеляется выходом газовых продуктов термического разложения угля; . .

- окислительная зона слоя расположена внизу на высот? до 0,10 м, газификационная зона занимает остальную часть зысоты слоя и надслоевое • пространство, скорость газификации увеличивается с ростом температуры и высоты слоя;

- процесс термического разложения исходного топлива, подаваемого в кипящий слой, происходит в надслоевом пространстве и верхней части слоя, причем значения удельного выхода ппролиэных газов практически совпадают с результатами лабораторных экспериментов.

Проведенные исследования зависимости удельного выхода газов-продуктов теркоконтактното пиролиза от температуры Т и давления р позволили для ГСП и ПБ разработать аппронсимационные формулы видэ:

«1

+ В1агс\дСС1Т * 01Т2з] СЕ1 - ?Ар)

где М,

'Ч-Г удельный (<^аИ выход 1-го газа;

А1' ^Г' параметры алпроксимацшь-для 1-го газа.

. В табл. 2 приведены значения параметров аппроксимации для основных газов-компонентов для газового и бурого угля .

Приведенная зависимость хорошо описывает экспериментальные данные- и может быть полезной для инженерных расчетов реакторов термоконтактного пиролиза энерготехнологических установок.

Таблица 2

Параметры аппроксимации зависимости удельного выхода СйаГЭ газов-продуктов пиролиза от температуры и давления

Уголь Газ А В мл/г <1аГ С х 103 К'1- 0 х 1С,6 К"2 г ? х 1С' Па"1

ГСШ Нр -637 31490 2,16 Ю-2 • 0 1,046 0,4'-

СО 90 0 0 . . 0 1,075 0,31

сн4 54,69 8,12 -28,77 26,44 1,078 0,37

С02 •12,44 11,99 -47,40 46,54 1.079- 0,66

ПБ нР -474 14356 . 3,01 10"2 1,05 Ю"5 - -

со 99,39 16,24 -28,77 . 26,44 ' - -

сн4 15,98 31,97 -9,45 9,53 - " -

С02 38,76 14,93 -37,00 35,53 . - ■ -

На рис. '5 представлена принципиальная схема демонстрационной установку двухстадийной газификации под давлением в циркулируваеи кипящем слое ЦКС-1,0 на 1 тонну угля в час.' Установка ПКС-1,0 работает следуюаиы образом. Уголь из бункера 1 и известняк (для связывания серы угля) из бункера Z поступают в бункер топлива 4, далее топливо шнеком подается в реактор-пиролизе? 5, в котором происходит процесс термоконтактного пиролиза ь смеси с горячими кок-созольными частицами, поступавшими из циклона 7. Твердые продукта пиролиза из пиролизера 5 подастся в газификационную зону кипяаего слоя газификатора ЦКС 6, где крупные частицы попадают в нижнюю зону слоя, а оттуда в систему дожигания золы 19 и выводятся в бункер золы £0. Мелкие частицы газифицируются в верхней зоне слоя и над-слоевоы пространстве и вместе с продуктами газификации поступают в циклон 7, где происходит сепарация твердой и газовой фаз. Коксозо-льные частицы используются в пиролизере 5 в качестве теплоносителя, а газовый поток вместе с парогазовыми продуктами пиролиза из пиролизера 5 поступает в камеру конверсии 8, где происходит разло-ложение тяжелых углеводородов в воздушной среде. Далее полученный генераторный газ очищается от пыли в мультициклоне 9, частицы пыли собираются в бункере 21. После 1гультицкклона 9 газовый поток охлаждается в газоводяной теплообменнике 10 и очищается от окислов серы и азота в скруббере 11, продукты смыва собираются в резервуаре 22. Очиаенный таз разделяется на два потока. Большая часть газа подается в камеру сгорания 12, продукты сгорания дросселируются в газовом детандере 14,.отдают свое тепло в котле-утилизаторе 15 и выводятся через дымоход 16. Остальная часть газового потока через доншной кошрессор 13 используется -для ; поддержания рабочего давления в бункерах 1 и 2, пиролпзере 5 и для обеспечения редаш опускного кипящего слоя в пиролиз ере 5. В .камере сгорания 17 часть продуктов газификации сгорает в ьоздухе, а продукты сгорания поступают в пиролизер 5. Набор рабочего давления обеспечивает напорный кошрессор 18, сжатый -воздух-из которого поступает в газификатор 6, камеры.8,- 12, 17 и систему дожигания золы 19. Газгольдер 3 слутат для стабилизации рабочего давления в бункерах 1, 2, 4. Внрабатыьаедей в кстло 15 пар поступает в паровую турбпку 23 и далее в поверхностный конденсатор 24. Образующийся конденсат с помощью насоса 25 подается в деаэратор 26, с выхода которого вода питавшим насосом 27 подается в теплообменник 10 и далее в котел 15, а также частично используется для смыва в скруббеое 11.

Отличительными чертами схем» являются использование пиролизе-ра с опускным кипящим или плотным слоем, камеры конверсии для га-фикации тяжелых углеводородов, камеры Лигания продуктов газификации для получения газа-носителя кипящего слоя пиролизера, ввода коксозолыюго остатка ь верхнюю зону слоя. Кроме того, нет необхо-мости в использовании кислорода и водяного пара.

Демонстрационная установка ЦКС-1,0 с давлением 0,8-2,5 МПа должна, быть введена в строй в 1995 г. и будет прообразом опытно-промышленной установки двухстадийной газификации высокореакционных низкокалорийных углей под давлением в ДОС на 10 тонн угля в час на Мироновской ГРЭС. Ожидаемая калорийность генераторного газа составит 6,7 МДж^н^ при удельном выходе газа 2550 нм3/т. Расчетный экономический эффект от внедрения установки ЦК.С-1,0 составит 207 млн. крб/год С в ценах на 01.09.93).

____ВЫВОДЫ

1. Разработана принципиальная схема демонстрационной установки двухстадийной газификации высокорекцион°ых низкокалорийных углей под давлением в ИКС производительностью 1 т/Ч (ЦКС-1,0).

2. Наиболее перспективным является использование процесса термоконтактного пиролиза в кипящем слое как первой стадии технологии двухстадийной термической переработки высокореакционного низкокалорийного топлива при атмосферном и повышенном давлении. Присутствие летучих- в коксовом остатке при пиролизе под давлением требует на второй стадии организации ввода твердых продуктов тер: :оконтактного пиролиза в верхнее зону кипящего слоя реактора ИКС.

3. Разработана методика исследования динамики газовыделения при термоконтактном пиролизе в кипящем слое при атмосферном и повышенном давлении.

4. Получены динамические кривые выхода основных компонетов пиролиэного г&эа - СО, СН^, в интервале температур 1000... 1300 К при термоконтактном пиролизе донецкого газового и подмосковного бурого угпей в кипящем слое при атмосферном давлении. Анализ этих кривых, позволил определить удельные количества н предельные концентрации газов, рассчитать эффективные макрокинетические константы выхода газов.

5. Проведенные исследования.по влияние давления на термоконтактный пиролиз показали, что с ростом давления ^нижаетя суммарный удельный выход щролкзнбго газа и возрастает доля летучих,

оставшихся в коксовом остатке; однако в целом процесс газификации угля под давлением эффективнее, чем при атмосферном давлении.

6. Предложен вероятный механизм газовыделения при термоконтактном пиролизе через промежуточную конденсированную фазу, размешенную во вяутрипоровом пространстве угольньм частиц. Выход газов и паров происходит через устья пор, а предельные концентрации газов являются равновесными и растут с температурой. С ростом давления падает уровень равновесных концентраций, конверсия промежуточной конденсированной фазы в конечные продукты смешается в сторону образования более высокомолекулярных продуктов.

7. Проведенные, технологические эксперименты по двухстадийной газификации донецкого газового и подмосковного бурого углей в ИКС при атмосферном давлении показали идентичность полученных данных с результатами лабораторйых экспериментов и подтвердили возможность осуществления про цесса воздушной газификации с получением генераторного газа с теплотой сгораяния до 5,6 МДж/нм3.

8. Результаты диссертации использованы при разработке технического задания и принципиальной схемы демонстрационной установки ЦКС-1,0, сооружаемой на территории ОВПЭ ИПЭ АН Украины, позволяющей экономить при ' выработке того же количества электроэнергии до 1200 т твердого топлива в год с частичным экономическим эффектом 207 млн. крб/год(в.ценах на 01. ОС.93).

Автор искренне благодарен к. т. н. Майстренко А. Ю. и к. т. н. Чернявскому Н. В. за ценные консультации при работе над диссертацией.

Основные результаты диссертации опубликованы в таких работах:

1. Динамика пиролиза газового и бурого углей в термоконтактном газогенераторе / Н. В, Чернявский, Г.Н. Тальнова, И. А. Воль-чин //Энергетика и электрификация, 1993, т. 13, N 1. - С. 25-28.

2. Исследование динамики термоконтактного пиролиза газового и бурого углей/ Г.Н. Тальнова, Н.Э. Чернявский, Й.А. Вольчин, И.Г. Гринь// Твердотопливные энергетические технологии: Тез. докл. науч.-техн. семинара. Киев: Знания, 1992. - с. 8-9.

3. Экспериментальные исследования процессса газификации донецкого газового угля в циркулирующем кипящем слое- / И.-А. Вольчин, Ю. П. Корчевой, А. В. Майстренко, Н. В. Чернявский //Энергетика и электрификация. 1993, т. 13, N3-0. 37-40.

4. Особенности газовыделения при термоконтактном нагреве донецких газовых углей в схемах газогенераторов с циркулирующим кипящим слоем/ И. А. Вольчин, И.Г. Гринь, Г.Н. Тальнова, Н.В. Чернявский //Энергетика и электрификация. 1993, т. 13, N 3. - С. 41-44.

5." Получение энергетического и бытового газа путем термокон-такткого пиролиза угля в контуре ЦКС/ И.А.Вольчин, Н.В. Чернявский, Г. К. Та;:ьноъа, И.Г.Гринь. Препринт АН Украины. ИПЭ, К. ,1993. - 60с.

6. Измерение температуры утлегаэовзвесеГ (обзор методов и результатов) / И.А. Вольчик, Я. С. Жолудов. - Киев, 1987. - 33 с. -(Препринт АН УССР. И-т проблем моделирования в энергетике; 103).

7. Фактор оптимизации предтопка с циркулирующим аэрофонтани-рукшм слоем и реактором термоконтактного пиролиза / А. В. Пере-г.«Лк;:н, C.B. Карамнова, Н.В. Чернявский, й.А. .Вольчин // Твердотопливные энергетические технологии: Тез. -докл. науч.- техн. семинара. - Киев: Знания, 1992. - С. 9-11.

S. Повышение эффективности газификации в 'потоке за счет высокоскоростного нагрева угольных частиц / Н.В. Чернявский, И.А.Воль-чин,* Н. И. Дунаевская // Энергетика и электрификация, 1992,. т. 12, К 4.- 0. 42-43.

9. А. с. 1492894 СССР, МКИ G 01 J 5/50. Способ определения температуры газа и частиц высокотемпературной реагирующей среды и устройство для его осуществления / И. А. Вольчин.В.Г. Дресвянников, С. К. Крыьошеев, В. Р. Макарчук, 0. И. Фисун. - Опубл. 1989, БИ N 29.

10. А. с. 1543248 CCJP, МКИ G 01 'J 5/52. Способ определения температуры движущихся частиц дисперсной фазы / И. А. Вольчин, С. И. Крывошеев, В. Н. Макарчук - Опубл. 15.02.90, БИ N 6.

И. А.с. 1617312 CCCF, МКИ G 01 J 5/06. Устройство для определения температуры взвешенных частиц в газовом потоке / И.А. Вольчин, С.И. Крывошеев, В.Н. Макарчук, C.B. Марущак - Опубл. 30.12. 30, БИ N 48.

12. А.с. 1639208 СССР, МКИ'G 01 J 5/00. Способ определения температуры объекта - И. А. Вольчин, С.И. Крывошеев, В.Н. Макарчук - Опубл. 23.03. 91. БИ К 12.

13 Патент 1804599 СССР, МКИ G 01 J 5/00. Способ определения температуры объекта и устройство для его осуществления / И. А. Вольчин, С.И. Крывошеев, В.Н. Макарчук, C.B. Марущак - Опубл. 2i.03.93, БИ N 12.

14. Расчетное и экспериментальное определение термической не-равзовесности одиночной угольной частицы в различных атмосферах / И. А. Вольчин, Я. С. Жолудов, А.Ю. Майстрейко // Методы расчета вихревых гетерогенных потоков с химическим реагированием сред. Методы расчета свойств продуктов сгорания:Мат-лы науч.-тех. совет, стран-ч г.. СЭВ, СФРЮ и Финл. респ. С Москва, май 1986). - М. : Ин-т высоких температур АН СССР, 1987. - С. 136-139.