Исследование технологического режима газогенераторов Лурги при парокислородной газификации углей под давлением

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 «Энергоресурсосбережение, 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.

Результаты исследования были использованы на предприятии АО «Алюминий Казахстана» и при разработке рекомендаций при проектировании второй очереди газогенераторной станции (г. Павлодар, Республика Казахстан). По результатам исследования издано учебное пособие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.