Совершенствование процесса переработки угля при слоевой газификации с обращенным дутьем

Развитие цивилизации зависит от многих факторов, но определяющим является уровень развития энергетических технологий и освоения энергоресурсов. Бурная индустриализация XX века была основана на освоении нового вида энергии: электрической — и новых энергоресурсов: нефти, природного газа, урана и гидроресурсов. Стремительное развитие науки, техники и общества в целом во второй половине XX века, создание на рубеже нового тысячелетия постиндустриального, так называемого «информационно-сервисного» общества обусловлено использованием именно этих источников энергии. За кадром остается тот факт, что фундаментом постиндустриального общества являются доступные и дешёвые, но, к сожалению, быстро исчерпывающиеся энергоресурсы.

Развитие и совершенствование энергетики должно проводиться на основе достижений фундаментальной и прикладной науки, разработки новых технологий, позволяющих создавать высокоэффективное энергетическое оборудование, и, наконец, с учетом огромной роли энергетики для страны и мира, возможности на основе технико-экономического анализа принимать соответствующие политические решения.

Чрезмерная привлекательность природного газа для потребителей при убыточности его поставок на внутренний рынок по действующим ценам создает растущую напряженность баланса газа. Поскольку он обеспечивает почти половину внутреннего потребления энергоресурсов России (в Европейской части — свыше двух третьих), дефицит газа означает прямую угрозу энергетической безопасности страны. Необходимо отметить, что для России по некоторым данным обеспеченность разведанными запасами сегодняшних уровней добычи составляет по нефти лишь несколько больше чем на 20 лет, по газу — на 90 лет, тогда как по углю и природному урану многие сотни лет.

Следует обратить особое внимание на наблюдаемый в России в последние 10−20 лет низкий уровень интереса к фундаментальным исследованиям и новым технологическим разработкам по эффективному использова5 нию угля в энергетике. Уголь занимал главенствующие позиции в энергетике XIX века, когда стал основным топливом индустриальной революции, быстрого развития экономики, железных дорог и морского транспорта. Но уже в конце XIX века его начала теснить нефть, а с 1940;х годов — природный газ. Переход на углеводороды привел к закату эпохи угля по экономическим и экологическим причинам. Нефть и газ были дешевле, их добыча была безопаснее, а их сжигание приводило к гораздо меньшим выбросам пыли, оксидов серы и углерода. Шахты закрывались, электростанции переводились на газ, и угольная отрасль во многих странах стала достоянием истории. В России в 1990;1994 гг. добыча угля уменьшалась более чем на 30 млн тонн ежегодно, в 1995;1998 гг. сокращение достигало 12 млн тонн в год, а объём добычи сократился к 1998 году до 232 млн тонн, что почти на 200 млн тонн меньше, чем в 1988 г.

Актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами.

Резкий рост цен на нефть и природный газ после 2000 года, опасения по поводу энергетической безопасности, неясные перспективы с развитием многих газовых проектов и общая нестабильность на рынках энергетического сырья заставили вновь задуматься о проверенном в течение веков источнике энергии — угле. И интерес к углю растет не только в энергетике. Рост потребления стали в Китае и других азиатских странах резко повысил спрос на кокс и другие углеродные материалы. Сочетание этих факторов очень быстро превратило уголь из энергетического сырья прошлого в сырьё настоящего. В целом на рынке ожидается десятилетие широкомасштабных инвестиций в угольный сектор. Инвесторы рассматривают самые разнообразные проекты в различных регионах мира. Правительством России в 2008 году была утверждена Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года («Дорожная карта»), согласно которой доля угля в энергетике должна вырасти примерно в полтора раза.

Уголь как энергетическое сырьё является наиболее экологически опасным из всех ископаемых видов топлива из-за повышенной эмиссии вредных веществ при его сжигании [1]. Известно, что можно значительно снизить ущерб природной среде от угольной энергетики, если использовать облагороженный, или «чистый», уголь, синтетические газообразные или жидкие виды топлива, получаемые путём глубокой переработки угля [2- 3].

Технологии глубокой переработки угля по способу подвода тепловой энергии, необходимой для расщепления органической массы угля (ОМУ) могут быть разделены на аллотермические и автотермические [4]. Характерной особенностью аллотермических процессов переработки угля является их экологическая опасность из-за сложности утилизации побочных продуктов пиролиза угля и отработанного газообразного теплоносителя, поступающего в атмосферу. Приведение таких производств в соответствие природоохранным нормативам требует инвестиций, сопоставимых со стоимостью основного оборудования. Поэтому актуально создание технологий термической переработки угля, в которых жидкие побочные продукты пиролиза не образуются. Автотермические процессы переработки угля предпочтительнее, поскольку при генерации тепловой энергии за счёт окисления части ОМУ возможно полное или частичное превращение летучих продуктов пиролиза в менее токсичные компоненты — Н2, Н20, СО, С02, СН4, H2S и др.

В области малой и средней энергетики целесообразно разрабатывать комбинированные схемы производства, позволяющие повысить экологическую безопасность, экономическую и энергетическую эффективность использования углей низкой степени метаморфизма, а также расширить сферу их применения. К новому поколению таких схем относится автотермический процесс переработки угля «ТЕРМОКОКС-С» — процесс слоевой газификации угля с обращённым дутьём, в рамках которого горючая масса угля разделяется на два компонента: газообразный энергоноситель — горючий газ — и высокоактивный коксовый остаток — среднетемпературный кокс.

В настоящем исследовании выполнен комплекс работ по изучению и совершенствованию экологически безопасного процесса переработки угля «ТЕРМОКОКС-С».

Объектом исследования в настоящей работе является теплотехноло-гическая установка для слоевой газификации угля с обращённым дутьём.

Предмет исследования — комбинированный процесс переработки угля в газообразный энергоноситель и среднетемпературный кокс в слоевом реакторе шахтного типа.

Целью работы является совершенствование теплотехнологического процесса переработки угля в твёрдые и газообразные продукты при слоевой газификации с обращённым дутьём. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Проанализировать существующие технологии глубокой переработки угля, направленные на получение твёрдых и газообразных продуктов, оценить состояние исследований в данной области;

2. Выполнить критический анализ механизмов теплои массопереноса при слоевой газификации угля с привлечением экспериментальных исследований;

3. Выполнить экспериментальное исследование влияния основных управляющих параметров на показатели теплотехнологического процесса;

4. С учётом новых экспериментальных данных усовершенствовать физическую модель процесса, разработать математическую модель, алгоритм численного решения, реализовать математическую модель программно;

5. Выполнить численные эксперименты по исследованию процесса слоевой газификации угля с целью определения влияния отдельных механизмов теплои массопереноса на интегральные показатели процесса;

6. Разработать практические рекомендации по совершенствованию процесса слоевой газификации угля с обращённым дутьём.

Теория и методология исследований основаны на положениях теплоэнергетики, теплофизики, химической физики, а также экспериментальных и теоретических данных в области теплотехнологической переработки угля при слоевой газификации с обращенным дутьём.

В работе использованы следующие методы исследований: натурный эксперимент, моделирование, метод сравнения и аналогий, метод обобщений и др.

Основы методологических приёмов, использовавшихся в настоящей работе, были заложены Я. Б. Зельдовичем, Д.А. Франк-Каменецким, Б. В. Канторовичем, Г. Ф. Кнорре, Н. В. Лавровым, В. В. Померанцевым, А.А. Агроски-ным, А. Ф. Чудновским, Р. И. Нигматулиным, А. А. Самарским и др.

Информационную базу исследований в настоящей работе составили:

• научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов, отчётов, материалов научных конференцийрезультаты собственных экспериментов и расчётов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Для бурого угля экспериментально определены температурная зависимость коэффициента температуропроводности и эффективная кинетика термического разложения в диапазоне режимных условий, используемых в промышленных газификаторах;

2. Получены зависимости влияния расхода дутьевого воздуха, фракционного состава и влажности бурого угля на показатели процесса слоевой газификации с обращённым дутьём, такие как скорость процесса газификации, выход кокса и горючего газа, их характеристики;

3. Определено влияние расхода дутьевого кислорода на показатели процесса слоевой газификации угля с обращённым дутьём, такие как скорость процесса газификации, выход газообразного и твёрдого продуктов процесса, их характеристики. На основе полученных данных разработан новый способ получения синтез-газа и среднетемпературного кокса из бурого угля, позволяющий радикально снизить себестоимость синтетических углеводородных топлив;

4. Выполнен анализ всех стадий процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём, на основе которого усовершенствована физическая и разработана математическая модели процесса. С помощью математической модели выполнено численное исследование процесса.

Практическая значимость:

1. На примере угля марки Б2 разреза «Бородинский» (Красноярский край) определены границы целесообразных режимов переработки бурого угля в газообразный энергоноситель (горючий газ) и среднетемпературный кокс в промышленных теплотехнологических установках на основе процесса «ТЕРМОКОКС-С»;

2. В широком диапазоне расходов дутьевого воздуха и дутьевого кислорода, а также для различных фракционного состава и влажности бурого угля получены корреляционные соотношения показателей процесса газификации (скорость процесса, производительность реактора по газу и твёрдому продукту, их характеристики), которые приняты для использования в качестве расчётных формул при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС»;

3. Разработан и защищён патентом РФ способ получения синтез-газа и среднетемпературного кокса в слоевом реакторе с обращённым кислородным дутьём, который предназначен для применения в составе промышленных комплексов по производству синтетических углеводородных топлив и продуктов на основе среднетемпературного кокса из бурого угля;

4. Разработаны и программно реализованы универсальные методики обработки данных. стендовых испытаний по слоевой газификации угля с обращённым воздушным, кислородным и обогащённым дутьём, используемые с целью получения исходных данных для проектирования промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС» (основных технологических показателей процесса, его материального и теплового балансов);

5. Разработаны практические рекомендации по совершенствованию процесса слоевой газификации угля с обращённым дутьём, позволяющие улучшить эксплуатационные характеристики существующих и проектируемых теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС».

Личный вклад автора состоит в самостоятельном анализе литературных и экспериментальных данных, подготовке и непосредственном проведении экспериментов по газификации, определению коэффициента температуропроводности и эффективной кинетики термического разложения бурого угля, разработке и реализации математической модели процесса, проведении численных экспериментов и разработке технических предложений по интенсификации и расширению сферы применения процесса «ТЕРМОКОКС-С», совершенствовании методического обеспечения экспериментальных исследований и технологического тестирования углей с целью подготовки исходных данных для проектирования промышленных теплотехнологических установок. Автор выражает благодарность коллективу Красноярского филиала Института теплофизики СО РАН под руководством А. А. Дектерёва и лично А. В. Минакову — за консультации по численной методике и А. А. Гавриловуза предоставление программы Draw 2D Surface для визуализации расчёта.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Теоретические положения работы основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования, а также на собственных экспериментальных данных и данных исследований, представленных в известных работах других авторов. t.

Реализация результатов работы. Все практически значимые результаты диссертационной работы (методики обработки данных стендовых испытаний, практические рекомендации по совершенствованию процесса и др.) приняты компанией «Сибтермо» для использования при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС», что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.), XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных, (г. Кемерово, 2009 г.), VI Всероссийской конференции молодых учёных (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), VI Всероссийском теплофизическом семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Красноярск, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации, и 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных литературных источников и 8 приложений. Работа содержит 226 страниц машинописного текста, в том числе 145 страниц основного текста диссертации и 81 страницу приложений, 69 рисунков и 75 таблиц.

Список использованных источников

включает 92 наименования.

1. Выполнен критический анализ механизмов теплои массопереноса при слоевой газификации угля с обращенным дутьём, экспериментально оп ределены температурная зависимость коэффициента температуропроводно сти и кинетика термического разложения бурого угля в диапазоне режимных условий, используемых в промышленных газификаторах.2. Разработаны и внедрены универсальные методики обработки дан ных стендовых испытаний по слоевой газификации угля с обращенным воз душным, кислородным и обогащенным дутьём, используемые с целью полу чения исходных данных для проектирования промышленных теплотехноло гических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС» (основных технологических показателей процесса, его материального и теплового ба лансов).3. В широком диапазоне расходов дутьевого воздуха получены значе ния показателей теплотехнологического процесса переработки бурого угля при слоевой газификации с обращенным дутьём, таких как скорость процесса газификации, выхода газообразных и твёрдых продуктов процесса, их харак теристик. Определены границы основных режимов работы газификатора на примере угля марки Б2 разреза «Бородинский» (Красноярский край): режима карбонизации (безотходного целевого производства среднетемпературного кокса и попутного производства газообразного энергоносителя), режима полной газификации (целевого производства газообразного энергоносителя) и области смешанных режимов, в которых работа газификатора нецелесооб разна.4. Определено влияние фракционного состава угля на показатели про цесса газификации. Выявлено, что использование мелкой фракции (3−5 мм) при работе реактора на буром угле обеспечивает наибольшую производи тельность процесса как в режимах карбонизации, так и в режимах полной га зификации.5. Изучено влияние влажности бурого угля на показатели процесса слоевой газификации угля с обращенным дутьём. Выявлено, что предвари тельная сушка угля (снижение влажности примерно до 10%) и повышение расхода дутьевого воздуха в 3,8 раза в совокупности приводят к почти трёх кратному ускорению процесса карбонизации угля, а также к увеличению вы хода кокса в 1,3 раза и повышению удельной теплоты сгорания продуктового газа на 20%.6. Определено влияние расхода дутьевого кислорода на показатели процесса слоевой газификации бурого угля с обращенным дутьём. На основе полученных результатов разработан и защищен патентом РФ способ получе ния среднетемпературного кокса и синтез-газа в слоевом реакторе с обра щенным кислородным дутьём, предназначенный для применения в составе промышленных комплексов по производству синтетических углеводородных топлив и продуктов на основе среднетемпературного кокса из бурого угля.7. С учётом новых экспериментальных данных усовершенствована фи зическая модель процесса, разработана его математическая модель. Численно изучено влияние основных механизмов теплои массопереноса на инте гральные показатели процесса при работе реактора в режимах карбонизации. Установлено, что использование в модели нелинейно зависящего от темпера туры эффективного коэффициента теплопроводности вместо постоянного значения этого параметра даёт более реалистичный (соответствующий экс периментально наблюдаемому) характер нагрева новых слоев топлива при перемещении тепловой волны. Выявлено конкурирующее влияние кинетики термического разложения угля и эффективной теплопроводности на скорость перемещения тепловой волны. Показано, что подогрев дутьевого воздуха до 473 К приводит к увеличению скорости тепловой волны в 1,6 раза и увеличе нию выхода кокса примерно на 16% (отн.).8. На основе полученных экспериментальных и расчётных данных разработаны практические рекомендации по совершенствованию комбини 138 рованного процесса переработки угля при слоевой газификации с обращен ным дутьём.9. Все практически значимые результаты диссертационной работы (методики обработки данных стендовых испытаний, практические рекомен дации по совершенствованию процесса и др.) приняты компанией «Сибтер мо» для использования при проектировании промышленных теплотехноло гических установок на основе слоевых процессов «ТЕРМОКОКС».