Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ЧАСТИЧНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ДЛИННОПЛАМЕННОГО УГЛЯ В ЦИРКУЛИРУЮЩЕМ КИПЯЩЕМ СЛОЕ

Дюсеханов Т.К. 1 Сулейменов К.А. 1 Достияров А.М. 1
1 ТОО «Научно-исследовательский инжиниринговый центр ERG»
В настоящее время полукокс в основном получают с использованием слоевой технологии, обладающей рядом недостатков, таких как: повышенный выброс фенольных соединений, повышенная влажность получаемого полукокса (18–22 %), неравномерность термообработки угля (встречается полукокс с содержанием летучих выше 5 %, что недопустимо), необходимость использования фракционированного угля, например 20–80 мм и образование отсева мелкодисперсного угля 0–20 мм, имеющего существенно меньшую стоимость и незначительный по объему рынок сбыта. Развитие новых технологий производства металлов потребовало применения в качестве восстановителей мелкодисперсного полукокса размером 0–10 мм. В связи с этим использование отсевов угля фракцией 0–20 мм может существенно снизить стоимость производимого полукокса. Поэтому разработка новой технологии получения относительно дешевого мелкодисперсного полукокса из отсевов угля и решение ряда недостатков, присущих слоевой технологии, являются актуальными. Предложена новая технология получения спецкокса – термоокислительный пиролиз угля в циркулирующем кипящем слое – ЦКС. Данная технология предполагает получение полукокса в топочном контуре технологического реактора ЦКС. Образующиеся в результате частичной газификации генераторные газы и вынесенные из технологического цикла мелкие частицы готового продукта – полукокса, а также недообработанные частицы угля без охлаждения подаются в горелки котлов для дожигания и производства тепловой энергии, используемой далее для производства электроэнергии или теплоснабжения.
частичная газификация
термоокислительный пиролиз
циркулирующий кипящий слой
полукокс
генераторный газ
длиннопламенный уголь
1. He K., Wang L. A Review of Energy Use and Energy-Efficient Technologies for the Iron and Steel Industry. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. vol. 70 (December 2016). P. 1022–1039.
2. Hasanbeigi A., Arens M., Price L. Alternative Emerging Ironmaking Technologies for Energy-Efficiency and Carbon Dioxide Emissions Reduction: A Technical Review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2014. vol. 33. P. 645–658.
3. Ye C., Wang Q., Yu L., Luo Z., Cen K. Characteristics of Coal Partial Gasification Experiments on a Circulating Fluidized Bed Reactor under CO2–O2 atmosphere. Appl. Therm. Eng. 2018. vol. 130. P. 814–821.
4. Stubington J.F. The role of coal volatiles in fluidized bed combustion. J. Inst. Energy. 1980. vol. 53. P. 191–195.
5. Сулейменов К.А., Сабитов А.Р., Панфилов В.П., Дюсеханов Т.К. Способ переработки угля // Евразийский патент № 025090. Патентообладатель ТОО «НИИЦ ERG». 2016. Бюл. № 11.

В металлургии в качестве дешевых аналогов восстановителей в основном используется крупнокусковой полукокс, производимый в печах со стационарным слоем. Данная технология обладает рядом недостатков, таких как:

– образование экологически опасных фенольных соединений, а также загрязненной подсмольной воды;

– получение увлажненного полукокса, что влечет за собой значительные дополнительные энергетические затраты на испарение влаги при технологической переработке полукокса;

– использование угля фракции 20–80 мм приводит к накоплению значительного количества неиспользуемого угля фракции 0–20 мм (в соотношении 2:1 к фракционированному углю), что отражается на конечной стоимости полукокса;

– высокие капитальные и операционные затраты на очистку и утилизацию пиролизного газа [1].

Развитие новых технологий в металлургии и других отраслях промышленности потребовало применения также и мелкодисперсного полукокса размером 0–10 мм [2]. При этом наиболее оптимальным решением данного вопроса является разработка новой технологии полукоксования с использованием относительно дешевых мелкодисперсных отсевов угля, а не механическое дробление крупнокускового полукокса.

Научно-исследовательским инжиниринговым центром (НИИЦ) ERG предложена новая технология получения полукокса – термоокислительный пиролиз угля в циркулирующем кипящем слое – ЦКС. Данная технология предполагает получение полукокса в технологических реакторах ЦКС, а образующиеся генераторные газы и вынесенные из технологического цикла мелкие частицы готового продукта – полукокса, а также недообработанные частицы угля без промежуточного охлаждения подаются в котлы для сжигания и производства тепловой энергии. При этом данная технология позволяет решить проблемные вопросы слоевой технологии, такие как: неудовлетворительная экологичность, повышенная влажность (18–22 %) образующего полукокса, низкая энергоэффективность. Технология автотермического термоокислительного пиролиза угля (ТОПУ) в ЦКС подразумевает использование максимального количества тепла сгорания выделившихся летучих и минимальное выгорание фиксированного углерода подаваемых частиц угля

Цель исследования: экспериментальное подтверждение возможности производства полукокса в установке ЦКС и определение потенциала интеграции коксового производства полукокса с тепловой электрической станцией.

Реализуемость данной технологии в целом была подтверждена разработанной расчетно-аналитической моделью технологии получения полукокса в газификаторе ЦКС с выработкой электроэнергии в паротурбинном цикле.

Предварительные расчеты показывают, что избыток воздуха – α при адиабатном протекании процесса в этом случае должен составлять 0,2–0,25 от теоретически необходимого. При этом необходимо отметить, что реакционная зона ЦКС состоит из реакционной зоны пузырькового кипящего слоя (КС) с плотностью 600–1000 кг/м3, обычно невысокого – до 0,5–1,5 м, с размерами частиц угля 0,5–20 мм и реакционной зоны надслоевого пространства, где частицы движутся вверх в основном в режиме пневмотранспорта с концентрацией твердой фазы в потоке до 5–50 кг/м3.

В режиме ЦКС большая часть подаваемых частиц угля подвергается термообработке и термоокислительным процессам в объеме КС. У мелких частиц угля, подверженных выносу из КС, летучие частично выделяются в КС, частично в надслоевом пространстве и полностью выделяются при неоднократной рециркуляции их в топку. Неуловленные системами рециркуляции недообработанные мелкие частицы угля выводятся из технологического цикла и не участвуют в процессе получения полукокса требуемого качества.

При этом необходимо отметить, что процесс выделения и сгорания летучих в объеме кипящего слоя представляет собой сложный процесс и ограничивается рядом условий [3]. Согласно двухфазной модели кипящего слоя воздух, подаваемый в слой через воздухораспределительную решетку, выделившиеся летучие, продукты сгорания летучих и фиксированного углерода разделяются на два потока:

– часть подаваемого воздуха, продукты сгорания угольных частиц транспортируются сквозь слой в виде потока газа, фильтрующего между частицами слоя (непрерывная фаза), приводя слой в режим минимального псевдоожижения;

– остальная часть подаваемого воздуха и образовавшихся в результате термообработки угольных частиц газообразных продуктов транспортируются через слой в виде пузырей (прерывистая фаза).

Относительно выделения летучих необходимо отметить, что в соответствии с [4] летучие, выделяющиеся из угольной частицы в горящем КС, принимают форму газовых пузырей, периодически отрывающихся от угольной частицы и всплывающих вверх через слой. По мере продвижения газового пузыря летучих вверх сквозь слой между пузырем и непрерывной фазой происходят тепломассообменные процессы. К данному процессу также накладывается процесс слияния (коалесценции) воздушных и газовых пузырей в более крупные пузыри по мере их всплывания в объеме слоя, при котором также происходят тепломассобменные процессы.

Таким образом зависимость соотношения прореагировавших и непрореагировавших летучих, их соотношения в непрерывной фазе и пузырях весьма сложна, так как кроме вышеперечисленных факторов, влияющих на соотношения кислорода в непрерывной и прерывной фазах, на данный процесс влияют скорость газового потока (непрерывная фаза), размер угольных частиц, тип угля, наличие и характеристика пор угля и другие физико-химические характеристики, определяющие интенсивность нагрева, скорость диффузии летучих в порах и, соответственно, скорость вторичных реакций коксообразования, массобменные процессы между прерывистой и непрерывистой фазами КС и т.д.

Таким образом можно отметить, что реализация термоокислительного пиролиза угольных частиц в кипящем слое с получением максимального количества товарного полукокса, с обеспечением максимального выхода и выгорания летучих в реакционной зоне и минимального выжига фиксированного углерода угля для получения полукокса – весьма трудноразрешимая задача.

Учет двухфазной модели кипящего слоя и механизма выхода и выгорания летучих в слое и в надслоевом пространстве ЦКС позволил разработать и запатентовать технологию получения качественного полукокса из отсевов угля [5].

Материалы и методы исследования

Для экспериментальной проверки технологии была создана лабораторная установка газификатор-пиролизер ЦКС с расходом топлива до 50–70 кг/час. На рис. 1 представлена ее принципиальная технологическая схема.

dysen1.tif

Рис. 1. Технологическая схема лабораторной установки – газификатора ЦКС Узлы: 1 – топка-газификатор, 2 – технологический циклон, 3 – пневмомеханический затвор, 4 – бункер угля, 5 – шнековый питатель угля, 6 – санитарный циклон, 7 – L клапан, 8 – камера сгорания (КС) генераторных газов, 9 – охладитель дымовых газов, 10 – рукавный фильтр и циклон-пылеосадитель, 11 – дымосос, 12 – дымовая труба, 13 – электровоздухоподогреватели, 14 – эжектор пневмотранспорта угля в топку, 15 – топливопроводы подачи угля в объем слоя (верхняя подача) и нижнюю часть слоя (нижняя подача) 16 – система механизированного вывода материала слоя с нижней части слоя (с ВРР), включающая водоохлаждаемый патрубок вывода, водоохлаждаемый шнек-дозатор, систему бункеров (2 шт.) с задвижками, 17 – система механизированного вывода материала слоя с поверхности пузырькового слоя, включающая водоохлаждаемый патрубок вывода, водоохлаждаемый шнек-дозатор, систему бункеров (2 шт.) с задвижками, 18 – система ручного вывода материала слоя с поверхности пузырькового слоя, 19 – система механизированного вывода циркулирующего материала с решетки приемной камеры затвора (стояк), включающая водоохлаждаемый патрубок вывода, водоохлаждаемый шнек-дозатор, систему бункеров (2 шт.) с задвижками, 20 – патрубок вывода материала из передающей камеры затвора, 21 – стояк затвора, 22 – воздуходувка, 23 – воздуховод, 24 – шибера воздушные, 25 – бункер-накопитель, 26 – система механизированного вывода уноса уловленного циклоном-пылеосадителем, включающая пылевыпускную трубу, водоохлаждаемый шнек-дозатор, систему бункеров (2 шт.) с задвижками. Потоки: I – первичный воздух, II – вторичный воздух, III – воздух в принимающую и передающую камеры пневмозатвора, IV – острое дутье воздуха в L-клапан, V – поток воздуха на аэрацию стояка, VI – поток воздуха на пневмотранспорт угля в топку, VII – генераторные газы из топки, VIII – поток воздуха для дожигания генераторных газов КС

Теплотехнические характеристики шубаркольского угля

Wr,

%

Ad,

%

Cdaf,

%

Hdaf,

%

Ndaf,

%

Odaf,

%

Sdaf,

%

Vdaf,

%

Vr,

%

Qнр,

ккал/кг

10,6

4,25

76,9

5,35

1,45

15,3

1,0

44,5

38,09

6334,7

 

Установка состоит из топки 1, выполненной из жаропрочной стали в виде вертикально стоящего цилиндра внутренним диаметром 150 мм и высотой 5,6 м, теплоизолированного по всей высоте для обеспечения минимальных потерь тепла в окружающую среду и из технологического и санитарного циклонов 2 и 6. Уголь из бункера 4 шнековым питателем 5 по топливопроводам 15 пневмотранспортом направляется в топку.

Воздух в топку и другие узлы установки подается воздуходувкой 22. При этом первичный и вторичный воздух подогревается в электровоздухоподогревателях 13 до требуемой по режиму температуры (100–600 °С).

Образующийся в топке полукокс водоохлаждаемыми шнеками 16 и 17 отводится из топки в накопительные бункеры. Образующиеся в топке 1 генераторные газы и коксозольный остаток выносятся из топки и поступают в технологический циклон 2, где происходит отделение большей части твердой фазы из газового потока. Уловленный циклоном коксозольный остаток по стояку 21 поступает в пневмомеханический затвор 3 высотой 600 мм, состоящий из двух камер кипящего слоя: приемной – сечением 80х80 мм, и передающей – сечением 120х80 мм. Коксозольный остаток из стояка и приемной камеры затвора 3 поступает в передающую камеру затвора 3 и далее по течке перепускается в топку 1, образуя, таким образом, циркуляционный поток твердой фазы по контуру: топка – технологический циклон – стояк – затвор – топка. Из приемной камеры затвора готовый полукокс водоохлаждаемыми шнеками 18 выводится в бункер-накопитель.

Не уловленные в технологическом циклоне 2 мелкие частицы коксозольного остатка поступают в санитарный циклон 6. Выделившийся в санитарном циклоне коксозольный остаток по стояку 21 поступает в L-клапан 7 и далее в топку, образуя циркуляционный контур, как и в первом случае. В случае отключения L-клапана уловленный коксозольный остаток выводился в бункер-накопитель 25.

После санитарного циклона генераторные газы поступают в камеру сгорания 8 для дожигания. После камеры дожигания дымовые газы поступают в трубчатый газо-водяной охладитель газа 9 для снижения температуры дымовых газов до уровня, требуемого по условиям работы рукавного фильтра и дымососа. При необходимости предусмотрено дополнительное охлаждение газового потока подачей воды, распыленной специальной форсункой. После охладителя газов 9 дымовые газы поступают либо в рукавный фильтр, либо в циклон 10 для обеспечения необходимой по санитарным нормам очистки газов. Далее с помощью дымососа 11 дымовые газы отводятся в дымовую трубу 12 и сбрасываются в атмосферу.

Для проведения исследования использовался шубаркольский уголь 4-х фракций, размером: 0–8 мм (dср = 2,08 мм); 0–15 мм (dср = 3,14 мм); 0–20 мм и 3–8 мм (dср = 4,2 мм), теплотехнические характеристики которого приведены в таблице.

Результаты исследования и их обсуждение

Одним из основных параметров технологического процесса термоокислительного пиролиза угля является температура в топочном контуре, которая в основном определяет эффективность технологического процесса. При работе топки в газификационном режиме температура слоя определяется в основном избытком воздуха, а также, ввиду некоторой неадиабатичности процесса, и форсировкой слоя.

На рис. 2 представлена зависимость температуры слоя от избытка воздуха для разных форсировок (тепловой мощности, расхода топлива) слоя. Как видно, для обоих случаев увеличение избытка воздуха сопровождается увеличением температуры слоя за счет большей доли прохождения окислительных реакций углерода угля и кислорода воздуха. Также видно, что увеличение расхода топлива при примерно одинаковых избытках воздуха приводит к увеличению температуры слоя. Таким образом, увеличение производительности (мощности) топки при постоянстве основного параметра технологии – температуры в слое – можно добиться путем увеличения подачи угля с одновременным уменьшением избытка воздуха, либо уменьшением расхода топлива с одновременным увеличением избытка воздуха, т.е. непропорциональным изменением соотношения топливо – воздух.

На рис. 3 представлена зависимость содержания летучих в полукоксе, выводимом из топки с поверхности пузырькового слоя (на расстоянии 650 мм от воздухораспределительной решетки) от температуры слоя в температурном диапазоне 750–950 °С. Как видно из рисунка, с увеличением температуры слоя содержание летучих в коксе уменьшается с 7–8 % до 3 %. Но в рабочем диапазоне 800–900 °С содержание летучих составляет 3–5 %. Таким образом, получаемый продукт соответствует требованиям, предъявляемым к коксу в отношении содержания летучих. Аналогичные данные были получены для полукокса, выводимого из затвора.

Для получения полукокса требуемого качества, необходимо чтобы угольные частицы, включая мелкие частицы, подверженные выносу из топки, находились определенное время в высокотемпературной реакционной зоне. При термообработке угля в пузырьковом кипящем слое время пребывания в реакционной зоне для крупных частиц более чем достаточно, но для мелких частиц его крайне мало, так как эти частицы даже не успеют нагреться до температуры выхода летучих. Следует отметить, что подача в надслоевое пространство вторичного воздуха, обеспечивающая дополнительным теплом за счет сгорания летучих, вынесенных из слоя, а также летучих, образующихся в процессе термообработки мелких частиц в надслоевом пространстве топки, не обеспечивает получения требуемого по качеству полукокса, а также недостаточна для поддержания требуемой температуры в топке. Это достигается многократной рециркуляцией выносимых из топки мелких частиц вновь в слой, где они нагреваются и выносятся в надслоевое пространство. Многократная рециркуляция мелких частиц приводит к выравниванию температурного поля по всему объему топки и циркулирующему тракту, включая технологический циклон, стояк, пневмомеханический затвор и топку. Но многократная рециркуляция коксозольных частиц без организации вывода готового продукта – полукокса из циркулирующего потока твердой фазы приведет к существенному повышению концентрации твердой фазы в топочном контуре и, соответственно, к росту расхода электроэнергии на дутье. В конечном счете происходит «захлебывание» процесса и прекращение циркуляции.

Изотермичность всего топочного контура циркуляции обеспечивается кратностью циркуляции (количество циркулирующих по топочному контуру частиц, отнесенное к расходу топлива), составляющей десятки и сотни единиц, но при этом концентрация твердой фазы в верхней части топки в десятки и сотни раз меньше, чем в объеме пузырькового слоя. В связи с этим количество выводимого готового продукта – полукокса из циркуляционного контура не должно нарушать изотермичность топочного контура. При этом необходимо знать, при какой минимальной концентрации твердой фазы (плотность) соблюдается изотермичность по всему топочному контуру.

dysen2.wmf

Рис. 2. Зависимость температуры слоя от избытка воздуха при Вуг = const

dysen3.wmf

Рис. 3. Зависимость содержания летучих в полукоксе от температуры

dysen4.wmf

Рис. 4. Зависимость концентрации твердой фазы в надслоевом пространстве топки от количества выводимого полукокса из приемной камеры затвора

dysen5a.wmf

dysen5b.wmf

Рис. 5. Распределение компонентов в продуктах полукоксования (опыт № 35, ТЦКС = 880 °С, dуг = 0–20 мм)

На рис. 4 представлено влияние количества выводимого полукокса из приемной камеры затвора на концентрацию (плотность) циркулирующего потока в надслоевом пространстве при постоянстве температуры по всему топочному контуру. Как видно из рисунка, уменьшение концентрации твердой фазы (коэффициента циркуляции) в надслоевом пространстве с 25 кг/м3 до 13 кг/м3 не привело к нарушению изотермичности топки. При этом также не ухудшилось качество выводимого из цикла готового конечного продукта – полукокса. Рост концентрации твердой фазы в надслоевом пространстве приводит к излишнему истиранию циркулирующих частиц, ухудшению их улавливания в технологическом циклоне и, соответственно, уменьшению выхода конечного продукта – полукокса.

Выводы

В процессе исследований, по результатам каждого опыта сводился баланс, т.е определялось суммарное распределение компонентов угля (зола, летучие, фиксированный углерод) по продуктам полукоксования в твердой и газообразной фазе, а также относительное распределение, например, фиксированного углерода, по всем продуктам полукоксования.

На рис. 5 представлены данные по относительному распределению угля и его основных компонентов (фиксированный углерод, летучие, зола) в продуктах полукоксования для одного из опытов. Как видно, большая доля угля перешла в газовую фазу, состоящую в основном из летучих компонентов (почти 90 %, рис. 5) выделяемых из угля в процессе полукоксования. Также в газовую фазу переходит часть фиксированного углерода (9,5 %) в результате реакций окисления и восстановления, продуктами которых являются СО и СО2. Основной компонент – фиксированный углерод – большей частью остается в полукоксе (более 65 %), до 25 % выносятся из топки в виде уносов и около 10 % переходят в газовую фазу.

Таким образом, проведенные опыты подтвердили реализуемость предлагаемой технологии получения полукокса из шубаркольского угля в режиме термоокислительного пиролиза в циркулирующем кипящем слое.


Библиографическая ссылка

Дюсеханов Т.К., Сулейменов К.А., Достияров А.М. ЧАСТИЧНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ДЛИННОПЛАМЕННОГО УГЛЯ В ЦИРКУЛИРУЮЩЕМ КИПЯЩЕМ СЛОЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 6. – С. 118-124;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12778 (дата обращения: 21.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674