CC BY
501
3. Проведено сравнение выполненной авторами разработки вентильных электродвигателей, освоенных отечественной промышленностью, и лучших зарубежных образцов: отечественные ВДПМ типа 5ДВМ по основным показателям не уступают зарубежным ВД фирмы «СИМЕНС».
Литература
1. Аракелян А.К. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: в 2 кн. /
A.К. Аракелян, А.А. Афанасьев. М.: Энергоатомиздат, 1997.
2. Жуков В.П. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5 ДВМ / В.П. Жуков,
B.А. Нестерин // Электротехника. 2000. № 6. С. 19-21.
АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, действительный член АЭН РФ, заведующий кафедрой управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
AFANASYEV ALEXANDER ALEXANDROVICH - doctor of technical sciences, professor, member of PSN RF, Head of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
НЕСТЕРИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, Чувашский государственный университет, член-корреспондент АЭН РФ, Россия, Чебоксары ([email protected]).
NEStErIN VALERY ALEKSEEVICH - doctor of technical sciences, professor of Electromechanics Chair, member-correspondent of PSN RF, Russia, Cheboksary.
НИКИТИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, заместитель начальника отдела электропривода и электрических машин, ЗАО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары ([email protected]).
NIKITIN VLADIMIR MIKHAYLOVICH - candidate of technical sciences, Deputy Head of Electric and Electrical Machinery Company, JSC «ChEAZ», Russia, Cheboksary.
РОМАНОВ РОМАН АРТЕМЬЕВИЧ - аспирант кафедры электромеханики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ROMANOV ROMAN ATREMYEVICH - post-graduate student of Electromechanics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.365
В.В. АФАНАСЬЕВ, В.Г. КОВАЛЕВ, В.А. ТАРАСОВ
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: технологии газификации, твердое топливо, равновесный состав газа, электрохимическая газификация.
Рассмотрены технологии газификации твердого топлива, показаны преимущества газификации с применением электронагрева.
V.V. AFANASYEV, V.G. KOVALEV, V.A. TARASOV THE KNOW-HOWS OF A GASIFICATION OF SOLID FUEL
Key words: know-hows of a gasification, solid fuel, equilibrium composition of gas, electrochemical gasification.
The analysis of technologies of a gasification of solid fuel, the advantages of a gasification with applying of electroheating are rotined.
С истощением запасов нефти и природного газа актуальной становится задача разработки эффективных технологий комплексной безотходной переработки низкосортного твердого топлива. О важности данной проблемы свидетельствует то, что в Седьмой рамочной программе научно-технического сотрудничества стран ЕС (7РП) предусмотрен специальный раздел (ENERGY 2007.6.1.1) по технологии обогащения угля и производства энергии с нулевыми выбросами.
Все технологические процессы основаны на использовании энергии и материальных ресурсов. Потребность в энергоносителях и сырье непрерывно увели-
чивается, получение их обходится всё дороже, а загрязнение окружающей среды принимает планетарные масштабы. Поэтому разработка энерготехнологических комплексов (ЭТК) с созданием малоотходных и безотходных технологий и рациональное использования вторичных материальных ресурсов становятся все более актуальными проблемами [1] и для их решения требуются межотраслевые знания и подходы. Для разработки энерготехнологических комплексов необходимо проанализировать все материальные и энергетические балансы основных и последующих технологических процессов, определить неиспользуемые в настоящее время ресурсы-полупродукты, рассмотреть возможности их применения.
Основным источником для восполнения энергобаланса может стать уголь, а в отдельных регионах - горючие сланцы, торф, биомасса. Причем необходимы технологии получения из этих видов энергоносителей не только тепловой и электрической энергии, но и промежуточных синтетических углеводородных жидких и газообразных энергоносителей.
Традиционно энергообеспечение на твердом топливе привязано к складам и транспорту. В европейской части России, на Урале и Дальнем Востоке транспортные затраты превышают стоимость добычи кузнецкого угля в 1,5-2,5 раза, а канско-ачинского - в 5,5-7,0 раз. Газообразные и жидкие виды топлива позволяют автоматизировать их использование в котельных. Переработка твердых видов топлива в газообразные и жидкие, технологии, применяемые более двух веков для нужд освещения, энергетики и химии, на новом этапе развития могут быть востребованы для создания принципиально новой основы использования ресурсов и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду. С учетом возможных эффектов газификации твердых энергоносителей, использования генераторных газов в газотурбинных и газопоршневых технологиях интересно рассмотреть возможность создания энерготехнологических комплексов по глубокой переработке твердых видов углеродосодержащего сырья.
Экологически чистые процессы трансформации твердого топлива в электрическую и тепловую энергию решают задачу комплексного освоения сырья, значительного сокращения отходов и вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим необходимы исследования технологий газификации твердого топлива, основных характеристик газогенераторных установок и генераторных газов при использовании различных видов сырья, выбор наиболее эффективных технологий, разработка принципов конструкций оборудования для газификации низкосортного твердого топлива.
В настоящее время основным топливом для котельных и ТЭЦ является природный газ, который является экологически чистым и дешевым энергоносителем. Для повышения надежности котельных и ТЭЦ и обеспечения бесперебойной работы источников тепловой энергии необходимо резервное топливо.
Для работающих на природном газе котлов в качестве резервного топлива в настоящее время используется мазут, который значительно дороже других видов топлива. Стоимость 1 т условного топлива для мазута в 3,5-4 раза выше, чем для природного газа. Стоимость 1 т условного топлива при применении каменного угля почти в 2 раза ниже, чем для мазута. При сжигании мазута в атмосферу выбрасывается большое количество оксидов серы и других вредных веществ. Непосредственное применение для получения тепловой энергии низкосортного твердого топлива (бурого угля, торфа, древесных отходов) затруднено из-за высокого
содержания в нем влаги, негорючих примесей, низкой теплотворной способности и образования большого количества золы. Для наиболее перспективных в настоящее время парогазовых, газотурбинных и газопоршневых когенерационных установок необходимо газообразное топливо, которое может быть получено газификацией твёрдого топлива. Газификация позволяет эффективно использовать значительные запасы низкосортного твердого топлива и расширить область его применения для любых теплофикационных и энергетических установок, а также для получения синтез-газа для химической промышленности.
Известны два способа термической переработки твердого топлива с получением горючего газа: аллотермический - с подводом тепла извне и автотермический - с получением тепловой энергии в процессе газификации за счет сжигания части топлива. В настоящее время наиболее конструктивно разработаны и получили широкое распространение генераторы автотермического метода газификации, при которых тепловая энергия, необходимая для осуществления реакций, получается в процессе сжигания части исходного топлива внутри аппарата - газогенератора, при этом до 40% топлива затрачивается на поддержание температуры процесса, поэтому КПД газификации бурого угля не превышает 50-60% [2]. Основными недостатками таких технологий является сравнительно низкая энергетическая эффективность генераторного газа из-за высокого содержания в нем азота и диоксида углерода, что является ограничением для транспортировки генераторного газа на большие расстояния.
Аллотермические газогенераторы с внешним подводом энергии, необходимой для процесса нагревания топлива и газификации, в настоящее время находятся в стадии экспериментальных исследований. В аллотермических процессах газификации необходимая для газификации тепловая энергия получается не при окислении части топлива, а за счет преобразования других видов энергии в тепловую. Выделение тепла и газификация могут быть разделены. При этом тепло для процесса газификации подводится либо через теплопередающую стенку внутри единого газогенераторного объема либо при помощи автономно нагретого теплоносителя, который вводится в газифицируемую среду. Как автотермические, так и аллотер-мические процессы газификации могут протекать в плотном, взвешенном и «кипящем» слое, а также в аэрозольном потоке или ванне расплавленного шлака.
Химические реакции термохимической переработки твердого топлива в автотермических газогенераторах протекают с выделением и поглощением
тепловой энергии, МДж/кмоль.
С +О2 = СО2 + 407; (1)
С + 0,5О2 = СО + 123; (2)
С + Н2О = СО + Н2 - 118,7; (3)
С + 2 Н2О = СО2 + 2 Н2 - 75,5; (4)
С + СО2 = 2 СО - 161,5; (5)
СО + 0,5О2 = СО2 + 284; (6)
СО2 + Н2 = СО + Н2О - 43,6. (7)
Необходимая для проведения процессов газификации тепловая энергия получается за счет окисления части твердого топлива. Состав генераторного газа зависит от вида дутья: при использовании воздуха получают воздушный газ, содержащий до 34% диоксида углерода и более 65% азота, обогащение дутья кислородом повышает содержание диоксида углерода, при вдувании
водяного пара в генераторном газе появляется водород. Могут быть получены паровоздушный, парокислородный и водяной газы. Газификация может проводиться при атмосферном или повышенном давлении. При повышенном давлении протекают реакции образования метана
С + 2Н2=СН4 +74.5; (8)
СО + ЗН2 = СН4 + Н2О +206.4; (9)
2СО + 2Н2 = СН + СО2 + 248.3; (10)
СО2 + 4Н2 = СН + 2Н2О +161. (11)
Эффективность термохимической переработки твердого топлива в газообразное характеризуется коэффициентом газификации пг, который представляет собой долю теплоты сгорания газифицированного топлива, перешедшую в теплоту сгорания получаемого газа:
П = |-100,
где Qг - теплота сгорания газов, Qт - теплота сгорания твердого топлива.
Полная энергетическая эффективность газификации определяется термическим КПД установки пт, который учитывает затраты на получение пара, кислорода и электрической энергии для организации подачи твердого вида топлива и обеспечение работы тягодутьевых вентиляторов и другого вспомогательного оборудования.
П т =———100,
Qт + ^ех
где Qтех - расход подводимой энергии на технологию.
Однако эти показатели не учитывают эффективность генераторного газа в последующих переделах, при транспортировке и сжигании. Азот, диоксид углерода, водяной пар уменьшают теплоту сгорания генераторного газа и снижают потенциал его энергетического использования.
При газификации углерода кислородом воздуха теоретическое значение коэффициента газификации г|г = 70%, выход идеального воздушного газа при газификации 1 кг углерода составляет 5,38 м3/кг, газ содержит 34,7 % оксида углерода и 65,3 % азота. При кислородном дутье теоретически можно получить газ, состоящий только из оксида углерода. Коэффициент газификации при этом не повышается. При использовании для газификации кислорода для определения термического КПД установки г|т необходимо учитывать расход электроэнергии на получение кислорода. При удельном расходе электроэнергии на получение кислорода в воздухоразделительных установках 0,77 кВт-ч/м3 расход электроэнергии на получение кислорода для газификации 1 кг углерода по реакции (2) составит 0,537 кВт-ч/кг. Термический КПД установки г|т даже для идеального процесса составит 0,641.
В реальных процессах газификации состав воздушного генераторного газа отличается от идеального за счет содержания диоксида углерода и примесей. Из термодинамического анализа реакций газификации следует, что реакции (1, 2, 6), протекающие в газификаторе с выделением тепла, снижают энергетический потенциал продуктов газификации и КПД воздушной газификации, соответственно. При развитии эндотермических реакций (3, 4, 5) энергетический потенциал продуктов газификации повышается и при паровоздушном или парокислородном
дутье коэффициент газификации в идеальном процессе достигает 100%, в действительности показатели газификации значительно ниже вследствие необходимости нагрева компонентов до температуры начала интенсивной газификации и различных потерь. В идеальном паровоздушном процессе можно получить газ, содержащий 41% оксида углерода, 20,9% водорода и 38,1% азота. При парокислородном дутье теоретически может быть получен газ, содержащий 65,5% оксида углерода и 33,5% водорода. Идеальный водяной газ содержит 50% оксида углерода и 50% водорода, коэффициент газификации теоретически составляет 100%, однако необходимые для проведения процесса затраты тепловой энергии составляют более 9,85 МДж (2,736 кВт-ч) на 1 кг газифицируемого углерода.
Другим важным показателем получаемого генераторного газа является удельная объемная энергия, включающая в себя в общем случае теплоту сгорания газа и физическую теплоту, которая может быть использована при сжигании выходящего из газогенератора горячего газа. Этот параметр определяется составом генераторного газа и зависит от способа его получения. Даже в идеальных процессах теплота сгорания воздушного газа 4,37 МДж/м3, паровоздушного газа 7,4 МДж/м3. В реальных условиях теплота сгорания генераторных газов еще ниже. Это является ограничением для транспортировки генераторного газа на большие расстояния.
В промышленном масштабе широкое распространение получил способ газификации топлива под высоким давлением. Особенностью газификации под давлением является протекание наряду с реакциями газификации (1-7) реакций метанообразования (8-11), которые повышают содержание метана в генераторном газе до 15-20%, вследствие чего теплота сгорания генераторного газа заметно возрастает и достигает 17-17,5 МДж/м3. Одновременно удельная производительность генератора по газифицируемому топлива увеличивается до 1500-2000 кг/(м2-ч). Поскольку реакции метанообразования (8-11) протекают с выделением тепла и с уменьшением числа молей в системе, общий энергетический потенциал продуктов газификации снижается, коэффициент газификации не увеличивается, а уменьшается на 10-15%.
Для получения высококалорийного газа без затрат углерода газифицируемого топлива на подогрев газифицируемой смеси до высокой температуры используют аллотермические процессы. Тепловая энергия для процесса газификации может быть подведена разными методами, например за счет подогрева теплоносителя в атомном реакторе. Теплоносителем в процессе может служить гелий.
Возможна газификация топливной пыли с использованием низкотемпературной плазмы, которая позволяет получить из угля газ с высоким содержанием оксида углерода и водорода и малым содержанием диоксида углерода, метана и азота. В низкотемпературной электрической плазме газификация происходит при температуре 3000-3 5 00°С. При этом исключается влияние источника тепла на состав получаемого газа, значительно возрастает интенсивность процесса. Водяной пар в этом процессе используется в качестве плазмообразующего газа, что исключает забалластирование конечного газа инертным азотом.
При газификации в кипящем слое парокислородным процессом получают газ с удельной теплотой сгорания 9820 кДж/м3, содержащий 38% оксида углерода, 40% водорода и 2% метана, при газификации в аэрозольном потоке
парокислородным процессом получают газ с удельной теплотой сгорания 10450 кДж/м3, содержащий 56% оксида углерода, 30% водорода и 1% метана. При газификации с использованием атомных реакторов можно получить газ с удельной теплотой сгорания 18700 кДж/м3, содержащий 4% оксида углерода, 63% водорода и 32% метана. При газификации пылевидного топлива в плазме получают газ с удельной теплотой сгорания 7200 кДж/м3, содержащий 1,5% оксида углерода, 64,6% водорода.
Из сравнения состава газов, полученных в автотермических и аллотер-мических процессах, видно, что парокислородный процесс позволяет получить высококалорийный генераторный газ с меньшим содержанием негорючих примесей по сравнению с воздушным и паровоздушным газами. Аллотермические технологии также позволяют получить высококалорийный генераторный газ.
На металлургических процессах плавки в жидкой ванне основана автотерми-ческая технология газификации твердого топлива в шлаковом расплаве в барбо-тажных агрегатах (печь Ванюкова) и процесс «РОМЕЛТ». При экспериментальных исследованиях на опытно-промышленной установке «РОМЕЛТ» получен газ с теплотой сгорания - 10900 кДж/нм3, содержащий 77% оксида углерода СО; 14% водорода Н2; 2,4% водяного пара Н2О; 4% диоксида углерода С02 и 2,6% азота N2 [4].
Технология газификации угля в шлаковом расплаве с кислородным дутьем позволяет использовать любые низкосортные угли, дает возможность полезного использования минеральной части топлива с восстановлением и выводом из расплава черных и цветных металлов и получением строительных материалов из шлака, позволяет связывать шлаком до 90% серы топлива.
Недостатками технологии на основе плавки в жидкой ванне являются: 1) необходимость применения кислорода, получаемого из атмосферного воздуха с большими энергетическими затратами, термический КПД установки пт не превышает 0,64; 2) ограниченность устойчивых технологических режимов автотермического процесса; 3) сложность запуска установки; 4) сложность управления процессом газификации при изменении свойств сырья.
Сохранить преимущества газификации в шлаковом расплаве и избавиться от недостатков автотермического процесса плавки в жидкой ванне позволяют электротермические технологии переработки твердого топлива в газообразное, при которых для эндотермических процессов пиролиза и газификации используется тепловая энергия, полученная при преобразовании энергии электромагнитного поля. Электротермических газификаторов твердого топлива в настоящее время не существует, однако в металлургических углевосстановительных технологиях производства чугуна и ферросплавов в рудовосстановительных электропечах фактически происходит газификация углерода, поскольку оксиды восстанавливаемых элементов отдают кислород углеродистому восстановителю с образованием оксида углерода [3]:
Fem0n + nC = mFe + nCO, (12)
SÍO2+2C = Si + 2C0. (13)
Эндотермические реакции восстановления протекают за счет тепловой энергии, полученной при преобразовании электрической энергии, энергетический потенциал твердого углеродистого восстановителя переходит в энер-
гетический потенциал отходящих газов. При использовании электронагрева на основе восстановительных реакций (12) и (13) имеется принципиальная возможность создания газогенераторов на основе не окислительных, а восстановительных реакций, что позволит производить генераторный газ с высокими энергетическими параметрами при использовании любого углеродосодержащего сырья, снизить содержание оксидов азота и серы в генераторном газе, связать в шлаковом расплаве тяжелые металлы.
При поступлении рабочей массы топлива в электрошлаковый газификатор происходят нагрев материалов, испарение влаги и выделение летучих вещества из органической массы твердого топлива. Высокая температура и наличие водяных паров в реакционной зоне способствуют газификации углерода, входящего в состав горючей массы, с образованием смеси оксида углерода и водорода. Входящие в состав золы оксиды железа и кремния восстанавливаются углеродом по реакциям (12, 13). В отличие от автотермических газификаторов тепловая энергия для проведения процессов газификации получается не за счет окисления части топлива, а за счет преобразования электроэнергии в тепловую [5-7].
При газификации твердого топлива в газогенераторах происходят процессы удаления влаги, пирогенетического разложения топлива с выходом пиролизного газа и смолистых веществ и образованием твердого остатка, состоящего из полукокса и золы. При взаимодействии углерода твердого остатка с кислородом и водяным паром образуются водород, оксид и диоксид углерода. В общем случае из газогенератора выходит смесь оксида углерода, диоксида углерода, водорода, водяного пара, а также входящих в состав пиролизного газа углеводородов (метана, этилена, пропилена) и других компонентов. В электротермической установке газификация происходит при температуре (1000-1500 К). При такой температуре и атмосферном давлении из всех компонентов пиролизного газа наиболее устойчивым является метан, остальные распадаются на водород, оксид углерода и диоксид углерода. Анализ зависимостей констант равновесия реакций взаимодействия кислорода с твердым углеродом показал, что при температурах 1000-1500 К равновесие в реакциях (1) и (2) сильно смещено в сторону образования оксида и диоксида углерода и равновесное давление кислорода очень мало. В связи с этим основными составляющими полученного при электротермической газификации генераторного газа будут оксид и диоксид углерода, водород, водяной пар и метан.
Значения равновесного парциального давления оксида углерода, диоксида углерода, водорода, водяного пара и метана в присутствии твердого углерода могут быть определены решением системы уравнений, полученных из констант равновесия реакций (7), (4), (3) и (8), а также условия равенства суммы парциальных давлений компонентов смеси общему давлению p0:
pco.Рн2о „ _ Рсо2 Рн2 pco^2 „ 1уснл
K\ _ , K 2 _ 2 , Kз _ , K4 _ 2 ,
pCO1 ^2 p н20 ^20 p^Aг
РC0 + pco2 + ]^н2 + pн2o + pcн4 _ ^.
Математическое моделирование равновесного состояния смеси оксида углерода, диоксида углерода, водорода, водяного пара и метана в присутствии твердого углерода при различных температурах показало, что равновесный состав генераторного газа зависит от температуры газификации и отношения
содержания в исходных компонентах водорода и углерода Н/С. При низких температурах (до 800 К) равновесное содержание оксида углерода и водорода незначительно, газ практически состоит из водяных паров и диоксида углерода. При температуре 800-1100 К резко возрастает содержание водорода и оксида углерода и снижается содержание водяного пара и диоксида углерода (рис. 1). При температуре выше 1100 К генераторный газ практически состоит их водорода и оксида углерода. При более высокой температуре равновесный состав генераторного газа почти не меняется, равновесное содержание водяного пара и диоксида углерода очень незначительно. На соотношение водорода и оксида углерода существенно влияет отношение содержания в исходных компонентах водорода и углерода Н/С. Весь углерод поступает из газифицируемого сырья, водород может поступать как из горючей массы сырья, так и из водяного пара, который образуется из влаги сырья и может подаваться дополнительно. Когда отношение Н/С мало, при высокой температуре равновесное содержание оксида углерода значительно выше содержания водорода, при возрастании отношения Н/С равновесное содержание водорода возрастает, содержание оксида углерода снижается, низшая теплота сгорания генераторного газа, несколько уменьшается.
а
б
Рис. 1. Зависимость равновесного состава генераторного газа от температуры газификации (% объемные) без использования (а) и при полном использовании (б) влаги бурого угля
Расчеты равновесия в системе, содержащей оксид и диоксид углерода, водород и водяной пар, показали, что при изменении температуры от 300 К до 1300 К
состав смеси по реакции водяного газа (7) меняется незначительно, следовательно при охлаждении генераторного газа его состав существенно не изменится.
Энергетический баланс процесса ЭШГ зависит от состава электрических и тепловых характеристик установки и ее режимов, состава газифицируемого топлива и шлакообразующих, подаваемых в рабочее пространство
Оценочные расчеты энергетического баланса электрошлаковой газификации были произведены для канско-ачинского бурого угля Назаровского месторождения. Рабочая масса топлива (%): влага Wr = 39; зола Ar = 7,3; сера Sop + Sk = 0,4; углерод Cr = 37,6; водород Hr = 2,6; азот Nr = 0,6; кислород Or = 12,7. Низшая теплота сгорания угля Qnp = 13020 кДж/кг.
Расчеты показали, что если газификация всего углерода коксового остатка водяным паром происходит по эндотермической реакции (4) только за счет электроэнергии, энергетические затраты на газификацию 1 т бурого угля без учета тепловых и электрических потерь составляют 4600 МДж, с учетом тепловых и электрических потерь - 5580 МДж.
Энергетический потенциал продуктов переработки 1 т составляет 16280 МДж. Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам энергии составляет 16280/4600=3,53. Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к затратам энергии с учетом тепловых и электрических потерь 16280/5580=2,92.
Расход электроэнергии может быть существенно снижен, если часть углерода будет газифицироваться кислородом по экзотермической реакции (2). Выделение тепла при этом может частично или полностью скомпенсировать затраты энергии на реакцию (4). Если на 1 моль углерода, реагирующего по реакции (2), одновременно прореагирует 1,035 моля углерода по реакции (4), то суммарный тепловой эффект реакций (2) и (4) будет равен нулю. При этом электроэнергия будет расходоваться только на испарение влаги, нагрев и пиролиз компонентов шихты, в этом случае энергетические затраты на газификацию 1 т бурого угля без учета тепловых и электрических потерь составят 1783 МДж=495 кВт-ч.
Энергетический потенциал продуктов переработки 1 тонны при таком режиме составит 14510 МДж = 4030 кВт-ч. Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам энергии составляет 14510/1783 = 8,14. С учетом расхода электроэнергии на получение кислорода в воздухоразделительных установках 76 кВт-ч = 274 МДж необходимые затраты электроэнергии составят 571 кВт-ч = 2036 МДж. Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам электроэнергии с учетом затрат на получение кислорода составят 14510/2056 = 7,06.
При газификации всего углерода коксового остатка кислородом по реакции (2) выделение тепловой энергии составит 2850 МДж = 791 кВт-ч, что превышает расход энергии на испарение влаги, нагрев и пиролиз компонентов шихты. Энергетический потенциал продуктов переработки 1 т при таком режиме составит 11660 МДж = 3230 кВт-ч. Следовательно, при работе в этом режиме электроэнергия будет расходоваться только на компенсацию тепло-
вых потерь установки и получение кислорода. Расход электроэнергии на получение кислорода не более 150 кВт-ч = 540 МДж. Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам электроэнергии с учетом затрат на получение кислорода составит 11660/540 = 21,6,
Энерготехнологический комплекс газификации твердого топлива, производства ферросплавов и переработки шлака на основе шлаковосстановительных реакций имеет аналог в виде закрытых рудовосстановительных электропечей для производства чугуна и ферросплавов. Электрошлаковая технология газификации обладает существенными преимуществами перед авто-термическими технологиями газификации в жидкой ванне: 1) повышенные по сравнению с автотермической плавкой устойчивость и управляемость процесса; 2) легкость пуска и остановки; 3) широкий диапазон устойчивых режимов работы при любых свойствах сырья; 4) возможность использования установок электрошлаковой газификации для суточного и сезонного регулирования потребления электрической энергии.
Дополнительным продуктом производства является металлический сплав, повышающий энергетическую и экономическую эффективность технологии и являющийся важным продуктом для металлургического и химического производства, расширения возможностей утилизации и переработки шлака в товарную продукцию.
Рис. 2. Схема комплексной переработки низкосортного твердого топлива
В энерготехнологических комплексах следует рассматривать отходящие газы как химический полупродукт. При сжигании реакционного газа образуются углекислый газ и водяные пары. Углекислый газ может извлекаться из продуктов сгорания и использоваться для получения товарной углекислоты. Для производства товарной углекислоты в промышленных установках сжигается природный газ, при этом содержание углекислого газа в продуктах полного сгорания природного газа не превышает 11%. В продуктах сгорания оксида углерода содержится 34,7% углекислого газа, в продуктах сгорания реакционного газа восстановительных процессов углекислый газ может составить 24%, что облегчает получение товарной углекислоты из продуктов сгорания. В энерготехнологическом комплексе можно соединить в единый технологический цикл производство электрической, тепловой энергии, чугу-
на или ферросплавов и товарной углекислоты, при этом можно существенно сократить выбросы углекислого газа в атмосферу и повысить эффективность производства.
Углекислый газ может быть использован в промышленности в качестве защитного при электродуговой сварке, для наполнения баллонов огнетушителей; в литейных производствах в качестве отвердителя для литейных форм и стержней; в контурных схемах энергетических установок в качестве тепло- и энергоносителя. В пищевой промышленности углекислый газ может успешно применяться для длительного хранения овощной, плодово-ягодной продукции, силоса, а также мяса, рыбы, яиц и других пищевых продуктов. Углекислый газ используется для получения экстрактов из растительного и животного сырья. Простое, быстрое, безопасное замораживание при использовании жидкой углекислоты с охлаждением до -100°С может применяться в промышленности, медицине, при работах в аварийных условиях или установке оборудования.
Таким образом, имеется возможность увеличить глубину переработки топлива путем создания энерготехнологических комплексов. В энерготехнологическом комплексе есть основная функция, по производительности и другим параметрам которой подбираются оборудование и вспомогательные функции, нацеленные на получение дополнительных видов продукции. Это должно обеспечить глубокую переработку исходного сырья на основе использования полупродуктов основного технологического процесса и получения дополнительных продуктов. Оптимальными являются технологии, которые обеспечивают полное использование всех энергетических и материальных ресурсов.
Выводы. Среди множества технологий газификации твердого топлива в настоящее время преобладают автотермические технологии, у которых коэффициенты газификации промышленных установок существенно ниже теоретически возможных.
Аллотермические технологии газификации твердого топлива позволяют получить при высоком качестве синтез-газа коэффициенты газификации не ниже, чем аналогичные показатели при автотермических технологиях.
Технология газификации угля в шлаковом расплаве с кислородным дутьем позволяет полезно использовать минеральную часть топлива с восстановлением и выводом из расплава черных и цветных металлов и снизить вредные выбросы.
Электрохимическая технология газификации в электротермической установке при сохранении всех положительных особенностей автотермической газификации в шлаковом расплаве обладает дополнительными преимуществами вследствие повышения устойчивости и управляемости процесса при любом виде сырья, расширения диапазона регулирования производительности, легкости пуска и остановки, возможности использования дешевой электрической энергии ночных минимумов и работы в качестве потребителя-регулятора.
Литература
1. Бекаев Л. С. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию / Л. С. Бекаев, О.В. Марченко, С.П. Пинегин и др. Новосибирск: Наука, 2000. 300 с.
2. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки / И.И Перелетов, Л.А. Бровкин, И.Ю. Розенгарт и др.; под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.
3. Гасик М.И. Теория и технология производства ферросплавов / М.И. Гасик Н.П. Лякишев, Б.И. Емлин. М.: Металлургия, 1988. 784 с.
4. Материалы Всероссийского научно-технического семинара «Новые технологии сжигания твердого топлива: их текущее состояние и использование в будущем» Доклад об опытно-промышленной установке мощностью 200 МВт для газификации и сжигания твердого топлива в шлаковом расплаве представлен группой специалистов из ОАО «НИИЭПЭ», ОАО «Ростовэнерго», НПО «Алгон», института «Гин-цветмет», ТКЗ «Красный котельщик», ЮгОРГРЭС, РоТЭП, Несветай ГРЭС.
5. Пат. 2117217 Российская Федерация, МПК7 С 10 47/16. Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов / Ковалев В.Г., Лоскутов В.И., Петелин Ю.Ю. и др.; заявитель и патентообладатель Чувашский гос. ун-т. № 96110932; заявл. 30.05.1996; опубл. 10.08.1998. Бюл. № 2.
6. Тарасов В.А. Возможности повышения энергоэффективности рудовосстановительных процессов за счет использования энергетического потенциала шихтовых материалов / В.А. Тарасов // Вестник Чувашского университета. 2006. № 2. С. 278-284.
7. Тарасов В.А. Газификация твердых видов топлива с применением электронагрева / В.А. Тарасов, В.Г. Ковалев, В.И. Лоскутов//Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 170-178.
АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, проректор по научно-инновационной работе, заведующий кафедрой теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
AFANASYEV VLADIMIR VASILYEVICH - doctor of technical sciences, professor, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой энергоэффективности и технологий энергоресурсосбережения, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
KOVALEV VLADIMIR GENNAGEVICH - candidate of technical sciences, associate professor, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
TARASOV VLADIMIR ALEXANDROVICH - candidate of technical sciences, associate professor, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.372.54
Д.С. ВАСИЛЬЕВ, АО. ПАВЛОВ
ПОВЕДЕНИЕ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ ПРИ ЗАМЫКАНИЯХ ЗА ТРАНСФОРМАТОРАМИ Y0 / А - 11 И Y0 / Y - 12
Ключевые слова: дальнее резервирование, ответвительная подстанция, силовой трансформатор.
Рассмотрено влияние трансформаторов с соединением обмоток Yo/ А— 11 и Yo/ Y — 12 на работу дистанционных органов междуфазного и фазного типа.
D.S. VASILYEV, A.O. PAVLOV OPERATION OF DISTANCE PROTECTION IN CASE OF FAULTS ON THE SIDE OF THE LOWER VOLTAGE OF TRANSFORMERS WITH WINDING CONNECTION Y0 / А - 11 AND Y0 / Y - 12 Key words: long-range redundancy, branch substation, power transformer.
The report describes the effect of transformers with winding connection Yo / А— 11 and Yo / Y — 12 on operation of distance phase and phase-to-phase relays.
Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган. Дистанционные органы по типу подводимых величин можно разделить на две группы: междуфазные и фазные.
Как известно, междуфазные замеры сопротивления bc, ab, ca и фазные a, b и c имеют, соответственно, вид:
Ub -Uc _ Ua - U, Uc - Ua
Zbc=J~-T ’ -аЬ=1~-Г ’ ~ca='i -1
Lb Lc La Lb La Lc
