CC BY
206
УДК 621.365
В.А. ТАРАСОВ, В.Г. КОВАЛЕВ, В.И. ЛОСКУТОВ
ГАЗИФИКАЦИЯ НИЗКОСОРТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА
Общее увеличение энергопотребления, дефицит и рост стоимости природного газа, топочного мазута в последние годы повышает актуальность разработки новых, энергетически и экологически эффективных технологий переработки твердых углеродосодержащих видов топлив. Применение низких сортов твердого топлива затруднено из-за высокого содержания в нем влаги и негорючих примесей, низкой теплоты сгорания. Их использование в энергетических комплексах имеет не только низкую энергетическую эффективность, но и ряд недостатков, наносящих ощутимый вред окружающей среде в виде выбросов в атмосферу дымовых газов и твердых частиц золы, загрязнения шлаковыми отвалами [5]. Твердые виды топлива принципиально не могут быть использованы в наиболее современных технологиях энергетической генерации (ГТУ, ПГУ, ГПУ) без из перевода в газообразное или жидкое состояние.
За рубежом и в России ведутся исследования и освоение новых технологий газификации угля, торфа и сланцев. Современные технологии газификации основаны на ряде химических реакций, протекающих при высокой температуре, поддерживаемой за счет окисления части топлива кислородом. Основными недостатками таких технологий является сравнительно низкая энергетическая эффективность генераторного газа из-за содержания в нем азота, диоксида углерода при паро-воздушном дутье, что является ограничением для транспортировки генераторного газа на большие расстояния.
За рубежом в 1990-е годы получила развитие внутрицикловая газификация для производства электроэнергии, с использованием бинарного цикла, при котором генераторный газ утилизируется в газовой турбине, а продукты сгорания используются при генерации пара для паровой турбины. Первая коммерческая электростанция с внутрицикловой газификацией (Cool Water, США, шт. Калифорния) мощностью 100 МВт (60 т/ч по углю) была построена в 1983 г. Использовался газогенератор Texaco с подачей топлива в виде водоугольной суспензии. После 1993 г. в разных странах было введено в эксплуатацию 18 электростанций с внутрицикловой газификацией твердого топлива мощностью от 60 до 300 МВт [5].
ТЭС с внутрицикловой газификацией благодаря предварительной очистке газа сокращают выбросы оксидов серы, азота и твердых частиц. Использование бинарного цикла позволяет существенно увеличить КПД электростанции и, следовательно, сократить удельный расход топлива.
В Московском институте стали и сплавов (МИСиС) разработана технология газификации угля в шлаковом расплаве, основанная на металлургических процессах «плавка в печи Ванюкова» и «процесс РОМЕЛТ» [5]. «Плавка в печи Ванюкова» была реализована на первой промышленной установке на Норильском ГМК в 1977 г., «процесс РОМЕЛТ» - на опытно-промышленной ус-
тановке на Новолипецком металлургическом комбинате в 1984 г. В «процессе РОМЕЛТ» осуществляли газификацию энергетических углей в количестве 1218 т/ч. Экспериментальные исследования [5] на опытно-промышленной установке РОМЕЛТ тепловой мощностью 120 МВт на Новолипецком металлургическом комбинате показали высокую эффективность газификации различных углей, в том числе анжерского ОС, кузнецкого Т и ТМ, донецкого АШ. Продукты газификации содержат: 77% сО; 14% Н2; 2,4% Н2О; 4% С02 и 2,6% N2. Теплота сгорания - 10,9 МДж/нм3.
Технология газификации угля в шлаковом расплаве, барботируемом кислородным дутьем, имеет следующие основные преимущества:
1) возможность использования любых низкосортных и непроектных углей независимо от их марки и качества;
2) возможность полезного использования минеральной части топлива с восстановлением и выводом из расплава черных и цветных металлов;
3) высокая экологическая чистота процессов (выбросы в атмосферу твердых частиц - не более 50 мкг/ м3, оксидов азота - не более 100 мг/ м3, снижение на 30% выбросов S02 и на 10% - выбросов С02;
4) возможность регулирования - за счет изменения количества подаваемого в расплав известняка - перехода сернистых соединений в газообразную (дымовые газы) или жидкую (шлак) фазы и связывания шлаком до 90% серы топлива;
5) отсутствие громоздких систем топливоприготовления, пылеподачи и золоочистки, отсутствие золоотвала.
Проведенные крупномасштабные эксперименты показали, что технологии газификации и сжигания угля в шлаковом расплаве имеют определенную перспективу. Отработка технологии и технических решений предполагалась при внедрении промышленной установки на Несветай ГРЭС, спроектированной по наиболее простой схеме, в которой генераторный газ из камеры-газификатора, работающей при атмосферном давлении, направляется для сжигания в топку котла, примыкающую непосредственно к выходному сечению камеры-газификатора. Энергетическая эффективность такого варианта использования генераторного газа определяется параметрами пара и тепловой схемой паросилового цикла.
Тепловая эффективность использования угля при данной технологии газификации резко повышается в случае применения ее в тепловых схемах и термодинамических циклах повышенной экономичности, например при сверхкритиче-ских параметрах пара котла, в ПГУ с внутрицикловой газификацией, при впрыске пара в ГТУ, использовании термоэмиссионной надстройки и т.д.
Недостатками технологии на основе «плавки Ванюкова» является:
1) необходимость в технологии кислорода, получаемого из атмосферного воздуха с большими энергетическими затратами;
2) ограниченность технологических режимов автогенераторного процесса;
3) сложность пуска и остановки установки.
По мнению авторов, сохранить преимущества газификации в шлаковом расплаве и уйти от недостатков автогенного процесса «плавки Ванюкова» позволяют электротермические технологии, используемые в металлургии [1, 3,
4] и в переработке твердых отходов [2, 6]. При металлургических рудовосстановительных технологиях производства чугуна и ферросплавов в электропечах с единичной мощностью до 80 МВА оксиды восстанавливаемых элементов отдают кислород углеродистому восстановителю, при этом фактически происходит газификация углерода с образованием оксида углерода, химическая энергия отходящих газов составляет до 60% от электрической энергии, вводимой в реакционную зону [7]:
2Ре20з + 6С = 2Бе + 6СО (1)
Й02+2С = 81 + 2С0. (2)
В шлаковом расплаве возможно восстановление оксидов металлов углеродом карбида железа.
2БезС + 8102 = Бе81 +5Бе + 2С0. (3)
Химические реакции термохимической переработки твердого топлива в автотермических газогенераторах протекают с выделением и поглощениям тепла (МДж/кмоль) по следующим основным реакциям:
С +О2 = СО2 + 407; (4)
С + 0,5О2 = СО + 123; (5)
С + Н2О = СО + Н2 -118,7; (6)
С + 2Н2О = СО2 + 2 Н2 - 75,5; (7)
С + СО2 = 2 СО - 161,5; (8)
СО + 0,5О2 = СО2 + 284; (9)
СО + Н2О = СО2 + Н2 +43,6. (10)
Необходимая для проведения процессов газификации тепловая энергия получается за счет окисления части твердого топлива.
При использовании электронагрева на основе восстановительных реакций (1) и (2) имеется принципиальная возможность создания газогенераторов на основе не окислительных, а восстановительных реакций, что позволит решить ряд проблем: производить генераторный газ с высокими энергетическими параметрами при использовании любого углеродосодержащего сырья, снизить содержание N и 802 в генераторном газе, связать в шлаковом расплаве тяжелые металлы.
Такая технология потребует внешнего подвода электрической энергии. Но, во-первых, возможно использовать электрошлаковую газификацию (ЭШГ) как способ регулирования максимумов электрической нагрузки, загружая электрошлаковые газификаторы максимально в ночное время и запасая генераторный газ в газгольдерах. Во-вторых, такая технология позволяет в одном процессе совместить металлургическую и энергетическую технологии с двумя продуктами (генераторным газом и ферросплавом) и снизить суммарные энергетические затраты по сравнению с раздельными технологиями металлургического восстановления оксидов и газификации. В-третьих, переработка твердого топлива в газообразное позволяет использовать эффективные парогазовые циклы для генерации электрической энергии.
Термохимическая переработка твердого топлива в газообразное характеризуется коэффициентом газификации, который представляет собой долю теплоты сгорания газифицированного топлива, перешедшую в теплоту сгорания получаемого газа:
Пг=(Єг/ Єт)і00; (11)
где Qг - теплота сгорания газов; Qт - теплота сгорания твердого топлива.
Коэффициент газификации пг зависит как от вида топлива, так и от организации процесса (пиролиз, газификация, вид дутья, температура и др.). Но коэффициент газификации пг не полностью отражает энергетическую эффективность процесса, так как не учитывает энергетические затраты на технологию в целом. Полная энергетическая эффективность газификации определяется термическим КПД установки, затратами на получение пара, кислорода и электрической энергии для организации подачи твердого вида топлива и обеспечение работы тягодутьевых вентиляторов и другого вспомогательного оборудования:
Пг = Шг/ (Шт +QTех)100, (12)
где Штех - расход подводимой энергии на технологию.
Однако и этот показатель не дает полного представления об эффективности технологического процесса, так как не отражает эффективности генераторного газа в последующих переделах, транспортировки и сжигании. Так, балластный азот будет снижать потенциал последующего энергетического использования генераторного газа.
Другим важным показателем получаемого генераторного газа является удельная объемная энергия (МДж/м3). Этот параметр определяется составом генераторного газа и зависит от способа его получения. Так, воздушное дутье при газификации углерода позволяет получить пг = 70%, но генераторный газ на две трети будет состоять из балластного для энергетических реакций азота. Это приводит к снижению термического КПД энергетических установок, работающих на генераторном газе, увеличению потерь с отходящими газами, и снижает эффективность транспортировки получаемого газа.
С точки зрения получения генераторного газа с наилучшими энергетическими характеристиками эффективно применение парокислородного дутья. Однако для получения кислорода используются энергоемкие технологии, что снижает общий коэффициент преобразования энергии.
Следует отметить, что по сравнению с классической схемой газификации за счет энергии окислительных реакций у электрошлаковой газификации энергетическая эффективность выше, так как КПД установки определяется отношением суммы энергии генераторного газа и ферросплава к энергии, запасенной в газифицируемом топливе.
Технология пиролиза твердого топлива и электрошлаковой восстановительной газификации была опробована на лабораторных и опытно-промышленных установках, принципиальная возможность ее реализации подтверждена результатами ряда экспериментальных плавок. Энерготехнологический комплекс газификации твердого топлива при восстановительных процессах и переработке сырья на основе шлако-восстановительных реакций имеет промышленный аналог в виде рудовосстановительных электропечей печей для производства чугуна и ферросплавов.
При поступлении рабочей массы газифицируемого топлива в электро-шлаковый газификатор происходят нагрев материалов, испарение влаги и выделение летучих вещества органической массы твердого топлива. Высокая
температура и наличие углерода в реакционной зоне способствуют образованию смеси водорода и окиси углерода, и в зависимости от влажности топлива WР часть углерода твердой горючей массы газифицируется по реакции (3), а при нагреве до 900о С газификация заканчивается.
В расчете материального и энергетического балансов приняты параметры Канско-Ачинского бурого угля Назаровского месторождения.
Рабочая масса топлива (%):
Wr = 39; Ar = 7,3; Sop + Sk = 0,4; Cr = 37,6; Hr = 2,6; Nr = 0,6; 0r = 12,7.
Низшая теплота сгорания угля: Qnp = 13,02 МДж/кг, или Qnp = 3115 ккал/кг.
Выход летучих (%): Vdaf = 48.
Состав золы (%): Si02=30,5 %; Fe203=19%; Ca0=35%; Mg0=4%
Материальный баланс на 1 т угля: сухая масса 610 кг, горючая масса 537 кг, зола 73 кг.
Выход летучих при пиролизе 258 кг (48% от горючей массы), из них пиролизный газ 176,5 кг, смолистые вещества 40,75 кг, пирогенетическая влага 39,75 кг.
Твердый остаток горючей массы после пиролиза 279 кг, масса полукокса после пиролиза (сумма масс твердого остатка и золы) 352 кг.
Содержание оксидов железа в золе 14 кг, из них можно восстановить 8,5 кг железа, для восстановления потребуется 3 кг углерода.
Энергетический баланс на 1 т бурого угля
Расход энергии
1. Испарение влаги 271 кВт-ч.
2. Нагрев сухой массы до температуры начала пиролиза 800оС 146,4 кВт-ч.
3. Нагрев полукокса от 800оС до 1500 оС 74 кВт-ч.
4. Плавление золы при удельной теплоте плавления 4,23 кВт-ч.
5. Газификация углеродом и водяным паром твердого остатка горючей массы при удельных затратах энергии 2,75 кВт-ч/кг при допущении, что твердый остаток состоит только из углерода 767,25 кВт-ч.
6. Восстановление железа при удельных затратах энергии 7,27 МДж на 1 кг восстановленного железа 17,16 кВт-ч.
Общий расход энергии без учета тепловых и электрических потерь 1280 кВт-ч.
С учетом тепловых и электрических потерь расход энергии составит 1550 кВт-ч.
Энергетический потенциал продуктов пиролиза и газификации
1. Пиролизный газ массой 176,4 кг и объемом 405 нм3 при удельной теплоте сгорания Qp 12,54 МДж/м3 при сжигании позволит получить 1411 кВт-ч тепловой энергии.
2. Объем оксида углерода, который может быть получен при полной газификации 279 кг углерода водяным паром, составит 521 нм3. Удельная теплота сгорания оксида углерода Qj,=12,6 МДж/м3.
При сжигании оксида углерода можно получить 1823 кВт-ч тепловой энергии.
3. Объем водорода, который может быть получен при полной газификации 279 кг углерода водяным паром, составит 521 нм3. Удельная теплота сгорания водорода Qj,=10,78 МДж/м3.
При сжигании водорода можно получить 1560 кВт-ч тепловой энергии.
Поскольку при газификации углерода водяным паром параллельно протекают реакции (6) и (7) с образованием оксида углерода и диоксида углерода, выход горючих газов снижается на 10...15%. С учетом этого энергетический потенциал продуктов газификации углерода составит 2876 кВт-ч.
Суммарный энергетический потенциал продуктов пиролиза и газификации без учета смолистых веществ может составить 4287 кВт-ч.
4. Смола массой 40,75 кг при удельной теплоте сгорания Qv =20,9 МДж/кг имеет энергетический потенциал 236 кВт-ч.
Суммарный энергетический потенциал продуктов пиролиза и газификации с учетом смолы может составить 4523 кВт-ч.
Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам энергии
4523/1280=3,53.
Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к затратам энергии с учетом тепловых и электрических потерь
4523/1550=2,918.
Энергетические затраты на газификацию 1 т бурого угля без учета тепловых и электрических потерь и затрат энергии на восстановление оксидов составляют 1268 кВт-ч.
Для газификации 279 кг угля по реакции (6) необходимо 418 кг водяного пара, суммарное содержание воды в 1 т бурого угля 430 кг. Таким образом, в электротермической установке возможно провести полную газификацию бурого угля с получением газа, близкого по составу к генераторному газу парокислородной газификации, без использования подаваемых извне кислорода и водяного пара.
Если водяные пары, выделяющиеся при нагреве бурого угля до температуры 100-110оС, не используются при газификации углерода и уходят с пиролизными и реакционными газами, как при обычной восстановительной плавке в рудовосстановительных печах, то без подачи в установку водяного пара для газификации может быть использована только пирогенетическая влага, которая выделяется при температуре 800...900оС.
Пирогенетическая влага газифицирует 26 кг углерода из твердого остатка, 253 кг углерода может быть израсходовано на восстановление оксидов железа из золы и дополнительной руды, как при плавке в рудовосстановительной печи. Чугуна может быть получено 717 кг, оксида углерода образуется 287 м3. На восстановление 717 кг железа потребуется дополнительно 1362 кВт-ч энергии, затраты на газификацию при этом уменьшатся на 696 кВт-ч. С учетом прихода энергии за счет реакций шлакообразования общий расход энергии на 1 т бурого угля составит 1883 кВт-ч. Энергетический потенциал продуктов газификации составит 268 кВт-ч, потенциал оксида углерода, выделившегося при восстановлении оксидов железа, составит 1004 кВт-ч. Общий энергетический потенциал продуктов восстановительной плавки без учета смолы составит 2684 кВт-ч, с учетом смолы - 2920 кВт-ч.
Отношение энергетического потенциала продуктов переработки к необходимым затратам энергии 2920/1883=1,55.
Остаточный углерод и оксиды зольной составляющей Ар, попадая в расплав жидкого шлака, обеспечивают протекание шлако-восстановительного процесса. Энергетический баланс процесса электрошлаковой газификации зависит от электрических и тепловых характеристик установки и ее режимов, состава газифицируемого топлива и шлакообразующих, подаваемых в рабочее пространство. При недостаточном количестве Бе203 в зольном остатке газифицируемого топлива в качестве флюсовых добавок можно использовать железную руду или окатыши.
Восстановительные процессы в шлаковом расплаве протекают с высокой интенсивностью и приводят к переходу железа и кремния в сплав, при этом изменяется химический состав шлакового (зольного) расплава с приближением его к составам обожженных мергельных структур. Добавлением к твердому газифицируемому топливу флюсовых добавок на основе известняка можно добиться получения шлака, схожего по свойствам с вяжущими строительными материалами (цементами). Это повышает экологическую чистоту технологии газификации за счет связывания серы в сульфид кальция, позволяет перевести шлаковые материалы энергетической технологии в товарную продукцию.
С учетом запасенной тепловой энергии газифицируемой летучей и твердой части топлива в генераторном газе электрошлакового газификатора запасается энергии больше, чем расходуется электрической энергии на организацию процесса в 2-3 раза с учетом тепловых потерь.
Электрошлаковая технология газификации обладает рядом преимуществ:
1) высокой теплотворной способностью генераторного газа и увеличением зоны эффективной транспортировки;
2) возможностью использовать генераторный газ в парогазовом цикле с увеличением КПД электрической генерации на 20-25 %;
3) повышенной по сравнению с автогенной плавкой в шлаковом расплаве управляемостью процесса, пуска и остановки, расширением диапазона регулирования;
4) использованием получаемого ферросплава как полупродукта для дальнейших металлургических переделов;
5) расширением возможностей утилизации и переработки шлака в товарную продукцию;
6) использованием в энергетике для суточного и сезонного регулирования потребления электрической энергии.
В работе показаны преимущества технологии электрошлаковой газификации углей, в которой с целью повышения удельной теплотворной способности генераторного газа твердая часть топлива газифицируется с использованием шлако-восстановительного процесса.
Технология позволяет использовать дешевую электрическую энергию ночных минимумов, снижать с кратностью 1/(5-7) подводимую к установке электрошлаковой газификации активную мощность без критических нарушений режимов.
Получаемый газ с теплотворной способностью до 10-12 МДж/нм3 может использоваться для транспортировки с высокой эффективностью, по сравнению с
традиционными технологиями паровоздушной газификации, когда в генераторном газе содержится азота до 50% (теплотворная способность до 6000 кДж/нм3).
Включение технологии электрошлаковой газификации в начало парогазового цикла может повысить эффективность переработки углей в электрическую энергию с КПД до 60%, что дает принципиальную возможность получать дополнительную электрическую энергию собственно на организацию технологического процесса.
Дополнительным продуктом производства является ферросплав, повышающий энергетическую и экономическую эффективность технологии и являющийся важным продуктом для металлургического и химического производства.
Перспективным видится создание промышленных установок для переработки бурых углей Канско-Ачинского бассейна и в первую очередь Назаров-ского разреза, зольная составляющая углей которого содержит до 19% Бе203, торфа, а также для использования сортированных углеродосодержащих отходов других производств (лигнин и др.).
Литература
1. Гасик М.И. Теория и технология производства ферросплавов / М.И. Гасик, Н.П. Ляки-шев, Б.И. Емлин. М.: Металлургия, 1988. 784 с.
2. Пат. 2117217 Российская Федерация, МПК 7 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. 30.05.96; опубл. 1998, Бюл. № 2.
3. Розенберг В.Л. Рудовосстановительные электропечи. Энергетические показатели и очистка газов / В.ЛРозенберг, А.ЮВальберг. М.: Энергия, 1994. 103 с.
4. РыссМ.А. Производство ферросплавов /М.А. Рысс. М.: Металлургия, 1985. 393 с.
5. Степанов Г. С. Тенденции развития и новые инженерные решения в газификации угля / С.Г.Степанов // Уголь. 2002. № 11.
6. Тарасов В.А. Высокоэффективная технология переработки твердых органических и неорганических отходов / В.А.Тарасов, В.Г. Ковалев, Ю.Ю. Петелин // Сб. науч. тр. «Известия ГЭТУ». 1997. Вып. 511. СПб., С. 55-57.
7. 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.
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ родился в 1948 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнических установок и систем Чувашского университета. Область научных интересов - исследование электромагнитных и тепловых полей, повышение энергоэффективности технологических установок. Автор 96 научных публикаций.
КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ родился в 1950 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент, руководитель департамента региональной энергетики ООО Инженерный центр. Область научных интересов -энерго-ресурсосберегающие технологии, электрошлаковые процессы и установки, повышение энергоэффективности. Автор 42 научных публикаций.
ЛОСКУТОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ родился в 1942 г. Окончил Московский энергетический институт. Старший преподаватель и старший научный сотрудник кафедры автоматизированных электротехнических установок и систем Чувашского университета. Область научных интересов - энерго-ресурсосберегающие технологии, электрошла-ковые процессы и установки. Автор 48 научных публикаций.
