CC BY
89
УДК 621.311.22
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
© 2009 г. Д.А. Шафорост, А.П. Савостьянов, Н.Н. Ефимов, Н.В. Федорова, С.В. Скубиенко
Южно-Российский государственный South-Russian State Technical University
технический университет (Novocherkassk Polytechnic Institute)
(Новочеркасский политехнический институт)
Предложена математическая балансовая модель для расчета процессов газификации и сжигания твердых топлив ухудшенного качества в барботируемом расплаве шлака. Приведены результаты сравнения расчетных данных, полученных на модели, с экспериментальными данными. Сделан вывод о применимости разработанной модели для анализа работы установки по газификации и сжиганию угля в барботируемом шлаковом расплаве.
Ключевые слова: модель, газификация, сжигание, уголь, технология, расплав шлака.
The mathematical balance model for calculation of processes of gasification and burning the worsened quality solid fuels in barbotaging melting slag is offered. Results of comparison of the settlement data received on model, with experimental data are given. It is drawn a conclusion on applicability of the developed model for the analysis of work of unit for gasification and burning of coal in barbotaging melting slag.
Keywords: model, gasification, burning, coal, technology, melting slag.
Применяемые в мире традиционные способы сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, несмотря на их многообразие и технологические различия, имеют общие существенные недостатки, а именно: значительные затраты энергии на размол топлива, ухудшенные экологические характеристики, выбросы летучей золы, высокая эмиссия оксидов азота N0*, трудности связывания оксидов серы в газовой фазе, большое количество золошлаковых отходов и т.д.
В связи с этим значительный интерес представляет технология газификации и сжигания угля в аэрошлаковом барботируемом расплаве [1, 2].
Характерной особенностью технологии является то, что уголь поступает не в топку котла, а в специальную камеру газификации и сжигания топлива в расплаве 3 шлака (рис. 1), где он подвергается термическому дроблению и интенсивному перемешиванию. Температура расплава поддерживается на уровне 1500^1600 °С. Через сопла-фурмы 4 в расплав вводится парокислородовоздушное дутье, причем пар и кислород подаются в камеру в количестве меньшем, чем необходимо для полного сгорания топлива. В барботируемом расплаве шлака в условиях интенсивной турбулизации топливо газифицируется и частично выгорает [2].
Минеральная часть топлива в расплавленном состоянии поступает в шлаковый отстойник 1, из которого после гравитационной сепарации удаляется в виде легкой и тяжелой фракций через сливные желоба 2 и 5. Продукты газификации и частичного сгорания угля попадают в камеру 7 дожигания котла.
Данная технология является пока малоизученной, поэтому необходима разработка математических моделей для расчета и проектирования промышленных установок, реализующих указанный процесс.
8 7 6
X
Ia 1..... * -• -• J / 2
5 4 3
Рис. 1. Схема котла с камерой-газификатором: 1 - отстойник шлака; 2 - сливной желоб легкого шлака; 3 - барботируемый расплав; 4 - дутьевые фурмы; 5 - сливной желоб тяжелого шлака; 6 - окно загрузки топлива; 7 - камера дожигания;
8 - пароперегреватель
Предлагаемая математическая модель описывает процессы, протекающие во всем объеме камеры-газификатора.
Газификацией называют высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твердых или жидких горючих ископаемых или продуктов
их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода, водородом или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы. В результате газификации получается генераторный газ и твердый остаток, содержащий золу топлива и неиспользованные горючие вещества. В действительности не удается полностью перевести органическую массу угля в газ, и в шлаке остается часть горючей массы топлива.
Газифицировать можно все виды природного и искусственного твердого топлива - дерево, солому, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы, древесный уголь, полукокс и кокс. Таким образом, газификация представляет собой универсальный метод превращения любого топлива, в том числе и низкосортного, в высококачественное газообразное топливо.
При подаче в газогенератор воздуха в окислительной зоне происходит реагирование углерода топлива с кислородом с одновременным образованием СО и СО2 по реакциям
С + О2 = СО2 +409154 Дж;
С + 0,502 = СО + 117300 Дж.
Соотношение между количествами обоих оксидов углерода зависит от условий протекания процесса. Образующийся диоксид углерода в восстановительной зоне восстанавливается новыми порциями углерода в оксид углерода:
С + СО2 = 2СО - 162500 Дж.
При наличии избытка кислорода оксид углерода может окисляться до диоксида:
2СО + О2 = 2СО2 + 571107Дж.
Если вместе с воздухом в генератор подают водяной пар, то протекают следующие реакции:
С + Н2О = СО + Н2 - 134500 Дж;
С +2Н2О = СО2 + 2Н2 - 75000 Дж.
В этом случае образующийся газ содержит два горючих компонента: оксид углерода и водород.
В газовой фазе могут протекать и другие реакции. Так, возможны реакции между водородом и кислородом, а также между оксидом углерода и водяным паром:
2Н2 +О2 = 2Н2О + 484017 Дж;
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.
При взаимодействии СО и Н2 может образоваться метан:
СО + 3Н2 = СН4 +Н2О + 206419 Дж;
2СО +2Н2 = СН4 +СО2 + 248289 Дж,
который в условиях процесса подвергается термическому распаду
С +2Н2 = СН4 + 76203 Дж.
В процессе газификации, кроме перечисленных основных реакций, протекают и другие:
0,5S2 +Н2 = H2S + 20146 Дж;
0,5S2 + CO = COS + 143195 Дж;
C +S2 = C2S - 72435 Дж;
C +0,5H2 +0,5N2 = HCN - 131053 Дж.
Сочетание всех этих реакций и определяет состав образующегося газа, который изменяется по высоте газогенератора.
Из изложенного выше следует, что газификация представляет собой сложное сочетание гетерогенных и гомогенных процессов. Возможно и последовательное, и параллельное протекание этих реакций. Механизм этих процессов до сих пор еще до конца не выяснен. В связи с этим для углубленного понимания протекающих процессов необходимо их изучать с использованием соответствующих моделей.
При разработке балансовой математической модели процесса газификации и сжигании угля были сделаны следующие допущения:
- физико-химические процессы протекают в бар-ботируемой ванне, рассматриваемой как реактор идеального перемешивания;
- весь кислород, подаваемый на нижние фурмы, расходуется на взаимодействие с углеродом с образованием СО и СО2. Химический состав выделяющегося из шлаковой ванны газа соответствует равновесному, рассчитываемому по реакциям СО+Н2О = СО2+Н2; С + СО2 = 2СО и 2Н2 +О2 = 2Н2О для заданной температуры;
- химический состав газов после дожигания над расплавом соответствует равновесному при температуре на выходе из камеры-газификатора.
Газификация угля в расплаве шлака рассматривается как процесс, протекающий в три стадии (рис. 2).
Первая стадия процесса - термическая деструкция компонентов загрузки в расплаве шлака. На этой стадии в условиях «термического удара» происходит сушка топлива, выход летучих, расплавление минеральной части и образование диспергированного углерода. При построении модели учитывалось, что на этой стадии компоненты топлива: С, Н, S и О вступают между собой в реакции взаимодействия с образованием летучих:
С + 2Н2 = СН4; S = H2S;
С + О2 = СО2, Н2 +О2 = Н2О, (1)
причем водород, сера и кислород топлива полностью расходуются в данных реакциях. Таким образом, в модели учитывается выход летучего углерода в зоне деструкции. При этом в зону реагирования поступает нелетучий углерод.
Состав загрузки: уголь в количестве Ьутл кг и известняк в количестве Ьизв кг. Известняк подается в барботируемую ванну с целью связывания серы в расплаве и регулирования вязкости расплава.
Образующиеся продукты деструкции в расчете на 1 кг рабочей массы угля:
1) жидкий (расплавленный) шлак массой тшл , кг
тшл = тА + т^ где тА - масса шлака топлива; тизв - масса шлака известняка;
2) диспергированный в расплаве углерод массой тн (из первоначальной массы углерода вычитается то его количество, которое пошло на образование летучих компонентов топлива);
3) газообразные продукты: сероводород УНг3, метан УСН4 , азот , водяной пар УНг0 и оксид углерода УС02 . Знак «'» относится к продуктам реакций на
первой стадии процесса.
Вторая стадия - газификация углерода в барбо-тируемом расплаве шлака. В зону барботажа (в расчете на 1 кг рабочей массы угля) поступает тС кг диспергированного углерода. Через фурмы в расплав подается в общем случае парокислородовоздушное дутье, содержащее воздух в количестве УУ м3, кислород в количестве Ук м3 и водяной пар массой dп кг. Водяной пар подается в камеру с целью регулирования температуры расплава и изменения состава образующихся газов.
Из зоны барботажа отводится тшл кг жидкого
шлака, тмет кг жидкого полиметалла, а также газообразные продукты газификации: УС0, УН2 , УС02 ,
УК2 и УН20 .
Представляет значительный интерес изучение режима, при котором окислители (водяной пар и кислород) подаются в реакционный объем в количестве большем, чем необходимо для стехиометрической
газификации углерода, но меньшем, чем требуется для стехиометрического сгорания топлива, т.е. 0,5 < а + р < 1,0. Здесь а и р - коэффициенты подачи кислорода и водяного пара соответственно, которые представляют собой отношение количества окислителя, подведенного для взаимодействия с углеродом топлива, к количеству окислителя, теоретически необходимого (в стехиометрическом соотношении) для полного сгорания углерода топлива до СО2 и Н2.
Основные уравнения реакций для этой стадии в таком случае:
•С+0,5-02=-С0+117300 Дж;
С + Н2О = СО + Н2 - 134500 Дж;
С +2Н2О = СО2 + 2Н2 - 75000 Дж;
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.
Третья стадия - реагирование в газовой среде над расплавом смеси продуктов первой и второй стадий. В объем над расплавом поступают продукты первой: Кн2э, Усн4, Ущ, У'н20, и У'с02 и второй стадий: У"с0, У"н2, У"с02, У"к2, У"н20. Вместе с продуктами первой и второй стадий в газовую среду над расплавом поступает парокислородовоздушное дутье: воздух в количестве У"'У м3, кислород в количестве У"" м3 и водяной пар в количестве d"" кг.
Основные реакции для этой стадии имеют вид:
2СО + О2 = 2СО2 + 571107Дж;
2Н2 +О2 = 2Н2О + 484017 Дж;
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.
Равновесный состав газов определяется константой равновесия реакции С0 + Н20 = Н2 + С02.
Рис. 2. Схема трехстадийного процесса газификации угля
Образующаяся смесь газов поступает далее на дожигание в котел-утилизатор и имеет состав: VCO, VН2S, РСн^ РСо^ и ^/Н20.
Для определения температуры шлакового расплава система представленных уравнений замыкается уравнением теплового баланса, которое для стационарного режима работы установки записывается в форме, кДж/кг:
0 + 0 + 0 СаСОз , 0 , 0 _
¿^топл ^дут ¿^ф ¿^пар ¿^дож
— 0охл ^ 0дг ^ ^ 0рад ^ 0шл ^ 0мет ^ 0дисс ,
где 0топл - теплота сгорания и физическая теплота топлива; 0дут - физическая теплота дутья; 0,СаСО3 -физическая теплота известняка; 0пар - физическая теплота водяного пара; 0дож - количество теплоты, передаваемой из зоны дожигания в расплав; 0охл -теплота, передаваемая кессонным поверхностям камеры-газификатора; 0дг - физическая теплота уходящих газов; 0 - химическая теплота уходящих в котел газов; 0рад - радиационная теплота с поверхности расплава; 0шл - физическая теплота шлака; 0мет - физическая теплота металла; 0дисс - теплота, затрачиваемая на разложение СаС03.
При расчетах по модели необходимо учитывать ограничения на варьируемые параметры: 0,5<а+р+Да+Др<1 (с одной стороны, необходимо подавать окислитель в количестве, обеспечивающем окисление всего углерода, чтобы он не оставался в конденсированной фазе; с другой стороны, необходимо поддержание в барботируемом шлаковом расплаве восстановительной атмосферы с целью комплексного использования перерабатываемого топлива).
Необходимо учитывать также ограничение на температуру расплава шлака tP > 1500 °С. Такое значение температуры для конкретного вида топлива (Донецкий АШ) определяется из условия эффективного барботажа, который обеспечивается при вязкости шлака 0,3^1 Пас. Кроме того, работа установки на режимах с (Р< 1500°С нежелательна из-за опасности захолаживания расплава.
Описанная математическая балансовая модель работы камеры-газификатора проверена по результатам экспериментов, проведенных на Новолипецком металлургическом комбинате.
На рис. 3 приведена зависимость состава продуктов газификации от степени обогащения дутья кислородом и показаны точки, соответствующие экспериментальным данным для режима газификации при отсутствии подачи дутья через верхние фурмы. На рис. 4 представлена зависимость состава продуктов газификации от подачи кислорода; точки соответст-
вуют экспериментальным данным для режима газификации с подачей дутья через верхние фурмы. Рис. 5 отражает зависимость состава продуктов газификации от подачи водяного пара и показаны точки, соответствующие экспериментальным данным.
60 50 40 30 20 10 0
со ♦ < ♦
N2 Н2 •
со, /
—■— ди, i =
30
40
50
60
70
80
90
X
Рис. 3. Зависимость состава газов от степени обогащения дутья кислородом. Экспериментальные данные: ▲ -■ - С02; • - Н2; ♦ - СО
50
40
В 20 --
о U
10
▲ N2
■ Со.
ж Н20 со
/н2
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
Рис. 4. Зависимость состава газов от расхода кислорода. Экспериментальные данные: ▲ - ♦ - СО; ■ - С02; * - Н20; • - Н2
60 50 40 30
3 --
8 20 и
10 о
со
/ n2 J Н2 ► ___
"co-
di; H2S
/
о
0,1
0,2
0,3
0,4
Р
Рис. 5. Зависимость состава газов от расхода водяного пара. Экспериментальные данные: ▲ - ♦ - СО; ■ - СО2; • - Н2
Анализ представленных данных показывает, что в пределах точности измерений в условиях проведения испытаний расчетные результаты удовлетворительно совпадают с экспериментальными. Это позволяет сделать вывод о применимости математической балансовой модели для анализа работы установки по газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве с использованием в качестве топлива углей различных месторождений.
Работа выполнена в рамках государственного контракта №02.56.11.6166 с Федеральным агентством по науке и инновациям.
Поступила в редакцию
Литература
1. Мадоян А.А. Особенно экологически чистый высокоэко-
номичный способ использования твердого топлива для производства электроэнергии // Вестн. МЭИ. 1994. № 1. С. 6-12.
2. Нетрадиционные технологии - основной путь обеспечения экологической надежности и ресурсосбережения / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, Г.И. Левченко, Ф.А. Кушна-рев, Л.М. Христич, В.В. Гапеев // Энергетик. 1997. № 11. С. 2-4.
28 ноября 2008 г.
Шафорост Дмитрий Анатольевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 5-52-18. E-mail: dimochka__2001@mail.ru
Савостьянов Александр Петрович - докт. техн. наук, заведующий кафедрой физической, коллоидной и органической химии Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 5-59-74. E-mail: savost@hotmail.ru
Ефимов Николай Николаевич - докт. техн. наук, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 5-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru
Федорова Наталья Васильевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 5-52-18. E-mail: kaf_tes@zmail.ru
Скубиенко Сергей Витальевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 5-52-18. E-mail:skubienko@mail.ru
Shaforost Dmitriy Anatolievich - Candidate of Technical Scince, assistant professor of departament thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.: 5-52-18. E-mail: dimochka_2001@mail.ru
Savostianov Aleksandr Petrovich - Doctor of Technical Scince, head of departament physical, colloid and organic chemistry of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.: 5-59-74. E-mail: savost@hotmail.ru
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Scince, head of department thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.: 5-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru
Fedorova Nataliya Vasilievna - Candidate of Technical Scince, assistant professor of departament thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.: 5-52-18. E-mail: kaf_tes@zmail.ru
Skubienko Sergey Vitalievich - Candidate of Technical Scince, assistant professor of thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.: 5-52-18. E-mail:skubienko@mail.ru
