CC BY
106
УДК 662.747
Ю.Е. Николаев, А.Н. Мракин
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ПОТОЧНЫХ АВТОТЕРМИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ
Приводится математическое описание процесса автотермической газификации твердого топлива с парокислородным дутьем при атмосферном давлении. Разработан алгоритм и блок-схема расчета состава, температуры процесса, удельного выхода генераторного газа, геометрических размеров реактора и времени пребывания частицы топлива в нем. Проверена сходимость результатов расчета с опытными данными.
Г аз, уголь, температура, кислород, время реакции, газогенератор
J.E. Nikolaev, A.N. Mrakin
THE MATHEMATICAL DESCRIPTION OF PROCESS OF GASIFICATION OF THE FIRM FUEL IN LINE AUTOTHERMAL GASGENERATORS
In article the mathematical description of process of autothermal gasification of firm fuel from pairs and oxygen blasting is resulted at atmospheric pressure. The algorithm and the block diagramme of calculation of structure, temperatures of process, a specific exit of generating gas, the geometrical sizes of a reactor and time of stay of a particle of fuel in it is developed. Convergence of results of calculation with skilled data is checked up.
Gas, coal, temperature, oxygen, reaction time, a gas generator
Природный газ в современных условиях является наиболее эффективным видом топлива и химического сырья, однако удовлетворить всю огромную потребность Российской Федерации с учетом выполнения договорных поставок зарубежным странам в ближайшем будущем не представляется возможным. Для покрытия спроса на энергоресурсы следует увеличивать долю использования предприятиями и тепловыми электростанциями низкокачественных углей, сланцев и местных видов топлива [1].
Вопросам переработки твердого топлива с получением горючего газа посвящено множество публикаций как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Однако процессы, протекающие в основном элементе - газогенераторе, изучены недостаточно подробно. Изучение физико-химических процессов газификации осуществляется на экспериментальных установках, и полученные данные ограничиваются видом углей, подвергающихся газификации, имеют разрозненный характер и требуют обобщения.
В данной статье предпринята попытка обобщения опытных данных, приведенных в [24], и разработки математического описания для наиболее перспективных - поточных газификаторов. При описании процессов в газогенераторе следует сделать ряд допущений, которые обеспечат существенное упрощение модели и приемлемую для расчетов точность. Сущность таких допущений заключается в следующем:
- принятие углерода основой горючей части топлива,
- достижение равновесия всех химических реакций,
- время пребывания частицы топлива в реакторе определяется наиболее медленной реакцией, что обеспечивается конструктивными характеристиками аппарата.
Согласно методическому подходу, изложенному в [5], необходимо выбрать определяющие реакции процесса газификации углерода. Как отмечается в [6], при газификации углерода топлива возможны следующие химические реакции:
С+О2^СО2 (1)
2С+О2^2СО (2)
2СО+О2^2СО2 (3)
С+СО2^2СО (4)
С+Н2О^СО+Н2 (5)
С+2Н2О^СО2+2Н2 (6)
СО+Н2О^СО2+Н2 (7)
С+2Н2^СН4 (8)
СО+3Н2^СН4+Н2О (9)
СО2+4Н2^СН4+2Н2О. (10)
При температурах, характерных для процессов поточной газификации топлива, скорость реакции окисления (1) настолько велика, что она определяется лишь скоростями диффузии окислителя к поверхности реагирования частицы углерода и эвакуацией продуктов с
нее. При этом необходимо отметить, что реагирование кислорода с углеродом топлива по реакциям (2) и (3) при небольших скоростях дутья, характерных для поточных газогенераторов, практически отсутствует, и могут не учитываться в модели [5]. Реакция Будуара (4) является одной из самых значимых, зависящей от температуры, давления, свойств топлива, влияющей на процесс восстановления СО2 до СО. Поэтому реакцию (4) следует включить в математическую модель описания газогенераторного процесса [6].
Выбор определяющей реакции углерода с водяным паром из числа (5), (6) и (7) можно провести с помощью рисунок 1., где показаны зависимости изобарно-изотермического потенциала (свободной энергии Г иббса) ДZ указанных реакций от температуры. Вероятность той или иной реакции определяется из условия да<0.
ДZ, кДж/моль
Рис. 1. Зависимость термодинамического потенциала реакций (5), (6) и (7)
Из анализа рис. 1 для вероятного температурного диапазона процесса поточной газификации с учетом каталитического действия зольного остатка [7], можно принять, что брут-то-реакцией, которую необходимо включить в математическую модель, является реакция (6).
На протекание реакций метанирования (8), (9) и (10) существенное влияние оказывают температура и давление процесса. На основе опытных данных при атмосферном давлении реакции метанирования практически не протекают и их можно исключить из модели расчета газогенератора [5].
Таким образом, при условиях атмосферной парокислородной газификации пылеугольного топлива определяющими являются следующие реакции:
С + О2 ^ СО2
С + СО2 ^ 2СО (11)
С + 2Н 2О СО2 + 2Н 2
Дополнив систему (11) уравнением константы равновесия Кр=:Г(1проц) для реакции встречной диффузии СО+Н2О=СО2+Н2 и обозначив через ЯС - расход углерода, Я02 - расход кислорода, ЯН20 - расход водяного пара и X - долю прореагировавшего водяного пара к исходному количеству получим квадратное уравнение вида:
X2'(ЯНС0) (1 -Кр,+ Х(пяО1 ,(1 -Кр)-(1 -2Кр)+ Я10Кр)-2Кр■ ^1 -ЯС) = 0. (12)
Из последнего уравнения можно задаваясь набором значений ЯН20/ЯС, Я02/ЯС и температуры процесса 1:проц (то есть Кр) рассчитать соответствующее значение X. При этом следует иметь ввиду, что физический смысл имеют значения Х=0^1. Коэффициенты уравнения находятся при заданных значениях расхода топлива и параметрах дутья (содержание
кислорода в дутьевом воздухе 02 д, влажность дутья Wд, расход дутья Rд, подача водяного пара на охлаждение Н20охл), которые приняты согласно [5]:
ЯН 2О ЯС
0,555• +100• Н20охл + 0,1 • Уд • ) + 4,96• Нр -0,311-8
) (Ср/1,201)41 - я4/100)
ЯО2 ^ _ 0,446•Уд • 02д + 0,312• 0р -2,48• Нр + 0,156• Бр ЯС ) _ (Ср/1,201) • (1 -я4/100)
у _ Я^ • 273
д В і + 273
(13)
(14)
(15)
По найденному значению X из уравнения (12) и с использованием вышеприведенных выражений (13), (14), (15) можно найти выходные потоки компонентов полученного генераторного газа по предварительно заданной температуре процесса на 1 кг окисленного топлива, м3/кг:
- диоксид углерода, Усо2 _ 0,0224 •
- оксид углерода, Усо _ 0,0224 •
Ср
V1,201,
1 -
100
- водород, Ун2 _ 0,0224
- водяные пары, У
н 2о
С _С^_ ^ 1,201
0,0224
2
2-2
+ Х^
-х^
ЯН 2О ЯС
ЯН 2О ЯС
-1
■ х| яно ї,
ЯС )
(1 -XV
ЯН 2О ЯС
(16)
(17)
(18) (19)
- азот, УМ2 = 0,0224 • (о,446 • Уд • Nд + 0,357 • N), (20)
- сероводород, УН28 = 0,0224^ (0,00699^р). (21)
Далее составляется тепловой баланс процесса газификации, по которому можно судить о действительной температуре процесса Тпроц, которая равна равновесной температуре
газификации при расхождении теплового баланса не более 0,5%.
Минимально требуемое время пребывания частицы топлива в реакторной зоне газогенератора по условию протекания наиболее медленной химических реакций на основе уравнения Аррениуса с учетом факторов формальной химической кинетики составляет [8], с:
к
1 I Е
— • ехр| акт
Я Т
(22)
^0 V / проц J
где k0 - предэкспоненциальный множитель, м/с; Eакт - энергия активации наиболее медленной реакции, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); - тем-
пература действительного процесса, К.
Диаметр газогенератора определяется из соотношения, м:
4^ !• в.
(24)
п W
3
где вгг - выработка генераторного газа одной горелкой, м/с; W - скорость генераторного газа, м/с.
Длина одной половины газогенератора (состоит из 2 половин) определяется из уравнения неразрывности, м:
Ь _
4^0гг т
Э2
(25)
р
т
Для для реакции Будуара в принятых условиях Eакт = 367400 Дж/моль и ^k0 = 0,2-10-4 ^акт + 2 м/с [9], при этом скорость генераторного газа в опытнопромышленной установки составляет W=7,25 м/с.
На основании вышеизложенного на рис. 2 приведен обобщенный алгоритм расчета газогенераторного процесса.
Рис. 2.Блок-схема алгоритма расчета газогенераторного процесса и определения геометрических характеристик реактора
Краткое содержание каждого блока:
Блок 1: задается состав топлива на рабочую массу, диаметр частицы топлива, расход дутья, его состав и характеристики.
Блок 2: расчет расходных параметров - дутья, удельного расхода углерода на единицу топлива, потоки кислорода, водяного пара и азота на входе в реактор.
Блок 3: расчет равновесной температуры газификации и состава генераторного газа по предварительно заданной температуре газификации, выбирается значение константы равновесия реакции СО+Н2О=СО2+Н2 для которого вычисляются X и выходные потоки генераторного газа, по которым определяются удельные объемы компонентов генераторного газа при на 1 кг окисленного топлива.
Блок 4: составление теплового баланса процесса для определения невязки теплового баланса Д.
Блок 5: определение относительной невязки баланса 1Д1/Нгг<0,005; при невыполнении условия необходимо перезадаться температурой процесса и вернуться к блоку 3.
Блок 6: расчет минимально-требуемого времени пребывания частицы топлива в реакторной зоне газогенератора т.
Блок 7: расчет диаметра Э, длины Ь и объема V реактора.
Блок 8: определяется объемная производительность газогенератора по перерабатываемому топливу, и если полученное значение попадает в допустимый интервал, принимаемый по [10], то расчет заканчивается. В случае невыполнения условия необходимо перезадаться величиной скорости и повторить процедуру расчета.
Блок 9: выводится состав получаемого генераторного газа, температура процесса, удельный выход газа и геометрические размеры газогенератора.
Результаты расчетов состава газа по предложенной методике и их сопоставление с опытными данными приведены в табл. 1 для следующих углей:
a. влажность - 1,0%, углерод - 70,0%, водород - 5,0%, сера - 0,8%, азот - 1,2%, кислород
- 12,0% и зольность - 10,0% [2];
b. влажность - 1,95%, углерод - 80,5%, водород - 4,27%, сера - 1,88%, азот - 1,19%, кислород - 1,46% и зольность - 8,75% [3];
c. влажность - 1,1%, углерод - 68,6%, водород - 4,2%, сера - 1,1%, азот - 1,2%, кислород
- 8,6% и зольность - 6,6% [4].
Таблица 1
Расчетный и опытный состав генераторного газа
Компонент, % угли
а Ь с
опыт расчет опыт расчет опыт расчет
Диоксид углерода 5,6 4,9 15,0 13,1 12,6 11,9
Оксид углерода 50,4 48,6 42,0 45,1 51,1 47,3
Водород 33,1 35,1 42,0 38,4 34,0 32,1
Водяные пары 9,6 10,4 -* 2,0 -* 6,2
Азот 1,0 0,9 1,0 0,9 1,9 2,3
Сероводород - 0,1 - 0,3 0,4 0,2
* - состав приведен для сухого газа
Из анализа табл. 1 видно, что максимальное расхождение расчетного значения и опытного составляет 10-21% (отн.). Полученная величина может быть достаточной для инженерных расчетов.
Расчет времени пребывания частицы и геометрических характеристик реакторов по исходным данным [2-4] с использованием разработанного алгоритма приведен в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов времени нахождения частицы топлива в газогенераторе
и его геометрических размеров
Величина, ед. изм. угли
а Ь с
Действительное время нахождения частицы топлива в реакторе, с 0,315 0,405 0,293
Геометрические характеристики газогенератора - диаметр, м - длина, м 3,34 7,16 3,45 7,37 1,75 3,73
Для топлива (а) произведено сравнение расчетных величин времени и геометрических характеристик газогенератора со значениями, полученными на опытно-промышленной установке [2]. Отклонение по времени - 27%, по геометрическим размерам - 4,5%. Для топлив (Ь) и (с) приведены расчетные характеристики, полученные с использованием разработанной методики. Изменение характеристик газогенератора для угля (с) объясняется меньшей величиной выхода генераторного газа.
Выводы
1. Разработано математическое описание и блок-схема расчета состава генераторного газа, времени пребывания частицы топлива и геометрических характеристик газогенератора для автотермической газификации пылеугольного факела при атмосферном давлении.
2. Погрешность выполненных расчетов по разработанной модели в сравнении с опытными данными достигают 10-21% - для состава генераторного газа, 27% - по времени пребывания частицы топлива в газогенераторе и 4,6% для геометрических размеров.
3. Приведенное математическое описание может быть использовано для расчета процессов газификации в составе тепловых электростанций и энерготехнологических установок по производству различных энергоносителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щинников П. А. Перспективные ТЭС. Особенности и результаты исследования: монография. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 284 с.
2. Химические вещества из угля: пер. с нем. I под ред. И.В. Калечица. М.: Химия, 1980. 616 с.
3. Илек Я. Новые способы газификации топлива кислородом: пер. с чешск. I под ред. Н.В. Шишакова. М.: Гостоптехиздат, 1957. 355 с.
4. Технология связанного азота. Синтетический аммиак: пер. с польск. М.: Изд-во хим. лит., 1961. 624 с.
5. Беляев А. А. Газификация высокозольных топлив в кипящем слое: учеб. пособие. М.: Изд-во МЭИ, 2006. 32 с.
6. Янов А.В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04. Саратов, 2005. 143 с.
7. Газификация водяным паром кокса Ирша-Бородинского угля I Головина Е.С., Кричевер И.М., Арабаджиев Б.Г. и др. II Новые способы использования низкосортных топлив в энергетике: сб. науч. трудов. М.: ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, 1989. С. 53-61.
8. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник I под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко, проф. В.М. Зорина. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 564 с.
9. Основы практической теории горения: учеб. пособие для вузов !под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 312 с.
10. Силин В.Е., Рыжков А.Ф. Развитие технологий газификации II Технологии эффективного и экологически чистого использования угля: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. М.: ОАО «ВТИ», 2009. С. 229-241.
BIBLIOGRAPHY
1. Shchinnikov P. A. Perspective thermal power stations. Singularities and results of research: monograph. Novosibirsk: NSTU Publishing house, 2007. 284 p.
2. Chemical substances from coal. The lane with it I Under the editorship of I.V. Kalechitsa. M: Chemistry, 1980. 616 p.
3. Ilek J. New ways of gasification of fuel oxygen. The lane with czech. I Under the editorship of N.V. Shishakova. М: Gostoptexizdat, 1957. 355 p.
4. Technology of the connected nitrogen. Synthetic ammonia. The lane with polish. М: Publishing house of the chemical literature, 1961. 624 p.
5. Beljaev A.A. Gasification of multicindery fuel in a boiling layer: the manual. М: Publishing house MEI, 2006. 32 p.
6. Yanov A.V. Optimization of structure of the equipment and working parameters of gasification of sulphurous slates of the Volga region for use from paro-gas installations: the dis. ... cand. tech. sci.: 05.14.04. Saratov, 2005. 143 p.
7. Gasification by water steam of coke of the Irsha-Borodino coal I Golovina E.S., Krichever I.M., Arabadzhiev B. G and etc. II New ways of use low-grade fuel in power: the Collection of proceedings. М: ENIN of G.M. Krzhizhanovsky. 1989. p. 53-61.
8. Theoretical bases heating engineers. Teplotehnichesky experiment: the Directory / Under the general edition of the member correspondent of Russian Academy of Sciences A.V. Klimenko and prof. V.M. Zorin. M: Publishing house MEI, 2001. 564 p.
9. Bases of the practical theory of burning: the manual for high schools / Under the editorship of V.V. Pomerantseva. L: Energoatomizdat, 1986. 312 p.
10. Silin V.E., Ryzhkov A.F. Development of technologies of gasification / Technologies of effective and non-polluting use of coal: the Collection of reports of the international scientific and technical conference. M: Open Society «VTI», 2009. P. 229-241.
Николаев Юрий Евгеньевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета Мракин Антон Николаевич -аспирант кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета
Nikolaev Yury Evgenevich -
dr. sci. tech., the professor of chair «Power system» of the Saratov state technical university
Mrakin Anton Nikolaevich -
the post-graduate student of chair «Power system» of the Saratov state technical university
