CC BY
4Theoretical and Applied Heating Engineering Теоретическая и прикладная теплотехника
EDN: DKFHVY УДК 62-97
Method for Determining Optimal Parameters of Operating State in Atmospheric Coal Gas Generator
Pak Chol Min*
Far Eastern Federal University Vladivostok, Russian Federation
Received 22.01.2023, received in revised form 05.03.2023, accepted 10.03.2023
Abstract. This article describes one method for determining the optimal operating parameters of an atmospheric coal gas generator from the composition of the resulting generator gas. The atmospheric gas generator is a device for producing synthesis gas for fuel in the power industry, and complex physical and chemical processes are carried out inside the gas generator, so it is difficult to determine the its optimal parameters. A study was conducted to determine the optimal parameters by calculating the operating parameters based on the elemental analysis composition of the coal and the composition of the produced generator gas and comparing them with the current operating parameters to achieve the best conditions. As a result of the calculation, the air flow, steam flow, energy conversion efficiency of the gas generator, the composition of the gas that should have been obtained in the current operating state are calculated, and the operating parameters are specified by comparing and analysing with the actual values. The results of the study have been successfully introduced in a test atmospheric gas generator and can be extended to other types of gas generators.
Keywords: atmospheric gas generator, synthetic gas, diagnostics of the operating condition, optimization of parameters of gas generator.
Citation: Pak Chol Min. Method for determining optimal parameters of operating state in atmospheric coal gas generator. J. Sib. Fed. Univ. Eng. & Technol., 2023, 16(3), 272-277. EDN: DKFHVY
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Non Commercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: pak.cm@dvfu.ru
Методика определения оптимальных параметров рабочего состояния атмосферного газогенератора из угля
Пак Чхоль Мин
Дальневосточный федеральный университет Российская Федерация, Владивосток
Аннотация. В данной статье описана методика определения оптимальных параметров работы атмосферного угольного газогенератора, когда известен состав полученного генераторного газа. Атмосферный газогенератор представляет собой устройство для получения синтез-газа для топлива в энергетике, внутри которого ведутся сложные физико-химические процессы, поэтому определить оптимальные параметры затруднительно. Было проведено исследование для определения оптимальных параметров путем расчета рабочих параметров на основании данных состава элементного анализа угля и состава полученного генераторного газа и сравнения их с текущими рабочими параметрами для достижения наилучших условий. В результате был рассчитан расход воздуха, расход пара, эффективность преобразования энергии газогенератора, состав газа, который должен быть в текущем рабочем состоянии, и уточнены рабочие параметры путем сравнения и анализа с фактическими значениями. Результаты исследования были успешно внедрены в тестовый атмосферный газогенератор и могут быть распространены на другие типы газогенераторов.
Ключевые слова: атмосферный газогенератор, синтез-газ, диагностика рабочего состояния, оптимизация параметров газогенератора.
Цитирование: Пак Чхоль Мин. Методика определения оптимальных параметров рабочего состояния атмосферного газогенератора из угля / Пак Чхоль Мин // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(3). С. 272-277. EDN: DKFHVY
Введение
В настоящее время из-за нестабильности мирового энергетического рынка многие страны пытаются реализовать диверсификацию структуры источников энергии. Технология газификации угля имеет важное значение в разрешении кризиса энергоресурсов в соответствии с особенностями стран. В странах, где нет нефти или природного газа, можно производить синтез-газ из угля и использовать его в качестве промышленного топлива. И в России в регионах с большими запасами угля можно заменить дорогой природный газ генераторным газом или сократить потребление природного газа.
Технология газификации угля используется для получения горючего газа из угля. Синтез-газ, полученный путем газификации угля при атмосферном давлении, состоит из углекислого газа и водорода, которые используются в качестве топлива для газовой турбины или для металлургических и химических промышленностей [1].
Качество газа, производимого в газогенераторе, тесно связано с рабочим состоянием газогенератора [2]. Из-за конструктивной и технологической сложности газогенератора трудно предсказать его рабочее состояние только по визуальному наблюдению или по нескольким датчикам. Целью данной работы является разработка методики определения оптимальных параметров для атмосферного газогенератора данного состава газа, полученного из газогенератора.
Методология исследования
Внутри газогенератора происходят сложные физические и химические процессы, такие как сушка угля, пиролиз, горение угля, реакция газификации, движение флюидов, тепло- и массооб-мен между средами. В табл. 1 показаны процессы в газогенераторе с плотным слоем [3].
Химическая реакция, протекающая в газогенераторе, в результате может быть сведена к четырем реакциям.
С + СО2 = 2СО, (1)
2С + СО2 = 2СО, (2)
С + Н2О = СО +Н2, (3)
С + 2Н2 = СН4. (4)
В общем виде состав угля дается как состав рабочего топлива и состав элементного анализа. Расчет по элементному составу, а не по составу рабочего топлива угля позволяет более точно оценить рабочее состояние газогенератора. Состав угля можно анализировать согласно ISO 17247:2020.
Кислород, поступающий в газогенератор, используется для производства СО2 в окислительной реакционной зоне. То есть кислород должен быть полностью израсходован в этой зоне. Следовательно, оптимальное рабочее состояние газогенератора можно определить как состояние, при котором содержание кислорода в генерируемом газе составляет 0 %. На практике, если концентрация кислорода в добываемом газе составляет менее 0,5 %, считается, что газогенератор находится в нормальном рабочем состоянии [4]. В исследовании описывается методика определения наилучших рабочих параметров в установившихся режимах работы газогенератора.
Таблица 1. Характеристика процессов газификации в плотном слое
Table 1. Characteristics of gasification processes in a dense layer
Зоны в газогенераторе Процессы, реакции Выделяемые и транспортируемые компоненты
Надслоевое пространство Генераторный газ, унос угольной пыли, водяные пары, смолы
Зона сушки и выделения летучих веществ Сушка топлива и сухая перегонка угля Водяные пары и смолы, Н^, СН4, СтНп, СО2, СО, Н2, Н2О
Вторая восстановительная зона (низкотемпературной карбонизации) С + СО2 = 2СО С + 2Н2 = СН4 СО + Н2О = СО2 + Н2 СО2, СО, Н2, СН4, Н2О
Первая восстановительная зона (высокотемпературной карбонизации) С + СО2 = 2СО С + Н2О = СО +Н2 СО + Н2О = СО2 + Н2 СО2, СО, Н2, Н2О
Окислительная реакционная зона (кислородная) С + О2 = СО2 С + СО2 = 2СО 2СО + О2 = 2СО2 О2, СО2, СО, Н2О
Зольная подушка Зола, шлак, кокс
Предположим, что элементный состав угля задан как CP, HP, Ор, Лр, Жр (кг/кг). Из них часть Ср реагирует с кислородом топлива, превращаясь в СО2. При этом количество газа С02, образующегося из кислорода в топливе, рассчитывается таким образом:
22 4
.
32
12
В этом случае потребляемый углерод равен —Ор.
32
(5)
Водород в составе угля входит в состав газа в виде Н2. Это количество:
.
(6)
Если содержание углерода в золе генератора равно С3, то углерод, выходящий с золой, равен ЛрС3.
В итоге углерод, участвующий в реакции газификации:
1 1 АРГ3
(7)
32 1-С3'
Если количество углерода, израсходованного в каждой реакции, равно С ь С 2, С 3 и С 4 соответственно, устанавливается следующее уравнение.
с = с + с2 + с3 + с4.
(8)
Если коэффициент расхода воздуха равен п, расход воздуха, расход водяного пара и количество продуктов для каждой реакции на 1 кг топлива будет следующим. Для реакции (1):
Для реакции (2):
Для реакции (3):
Для реакции (4):
V£ =3,734С4 м3 V^ =1,867С4 м3
В результате количество каждого компонента в генераторном газе следующее.
С другой стороны, если измеренный состав генераторного газа представлен как СО, С02, Н2, Н2О, О2, N 2 и СН4, количество газовых компонентов (м3) выражается по следующей формуле.
где ¥Г количество образовавшегося газа.
В результате устанавливаются следующие уравнения:
.
.
1,867С3 + V™ - 3,734Q = Vr ■ Н2.
1,867(и - 1)Q + 0,933(и - 1)С2 = Vr ■ 02.
.
.
(9) (10) (11) (12)
(13)
(14)
Неизвестными являются С ь С 2, С 3, С 4, п и ¥Г и существует 7 формул для их расчета: Уравнение 8~14. На самом деле, поскольку N 2 и О2 поступают из воздуха, их соотношения постоянны и определяются коэффициентом расхода воздуха. Отсюда уравнения (12) и (13) становятся эквивалентными выражениями, поэтому уравнения также замыкаются как (6).
Результат и вывод исследования
Если уравнения (9) и (10) сложить вместе и принять во внимание уравнение (8), количество образовавшегося газа можно рассчитать следующим образом:
1.867С +
vr=-
22AqP 32
со2+со
(15)
C 1 рассчитывается по уравнению (9), С4 рассчитывается по уравнению (14) и C 3 по уравнению (11), а C 2 получают из уравнения (8).
Коэффициент расхода воздуха рассчитывается по уравнениям (12) и (13), и используется среднее значение двух расчетных значений. Следующими уравнениями рассчитывается количество воздуха и водяного пара при учете степени разложения пара Степень разложения пара - это доля пара, эффективно используемого для реакции газификации, среди подаваемого в газогенераторе пара.
VB = (8,889^ + 4,445С2)и. (16)
FHj0=l,867C3/^l0. (17)
КПД газогенератора рассчитывается следующим образом:
126,44СО + Ю7,6Я, +358СЯ. , / ч
V=----4~Vr. (18)
Здесь знаменатель - теплотворная способность угля.
Таким образом, рабочие параметры газогенератора могут быть рассчитаны на основании данных состава элементного анализа угля и состава генерирующего газа, а оптимальные параметры могут быть определены путем контрастного анализа с текущими рабочими параметрами.
Результаты расчетов хорошо согласуются с данными эксплуатации, и можно найти меры по улучшению работы, используя приведенные выше уравнения. ^пример, если содержание кислорода в газе уменьшается на х, содержание азота уменьшается в 3,762x раза, а количество генераторного газа уменьшается в 4,762x раза. Принимая это во внимание, можно рассчитать состав генераторного газа, а если повторить расчет по уточненному составу газа, можно определить оптимальные характеристики устройства.
Список литературы I References
[1] Marcio L. de Souza-Santos. Solid fuels combustion and gasification: modeling, simulation, and equipment operations. New York, 2010. 488.
[2] Загрутдинов Р. Ш., Шгорнов А. H., Рыжков А. Ф., Сеначин П. К. Технологии газификации в плотном слое. Барнаул. Алтайский дом печати, 2009. 296. [Zagrutdinov R. Sh., Nagornov A. N., Ryzhkov A. F., Senachin P. K.. Gasification technologies in a fixed bed. Barnaul. Altai Press House, 2009. 296 p. (in Rus.)]
[3] Зайцев А. В., Рыжков А. Ф., Силин В. Е., Загрутдинов Р. Ш., Попов А. В., Богатова Т. Ф. Газогенераторные технологии в энергетике. Екатеринбург. Сократ, 2010. 611. [Zaitsev A. V., Ryzhkov A. F., Silin V. E., Zagrutdinov R. Sh., Popov A. V., Bogatova T. F. Gasgenerating technologies in energy engineering. Yekaterinburg. Socrat, 2010. 611 (in Rus.)]
[4] Сюй Сянцзин, Лю Цзюнь. Технология газификации угля. Пекин, Издательство химической промышленности, 2005. 326 [Xu Xiangjing, Liu Jun. Coal Gasification Technology. Beijing, Chemical Industry Press, 2005. 326 (in China)]
