CC BY
1УДК 662.654.1
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
И Стрижак П. А., Шлегель Н. Е., Нагибин П. С., Виногродский К.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
E-mail: [email protected]
Известны технологические сложности, возникающие при термической утилизации отходов углеобогащения и сжигании низкосортных угольных топлив: высокая инерционность зажигания; повышенные газовые антропогенные выбросы; пониженная температура в зоне горения и, как следствие, повышенный недожог. Для решения этих проблем предложен подход интенсификации горения угольных шламов и углей с помощью гидратного газа. Определены эффективные условия регазификации газогидрата при реализации схемы с жидким теплоносителем и электрическим нагревом, а также установлены критические условия теплообмена для непрерывной подачи газа в камеру сгорания. Предложено технологическое решение, позволяющее повысить энергетическую эффективность термической утилизации отходов углеобогащения и уменьшить газовые антропогенные выбросы.
Ключевые слова: газогидрат, регазификация, термическая утилизация угольных отходов, газовые антропогенные выбросы.
APPLICATION OF GAS HYDRATES IN THE THERMAL CONVERSION OF COMPOSITE LIQUID AND SOLID FUELS
И Strizhak P. A., Schlegel N. E., Nagibin P. S., Vinogrodsky K.
National Research Tomsk Polytechnic University, TPU, Tomsk, Russia
There are known technological difficulties that arise during the thermal utilization of coal preparation waste and the combustion of low-grade coal fuels: high ignition inertia; increased anthropogenic gas emissions; lower temperature in the combustion zone and, as a result, increased underburning. To solve these problems, an approach has been proposed to intensify the combustion of coal slurries and coals using hydrate gas. Effective conditions for gas hydrate regasification were determined when implementing a scheme with a liquid coolant and electric heating, and critical heat exchange conditions for continuous gas supply to the combustion chamber were established. A technological solution has been proposed to increase the energy efficiency of thermal recycling of coal processing waste and reduce anthropogenic gas emissions.
Key words: gas hydrate, regasification, thermal recycling of coal waste, gas anthropogenic emissions.
Введение. Часто используемым подходом к утилизации отходов углепереработки является складирование или захоронение. Подобное хранение отходов вызывает риск их возгорания, а также приводит к загрязнению почвы, сточных вод и окружающей среды в целом [5]. Отходы угольной промышленности представляют альтернативные источники энергии, но они усту-
пают высокоуглеродистым топливам по теплотворной способности [4]. В настоящее время мировое научное сообщество активно изучает способы повышения интегральных характеристик горения отходов угольной промышленности путем подачи к ним различных добавок с высоким содержанием углерода. При сжигании отходов угольной промышленности образуется значительное количество антропогенных выбросов, которые наносят вред окружающей среде и человеку: ежегодно при сжигания ископаемого топлива в атмосферу выбрасывается около 37 млрд тонн С02 [7]. При сжигании природного газа образуется наименьшее количество углекислого газа по сравнению с ископаемым топливом [2].
В океанических отложениях и регионах вечной мерзлоты залегают огромные залежи гидратов природного газа [3]. Газовый гидрат представляет твердую кристаллическую систему, в которой молекулы газа захвачены молекулами воды в ледоподобном каркасе с водородными связями. Гидрат природного газа потенциально может стать экологически чистой энергетической альтернативой ископаемому топливу вследствие высокой плотности энергии [6]. Водяной пар и метан, являющиеся продуктами диссоциации гидрата природного газа, считаются перспективными компонентами газопаровоздушных смесей во многих установках, таких как газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания [1]. Известно, что добавление метана и водяного пара при сжигании угольной пыли увеличивает температуру в пламенной зоне и уменьшает время задержки зажигания, а наличие водяного пара способствует снижению концентраций СО и N0 [8].
Для эффективной утилизации в промышленных масштабах отходов угольной промышленности предлагается совместное сжигание гидратного газа с твердым низкосортным топливом. При диссоциации гидрат распадается на горючий газ и воду. Выделяющийся газ позволит повысить калорийность низкосортного топлива и обеспечить более высокую теплоту сгорания, а также интенсифицировать его горение при меньших тепловых потоках на начальном этапе. Совместное сжигание гидратного газа и отходов угольной промышленности вследствие интенсивного парообразования позволит снизить газовые антропогенные выбросы (N0^ S0x) до значений, не превышающих утвержденные нормативы.
Методика. Для проведения экспериментальных исследований по установлению особенностей совместного сжигания гидратного газа с углем и отходами углеобогащения разработан стенд, внешний вид и схема которого представлены на рис. 1. На первом этапе гидрат метана помещался в блок диссоциации. На следующем этапе полученный метан из блока диссоциации подавался в форсунку камеры сгорания за счет разницы давления между блоком диссоциации и атмосферой. Также совместно с газом подавался воздух первичной инжекции в форсуночное устройство. Для первичной инжекции использовался воздушный компрессор. Состав газа на выходе из блока диссоциации контролировался лабораторным газоанализатором с группой сенсоров: электрохимический — О2 (0-21%, ±0,2%); оптические — СО2 (0-100%, ±5%), СН4 (0-100%, ±5%), С3Н8 (0-100%, ±5%). Распыленная газовоздушная смесь из форсуночного устройства попадала в камеру сгорания, проходя через два параллельно расположенных электрода. При протекании газовоздушной смеси через такие электроды происходило короткое
Рис. 1. Внешний вид (а) и схема (б) стенда для изучения характеристик горения композиционных топлив: 1 — дутьевой вентилятор; 2 — блок диссоциации; 3 — камера сгорания; 4 — щит управления; 5 — емкость пылевидного топлива с вибромотором; 6 и 7 — газоанализаторы; 8 — дымосос; 9 и 10 — компрессоры; 11 — измерительный
преобразователь; Т1, Т2 и Т3 — места установки термопар
замыкание, которое приводило к появлению электроразрядной дуги. Вследствие этого и происходило зажигание факела распыла газовоздушной среды. Помимо газовоздушной смеси, в камеру сгорания подавался угольный шлам или уголь. Для этого использовался вакуумный эжектор, принцип работы которого основан на эффекте Вентури. Твердое топливо находилось в резервуаре, который соединялся с эжектором. В результате протекания воздушного потока через эжектор в резервуаре с твердым топливом возникало разряжение, за счет которого твердые пылевидные частицы топлива подавались в камеру сгорания. Проблема слеживаемо-сти угольной пыли и угольного шлама решалась установкой вибромотора к емкости с углем или угольным шламом. Для стабильной и безотказной работы модельного котельного агрегата необходимо поддержание значения коэффициента избытка воздуха (а) в диапазоне от 1,3 до 1,7. При повышенных значениях коэффициента наблюдалось уменьшение длины пламени и рост температуры газовоздушной смеси в зоне горения. Поддержание стабильного значения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания осуществлялось дутьевым вентилятором. Дымовые газы удалялись из камеры сгорания за счет центробежного канального вентилятора. Изменение характеристик работы системы электроподжига, дутьевого вентилятора и дымососа осуществлялось с помощью щита управления. Состав дымовых газов на выходе из камеры сгорания регистрировался с помощью газоанализатора. Для определения температур факела (Т1), газовоздушной смеси в верхней части камеры сгорания (Т2) и дымовых газов (Т3) использовались термопары типа К (диапазон температур 0-1100 °С, погрешность ±3 °С, время отклика не более 3 с). Используемые термопары подключались к преобразователю напряжения. Данные с последнего передавались на персональный компьютер, где они обрабатывались с помощью программного обеспечения, поставляемого совместно с измерительными преобразователями. По полученным данным строились распределения температуры в камере сгорания.
Результаты. Проведенные исследования позволили выделить ключевые особенности при использовании газового гидрата для подсветки факела низкосортного топлива. Так как газ представлял смесь молекул углеводородов, то сжигание гидратного газа в камере сгорания совместно с низкосортными топливами приводило к образованию СО и СО2. Совместно с гидратным газом в камеру сгорания подавался и водяной пар. Реакция горения гидратного газа имеет вид:
СН4 + 2О2 ^ СО2 + 2Н2О + 802 кДж/моль (Т >700 °С).
Снижение концентрации СО при использовании гидратного газа обусловлено полным выгоранием твердого топлива. Помимо этого, вместе с диссоциированным метаном в зону горения поступал пар, образующийся в блоке диссоциации. Водяной пар интенсифицировал реакции горения и дожигания СО за счет добавочного количества гидроксильного радикала (ОН):
СО + Н2О ^ СО2 + Н2 - 41,5 кДж/моль (Т >400 °С).
При пламенном горении угольной пыли в зоне высоких температур (около 1500 °С) доля термических и мгновенных оксидов азота NOx может быть значительной. Добавление пара, присутствующего при диссоциации газового гидрата, локально снижало температуру в зоне горения. Как следствие, концентрации термических и мгновенных NOx составили 60 ррт.
При совместном сжигании гидратного газа и угля или угольных шламов основным источником серы являются последние. Так как в составе угольного топлива содержится около 1% серы, то при его сжигании образовывался диоксид серы концентрацией около 6 ррт. Снижение концентрации SO2 осуществлялось за счет наличия водяного пара и образования дополнительных восстановителей в виде водорода и окиси углерода:
802 + 2Н2 ^ S + 2Н2О + 345 кДж/моль (400<Т<550 °С),
S + Н2 ^ H2S - 132 кДж/моль (600<Т<700 °С).
При анализе полученных результатов по определению состава дымовых газов, представленных в виде максимальных значений на рис. 2, установлено, что использование гидрата метана позволяет снизить концентрации SO2 практически на 50% для случая сжигания гидрата метана совместно с угольным шламом, СО — на величину около 30%, а N0 и СО2 — на 45 и 25% соответственно. Снижение концентраций обусловлено
подачей в камеру сгорания попутно газа
Рис. 2. Максимальные значения компонентов дымовых газов: -
и водяного пара, образованных при дис-
1 — метан; 2 — гидрат метана; 3 — метан + уголь; 4 — гидрат
метана + уголь; 5 — метан + угольный шлам; 6 — гидрат ме- социации газов°г° гидрата. тана + угольный шлам
Выводы. Результаты экспериментальных исследований позволили установить параметры расхода газа и инжекционного воздуха для устойчивого и стабильного горения гидратного газа совместно с угольной пылью или шламом. Оптимальный расход гидратного газа составил около 0,7 м3/ч, пылевидного топлива — около 2,4 кг/ч. При этом расход инжекционного воздуха составлял около 240 м3/ч. Поддержание таких расходов позволяло добиться стабильного горения факела гидратного газа при его моносжигании, а также при совместном сжигании с твердыми топливами. Установлено, что при добавлении угольного шлама и угля в зону горения увеличивается длина факела на 31,6 и 52,6 % соответственно. Реализация предложенной технологии по совместному сжиганию газового гидрата с низкосортными топливами позволяет получить несколько преимуществ. Во-первых, использование газового гидрата в виде подсветки факела дает возможность интенсифицировать зажигание низкосортного топлива, а также увеличить полноту сгорания. Во-вторых, установлено, что попутная подача пара совместно с газовым гидратом в топку модельного котла снижает антропогенные выбросы. В частности, концентрация SO2 снизилась на 50%, СО — на 30 %, а NO и CO2 — на 4 и 25% соответственно. Применение такой системы способствует снижению концентрации загрязняющих веществ в атмосферу, а также затрат при выработке тепловой энергии.
Работа выполнена при поддержке программы Национального исследовательского Томского политехнического университета (Приоритет-2030-№Р/ЕВ-006-375-2023).
Список литературы / References
1. Catapano F., Di Iorio S., Magno A., Sementa P., Vaglieco B. M. A comprehensive analysis of the effect of ethanol, methane and methane-hydrogen blend on the combustion process in a PFI (port fuel injection) engine // Energy. 2015. Vol. 88. P. 101-110.
2. Chong Z. R., Yang S. H. B., Babu P., Linga P., Li X.-S. Review of natural gas hydrates as an energy resource: Prospects and challenges // Applied energy. 2016. Vol. 162. P. 1633-1652.
3. Cui Y., Lu C., Wu M., Peng Y., Yao Y., Luo W. Review of exploration and production technology of natural gas hydrate // Advances in Geo-Energy Research. 2018. Vol. 2, N 1. P. 53-62.
4. Dmitrienko M. A., Nyashina G. S., Strizhak P. A. Major gas emissions from combustion of slurry fuels based on coal, coal waste, and coal derivatives // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 177. P. 284-301.
5. Gorka M., Bezyk Y., Strqpoc D., Nqchi J. The origin of GHG's emission from self-heating coal waste dump: Atmogeochemical interactions and environmental implications // International Journal of Coal Geology. 2022. Vol. 250. P. 103912.
6. Ma X., Wu X., Wu Y., Wang Y. Energy system design of offshore natural gas hydrates mining platforms considering multi-period floating wind farm optimization and production profile fluctuation // Energy. 2023. Vol. 265. P. 126360.
7. Ritchie H., Roser M., Rosado P. CO2 and greenhouse gas emissions // Our world data. 2020.
8. Tu Y., Liu H., Su K., Chen S., Liu Z., Zheng C., Li W. Numerical study of H2O addition effects on pulverized coal oxy-MILD combustion // Fuel Processing Technology. 2015. Vol. 138. P. 252-262.
