Научная статья на тему 'Процессы термической переработки твердого топлива на минитеплоэнергостанциях'

Процессы термической переработки твердого топлива на минитеплоэнергостанциях Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
775
70
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Ключевые слова
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА / ГАЗИФИКАЦИЯ / ПИРОЛИЗ / ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО / МИНИ-ТЭС / ЭФФЕКТИВНОСТЬ / THERMAL PROCESSING / GASIFICATION / PYROLYSIS / SOLID FUEL / LOW-CAPACITY POWER PLANT / EFFICIENCY

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Афанасьева Ольга Валерьевна, Мингалеева Гузель Рашидовна, Пятыгина Мария Валерьевна

ЦЕЛЬЮ является определение эффективности блока термической переработки твердого топлива при комплектовании его оборудованием малой мощности. МЕТОДЫ. В статье проведен расчет блока термической переработки угля и определена эффективность блока при комплектовании его оборудованием малой мощности. Расчет проведен на основе материальных и тепловых балансов, входящих в него структурных элементов и моделирования процесса пиролиза в кипящем слое. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Общая эффективность блока термической переработки угля составила 63%. Теплота образующихся при термической переработке газов составила 7589,5 кДж/с. Такого количества тепла достаточно для работы газотурбинной установки (ГТУ) ГТЭ-1,25 мощностью 1,2 МВт, в которой сжигается природный газ, обеспечивающий поступление теплоты в количестве 5208,3 кДж/с. ВЫВОДЫ. Термическая переработка твердого топлива позволяет получить газ для сжигания в камерах сгорания ГТУ и выработки электрической и тепловой энергии на мини-ТЭС. В результате расчетов определена комплектация мини-ТЭС с ГТУ наименьшей мощности. Показано, что тепловая эффективность блока термической переработки топлива составила 63%, что соответствует эффективности газогенераторных технологий для установок гораздо большей мощности (10-15 МВт), в среднем составляющей 70%. Сформирован порядок расчета блока термической переработки твердого топлива на мини-ТЭС, определяющего возможность работы данного объекта на твердом топливе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Афанасьева Ольга Валерьевна, Мингалеева Гузель Рашидовна, Пятыгина Мария Валерьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROCESSES OF SOLID FUEL THERMAL PROCESSING AT A LOW-CAPACITY THERMAL POWER PLANTS

The PURPOSE of the article is to determine the efficiency of the solid fuel thermal processing block when set-making it with low-power equipment. METHODS. The article provides the calculation of the solid fuel thermal processing block and determines block efficiency when set-making it with low-power equipment. The calculation is based on material and thermal balances of the structural elements included in it and simulation of the pyrolysis process in the fluidized bed. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The overall efficiency of the block of coal thermal processing is 63%. The heat of gases generated under thermal processing is 7589.5 kJ/s. This amount of heat is enough for the operation of a gas-turbine installation (GTI) GTE-1,25 with the capacity of 1.2 MW which burns natural gas releasing the heat in the amount of 5208.3 kJ/s. CONCLUSIONS. Thermal processing of solid fuel allows to produce gas to be burned in GTI combustion chambers and generate electric and thermal energy at low-capacity power plants. Performed calculations have resulted in the determination of the complete equipment of a low-capacity power plant with GTE of the lowest power. It is shown that the thermal efficiency of the block of solid fuel thermal processing is 63%. It corresponds to the efficiency of gas-generating technologies for the plants with a greater capacity (10-15 MW) which averages 70%. The calculation procedure determining the capability of the given object to operate using solid fuel has been formed for the block of solid fuel thermal processing at the low-capacity power plant.

Текст научной работы на тему «Процессы термической переработки твердого топлива на минитеплоэнергостанциях»

Оригинальная статья / Original article

УДК 665.7.032.54:662.73

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-125-138

ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА МИНИТЕПЛОЭНЕРГОСТАНЦИЯХ

© О.В. Афанасьева1, Г.Р. Мингалеева2, М.В. Пятыгина3

Казанский государственный энергетический университет им. В.К. Шибанова, Российская Федерация, 420066, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Красносельская, 51. РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ является определение эффективности блока термической переработки твердого топлива при комплектовании его оборудованием малой мощности. МЕТОДЫ. В статье проведен расчет блока термической переработки угля и определена эффективность блока при комплектовании его оборудованием малой мощности. Расчет проведен на основе материальных и тепловых балансов, входящих в него структурных элементов и моделирования процесса пиролиза в кипящем слое. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Общая эффективность блока термической переработки угля составила 63%. Теплота образующихся при термической переработке газов составила 7589,5 кДж/с. Такого количества тепла достаточно для работы газотурбинной установки (ГТУ) ГТЭ-1,25 мощностью 1,2 МВт, в которой сжигается природный газ, обеспечивающий поступление теплоты в количестве 5208,3 кДж/с. ВЫВОДЫ. Термическая переработка твердого топлива позволяет получить газ для сжигания в камерах сгорания ГТУ и выработки электрической и тепловой энергии на мини -ТЭС. В результате расчетов определена комплектация мини-ТЭС с ГТУ наименьшей мощности. Показано, что тепловая эффективность блока термической переработки топлива составила 63%, что соответствует эффективности газогенераторных технологий для установок гораздо большей мощности (10-15 МВт), в среднем составляющей 70%. Сформирован порядок расчета блока термической переработки твердого топлива на мини-ТЭС, определяющего возможность работы данного объекта на твердом топливе.

Ключевые слова: термическая переработка, газификация, пиролиз, твердое топливо, мини-ТЭС, эффективность.

Формат цитирования: Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р., Пятыгина М.В. Процессы термической переработки твердого топлива на минитеплоэнергостанциях // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 9. С. 125-138. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-125-138

PROCESSES OF SOLID FUEL THERMAL PROCESSING AT A LOW-CAPACITY THERMAL POWER PLANTS O.V. Afanasieva, G.R. Mingaleeva, M.V. Pyatygina

Kazan State Power Engineering University named after V.K. Shibanov, 51 Krasnoselskaya St., Kazan 420066, Republic of Tatarstan, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to determine the efficiency of the solid fuel thermal processing block when set-making it with low-power equipment. METHODS. The article provides the calculation of the solid fuel thermal processing block and determines block efficiency when set-making it with low-power equipment. The calculation is based on material and thermal balances of the structural elements included in it and simulation of the pyrolysis process in the fluid-ized bed. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The overall efficiency of the block of coal thermal processing is 63%. The heat of gases generated under thermal processing is 7589.5 kJ/s. This amount of heat is enough for the operation of a gas-turbine installation (GTI) GTE-1,25 with the capacity of 1.2 MW which burns natural gas releasing the heat in the amount of 5208.3 kJ/s. CONCLUSIONS. Thermal processing of solid fuel allows to produce gas to be burned in GTI combustion chambers and generate electric and thermal energy at low-capacity power plants. Performed calculations have resulted in the determination of the complete equipment of a low-capacity power plant with GTE of the lowest pow-

Афанасьева Ольга Валерьевна, кандидат технических наук, начальник отдела инноваций и международного

сотрудничества, доцент кафедры энергетического машиностроения, e-mail: eccolga@mail.ru

Olga V. Afanasieva, Candidate of technical sciences, Head of the Innovation and International Communication

Department, Associate Professor of the Power Machine-Building Department, e-mail: eccolga@mail.ru

2Мингалеева Гузель Рашидовна, доктор технических наук, заведующая кафедрой энергетического

машиностроения, e-mail: mingaleeva-gr@mail.ru

Guzel R. Mingaleeva, Doctor of technical sciences, Head of the Power Machine-Building Department, e-mail: mingaleeva-gr@mail.ru

3Пятыгина Мария Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры энергетического машиностроения, e-mail: pmv_83@mail.ru

Maria V. Pyatygina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Power Machine-Building Department, e-mail: pmv_83@mail.ru

er. It is shown that the thermal efficiency of the block of solid fuel thermal processing is 63%. It corresponds to the efficiency of gas-generating technologies for the plants with a greater capacity (10-15 MW) which averages 70%. The calculation procedure determining the capability of the given object to operate using solid fuel has been formed for the block of solid fuel thermal processing at the low-capacity power plant.

Keywords: thermal processing, gasification, pyrolysis, solid fuel, low-capacity power plant, efficiency

For citations: Afanasieva O.V., Mingaleeva G.R., Pyatygina M.V. Processes of solid fuel thermal processing at a low-capacity thermal power plants. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 9, pp. 125-138. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-125-138

Введение

В настоящее время все более актуальным становится использование возможностей малой автономной энергетики для энергообеспечения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, небольших городов и поселков, располагающихся или планируемых к строительству на неосвоенных пока территориях. Подведение централизованного электроснабжения к таким объектам зачастую нецелесообразно, а иногда просто технически невозможно. Об актуальности автономного энергообеспечения авторы писали неоднократно (например, в публикациях [1-3] и многих других). Постепенно в обществе формируется осознанная потребность в создании альтернативы централизованным сетям, в том числе и для того, чтобы более эффективно осваивать новые территории. Однако для более широкого внедрения малой автономной энергетики необходимо создать технологическую базу, которая позволит формировать оптимальные решения в каждом конкретном случае.

Структура малого автономного энергетического объекта (мини -ТЭС) будет в основном определяться видом используемого топлива. В данной работе рассматривается использование в качестве основного твердого ископаемого топлива преимущественно угля, поскольку только твердое топливо может обеспечить действительную автономность объекта, хотя бы в пределах годового цикла его работы. Кроме того, использование угля в качестве основного топлива позволит рассматривать в качестве резервного другие виды твердого топлива: торф, древесные и даже бытовые отходы.

При создании когенерационной установки на мини-ТЭС необходима реализация термохимической переработки твердого топлива для получения газа и последующего сжигания его в камерах сгорания газовых турбин. Причем газ должен быть достаточно калорийным и очищенным от твердых частиц, сернистых соединений и смол. Наиболее эффективным в этом случае является сочетание процессов пиролиза и газификации для получения более калорийного газа. Однако в условиях мини-ТЭС проектирование подобных аппаратов представляет определенную сложность, так как связи между ними должны обеспечивать маневренность объекта и возможность переключения на производство побочных продуктов. Кроме того, необходимо определить минимальную целесообразную производительность данной установки, в том числе и по условиям доступности типового оборудования малой мощности. В статье проводится расчет блока термической переработки угля на основе материальных и тепловых балансов, входящих в него структурных элементов, моделирования процесса пиролиза в кипящем слое и поточного газогенератора и определяется эффективность блока при комплектовании его оборудованием малой мощности.

Методика исследования

Наиболее распространенными термохимическими процессами, которые реализуются в энергетических установках, являются газификация и пиролиз. При газификации практически вся органическая масса топлива превращается в газ, и лишь в отдельных случаях наблюдается образование небольшого количества смолопродуктов. Минеральная часть топлива также претерпевает некоторые изменения, так как при газификации топливо нагревается до

900-1000°С, но остается в твердом или жидком состоянии. Газификация представляет собой неполное окисление топлива при коэффициенте избытка воздуха меньше 1. Целью процесса газификации является получение горючего газа с максимальной теплотворной способностью, которая при различных способах газификации составляет от 4 до 15 МДж/м "^Эффективность процессов пиролиза и газификации определяется химическим и молекулярным составом топлива.

Для мини-ТЭС с использованием угля предложена следующая схема термической переработки (рис. 1) и выбрано серийное измельчительное оборудование наименьшей мощности.

Рис. 1. Схема термической переработки твердого топлива на мини-ТЭС: М - мельница; П - пиролизер; ТТ - технологическая топка; Г - газогенератор; А - активатор; РВП - воздухоподогреватель;

КС - камера сгорания; Б - бункер; Р - резервуар для смешения пиролизного и генераторного газов;

ВК - воздушный компрессор; ГТ - газовая турбина; У - уголь; СА - сушильный агент; Уст - подсушенный уголь в топку; Усп - подсушенный уголь в пиролизер, Вм - воздух в мельницу;

Вт - воздух в топку; ЗШО - золошлаковые отходы; Ввх - воздух в воздухоподогреватель; ПГС - парогазовая смесь;Вкс - воздух в камеру сгорания; ПС - продукты сгорания; ПКа - полукокс в активатор; ПКг - полукокс в газогенератор; ГГ - генераторный газ; Вк - воздух в компрессор Fig. 1. Scheme of solid fuel thermal processing at a low-capacity thermal power plant: М - mill; PR - pyrolysis

reactor; TF - technologic furnace; G - gasifier; А - activator; АН - air heater; СС - combustion chamber; MF - mill feed; R - reservoir for mixing pyrolysis and generator gases; AC - air compressor; GT - gas turbine; С - coal; DA - drying agent; GdTF - dried coal into the furnace; CdPR - dried coal into the pyrolysis reactor; Am - air into the mill; AF - air into the furnace; ASW - ash and slag waste; Aah - air into the air heater;

VGM - vapor-gas mixture; ACC - air into the combustion chamber; CG - combustion gases; SA - semi-coke in an activator; Sg - semi-coke into the gasifier; GG - generator gas; AAC - air into the air compressor

Дробленый уголь поступает в молотковую мельницу, где измельчается до крупности частиц порядка 1 мм и подсушивается. Сушка угля осуществляется воздухом, предварительно подогретым в воздухоподогревателе посредством теплоты парогазовой смеси, полученной в пиролизере. Измельченный уголь на выходе из мельницы разделяется на два потока, большая часть поступает в пиролизер, остальное - в технологическую топку. В технологической топке при сжигании угля образуются продукты сгорания, которые подаются в пиролизер в качестве нагревающего и ожижающего агента. В пиролизере реализуется режим псевдоожижения с интенсивным перемешиванием и нагревом частиц угля до температуры 700°С. В результате образуется парогазовая смесь, которая после отделения смол подается на сжигание в камеру сгорания газотурбинной установки. Частичное охлаждение парогазовой смеси проис-

ходит в воздухоподгревателе, где подогревается воздух для сушки угля в мельнице и для сжигания его в технологической топке. Основная часть полукокса из пиролизера поступает в газогенератор, где взаимодействует с воздухом, подающимся после сушки угля из мельницы. При этом образуется генераторный газ, который также подается на сжигание в камеру сгорания ГТУ, предварительно смешиваясь с пиролизным газом. Небольшая часть полукокса из пиролизера подается в активатор на производство активированного угля, причем количество полукокса может быть увеличено при снижении электрической нагрузки ГТУ.

Для основных устройств (мельница, пиролизер, технологическая топка, газогенератор и воздухоподогреватель)проводится тепловой расчет с учетом материального баланса продуктов термохимической переработки. Вопросы формирования и расчета теплового баланса этих устройств рассмотрены в справочной литературе [4].

Тепловой баланс процессов газификации и пиролиза составляется аналогично процессу горения твердого топлива [5]:

Яд + Яш = Я + Яф + Ясм) ■ V + £б„от, (1)

где Я и Я - теплосодержание дутья (воздух и пар) и топлива; ЯГ - высшая теплотворная

о

способность полученного газа (потенциальное или химическое тепло), кДж/м , Яф - теплосо-

о

держание полученного газа (физическое тепло), кДж/м3; Ясж - теплотворная способность

о о

смолы и других жидких продуктов сухой перегонки топлива, кДж/м , V- выход газа, нм3/ на 1 кг топлива, £Япош - потери.

К числу потерь ^Яиоиг относятся потери тепла, связанные с механической неполнотой

сгорания в шлаке, уносе и т.д. и потери тепла в окружающую среду или в рубашку охлаждения газогенератора.

Отношение потенциального тепла выработанного газа к потенциальному теплу газифицируемого топлива называется коэффициентом полезного действия газификации[5]:

Я V

Лг = —, (2)

ЯВ

о

где Яр - высшая теплотворная способность топлива, кДж/м3.

Под термическим коэффициентом полезного действия газификации принимается отношение

п =(Ящ;уу_ (3)

"=я:+Яд+Яш'

Если используется смола, то в числителе добавляется еще Ясм.

Основные показатели процесса термической переработки твердого топлива - состав генераторного газа, его теплота сгорания и выход на единицу перерабатываемого топлива, расход окислителя (водяного пара, воздуха или кислорода). Для контроля правильности выполненных расчетов и последующего расчета теплового баланса составляют материальный баланс всех компонентов, участвующих в процессе газотермической переработки.

В качестве примера проведен расчет эффективности процесса термической переработки Ирша-Бородинского бурого угля со следующими характеристиками: Ср = 43,7%, Нр = 3%, Ор = 13,5%, Бр = 0,2%, N = 0,6%, М = 33%, Ар = 6%, Я1 = 14 950 кДж/кг.

Рассмотрим основные зависимости для расчета отдельных аппаратов блока термической переработки топлива.

В качестве измельчительного устройства выбрана молотковая мельница ММТ 1000/470/980, которая имеет небольшую производительность по сравнению с мельницами других типов. Тепловой расчет проводится в соответствии снормативным методом, выбрана система пылеприготовления с промежуточным бункером угольной пыли.

Уравнение теплового баланса для пылеприготовительной установки имеет следующий

вид [6]:

X4 = Уе.а + 4мех + 4прс - 4исп ~ Ъ ~ 4т ~ Ъ = 0 (4)

Статьи теплового баланса определяются по зависимостям:

1) 9с а - физическая теплота сушильного агента, кДж/кг,

4 с.а = §Сс.а^ (5)

где ^ - количество влажного сушильного агента на 1 кг сырого топлива, подаваемого к входному сечению пылесистемы, кг/кг; сса - теплоемкость сушильного агента перед мельницей, кДж/(кг°С); ^ - начальная температура сушильного агента, °С.

2) дмех - теплота, выделяющаяся в результате работы мелющих органов, кДж/кг,

а = 3,6К Э , (6)

-1мех ? мех р? \ I

где Кмех - коэффициент, учитывающий долю энергии, превращаемую в тепло в процессе размола; Э - удельный расход энергии на размол топлива, кВтч/т.

3) д - физическая теплота присосанного холодного воздуха, кДж/кг,

4прс Кпрс ё1Сх.в.(х.в.> (7)

где К - коэффициент, учитывающий присос холодного воздуха, в долях от весового количества сушильного агента; сжв - теплоемкость присасываемого холодного воздуха, кДж/(кг°С); - температура присасываемого холодного воздуха, °С.

4) уисп - теплота, затрачиваемая на испарение влаги, кДж/кг,

^ = 4Д9ЛЖ(595 + 0,47?2 - хт), (8)

где ЛЖ - количество влаги, испаренной из 1 кг сырого топлива; ^ - температура сырого топлива, °С; ^ - температура сушильного агента на выходе из мельницы, °С.

5) - теплота, уносимая с уходящим из установки сушильным агентом (без водяных паров испаренной влаги), кДж/кг,

у2=( (9)

где с2 - теплоемкость сушильного агента, покидающего мельницу, кДж/(кг-°С).

6) дт - теплота, затрачиваемая на подогрев топлива, кДж/кг,

100 - с Ж"1

^ = с+ 100Ж)('2 - х (10)

где Ж - влажность угля, %; Жпл - влажность угольной пыли, %; ест - теплоемкость сухой массы топлива, кДж/(кг°С).

При составлении формулы принято, что сст при г2 равна сст при гт.

7) ц5 - потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг,

Ч5 = —(11) 1000В^

где - потеря тепла в окружающую среду, кДж/кг; В - расчетная производительность мельницы по сырому топливу, т/ч.

В уравнении (4) искомыми величинами являются либо расход сушильного агента ^,

кг/кг, либо начальная температура агента ^, °С, которые определяются по формулам [6]:

_ ¿Ж(595 + 0,4И2 - Т ) + дт + д5 - джх , ^ с Ь + К с X - (1 + К )сХ ' )

с.а 1 прс х.в х.в \ прс у 2 2

^ _ ¿Ж(595 + 0,47/2 - Т ) + (1 + КпрС)glc2t2 - К^с2Х2 - qm + q5 - qмex 1 с

с.а

По правилам взрывобезопасности при подаче пыли в топку горячим воздухом температура его для всех видов топлива не ограничивается, за исключением каменных углей с Vг > 15 %. Для этих углей температура горячего воздуха должна выбираться таким образом, чтобы температура пылевоздушной смеси перед горелками г не превышала 160°С4.

При установке в системе молотковой мельницы затраты энергии на размол топлива определяются по формуле

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

N NN

Э = ^ = (14)

В В

где относительная мощность N определяется по формуле

N = N КАон, (15)

4РД 153-34.1-03.352-99. Правила взрывобезопасности топливоподачи и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива [Электронный ресурс]. URL: https://ohranatruda.rU/ot_biblio/normativ/data_normativ/9/9884/ index.php (24.06.2017) / RD 153-34.1-03.352-99. Pravila vzryivobezopasnosti toplivopodachi i ustanovok dlya pri-gotovleniya i szhiganiya pyilevidnogo topliva [Rules of explosion safety for fuel supply and installations of pulverized fuel preparation and combustion] Available at: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/9/9884/index.php (accessed 24 June 2017).

в которой ^ - относительная мощность при &аб = 1 и &кон = 1, зависит от окружной скорости

ротора и типа сепаратора, выбирается по справочным данным.

В формуле (14) - мощность холостого хода, кВт, определяемая по формуле

х = 7 ■ 10-5ы'тве,^, (16)

где О - диаметр ротора; ^ - длина ротора, м; сб - коэффициент, учитывающий влияние конструкции размольной камеры (для мельниц с открытой размольной камерой сб = 1, для мельниц с закрытой размольной камерой при угле закрытия ротора не менее 260 ° сб = 0,6); тл -

количество бил по окружности, шт.; р - коэффициент, учитывающий относительную высоту била:

Г 2Н V

р = 1 - 0,7 - —J , (17)

где Л - полная высота била, включая проушины, м.

Производительность молотковых мельниц с центробежными и инерционными сепараторами определяется по формуле [6]

В = с■Ю 5ыъЬтав25 {1,43К1 -1)07 ПтПвКжКзлк, (18)

где В - производительность, т/ч; с - коэффициент, учитывающий влияние конструкции сепаратора на работу мельницы (для мельниц с инерционным сепаратором с = 1,5, для мельниц с центробежным сепаратором с = 1,4); и - окружная скорость ротора, м/с; ^ - длина ротора, м; N - относительная мощность мельницы; Пт - коэффициент, учитывающий влияние физических свойств топлива и крупности пыли на производительность мельницы; Пв - коэффициент, учитывающий влияние вентиляции на производительность мельницы; Кэк - коэффициент, учитывающий снижение производительности мельниц в эксплуатационных условиях вследствие износа бил (обычно принимают Кэк = 0,85); Кзак - коэффициент, учитывающий влияние степени закрытия ротора (для мельниц с открытым ротором Кзак = 1, для мельниц с закрытым ротором Кзак = 0,7).

Результаты теплового расчета пылеприготовительной установки проверяются по материальному балансу входящих и выходящих потоков, кг/с:

О + О = О + О (19)

уг в.м уг.с в.ух ' \ /

где Оуг - количество угля, поступающего в мельницу; Ов м - количество воздуха, поступающего в мельницу; Оугс - количество подсушенной угольной пыли, поступающей в пиролизер;

Ов ^ - количество воздуха, выходящего из мельницы.

В пиролизер подается предварительно измельченный и подсушенный уголь, средний размер частиц которого составляет 1 мм. В нижнюю часть пиролизера под газораспределительную решетку подается ожижающий агент (продукты сгорания угля из технологической топки), имеющий температуру 1200°С. Пиролитические реакции являются эндотермическими,

т.е. протекают с поглощением теплоты. Из пиролизера отводится парогазовая смесь, в составе которой могут находиться частицы угля, называемые уносом, и смолы. Смолы вместе с уносом удаляются в конденсаторах и могут использоваться при производстве химических продуктов.

Находим минимальное значение скорости газа, при котором обеспечивается интенсивное перемешивание частиц в кипящем слое, вычислив предварительно критерий Архимеда и критерий Рейнольдса [7].

Стационарный кипящий слой может существовать лишь в ограниченном интервале скоростей потока икр<и<ивит, а именно от начала псевдоожижения до выноса всех частиц в трубу. Для скорости витания авторами [7] была предложена удобная интерполяционная формула:

Яе = , (20)

вит / V

/ п.сг.

Аг

Яе =-^ , (21)

вит 18 + 0,6Ь/Аг ' ( )

и

где Аг - критерий Архимеда; й - диаметр частиц угля, м; вит - скорость витания частиц, м/с.

Критерий Рейнольдса, характеризующий начало псевдоожижения определяется по зависимости:

Аг

Яет =-А-т= , (22)

кр 1400 + 5,22уАг

Аг = ^ -Рт , (23)

V р

п.сг. г^п.сг.

о

где б - диаметр частиц угля, м; рт - плотность частицы угля, кг/м3; рпсг - плотность продук-

о о

тов сгорания, кг/м3; vncт - кинематическая вязкость продуктов сгорания, м2/с; g - ускорение

о

свободного падения, м/с2.

Таким образом, критическая скорость псевдоожижения определяется по формуле, м/с,

и = Яекр ^^ . (24)

кр й V '

Зависимость скорости потока от порозности £ (степень расширения) псевдоожиженного слоя в пределах его существования ¡екр < ¡в < ¡евит имеет следующий вид:

Яе =-Аг1--. (25)

18 + 0,6>/Аг£4'75

Приближенная зависимость порозности для закона расширения однородного псевдоожиженного слоя

^сл =

, - ч 0,21

' 18Re + 0,36Ren

Ar ,

(26)

Оптимальная по теплообмену рабочая скорость потока (обеспечение интенсивно перемешиваемого кипящего слоя) определяется следующим образом:

Кбт( опт) = ТвТз^к/лГ, (27)

и = ^6т(опт) ^псг- (28)

опт (Л

Степень расширения слоя рассчитывается по зависимости

Н.„ 1 -е

сл __сл0

H сл0 1 "£сл

(29)

где есл0 - начальная порозность слоя.

Число псевдоожижения п характеризуется отношением рабочей скорости потока газа иопт к критической скорости (начала псевдоожижения) и :

11

n = -^пт . (30)

и

кр

Отсюда скорость потока, отнесенная к полному сечению решетки и необходимая для организации устойчивого «кипения», будет равна

и = (31)

ё

Весовая скорость газа определяется следующим образом:

(Х =",„пРпс,- (32)

Уравнение теплового баланса аппарата-пиролизера можно записать в следующем виде, кДж/с:

бт = бпГС + бк ± в^+Л . (33)

Величина теплоты топлива складывается из трех характеристик:

вт втп + втсг + висп -

?

в = О ■ в р

Отп вн ■

(34)

(35)

0ТсГ = (0ПГС + Q ± Q. р. + 42) - Q™ - 0„сп ; (36)

( Wр ^

Q = G ■ — ф-с ■ T. (37)

-^„СП тп 1 ПП „сп вл \ /

V100 J

Теплота парогазовой смеси определяется с учетом ее состава:

п = G .^пгс. я ; (38)

¿^ПГС тп 2 QQ ПГСуг.ч ' V '

о

( 1 +

QK = GT• QH • - ; (39)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

к т 100н ^ 100 J

Qx.p. = G -AHXP, (40)

где QT - теплота топлива, Дж/с; QTn - теплота топлива, участвующего в разложении, Дж/с; QTcr - теплота сжигаемого топлива, необходимая для компенсации теплоты эндотермических реакций разложения, Дж/с; QHcn - теплота, необходимая для превращения выделяющейся физически связанной влаги в водяной пар, Дж/с; Qmc - теплота образующейся парогазовой смеси, Дж/с; QK - теплота образующегося кокса, Дж/с; Q - теплота химических реакций, Дж/с; AQ - потери, Дж/с; <щгс, сок, ш; - доля выхода парогазовой смеси, кокса и продуктов разложения соответственно; GTn - расход топлива, участвующего в разложении, кг/с; Wp -влажность топлива, %; T - температура испарения, °С; сиспвл - теплоемкость топлива, участвующего в разложении, кДж/кг°С; ЯОТСугч - теплота парогазовой смеси угольной частицы, Дж/кг; - теплота химических реакций в аппарате, Дж/кг; ф - доля физически связанной влаги, участвующей в реакции образования водорода.

Основные показатели псевдоожиженного слоя, полученные при расчете пиролизера, представлены в табл. 1. Полученный в результате необходимый расход продуктов сгорания используется при расчете технологической топки.

Таблица 1

Показатели псевдоожиженного слоя

Table 1

Fluidized bed indicators

Параметр / Parameter Значение / Value

Ar 2182

ReKp 1,327

икр, м/с 0,21

Rem опт 8,33

u опт 1,33

n 6,27

ReBum. 46,93

ивит. 7,52

£сл. 0,62

H сл H сл0 1,6

G г 0,73

а 0,09

Состав пиролизного газа принят следующий: СО = 16,7%, С02 = 56,05%, Н2 = 1,76%, СН4 = 12,75%, С2Н2 = 4,45, Н2Э = 0,43%, смолы = 7,86% [8]. Низшая теплота сгорания пиролизного газа составляет вр = 10 244 кДж/кг, расход - 0,10 кг/с.

Технологическая топка представляет собой устройство для сжигания топлива и получения продуктов сгорания, которые подаются на нагрев и ожижение слоя угля в пиролизере. Тепловой расчет проводится исходя из необходимого количества нагревающего и ожижающе-го агента по нормативным материалам [9].

В газогенератор подается кокс из газогенератора в виде частиц размером менее 1 мм. В данном случае целесообразно использовать газогенератор поточного типа, в котором твердые частицы транспортируются воздухом в горелочные устройства и поступают в среду горячего газа. Температура газификации составляет 1000°С. В качестве окислителя используется воздух. Реакции газификации являются экзотермическими, т.е. протекают с выделением теплоты, поэтому в данной схеме рассматривается внутренний источник теплоты с величиной тепловыделения Охим. Из газогенератора отводится генераторный газ и шлак.

Для газогенератора материальный и тепловой балансы запишутся следующим образом, кг/с:

О + ^ = + , (41)

т ок гг шл' V /

где О' - расход угля; О' - расход окислителя; О" - расход генераторного газа; О" - расход шлака;

QT + Q'ок = От + ОХр++ АО, (42)

где в' - теплота подводимого топлива (физическая и химическая); в' - теплота окислителя; в' - теплота химических реакций газификации; в" - теплота генераторного газа; в" - теплота шлака; АО - потери теплоты в газогенераторе (все значения составляющих теплового баланса определяются в кДж/кг сырого угля).

Расчет газогенератора проводился с использованием программного комплекса СОМБОЬ МиШрИуБЮБ. В результате газификации при коэффициенте избытка воздуха 0,5 из полукокса получается генераторный газ следующего состава: СО = 32,03%, Н2 = 0,06%, С02 = 1,34%, N = 66,57%. Теплотворная способность вр = 3306 кДж/кг, расход газа = 1,97 кг/с.

Воздухоподогреватель был рассчитан по известным методикам [10] с учетом свойств парогазовой смеси.

Результаты и обсуждение

Расчеты по представленным выше зависимостям проводились методом последовательных приближений с учетом максимального использования потоков внутри схемы, что способствует не только повышению экономичности данного объекта, но и существенно снижает воздействие на окружающую среду. Результаты расчета аппаратов представлены в табл. 2.

Общая эффективность блока термической переработки угля составляет 63%. Теплота образующихся при термической переработке газов составила 7589,5 кДж/с. Такого количества тепла достаточно для работы газотурбинной установки ГТЭ-1,25 мощностью 1,2 МВт, в которой сжигается природный газ, обеспечивающий поступление теплоты в количестве 5208,3 кДж/с.

Таблица 2

Значения материальных и тепловых потоков

Table 2

Values of material and ieat flows

Наименование потоков / Flow denomination Материальный баланс, кг/с / Material balance, kg/s Тепловой ба-ланс,кДж/кг / Thermal balance, kJ/kg

Мельница / Mill r|T = 89%

Входящие потоки / incoming flows: - уголь / coal - воздух из воздухоподогревателя / air from the airheater 1, 1 2,58 16 639 860

Выходящие потоки / output flows: - подсушенный уголь в пиролизер / dried coal into the pyrolysis reactor - подсушенный уголь в технологическую топку / dried coal into the technologic furnace - сушильный агент / drying agent 0,52 0,4 2,76 10047 7714 207

Пиролизер / Pyrolysis reactor nT = 97%

Входящие потоки / incoming flows: - подсушенный уголь из мельницы / dried coal from the mill - продукты сгорания из технологической топки / combustion gases from the technologic furnace 0,52 0,73 10 047 4870

Выходящие потоки / output flows: - парогазовая смесь / vapor-gas mixture - полукокс в активатор / semi-coke into the activator - полукокс в газогенератор / semi-coke into the gasifier 0,93 0,03 0,29 4655 942 8480

Технологическая топка / Technologic furnace Пт = 62%

Входящие потоки/ incoming flows: - подсушенный уголь из мельницы / dried coal from the mill - воздух из воздухоподогревателя / air from the airheater 0,4 0,36 7714 120

Выходящие потоки/ output flows: - продукты сгорания в пиролизер / combustion gases into the pyrolysis reactor - золошлаковые отходы / ash and slag waste 0,73 0,03 4870 40

Воздухоподогреватель / Air heater nT = 97%

Входящие потоки / incoming flows: - воздух / air - парогазовая смесь / vapor-gas mixture 2,94 0,93 59 4655

Выходящие потоки/ output flows: - воздух в мельницу / air into the mill - воздух в технологическую топку / air into the technologic furnace - парогазовая смесь / vapor-gas mixture 2,58 0,36 0,93 860 120 3602

m Энергетика

Ses Power Engineering

Газогенератор / Gasifier пт=75%

Входящие потоки /incoming flows: - полукокс из пиролизера / semi-coke from the pyrolysis reactor 0,29 8480

- воздух в газогенератор (из мельницы часть сушильного агента) / air into the gasifier (part of a drying agent from the mill) 1,68 136

Выходящие потоки / output flows: - генераторный газ / generator gas - золошлаковые отходы / ash and slag waste 1,95 0,02 6465 32

Заключение

Термическая переработка твердого топлива позволяет получить газ для сжигания в камерах сгорания ГТУ и выработки электрической и тепловой энергии на мини-ТЭС. В результате расчетов определена комплектация мини-ТЭС с ГТУ наименьшей мощности. Показано, что тепловая эффективность блока термической переработки топлива составила 63%, что соответствует эффективности газогенераторных технологий для установок гораздо большей мощности 10-15 МВт, в среднем составляющей 70% [11].

Сформирован порядок расчета одного из наиболее важных блоков мини -ТЭС, определяющий саму возможность работы данного объекта на твердом топливе.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-08-00295 «А».

Библиографический список

1. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Моделирование технологических схем мини-ТЭС. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 220 с.

2. Afanasyeva O.V. Comprehensive exergy analysis of the efficiency of a low capacity power plant with coal gasification and obtaining sulfur // Energy Efficiency. 2014. Vol. 8. Issue 2. P. 255-265.

3. Блохин А.И., Карев А.Н., Кенеман Ф.Е., Стельмах Г.П. Угольные мини -ТЭС с внутрицикловым пиролизом топлива // Электрические станции. 2005. № 7. С. 25-33.

4. Юренев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник: в 2-х т. М.: Энергия, 1976. Т. 2. 896 c.

5. Белосельский Б.С. Технология топлива и энергетических масел. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 348 c.

6. Кисельгоф М.Л., Соколов Н.В. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов (Нормативные материалы) Л.: Госэнергоиздат, 1971. 312 с.

7. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1981. 296 с.

8. Андрющенко А.И., Попов А.И. Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. М.: Высш. шк., 1980. 240 с.

9. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. 256 с.

10. Теплообменные аппараты ТЭС: справочник: в 2 кн. / под общ. ред. Ю.Г. Назмеева и В.Н. Шлянникова. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Кн. 1. 490 с.

11. Зайцев А.В., Рыжков А.Ф., Силин В.Е. и др. Газогенераторные технологии в энергетике / под ред. А.Ф. Рыжкова. Екатеринбург: ООО «ИРАУТК», 2010. 611 с.

References

1. Afanaseva O.V., Mingaleeva G.R. Modelirovanie tehnologicheskih shem mini-TES [Modeling of low-capacity power plant technological schemes]. Moscow: MEI Publ., 2014, 220 p.(In Russian)

2. Afanasyeva O.V. Comprehensive exergy analysis of the efficiency of a low capacity power plant with coal gasification and obtaining sulfur // Energy Efficiency, 2014,vol. 8, issue 2, pp. 255-265.

3. Blohin A.I., Karev A.N., Keneman F.E., Stelmah G.P. Coal low-capacity power plant with integrated fuel pyrolysis. Elektricheskie stantsii [Electric stations]. 2005, no. 7, pp. 25-33. (In Russian)

4. Yurenev V.N., Lebedev P.D. Teplotehnicheskiy spravochnik [Heat engineering reference book]. Moscow: Energy Publ., 1976, vol. 2, 896 p. (In Russian)

5. Beloselskiy B.S. Tehnologiya topliva i energeticheskih masel [Fuel and Fuel Oil Technology]. Moscow: MEI Publ., 2005, 348 p. (In Russian)

6. Kiselgof M.L., Sokolov N.V. Raschet i proektirovanie pyleprigotovitel'nykh ustanovok kotel'nykh agregatov (Norma-tivnye materialy) [Calculation and design of boiler pulverizing units (Normative materials)]. Leningrad: Gosenergoizdat Publ., 1971, 312 p. (In Russian)

7. Todes O.M., Tsitovich O.B. Apparaty s kipuchim zernistym sloem: Gidravlicheskie i tep-lovyie osnovy raboty [Apparatuses with a boiling granular layer: Hydraulic and thermal bases of work]. Leningrad: Himiya Publ., 1981, 296 p. (In Russian)

8. Andryuschenko A.I., Popov A.I. Osnovy proektirovaniya energotehnologicheskih ustanovok elektrostantsiy. [Basics of electric power station technological installation design]. Moscow: Vyisshaya shkola Publ., 1980, 240 p. (In Russian)

9. Teplovoy raschet kotlov (Normativnyi metod) [Thermal calculation of boilers (Normative method)]. Saint Petersburg: NPO TsKTI Publ., 1998, 256 p. (In Russian)

10. Nazmeev Yu.G., Shlyannikov V.N. et al. Teploobmennyie apparaty TES [Heat exchangers of thermal power plants]. Moscow: MEI Publ., 2010, book 1. 490 p. (In Russian)

11. Zaytsev A.V., Ryizhkov A.F., Silin V.E. et al. Gazogeneratornyie tehnologii v energetike [Gas-generating technologies in power engineering] Ekaterinburg: OJC «IRA UTK» Publ., 2010, 611 p. (In Russian)

Критерии авторства

Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р., Пятыгина М.В. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Authorship criteria

Afanasieva O.V., Mingaleeva G.R., Pyatygina M.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagi a-rism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 08.08.2017 г. The article was received 08 August 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.