CC BY
1С.Л. Буянтуев, д-р техн. наук, проф. каф. «ЭСППиСХ» К.С. Шаронов, аспирант Восточно-Сибирский государственный технологический университет
УДК 621.128
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
НА СОСТАВ СИНТЕЗИРУЕМОГО ГАЗА
В статье проведен анализ результатов экспериментов с получением синтез-газа на плазменной газогенераторной установке. Приведены расчетные данные проводимых экспериментов.
Ключевые слова: Плазменная газификация углей, теплофизические параметры, оптимизация процесса газификации.
S.L. Buyantuev, D. Sc. Engineering, Prof.
K.S. Sharonov
THE EFFECT OF PLASMA GAS GENERATOR MODES ON STRUCTURE OF SYNTHESIZED GAS
The article analyzes the results of experiments with synthesis gas producing in a plasma gas generator and reveals the calculated data of the experiments.
Key words: Plasma gasification of coal, thermophysical parameters, optimization of gasification processes.
Технологии газификации угля появились как некоторая альтернатива добыче природного газа. Конечно, объемы получаемого газа методом газификации угля намного меньше объемов добычи при -родного газа. Однако в некоторых случаях, таких как значительная удаленность населенного пункта или предприятия от газовой магистрали, высокие требования экологической безопасности, а также наличие в местности хороших запасов ископаемого угля, делает газификацию угля привлекательным методом получения горючего газа. В настоящее время уголь в основном используется как топливо в котельных и на тепловых электрических станциях для выработки тепла и электроэнергии. Но существующие уже много десятков лет технологии сжигания угля в топке не отвечают современным требованиям по уровню загрязнения атмосферы твердыми углеродными частицами, вылетающими из трубы вместе с дымовыми газами, содержанием в дымовых газах окислов азота. Кроме этого существует опасность заражения почвы в местах, где производят выброс золы и шлаков. Причина тому - неполное сгорание угольных частиц.
За прошедшее столетие разработано несколько технологий получения синтез-газа - методы Лурги, Винклера и др. Однако установки, работающие по этим принципам, требуют больших капитальных вложений и не соответствуют современным требованиям экологической безопасности.
Одной из возможностей снизить экологическую нагрузку является применение для термической обработки угля низкотемпературной плазмы. Практическая ценность плазмы при температуре более 3000 К экспериментально доказана в трудах многих исследователей как в России, так и за рубежом [1,2,3]. Применение генераторов плазмы в котлах ТЭС для розжига и поддержания горения угля позволяет снизить концентрацию вредных, канцерогенных выбросов в дымовых газах. Плазменная газификация угля позволяет интенсифицировать процесс горения угольных частиц. Также эта технология является экологически чистым способом получения горючего газа с возможностью варьировать процентное содержание в нем углеводородов и водорода.
Исследование процесса газификации угля в потоке плазмы проводят на специальной плазменной установке (рис. 1).
При создании экспериментальной установки был использован модульный принцип, т.е. конструктивно установка поделена на несколько модулей или секций (камер). Важным является вертикальное расположение модулей, где происходят процессы массо- и теплообмена между твердыми частицами сырья и газовым теплоносителем. Вертикальное расположение модулей дает ряд технологических и конструктивных преимуществ:
1. Приемлемые габаритные размеры.
2. Отсутствие зон, где могут скапливаться частицы твердого топлива.
3. Равномерное распределение частиц твердого топлива по сечению камер, что облегчает процесс массо- и теплообмена между теплоносителем (газифицирующим агентом) и частицами топлива.
4. Универсальность. Данная установка путем замены либо исключения модулей может быть приведена к аллотермическому либо алло-автотермическому типу.
На экспериментальной установке по комплексной переработке углей производились следующие работы:
1. Отработка всех этапов технологического процесса.
2. Освоение работы аппаратов и узлов и отработка их конструкции.
3. Отработка оптимальных технологических режимов переработки сырья и получение целевого продукта - горючего газа.
Рис. 1. Плазменный модульный газификатор: 1 - реактор; 2 - магнитная катушка; 3 - дозатор; 4 - бункер сырья;
5 - катод; 6 - эжектор; 7 - парогенератор; 8 - камера муфеля; 9 - камера разделения; 10 - труба вывода газа;
11 - шлакосборник; 12 - скруббер; 13 - фильтр
Исследования работы плазменного газификатора в автоматическом режиме проводятся на газификаторе аллотермического типа, в котором помимо основного реактора введен дополнительный муфель -ный модуль для увеличения степени газификации твердого топлива. На рисунке 1 приведена структурная схема плазменного газификатора такого типа.
Твердое мелкозернистое (размер частиц до 1 мм) топливо из бункера сырья 4 поступает в дозатор 3. Далее топливо подается в эжектор 6, где смешивается с газовым транспортирующим агентом (воздух), и смесь поступает в плазменный реактор 1. В реакторе топливо газифицируется, и смесь из газа и оставшихся от реакции твердых частиц поступают в муфельную зону 8 и камеру разделения 9. Крупные частицы под действием силы тяжести падают в шлакосборник 11, а более мелкие вместе с газом выводятся через трубу 10 непосредственно в скруббер 12.
В скруббере с помощью фильтра 13 и потока воды газ очищается от твердых частиц и выводится из установки. Помимо этого возможен вариант газификации с вводом водяного пара в реактор, вырабатываемого парогенератором 7.
В рассматриваемой установке используются коаксиальный плазменный реактор постоянного тока с магнитным удержанием электрической дуги [4].
На рассматриваемой установке возможно получение синтетического газа с различными концентрациями составляющих и, следовательно, теплотой сгорания. Это зависит, в большей степени, от состава применяемых для газификации углей, а также от режимов работы установки. Суть исследований заключается в определении оптимальных технологических параметров установки для конкретного сорта угля. При этом характеристики используемого угля считаются постоянными. Рассмотрим экспериментальные данные.
В качестве сырья был использован уголь Тугнуйского месторождения Бурятии со следующими ха -рактеристиками: влажность Wр=14,0%, зольность Ар=19,4%, выход летучих веществ Уг=45,0%. Состав угля на сухую массу представлен в таблице 1.
Таблица 1
Состав угля в мас. % (на сухую массу)
Органическая часть угля, мас.% Минеральная часть угля, мас. %
СС ОС НС БС БЮ2+ТЮ2 Л1203+Ге203 СаО+ 1^0 К20+Ыа20
61,7 13,2 4,1 1,2 0,39 11,34 6,28 1,51 0,28
Эксперименты проводились при мощности реактора 15-100 кВт, что соответствует силе тока в дуге 100-250 А при напряжении на ней 150-400 В.
Целью экспериментов было определение зависимости состава получаемого синтез-газа от режимов работы установки.
На первом этапе исследований была поставлена задача выяснения влияния атмосферного воздуха на состав и качество получаемого синтез-газа, прошедшего обработку в низкотемпературной плазме. Воздух и уголь подавались вместе в плазменный реактор. В каждом последующем опыте изменяли количество поданного воздуха в реактор от 5 до 25 кг/ч при постоянном расходе угля, равном 50 кг/ч. При выражении этих величин в соотношениях воздух/уголь расход реагентов изменялся в пределах от 1/10 до 1/2. Результаты экспериментов показаны в таблице 2.
Во второй серии экспериментов в плазменный реактор дополнительно подавался водяной пар в количестве 5 кг, фиксированные расходы угля и пара выбраны в связи с необходимостью обеспечения условий устойчивой работы электродугового реактора.
Состав газа в большей степени представлен водородом и оксидом углерода (II), суммарное содержание которых колеблется в пределах от 70,3 до 87,5 % (табл. 3). Количество экспериментов не так велико, чтобы построить кривые. Но, тем не менее, по экспериментальным данным видно, что при воздействии водяного пара на уголь значительно увеличивается объем горючих компонентов, снижается содержание балластов. Очевидно, что с увеличением расхода подводимого воздуха объемная доля азота воздуха возрастает, что сопровождается соответствующим понижением теплотворной способности синтез-газа. Подача же водяного пара позволила увеличить содержание горючих веществ и, как следствие, поднять энергетическую ценность получаемого синтез-газа в среднем на 85,3 ккал/нм3.
Таблица 2
Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха_
Содержание компонентов, об. % Расход воздуха (расход воздуха, выраженный в отношении к расходу угля, кг/кг), кг/ч
5 (0,1) 10 (0,2) 15 (0,3) 20 (0,4) 25 (0,5)
Н2 50,5 48,5 43,3 40,9 37,1
С0 33,1 33,7 35,5 36,2 37,7
N2 11,8 13 16,8 20,2 21,3
СН4 1,1 1 0,7 0,3 0,3
С2Н2 0,6 0,6 0,4 0,3 0,2
С02 1,3 1,5 1,8 1,1 1,9
02 1,6 1,7 1,5 1 1,5
СО+Н2 83,6 82,2 78,8 77,1 74,8
Q, ккал/нм3 2467,26 2425,42 2298,51 2212,74 2149,45
Таблица 3
Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара_
Содержание компонентов, об. % Расход воздуха (расход воздуха, выраженный в отношении к расходу угля, кг/кг), кг/ч
5 (0,1) 10 (0,2) 15 (0,3) 20 (0,4) 25 (0,5)
Н2 50,6 47,2 44,8 40,8 35,5
С0 36,9 35,4 35,6 33,6 34,8
N2 9 11,7 13,2 19 22,6
СН4 1,3 1,8 2 1,8 2
С2Н2 0,3 0,4 0,4 0,5 0,4
С02 1,1 1,9 2,4 2 2,7
02 0,8 1,6 1,6 2,3 2
СО+Н2 87,5 82,6 80,4 74,4 70,3
Q, ккал/нм3 2569,47 2490,08 2451,45 2281,49 2187,56
Полученный в экспериментах синтез-газ имеет высокое процентное содержание горючих веществ, и его калорийность, в зависимости от соотношения угля и воздуха, колеблется в пределах от 2150 до 2450 ккал/нм3.
Экспериментальные данные позволяют выбрать приемлемое соотношение воздух/уголь. Наиболее предпочтительными являются соотношения 3:10 и 4:10, так как в таком режиме получен синтез-газ с относительно низким содержанием балласта и высокой теплотворной способностью. Получение синтез-газа с калорийностью менее 2000 ккал/нм3 является экономически менее целесообразным, в случаях же выбора соотношения меньше, чем 4:10, влечет за собой снижение степени газификации угля и, как следствие, уменьшение объема получаемого синтез-газа.
Во второй серии экспериментов было изучено влияние водяного пара на состав получаемого синтез-газа. Соотношение расходов угля и воздуха в этих экспериментах было фиксированным. В плазменный реактор поступали уголь и воздух в количестве 50 и 25 кг/ч соответственно. Количество пара варьировалось в пределах от 5 до 30 кг/ч.
Результаты экспериментов приведены в таблице 4, из которых видно, что при достижении соотношения пара к углю 1:10 объемное содержание горючих компонентов и теплотворная способность синтез-газа достигают максимума.
Таблица 4
Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара
Содержание компонентов, об. % Расход пара, кг/ч
5 10 15 20 25 30
Н2 39,6 41,5 43,7 41,6 35,8 32,1
СО 29,5 29,8 29,1 30,2 29,4 27,9
ы2 22 19,6 18,5 20 24,8 28,7
СН4 2,3 2,1 2,3 2 2,3 1,8
С2Н2 0,5 0,6 0,4 0,5 0,4 0,4
СО2 4,9 5 4,8 4,2 4,2 4
О2 1,2 1,4 1,2 1,5 3,1 5,1
СО+Н2+ СН4 71,4 73,4 75,1 73,8 67,5 61,8
Q, ккал/нм3 2168,73 2220,67 2251,18 2215,85 2056,8 1873,1
Как оказалось, дальнейшее увеличение расхода пара приводит к снижению теплотворной способности синтез-газа, что связано с общим падением температуры в зоне реакции до температур порядка 700 К. Исходя из этого можно заключить, что оптимальным соотношением реагентов уголь:воздух:пар, позволяющим получить синтез-газ с наибольшим содержанием горючих элементов, в данном случае является соотношение 10:4:1.
В проводимых экспериментах не учитываются многие факторы, степень влияния которых пока еще остается неустановленной.
Выход продуктов зависит от определенного набора параметров, некоторые из которых сложно определить:
1) распределение температуры по всему объему зоны пиролиза (реактор, модули);
2) интенсивность подачи реагентов;
3) разряжение в камере реактора;
4) химический состав угля;
5) напряжение и сила тока дуги;
6) напряженность магнитного поля соленоида;
7) объем камеры реактора;
8) распределение реагентов по ступеням установки.
Наибольший интерес представляет температура, поскольку от температуры в большей степени зависит результат газификации. Температура в камере плазменного реактора зависит от силы тока в дуге, а также от величины расхода реагентов и их температуры. Однако температура сама по себе является инерционной величиной, и маловероятно, что в пределах реактора изменяется значительно, поэтому в теоретических расчетах она принимается независимой от прочих условий.
Результаты расчетов для плазменной газификации углей представлены ниже. Расчеты проводились с применением программы химического и фазового равновесия многокомпонентных систем «ТЕРРА». Первоначально было определено влияние воздуха на состав горючих компонентов в общем объеме синтез-газа (рис. 2 и 3).
На рисунке 2 видно, что концентрация горючих компонентов (СО+ Н2+СН4) увеличивается с ростом температуры процесса, и при температуре 1200 К она составляет 52% газовой фазы и затем мало изменяется.
На рисунке 3 видно, что процесс газификации начинается при температуре около 1000 К. Отчетливо видно снижение в общем объеме диоксида углерода (СО2) и паров воды. Концентрация азота составляет около 47%.
По результатам расчетов можно сделать вывод, что плазменная газификация Тугнуйского угля при использовании в качестве окислительного агента воздуха дает на выходе синтез-газ с процентным содержанием горючих компонентов около 52%, но с очень большим содержанием азота (около 47%).
Результаты расчетов с учетом наличия пара представлены на рисунках 4 и 5.
Особо следует отметить изменение удельных энергозатрат при паровой плазменной газификации угля в диапазоне температур от 800 до 2000 К. Процесс идет в основном с поглощением теплоты, необходимой для разложения пара, а при воздушной плазменной газификации до 1650 К процесс идет с образованием дополнительно производимой теплоты, вследствие окисления углерода и других компонентов. Затем подводимая к системе теплота начинает все больше расходоваться на нагрев рабочей смеси, а не на образование горючих компонентов. Из анализа данных видно, что максимальный суммарный выход горючих при воздушной плазменной достигается при температуре 1200 К, а в случае паровой -уже при 800 К. Также в равновесном составе газовой фазы при воздушной плазменной газификации угля в основном преобладает оксид углерода, а при паровой значительную долю составляет водород. Таким образом, из проведенных выше расчетов видно, что при паровой плазменно-термической обработке угля получается наиболее высококалорийный синтез-газ с наименьшим содержанием балластов.
Рис. 2. Зависимость выхода горючих от температуры при воздушной плазменной газификации Тугнуйского угля
ЙГ,%6В
15
10
Т, К
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
0 $ Ой .ЗОЛИ м 2
0
750
1000
1250
1500
1750 Т, К
Рис. 3. Равновесный состав газовой фазы при воздушной плазменной газификации Тугнуйского угля
300 ООО 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1000 1700 1000 1000 2000
Рис. 4. Зависимость концентрации горючих компонентов от температуры при паровой плазменной газификации Тугнуйского угля
Рис. 5. Равновесный состав газовой фазы при воздушной плазменной газификации Тугнуйского угля
Заключение
По результатам экспериментов можно сделать вывод, что для углей с конкретными характеристиками существует оптимальный режим работы плазменной установки, при котором объемное содержание в газовой фазе горючих продуктов реакции максимально. Однако при этом не учитывается величина температуры в реакторе и ее изменение в зависимости от расхода подаваемых реагентов. Расчеты показывают, что концентрация горючих веществ в газовой фазе достаточно сильно зависит от температуры. Отсюда ясно, что для определенного типа угля с его уникальными характеристиками возможно подоб -рать оптимальный режим газификации, при котором будет получен высококалорийный газ. Но для этого нужно учитывать параметры, измерение которых напрямую затруднительно.
Библиография
1. Жуков М.Ф., Аньшаков А.С., Лукашов В.П., Перегудов В.С. Электродуговые плазмотроны и перспективность применения низкотемпературной плазмы в энерегетике // Высокотемпературные течения и тепломассообмен. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1990. - С.3-46.
2. Буянтуев С.Л. Применение плазменных пылеугольных горелок для снижения вредных выбросов и повышения технико-экономических показателей котлоагрегата типа ТПЕ-185 Улан-Удэнской ТЭЦ-2 / Буянтуев С.Л., Елисафенко А.В., Легостаев С.М., Михаилов С.Ф., Предеин А.П. // Энергетика. 2003. №3. С. 13-15.
3. Буянтуев С.Л., Цыдыпов Д.Б., Старинский И.В. Исследование термической обработки углей в плазменном реакторе для получения полукокса-сорбента // Вестник БГУ. - Улан-Удэ, 2001.
4. Ибраев Ш.Ш. Плазменные реакторы для переработки измельченных материалов / КазНИИЭ. - Алма-Ата,
1989.
Bibliography
1. Zhukov M.F., Anshakov A.S., Lukashov V.P., Peregudov V.S. Electric plazmogenerator and promising use of low-temperature plasma in power engineering // High temperature flow and heat mass exchange. - Novosibirsk: ITF SO AN SSSR, 1990. - P.3-46.
2. Buyantuev S.L. The use of coal-fired burners plasma to reduce emissions and improve the technical and economic parameters such as boiler TPE-185 Ulan-Ude TPP-2 / Buyantuev S.L., Elisafenko A.V., Legostaev S.M., Michkailov S.F., Predein A.P. // Energetika. 2003. № 3. - P. 13-15.
3. Buyantuev S.L., Tsydypov D.B., Starynsky I. V. / Investigation of thermal processing of coal into a plasma reactor for char-coal sorbent. BSU Bulletin. Ulan-Ude, 2001.
4. Ibrayev Sh.Sh. Plasma reactors for processing powdered materials - Alma-Ata, KazNIIE, 1989.
