Возврат на предыдущую страницу
Разработка новых газификационных технологий и установок.
Комиссарюк Е.Г., Кравцов В.В.
Газификация угля в расплаве шлака.
С учетом структуры запасов энергоносителей, которыми располагает Украина, а также все возрастающих потребностей в природном газе сегодня особого внимания заслуживают технологии, использующие альтернативное топливо. Активное освоение и дальнейшее развитие подобных технологий - один из перспективных путей решения проблемы недостающего стране природного газа. К числу указанных технологий, прежде всего, относятся технологии газификации угля.
Опыт зарубежных стран подтверждает такую политику использования энергетического сырья. Так, в США более 10 лет крупные фирмы ведут исследовательские и конструкторские работы в области заменителя природного газа. После 1973 г. в
Европе, особенно в ФРГ (богатой каменными углями), при значительной финансовой поддержке официальных кругов также активизировались работы по газификации углей. Усилия направлены главным образом на развитие таких процессов, как производство синтез-газа, восстановительного газа для производства железа, а также дешевого чистого топлива для промышленности и электроэнергетики. При этом отпадает необходимость расходовать на второстепенные цели скудные запасы природного газа, нефти или производимых из нее вторичных продуктов, но, с другой стороны, сохраняются технологические преимущества использования газа. Например, в январе 1980 г. правительством ФРГ была утверждена программа переработки угля, в рамках которой было представлено 12 проектов-предложений по газификации угля. Таким образом, с пуском промышленных установок для газификации угля, начиная с середины 90-х годов, угольный газ (синтез-газ) вносит свой вклад в энергосбережение.Одним из наиболее известных вариантов рассматриваемых технологий является газификация угля в расплаве шлака. Такая технология, предусматривающая последующее сжигание синтезированного газа в котле-утилизаторе, исследована на промышленных аналогах - металлургических печах жидкофазного восстановления железа (ПЖВ). Подобные печи различной конструкции эксплуатируются на различных заводах России.
Зарубежным аналогом таких печей является схема Гумбольдт - процесса, представленная на рис.1.
Рис. 1 - Схема Гумбольдт-процесса: 1-3 - углеподготовка; 4-5 - подготовка известняка; 6 - газогенератор; 7 - разделительная камера с грануляцией шлака; 8 -затвор; 9 - подготовка воды; 10 - котел-утилизатор; 11 - циклон; 12 - охлаждение и очистка газа; 13 – компрессор.
Компания “КГД Гумбольдт-Ведаг АГ” в настоящее время ведет строительство опытной установки с производительностью по углю 10 т/ч и рабочим давлением 0,1 МПа. Технологической основой является процесс газификации угля в расплаве железа. Вышеназванная фирма
модифицировала способ газификации путем введения подовых горелок с подачей в них смеси угля, известняка и кислорода.
На рис.2 показана аналогичная схема газификации угля в расплаве шлака с (подачей в горелки смеси кислорода и пара через боковые фурмы). В данном варианте решена проблема удаления легких и тяжелых шлаков, величина и соотношение которых определяются углем и выбранным шлаковым режимом (его основностью). На рис.3 представлены изотермы вязкости шлаков различной их основности.
Рис 2 - Схема газификации угля в расплаве с разделением шлака: 1 - узел заготовки
; 2 - газификатор: 3 - накопитель легкого шлака: 4 - гранулятор легкого шлака.
Рис.3 - Изотермы вязкости шлаков различной основности.
Из полученных данных видно, что пригодными для ведения процесса являются шлаки, находящиеся в интервале основности 0,5...1,5 при температуре расплава 1450...1650 °С. Вязкость при этом будет находиться в интервале 0,2...1 Па, что отвечает технологическим требованиям к шлаковому режиму, обеспечивающему надежность слива по такой технологии. Как видно из рис.4.3, температура кристаллизации 1300...1420°С также является удовлетворительной, т.к. обеспечивает возможность перегрева расплава на 50...70 °С, необходимого для надежного обеспечения удаления шлака из газогенератора.
В представленных газогенераторах реализуется уникальная технология газификации углей различных марок в барботируемом кислородосодержащим газом силикатном расплаве шлака. Образующаяся в расплаве газожидкостная эмульсия обеспечивает идеальные условия тепломассообмена и контакта топлива с окислителем, а также относительно высокий уровень температур, что в комплексе способствует практически полной газификации углей, в том числе низкого качества. Процесс протекает в районе температуры 1500 °С. Наличие восстановительной атмосферы в рабочем пространстве расплава, способствует совместно с идеальным смешением топлива и окислителя эффективному восстановлению оксидов азота, выход которых не превышает 150 мг/м3. Подача рядового топлива совместно с известняком способствует связыванию 90 % серы топлива и низкому содержанию оксидов серы в дымовых газах.
.
Весьма перспективной выглядит также технология производства электроэнергии с использованием газификации угля в кипящем слое под давлением. Признанным лидером в области разработки и применения в энергетике технологии сжигания углей в пузырьковом кипящем слое под давлением (ПКСД) является фирма АВВ Сагвоn, Швеция. В ПКСД - технологии фирмы АВВ Сагвоn применяется парогазовый цикл с двумя рабочими телами: паром и воздухом.
С целью усовершенствования способа газификации угля в расплаве шлака нами предложена технология, по которой дутье в шлаковый расплав выполняют смесью воздуха, кислорода и водяного пара с расходом 1,3 -4,0 кг смеси на 1 кг угля.
Целесообразно, чтобы соотношение компонентов в газовой смеси составляло 3-75 мас. % воздуха, 25-70 мас. % кислорода, 1,5-40 мас. % водяного пара. Такое соотношение охватывает приведенный диапазон компонентов дутья при различной степени обогащения дутья кислородом и обеспечивает необходимые условия для протекания реальной газификации и поддержания угля над шлаковой ванной в псевдосжиженном состоянии.
Целесообразно также дутье в шлаковый расплав выполнить в пульсирующем режиме с частотой пульсации дутья, равной 0,2-5.0 Гц. Такое решение обеспечивает оптимальное поступление газа в слой угля.
Предпочтительно подавать уголь в измельченном виде с максимальной фракцией 25 мм. Такая фракция обеспечивает оптимальные параметры для получения псевдосжиженого слоя угля над поверхностью расплава шлака.
В Украине за год сжигается около 6,3 т условного топлива на одного жителя, что отвечает уровню экономически развитых стран. Если пересчитать топливо потребление на единицу валового национального продукта, то окажется, что затраты энергетических ресурсов промышленными и коммунально-бытовыми потребителями Украины в 4-6 раз выше, чем в других странах. Серьезным последствием сжигания больших объемов топлива является загрязнение окружающей среды. Концентрация двуокиси углерода возрастает на 0,7% в год, метана - на 1%, окислов азота - на 0,2%. Значительными источниками загрязнения воздушного бассейна являются теплоэлектростанции и малые теплогенерирующие установки. При этом более 25%, а в некоторых городах более 50% всех выбросов осуществляется малыми тепловыми установками, которые работают на твердом или жидком топливе. Коэффициент полезного действия малых котельных с устаревшим оборудованием иногда составляет 24%. Поэтому необходимо в срочном порядке обратить внимание на новые технологии, которые позволят не только уменьшить топливные и материальные затраты, но и остановить негативное влияние на окружающую среду.