АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ГАЗИФИКАЦИИ ДЛЯ УГЛЕЙ ДОНЕЦКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО БАСЕЙНА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
авторы: Пархоменко Д. И., Полтавский Е.А.
источник:ХХ ВСЕУКРАИНСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ АСПИРАНТОВ И СТУДЕНТОВ "ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ" Том 2 2010 год.
В настоящее время в связи с трудностями в обеспечении Украины нефтью и газом проявляется интерес
к использованию нетрадиционных источников энергии – ветра, солнца, биогаза. Одним из рациональных способов решения проблемы энергетического
обеспечения страны является – газификация угля, так как Украина обладает достаточными запасами этого полезного ископаемого на долгосрочную
перспективу. Подсчитано, что суммарные запасы угля в нашей стране составляют: прогнозные – 117,5 млрд. тонн, разведанные – 56,7 млрд. тонн.
Основными угольными бассейнами являются Донецкий, Львовско-Волынский и Днепропетровский.
В результате анализа различных марок угля мы пришли к выводу, что наиболее подходящим для газификации
является газовый уголь Донецкого бассейна с энтальпией образования от (-1937) до (-6395) кДж/кг., а также достаточно высоким выходом летучих.
Для современной химической промышленности и энергетики нужны газогенераторы с единичной мощностью по
углю 100 т/ч и больше. Сейчас в промышленности используются такие технологические процессы как: «Лурги», «Винклера», «Копперс-Тотцек».
В ходе анализа основных существующих методов газификации, был получен ряд результатов:
1. Процесс «Лурги» - опробован в промышленности, работает на каменном и буром угле, фракция – кусковой 6-10 мм., газифицирующий агент
О2 + пар, противоток слоевой, давления пара 2-3 МПа, соотношения сырого газа Н2/СО/СО2/СН4=36-40/18-25/27-32/9-10%, Vгв=1400-1700м3/т , ηг=75-85%, ηт=75%,
степень конверсии 99%, Qнр=11 МДж/м3 , Gкислорода=220-300 т, Gпара=0,1-3 т.;
2. Процесс «Винклера» - опробован в промышленности, уголь бурый, фракция – мелкозернистый 1-8 мм., О2 + пар, противоток слоевой, давление
атмосферное, соотношения сырого газа Н2/СО/СО2/СН4=35-45/30-50/13-25/0,5-2%, Qнр=9-13 МДж/м3 , ηг=75%, ηт=80%, степень конверсии 90%, Vгв=1600м3/т , Gкислорода=350 т,
Gпара=0,88 т.;
3. Процесс «Копперс-Тотцек» - опробован в промышленности, все типы угля, уголь пылеподобный, агент О2 + пар, прямоточный взвешенный поток,
давление атмосферное, Н2/СО/СО2/СН4=32/55-66/0,8/0,1%, Qнр=10,6-11,8 МДж/м3 , ηг=70-77%, ηт=75-85%, степень конверсии 90-96%, Vгв=1650м3/т , Gкислорода=540 т, Gпара=0,24 т.
В процессе аналитической работы при выборе процесса отталкивались от следующих соображений: тип угля,
влияющий на проникновение и скорость реакции; при газификации угля с целью получения синтез-газа (Н2+СО) используют агенты, которые газифицируют
(пар+О2). С экономической стороны более выгодным будет процесс, в котором пренебрегается подготовка угля до пылеобразного состояния и снижается
потребление кислорода и пара. С учётом выше перечисленного, а так же степенью конверсии угля и КПД газификации, значительное преимущество имеет
процесс «Лурги». Схема газификации угля по этой технологии показана ниже:
Основные показатели продуктивности газогенератора: диаметр реактора – 3,6 – 4 м, расход угля – 15 т/ч,
производительность по газу – 75000 м3/ч, питательный расход угля – 1,2 т/(ч•м3), питательный расход по газу – 4500 м3/(ч•м3).
Основным видом угля является каменный с влажностью до 20%, но с общим содержание балласта не более
45%. Наилучшая фракция 6-40 мм., доля мелочи (менее 1 мм.) не более 7%. Верхняя граница допустимого содержания золы 35%. Нижняя граница интервала
размягчения золы ?1000°С. Для оптимальной эксплуатации необходимо раздробить сырой уголь и высушить. Затем его подают в газогенератор через
периодически работающий шлюз. Газификация осуществляется при давлении 3МПа, с использованием пароводяной смеси, вдуваемой в реактор через
поворотную колосниковую решётку. Зола периодически удаляется через шлюзовый бункер в нижней части газогенератора. Газ, который выходит из реактора,
охлаждается водой в промывном охладителе до температуры 180-200°С. При этом отмываются вынесенные из газогенератора угольная пыль и смола. Далее в
котле-утилизаторе вырабатывается пар низкого давления (0,5-0,7 МПа), при этом температура газа снижается на 20-30°С. Удалённая запылённая смола
опять подаётся в газогенератор на верхний слой угля и выполняет роль уловителя пыли. Часть потока сырого газа поддаётся конверсии в две стадии при
температуре 440 и 400°С. Отводимое тепло используется для производства пара низкого давления. Главное превосходство данного процесса в том, что
для конверсии неочищенного газа не нужно подачи дополнительных реагентов. Дальнейшая газоочистка осуществляется с помощью ректизольного отмывания,
как правило, в две ступени. Для инженерных расчётов рассматривались только суммарные кинетические параметры реакций углерода с СО2, СО, Н2О.
В результате построения кинетической модели был просчитан равновесный состав выходной дутьевой смеси и получены идеальные параметры для синтез-газа
– Т=773 K, P=0,1 МПа, состав смеси Н2О/О2=4, но эти условия имеют рад негативных факторов: при низком давлении будут проблемы с интенсификацией
процесса, неполное реагирование угля с компонентами агента, высокий выход золы и повышенное шлакоудаление, также не будет полной очистки синтез-газа
от балласта. Для нормальной работы цикла газификации нужно иметь несколько другие параметры, по нашим результатам это - Т=973 K, P=2 МПа, Н2О/О2=18
, они являются самыми эффективными с КПД процесса 0,8. В результате получаем очищенный газ с низшей теплотой сгорания 16 МДж/м3.