Полтавський Євгеній Олександрович

РЕФЕРАТ МАГІСТЕРСЬКОЇ РОБОТИ

           Обмеженість світових запасів нафти і природного газу, підвищення їх ціни і наростаючі екологічні проблеми обумовлюють перехід світової економіки на новий енергоносій.Цілком зрозуміло, що вуглевидобувні мегаполіси як Донбас, будуть будувати свою стратегію поступового переходу на більш чисті енергоносії, саме на базі вугілля. У той же час вугілля як енергоносій має і досить суттєві негативні якості.Всі проблеми знаходять своє позитивне вирішення при початковій газифікації вугілля.
          Даний напрямок утилізації вугілля пов'язан з його так званим «неенергетичним» використанням. Мова йде про переробку вугілля в інші види палива (наприклад, в горючий газ, середньотемпературний кокс і ін), раніше або супутнє отримання з нього теплової енергії. Наприклад, у Німеччині в роки Другої світової війни технології газифікації вугілля активно застосовувалися для виробництва моторного палива. У ПАР на заводі SASOL з використанням технології шарової газифікації під тиском, перші розробки якої були також виконані в Німеччині в 30-40-ті роки XX століття, в даний час з бурого вугілля виробляється більше 100 найменувань продукції. (Цей процес газифікації відомий також під назвою «спосіб Lurgi».))
          Найбільш важлива характеристика того чи іншого технологічного процесу газифікації вугілля - можливість його широкого застосування. Унікальність технології обумовлена тим, що з сирого синтетичного газу (сінгаза) можна отримувати більше сотні продуктів для різних галузей промисловості: металургії, електроенергетики, хімії, нафтохімії і т.д. Синтетичний газ (сінгаз) служить сировиною для отримання альтернативних видів палива, таких як синтетичний природний газ (SNG), етанол, дизель, паливо для авіадвигунів, а також багатьох інших, які в той же час є екологічно чистими. Крім того, собівартість синтетичного газу (сінгаза) нижче, ніж природного. На користь газифікації вугілля, а також використання синтетичного газу (сінгаза) в цілому, говорить наступне:

– газифікація вугілля дає можливість виробляти енергію і отримувати продукцію при невеликих витратах, що забезпечує конкурентну перевагу на ринку дорогих енергоносіїв;

– хоча великі вугільні станції, що працюють на газі з вугілля, потребують великих капітальних витрат (як і будь-яке інше велике виробництво), витрати на експлуатацію установки газифікації вугілля будуть потенційно нижче ніж для звичайних вугільних станцій, оскільки перші більш ефективні і не вимагають дорогого обладнання для захисту навколишнього середовища;

– газ з вугілля може замінити постійно дорожчающий природний газ, що використовується як паливо або сировина.

          Я вважаю, що у світі, який потребує скорочення викидів парникових газів, газифікація вугілля буде вигідна як з економічної, так і з екологічної точки зору.
          У світі прогнозується стрімкий розвиток газифікації вугілля. Очікується зростання потужностей з газифікації вугілля на 70% до 2015 р., причому 80% цього зростання припаде на Азію. Причиною цього є не тільки збільшення чисельності населення, але й високі ціни на нафту і природний газ. В результаті зріс інтерес до альтернативних джерел енергії.
          У своїй магістерській роботі я планую провести аналіз існуючих у Донбасі марок вугілля; як основних (базових), так і нових, установок з газифікації, тим самим визначивши найбільш підходяще співвідношення процесу і марки вугілля.У процесі аналіза розглядатимуться наступні основні схеми процесів газифікації:

          Схема газифікації за технологією "Лурги".

          Автотермічна газифікація під тиском у шаровому реакторі з протитечійним рухом вугілля й парокисневій суміші. Цей газогенератор з успіхом використовувася чмсленними підприємствами в багатьох великомасштабних промислових установках.Давно розроблений процес до цієї пори є єдиним велокомасштабним і досить досконалим процесом газифікації під тиском.Незважаючи на те,що багато технологічних ступень даного процесу ще будуть удосконалюватися,у технічному відношенні цей спосіб у цей час найбільш глибоко розроблений.Продуктивність газогенератора складає 75000 м³/год.

          Схема газифікації за технологією "Вінклер".

          Автотермічна газифікація водяною парою з повітрям або киснем у киплячому шарі при нормальному тиску. Відомо 16 промислових установок з 36 газогенераторами,номінальна продуктивність яких по синтез газу складає від 5000 до 60000 м³/год, що відповідає витраті вугілля приблизно від 3 до 35 т/год.У цей час деякі із цих установок ще перебувають в експлуатації.Новий варіант процесу передбачає газифікацію сухого бурого вугілля киснем або попередньо нагрітим повітрям під тиском (високотемпературний процес Вінклера).

          Схема газифікації за технологією "Копперс-Тотцек".

          Автотермічна парокиснева газифікація зваженої пилової хмари при нормальному тиску в прямоточному режимі. До теперішнього часу виготовляються газогенератори переважно із двома пальниковими голівками.Довжина такого газогенератора становить 7,5 м. Внутрішній діаметр до 3,5 м ,внутрішній об'єм близько 28 м³.Газогенератор із чотирма пальниковими голівками має об'єм у два рази більше. Витрата вугілля становить для газогенератора із двома пальниковими голівками 13,5 т/год,чотирма - 20,8 т/год.Виробництво сирого газу становить для газогенератора із двома пальниковими голівками 21000 м³/год,чотирма - 32300 м³/год.

          Схема газифікації за технологією "Тексако".

          Автотермічна газифікація вугілля під тиском у прямотечії з паром і кисем.В 1978 році на заводі в Моргантаун (Західна Верджинія) фірма "Олни Матисон Кемикл Корпорейшн" увела в експлуатацію промислову установку продуктивністю 6500 м³/час для одержання синтез-газу за тихнологією "Тексако".У принципі технологія не залежить від типу вугілля.

          Схема газифікації за технологією "Лурги-Рур-100".

          Автотермічна газифікація вугілля в протитечійному напрямку з парокисневою сумішшю в шаровому реакторі при тиску до 10 МПа.Газогенератор розрахований на тиск до 10 МПа та витрати 7,1 т/год чистого вугілля.У ньому передбачені два газовідбірні канали для чистого газу й газу напівкоксування,а також убудована водоохолоджувальна сорочка для виробництва пари високого тиску.Генератор має два поперемінно працюючих вугільних шлюзи,вал що обертається з розподільником вугілля й декількома мішалками,передбаченими у зв'язку зі схильністю вугілля до спікання при високому тиску.Однією із цілей удосконалення газогенератора є зміна гранулометричного складу вугілля убік дрібних фракцій.Крім того,повинно використовуватися забаластоване вугілля.Кінцева мета складається в застосуванні сирого рядового вугілля.У дослідах,проведених до теперішнього часу,використовували спочатку грудковий антрацит,потім високозольні відходи збагачення антрациту й нарешті відходи збагачення газового вугілля. Газогенератор цього процесу має наступний вигляд:

          У результаті аналізу планується отримання наступних даних: ентальпія утворення різних марок вугілля; оцінка впливу теплоти згоряння палива на ентальпію його утворення; вплив ентальпії утворення на основні показники процесу газифікації; вплив вологості та зольності вугілля на його ентальпію утворення; вплив ентальпії утворення вугілля на адіабатичну температуру і склад продуктів газифікації; вплив ентальпії утворення вугілля на теплоту згоряння і вихід генераторного газу. Далі буде побудовано математичну модель процесу газифікації для обраного методу і марки вугілля. Для побудови математичної моделі та інженерних розрахунків вистачить розглянути сумарні кінетичні параметри реакцій вуглецю з О₂, СО₂ та Н₂О.Результатом розрахунку має стати найбільш ефективне співвідношення суміші пар / кисень і його вплив на склад синтез-газу при різних температурі і тиску і можливі пропозиції щодо вдосконалення або самого газогенератора, або існуючого процесу.
Література:

1. Шпильрайн Э.Э., Малышенко СП., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. Глава 2,1 Под ред. В.А. Легасова.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-264 с.-С. 50—70. .

2. Физика и научно-технический прогресс (ФиНаТ-2005)/Донец. нац. техн. ун-т, Физ.-металлург. фак

3. Мамась М.П. Теоретические аспекты применения водородного топлива и его продуктов/ Охрана навколишнього середовища/ ДонНТУ; Редкол.: Є.О. Башков.-2006.

4. Гольцов В.А., Везироглу Т.Н., Гольцова Л.Ф. Водородная цивилизация будущего – новая концепция Международной ассоциации водородной энергетики // Вестник водородной экономики и экологии. – Донецк: ДонНТУ, 2004.