Установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива

Полезная модель относится к энергетике, а именно к устройствам для сжигания и термической переработки углей, и может быть использована на тепловых станциях, в котельных для получения из низкосортного энергетического угля энергии и высококачественного синтез-газа.
Известен газогенератор для газификации водоугольной суспензии и сжигания твердого или водоугольного топлива (ВУТ), включающий вертикальную реакционную камеру с кипящим слоем твердого или водоугольного топлива, газораспределительную решетку, выполненную с окном в центральной части, средство для подачи твердого топлива, расположенное в нижней части камеры под газораспределительной решеткой, золоотводящее устройство, причем реакционная камера снабжена вертикальной перегородкой, делящей ее на отсеки газификации и сжигания, а на перегородке укреплены наклонные тепловые трубы, размещенные верхними конденсационными частями в отсеке газификации, а нижними, испарительными, в отсеке сжигания топлива, расположенными в окне газораспределительной решетки колошниковыми подпружиненными пластинами; газоплотными экранами, расположенными в отсеках и выполненными в виде вертикальных тепловых труб, соединенных с коллекторами, причем коллектор вертикальных тепловых труб, расположенных в отсеке газификации, сообщен с емкостью для водоугольной суспензии и с трубой для подачи водоугольной суспензии (Пат.РФ №1775464, опубл. 15.11.1992).
Недостатки известного газогенератора заключаются в следующем. Для целей газификации водоугольного топлива (ВУТ) в нем используется воздух, подаваемый под газораспределительную решетку, в результате чего вырабатываемый генераторный газ содержит значительное количество балластирующего газа азота, что требует очистки от него генераторного газа перед подачей потребителю.
Теплопередача из отсека сжигания в отсек газификации происходит только через разделяющую их перегородку, а не через всю боковую поверхность отсека газификации, что снижает температуру, а значит и скорость протекания реакций газификации ВУТ.
Еще более усугубляет это то, что сжигание ВУТ или угля в кипящем слое проходит при более низких температурах (примерно на 200-300°С), чем при их распиливании, вследствие чего интенсивность процесса газификации ВУТ еще более снижается.
Использование прямоточного нагрева газификационной части газогенератора продуктами сгорания топлива также является сравнительно неэффективным по сравнению с противоточным.
Кроме того, в известном техническом решении не используется энергетический потенциал, содержащийся в дымовых газах от сгорания топлива.
Известен электродуговой плазменный реактор для газификации углей, содержащий камеру с электромагнитной катушкой, стержневые электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, при этом патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора кольцевых каналов, расположенных по концентрическим окружностям, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи дымовых газов, а на внутренней стенке реактора на одном уровне с электромагнитной катушкой выполнен кольцевой паз, высота которого равна высоте электромагнитной катушки (Пат.РФ №2087525, опубл. 20.08.1997).
Недостатки известного реактора следующие.
Наличие высоких температур (свыше 3000-4000°К) требует изготовления внутренних стенок плазмореактора из материалов, устойчивых к воздействию углекислого газа, водяного пара и кислорода, входящего в состав дымовых газов, поскольку предполагаемая защита стенок реактора стекающим шлаком неэффективна, а в случае малозольных углей просто будет отсутствовать. В целом это снижает надежность работы предлагаемого электродугового плазменного реактора для газификации углей.
Недостатком также является малая эффективность процесса газификации в плазменном реакторе, поскольку непосредственно на газификацию угля используется только 31,5% дымовых газов, а остальные 68,5% представлены балластом (азотом), который не только не участвует в процессе газификации, но является тепловым балластом как при его нагреве в процессе газификации, так и охлаждении после завершения процесса получения синтез-газа.
Эффект балластировки дымовых газов также связан с повышенным расходом воздуха при сжигании углей, служащих источником дымовых газов, поскольку в этом случае коэффициент избытка воздуха составляет 1,35-1,4, и по этой причине исходный дымовой газ содержит существенное количество кислорода, которое составляет 4-6% (объемных).
Кроме того, по завершении процесса газификации полученный синтез-газ имеет низкую теплоту сгорания, поскольку продукты газификации забалластированы азотом, от которого они должны быть очищены перед передачей потребителю.
Принципиальным недостатком всех высокотемпературных (свыше 3000-4000°К) реакторов для газификации углей является то, что хотя среднемассовая температура процесса лежит в области значительно более низких температур около 2000°К, в процессе смешения и охлаждения в реагирующей смеси в небольших количествах образуются вредные вещества циан (CN) и синильная кислота (HCN), которые сохраняются в продуктах газификации.
Известна установка плазмотермической переработки водоугольного топлива в синтез-газ, включающая бункер для угольной пыли, резервуар для окислителя, смеситель, диспергирующее устройство, насос для перекачки водоугольной суспензии, подогреватель, газодувку, дымовую трубу, газификационную колонну, теплообменник первой ступени газификационной колонны, закалочное устройство для синтез-газа, плазмореактор, теплообменник второй ступени газификационной колонны, распределитель газифицируемой смеси, плазменные источники, теплообменник для прокачивания горячего синтез-газа, устройство очистки синтез-газа, горелки и топочное устройство газификационной колонны (Пат.РФ №2047650, опубл. 10.11.1995).
2
2
Недостатком известного технического решения является сложность установки, в которой процесс подогрева водоугольной суспензии протекает в две стадии, вначале в подогревателе предварительного подогрева водоугольной суспензии до 500-600°К, а затем в нижней части трубчатого теплообменника первой стадии газификации со сжиганием в теплообменнике части синтез-газа, а процесс газификации водоугольной суспензии протекает в три стадии, вначале в закалочном устройстве, являющимся выходной частью плазмореактора, затем в верхней части теплообменника, а затем в собственно плазмореакторе, а также необходимость использования для реализации третьего этапа газификации высокотемпературного плазмореактора, использование которого требует применения специальных материалов, стойких к воздействию высокой температуры (2500-3000°К) в химически агрессивной среде (СО, НO и т.д.).
В известной установке также завышены затраты энергии на производство синтез-газа, что связано с вводом парогазоугольной взвеси, состоящей из окиси углерода, углекислого газа, водорода, паров воды и непрореагировавших частиц угля, в плазмореактор, в котором в качестве реагента используются пары воды, что приводит к дополнительной балластировке газообразных продуктов газификации водяным паром и простейшими углеводородами, образующимися при высоких температурах 2500-3000°К.
Используемая в установке схема взаимодействия плазменных струй пара со струями газифицируемой смеси, организация возврата непрореагировавших частиц органической части угля в реакционную зону до их полного превращения в газ в равной степени касается и твердых частиц, входящих в состав минеральной части угля, которые не реагируют с паровой фазой и вследствие чего будут накапливаться в высокотемпературной зоне плазмореактора. Вследствие высоких температур, создаваемых в плазмореакторе (2500-3000°К), и длительности пребывания в ней окислы металлов, входящих в состав минеральной части угля, расплавятся и станет возможным их химическое взаимодействие с углеродом с образованием металлов, их карбидов и окиси углерода, на что будет потрачена значительная часть энергии и что в целом понизит калорийность синтез-газа за счет обогащения его окисью углерода.
Известна установка для переработки угля в синтез-газ из водоугольного топлива, которая содержит бункер для дробленого угля, резервуар для воды и сообщенный с ними диспергатор для получения водоугольного топлива (ВУТ), вертикально установленный газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов. Установка содержит также насос для подачи водоугольного топлива, трубчатый охладитель для синтез-газа и сепаратор для отделения сконденсировавшейся воды (Пат.РФ №2190661, опубл. 10.10.2002).
В указанной установке в качестве водоугольного топлива используют коллоидную дисперсную топливную систему со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы не более 1 мкм.
Температуру теплоносителя в межтрубном пространстве реактора поддерживают в диапазоне 400(1000°С, а температуру в трубах - в диапазоне 200…800°С.
Недостатком известной установки является невысокая эффективность процесса получения синтез-газа, которая обусловлена следующими факторами:
- приготовление коллоидной дисперсной топливной системы в интерактивном механохимическом реакторе (диспергаторе) сопровождается измельчением не только органической, но и минеральной (зольной) части угля со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы не более 1 мкм, что значительно повышает энергозатраты на измельчение угля в целом, а использование интерактивного механохимического реактора для приготовления топливной системы удорожает установку в целом;
- использование прямоточного трубчатого охладителя для охлаждения синтез-газа также является неэффективным по сравнению с противоточным;
- независимый нагрев теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство реактора, до 1000°С при наличии горячего воздуха, охлаждающего синтез-газ после трубчатого охладителя, приводит к лишним затратам энергии на нагрев дисперсной топливной системы;
- рекомендуемый диапазон температуры газификации 200-800°С не обеспечивает эффективное проведение этого процесса в случае использования низкореакционных углей, например антрацита.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении эффективности работы установки для получения синтез-газа из водоугольного топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что установка получения синтез-газа из водоугольного топлива, включающая систему подготовки водоугольного топлива, вертикально установленный газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов, в отличие от прототипа снабжена струйной мельницей водоугольного топлива, установленной в верхней части камеры газификации для водоугольного топлива, которая выполнена в виде полого цилиндра с тангенциальными газовыми горелками, находящимися в плоскости соударения водоугольных струй и работающих на синтез газе и воздухе подаваемом компрессором, приводимым от газовой турбины, работающего на уходящих газах из генератора; подогрев ВУТ осуществляется последовательно в охладителях минеральной части самого генератора и сепаратора для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов, затем в охладителе газов перед газовой турбиной и в радиационном противопоточном подогревателе ВУТ в нижней конусной части газогенератора.
В предлагаемой установке эффективность работы установки повышается за счет того, что при принятой цилиндрической компоновке камеры газификации водоугольного топлива (ВУТ), в нижней конусной части которой установлен подогреватель ВУТ, что создает условия для организации противоточного теплообмена между продуктами газификации водоугольного топлива и продуктами сгорания синтез-газа и удаление минеральной части из продуктов газификации. Тангенциально расположенные в камере газификации газо-воздушные горелки, способствуют качественному перемешиванию газифицируемых компонентов, выравнивая профили температур по поперечному сечению камеры газификации, что также способствует повышению эффективности процесса газификации. Отличительной особенностью установки является также наличие теплообменников на бункерах сепаратора продуктов сгорания и за ними. Такое исполнение позволяет охладить синтез газ до требуемой рабочей температуры газовой турбины. Воздухоподогреватель на выходе синтез газа позволяет возвратить часть тепловой энергии в зону газификации.
Применение турбонаддува позволяет проводить процесс газификации при повышенном давлении, что увеличивает концентрации реагирующих веществ с увеличением ее скорости и позволяет значительно уменьшить габаритные размеры установки.
Применение струйной мельницы для ВУТ в камере газификации позволяет применять ВУТ с помолом до 100 мкм, что уменьшает затраты на приготовление ВУТ.
Расходы полученного синтез-газа, направляемого на поддержание требуемой температуры процесса, связаны между собой таким образом, что при газификации ВУТ полностью используется двуокись углерода и часть водяного пара, входящих в состав дымовых газов, получаемых при сжигании синтез-газ. Оставшаяся часть углерода, входящая в состав газифицируемой части ВУТ, газифицируется за счет воды, входящей в состав газифицируемого ВУТ. Регулируя количество воды, направляемой на приготовление ВУТ, можно в достаточно широких пределах регулировать процесс газификации ВУТ. Таким образом, процесс газификации всегда автоматически сбалансирован по исходным компонентам, что повышает степень эффективности использования дымовых газов.
Газогенератор предназначен для непосредственной подачи синтез газа в топки котлов и его достаточно высокая температура не является отрицательным свойством: тепловая энергия будет отдана рабочему телу котла и при применении в нем конденсационных хвостовых поверхностей вся теплота конденсации водяных паров будет полезно использована. Потери в сравнении с непосредственным сжиганием угля в котле и при использовании газогенератора в последнем случае будут меньше, так КПД при работе на газе на 6…10% выше, чем на угле. Применение данной установки позволит без реконструкции котлов перейти с дорогого мазута на уголь.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемой установки для получения синтез-газа из водоугольного топлива, на фиг. 2 - поперечный разрез горелочного устройства установки.
Установка содержит систему 1 подачи ВУТ, связанную с системой 2 подачи мазута, которые через общий трубопровод 3 последовательно связывают между собой: охладитель 4 бункера 5 сбора минеральной части из камеры 6 газификации; охладитель 7 бункера 8 сбора минеральной части из сепаратора 9 для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов; первый подогреватель 10 ВУТ; второй радиационный подогреватель 11 ВУТ. Оба подогревателя 10 и 11 ВУТ последовательно соединены между собой и на выходе двумя трубопроводами с распылительными соплами, которые расположены напротив друг друга по оси газогенератора в верхней части камеры газификации и образуют струйную мельницу 12. В верхней части камеры 6 газификации тангенциально расположены газовые горелки 13, между собой соединенные воздуховодом 14 и с воздушным компрессором 15 воздуховодом 16, через воздухоподогреватель 17 и регулируемое смесительное устройство 18, также горелки 13 связаны с подачей воздуха из котельной через запорные обратные клапаны 19. Газовые горелки 13 расположены в горизонтальной плоскости, проходящей по середине расстояния между распылительными соплами ВУТ, которые образуют струйную мельницу 12 и связаны трубопроводами с радиационным подогревателем 11 ВУТ. Синтез - газ после выхода из подогревателя 10 ВУТ по двум каналам: по каналу 20 к газовой турбине 21 и по каналу 22 через регулирующую диафрагму 23 в воздухоподогреватель 17. Газы, выходящие из газовой турбины 21 по каналу 24, входят в канал 22. Газоход 25 после воздухоподогревателя 17 соединяется с котлами (на фиг. 1 не показаны) через затвор 26 и с дымовой трубой через запор 27. Для удаления золы из бункеров 5 и 9 в нижних их частях установлены шлюзы с промежуточными бункерами 28 и 29 и затворами 30, 31 и 32, 33.
Установка работает следующим образом.
Пуск газогенератора проводят на мазуте через трубопровод 2, трубопровод 1 для ВУТ перекрывают. В камеру 6 газификации подают через клапаны 19 воздух, который смешивается с распыленным в струйной мельнице 12 мазутом, смесь зажигается (зажигательное устройство не показано) и вихревым потоком движется вниз камеры 6, прогревая стены из огнеупорного кирпича. Продукты сгорания проходят сепаратор 9 и подогреватель 10 и в полном объеме поступают в газовую турбину 21, регулирующая диафрагма 23 при этом закрыта. Турбина 21 вращает компрессор воздуха 15, при этом воздух подают по трубопроводу 16 через воздухоподогреватель 17 в горелки 13. Продукты сгорания поступают после турбины 21 через воздухоподогреватель 17 в трубу котельной через открытый затвор 27, при этом затвор 26 для подачи газа к котлам закрыт, также закрыта подача газа в смесительном устройстве 18. При разогреве установки турбина 21 выходит на расчетный режим, давление воздуха в воздуховоде 14 превышает давление воздуха, идущего из котельной, обратные клапана 19 перекрывают - установка работает на воздухе от компрессора 15. После полного прогрева камеры 6 постепенно снижают подачу мазута по трубе 2 и пропорционально увеличивают подачу ВУТ через трубу 1. После прекращения подачи мазута установка работает в режиме газификации: затвор 26 открывают и газы идут на работу котлов, которые переводят с мазута на синтез-газ, затвор 27 перекрывают, регулирующую диафрагму 23 и смесительное устройство 18 переводят в рабочий режим. Газ с воздухом через горелки 13 подают в камеру 6 газификации, там загораются от высокой температуры, чем поддерживают ее на необходимом уровне, обеспечивающем эндотермические реакции углерода угля и воды из ВУТ, которые после струйной мельницы 12 разлетаются к стенкам камеры 6, где подхватываются тангенциальными высокотемпературными потоками продуктов сгорания, выходящими из горелок 13. В виде кругового вихря реакционная масса по спирали движется вниз, постепенно превращается в смесь водорода и окиси углерода, слегка забалластированную продуктами сгорания газа: окисью углерода и азотом воздуха. При круговом вращении газового потока минеральная часть ВУТ отбиваются к стенке камеры 6 и по ней опускается в бункер 5, где охлаждается через стенки проходящим по подогревателю 4 ВУТ. Газы из средней нижней части камеры 6 поступают в циклонный сепаратор 9, где минеральная часть ВУТ отбивается к стенкам и по ним опускается в бункер 8, где охлаждается через стенки проходящим по подогревателю 7 ВУТ. Далее очищенные газы проходят подогреватель 10 ВУТ, затем поступают в газовую турбину 21 и через нее и параллельно через регулирующую диафрагму 23 через каналы 22 и 24 в воздухоподогреватель 17 и затем часть через смесительное устройство 18 к горелкам 13, остальное к котлам по газоходу 25. ВУТ после подогревателя 10 поступает на окончательный перегрев в радиационный подогреватель 11 и затем по двум трубам в струйную мельницу 12, где паро-угольная смесь через два, направленных друг на друга сопла, распыляется и дробится при встречном соударении двух распыленных струй. При этом угольная часть частиц, как наиболее пористая, попадает из трубопровода высокого давления ВУТ (3…4 МПа) в газовую полость с низким давлением (0,2(0,3 МПа) и разрушается, чем многократно увеличивает площадь ее реагирования с водой. Минеральная же часть, как наиболее плотная, почти не разрушается и по этой причине хорошо сепарируется в круговом движении потока. Минеральную часть из бункеров 5 и 8 по их заполнении периодически удаляют при помощи шлюзовых устройств, состоящих из промежуточных бункеров 28, 29 затворов 30, 31, 32 и 33. Последние позволяют, не понижая давления в камере 6, производить удаление минеральной части ВУТ. Все тепло, выделившееся при горении части произведенного в установке газа, полностью передают обратно в процесс и в котельную установку, за исключением потерь в окружающую среду (они неизбежны в любой установке с высокой внутренней температурой).
Пример.
Работоспособность предлагаемой установки рассмотрим на примере котельной, работающей на мазуте.
Максимальная производительность тепла котельной при работе на мазуте составит:
1
x
пв
Q=D(i-i)η=25000(2791-418,7)0,89/3600=1466 кВт.
где D=25 т/ч - паропроизводительность котла ДЕ-25-14;
x
i=2791 кДж/кг - энтальпия насыщенного пара;
пв
i=418,7 кДж/ кг - энтальпия питательной воды;
км
η=КПД котла ДЕ-25-14 при работе на мазуте.
Для расчета примем с запасом:
1
Q=2 MBт.
р
н
Для обеспечения данной производительности тепла необходим расход Березовского бурого угля Б2-Р (при условии, что мы будем сжигать его в виде полученного из него газа с Q=13,02 МДж/кг):
угл
1
н=
р
В=Q/Q2/13,03=0,154 кг/с.
Сколько необходимо воды для проведения паровой газификации этого расхода угля?
Реакция паровой газификации:
2
2
НО+С=Н+СО-130500 Дж/моль
18+12=2+28
Количественно масса 1 моль вещества - масса вещества в граммах, численно равная его атомной или молекулярной массе
газиф
q=130,5/12=10,875 кДж/г=10875 кДж/кг.
Для 1 кг углерода требуется 18/12=1,5 кг воды.
Поучается из 1 кг углерода:
г
Водорода Н=2/12=0,167 кг;
г
Угарного газа СО=28/12=2,ЗЗ кг.
Количество воды уменьшится на:
г
ΔW=18/12=l,5 кг.
р
г
p
Несвязанного углерода с водородом будет меньше от общего не более чем ΔС=(V-W)=48-33=15%.
Итак, в 1 кг топлива будет следующее количество углерода, способного соединится с водой:
газ
р
р
С=(С-ΔС)/100=(44,2-15)/100=0,292 кг.
Для этого количества углерода для проведения паровой газификации теоретически потребуется следующее количество воды:
т
вод
G=0,292⋅1,5=0,438 кг.
Теоретически для проведения паровой газификации потребуется добавить в топливо воды:
вод
вод
т
р
ΔG=G-W/100=0,438-0,33=0,108 кг.
Так как процесс газификации далек от идеального (частицы угля имеют конкретный размер и процесс будет проходить на их поверхности; смесеобразование частиц угля и паров воды тоже имеет не идеальный характер) необходимо влагосодержание ВУТ увеличить до 50% и тогда его состав из 1 кг угля будет следующий:
р
р
р
р
р
р
С=0,442 кг; Н=0,031 кг; О=0,144 кг; S=0,002 кг; А=0,047 кг; W=0,5 кг.
Масса ВУТ из 1 кг угля составит 1,166 кг.
В 1 кг ВУТ будет:
р
р
р
p
р
р
ВУТ
ВУТ
ВУТ
ВУТ
ВУТ
ВУТ
С=0,379 кг (37,9%); Н=0,026 кг (2,6%); О=0,123 кг (12,3%); S=0,0017 кг (0,17%); А=0,04 кг (4%); W=0,429 кг (42,9%).
1
2
ВУТ нагревают, сжигая продукты газификации, выходящие из реактора с температурой t=673 K (при давлении 3 МПа это будет пароугольная смесь) до температуры t=1273 K. При этом необходимо избегать размягчения и плавления минеральной части угля.
Для этого нужно подвести следующее количество тепла для 1 кг ВУТ в реактор:
наг
BУT
2
1
BУT
угл2
2
угл1
1
р
р
Q=[W(i-i)]/100+[(100-W)(сt-Ct]/100=
[42,9·(4642-3276)]/100+[(100-42,9)(3,051-1273-
-1,901⋅673)]/100=2055 кДж/кг.
ГСССД 187-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0…1000°С и давлениях 0,001…1000 МПа: энтальпия для воды при абсолютном давлении 0,2 МПа:
1
1
при t=673 K i=3276 кДж/кг;
2
1
при t=1273К i=4642 кДж/кг.
угл1
1
=
с1,901 кДж/(кг К) - теплоемкость сухого угля при t=673 K;
угл2
1
=
с3,051кДж/(кг К) - теплоемкость сухого угля при t=1273 K.
Расход ВУТ:
ВУТ
угл
В=1,166 В=1,166-0,124=0,145 кг/с.
Производительность тепла горелочного устройства составит для нагрева смеси:
гор
ВУТ
наг
5
нarp
Q=ВQ/(l-q)=0,145-2055/(l-0,05)=314 кBт.
Производительность тепла горелочного устройства составит для проведения эндотермической реакции газификации составит:
peaк
ВУТ
газ
газиф
5
нагр=
QВСq/[1,166(1-q)]=
=0,145⋅0,292⋅10873/[1,166(1-0,05)]=416 кВт.
Общее количество тепла, обеспечивающее газификацию:
гop
гop
реак
сум
нагр
нагр
Q=Q+Q=314+416=730 KBT.
Это треть производительности тепла котельной, но эта энергия запасена в виде физического тепла газовой смеси и в химической энергии, запасенной в горючих элементах: водороде и в угарном газе, которые будут полезно использоваться в процессе газификации и дальнейшем в работе котлов котельной.
Состав получаемого газа из 1 кг ВУТ (при допущении - углерод из летучих углеводородов полностью реагирует с водой, эта часть получаемого водорода компенсирует теплопроизводительность летучих):
газ
ВУТ
г
р
ВодородН=НС=0,167⋅0,379=0,063 кг/кг (ВУТ);
газ
ВУТ
г
р
Угарный газ СО=СО С=2,33⋅0,379=0,883 кг/кг (ВУТ);
газ
ВУТ
ВУТ
р
г
р
Вода W=W-ΔWС=0,429-1,5-0,3⋅79=-0,14 кг/кг (ВУТ), это говорит о том, что часть углерода из летучих не реагирует с водой, что выходит из наших принятых допущений.
Теплотворная способность газовой смеси, получаемая из 1 кг ВУТ составит (без балласта):
газВУТ
газ
Н2
газ
О=НQ+СО Qco=
=0,063⋅120500+0,883⋅10100=16510 кДж/кг (ВУТ),
Н2
где Q - теплота сгорания водорода (120500 кДж/кг);
Qco - теплота сгорания СО (10100 кДж/кг).
Теплотворная способность газовой смеси, получаемая из 1 кг газа будет (без балласта):
газ
газВУТ
газ
газ
Q=Q/(Н+СО)=16510/(0,063+0,883)=17452 кДж/кг.
2
Это теоретическая величина, не учитывающая балластные составляющие: СO от горения газа для поддержания реакции, азота воздуха, идущего на горение. Расчет балластных составляющих проводят методом последовательных приближений: для этого задают количество балластных газов, определяют по ним теплотворную способность газа; определяют необходимый расход этого газа и воздуха, необходимый для поддержания реакции в генераторе, определяют количество образовавщихся балластных газов. Повторяют до равенства принятых и полученных значений.
Общая производительность газа генератором по горючим составляющим:
общ. гг
газ
газ
ВУТ
G=(H+СО)В=(0,063+0,883)0,145=0,137 кг/с.
г.г
Необходимое количество горючих составляющих (расход G) для поддержания требуемой температуры в генераторе:
г.г
гор
газ
сум
G=Q/Q=730/17452=0,0418 кг/с
Это часть общего расхода по горючим составляющим:
г.г/
общ
GG=0,0418/0,137=0,305(30,5%).
При горении этого газа выделится:
Бвод
газ
Воды G=(18/2)Н=(18/2)0,063=0,567 кг;
2
БСО2
СO (углекислого газа) G=
газ
=СО(12+32)/(12+16)=0,883⋅44/28=1,387 кг;
Базот
газ
газ
Азота воздуха G=(0,78/0,21)[(16/2)Н+СО16/(12+16)]=
=(0,78/0,21)[(16/2)0,063+0,883⋅16/(12+16)]=3,576 кг.
Суммарное выделение балластных газов (воду можно исключить - она пойдет на образование водорода и угарного газа в генераторе):
Бг=
БC02
Базот
GG+G=1,387+3,576=4,963 кг.
Расход их в генераторном газе составит:
Бг.г
Бг
г.г=
G=GG4,96⋅0,0418=0,207 кг/с.
Общая производительность газа по горючим составляющим:
общ
общ. гг
Бг.г
G=G+G=0,126+0,207=0,333 кг/с
Баластировка генераторного газа:
Б
Бr.г
oбщ
K=G/G=0,207/0,333=0,621 (62,1%).
Теплотворная способность газовой смеси, получаемая из 1 кг газа, составит с балластом:
газ Б
газ
Б
Q=Q/(1+К)=17452/(1+0,621)=10768 кДж/кг.
Эта цифра не учитывает дополнительный расход газа с балластом, идущим на горение, это еще 30,5%, что составит:
газ Б
Б
Q=Qгаз/(1+К)=10768/(1+0,305)=8951 кДж/кг.
Также не учтено в расчете количество физического тепла, подаваемое с газом и воздухом, поступающим в горелку, а это почти 5% дополнительной тепловой энергии:
rop
rop
нагrp
нarp
ΔQ=0,05Q=0,05-416=20,8 кВт.
Соответственно на 5% уменьшится требуемый расход газа на горение и количество балласта в газе, что уличит его теплотворную способность до:
газ Б
газ
2
2
Q=Q (1,05)=8951 (1,05)=9869 кДж/кг.
газ Б
3
Для расчета газогенератора принимают теплотворную способность вырабатываемого им газа Q=10 МДж/кг (14,1 МДж/ нм).
Плотность газа:
гтл
2
2
2
2
2
ρ=0,01[l,96CO+1,52HS+1,25N+1,43О+1,25CO+0,0899H+
m
n
4
3
+ Σ(0,536m+0,045n) СН+0,717 CH], кг/нм.
гтл
3
ρ=0,01[l,96⋅24+l,25⋅61+l,25⋅14,2+0,0899⋅0,94]=l,4l кг/нм.
2
2
2
где СO=24%; N=61%; СО=14,2%; Н=0,94%.
Расчетный расход генераторного газа, отбираемый в горелки для его нормальной работы:
газ
cyмм
нагр
3
рас
гoр
rop
raз Б
В=(Q-ΔQ)/Q=(730-20,8)/10000=0,07 нм/с
=(0,05 кг/с), что в процентах составит к общей производительности генератора 100⋅0,05/0,333=15%.
Количество тепла, которое получит ВУТ в подогревателях от газа при нагреве ВУТ от 20°С до 400°С.
под.ВУТ
наг
ВУТ
2
1
ВУТ
угл2
2
угл1
1
p
p
Q=Q=[W(i-i)]/100+[(100-W)(ct- ct)]/100=
=[42,9⋅(3275-128)]/100+[(100-42,9)(2,15-400-1,67⋅20)]/100=1852 кДж/кг.
ГСССД 187-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0…1000°С и давлениях 0,001…1000 МПа: энтальпия для воды при абсолютном давлении 0,2 МПа:
1
1
при t=20°C i=128 кДж/кг;
2
2
при t=400°C i=3275 кДж/кг.
угл1
1
=
с1,67 кДж/(кг К) - теплоемкость сухого угля при t=20°C;
угл2
2
с=2,15 кДж/(кг К) - теплоемкость сухого угля при t=400°C.
1 г
При этом газ охладится от при t=1000°C до:
2 г
1 г
под.вут
ВУТ
газ
raз Б
t=t-QG/(с G)=1000-1852⋅0,137/(1,25⋅0,145)=652°С.
1 т
2 г
1 т
raз Б
2 т
Какую мощность выдаст газовая турбина при следующих параметрах газа перед ней t=t=652°C, давление р=0,25 МПа, расход газа G=0,145 кг/с: за турбиной р=0,02 МПа.
Известно, что газотурбинные установки (ГТУ) на обычных инертных газах (Не, N2, СO2, Ne и др.) при уровне температур 650-750°С имеют низкий эффективный к.п.д. цикла. В них доля мощности турбины, затрачиваемой на сжатие газа, составляет 65-80% и лишь 20-35% мощности турбины составляют полезную работу цикла, которую можно дополнительно снять с вала, например электрическим генератором.
Мощность на валу турбины определяют из выражения:
Т
Т
Т
Т
N=Н⋅М⋅η,
т
ргаз
т
raз Б
Т
где Н - располагаемый перепад энтальпии в Дж /кг (энтальпия ΔH=С⋅Т) - это энергия, связанная с данным состоянием газа - температурой, давлением, скоростью); М=G=0,145 кг,с - расход газа через турбину; η - эффективный КПД турбины (0,7-0,8). Для средних значений газа в турбине:
Τ
praз
1 т
2т
ΔH=c(t-t)=1,25(625-300)=406 кДж/кг и тогда
Т
N=406⋅0,145⋅0,7=41 кВт.
2к
1к
2к
Расход воздуха, который обеспечит мощность турбины при давлении за компрессором р=0,25 МПа и температурах воздуха до t=20°С и после t=150°С:
воз
Т
к
2
2
0
0
T
κ
0
0
2
2
=
GNη/(рv-рv)=Nη/[vp(T/T-1)]=
5
=41000⋅0,7⋅/[0,772⋅10(323/293-1)]=0,91 кг/с.
Мощности с запасом хватает для привода компрессора. Можно большую часть газа пускать через регулирующую диафрагму в котлы через воздухоподогреватель, что дополнительно позволит уменьшить расход газа на собственные нужды газогенератора. Таким образом, предлагаемая установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива (ВУТ) позволяет в достаточно широких пределах регулировать соотношение между сжигаемым синтез-газом и газифицируемым ВУТ.
Заявляемая установка является промышленно применимой, так как включает в себя реально существующие элементы, изготовление и монтаж которых не вызывает затруднений.
Заявляемая установка по принципу действия, обеспечиваемому новой совокупностью существенных признаков, позволяет осуществлять качественную газификацию ВУТ из различных углей для перевода мазутных котельных на работу на угле.