Оптимизация параметорв воздушной газификации угля в газогенераторе с кипящим слоем

УДК 669.2.046

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ.

А.М. ДУБИНИН, В.Г. ТУПОНОГОВ, Д.В. ФИЛИППОВ

Уральский государственный технический университет - УПИ

Приводится анализ процесса воздушной газификации угля в кипящем слое. Выполнены моделирование и экспериментальные исследования характеристик газогенератора с самообогревом. Определена зависимость производительности газогенератора от параметров процесса газификации.

Газификация бурых углей применяется для выработки газа, который в дальнейшем используется в качестве восстановительной атмосферы в металлургии для энергетических целей, а также для получения жидкого топлива.

Одним из наиболее распространенных способов получения газа из углей является газификация в кипящем слое [1, 2]. Газогенераторы с кипящим слоем находят широкое применение в промышленности [3, 4]. Воздушная газификация бурых углей в кипящем слое позволяет получить горючий газ. Однако газ, получаемый при воздушной газификации, имеет низкую теплоту сгорания (около 4 МДж/м3), так как содержит большое количество азота (более 60 %) и из-за того, что при коэффициенте расхода воздуха, равном 0,5, в слое устанавливается температура около 760 oC. Тем не менее, этот газ можно использовать в энергетических установках для выработки тепловой энергии и даже комбинированной выработки электроэнергии на тепловом потреблении (мини-ТЭЦ на базе ДВС).

Основной задачей оптимизации процесса воздушной газификации в кипящем слое является определение параметров, при которых возможно получение с единицы площади сечения газогенератора максимального количества газа, имеющего наибольшую теплоту сгорания при минимальном расходе топлива. В данной работе рассмотрено влияние температуры процесса воздушной газификации на производительность разработанного ранее газогенератора с кипящим слоем и самообогревом (подвод теплоты осуществляется за счет сжигания части продуктов газификации в газогенераторе) [5, 6]. Повышение температуры с 760 до 830 oC от внешнего источника теплоты способствует максимальному выходу CO. Для последующих расчетов обозначим общее количество продуктов газификации 1, количество продуктов газификации, отводимых из газогенератора для дальнейшего использования - х, а сжигаемых в газогенераторе для подвода теплоты - (1-х).

Исследование зависимости производительности газогенератора от параметра х выполнено на основе математической модели с проверкой на экспериментальном газогенераторе (рис. 1).

При идеальном перемешивании твердой фазы в газогенераторе с кипящим слоем стационарную задачу о распределении температуры и концентраций реагирующих компонентов можно описать системой уравнений теплового и материального балансов.

© А.М. Дубинин, В.Г. Тупоногов, Д.В. Филиппов Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

Рис. 1. Схема газогенератора с кипящим слоем и самообогревом: 1 - ввод первичного воздуха; 2 - ввод вторичного воздуха на горение; 3 - ввод угля; 4 - отвод продуктов газификации; 5 - отвод продуктов сгорания; 6 - отвод золы; 7 - регулятор нулевого перепада давления между камерами; 8 -зонтик для перемешивания продуктов газификации с воздухом; 9 -

водоохлаждаемые циклоны; х - доля продуктов газификации, отводимых на потребление; (1-х) - доля продуктов

газификации, отводимых на горение

Уравнение теплового баланса:

(1 - х)[X1 (1 -Ч3 - Ч4 -Ч5 - Ч6 )] + Чу + Чву + Чв 1 + Чв2 (1 - х) =

•(1 - х)• і + спг • х • і + Чх2

1-

ГО 2 0,21

+Ч

нив у

где qх 1 - тепловой эффект экзотермической реакции горения продуктов газификации СО + 1,88^ + 0,5(02 + 3,76^) = С02 + 3,76^ в зоне подвода воздуха, равный 23596 кДж на кг исходного углерода; qx 2 - тепловой эффект

экзотермической реакции неполного горения углерода топлива С + 0,5(02 + 3,76^) = СО + 1,88^ при коэффициенте расхода воздуха 0.5, равный 9225 кДж на кг исходного углерода; q3 , q4 , q5 , q 6 - потери теплоты с химическим недожогом, уносом угля в окружающую среду и с золой приняты равными 0,03, 0,02, 0,03 и

0,03 соответственно; qу, qву, qв 1, qв2- теплота, вносимая в газогенератор с

углем, влагой угля, воздухом, подаваемым на газификацию и горение, отнесенная к исходной массе углерода и, равная, соответственно, 27, 66, 116, 277 кДж/кг; qнив у - теплота, затраченная на нагрев, испарение и перегрев пара влаги угля,

отнесенная к массе исходного углерода и равная 1230 кДж/кг; спг и спс - удельные теплоемкости продуктов газификации и сгорания, равные 9,68 и 19,2 кДж/К на кг исходного углерода, соответственно; ^ - температура в кипящем слое, 0С; Го2 -

средняя объемная концентрация 02 на выходе из газогенератора, м3/м3.

Известно, что при прохождении газа через кипящий слой часть продуктов газификации фильтруется через плотную фазу со скоростью минимального псевдоожижения wmf , а другая часть проходит в пузырях со скоростью wb .

Уравнение материального баланса 02 при реагировании с углеродом по реакции С + (02 + 3,76^) = С02 + 3,76^ в плотной фазе имеет вид

^02

- wmf-------= CC • K1 ‘Бmf • г02 ,

dz

то же самое для реагирования в пузырях:

^02

- wb--------= CC • K1 • Р1 • г02.

dz 2

Уравнение материального баланса образования углекислого газа по реакции С + (02 + 3,76^) = С02 + 3,76^ и превращения его в С0 по реакции С + С02 + 3,76^ = 2С0 + 3,76^ : для плотной фазы

^02

- wmf-------= CC • K 2 8 mf • г02 — CC ' K 2 mf ' ГС02 ;

dz

для реакции в пузырях ^С02

- wb--------= CC •K2 • Р1 • г02 - CC • K2 • Р 2 • ГС02 .

dz

Граничные условия к уравнениям (1-4):

Г°2 1=

Здесь:

z = 0; го I = 0,21; гсо = 0 * ’ о2 1г=0 ’ ’ со2 и=0

К1 = 50 • 104 • ехр

12028

- константа скорости расходования кислорода

К 2 = 5,317•103•ехр

при частичном горении углерода топлива, м3/(с-кг) [7];

/ 7890 ^

------- - константа скорости расходования диоксида

^ 273 +1^

углерода при взаимодействии с углеродом, м3/(с-кг) [7]; wmf - скорость

минимального псевдоожижения частиц слоя диаметром dч и плотностью рч при реальных условиях, м/с. Определялась по методике [8]; wb - скорость подъема

w р - wmf

пузырей, м/с, рассчитывалась по формуле wb =— -------------—; wр - расчетная

Аг ^

скорость псевдоожижения в аппарате в реальных условиях, м/с, определялась по Я пг

соотношению w р =-------, где Я пг - массовая скорость продуктов газификации в

рпг

расчете на пустое сечение газогенератора, кг/(м2-с), рассчитывается делением суммы массовых расходов углерода топлива и воздуха на площадь сечения газогенератора; рпг - плотность конечных продуктов газификации, кг/м3, при

гр — г mf

реальных условиях; Аг =------------- - приращение порозности кипящего слоя,

1-г mf

методике, изложенной в

концентрация углерода в

через которую проходят газы в пузырях, м3/м3; гр , гщ? - порозности при рабочей и минимальной скоростях псевдоожижения соответственно. Находятся по

[8]: CC = ( — гmf )• ру • 100 -

кипящем слое, кг/м3; Ру - насыпная плотность полукокса топлива, кг/м3

(предполагается, что летучие из угля равномерно распределены по объему слоя); с - содержание углерода в полукоксе, %.

с

Для кипящего слоя с инертным теплоносителем Cc = г^ • Ру 100 .

*02 , ГС02 - текущие концентрации кислорода и диоксида углерода, м3/м3;

г - текущая координата по высоте, м; р1, р2 - коэффициенты, учитывающие процессы, происходящие в пузырях, определялись по методу, изложенному в [9]:

1

в 1 =-------------,

1 Cc•к1 1 ’

---------1---

(к вс)в Ус 1

Cc • к2 Г’

---------1---

(квс)в Ус

в 2 =

Здесь (к вс )в - коэффициент газообмена пузыря с облаком и шлейфом, 1/с;

ус - доля частиц в облаке и шлейфе от объема пузырей в слое.

Решения уравнений (1) и (2) при упомянутом граничном условии имеют

вид:

концентрация 02 на выходе из плотной фазы

(

г^ = 0,21 • ехр °2

Cc •К1 •г щТ • Ь

\

w

щТ

то же на выходе из пузырей: г

г™ = 0,21 • ехр °2

Cc • к 1 • в 1 • Ь

wb

Здесь Ь - высота кипящего слоя в газогенераторе, м.

Усреднение концентрации кислорода на выходе из кипящего слоя

wщf • г0ь2 р

w

щТ

Г02 =

ьь

2

Подстановка выражений (5) и (6) в уравнения (3) и (4) дает выражения для расчета концентрации С02 на выходе из плотной фазы и пузырей:

со2

ГЬЬ

со

0,21•К1 К1 - К 2 0,21 • К1 • в 1

2 К1 • р1 - К 2 • Р 2

ехр Сс К2^гт/  ь - ехр Сс •К 1'£т/ • ь

т/ % ^ ™т/ ,

ехр Г Сс • К 2 в2 • ь Л - ехр Г Сс • К гр 1 • ь Л

< wъ > < wъ

Усреднение концентрации С02 на выходе из газогенератора _ щт/ • Г02 + (щр - Щт/ ГС

ГС02 =

.ьъ

СО2

р

Уравнения материального баланса для реакции образования оксида углерода:

для реакции в плотной фазе

йг.

т/

СО

= 2 • К2 • Сс • гт/ • гС02 (і) ;

для реакции в пузырях ^СО

2 • К2 • СС • Д2 • гС02

(і )•

Граничное условие к уравнениям (9, 10): г = 0; гсо |г_0 = 0.

В уравнениях (9) и (10) коэффициент 2 показывает, что из 1 м3 С02 по реакции С + С02 + 3,76^ = 2С0 + 3,76^ образуется 2 м3 СО.

Подстановка уравнений (7) и (8) в выражения (9) и (10) и интегрирование позволяет находить концентрацию СО на выходе из плотной фазы и пузырей:

'С0'

ГС0=

2^ 0,21 К1 • К2 1 - ехр К2 • СС •г т/ •ь 1 - ехр К1 • СС •г т/

< Wm/ , ^ Wm/

1,21-К1 - К2 20,21 К1 • Р1 • К2 Р2 1-ехр К2 Г К2 •Сс-Р2 • ь < wъ у 1 -ехр К1 ' К1 •Сс-Р1 • ьЛ < Щ >

1,21К1 ^ -К2 Р2 К2 ^2 К1 •Р!

• ь

;

В уравнениях (11) и (12) коэффициент 1,21 учитывает разбавление концентрации СО из-за увеличения объемов продуктов реакции в 1,21 раза. Усредненная концентрация С0 на выходе из газогенератора

ГС0 =

т/ •

ГС0 + (щР щт/ ^ Г|

.ьъ

С0

Концентрация азота на выходе г]Ч2 =1 — (г02 + гС02 + гС0 ).

Сравнение рассчитанных по приведенным формулам концентраций компонентов продуктов газификации с экспериментально замеренными при температуре 815 0С представлено в таблице.

Таблица

Сравнение расчетных и экспериментальных данных по объемным концентрациям компонентов продуктов газификации

Компоненты CO2 O2 N2 со сн, H2

Эксперимент 7,7 3,1 61,7 19,5 1,2 6,8

Расчет 11,3 3,0 62,8 22,9 - -

Эксперименты проведены в газогенераторе диаметром 0,28 м. Частицы электрокорунда диаметром 0,5 мм в смеси с частицами полукокса Ирша-Бородинского угля диаметром 0-0,5 мм. Концентрация углерода в слое 0,84 кг/м3. Высота кипящего слоя L=1 м. Расход полукокса 25,4 кг/ч (c=90%), воздуха на газификацию - 103 м3/ч, на дожигание - 0-40 м3/ч. х=0,94.

Долю х изменяли варьированием диаметра внутренней трубы для отвода полезного продукта газификации на использование. Массовая скорость продуктов газификации 0,7 кг/(м2-с). Рабочая скорость продуктов газификации 2,2 м/с при реальных условиях на пустое сечение установки.

Зола удалялась из мигалок, установленных на циклонах, через которые отводились продукты газификации и сгорания.

Далее по составу продуктов определялась теплота сгорания, кДж/м3, по уравнению Д.И. Менделеева:

Qr = 126,4 • г со +108 • гн2 + 328,4 • rCH4.

Здесь rco, гн2 , rcH4 выражены в объемных процентах.

Оптимизировали величину Q = B • x • Qr , кВт в зависимости от параметра х.

G • FP 3

Здесь B = —-— - объемная производительность газогенератора, м /с, при

р пг

нормальных условиях; Fр и рпг - площадь сечения газогенератора, м2, и

плотность продуктов газификации при нормальных условиях, кг/м3.

Результаты эксперимента представлены на рис. 2. Сравнение эксперимента с расчетами представлено на рис. 3.

В результате расчетов и экспериментов было установлено, что оптимальное значение x, при котором производительность экспериментального газогенератора имеет максимальное значение, составляет 0,925, температура в слое - 830 oC, а газ при этих условиях имеет теплоту сгорания 3500 кДж/м3.

В промышленных газогенераторах с кипящим слоем унос топлива доходит до 25 %, поэтому целесообразно на выходе продуктов газификации и сгорания устанавливать водоохлаждаемые циклоны с возвратом угля в кипящий слой, как это делают в котлах с циркуляционным кипящим слоем.

І, °С

1000

900

800

700

\

\

А А \

Д \ о"\ і

со\ \\

Н2 /— ¿я ссь

/

Ог.1— -

П> % Ог кДж/м3 70 '

60

50

40

ЗО

20

10

5000

4000

3000

2000

- 50 -40 -ЗО -20 -10

- о

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

л:

Рис. 2. Зависимость температуры, состава продуктов воздушной газификации, теплоты сгорания и мощности газогенератора от доли х. Высота слоя Ь = 1 м. Спг = 0,7 кг/(м2-с) (V - ^; 0 - СО; + - СО2;  - О2; • - Н2; О - С; х - Є/; Д - 0

Рис. 3. Зависимость тепловой мощности, выделяемой при сгорании продуктов газификации, от их доли, отводимой из газогенератора для полезного использования. Непрерывная линия -

расчет, точки - эксперимент

Выводы

1. Разработана модель воздушной газификации углей в кипящем слое, позволяющая определить полный состав газовой смеси на выходе из газогенератора.

2. Благодаря модели и экспериментам было установлено, что увеличение температуры в слое за счет дополнительного источника с 760 до 830 0С приводит к возрастанию выхода оксида углерода с 14 до 20 %, а теплоты сгорания продукта -на 45 %.

3. Оптимальными параметрами газогенератора с самообогревом при воздушной газификации являются: доля сжигаемого продукта в камере сгорания

- 7,5 %, температура в слое - 830 0С.

Summary

Analysis of air gasification process of coal in fluidized bed is presented. Modeling and experimental investigation of parameters of self-heating gas-generator are described. The equation for gas-generator capacity is given.

Литература

1. Корчевой Ю.П., Майстренко А.Ю., Топал А.И. Экологически чистые угольные энерготехнологии. - Киев, «Наукова думка», 2004. - 185 с.

2. Дж. Ейтс. Основы механики псевдоожижения приложениями / Пер. с англ.

- М.: Мир, 1986. - 288 с.

3. Альтшулер В.С., Сеченов Г.П. Процессы в кипящем слое под давлением. -М.: Наука, 1963.

4. Альтшулер В.С. Новые процессы газификации твердого топлива. - М.: Недра, 1976.

5. А.С. 1328296 А1. Газогенератор для газификации в кипящем слое / А.М. Дубинин, А.П. Баскаков, А.Г. Алексеев // Открытия. Изобретения. - 1987. - № 29.

6. А.С. 1518000 А1. Реактор с кипящим слоем / О.В. Лущай, И.В. Светлаков, А.М. Дубинин // Открытия. Изобретения. - 1989. - №40.

7. Математическая модель воздушной газификации углей с использованием теплоты ядерных реакторов / А.М. Дубинин, А.П. Баскаков, А.М. Жикин // Теплофизика ядерных энергетических установок. Выпуск 5. Межвузовский сборник. - Свердловск.: Изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1987. - С. 55-62.

8. Тодес О.И., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим слоем: Гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с.

9. Кунии Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение / Пер. с англ.

- М.: Химия, 1976.

Поступила 09.03.2007