Исследование термодинамических параметров процесса газификации под давлением в поточном газогенераторе

С. С. Вандышева, Г. Р. Мингалеева

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

ГАЗИФИКАЦИИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ПОТОЧНОМ ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ

Ключевые слова: газификация, уголь, генераторный газ, парциальное давление. gasification,

coal, producer gas, partial pressure

В данной работе определены парциальные давления компонентов и теоретический состав генераторного газа, получаемого при газификации Березовского бурого угля на кислородном дутье под давлением 1МПа и Ирша-бородинского бурого угля на парокислородном дутье под давлением 0.5 МПа, а также рассчитана теплотворная способность полученных газов. Проведено сравнение с результатами опытно-промышленных испытаний.

In this work determined component partial pressures and idealised structure of power gas received at Berezovsky brown coal gasification on oxygen blasting under pressure 1 МPa and the Irsha-borodino brown coal on steam-oxygen blasting under pressure 0.5 МPa. Also heating value of the received gases is counted. Comparison with results of experimental-industrialis tests

Газификация угля является одним из перспективных способов применения твердого топлива в энергетике. При газификации практически вся органическая масса топлива превращается в газ, который может сжигаться в камерах сгорания парогазовых установок (ПГУ) или в топках котлов. Наиболее эффективной в технологических схемах с ПГУ является газификация под давлением, поскольку в этом случае снижаются затраты на дополнительное сжатие газа перед подачей в камеру сгорания [1]. Высокое давление является важным фактором, позволяющим оказывать влияние на интенсификацию процесса, динамику газообразования и гидравлические характеристики. Установлено, что при газификации под давлением органическая масса натурального топлива является источником увеличенного, по сравнению с нормальным давлением, количества газообразных углеводородов, повышающих теплотворность получаемого газа. Применение этого метода дает возможность уменьшить габариты аппаратов и коммуникаций, обеспечивает компактность установки [2].

Исследования в области газификации под давлением начались почти одновременно с промышленным внедрением этого метода и проводятся в основном экспериментально или на опытно-промышленных установках для конкретных видов углей. Для повышения эффективности технологических схем производства энергии с газификацией необходимо исследование термодинамических параметров процесса для последующего формирования расчетной методики, учитывающей свойства подаваемого топлива и режимные параметры процесса, влияющие на компоновку технологической схемы.

В данной работе расчет проведен для опытно-промышленной парогазовой установки с использованием технологии газификации под давлением 1МПа на кислородном дутье в пылегазовом потоке [3]. Для получения генераторного газа используется Березовский бурый уголь с предельной влажностью 38 %, зольностью 7,0 % и теплотой сгорания 14,3 МДж/кг на рабочую массу. Газифицируется угольная пыль с влажностью 10 %. Выход генераторного газа из угольной пыли составляет 1,79 м3/кг, его теплота сгорания - 9,05 МДж/м3. Генераторный газ содержит следующие компоненты, % (об.): СО = 50,4; Н2 = 18,18; СО2 = 7,91; Н2О = 19,54; N2 = 3,87; H2S = 0,013.

Функционально ПГУ состоит из энергетической и интегрированной с ней газифи-кационной частей. Бинарная парогазовая установка, являющаяся основой энергетической

части, включает в себя две газотурбинные установки ГТЭ-200 с начальной температурой 1250°С, два котла-утилизатора и одну паровую турбину мощностью около 330 МВт. Пар для паровой турбины вырабатывается в газификационной установке и котлах-утилизаторах. Каждый котел-утилизатор содержит контур высокого давления и промпе-регреватель.

Технологическая схема ПГУ с газификацией угля состоит из нескольких основных блоков - блок сушки и пылеприготовления, блок разделения воздуха, блок получения генераторного газа, блок охлаждения и пыле- и газоочистки генераторного газа и блок получения энергии. Измельчение и сушка угля осуществляется в молотковых мельницах с пылевым бункером и инерционным сепаратором. Для получения кислорода используется воздухоразделительная установка. Газификация угольной пыли осуществляется в газификаторе при температуре 1500°С. Полученный генераторный газ очищается в циклонах, фильтрах и охлаждается в конвекционном газоохладителе до температуры около 500°С.

Технологическая схема представлена на рис. 1

Рис. 1 - Технологическая схема ПГУ с газификацией угля под давлением: 1, 5 - вентиляторы; 2, 3 - мельницы; 4 - бункер угольной пыли; 6 - воздухоразделительная установка; 7, 10, 13, 20, 24 - смесители; 8, 9 - теплообменники; 11 - газификатор; 12 - циклон; 14 - газоохладитель; 15 - система пыле- и газоочистки; 16 - узел переработки сероводорода; 17 - ГТУ; 18, 22 - эл. генераторы; 19 - котел-утилизатор; 21 - паровая турбина; 23 - пароперегреватель; 1', 5' - сушильный агент перед мельницей; 3',7' -сушильный агент после мельницы; 2', 6' - уголь; 4', 8', 9' - угольная пыль; 10', 11', 17', 18' - воздух; 12' - азот; 13', 14', 15', 19', 20', 21' - газообразный кислород; 22' - сырой генераторный газ; 23' - шлак; 24', 29', 30' - летучая зола; 25' - очищенный газ после циклонов; 26', 38', 39' - пар; 27' - питательная вода; 28' - охлажденный генераторный газ; 31' - сероводород; 32' - комковая сера; 33' - очищенный генераторный газ; 34', 43' - механическая энергия; 35', 44' - электрическая энергия; 40', 41', 42' -вторичный пар, 36' - отработавшие газы; 37 - уходящие газы

Основные показатели процесса газификации твердого топлива - состав и выход генераторного газа, его теплота сгорания и расход окислителя. Так как ни одна из протекающих в процессе газификации химических реакций не достигает равновесного состояния ввиду кратковременного контакта реагирующих веществ, полностью не выявлена сложная зависимость от особенностей топлива, режима газификации, конструкции газификатора и других факторов. Поэтому точно рассчитать все показатели процесса только на основании теоретических положений невозможно, и существующие методы расчета основываются на практических данных протекания процесса (методы Грум-Гржимайло и Доброхотова) или на упрощенной схеме процесса (алгебраический метод Дешалита) [1].

Расчет теоретического состава газа при газификации твердого топлива под давлением проводится для равновесного состояния методом Дешалита. Исходными данными для расчета являются состав и характеристика газифицируемого топлива, состав дутья и параметры процесса.

Состав генераторного газа определяется, исходя из протекания следующих реакций в равновесной их форме:

С + СО2 = 2СО - Оі;

СО + Н2О = СО2+Н2+О2-

Примем, что получаемый газ содержит следующие компоненты: СО2, СО, Н2О, Н2. Для определения содержания этих компонентов составим следующие пять уравнений:

РСО2 + Рсо + рн20 + рн2 р°бщ

2

Рсо _ I г р _Кі

^со2

Рсо,-Рн,;

рс0 рн20

)Н2°Г'Н2 _ ГН20

К

рн2° + рн = РН2° •

2рс02 + РН2° + рс0 2ро2 + РН2о

Для определения парциальных давлений будем исходить из отношения водяного пара, полученного при испарении влаги из угля, и кислорода в газифицирующей смеси, которую подают под давлением 1МПа, т.е.

Рно = _43_ ,

р 100 02

р + Р = 1МПа •

К02 НН20

Примем значения констант равновесия по справочным данным [4]: К1 = 1,725, К2 = 0,74. Подставляя эти значения в соответствующие уравнения с помощью некоторых преобразований, получим парциальные давления компонентов, по которым определяем состав газа.

Также проведен расчет состава генераторного газа, получаемого при газификации Ирша-бородинского угля на парокислородном дутье под давлением 0,5 МПа. Ирша-бородинский уголь по свойствам значительно отличается от Березовского и имеет следующие характеристики: ^=33,12 %, Ар=3,02 %, 0Р=15 МДж/кг. Генераторный газ со-

стоит из следующих компонентов, % (об.): СО = 18,35; Н2 = 33,57; С02 = 42,4; Ы2 = 1,2; СН4 = 3 ,53. Выход генераторного газа составляет 1,07 нм3/кг [2]. Рассчитаем состав генераторного газа с учетом реакции образования метана. Полученные данные по расчету теоретического состава газа приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Расчетный состав газов, получаемых при газификации Березовского и Ирша-бородинского угля под давлением

Компонент Парциальное давление, МПа Состав газа, %

Влажного Сухого

Березовский уголь

С02 0,507 50,7 55,48

Н2 0,147 14,7 16,08

СО 0,26 26,0 28,44

Н20 0,086 8,6 -

Всего 1,0 100,0 100,0

И рша-бородинский уголь

С02 0,036 7,2 7,74

Н2 0,174 34,8 37,419

СО 0,25 50 53,76

Н20 0,035 7 -

СН4 0,005 1 1,081

Всего 0,5 100,0 100,0

С учетом найденных значений парциальных давлений компонентов в табл. представлен расчетный состав генераторных газов, полученных из Березовского и Ирша-бородинского бурых углей. Полученное содержание основных компонентов газа оказалось близким к данным реальных процессов. Теплотворная способность газов, полученных при газификации Березовского и Ирша-бородинского углей, отличаются от данных опытнопромышленных испытаний на 5,7 % и 22 % соответственно. Выявлено, что существенное влияние на процесс газификации оказывает влажность угля, поскольку водяной пар участвует в реакциях образования компонентов генераторного газа. Регулировать влажность поступающего в газогенератор угля можно путем его предварительной подготовки, т. е. в процессе сушки и измельчения в углеразмольных мельницах.

Использование теоретических методов расчета основных показателей генераторного газа в сочетании с данными опытно-промышленных испытаний позволяют получить расчетную методику для определения основных режимных параметров технологических схем производства энергии с газификацией различных углей под давлением.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант № 08-08-00233).

Литература

1. Белосельский, Б.С. Технология топлива и энергетических масел / Б.С. Белосельский. - М.: МЭИ, 2005. - 348 с.

2. Альтшулер, В.С. Процессы в кипящем слоем под давлением / В.С. Альтшулер, Г. П. Сеченов. -М.: Издательство АН СССР, 1963. - 216 с.

3. Современные природоохранные технологии в электроэнергетике: информационный сборник ОАО РАО «ЕЭС России» / В.В. Абрамов и др.; под общ. ред. В.Я. Путилова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 388 с.

4. Канторович, Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович. -М.: Издательство АН СССР, 1958. - 598 с.

© С. С. Вандышева - асп. лаб. моделирования систем производства энергии исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, zvezdochka198512@mail.ru; Г. Р. Мингалеева - канд. техн. наук, зав. лаб. моделирования систем производства энергии исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, mingaleeva-gr@mail.ru.