Технологические характеристики электротермической газификации различных видов твердого топлива

УДК 621.365, 534.22

В.В. АФАНАСЬЕВ, В А. ТАРАСОВ, В.Г. КОВАЛЕВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ГАЗИФИКАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Ключевые слова: электротермическая газификация, твердое топливо, технологические характеристики.

Рассчитаны технологические характеристики электротермической газификации различных видов твердого топлива, исследовано влияние влажности и зольности на характеристики газификации.

V.V. AFANASYEV, V.G. KOVALEV, V.A. TARASOV TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT ELECTRO-THERMAL GASIFICATION OF SOLID FUELS

Key words: electrothermal gasification, solid fuel, technological characteristics.

Calculated performance characteristics of various types of electro-thermal gasification of solid fuels, the influence of moisture and ash content.

Экологически чистые технологии использования твердого топлива для выработки электрической и тепловой энергии решают задачу комплексного освоения сырья, значительного сокращения неиспользуемых отходов и вредных выбросов в атмосферу. Применение различных технологий газификации, при которых происходит преобразование твёрдого топлива в газообразное, позволяет эффективно использовать значительные запасы низкосортного твердого топлива и расширить область его применения для любых теплофикационных и энергетических установок, а также для получения синтез-газа для химической промышленности. Электротехнологические процессы, используемые в металлургии и химической электротермии, позволяют проводить газификацию любых видов твердого топлива при полном использовании сырья с получением высококалорийного газа, металлического сплава и строительных материалов из шлака [1, 2, 5]. Электротермическая газификация является универсальным методом, который можно применять для любых твердых топлив, независимо от химического состава, количества золы, выхода летучих, примесей серы и других свойств. Математические модели позволили определить равновесный состав генераторного газа и рассчитать материальные и энергетические балансы электротехнологических установок термоэлектрической переработки твердых видов топлива при различных технологиях газификации [1, 3]. Расчеты равновесного состояния смеси оксида углерода, диоксида углерода, водорода, водяного пара и метана в присутствии твердого углерода показали, что при температурах выше 1100 К генераторный газ практически состоит их водорода и оксида углерода. Материальные и энергетические балансы электротехнологиче-ских установок для газификации твердого топлива позволили рассчитать удельные расходы исходных компонентов, состав и выход продуктов газификации, а также затраты энергоносителей и энергетический потенциал генераторного газа Qg, который определяется как произведение низшей теплоты сгорания газа на удельный выход газа

Qg = QH4,

где Qjf - рабочая низшая теплота сгорания генераторного газа, Vj, - удельный выход газа.

Для сравнения различных технологий газификации можно использовать отношение энергетического потенциала генераторного газа Qg к удельному расходу электроэнергии ^эл

Q, = &

w

эл

В табл. 1-3 приведены обобщенные характеристики технологий термоэлектрической газификации 1 кг рабочей массы торфа с теплотворностью

12.52 МДж/кг и выходом летучих 48%, бурого угля с теплотворностью 13,02 МДж/кг и выходом летучих 48% и каменного угля с теплотворностью

23.53 МДж/кг и выходом летучих 32%.

Таблица 1

Технологические характеристики газификации различных видов твердого топлива паром и кислородом

Показатель Торф Бурый уголь Каменный уголь

Низшая теплота сгорания твердого топлива, МДж/кг Горючие компоненты сухого газа 12,52 13,06 23,53

Оксид углерода, % 52,3 55,2 54

Водород, % Удельный расход газифицирующих компонентов 47,68 44,2 45,3

Пар, кг/кг 0,152 0,214 0,414

Кислород, м3/кг 0,112 0,184 0,355

Удельный выход газа, м3/кг 1,26 1,265 2,11

Низшая теплота сгорания газа, МДж/ м3 11,51 11,57 11,54

Энергетический потенциал газа, МДж/кг Удельный расход электроэнергии на газификацию 14,47 14,63 24,34

и получение кислорода, МДж/кг Отношение энергетического потенциала газа 2,686 3,34 3,34

к удельному расходу электроэнергии 5,387 5,027 7,28

Таблица 2

Технологические характеристики газификации различных видов твердого топлива паром

Показатель Торф Бурый уголь Каменный уголь

Низшая теплота сгорания твердого топлива, МДж/кг Горючие компоненты газа 12,52 13,06 23,53

Оксид углерода, % 45,668 46,1 43,5

Водород, % 54,33 53,8 56,2

Удельный расход пар, кг/кг 0,298 0,421 0,814

Удельный выход газа, м3/кг 1,44 1,525 2,61

Низшая теплота сгорания газа, МДж/ м3 11,39 11,4 11,36

Энергетический потенциал газа, МДж/кг Удельный расход электроэнергии на газификацию 16,4 17,36 29,65

и получение кислорода, МДж/кг Отношение энергетического потенциала газа 5,637 5,076 7,23

к удельному расходу электроэнергии 2,91 3,42 4,1

Таблица 3

Технологические характеристики газификации различных видов твердого топлива кислородом

Показатель Торф Бурый уголь Каменный уголь

Низшая теплота сгорания твердого топлива, МДж/кг Горючие компоненты газа 12,52 13,06 23,53

Оксид углерода, % 64,3 70,6 71,1

Водород, % 35,6 29,2 28,2

Удельный расход кислород, м3/кг 0,228 0,262 0,723

Окончание табл. 3

Показатель Торф Бурый уголь Каменный уголь

Удельный выход газа, м3/кг 1,11 1,0 1,594

Низшая теплота сгорания газа, МДж/ м3 11,72 11,83 11,85

Энергетический потенциал газа, МДж/кг 12,98 11,8 18,88

Удельный расход электроэнергии на газификацию и получение кислорода, МДж/кг 0,6 0,6 2,23

Отношение энергетического потенциала газа к удельному расходу электроэнергии 12,1 10,64 8,46

/ / Ч 'Ч. 1 ч *4

2  Иі 3 і. V,.   * '=-ч,

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Рис. 1. Зависимость энергетического потенциала генераторного газа при парокислородной газификации каменного угля (кривая 1), бурого угля (кривая 2) торфа (кривая 3) от рабочей влажности

<?!>

МДж

Расчеты материальных и энергетических балансов показали, что удельный вы- 20 ход и состав сухого генераторного газа зависят от вида сырья и способа газифика- 15 ции. Содержание водорода максимально при газификации паром, а содержание ок- 10 сида углерода - при газификации кислородом. При любой технологии удельный 1 выход сухого генераторного газа при газификации каменным углем выше, чем при газификации бурым углем и торфом. При газификации паром всех видов топлива энергетический потенциал сухого генераторного газа является максимальным, при газификации кислородом энергетический потенциал сухого генераторного газа в 1,2-1,3 раза ниже. Расход электроэнергии на газификацию и энергетический потенциал генераторного газа зависят от влажности топлива. При повышении влажности топлива существенно снижается энергетический потенциал генераторного газа, полученного из 1 кг рабочей массы топлива (рис. 1, 2). Высокая влажность топлива ограничивает диапазон допустимых режимов работы автотермических газогенераторов. В аллотермических установках термоэлектрическая газификация возможна при любой влажности твердого топлива.

ч. / 1 к,

% 2 Ч. ч ч

3 ^55 V. N 'ч. "ч ч.

’Ч.

Рис. 2. Зависимость энергетического потенциала генераторного газа при паровой газификации каменного угля (кривая 1), бурого угля (кривая 2) торфа (кривая 3) от рабочей влажности

Из приведенных на рис. 3 расчетных зависимостей видно, что при парокислородной термоэлектрической газификации в электродных установках увеличение влажности газифицируемого топлива приводит к снижению отношения энергетического потенциала генераторного газа к удельному расходу электроэнергии. При паровой газификации влажность топлива оказывает незначительное влияние на энергетические характеристики установок термоэлектрической газификации. При высокой влажности топлива различие в энергетических показателях парокислородной и паровой газификации уменьшается. Однако при любой влажности твердого топлива энергетический потенциал генераторного газа, полученного термоэлектрической газификацией в электродных установках, в несколько раз превышает затраты электроэнергии на газификацию. В плазменном газификаторе при температуре 2000-4000оС также происходит полная газификация любого твердого топлива, однако удельный расход электроэнергии при плазменной газификации, по данным [4], составляет более 18 МДж/кг топлива, что в 2-4 раза больше, чем при электрохимической газификации в электродных установках. Повышенный расход электроэнергии вызван необходимостью нагрева всех компонентов до весьма высоких температур, хотя для полной газификации углерода достаточно температуры 1400 К [1].

Зольность топлива и свойства золы существенно влияют на конструкцию и эффективность работы автотермических газогенераторов. Большое значение имеют температуры размягчения и плавления золы, содержание тугоплавкого оксида кальция. Неравномерность распределения в топливе минеральной части отрицательно сказывается на процессе газификации. При любом способе осуществления автотермических процессов желательно перерабатывать топливо с минимальным содержанием золы. Аллотермическая газификация в электродных установках позволяет перерабатывать твердое топливо с любым содержанием и составом золы, поскольку применение электронагрева позволяет легко расплавлять любые негорючие материалы. При этом минеральная часть топлива полностью переходит в шлак, который может использоваться для получения высококачественных легких заполнителей, широко применяемых для выпуска легких бетонов, производства шлакоситалла, цементного клинкера и других строительных материалов. Оксиды железа восстанавливаются углеродом с образовани-

Рис. 3. Зависимость отношения

энергетического потенциала генераторного газа к удельному расходу электроэнергии от влажности газифицируемого каменного угля (кривые 1 и 4), бурого угля (кривые 2 и 5) и торфа (кривые 3 и 6) при парокислородной (сплошные) и паровой (пунктир) термоэлектрической газификации

ем металлического сплава. Термоэлектрическая газификация обеспечивает полную эффективную переработку минеральной части твердого топлива в ценную товарную продукцию с ликвидацией золоотвалов и их вредного воздействия на окружающую среду. Из приведенных в табл. 4 расчетных данных видно, что при увеличении содержания золы снижаются энергетический потенциал генераторного газа и отношение энергетического потенциала газа к удельному расходу электроэнергии, однако при любой влажности твердого топлива энергетический потенциал генераторного газа в несколько раз превышает затраты электроэнергии на газификацию.

Таблица4

Влияние содержания золы в твердом топливе на характеристики газификации с применением электронагрева

Характеристика Зольность топлива, %

7,5 15 22,5 30

Энергетический потенциал газа при паровой газификации, МДж/кг 17,3 14,87 12,27 10,0

Отношение энергетического потенциала газа к удельному расходу электроэнергии при паровой газификации 3,418 3,183 2,89 2,584

Энергетический потенциал газа при парокислородной газификации, МДж/кг 14,6 12,51 10,33 8,43

Отношение энергетического потенциала газа к удельному расходу электроэнергии при парокислородной газификации 5,54 4,85 4,1 3,42

При сжигании газов кроме теплоты сгорания большое значение имеют такие теплотехнические характеристики, как удельный объем воздуха, необходимый для полного сгорания газа, удельный объем продуктов сгорания и температура горения.

Генераторный газ в общем случае представляет собой смесь горючих и негорючих газов. К горючим газам относятся углеводороды, водород и оксид углерода, а негорючие компоненты - азот, диоксид углерода, водяной пар и кислород. При газификации с применением электронагрева можно получить генераторный газ, состоящий из смеси водорода и оксида углерода с минимальным содержанием негорючих компонентов. Реакции горения водорода и оксида углерода выражаются уравнениями

2Н2 + О2 = 2 Н2О,

2СО + О2 = 2СО2.

Из уравнений (1) и (2) видно, что для сжигания водорода и диоксида углерода необходимы одинаковые объемы кислорода, объемы дымовых газов также одинаковы. Поэтому объемы воздуха, необходимые для сжигания смеси водорода и диоксида углерода, и объемы дымового газа не зависят от состава смеси. Для сжигания 1 м3 водорода или диоксида углерода при коэффициенте избытка воздуха, равном 1, необходимо 2,38 м3 воздуха, при этом образуется 2,9 м3 влажных продуктов сгорания.

Из реакции горения метана, основного компонента природного газа,

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О

видно, что для полного сгорания одной молекулы метана необходимы две молекулы кислорода, в результате чего будет получена одна молекула углекислоты и две молекулы водяного пара. Для сжигания 1 м3 метана при коэффициенте избытка воздуха, равном 1, необходимо 9,52 м3 воздуха, образуется

10,52 м3 влажных продуктов сгорания.

Так как теплота сгорания генераторного газа примерно в 3 раза ниже, чем теплота сгорания природного газа, для сохранения неизменной мощности установки при замене природного газа генераторным потребуется увеличить объем сжигаемого топлива. Поскольку удельные объемы воздуха, необходимого для сжигания генераторного газа, и удельные объемы продуктов сгорания генераторного газа более чем в 3 раза меньше, чем у природного газа, объемы воздуха и объемы продуктов сгорания при замене природного

газа генераторным газом при сохранении неизменной мощности установки

не увеличиваются, а даже уменьшаются на 20-35%, следовательно, замены тягодутьевых устройств не потребуется.

Адиабатная температура горения газа определяется из уравнения:

ор

ТА =—^--------,

А сР (ТА >Д

где Ор - низшая теплота сгорания газа; Уд — удельный объем дымовых газов, с (ТА) - теплоемкость дымовых газов, зависящая от температуры.

Теоретическая температура горения определяется из уравнения

Т = 0 — вдио

ТТ = ,гр Ч ,

ср (ТТ )уд

где ОдИС (ТТ) - теплота, затрачиваемая на реакции диссоциации водяного

пара и диоксида углерода.

Теплота, затрачиваемая на реакции диссоциации продуктов сгорания

Ун 0 Усо

0дис = °В—~аВ +°У-------- аУ ,

УД Уд

где Vн 0 , Vс0з - удельный объем водяных паров и диоксида углерода; аВ, аУ -

степени диссоциации водяных паров и диоксида углерода, которые зависят от температуры и парциальных давлений; ОВ - удельная теплота диссоциации водяных паров; ОУ - удельная теплота диссоциации диоксида углерода.

Решение нелинейных уравнений (3)-(5) позволило определить адиабатные и теоретические температуры горения генераторного газа и природного газа при различных коэффициентах избытка воздуха.

Адиабатная температура горения природного газа ТА = 2010°С, теоретическая температура горения ТТ = 1920°С.

Из табл. 5 видно, что температуры горения генераторного газа, состоящего из диоксида углерода и водорода, несколько выше, чем аналогичные показатели при сжигании природного газа. За счет некоторого увеличения коэффициента избытка воздуха можно снизить температуры горения генераторного газа с минимальным содержанием негорючих примесей до уровня температур горения природного газа. При наличии в генераторном газе него-

рючих примесей температура горения снижается до уровня температур горения природного газа с небольшим коэффициентом избытка воздуха. Следовательно, полученный в электротехнологическом газификаторе генераторный газ может применяться совместно с природным газом или вместо природного газа без существенного изменения конструкции энергетических и технологических установок.

Таблица 5

Характеристики горения генераторного газа при различных коэффициентах избытка воздуха

Характеристики Коэффициент избытка воздуха

1,0 1,1 1,2

Удельный объем воздуха, м3/м3 2,38 2,618 2,856

Удельный объем дымовых газов, м3/м3 2,9 3,16 3,4

Адиабатная температура ТА, °С 2312 2129 1997

Теоретическая температура ТТ, °С 2084 2003 1915

Установка электрошлаковой газификации может работать при любой влажности и зольности газифицируемого топлива, в различных технологических режимах и позволяет применять дешевую электрическую энергию ночных минимумов и использоваться в качестве потребителя-регулятора. С учетом различной стоимости электроэнергии в разное время суток может быть выбран оптимальный режим, обеспечивающий наиболее высокие технико-экономические показатели. На основе электрошлаковой газификации появляется возможность обеспечить энергоэффективную безотходную переработку любого вида твердого топлива.

Литература

1. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А. Анализ технологий газификация твердого топлива // Вестник Чувашского университета. 2010. № 3. С. 194-205.

2. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А. Энергоэффективное использование твердого топлива в электротехнологических комплексах // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / Саратовский гос. техн. ун-т. Саратов, 2010. С. 205-212.

3. Афанасьев В.В., Тарасов В.А., Ковалев В.Г. Математическое моделирование энергетических балансов процессов газификации твердого топлива // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. Вып. VI. С. 46-58.

4. Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Хан Л. Плазменно-паровая газификация петрококса [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.isuct.ru/istapc2008/PR0C/6-10/pdf.

5. Тарасов В.А., Ковалев В.Г., Лоскутов В.И. Газификация твердых видов топлива с применением электронагрева // Вестник Чувашского университета. 2007. N° 2. С. 170-178.

АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, проректор по научно-инновационной работе, заведующий кафедрой теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (afanasiyev-chuvsu@rambler.ru).

AFANASYEV VLADIMIR VASILYEVICH - doctor of technical sciences, professor, vice-rector for research and innovation work, head of Heat Power Plants Department, Chuvash Slate University, Russia, Cheboksary.

КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (kvg-ic@mail.ru).

KOVALEV VLADIMIR GENNAGEVICH - candidate of technical sciences, associate professor, head of Electricity Industry Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Vladimir_tarasov@inbox.ru).

TARASOV VLADIMIR ALEXANDROVICH - candidate of technical sciences, associate professor of Automated Electrotechnological Installations and Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.