Исследование паровоздушной газификации низкосортных углей Украины 
|Фишеру-Тропшу | | | | |
|ВСЕГО |40 000 |100 |17 200 |14,3 |
Приведенные данные наглядно демонстрируют ускорение динамики
вовлечения газификации угля в мировую промышленность. Повышенный интерес к
внутрицикловой газификации угля в развитых странах объясняется двумя
причинами. Во-первых, ТЭС с внутрицикловой газификацией экологически менее
опасна. Благодаря предварительной очистке газа сокращаются выбросы оксидов
серы, азота и твердых частиц. Во-вторых, использование бинарного цикла
позволяет существенно увеличить КПД электростанции и, следовательно,
сократить удельный расход топлива.
В табл.1.2 приведены характерные величины удельных выбросов и
КПД для ТЭС с внутрицикловой газификацией и для ТЭС с традиционным
сжиганием угля.
Величины удельных выбросов и КПД для ТЭС с внутрицикловой газификацией и с
традиционным сжиганием угля
Таблица 1.2
|Параметры |Традиционная |ТЭС с внутрицикловой |
| |угольная ТЭС |газификацией |
|Концентрация вредных веществ|130 |10 |
|в дымовых газах |150 |30 |
|(для угольной ТЭС – согласно|16 |10 |
|Евростандарту), мг/м3 | | |
|- SOx | | |
|- NOx | | |
|- Твердые частицы | | |
|Электрический КПД, % |33-35 |42-46 |
Необходимо отметить, что удельные капитальные затраты при
использовании внутрицикловой газификации составляют примерно 1500 долл. США
за 1кВт с перспективой снижения до 1000-1200 долл. США, в то время как для
традиционной угольной ТЭС удельные капитальные затраты составляют примерно
800-900 долл. США за 1 кВт. Ясно, что ТЭС с внутрицикловой газификацией
твердого топлива более привлекательна при наличии экологических ограничений
в месте размещения и при использовании достаточно дорогого топлива, так как
расход топлива на 1 кВт сокращается. Эти условия характерны для развитых
стран. В настоящее время использование внутрицикловой газификации твердого
топлива считается самым перспективным направлением в энергетике.
Для современной химической промышленности и энергетики требуются
газогенераторы с единичной мощностью по углю 100 т/ч и более. К началу 1970-
х годов в промышленном масштабе было реализовано три типа газогенераторов
[4].
. Cлоевые газогенераторы. В разное время действовало более 800
газогенераторов, в том числе более 30 газогенераторов “Лурги” с
единичной мощностью по углю до 45 т/ч. После 1977 г. введено в
эксплуатацию еще 130 газогенераторов “Лурги”.
. Газогенераторы Винклера с кипящим слоем. Было сооружено более 40
аппаратов с единичной мощностью до 35 т/ч по углю.
. Пылеугольные газогенераторы Копперса-Тотцека. К началу 1970-х годов
эксплуатировалось более 50 аппаратов с единичной мощностью до 28 т/час
по углю.
Не случайно все самые мощные газогенераторы имели немецкое
происхождение. Причина в том, что в Германии нет собственной нефти, но
имеются большие запасы угля. В 1920-1940 гг. в Германии была реализована
беспрецедентная по масштабам программа углепереработки с производством
моторных топлив, металлургического топлива, газов различного назначения и
широкого спектра продуктов углехимии, включая пищевые продукты. Во время
второй мировой войны с использованием жидких продуктов пиролиза, прямого и
непрямого ожижения угля производилось до 5,5 млн. т в год моторного
топлива. Именно немецкие разработки того времени определили на многие
десятилетия стратегию развития технологий углепереработки, в том числе
газификации топлива.
Если проанализировать конструктивные особенности и принцип действия
современных промышленных газогенераторов (к настоящему времени до
промышленного масштаба доведено еще более десяти конструкций
газогенераторов), можно выделить четыре основополагающих инженерных
решения.
1. Создание Фрицем Винклером (концерн BASF) в 1926 г. газогенератора с
кипящим слоем. Эта технология послужила основой для современных процессов
HTW (Hoch-Temperatur Winkler) и KRW (Kellogg-Rust-Westinghouse) и др.
2. Разработка фирмой "Лурги" в 1932 г. слоевого газогенератора, работающего
под давлением 3 МПа. Использование повышенного давления для интенсификации
процесса газификации реализовано почти во всех современных промышленных
газогенераторах.
3. Разработка Генрихом Копперсом и Фридрихом Тотцеком в 1944-45 гг.
пылеугольного газогенератора с жидким шлакоудалением. Первый промышленный
аппарат этого типа был построен в 1952 г. в Финляндии. Пылеугольный принцип
газификации с жидким шлакоудалением реализован в промышленных аппаратах
Destec, Shell, Prenflo, разработанных на основе газогенератора Копперса-
Тотцека, в аппарате Texaco и др. Удаление шлака в жидком виде реализовано в
слоевом газогенераторе BGL (British Gas– Lurgy), разработанном на основе
газогенератора Лурги.
4. Разработка фирмой Texaco в 1950-е годы газификаторов для переработки
тяжелых нефтяных остатков. Всего построено более 160 таких установок. В
1970-е годы была разработана модификация аппарата Texaco для газификации
водо-угольной суспензии. Принцип подачи угля в аппарат в виде водо-угольной
суспензии использован и в газогенераторе Destec.
Были попытки использовать и ряд других технических решений для
создания новых газогенераторов: использование внешнего теплоносителя, в том
числе тепла ядерного реактора; газификация в расплавах солей, железа,
шлака; двух - трехступенчатая газификация; газификация в плазме;
каталитическая газификация и др.
В 1930-1950 гг. были разработаны теоретические основы физико-
химических процессов горения и газификации угля, выполнены фундаментальные
исследования, не потерявшие актуальности до настоящего времени. В данном
направлении неоспоримо лидерство советских ученых: А.С.Предводителева,
Л.Н.Хитрина, Я.Б.Зельдовича, Н.В.Лаврова, Д.А.Франк-Каменецкого,
Б.В.Канторовича и др.
Газификации могут быть подвергнуты любые виды твердых топлив от
бурых углей до антрацитов.
Активность твердых топлив и скорость газификации в значительной
степени зависит от минеральных составляющих, выступающих в роли
катализаторов. Относительное каталитическое влияние микроэлементов углей
при газификации может быть представлено рядом:
Mn>Ba>>B, Pb, Be>>Y, Co>Ga>Cr>Ni>V>Cu.
К основным параметрам, характеризующим отдельные процессы
газификации твердых топлив, могут быть отнесены:
- тип газифицирующего агента;
- температура и давление процесса;
- способ образования минерального остатка и его удаление;
- способ подачи газифицирующего агента;
- способ подвода тепла в реакционную зону.
Все эти параметры взаимосвязаны между собой и во многом определяются
конструктивными особенностями газогенераторов.
Обычно газифицирующими агентами служат воздух, кислород и водяной
пар. При паро-воздушном дутье отпадает необходимость в установке
воздухоразделения, что удешевляет процесс, но получается газ
низкокалорийный, поскольку сильно разбавлен азотом воздуха.
Температура газификации в зависимости от выбранной технологии может
колебаться в широких пределах 850-2000 0С. диапазон давлений газификации от
0.1 до 10.0 МПа и выше. Газификация под давлением предпочтительна в случаях
получения газа, используемого затем его в синтезах, которые проводятся при
высоких давлениях (снижаются затраты на сжатие синтез-газа).
В газогенераторах с жидким шлакоудалением процесс проводят при
температурах выше температуры плавления золы (обычно выше 1300-1400 0С).
”Сухозольные“ газогенераторы работают при более низких температурах, и зола
из него выводится в твердом виде [6].
По способу подачи газифицирующего агента и по состоянию топлива при
газификации различают слоевые процессы, при которых слой кускового топлива
продувается по противоточной схеме газифицирующими агентами, а также
объёмные процессы, в которых большей частью по прямоточной схеме топливная
пыль взаимодействует с соответствующем дутьем.
Процесс газификации угля первого поколения: Лурьги, Винклера и
Копперс-Тотцека, достаточно хорошо изучены и применяются в промышленности в
ряде стран для получения в основном синтез-газа и заменителя природного
газа.
Большинство крупных газогенераторов на твердом топливе работают по
прямому процессу с газификацией топлива в движущемся слое. При этом
движение топлива и дутья происходит навстречу друг другу. По этой схеме
подаваемое в газогенератор дутьё происходит через шлковую зону, где оно
несколько подогревается, и далее поступает в зону горения топлива при
недостатке кислорода. Кислород дутья вступает в реакции с углеродом образуя
оксид и диоксид углерода одновременно.
Основными недостатками процесса Лурьги является сравнительно
небольшая скорость разложения водяного пара дутья, необходимость
использования водяного пара как охлаждающего теплоносителя,
предотвращающего сплавления и спекания золы, а также содержания в газе
высших углеводородов и фенолов [9].
Повышение температуры реализовано в процессе БГЛ с жидким
шлакоудалением, разработанном фирмой “ British gas “ на основе процесса
Лурьги. Этим способом можно перерабатывать малореакционные и коксующие угли
широкого гранулометрического состава. Выделенные из газа смолы и пыль
возвращают в газогенератор, причем количество возврата может доходить до
15% на уголь. Процесс проверен на установки мощностью по углю 350 т/сут. В
Ухтфильде. Процесс считается перспективным для применения в США , где
ведутся работы по его совершенствованию [10].
Процесс Винклера основан на использовании псевдоожиженного слоя
топлива. Принцип газификации мелкозернистого топлива в кипящем слое
заключается в том, что при определенной скорости дутья и крупности топлива,
лежащей на решетки слой топлива приходит в движение.
Процесс Винклера обеспечивает высокую производительность,
возможность переработки различных углей и управлением составом конечных
продуктов. Однако в этом процессе велики потери непрореагированного угля до
20-30% (масс.), выносимого из реактора, что ведет к потере теплоты и
снижению энергетической эффективности процесса. Псевдоожиженный слой
отличается большой чувствительностью к изменению режима процесса, а низкое
давление лимитируется производительность газогенераторов [5].
По методу Винклера в разных странах работают 16 заводов ( Испании,
Японии, Германии, Кореи и другие). Газогенератор типа Винклера имеет
диаметр 5,5 м; высоту 23 м и максимальная единичная мощность действующих
газогенераторов этого типа в настоящее время составляет 33 тыс. м3 газа в
час [6].
В США разработан процесс газификации угля в аппарате с последующей
агломерацией золы- так называемый процесс-V, предназначенный для
производства низкокалорийного газа, который может быть использован в
качестве сырья для получения водорода, аммиака или метанола, а также как
топлива. Газификацию проводят в присутствии кислорода и паров воды в
псевдоожиженном слое при давлении 5,7-7 МПа и температуре 980-1100 0С.
Угольная пыль отделяется в циклонах, причем из внешнего циклона пыль
возвращается в газогенератор. Газ не содержит жидких продуктов, что
облегчает его очистку [6].
Вследствие высокой температуры процесса для газификации могут быть
использованы угли любого типа включая спекающиеся, а полученный газ беден
метаном и не содержит конденсирующиеся углеводородов, что облегчает его
последующую очистку. К недостаткам процесса можно отнести низкое давление,
повышенный расход кислорода, необходимость тонкого размола топлива [5].
Первый промышленный газогенератор этого типа производительностью 4
тыс. м3 в час синтез газа, был создан в 1954 году. По методу Коппер-Тотцека
в мире работают 16 заводов (Япония, Греция и другие). Газогенератор Коппер-
Тотцека с двумя форсунками имеет диаметр 3-3,5 м; длину 7,5 м и объём 28 м3
в час [6].
Известны неудачные попытки осуществить прямоточную факельную
газификацию в условиях сухого золоудаления. В настоящее время газификацию
угольной пыли проводят с жидким шлакоудалением. Для этой цели получили
распространение газогенераторы вертикального типа, близкие по
конструктивному оформлению к котельным агрегатам с пылеугольным сжиганием
(Бабкок-Вилькокс) и газогенераторы с горизонтальной камерой газификации
(Копперс-Тотцек).
Большие работы по созданию газогенераторов для газификации
пылевидных топлив под высоким давлением с жидким шлакоудолением проводит
американская фирма “Тексако”, которая является первопроходцем в применении
для газификации водо-угольных суспензий. В газогенератор подают водную
суспензию угля с концентрацией до 70% (мас.), что упрощает решение многих
технических вопросов и позволяет автоматизировать процесс [5]. В 1984 году
японской фирмой “Убе Индастриз” пущен крупнейший в мире газогенератор
Тексако мощностью по углю 1500 тонн в сутки, вырабатывающий газ для
синтеза аммиака [7]. На заводе Aioi (Япония) в 1987 году была сооружена
пилотная установка производительностью 6 т. в сутки угля для газификации
водо-угольных су суспензии по процессу Тексако, как наиболее
прогрессивному. По проектным данным процесс осуществляется под давлением
1,96-2,94 МПа при температуре 1400 0С с получением смеси газов из оксида
углерода, диоксида углерода и водорода, до 1991 года проводились научно-
исследовательские работы совместно с “Tokyo Electric Power Co” и было
переработано 533 тонны угля. Степень конверсии углерода достигала 100%. В
синтез-газе содержалось до 52,3% оксида углерода, 33,2% водорода, 12,7%
диоксида углерода. На воздушном дутье при подогреве суспензии до 150 0С
степень конверсии достигала 72% [8].
Недостатком этого способа подачи угля является значительный расход
тепла на испарение воды в газогенераторе, но уголь не требует
предварительной сушки и исключается подача пара в газогенератор . Процесс
Тексако характеризуется также повышенным удельным расходом кислорода 400-
450 м3 на 1000 м3 синтез-газа. Соотношение уголь : вода в суспензии
колеблется в разных пределах от 70:30 до 45:55. Водо-угольные суспензии
используются также для газификации под давлением 10 МПа в газогенераторе
Би-2эс. Кроме того, при эксплуатации оборудования газогенераторных
станций, на которых используются водо-угольные суспензии, выявлены
трудности по предотвращению коррозии циркуляционных насосов и инжекционных
клапанов. Однако эти недостатки не уменьшают значимости, так как процесс
высокоэффективен [9].
Производство газа из твердых горючих ископаемых может осуществляться
на основе двух технологических приёмов: в газогенераторах наземного типа и
под землёй (подземная газификация угля).
Подземную газификацию углей как метод физико-химического превращения
угля в горючий газ непосредственно на месте залегания угольных пластов
впервые начали реализовывать в бывшем Советском Союзе в 1933 году. В начале
60-х годов эксплуатировали пять опытно-промышленных станций “Подземгаз”, в
том числе в Украине на каменных углях- Лисичанскую в Донбассе.
Основные стадии процесса подземной газификации углей- бурение с
поверхности земли на угольный пласт скважин, соединение этих скважин
каналами по угольному пласту, и наконец, нагнетание в одни скважины
воздушного или кислородного дутья и извлечение из других скважин
образовавшегося газа. Газообразование в канале происходит за счет
химического взаимодействия свободного и связанного кислорода с углеродом и
термического разложения угля.
Недостатки традиционной технологии подземной газификации угля-
низкая теплота сгорания получаемого газа, за счет осуществления процесса на
воздушном дутье, недостаточная стабильность и управляемость процесса,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
