Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)

• Название: Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 6.34 Mb.
• Имя файла: Возобн. источн. энерг. Тексты лекций.doc
• Тип: Курс лекций; #606643
• страница: 14 из 24

3.3.5. Газификация под давлением

Повышению эффективности процесса газификации могут способствовать технологии, основанные на применении парогазовых установок с внутрицикловой газификацией в кипящем слое под давлением. Применение высоких давлений при газификации топлива позволяет увеличить плотность парогазовой смеси, уменьшить скорость газового потока при одном и том же массовом расходе, увеличить время контакта газов с перерабатываемым топливом. Это ведет к снижению габаритов газогенератора и снижению капитальных вложений, позволяет снизить расход электроэнергии на собственные нужды.


а б

Рис. 3.9. Зависимости составляющих и теплоты сгорания
газовых продуктов газификации древесного топлива
от температуры газификации (а) и исходной влажности топлива (б)
С повышением давления в аппарате с кипящим слоем от р₀до р линейная скорость газового потока , необходимая для организации кипящего слоя, с той же степенью расширения будет уменьшаться обратно пропорционально корню квадратному из отношения давлений

,

где – скорость газового потока, соответствующая устойчивому состоянию кипящего слоя в расчете на крупные частицы, не уносимые из аппарата при давлении, близком к атмосферному.

С повышением давления в аппарате средний диаметр мелких частиц, уносимых из аппарата, должен уменьшаться обратно пропорционально корню четвертой степени из отношения давлений

_,

где d₀– предельный диаметр мелкой частицы, уносимой из верхней зоны кипящего слоя.

Повышение давления в газогенераторе с кипящим слоем увеличивает интенсивность процесса газификации пропорционально корню квадратному из отношения давления

,

где – интенсивность процесса газификации при повышенном давлении, кг/(м² ч); – то же при давлении, близком к атмосферному, кг/(м² ч).

Кроме того, при газификации одного и того же вида топлива в зависимости от способа его проведения, состава применяемого дутья, параметров технологического режима, а также конструкции газогенератора можно получить газ различной теплотворной способности. Так, при паро-кислородной газификации топлива под давлением получаемый газ содержит повышенное количество метана. С ростом давления увеличивается количество связанного водорода в газе и превышает количество водорода, первоначально содержащегося в топливе, образующегося за счет разложения водяного пара.

Оптимальный состав дутья с учетом температурного режима, предотвращения шлакования подбирается опытным путем. Так, оптимальный состав дутья при газификации бурого угля составлял 0,16–0,18 кг/м³ (норм.) при паровоздушном дутье и 4,3–4,5 кг/м³(норм.) – при парокислородном дутье. После отмывки газа от СO₂ теплота сгорания может составлять до 15,5–16 МДж/кг.

Процесс термического разложения сланцев зависит как от скорости собственно химического превращения, так и от условий тепло- и массообмена между газом и зернистой средой (топливом).

В результате увеличения давления в газогенераторе с кипящим слоем удается сократить время прогрева частицы до температуры реакции и увеличить скорость химических реакций

,

где _р– время реакции; р – давление; T – температура, E –энергия активизации молекул вещества.

С ростом давления в кипящем слое для реакций с неизменным порядком выше нуля, протекающих в области кинетического режима, скорость реагирования дополнительно увеличивается за счет повышения массовой концентрации реагентов.

При газификации под давлением около 85% водорода, получаемого в результате разложения водяного пара, переходит в газ в виде свободного водорода и только 15% водорода взаимодействует с продуктами термического разложения и газификации топлива, в то время как при газификации при нормальном давлении в свободный водород газа переходит не только весь водород разложившегося водяного пара, но и водород органической массы топлива.

С + 2Н₂О(пар) = СО₂ + 2Н₂;

С + 2Н₂ = СН₄.
3.3.6. Газификация биотоплива

твердым высокотемпературным теплоносителем

В 1970−90 гг. энергетическим научно-исследовательским институтом им. Кржижановского (ЭНИНом) была создана и освоена в промышленном масштабе пиролитическая технология переработки горючих сланцев, позволившая рассматривать сланцы с Q_н ≥ 3,8 МДж/кг как вполне приемлемый источник топлива для тепловых электростанций, причем КПД таких станций может превышать КПД ТЭС, работающих на качественных углях при тех же параметрах пара. Технология реализуется при близком к атмосферному давлении (максимальное избыточное давление в аппаратах 0,025–0,03 МПа).

Суть технологии состоит в том, что сырой сланец предварительно проходит грохочение и дробление в дробилке после чего подается в сушилку для сушки горячим паром из котла–утилизатора (рис. 3.10). Раздробленный до определенного размера и высушенный сланец смешивается с высокотемпературным (800–850^оС) теплоносителем, которым является собственная зола сланца, и подается во вращающийся реактор пиролиза. Здесь сланец нагревается при отсутствии кислорода до температуры 460–490^оС, и из него выделяется парогазовая смесь, содержащая пары углеводородов, неконденсирующиеся газы (H₂, CO, N₂, H₂S, CH₄ и др.) и коксозольный остаток.

Парогазовые продукты термического разложения горючего сланца проходят через очистку от пыли в пылевой камере и отводятся в конденсационное устройство, где пары углеводородов конденсируются, образуя сланцевую смолу. Дизельная фракция сланцевой смолы пригодна для использования в качестве газотурбинного топлива, а остальная ее часть – в качестве котельного топлива. Неконденсирующийся полукоксовый газ пригоден в качестве газотурбинного либо котельного топлива. Коксовый остаток отводится из реактора пиролиза в аэрофонтанную топку, где его органические составляющие дожигаются в потоке воздуха. Выделившееся при этом тепло используется для нагрева золы-теплоносителя и для производства пара в котле-утилизаторе. Пар расходуется на собственные технологические и другие нужды. Важным этапом переработки сланцев является утилизация тепла отбираемой из топки золы, что позволяет повысить КПД процесса на 8–10%.


Рис. 3.10. Технологическая схема установки
термического разложения сланца
Эффективность переработки сланцев определяется степенью извлечения из горячего сланца химически связанного тепла в органическом веществе. Важными показателями этой технологии являются доли потенциального тепла топлива: q_пгс− переходящая в парогазовую смесь и q_кзо− остающаяся в коксозольном остатке. Чем больше q_пгс, тем больше высококалорийного топлива (смола+газ) можно получить из сланца:

q_пгс= 100% − q_кзо. ,

где – теплота сгорания продуктов разложения (парогазовой смеси), n – число продуктов, – суммарная теплота сгорания горючего сланца.

Например, для белорусских сланцев q_пгс= 70%, то есть в парогазовую смесь переходит почти 70% потенциального тепла сланцев при наиболее благоприятной температуре пиролиза t = 460–480^оС.

Для введения процесса термического разложения горючего сланца требуется дополнительная энергия (электрическая, механическая и др.). Кроме того, в установке избыточное тепло процесса используется для получения пара для собственных нужд в котле утилизаторе. Тогда степень эффективности извлечения органического вещества из горючего сланца необходимо определять по энергетическому коэффициенту использования

,

где – общая теплота дополнительных энергетических продуктов (пара, воды, воздуха и т.д.), – энергия, потребляемая для термического разложения сланца.

Энергетический коэффициент использования составляет %.

Способность горючих сланцев при термическом нагреве выделять летучие вещества, представляющие смесь сложных кислородных соединений и углеводородов, обусловила использование этого полезного ископаемого для технологической переработки с целью получения ряда ценных продуктов:

1. 
   горючих – автобензина, моторного керосина, дизельного топлива, топочного мазута, высококалорийного газа, топочного масла;
   
2. 
   химических – шпалопропиточного масла, двухатомных фенолов, клеевых смол (фенолформальдегидных, эпоксидных, фенолоспиртовых), электродного кокса, кукерсоль-лака, моющего средства типол и др.
   

Из газового бензина также можно получать бензол, толуол, сольвенты.

Энергетическим институтом им. Г.М. Крижановского были проведены исследования технологической переработки белорусских сланцев. Получен следующий массовый выход продуктов термического разложения (температура в реакторе 480С): смола – 7,4% (теплота сгорания 41,5 МДж/кг), газовый бензин – 0,2% (44,6 МДж/кг), полукоксовый газ 3,3% (35,3 МДж/кг), вода пирогенетическая – 2,8%, полукокс – 86,3%.

Из прибалтийского сланца при газификации в кипящем слое на паро-воздушном дутье получают отопительный газ с теплотворностью 4 МДж/м³ при КПД газификации 76% и энергетическом КПД 70%.

Энергетическим институтом им. Г.М. Крижановского были проведены исследования технологической переработки торфа с влажностью 45%. Получен следующий массовый выход продуктов термического разложения (температура в реакторе 500–850С): смола – 2,5–12% (теплота сгорания 36,4 МДж/кг), газовый бензин – 3–4% (44,6 МДж/кг), полукоксовый газ 3,3% (16,8–23 МДж/кг), вода пирогенетическая – 2,8%, полукокс – 86,3% (29,8–34 МДж/кг).

Использование в котлоагрегатах котельного масла и газа вместо горючего сланца значительно уменьшает загрязнение воздушного бассейна по двум причинам.

1. 
   При термическом разложении горючего сланца в атмосферу выбрасывается в 5–6 раз меньше газов, чем при сжигании натурального сланца.
   
2. 
   В дымовых газах технологической топки сернистый газ практически отсутствует. Объясняется это активным соединением окислов серы с известью при температуре 800С. Таким образом сера концентрируется в золе (до 90%), а в смоле и газе (менее 10%).
   

3.3.7. Утилизация золы

Как уже упоминалось раньше, содержание золы в древесном топливе 1%, в соломе – 3–5;%, в торфе – 4–6%, в сланцах – 61–82%. Для организации эффективного производства получения тепловой энергии необходимо решить вопрос с утилизацией золы.

Древесная зола и зола соломы содержит необходимые для растений питательные вещества (калий, магний, фосфор). Следовательно, зола древесины и соломы могут применяться в качестве удобрений. Однако следует учитывать, что в золе могут накапливаться тяжелые металлы и поэтому использовать это удобрение нужно в разумных пределах. При этом целесообразнее древесную золу возвращать на лесные вырубки, а золу соломы – на пашни.

Зола торфа по своему составу не пригодна в качестве удобрения. Эту золу можно использовать в дорожном строительстве в качестве основы для дороги.

Положительным эффектом сжигания сланцев может стать утилизация зольного остатка. Химический состав золы белорусских горючих сланцев: SiO₂ = 20,–53,2%, CaO = 7,5–45,0%, TiO₂ = 0,30–0,93%, Al₂O₃ =6,1–17,6%, Fe₂O₃ = 4,1–11,7%, MgО = 1,7–7,2%, K₂O =1,1–6,3%, Na₂O = 0,15–0,63%.

Теоретические предпосылки и практический опыт применения пылевидных сланцевых зол, позволяют выявить следующие пути рационального их использования в строительной практике и других отраслях народного хозяйства:

• 
  изготовление строительных автоклавных материалов (крупная фракция),
  
• 
  производство высокомарочного сланцезольного портландцемента (мелкая фракция),
  
• 
  производство низкомарочных вяжущих материалов (мелкая фракция),
  
• 
  укрепление оснований под дороги,
  
• 
  известкование кислых почв.
  

При этом экономичность энергетического использования горючих сланцев при применении соответствующей технологии их переработки значительно повышается.

В Белоруссии имеется три цементных завода: Белорусский цементный завод (г. Костюковичи, Могилевская область), ОАО «Красносельскстройматериалы» (г.п. Красносельский, Гродненская область), ПРУП «Кричевцементношифер» (г. Кричев, Могилевская область). Химический состав портландцемента с минеральными добавками марки 500 ПЦ500–Д20 ПРУП «Кричевцементношифер»: SiO₂ = 20,65–22,50%, CaO = 56,45–62,95%, Al₂O₃ =5,54–6,10%, Fe₂O₃ = 4,10–4,92%, MgО = 0,82–1,64%, K₂O =0,65–0,73%, Na₂O = 0,20–0,32%, SO₃ = 1,5–3,5%. Основными сырьевыми компонентами цемента являются мел (CaO), глина (SiO₂+ Al₂O₃) и пиритные огарки (Fe₂O₃). Как видно из сравнения химических составов портландцемента и сланцевой золы (см. ранее), последняя содержит необходимое для производства цемента количество SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃. Следовательно, сланцевая зола может полностью или частично заменить глину и пиритные огарки при производстве портландцемента, а также использоваться в качестве корректирующих добавок. Как показывают научные исследования и практический опыт, в состав цемента может добавляться до 30% сланцевой золы.

При общей производительности белорусских цементных заводов около 3 млн.т цемента в год, они могут потреблять около 1 млн. т сланцевой золы, что соответствует утилизации 1,2 млн. т сланцев или 0,246 млн. т у.т. в год (что сопоставимо с энергией, которую планируют получать в РБ к 2010 году в областях солнечной и вертроэнергетике).

В действительности потенциал цементных заводов по утилизации сланцев в несколько раз выше, поскольку около любого завода имеется множество отработанных открытых сырьевых карьеров, где можно без больших экономических затрат и без дополнительного вреда для окружающей среды захоранивать избыточную сланцевую золу.

Это соответствует 99 у.е. за т у. т. или 120 у.е. за тыс. м³ природного газа. Следует отметить, что мировая цена на природный газ в 1,5–2 раза больше. Расчетное количество сланцевой золы (860 кг) достаточно для производства 2,6 тонн цемента. При этом полученная сланцевая парогазовая смесь позволит обеспечить 20% потребности в технологическом тепле (из расчета 220 кг у.т. на тонну цемента).

Пылевидная сланцевая зола может применяться в качестве вяжущего материала для укрепления грунтов и покрытий. При смешивании грунта основания с золой в соотношении 5:1 по массе при толщине слоя 10–20 см, после смачивания и укладки зологрунтовая смесь затвердевает, и после поверхностной обработки битумными материалами образуется устойчивая и непылящая дорога (расход золы составляет в среднем 450 тонн на 1 км).

Ввиду того, что сланцевые золы содержат значительное количество свободного CaO, а также некоторое количество полезных для растений калия и микроэлементов, их с успехом можно использовать для известкования кислых почв.