Реферат Газификация каменных углей. Реферат. Миронова К.В. гр М-ХТ-21-1. Реферат по дисциплине Теория химических процессов природных энергоносителей и углеродных материалов

• Название: Реферат по дисциплине Теория химических процессов природных энергоносителей и углеродных материалов
• Анкор: Реферат Газификация каменных углей
• Дата: 29.05.2022
• Размер: 1.61 Mb.
• Имя файла: Реферат. Миронова К.В. гр М-ХТ-21-1.docx
• Тип: Реферат; #555812
• страница: 2 из 3

4 Современные методы газификации угля

Для современной химической промышленности и энергетики требуются газогенераторы с единичной мощностью по углю 100 т/ч и более. В основном в промышленной практике используют газогенераторы «Винклера» с кипящим слоем, слоевые газогенераторы «Лурги» с единичной мощностью по углю до 45 т/ч и пылеугольные газогенераторы «Копперса-Тотцека».

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. 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. 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. Рассмотрим каждую технологию подробно.

4.1 Технология Лурги

Наиболее перспективной в настоящее время представляется газификация крупнозернистого топлива в плотном слое методом Lurgi, осуществляемым при повышенном давлении, [2, 3]. Этот метод применяется на 16 заводах разных стран мира, на которых эксплуатируется более 60 газогенераторов Lurgi. Увеличение давления позволяет существенно повысить теплоту сгорания получаемого газа за счет протекания реакций метанирования. Эти реакции экзотермичны, благодаря чему при давлении 2,8 – 3 МПа можно сократить потребность в кислороде на 30 – 35 %. Кроме того, одновременно возрастает производительность газогенератора (пропорционально давлению) и повышается КПД газификации.

В газогенераторе Lurgi (рисунок 4) исходный уголь (размер частиц 5–30 мм) из бункера 2 периодически загружают в шахту 7 газогенератора, снабженную водяной рубашкой 12. При помощи охлаждаемого вращающегося распределителя 5 и перемешивающего устройства 6 топливо равномерно распределяется по сечению аппарата. Парокислородное дутье подают под вращающуюся колосниковую решетку 11, на которой находится слой золы. Этот слой способствует равномерному распределению газифицирующего агента. При вращении колосниковой решетки избыточное количество золы с помощью ножей 8 сбрасывают в бункер 14. Образующийся в аппарате газ проходит скруббер 10, где предварительно очищается от угольной пыли и смолы (в случае необходимости смолу можно возвратить в шахту газогенератора). Вращение распределителя 5 и колосниковой решетки 11 осуществляется от приводов 4 и 9.



1, 3, 13, 15 – затворы; 2, 14 – бункеры; 4, 9 – приводы; 5 – распределитель угля; 6 – перемешивающее устройство; 7 – шахта; 8 – ножи; 10 – скруббер;
11 – колосниковая решетка; 12 – водяная рубашка;

Рисунок 4 – Газогенератор Lurgi.

В шахте газогенератора поддерживают давление 3 МПа, поэтому, чтобы обеспечить безопасную загрузку топлива и выгрузку золы, каждый из бункеров 2 и 14 снабжают двумя конусообразными затворами 1, 3, 13 и 15. При загрузке топлива в бункер 2 затвор 1 открыт, а затвор 3 закрыт. Для передачи топлива в шахту затвор 1 закрывают, по обводной газовой линии соединяют бункер с шахтой газогенератора (для выравнивания давления) и открывают затвор 5. Перед следующей загрузкой топлива в бункер 2 закрывают затвор 3, сбрасывают газ в линию низкого давления, продувают бункер азотом или водяным паром, а затем открывают затвор 1.

Аналогично осуществляют выгрузку золы из бункера 14. Типичный газогенератор Lurgi имеет диаметр 4 – 5 м, высоту 7 – 8 м (без бункеров) и производительность по углю 600 – 1000 т/сутки. На рисунке 5 показана принципиальная технологическая схема газификации угля по методу Lurgi. В таблице 2 приведены основные показатели схемы газификации по методу Lurgi [3].



А – производство газа; Б – конверсия оксида углерода; В – очистка газа от диоксида углерода метанолом; Г – извлечение фенолов из сточных вод;

Рисунок 5 – Схема газификации угля в плотном слое по методу Lurgi.

Наряду с отмеченными выше достоинствами метода Lurgi следует указать, что в этом процессе приходится компримировать кислород, а не конечный газ, что значительно проще в технологическом отношении. Недостатки метода Lurgi: жесткие ограничения по размерам частиц – не менее 5 мм (так как при большом содержании мелочи снижается производительность аппарата); наряду с газификацией происходит термическое разложение топлива с образованием продуктов полукоксования, которые необходимо извлекать из газа и перерабатывать; низкая степень разложения водяного пара (30 – 40 %), вследствие чего остальное его количество при охлаждении газа конденсируется с

образованием химически загрязненной воды, требующей тщательной очистки.

4.2 Технология Винклера

Весьма эффективен и достаточно широко распространен в настоящее время способ газификации мелкозернистого (размер частиц менее 10 мм) топлива в псевдоожиженном слое (метод Winkler). В различных странах мира имеется 16 промышленных установок, на которых эксплуатируется около 40 агрегатов этого типа. Метод имеет существенные достоинства: возможность непрерывной подачи топлива в газогенератор; интенсивную теплопередачу и хорошее перемешивание, обеспечивающее изотермический режим в реакционной зоне; простоту регулирования температуры и высокую производительность аппарата. Наиболее предпочтительными топливами для газификации по этому методу являются бурые и реакционноспособные каменные угли, буроугольный кокс или полукокс.

Газогенератор рассматриваемого типа (рисунок 6) работает при атмосферном давлении и имеет диаметр 5,5 м, высоту 23 м и производительность до 1100 т угля в сутки (или 3000 м³ газа на 1 м² сечения шахты в час). Дробленый и подсушенный уголь из бункера 1 шнеком 4 подают на распределительную решетку 6. С помощью первичного паровоздушного дутья, подаваемого под решетку, топливо переводится в псевдоожиженное состояние и газифицируется в шахте 2. Вторичное дутье через фурмы 3 вводят непосредственно в псевдоожиженный слой, чтобы повысить степень использования углерода топлива и газифицировать смолистые вещества, выделяющиеся в нижних слоях реакционной зоны. Твердый остаток – зола – удаляется в сухом виде, поэтому температуру в аппарате поддерживают не выше 1100 °С (ниже температуры плавления золы). Часть золы ( 70 %) уносится из аппарата газовым потоком и затем выделяется в выносном мультициклоне, а оставшееся количество через отверстия распределительной решетки 6 ссыпается в нижнюю часть газогенератора, откуда шнеком 7 транспортируется в бункер 9. Для ускорения эвакуации частиц золы с поверхности решетки служит водоохлаждаемый вращающийся скребок 5, работающий от привода 8 [3].

У способа Винклера есть следующие недостатки: большой унос с газом непрореагировавшего топлива, которое трудно возвратить на газификацию, так как оно выделяется в выносном мультициклоне вместе с большим количеством золы; пониженные температуры в зоне реакции, лимитируемые выводом золы в сухом виде; невозможность переработки спекающихся каменных углей из-за слипания их частиц нарушается режим работы газогенератора.



1 – бункера; 2 – шахта; 3 – фурмы вторичного дутья; 4, 7 – шнеки; 5 – скребок; 6 – распределительная решетка; 8 – привод;

Рисунок 6 – Газогенератор Винклера.

Технологическая схема рассматриваемого метода показана на рисунке 7, основные показатели приведены в таблице 2.



1 – бункер; 2 – газогенератор; 3 – котел-утилизатор; 4 – водоподогреватель; 5 – мультициклон; 6 – конденсатор-холодильник; 7 – газодувка; 8 – каплеуловитель; 9 – отстойник; 10 – емкость для пыли;

Рисунок 7 – Схема газификации угля в псевдоожиженном слое по методу Винклера.

4.3 Технология Копперс–Тотцека

Одним из наиболее эффективных современных способов газификации пылевидного топлива (диаметр частиц менее 0,1 мм) является метод Koppers–Totzek. Схема газогенератора этого типа приведена на рисунке 8.

Из бункеров 1 подсушенное пылевидное топливо шнеками 2 подают через специальные форсунки 3 («горелочные головки») в горизонтальную реакционную камеру 4. В ней находятся две (а в последних конструкциях газогенераторов Koppers–Totzek – четыре) форсунки, расположенные друг против друга. В форсунках топливо смешивается с кислородом и водяным паром, причем подача последнего организована таким образом, что он обволакивает снаружи пылеугольный (точнее, угольно-кислородный) факел, тем самым предохраняя футеровку реакционной камеры от шлакования, эрозии и действия высоких температур. Особенность рассматриваемого процесса заключается в том, что зола в жидком виде выводится из нижней части реакционной камеры, охлаждается и удаляется в виде гранулированного шлака.



1 – бункеры; 2 – шнеки; 3 – горелочные головки; 4 – реакционная камера;
5 – камера охлаждения и гранулирования шлака; 6 – газослив;

Рисунок 8 – Газогенератор Koppers–Totzek.

На рисунке 9 представлена схема газификации угля по методу Koppers–Totzek.

Газообразные продукты отводят через верхнюю часть реакционной камеры на охлаждение и очистку от пыли. Температура газификации составляет (в зависимости от температуры плавления золы) 1500–1700 °С. Благодаря этому достигается высокая степень превращения углерода, причем все органические вещества угля превращаются только в газообразные продукты и при их охлаждении не выделяется смола. Это существенно упрощает очистку сырого газа. Другим достоинством рассматриваемого метода является возможность переработки практически любых топлив независимо от их спекаемости. Недостатки процесса: необходимость в специальном оборудовании (для тонкого размола топлива) и более высокий расход кислорода по сравнению с другими промышленными методами газификации.

Газогенератор Koppers–Totzek с двумя форсунками имеет диаметр 3–3,5 м, длину 7,5 м и объем около 28 м³. У четырехфорсуночной модели объем примерно вдвое больше. Главная проблема при эксплуатации этих газогенераторов заключается в необходимости обеспечить бесперебойную подачу топлива, так как из-за малого времени его пребывания в реакционной зоне незначительные перерывы в питании углем могут привести к появлению свободного кислорода в газогенераторе и в аппаратуре, расположенной после него. Это, в свою очередь, может приводить к образованию взрывоопасных концентраций находящихся там газообразных продуктов.



1 – бункер для исходного угля; 2 – мельница; 3 – циклоны; 4 – бункер для
угольной пыли; 5 – топка; 6, 17 – электрофильтры; 7 – бункеры; 8 – котел
утилизатор; 9 – газогенератор, 10 – устройство для выгрузки золы;
11 – водяной скруббер; 12, 15 – газодувки; 13 – холодильник; 14 – отсекатель;
16 – газгольдер сырого газа; 18 – отстойник; 19 – градирня;

Рисунок 9 – Схема газификации угля по методу Koppers–Totzek.

Необходимо подчеркнуть, что именно этот способ сейчас наиболее распространен в мире (в эксплуатации находится около 50 агрегатов). В частности, на основе этого метода вырабатывается примерно 5,3 млн т аммиака в год, тогда как с использованием газогенераторов Winkler – только 550 тыс. т, на базе метода Lurgi – лишь 180 тыс. т [3].

Таблица 2 – Основные показатели методов газификации твердых топлив

Показатель	Метод Lurgi	Метод Winkler	Метод Koppers-Totzek
1	2	3	4
Производительность газогенератора
по сухому углю, т/ч	40 – 75	20 – 35	до 40
по сухому газу, м3/ч	75000	60000	50000
Коэффициент использования углерода, %	90	85	89
КПД газификации, %	75 – 85	65 – 85	65 – 85
Температура, °С
в зоне реакции	750 – 1100	820 – 1100	1300 – 1700
газа на выходе	260 – 430	900 – 950	1100 – 1200
Время пребывания топлива в газогенераторе, сек	≈ 5000	100 – 500	≈ 1
Расход
угля, кг на 1000 м3 сухого газа	800 – 650	750 – 610	660 – 560
кислорода, м3 на 1000 м3 (СО+Н2)	210 – 250	300 – 350	400 – 500
Выход сухого газа, м3 на 1 т угля	1200 – 1500	1350 – 1650	1500 – 1800
Теплота сгорания газа, кДж/м3	11900–16300	7500 – 9400	10300 –11700
Состав сухого газа, % (об.)
CO2+H2S	25 – 31	17 – 22		10 – 18
CO	17 – 25	31 – 35		50 – 60
H2	40 – 42	32 – 43		29 – 34
CH4	9 – 10	0,5 – 1		0,1
N2	0,5 – 1	1 – 19		1 – 2

4.4 Метод Тексако

Сущность газификации угля по методу Тексако (рисунок 10) заключается в следующем: в верхнюю часть цилиндрического газогенератора под давлением 20 – 40 бар подают кислород и водоугольную суспензию. Процесс газификации угля завершается в потоке в течение нескольких секунд при температурах 1350 – 1500 °С. Далее продукты газификации поступают в камеру охлаждения, в которой жидкий шлак высаживается в водяную ванну, а газы отводятся в систему охлаждения и очистки. Кислород получается из воздуха в разделительных установках, а выделяющийся азот подается в камеру сгорания газотурбинной установки [4].



1 – пар; 2 – пар высокого давления; 3 – радиационный теплообменник;

4 – питательная вода; 5 – Техасо-газификатор; 6 – кислород; 7 – водоугольная суспензия; 8 – шлак; 9 – сырой (неочищенный синтез-газ); 10 – теплообменник для охлаждения сырого синтез-газа; 11 – скрубберная очистка; 12 – синтез-газ; 13 – очищенный синтез-газ; 14 – очистка от кислотосодержащих газов;

15 – установка для получения серной кислоты; 16 – котел-утилизатор;

Рисунок 10 – Принципиальная схема газификации угля в потоке по методу «Техасо».

Процесс разработан американской компанией «Texaco» в 1950-е годы для переработки тяжелых нефтяных остатков. В 1970-е годы разработана модификация аппарата «Texaco» для газификации водоугольной суспензии, которая активно используется в установках малой и средней мощности.

Газификация топлива производится в цилиндрическом аппарате в пылевом потоке на кислородном дутье под высоким давлением. Подаваемый кислород производится воздухоразделительной установкой. Газогенератор работает при температуре 1260 – 1430 ºС, давлении 3 – 4 МПа. Подача водоугольного топлива и кислорода осуществляется в верхнюю часть реактора. Концентрация топлива в смеси должна составлять 60 – 70 %.

Время нахождения частиц топлива в реакторе – несколько секунд. Зола, удаляемая из газогенератора в виде расплавленного шлака, безопасна и поэтому может быть отправлена на захоронение. Параметры процесса газификации таковы, что сырой газ богат водородом и оксидом углерода, причем СО > Н2 (по массе). Высокотемпературный среднекалорийный газ может быть охлажден двумя способами: прямым и косвенным.

При прямом методе (рис. 11а) генераторный газ быстро охлаждается водой. Сырой газ отбирается из нижней части реактора и проходит по трубке, погруженной в бассейн с водой. Далее, проходя через воду, газ охлаждается и очищается от содержащихся в нем шлака и частиц сажи. Затем газ выходит из сосуда через канал в боковой стенке и направляется на последующее охлаждение и очистку или для прямого использования. Большинство газогенераторов

«Texaco» имеют такую систему очистки. Главные преимущества такой схемы дешевизна и надежность, но с другой стороны, низкая эффективность.

При схеме с полной утилизацией теплоты (рис. 11б), сырой газ из зоны газификации поступает в радиационный теплообменник, находящийся в газогенераторе, где охлаждается с 1400 ºС до 700 ºС. Выделившаяся при этом тепловая энергия используется для производства пара высокого давления. Частично охлажденный генераторный газ отбирается из нижней части газогенератора и поступает в два параллельных конвективных теплообменника, где его температура снижается до 430 ºС, дополнительно вырабатывая пар высокого давления.



11а 11б

11а – с прямым способом охлаждения генераторного газа,

11б – с косвенным способом охлаждения генераторного газа;

Рисунок 11 – Газогенератор «Texaco».

Содержащиеся в горючем газе пыль и соляная кислота удаляются в системе мокрой очистки. Очищенный генераторный газ подают для сжигания в камеру сгорания газотурбинной установки. Образующийся жидкий шлак стекает вниз на дно газогенератора, откуда удаляется в водяную ванну, где затвердевает, и далее может быть использован в строительной промышленности.

Поточные газогенераторы, в которых используется ВУТ, в том числе аппараты «Texaco», имеют больший расход кислорода, чем газогенераторы, использующие в качестве топлива угольную пыль.

После того, как водоугольное топливо попало в газогенератор, не возникает необходимости осуществлять впрыск дополнительного пара.

К преимуществам процесса «Texaco» можно отнести: возможность использования в качестве топлива относительно дешевых высокозольных углей различных марок; отсутствие побочных продуктов (смол, конденсирующихся углеводородов); утилизация значительной части вторичных энергоресурсов; небольшой объем образующихся сточных вод.

Но существуют и недостатки: необходимость применения систем автоматического регулирования с малым (доли секунды) временем срабатывания; значительный унос частиц топлива с генераторных газом; относительно невысокая производительность реакторов; использование в качестве газифицирующего агента кислорода.