Запропоновано математичну балансова Модель для розрахунку процесів газифікації і спалювання твердого палива погіршеної якості в барботируемом розплаві шлаку. Наведено результати порівняння розрахункових даних, отриманих на моделі, з експериментальними даними. Зроблено висновок про можливість застосування розробленої моделі для аналізу роботи установки по газифікації і спалюванню вугілля в барботируемом жужільному розплаві.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Шафорост Дмитро Анатолійович, Савостьянов Олександр Петрович, Єфімов Микола Миколайович, Федорова Наталя Василівна, Скубіенко Сергій Віталійович


The mathematical balance model for calculation of processes of gasification and burning the worsened quality solid fuels in barbotaging melting slag is offered. Results of comparison of the settlement data received on model, with experimental data are given. It is drawn a conclusion on applicability of the developed model for the analysis of work of unit for gasification and burning of coal in barbotaging melting slag.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання процесу газифікації твердого палива'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання процесу газифікації твердого палива»

    ?УДК 621.311.22

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ ТВЕРДОГО ПАЛИВА

    © 2009 р Д.А. Шафорост, А.П. Савостьянов, М.М. Єфімов, Н.В. Федорова, С.В. Скубіенко

    Південно-Російський державний South-Russian State Technical University

    технічний університет (Novocherkassk Polytechnic Institute)

    (Новочеркаський політехнічний інститут)

    Запропоновано математичну балансова модель для розрахунку процесів газифікації і спалювання твердих палив погіршеної якості в барботируемом розплаві шлаку. Наведено результати порівняння розрахункових даних, отриманих на моделі, з експериментальними даними. Зроблено висновок про можливість застосування розробленої моделі для аналізу роботи установки по газифікації та спалювання вугілля в барботируемом жужільному розплаві.

    Ключові слова: модель, газифікація, спалювання, вугілля, технологія, розплав шлаку.

    The mathematical balance model for calculation of processes of gasification and burning the worsened quality solid fuels in barbotaging melting slag is offered. Results of comparison of the settlement data received on model, with experimental data are given. It is drawn a conclusion on applicability of the developed model for the analysis of work of unit for gasification and burning of coal in barbotaging melting slag.

    Keywords: model, gasification, burning, coal, technology, melting slag.

    Застосовувані в світі традиційні способи спалювання твердого палива на теплових електростанціях, незважаючи на їх різноманіття і технологічні відмінності, мають спільні істотні недоліки, а саме: значні витрати енергії на помел палива, погіршені екологічні характеристики, викиди летючого попелу, висока емісія оксидів азоту N0 *, труднощі зв'язування оксидів сірки в газовій фазі, велика кількість золошлакових відходів і т.д.

    У зв'язку з цим значний інтерес представляє технологія газифікації і спалювання вугілля в аерошлаковом барботируемом розплаві [1, 2].

    Характерною особливістю технології є те, що вугілля надходить не в топку котла, а в спеціальну камеру газифікації і спалювання палива в розплаві 3 шлаку (рис. 1), де він піддається термічній дроблення і інтенсивного перемішування. Температура розплаву підтримується на рівні 1500 ^ 1600 ° С. Через сопла-фурми 4 в розплав вводиться парокіслородовоздушное дуття, причому пар і кисень подаються в камеру в кількості меншій, ніж необхідно для повного згоряння палива. У барботируемом розплаві шлаку в умовах інтенсивної турбулізації паливо газифіковане і частково вигоряє [2].

    Мінеральна частина палива в розплавленому стані надходить в шлаковий відстійник 1, з якого після гравітаційної сепарації видаляється у вигляді легкої і важкої фракцій через зливні жолоби 2 і 5. Продукти газифікації і часткового згоряння вугілля потрапляють в камеру 7 дожигания котла.

    Дана технологія є поки маловивченою, тому необхідна розробка математичних моделей для розрахунку і проектування промислових установок, що реалізують зазначений процес.

    8 7 6

    X

    Ia 1 ..... * - • - • J / 2

    5 4 3

    Мал. 1. Схема котла з камерою-газифікатором: 1 - відстійник шлаку; 2 - зливний жолоб легкого шлаку; 3 - барботируемом розплав; 4 - дуттьові фурми; 5 - зливний жолоб важкого шлаку; 6 - вікно завантаження палива; 7 - камера допалювання;

    8 - пароперегреватель

    Пропонована математична модель описує процеси, що протікають у всьому обсязі камери-газифікатора.

    Газифікацією називають високотемпературні процеси взаємодії органічної маси твердих або рідких горючих копалин або продуктів

    їх термічної переробки з повітрям, киснем, водяною парою, діоксидом вуглецю, воднем або їх сумішами, в результаті яких органічна частина палива звертається в горючі гази. В результаті газифікації виходить генераторний газ і твердий залишок, що містить золу палива і невикористані горючі речовини. Насправді не вдається повністю перевести органічну масу вугілля в газ, і в шлаку залишається частина горючої маси палива.

    Газифікувати можна всі види природного і штучного твердого палива - дерево, солому, торф, буре і кам'яне вугілля, антрацит, горючі сланці, деревне вугілля, напівкокс і кокс. Таким чином, газифікація являє собою універсальний метод перетворення будь-якого палива, в тому числі і низькосортного, в високоякісне газоподібне паливо.

    При подачі в газогенератор повітря в окислювальному зоні відбувається реагування вуглецю палива з киснем з одночасним утворенням СО і СО2 по реакціях

    З + О2 = СО2 +409154 Дж;

    З + 0,502 = СО + 117300 Дж.

    Співвідношення між кількостями обох оксидів вуглецю залежить від умов протікання процесу. Утворений діоксид вуглецю в відновлювальної зоні відновлюється новими порціями вуглецю в оксид вуглецю:

    З + СО2 = 2СО - 162500 Дж.

    При наявності надлишку кисню оксид вуглецю може окислюватися до діоксиду:

    2СО + О2 = 2СО2 + 571107Дж.

    Якщо разом з повітрям в генератор подають водяну пару, то протікають наступні реакції:

    З + Н 2 О = СО + Н2 - 134500 Дж;

    З + 2Н2О = СО2 + 2Н2 - 75000 Дж.

    В цьому випадку утворюється газ містить два горючих компоненти: оксид вуглецю і водень.

    У газовій фазі можуть протікати і інші реакції. Так, можливі реакції між воднем і киснем, а також між оксидом вуглецю і водяною парою:

    2Н2 + О2 = 2Н2О + 484 017 Дж;

    СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.

    При взаємодії СО і Н2 може утворитися метан:

    СО + 3Н2 = СН4 + Н2О + 206419 Дж;

    2СО + 2Н2 = СН4 + СО2 + 248289 Дж,

    який в умовах процесу піддається термічного розпаду

    З + 2Н2 = СН4 + 76203 Дж.

    У процесі газифікації, крім перерахованих основних реакцій, протікають і інші:

    0,5S2 + Н2 = H2S + 20146 Дж;

    0,5S2 + CO = COS + 143195 Дж;

    C + S2 = C2S - 72435 Дж;

    C + 0,5H2 + 0,5N2 = HCN - 131053 Дж.

    Поєднання всіх цих реакцій і визначає склад що утворюється газу, який змінюється по висоті газогенератора.

    З викладеного вище випливає, що газифікація є складне поєднання гетерогенних і гомогенних процесів. Можливо і послідовне, і паралельне перебіг цих реакцій. Механізм цих процесів досі ще до кінця не з'ясовано. У зв'язку з цим для поглибленого розуміння процесів, що протікають необхідно їх вивчати з використанням відповідних моделей.

    При розробці балансової математичної моделі процесу газифікації та спалювання вугілля були зроблені наступні допущення:

    - фізико-хімічні процеси протікають в бар-ботіруемой ванні, що розглядається як реактор ідеального перемішування;

    - весь кисень, що подається на нижні фурми, витрачається на взаємодію з вуглецем з утворенням СО і СО2. Хімічний склад виділяється з шлакової ванни газу відповідає рівноважному, що розраховується по реакціях СО + Н2О = СО2 + Н2; З + СО2 = 2СО і 2Н2 + О2 = 2Н2О для заданої температури;

    - хімічний склад газів після допалювання над розплавом відповідає рівноважному при температурі на виході з камери-газифікатора.

    Газифікація вугілля в розплаві шлаку розглядається як процес, що протікає в три стадії (рис. 2).

    Перша стадія процесу - термічна деструкція компонентів завантаження в розплаві шлаку. На цій стадії в умовах «термічного удару» відбувається сушка палива, вихід летючих, розплавлення мінеральної частини і освіту диспергированного вуглецю. При побудові моделі враховувалося, що на цій стадії компоненти палива: С, Н, S і О вступають між собою в реакції взаємодії з утворенням летючих:

    З + 2Н2 = СН4; S = H2S;

    З + О2 = СО2, Н2 + О2 = Н2О, (1)

    причому водень, сірка і кисень палива повністю витрачаються в даних реакціях. Таким чином, в моделі враховується вихід летючого вуглецю в зоні деструкції. При цьому в зону реагування надходить нелеткий вуглець.

    Склад завантаження: вугілля в кількості Ьутл кг і вапняк в кількості Ьізв кг. Вапняк подається в барботируемом ванну з метою зв'язування сірки в розплаві і регулювання в'язкості розплаву.

    Утворені продукти деструкції в розрахунку на 1 кг робочої маси вугілля:

    1) рідкий (розплавлений) шлак масою ТШЛ, кг

    ТШЛ = тА + т ^ де тА - маса шлаку палива; тізв - маса шлаку вапняку;

    2) диспергований в розплаві вуглець масою тн (з початкової маси вуглецю віднімається то його кількість, яке пішло на освіту летючих компонентів палива);

    3) газоподібні продукти: сірководень УНг3, метан УСН4, азот, водяна пара УНг0 і оксид вуглецю УС02. Знак « '» відноситься до продуктів реакцій на

    першій стадії процесу.

    Друга стадія - газифікація вуглецю в Барби-тіруемом розплаві шлаку. У зону барботажа (в розрахунку на 1 кг робочої маси вугілля) надходить ТЗ кг диспергированного вуглецю. Через фурми в розплав подається в загальному випадку парокіслородовоздушное дуття, що містить повітря в кількості УУ м3, кисень у кількості Ук м3 і водяна пара масою dп кг. Водяна пара подається в камеру з метою регулювання температури розплаву і зміни складу газів, що утворюються.

    Із зони барботажа відводиться ТШЛ кг рідкого

    шлаку, тмет кг рідкого поліметалів, а також газоподібні продукти газифікації: УС0, УН2, УС02 ,

    УК2 і УН20 .

    Становить значний інтерес вивчення режиму, при якому окислювачі (водяна пара і кисень) подаються в реакційний об'єм в кількості більшій, ніж необхідно для стехиометрической

    газифікації вуглецю, але меншому, ніж потрібно для стехіометричного згорання палива, тобто 0,5 < а + р < 1,0. Тут а і р - коефіцієнти подачі кисню і водяної пари відповідно, які представляють собою відношення кількості окислювача, підведеної для взаємодії з вуглецем палива, до кількості окислювача, теоретично необхідного (в стехиометрическом співвідношенні) для повного згоряння вуглецю палива до СО2 і Н2.

    Основні рівняння реакцій для цієї стадії в такому випадку:

    • З + 0,5-02 = -С0 + 117300 Дж;

    З + Н 2 О = СО + Н2 - 134500 Дж;

    З + 2Н2О = СО2 + 2Н2 - 75000 Дж;

    СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.

    Третя стадія - реагування в газовому середовищі над розплавом суміші продуктів першої та другої стадій. В обсяг над розплавом надходять продукти першої: Кн2е, Усн4, УЩ, У'н20, і У'с02 і другої стадій: У "С0, У" Н2, У "С02, У" к2, У "Н20. Разом з продуктами першої і другої стадій в газове середовище над розплавом надходить парокіслородовоздушное дуття: повітря в кількості у " 'у м3, кисень у кількості у" "м3 і водяну пару в кількості d" "кг.

    Основні реакції для цієї стадії мають вигляд:

    2СО + О2 = 2СО2 + 571107Дж;

    2Н2 + О2 = 2Н2О + 484 017 Дж;

    СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж.

    Рівноважний склад газів визначається константою рівноваги реакції С0 + Н20 = Н2 + С02.

    Мал. 2. Схема трехстадійного процесу газифікації вугілля

    Утвориться суміш газів надходить далі на дожигание в котел-утилізатор і має склад: VCO, VН2S, РСН ^ РСО ^ і ^ / Н20.

    Для визначення температури шлакового розплаву система представлених рівнянь замикається рівнянням теплового балансу, яке для стаціонарного режиму роботи установки записується в формі, кДж / кг:

    0 + 0 + 0 СаСОз, 0, 0 _

    ?^ Палив ^ дуть? ^ Ф? ^ Пар? ^ Дож

    - 0охл ^ 0дг ^ ^ 0рад ^ 0шл ^ 0мет ^ 0дісс ,

    де 0топл - теплота згоряння і фізична теплота палива; 0дут - фізична теплота дуття; 0, СаСО3 -фізична теплота вапняку; 0пар - фізична теплота водяної пари; 0дож - кількість теплоти, переданої із зони дожигания в розплав; 0охл -теплота, що передається кесонним поверхнях камери-газифікатора; 0дг - фізична теплота відхідних газів; 0 - хімічна теплота відхідних в котел газів; 0рад - радіаційна теплота з поверхні розплаву; 0шл - фізична теплота шлаку; 0мет - фізична теплота металу; 0дісс - теплота, що витрачається на розкладання Сас03.

    При розрахунках по моделі необхідно враховувати обмеження на варійовані параметри: 0,5<а + р + Так + Др<1 (з одного боку, необхідно подавати окислювач в кількості, що забезпечує окислення всього вуглецю, щоб він не залишався в конденсованої фазі, з іншого боку, необхідна підтримка в барботируемом жужільному розплаві відновної атмосфери з метою комплексного використання переробляється палива).

    Необхідно враховувати також обмеження на температуру розплаву шлаку tP > 1500 ° С. Таке значення температури для конкретного виду палива (Донецький АШ) визначається з умови ефективного барботажа, який забезпечується при в'язкості шлаку 0,3 ^ 1 Пас. Крім того, робота установки на режимах з (Р< 1500 ° С небажана через небезпеку захолажіванія розплаву.

    Описана математична балансова модель роботи камери-газифікатора перевірена за результатами експериментів, проведених на Новолипецькому металургійному комбінаті.

    На рис. 3 приведена залежність складу продуктів газифікації від ступеня збагачення дуття киснем і показані точки, відповідні експериментальним даними для режиму газифікації при відсутності подачі дуття через верхні фурми. На рис. 4 представлена ​​залежність складу продуктів газифікації від подачі кисню; точки відпо-

    вуют експериментальними даними для режиму газифікації з подачею дуття через верхні фурми. Мал. 5 відображає залежність складу продуктів газифікації від подачі водяної пари і показані точки, відповідні експериментальним даними.

    60 50 40 30 20 10 0

    зі | < |

    N2 Н2 •

    зі, /

    -|- ді, i =

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    X

    Мал. 3. Залежність складу газів від ступеня збагачення дуття киснем. Експериментальні дані: ^ -| - С02; • - Н2; | - СО

    50

    40

    У 20 --

    про U

    10

    ^ N2

    | З.

    ж Н20 зі

    / н2

    0,5

    0,55

    0,6

    0,65

    0,7

    0,75

    Мал. 4. Залежність складу газів від витрати кисню. Експериментальні дані: ^ - | - СО; | - С02; * - Н20; • - Н2

    60 50 40 30

    3 --

    8 20 і

    10 про

    зі

    / N2 J Н2> ___

    "co-

    di; H2S

    /

    про

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    Р

    Мал. 5. Залежність складу газів від витрати водяної пари. Експериментальні дані: ^ - | - СО; | - СО2; • - Н2

    Аналіз представлених даних показує, що в межах точності вимірювань в умовах проведення випробувань розрахункові результати задовільно співпадають з експериментальними. Це дозволяє зробити висновок про можливість застосування математичної балансової моделі для аналізу роботи установки по газифікації вугілля в барботируемом жужільному розплаві з використанням в якості палива вугілля різних родовищ.

    Робота виконана в рамках державного контракту №02.56.11.6166 з Федеральним агентством з науки та інновацій.

    Надійшла до редакції

    література

    1. Мадоян А.А. Особливо екологічно чистий високоеко-

    номічних спосіб використання твердого палива для виробництва електроенергії // Укр. МЕІ. 1994. № 1. С. 6-12.

    2. Нетрадиційні технології - основний шлях забезпечення екологічної надійності та ресурсозбереження / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, Г.І. Левченко, Ф.А. Кушна-рев, Л.М. Христич, В.В. Гапеев // Енергетик. 1997. № 11. С. 2-4.

    28 листопада 2008 р.

    Шафорост Дмитро Анатолійович - канд. техн. наук, доцент кафедри «Теплові електричні станції» Південно-Російського державного технічного університету (Новочеркаського політехнічного інституту). Тел .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Савостьянов Олександр Петрович - докт. техн. наук, завідувач кафедри фізичної, колоїдної та органічної хімії Південно-Російського державного технічного університету (Новочеркаського політехнічного інституту). Тел .: 5-59-74. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Єфімов Микола Миколайович - докт. техн. наук, завідувач кафедрою «Теплові електричні станції» Південно-Російського державного технічного університету (Новочеркаського політехнічного інституту). Тел .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Федорова Наталя Василівна - канд. техн. наук, доцент кафедри «Теплові електричні станції» Південноросійського державного технічного університету (Новочеркаського політехнічного інституту). Тел .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Скубіенко Сергій Віталійович - канд. техн. наук, доцент кафедри «Теплові електричні станції» Південноросійського державного технічного університету (Новочеркаського політехнічного інституту). Тел .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Shaforost Dmitriy Anatolievich - Candidate of Technical Scince, assistant professor of departament thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Savostianov Aleksandr Petrovich - Doctor of Technical Scince, head of departament physical, colloid and organic chemistry of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph .: 5-59-74. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Scince, head of department thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Fedorova Nataliya Vasilievna - Candidate of Technical Scince, assistant professor of departament thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Skubienko Sergey Vitalievich - Candidate of Technical Scince, assistant professor of thermal power plant of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph .: 5-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: Модель / газифікація / спалювання / вугілля / технологія / розплав шлаку / model / gasification / Burning / coal / technology / Melting slag

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити