CC BY
9ГАЗИФИКАЦИЯ СЛАНЦЕВОЙ ПЫЛИ В РЕАКТОРЕ С ПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Цветков1 М.В. молодой ученый, Салганский1 E.А., Зайченко1 А.Ю., Подлесный1 Д.Н., Салганская1'2М.В.
1-Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка 2- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва,
18Ув1коУ@1су. ас. ги
001:10.24411/9999-004A-2019-10034
В работе было проведено экспериментальное исследование воздушной и паровоздушной газификации высокодисперсного топлива - горючего сланца. Проведенный анализ образцов топлива показал следующий усредненный элементный состав (% масс.): С - 28.1; О - 20.7; Н - 3.16; N - 0.04; Б - 2.0; зольность - 44%, влажность составляла 2%. Низшая теплота сгорания горючего сланца равнялась 10.5 МДж/кг. Эксперименты проводились на измельченном топливе фракции 63-160 мкм. Температура плавления золы - не менее 1200°С.
Массовый расход пылевидного топлива подбирался так, чтобы в продукт-газе преимущественно образовывался моноксид углерода. Для этого были выбраны три характерных удельных расхода окислителя: 1000, 1200, 1400 м3/(м2час). В экспериментах мольное отношение пар/кислород в газообразном окислителе составлял 0 и 2.
Лабораторные исследования проводили в вертикальном шахтном кварцевом реакторе квазинепрерывного действия, внутренним диаметром 66 мм и длиной 500 мм. Объем реактора заполняли инертным материалом (дробленый шамотный кирпич) фракции 7-10 мм с пористостью 0.6.
Для измерения температуры использовались хромель-алюмелевые термопары. Термопары располагались на расстоянии 65 мм друг от друга, спаи которых находились на внутренней стенке реактора. Показания термопар через АЦП выводились на компьютер в реальном времени, что позволяло стабилизировать высокотемпературную область в одном положении внутри реактора путем выгрузки-загрузки инерта. Периодически в ходе экспериментов через верхний торец реактора производился отбор проб газообразных продуктов в стеклянную ампулу-ловушку. Анализ отобранных газообразных продуктов осуществляли на газовом хроматографе '^С-СЯУБТАЬ 5000" фирмы Хроматэк.
Инициирование процесса горения осуществлялось путем первоначальной загрузки в реактор запальной смеси (смесь древесного угля с инертным материалом), разогретой до 800°С. Поверх запальной смеси в реактор до верхнего торца загружали инертный материал при комнатной температуре. После этого производилась подача газифицирующего агента в реактор.
Транспортировка пылевидного топлива в объем реактора осуществлялась дополнительным потоком воздуха через боковой ввод в реакторе. Далее происходило горение уже пылевидного топлива. Процесс горения осуществляли в квазинепрерывном режиме, для этого в ходе эксперимента осуществлялась разгрузка остывшего инерта вращающимся колосником из реактора и дозагрузка свежих порций инерта в реактор. В таком режиме работы пылевидное топливо подавалось в разогретую выше 600°С часть инертной засыпки.
Характерные температурные профили волны горения при газификации горючего сланца для случая расхода воздуха 1000 м3/(м2час) и мольном отношении пар/кислород равном 2 представлены на рисунке 1. На графике цифрами приведена нумерация термопар по длине реактора снизу-вверх, а также представлен перепад давления на слое в реакторе (пустые круглые маркеры). Начальный момент времени соответствует загрузке инициирующего состава в реактор, после чего происходило его горение и прогрев вышележащих слоев инертного материала. Время начала и окончания подачи топлива обозначено вертикальными сплошными линиями, моменты отбора газообразных продуктов - заштрихованными прямоугольниками. Колебания температуры и давления в ходе эксперимента соответствуют выгрузке инертного материала и подсыпке новых порций сверху реактора с целью удержания высокотемпературной зоны напротив ввода топлива.
Рис. 1. Типичные температурные профили волны горения при газификации
горючего сланца.
Продолжительность всех экспериментов составляла примерно час, а время подачи пылевидного топлива составляло 40-50 минут, этого было достаточно для реализации стационарного режима горения. При газификации пылевидного топлива происходило расширение тепловой волны и ее продвижение вверх по засыпке, в результате этого топливо подавалось в разогретую зону протяженностью 3.5-4 диаметра реактора и времени
пребывания хватало для полного его реагирования. Таким образом, в экспериментах реализовывалась инверсная структура волны горения.
На рис. 2 представлена зависимость скорости конвективной тепловой волны в реакторе от расхода воздуха и мольного отношения пар/кислород. В случае газификации пылевидного топлива скорость конвективной тепловой волны определяется движением инертного теплоносителя вдоль оси реактора и зависит от расхода топлива и газифицирующего агента.
Рис. 2. Зависимость скорости конвективной тепловой волны в реакторе от расхода воздуха и мольного отношения пар/кислород.
При росте расхода воздуха с 1000 до 1400 м3/(м2час) происходил рост скорости конвективной тепловой волны с ~0.5 мм/с до ~1.1 мм/с. Добавление пара также увеличивает скорость конвективной тепловой волны.
При увеличении расхода воздуха происходит рост температуры горения с 700 до 850°С и перепада давления с 1250 до 2500 Па/м. При этом давление в реакторе было выше примерно в 3 раза, чем при холодных продувках аналогичных систем при тех же расходах, что связано с увеличением объема газа в результате реакции топлива с окислителем в высокотемпературной зоне и за счет теплового расширения газа.
В работе были изучены закономерности фильтрационного горения пылевидного твердого топлива. При реализации инверсной тепловой структуры волны горения были определены максимальные температуры горения, перепад давления на слое в ходе эксперимента и скорость тепловой волны в зависимости от расходных характеристик исходных реагентов. Показана возможность получения горючего газа с калорийностью до 4 МДж/м3.
Измерения элементного состава горючего сланца выполнены в АЦКП ИПХФ РАН.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №17-03-00058 и Государственного задания №0089-2019-0018.
107
