CC BY
47
УДК 662.67
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ БЕЛАРУСИ НА ОСНОВЕ ИХ ГАЗИФИКАЦИИ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Докт. техн. наук, проф. БОКУН И. А.
Белорусский национальный технический университет
В связи с ростом цен на импортное топливо одним из приоритетных направлений развития республики является обеспечение энергетической безопасности за счет использования местных ресурсов. К местным топли-вам относятся: биомасса, бурые угли, запасы которых составляют порядка 150 млн т, и сланцы (11 млрд т).
Характерной особенностью практически всех видов горючих сланцев является значительное содержание в органическом веществе диспергированной минеральной массы. В сухом веществе горючих сланцев содержится 50-80 % неорганических соединений и 20-35 % керогена (углеводород, водород, сера). Минеральная же часть сланцев состоит из карбонатов Са, Mg, а также Fe, кремнистых и глинистых соединений. Высокая зольность горючих сланцев (до 70 %) и низкая теплотворная способность (до 6000 кДж/кг влажностью до 5 %) требуют выбора соответствующего метода их использования, тем более, что себестоимость добычи сланцев доходит до 6-7 дол./т. Эффективно использование горючих сланцев на электростанциях Эстонии и Германии [1,2]. Результаты исследований, приведенных в [3J, свидетельствуют о целесообразности вовлечения горючих сланцев Беларуси в структуру топливно-энергетического баланса республики.
Показано [2], что себестоимость электроэнергии на сланцевых прибалтийских тепловых электростанциях не превышает себестоимости электроэнергии угольных и даже мазутных электростанций. В структуре себестоимости электроэнергии станций на сланцах топливная составляющая равна 63-67 %, амортизация - 25-32 %, вода - 0,1-0,7 %, заработная плата - 1,6-1,2 % и прочие производственные расходы - 4,5-3,9 %. При пылевидном сжигании сланцев расход энергии на собственные нужды достигает 9-10 %, а также имеют место повышенный износ поверхностей нагрева и загрязнение окружающей среды [2].
Сегодня известны направления освоения сланцев. Первое - энергетическое (горючие сланцы используются в качестве топлива котлов электростанций). Второе направление - технологическое (они подвергаются термическому разложению, и в результате выделяются жидкие и газообразные продукты - смола, газовый бензин, газ, пирогенетическая вода). Кроме получения искусственного жидкого топлива и газа, технологическая переработка позволяет организовать производство ряда химических продуктов на базе фенолов, серы, получаемой при очистке газа, и др. Третье направление - энергоклинкерное (пылевидные горючие сланцы сжигаются в топках котлов с расплавом золы, из которой получают клинкер - высокопрочный сланцевый цемент). Это направление опробовано в Эстонии и ФРГ на ус-
тановке с кипящим слоем [2]. На четвертом направлении используется наиболее прогрессивная техника энергетического и технологического потребления горючих сланцев. В этом случае в специальных агрегатах последние первоначально подвергаются высокоскоростной термической переработке, а затем полученное газомазутное топливо сжигается в топках котлов. Развитие энерготехнологического направления - энергохимическое применение горючих сланцев с целью получения химических продуктов, строительных материалов, электроэнергии. При использовании горючих сланцев в теплоэнергетике необходимо учитывать экономические и экологические факторы. Этому могут соответствовать технологии, основанные на применении парогазовых установок с внутрицикловой газификацией горючих сланцев в кипящем и пульсирующем слое под давлением.
Применение высоких давлений при газификации топлива позволяет увеличить концентрацию реагирующего газа в реакционном объеме, уменьшить скорость газового потока при одном и том же массовом расходе, увеличить время контакта газов с перерабатываемым топливом. С повышением давления в аппарате с кипящим слоем от р0 до р линейная скорость газового потока }¥?, необходимая для организации кипящего слоя, с
той же степенью расширения будет уменьшаться обратно пропорционально корню квадратному из отношения давлений [2]
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 [3]
где с/0 - предельный диаметр мелкой частицы, уносимой из верхней зоны кипящего слоя.
Повышение давления в газогенераторе р кипящим слоем увеличивает интенсивность процесса газификации пропорционально корню квадратному из отношения давления [4]
где q!¡^ - интенсивность процесса газификации при повышенном давлении, кг/(м2-ч); с[р/ - 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
(1)
(2)
(3)
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 [4]. 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
Н,0 ...... ,з
Воздух(02)
0,16-0,18 кг/м (норм.)
при паровоздушном дутье и 4,3-4,5 кг/м3(норм.) - при парокислородном дутье. После отмывки газа от С02 температура сгорания может составлять до 15500-16000 кДж/кг [5]. Для повышения теплоты сгорания продуктов газификации горючих сланцев можно осуществить совместную газификацию сланцев и отходов крекинга нефти.
Основным фактором, который определяет результаты термического разложения топлива, является температура. С ее увеличением возрастает выход горючего газа. В этом случае одновременно с уменьшением выхода полукокса снижается выход смолы и пирогенетической воды. При постоянной температуре повышение давления в газогенераторе увеличивает время пребывания газов в аппаратуре, что способствует интенсификации вторичных реакций в парогазовой фазе и увеличивает коэффициент перехода теплоты топлива в газ.
Процесс термического разложения сланцев зависит как от скорости собственно химического превращения, так и от условий тепло- и массооб-мена между газом и зернистой средой (топливом).
В результате увеличения давления в газогенераторе с кипящим слоем удается сократить время прогрева частицы до температуры реакции и сократить скорость реакции [6]
— ~ре, (4)
р
где х - время реакции; р - давление; Т - температура.
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.
Теплота сгорания от термического разложения топлива зависит от выхода летучих продуктов и содержания в горючей массе кислорода и может определяться по формуле Г. Ф. Кнорре
п (5)
¡¿лет .-,0,42 '
где g:icT _ теплота сгорания летучих продуктов, кДж/кг; С0 - содержание
углерода в горючей массе углерода, юг/кг.
В процессе газификации горючих сланцев протекают реакции:
С + 02 = С02; (6)
С + С02 = 2СО; (7)
С + 2Н20(пар) = С02 + 2Н2; (8)
С + 2Н2 = СНф (9)
Для анализа этих реакций могут быть использованы законы химической
термодинамики и кинетики.
Из прибалтийского сланца при газификации в кипящем слое на паровоздушном дутье получают отопительный газ с теплотворностью 4000 кДж/м3(норм.) при КПД газификации 52 % и тепловом КПД с учетом избыточного пара, который может быть получен в котле-утилизаторе, за вычетом пара, расходуемого на собственные нужды, - 70 % [7].
Так как горючие сланцы содержат серу, с целью предотвращения загрязнения окружающей среды продукты газификации должны быть очищены от сернистых соединений. Исследования [8] показали, что капитальные затраты в ПГУ с внутрицикловой газификацией сланца можно представить в виде [7]
АК = АКагр + АКМ +ДКТП + АКбхс + ДКХС + ДКвру, (10)
где ДКагр - капитальные затраты на технологическое оборудование по тракту генераторного газа (от газогенератора до ПГУ); AKM - то же на установку производства серы методом Клауса; ДК^ - то же в систему очистки сточных вод; АКХС - то же в систему производства хлора; АКвру - то же на воздухоразделительные установки.
Определение капитальных затрат на "газогенераторное оборудование и технологические аппараты системы очистки генераторного газа с учетом давления и характеристик парогазовой смеси можно осуществить, учитывая металлоемкость агрегатов, зависящую от толщины стенки (в соответствии с требованиями к технологической прочности основных узлов). В таком случае капитальные затраты составят
ДКагр = КпМапД
мет? (И)
где Магр - масса агрегата; Цмет - удельная стоимость применяемого металла, у. е./т; Кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на изготовление и неучтенное оборудование.
Режим дутья оказывает сильное влияние на выход побочных продуктов удельные стоимости которых зависят от реализации побочных продуктов газификации сланцев
Звдб.пр = 2^-14 (12)
где V¡ - выход г-го продукта (зола, смола, сера); Ц, - удельная стоимость г-го продукта.
Нужно отметить, что с повышением давления в газогенераторе в реакционном объеме увеличивается плотность парогазовой смеси, что ведет к снижению габаритов газогенератора и снижению капитальных вложений [4, 7]. Отмечается [7], что удельные капитальные вложения на ПТУ составляют 800 у. е./кВт. Повышение давления в газогенераторе позволит снизить расход электроэнергии на собственные нужды.
ВЫВОДЫ
1. Рассмотрены технологии энергетического использования сланцев.
2. Показана эффективность строительства ПГУ с внутрицикловой газификацией горючих сланцев в кипящем слое под давлением, а также необходимость исследований, связанных с энергетическим использованием сланцев в Республике Беларусь.
ЛИТЕРАТУРА
1. Э п и к, И. П. Проблемы энергетического использования горючих сланцев / И. П. Эпик // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ) - 1977 - No 4
С. 54-62.
2. К у з н е ц о в, Д. Т. Энергохимическое использование горючих сланцев / Д Т Кузнецов. -М.: Энергия, 1978. - С. 217.
3. Ш п о р т а, И. П. Проблемы развития и повышения эффективности использования топливно-энергетического комплекса Белорусской ССР / И. П Шповта В И Tnvraen Мн., 1979.
4. Альтшулер, В. С. Новые процессы газификации твердого топлива / В С Альт-шулер. -М.: Недра, 1976.-С. 280.
5. А л ь т ш у л е р, В. С. Процессы в кипящем слое под давлением / В. С. Альтшулеп Г. П. Сеченов. -М., 1963.-С. 214.
6. Ф р а н к-К а м е н е ц к и й, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д. А. Франк-Каменецкий. -М.: Наука, 1967. - С. 491.
7. П и с ь м е н, М. К. Газификация прибалтийского сланца в кипящем слое / М. К. Письмен, В. Г. Ермаков, Ю. И. Белянин // Газовая промышленность. - 1957. - № 3. -
С. 5—8.
8. Я н о в, А. В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: автореф. дис. ... канд техн наук / А. В. Янов. - Саратов: ГТУ, 2005. - С. 20.
Представлена кафедрой экономики и организации
энеРгетики Поступила 14.02.2006
