CC BY
67
УДК 519.85:62-626.3 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-40-44
МЕТОД ГАЗИФИКАЦИИ НИЗКОРЕАКЦИОННОГО УГЛЯ В ВОСХОДЯЩЕМ СТРУЙНО-ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ АКТИВИРОВАННОГО ОКИСЛИТЕЛЯ
THE METHOD OF LOW-REACTIVE COAL GASIFICATION IN AN UPWARD JET-VORTEX OXIDANT ACTIVATED BY NANOCATALYST
© 2015 г. Н.Н. Ефимов, А.А. Белов, Д.А. Шафорост, Н.В. Федорова, А.С. Ощепков,
А.В. Рыжков, В. С. Пряткина
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-76-06. Е-mail: efimov@ novoch.ru
Белов Александр Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-56-44. E-mail: sas-bel@ail.ru
Шафорост Дмитрий Анатольевич - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 255-218. E-mail: dimochka__2001@mail.ru
Федорова Наталья Васильевна - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 25-52-18. E-mail: fedorovanv61@rambler.ru
Ощепков Андрей Сергеевич - инженер НОЦ «Энергетика и энергосбережение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 255-218. E-mail: andre wos@rambler.ru
Рыжков Антон Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-76-06. E-mail: ryzhkov.anton@mail.ru
Пряткина Вера Сергеевна - аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vera_pryatkina@mail. ru
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-76-06. E-mail: efimov@novoch.ru
Belov Alexander Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-56-44. E-mail: sas-bel@ail.ru
Shaforost Dmitry Anatolyevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 255-218. E-mail: dimochka__2001@mail.ru
Fedorova Natalia Vasilyevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 25-52-18. E-mail: fedorovanv61@rambler.ru
Oshchepkov Andrey Sergeevich - engineer, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 255-218. E-mail: andrewos@rambler.ru
Ryzhkov Anton Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-76-06. E-mail: : ryzhkov.anton@mail.ru
Pryatkina Vera Sergeevna - post-graduate student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: vera_pryatkina@mail.ru
Предложена математическая модель процесса газификации низкореакционного твердого топлива в кольцевом восходящем потоке. Представлены основные положения модели для исследования кинетики процессов реагирования компонентов в одномерном стационарном потоке при газификации уголь-
ной пыли, в частности основные допущения математической модели процесса газификации угля в струйно-вихревом потоке, определяющие гомогенные и гетерогенные реакции газификации угля; непосредственно само дифференциальное уравнение энергии для одномерного стационарного потока и дифференциальные уравнения изменения концентраций реагирующих компонентов и их граничные концентрации.
Ключевые слова: газификация угля; кинетика химических реакций; моделирование; нанокатализатор.
Today the problem of high effective use of solid fuels in thermal power plant has not been solved. The method of solid fuels gasification in an upward jet-vortex oxidant activated by nanocatalyst is proposed. The mathematical model of the low-reactive solid fuels gasification process in the annular flow is proposed. The basic assumptions of the model for the study of the reaction kinetics for the components in the one-dimensional steady-state flow during coal dust gasification are presented. The model is based on a system of differential equations of energy and changes in the concentrations of the reactants.
Keywords: coal gasification; chemical kinetics; modeling; nanocatalyst.
Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г., планируется увеличение доли угля в энергетике России, более широкое использование нетрадиционных и местных видов топлив. В оборот вовлекаются угли все более высокой зольности (до 50 %). Для сжигания таких углей требуются специальные установки, технологии и режимы работы. При традиционном сжигании твердых топлив на тепловых электростанциях (ТЭС) в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ.
Одним из перспективных направлений сжигания низкореакционных высокозольных топлив (углей и биомасс) является использование газификационных технологий, которые превращают уголь в газообразное экологически чистое топливо [1]. Это особенно важно на перспективу при переводе ТЭС, использующих в настоящее время природный газ в качестве основного топлива, на сжигание угля.
Несмотря на существующее многообразие методов газификации [2] в настоящее время не решена проблема высокоэффективного использования твердых, особенно низкореакционных топлив на ТЭС. При эксплуатации газогенераторов возникает ряд проблем: образование побочных продуктов газификации (масло, смола, фенолы), которые загрязняют газ и требуют его очистки; наличие вращающейся решетки, что повышает износ оборудования и снижает надежность его работы (метод «Лурги»); высокий унос угольной пыли с уходящим газом (метод «Винклера»); большое количество реакторов и длина трубопроводов, что повышает капитальные затраты на реализацию процесса и тепловые потери через стенки оборудования (метод «Когаз»); необходимость утилизации теплоты уходящих газов, имеющих очень высокую температуру (метод «Копперс-Тотцек»); для процесса характерна невысокая интенсивность из-за конструктивных ограничений (газификаторы горизонтального типа); невысокая производительность газогенераторов, ограничивающая их применение в крупных промышленных масштабах; недостаточная управляемость процессом газификации.
Проектированию газификационных установок и технологий предшествует экспериментальное и теоре-
тическое моделирование. Математические модели процессов газификации исследуются в значительно меньшей степени, чем модели сжигания угля.
Простейшие варианты задачи расчета газогенератора путем физико-химического моделирования для слоя чистого углерода были решены и доведены до простых инженерных решений З.Ф. Чухановым, Б.В. Канторовичем, Х.И. Колодцевым и В.В. Померанцевым в 40-60-х гг. ХХ в. Эти модели были упрощенными и требовали больших вычислительных ресурсов. Более сложные модели имеют большое число параметров, требующих эмпирического определения.
В данной работе предлагается метод газификации твердых топлив в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, активированного нанокатализатором.
Особенностью такого метода является газификация пылевидных частичек угля в турбулизированном восходящем потоке (рисунок). В вертикальной кольцевой камере из-за малых размеров частиц увеличивается поверхность, на которой протекают гетерогенные реакции, что в совокупности с высокой турбули-зацией потока повышает интенсивность процесса газификации. Это позволяет уменьшить объем реакционной камеры и повысить производительность газификатора.
Анализ кинетики процесса газификации показывает, что в различных современных газогенераторах продолжительность пребывания реагирующих компонентов в реакционной зоне может существенно изменяться. Например, в аппаратах, реализующих процесс Лурги, продолжительность пребывания топливных частиц колеблется в пределах от 0,5 до 1,5 ч [3]. В то же время в аппаратах, работающих по струйно-вихревому принципу, время пребывания частиц и газа в них составляет всего 1^3 с.
С целью еще большей интенсификации процесса газификации в рассматриваемом методе предлагается использовать окислитель, активированный наноката-лизатором. Особый интерес в этом плане представляют углеродные наноструктуры нового гомологического ряда - фуллерены и фуллероиды [4].
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке.
Уголь
Генераторный газ 5
Воздух
12 11 10
Принципиальная схема экспериментальной установки струйно-вихревой газификации углей
Предварительно подготовленная угольная пыль поступает в бункер 1, откуда шнековым питателем 2 проходит в камеру 3. Далее пыль подается в нижнюю часть струйно-вихревого газификатора 13 через регулирующий клапан 14. В камере 13 и происходит процесс газификации пыли. Крупная зола удаляется из установки через бункер в нижней части газификатора. Образовавшийся в газификаторе газ вместе с золой уноса поступает в циклон 5, где происходит отделение частиц золы от газа. Очищенный газ отводится из установки. Окислитель в виде воздушного дутья подается дутьевым вентилятором 12 в воздухоподогреватель 11. При этом максимально допустимая скорость дутья ограничивается необходимостью регулирования неконтролируемого выноса частиц топлива и золы из объема камеры газификации топлива. Перед входом в газификатор 13 в подогретую воздушную струю впрыскивается вода и подводятся наноматериалы. Далее смесь водяного пара с воздухом и наноматериалами закручивается и поступает в камеру газификации 13. Вихревой поток создается тангенциальным подводом смеси и лопастным аппаратом 8. Для контроля за процессом газификации устанавливаются измерительные датчики и приборы 4, 6, 7, 9, 10.
Таким образом, в вертикальной кольцевой камере из-за малых размеров частиц топлива увеличивается поверхность, на которой протекают гетерогенные реакции, что в совокупности с высокой турбулизацией потока повышает интенсивность процесса газифика-
ции. Это позволяет уменьшить объем реакционной камеры и повысить производительность газификатора.
Получаемый газ содержит малое количество углеводородов, так как летучие продукты пиролиза топлива подвергаются крекингу в зоне газификации. За счет добавок к топливу, связывающих оксиды серы и азота, достигается снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Предлагаемый метод газификации низкореакционного твердого топлива в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, активированного нано-катализатором, по сравнению с аналогами позволит обеспечить следующие технические и общественно полезные преимущества:
- возможность работы на любых марках углей;
- компактность и простоту конструкции по сравнению с аналогами;
- высокий КПД установки - до 85 %.
Несмотря на многолетние интенсивные исследования [5 - 8], в теоретическом плане результаты изучения процессов горения и газификации угля остаются достаточно скромными. Существующие модели и методы не позволяют рассчитывать макрокинетику и теплообмен при газификации угля в восходящем струйно-вихревом потоке. В связи с этим представляется актуальным разработка и развитие математических моделей, которые позволят восполнить этот пробел.
Математическая модель процесса газификации угля в струйно-вихревом потоке имеет следующие основные допущения.
1. Все процессы протекают в стационарном одномерном кольцевом потоке.
2. Твердые частицы и газ имеют одинаковую температуру.
3. Изменение кинетической и потенциальной энергии потока мало по сравнению с изменением его энтальпии.
4. Частицы угля, поступающие в кольцевой поток, прошли стадии сушки и выхода летучих компонентов.
5. Тепловой поток через внешнюю цилиндрическую поверхность кольцевого канала значительно больше, чем через внутреннюю.
При газификации угля определяющими являются следующие реакции:
С + 02 = С02 + Q1, (1)
С + 0,502 = СО + Q2, (2)
С + Н2О = СО + Н2 - Q3, (3)
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 - Q4, (4)
С + СО2 = 2СО - Q5, (5)
С + 2Н2 = СН4 - Qб, (6)
СО + Н2О = СО2 + Н2 + Q7, (7)
СО + 0,502 = СО2 + Q8, (8)
Н2 + 0,502 = Н2О + Q9, (9)
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q10, (10)
где Qi, I = 1...10, - абсолютная величина тепловых эффектов соответствующих реакций, кДж/кмоль; для реакций (1) - (6) тепловой эффект относится к кмолю углерода, для реакций (7) - (8) - к кмолю СО, для (9) - к кмолю Н2, для (10) - к кмолю СН4 .
В основу модели кинетики процесса газификации положены дифференциальное уравнение энергии для одномерного стационарного потока (11) и дифференциальные уравнения изменения концентраций реагирующих компонентов (12):
pw
П dqz
d (cT) 10 V
i=i F dz
273
dz
(11)
d (w^c )
dz
= Ar
(k1 + 2k2 ) ^H2O (k3 + k 4 )
^CO2 k5 ^H2 k 6
M,
CO2
Mt
Mr
f ^c M c
M
H2O
273 V
T
(12)
где р - плотность дисперсного потока, кг/м3; w -скорость потока, м/с; с - теплоемкость смеси газообразных и твердых компонентов, кДж/(кг-К); Т -температура потока, К; qr - плотность теплового потока на цилиндрической поверхности кольцевого
канала, кДж/(м2-с); П - внешний периметр кольта 2
цевого канал, м; Ь - поперечное сечение потока, м ; qz - плотность теплового потока на поперечном
сечении кольцевого канала, кДж/(м2-с); ^ - ^ константы скорости химических реакций (1) - (6), м/с; f - удельная поверхность контакта коксовых частиц
с газами, м2/кг; Цс , Цо2, Цн2О, Цсо2 , Цн2 -соответственно концентрации углерода, кислорода, водяного пара, диоксида углерода и водорода при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст., кг/м3;
МС, МО , МН1О , МСО , Мн - молярная масса
соответствующих компонентов, кг/кмоль; Ас - эмпирический коэффициент.
Для остальных компонентов, участвующих в реакциях (1) - (10), получены уравнения, аналогичные формуле (12).
Граничные концентрации компонентов в данном случае могут быть записаны следующим образом:
Сг/100
273
(„ * ) =
V с'о aV0 + 22,4dn /18 T0
(0,21aV032/22,4 + Or/100) 273 (Ц°2 )0 " aV0 + 22,4d„ /18 ~ '
h2° )0
Wr/100 + dn 273 aV0 + 22,4d„ /18 T0
Hr/100
273
(цH2 )0 aV0 + 22,4dn/18 T0
где ° = Цо2 Цс J Q1/МО2 - объемное тепловыделение за счет химической реакции (1), кДж/(м3-с); для реакций (2) - (10) получены аналогичные выражения (для экзотермических реакций
> 0 ,I = {1,2,7,8,9,10}, для эндотермических реакций < 0 ,1 = {3,4,5,6}).
(цсо )0 =0; (Цсо2 ) =0; (Ц сн4) =0.
Здесь Сг, Ог, Нг, Wr - содержание углерода, кислорода, водорода и влаги в рабочей массе топлива, %; а - коэффициент избытка воздуха; V0 - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг рабочей массы угля, м3/кг; dп - массовая доля пара, подаваемого в камеру газификации, кг/кг; Т0 - температура на входе в камеру газификации, К.
2
2
2
Модель, описывающая кинетику преобразования веществ в процессе газификации, в основу которой положена система дифференциальных уравнений энергии и изменения концентраций реагирующих компонентов, позволет осуществить математическое моделирование процесса газификации низкореакционных углей, прогнозировать изменение макропараметров процесса, таких как концентрации компонентов, изменение температуры и скорости потока по высоте установки. Модель допускает адаптацию путем изменения значений параметров, получаемых экспериментальным путем.
Литература
1. Кожуховский И.С. Перспективы развития угольной энергетики России до 2030 г. // Электрические станции. 2012. № 8. С. 2 - 8.
2. Ronald W. Breault «Gasification Processes Old and New: A Basic Review of the Major Technologies» //Energies 2010. № 3. P. 216 - 240; doi:10.3390/en3020216.
3. Химические вещества из угля / под ред. И.В. Калечица. М.: Химия, 1980. 616 с.
4. Ефимов Н.Н., Ощепков А.С., Рыжков А.В., Шафо-рост Д.А. Способ повышения активности окислителя в процессах воспламенения и горения твердых топлив // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 6. С. 53 - 55.
5. Шафорост Д.А., Савостьянов А.П., Ефимов Н.Н., Федорова Н.В., Скубиенко С.В. Математическое моделирование процесса газификации твердого топлива // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. № 1. С. 64 -68.
6. Предводителев А.С., Хитрин Л.Н., Цуханова О.А., Колодцев Х.И., Гродзовский М.К. Горение углерода. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. 407 с.
7. Канторович Б.В. Основы горения и газификации твердого топлива. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1958. 600 с.
8. Виленский Т.В., Хзмалян Д.М. Динамика горения пылевидного топлива. М.: Энергия, 1978. 248 с.
References
1. Kozhuhovskij I. S. Perspektivy razvitiya ugol'noj 'energetiki Rossii do 2030 g. [Prospects of Russia's coal-fired power industry growth till 2030]. Elektricheskie stancii, 2012, no. 8, pp. 2-8.
2. Ronald W. Breault "Gasification Processes Old and New: A Basic Review of the Major Technologies". Energies, 2010, no. 3, pp. 216-240. doi:10.3390/en3020216.
3. Himicheskie veschestva iz uglya [Chemicals derived from coal]. Moscow, Himiya Publ., 1980, 616 p.
4. Efimov N.N., Oschepkov A.S., Ryzhkov A.V., Shaforost D.A. Sposob povysheniya aktivnosti okislitelya v processah vosplame-neniya i goreniya tverdyh topliv [Method of enhancement of oxidant's activity in solid fuel firing and burning]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki , 2011, no. 6, pp. 53-55.
5. Shaforost D.A., Savost'yanov A.P., Efimov N.N., Fedorova N.V., Skubienko S.V. Matematicheskoe modelirovanie processa gazifikacii tverdogo topliva [Mathematical modeling of gasification of solid fuels/ N.N. Efimov, D.A. Shaforost]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2009, no. 1, pp. 64-68.
6. Predvoditelev A.S., Hitrin L.N., Cuhanova O.A., Kolodcev H.I., Grodzovskij M.K. Gorenie ugleroda [Carbon burning]. Moscow-Leningrad, Izd-vo AN SSSR, 1949, 407 p.
7. Kantorovich B.V. Osnovy goreniya i gazifikacii tverdogo topliva [Principles of solid fuel burning and gasification]. Moscow, Izd-vo AN SSSR, 1958, 600 p.
8. Vilenskij T.V., Hzmalyan D.M. Dinamika goreniyapylevidnogo topliva [Dynamics of powdered fuel burning]. Moscow, 'Ener-giya Publ., 1978, 248 p.
Поступила в редакцию 20 ноября 2014 г.
