Основні закономірності горіння та газифікації високозольного вугілля в різних модифікаціях киплячого шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

автореферат

Основні закономірності горіння та газифікації високозольного вугілля в різних модифікаціях киплячого шару

майстренко олександр юрійович

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан проблеми. Твердопаливні теплові електростанції (ТЕС) України, на яких виробляється більше 25% електроенергії країни, знаходяться у тяжкому стані, що зумовлено: дефіцитом всіх видів палива; зниженням якості вугілля, зольність якого на суху масу () зросла до 35-38%; необхідністю використання для горіння високозольного вугілля (ВВ) природного газу або мазуту, частка яких по теплу складає 10-35%; низькою ефективністю спалювання ВВ в факельних котлоагрегатах з значними економічними і екологічними збитками; необхідністю роботи вугільних енергоблоків при змінних навантаженнях з великою кількістю зупинок; фізичним та моральним зносом обладнання ТЕС, більшість з якого відпрацювало свій ресурс.

Вихід із ситуації, що склалася, може бути знайдено на шляху реконструкції ТЕС з використанням нових вугільних енерготехнологій, до яких для ВВ в першу чергу слід віднести методи горіння і газифікації в різних модифікаціях киплячого шару (КШ). Їх основними перевагами є: висока ефективність утилізації вугілля різного ступеня метаморфізму, в тому числі ВВ та високосірчистого, без використання природного газу або мазуту, екологічна чистота технологій, можливість роботи обладнання в маневровому режимі без зміни технологічних показників процесів.

Існуючі в світі технології КШ створювалися для утилізації кам`яного та бурого вугілля середньої зольності ( 30-35%). Методів спалювання та газифікації ВВ в КШ розроблено недостатньо, але й їх було створено для твердих палив, які відрізняються від енергетичного вугілля України рівнем зольності та реакційною спроможністю коксів. До того ж відсутній аналіз доцільності використання тих чи інших технологій КШ для утилізації ВВ, що стримує їх впровадження.

Актуальність теми зумовлено необхідністю створення нових вугільних енерготехнологій КШ, які спрямовано на термічну переробку ВВ, з подальшим їх використанням при заміні або реконструкції котельного обладнання ТЕС України.

Більшість відомих досліджень по термічній переробці ВВ в КШ направлено на розробку конструкцій установок. Серед них доцільно виділити установки низькотемпературного (НКШ), високотемпературного (ВКШ), циркулюючого (ЦКШ) киплячих, фонтануючого (ФШ), циркулюючого аерофонтануючого (ЦАФШ), киплячого під тиском (КШТ) та циркулюючого киплячого під тиском (ЦКШТ) шарів. В матеріалах цих досліджень, як правило, відсутні дані по впливу зольності, ступеня метаморфізму, вмісту сірки, режимних параметрів на умови конверсії вугілля, а також не надано інформації з ефективності та екологічної чистоти процесів спалювання і газифікації ВВ, що не дозволяє розробити технології для їх утилізації.

Ці обставини підкреслюють необхідність створення методів термічної переробки ВВ України в КШ. Заходи по їх розробці повинні включати в себе: створення установок для дослідження процесів конверсії вугілля в КШ; проведення досліджень із кінетики та динаміки взаємодії вугілля та його коксів з СО₂ і О₂, технологічних експериментів по спалюванню та газифікації ВВ в різних модифікаціях КШ; розробку інженерних методів розрахунку елементів установок, технологічних схем процесів горіння та газифікації і рекомендацій по використанню методів термічної переробки ВВ в КШ на ТЕС. Вищеназвані роботи і склали основу дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та практичні результати, які представлені в дисертації, отримано автором при проведенні в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій НАН та Міненерго України (НТЦВЕ) бюджетних науково-дослідних робіт: “Дослідження процесів переробки вугілля та розробка енергетичних установок високотемпературної газифікації та спалювання вугілля” (рішення Бюро ВФТПЕ АН УРСР, протокол №7 від 3 грудня 1989 року), “Дослідження методів газифікації та спалювання енергетичного та забалансового вугілля в потоці та киплячому шарі під тиском з метою розробки технічного завдання на створення дослідно-промислових парогазових установок на твердому паливі” (рішення Бюро ВФТПЕ НАН України, протокол № 2 від 8 лютого 1994 року), а також при виконанні договорів з Міненерго України, які проведено згідно Наказів Міністра енергетики та електрифікації України № 116 від 3 серпня 1993 року “Про розробку прогресивних технологій використання вугілля в енергетиці” та № 234 від 13 грудня 1995 року ”Про спорудження демонстраційної установки для спалювання та газифікації вугілля під тиском”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення основних закономірностей горіння та газифікації високозольного вугілля в різних модифікаціях киплячого шару, з знаходженням кінетичних і технологічних характеристик процесів його конверсії та розробкою методів використання ВВ в енергетиці.

При виконанні дисертації поставлено наступні задачі:

створення лабораторних, дослідно-експериментальних та пілотних установок для дослідження процесів конверсії твердого палива в різних модифікаціях КШ, розробка для них методик проведення досліджень, статистичної обробки та аналізу отриманих результатів;

дослідження кінетики взаємодії ВВ та його коксів з СО₂ та О₂ в КШТ з визначенням впливу ступеня метаморфізму, пористої структури вугілля, концентрації газу-реагенту на характер та швидкість конверсії коксів;

визначення режимів конверсії та кінетичних характеристик взаємодії ВВ та його коксів з СО₂ та О₂ в КШТ, в тому числі констант елементарних стадій реакції С+СО₂ в наближенні Ленгмюра-Хіншельвуда;

дослідження динаміки горіння ВВ в КШТ з визначенням температур його самозаймання та часу вигорання;

визначення технологічних і екологічних характеристик, оптимальних умов та основних закономірностей горіння і газифікації ВВ України в КШ;

адаптація існуючих ЦКШ-технологій до ВВ України;

розробка інженерних методів розрахунку елементів установок ЦКШ та ЦКШТ;

розробка технологічних схем процесів спалювання та газифікації вугілля в КШТ і ЦКШТ для демонстраційної установки ЦКШ-1.0;

розробка рекомендацій по використанню технологій КШ для спалювання та газифікації ВВ України.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

вперше знайдено кінетичні характеристики взаємодії ВВ України та його коксів з СО₂ та О₂ в широкому діапазоні зміни зольності, ступеня метаморфізму твердого палива, парціального тиску газу-реагенту для внутрішньокінетичного та внутрішньодифузійного режимів реагування, при цьому показано, що зниження рівня метаморфізму вугілля веде до збільшення швидкості конверсії його коксів, що знаходить своє відображення в зменшенні енергії активації, а для реакції С+О₂ і в збільшенні константи швидкості (наближення Арреніуса);

показано, що у внутрішньодифузійному режимі реагування відбувається витиснення реакцій С+СО₂ та С+О₂ на поверхню мезо-, макропор та контурну поверхню часток, що приводить до стаціонарного характеру взаємодії коксів в максимумі швидкості їх конверсії, до того ж вперше знайдено, що при взаємодії коксів ВВ з СО₂ та коксів антрацитового штибу (АШ) і донецького пісного вугілля (ДП) з О₂ спостерігається стаціонарна швидкість реакції по відношенню до поточної маси вуглецю, а при конверсії коксів кам`яного та бурого вугілля з О₂ - до його початкової маси;

вперше знайдено константи елементарних стадій реакції С+СО₂ в наближенні Ленгмюра-Хіншельвуда при взаємодії коксів ВВ з вуглекислим газом в КШТ, при цьому показано, що зі збільшенням концентрації СО спостерігається зменшення швидкості їх конверсії в СО₂, а константи газофазних стадій реакції не залежать від ступеню метаморфізму твердого палива і є універсальними;

знайдено технологічні та екологічні характеристики спалювання ВВ України в НКШ, ФШ, ЦАФШ та ЦКШ; при цьому для процесів горіння в ЦКШ вперше показано, що зі збільшенням ступеня метаморфізму твердого палива зростають оптимальні температури спалювання вугілля та зв`язування оксидів сірки, частка первинного повітря в дутті, зменшується інтегральна ступінь конверсії вугілля та діапазон регулювання потужності установок;

вперше показано, що у випадку спалювання АШ і ДП в ЦКШ при зменшенні температури коксозольного залишку (КЗЗ), який повертається в топку, спостерігається погіршення режимів їх горіння, що приводить до збільшення витрат вуглецю в донній та леткій золі;

вперше знайдено, що при спалюванні високосірчистого вугілля в ЦКШ у випадку збільшення частки вапняку, який подається в топку, поряд зі зменшенням викидів оксидів сірки (SO_х) спостерігається збільшення викидів оксидів азоту (NO_x), при цьому визначено оптимальні відношення кальцій:сірка (Са/S), які забезпечують мінімізацію викидів SO_х та NO_x одноразово;

показано, що використання повітряної газифікації в НКШ та ЦКШ доцільно при конверсії високозольного кам`яного та бурого вугілля України, для яких вперше знайдено оптимальні технологічні та екологічні характеристики процесів газифікації, відмічено, що її застосування для термічної переробки АШ та ДП не ефективно в зв`язку з низькими показниками теплоти згорання синтез-газу, хімічного коефіцієнту корисної дії і ступеня конверсії вуглецю в леткій золі;

розроблено нові технологічні схеми процесів газифікації та спалювання ВВ в КШТ та ЦКШТ для демонстраційної установки ЦКШ-1.0, які відрізняються організацією двоступеневої термічної переробки твердого палива (піроліз-газифікація, піроліз-спалювання), а також реалізацією, при необхідності, роздільної подачі вугілля (дрібної фракції - в тракт рециркуляції, а грубої - в реактор).

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

знайдені в результаті експериментів кінетичні характеристики взаємодії ВВ та його коксів з СО₂ і О₂ використано в розрахунках процесів горіння та газифікації при проектуванні енергетичних ЦКШ-котлоагрегатів та демонстраційних установок з реакторами КШТ і ЦКШТ;

знайдено температури самозаймання та час вигорання ВВ в НКШ і КШТ, а також їх залежність від розміру часток, зольності, ступеня метаморфізму вугілля та парціального тиску кисню;

експериментально доведено можливість успішної утилізації ВВ в різних модифікаціях КШ без використання природного газу або мазуту для його спалювання і газифікації із забезпеченням високої ефективності та екологічної чистоти;

виконано адаптацію існуючих ЦКШ-технологій до ВВ України, результати робіт застосовано при проектуванні енергетичних ЦКШ-котлоагрегатів;

розроблено інженерні методи розрахунку висоти топок та діаметру циклонів ЦКШ-котлоагрегатів, які використано при створенні робочих проектів ЦКШ-парогенераторів для ТЕС України;

розроблено вихідні дані для створення передтопків-запалювачів ФШ стосовно до пиловугільних пальників факельного котлоагрегату ТП-100 і технічне завдання (ТЗ) для проектування демонстраційної установки ЦКШ-1.0;

розроблено рекомендації по використанню технологій КШ для термічної переробки ВВ, які визначають пріоритетність тих чи інших методів для утилізації твердого палива заданої зольності та ступеня метаморфізму;

обгрунтовано економічну доцільність впровадження методів спалювання та газифікації твердих палив в КШ на ТЕС як при новому будівництві, так і при реконструкції діючих енергоблоків.

Результати досліджень автора використано при розробці: котельного обладнання і рекомендацій по реконструкції для Старобешівської, Луганської та Миронівської ТЕС (вищеназвані станції, фірми “Лургі-Лентьєс” (Німеччина), “Рафако” (Польща), Федеральний енерготехнологічний центр США (ФЕТЦ), Департамент енергетики (США); технічних та робочих проектів ЦКШ-котлоагрегатів (Харківське центральне конструкторське бюро Міненерго України (ХЦКБ)); робочих проектів демонстраційних установок КШТ та ЦКШТ (ДКБ “Південне” (м.Дніпропетровськ), Науково-дослідний інститут теплоенергетики Міненерго України (м.Горлівка) (НДІТЕ)).

Особистий внесок здобувача в опубліковані наукові праці полягає в: аналізі стану енергетики; підготовці оглядів з спалювання та газифікації вугілля в ЦКШ та КШТ; описанні конструкцій дослідних установок, результатів експериментів на них, аналізі отриманих даних, написанні текстів статей та висновків по результатам кінетичних та технологічних досліджень; обробці даних експериментів, участі в написанні розділів та висновків в статтях, які опубліковано за кордоном; описі технологічних схем установки ЦКШ-1.0; участі в складанні систем рівнянь, аналізі та обговоренні результатів розрахунків в статтях з математичного моделювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень та розробок автора обговорювалися на 26 міжнародних та республіканських конференціях і семінарах, серед них: Міжнародний форум “Тепломасообмін-92” (Мінськ, (Білорусія), 1992); Перший (Хельсінкі (Фінляндія), 1993), Третій (Ширк (Польща), 1995), Четвертий (Женева (Швейцарія), 1996) симпозіуми експертів ООН по чистим вугільним технологіям; семінар “Розробка нових вугільних технологій для потреб енергетики” (Київ, 1994); Міжнародні енергетичні форуми “Power-Gen'95 Americas” (Анахайм (США), 1995), “Power-Gen'96 Europe” (Будапешт (Угорщина), 1996), “Power-Gen'98 International” (Орландо (США), 1998); Українсько-німецький семінар “Навколишнє середовище та енергетика” (Київ, 1995); П'ята міжнародна конференція по ЦКШ (Пекін (Китай), 1996); Перша американо-українська конференція “Захист атмосферного повітря від викидів ТЕС” (Київ, 1996); Чотирнадцята міжнародна конференція по горінню в КШ (Ванкувер (Канада), 1997); Українсько-німецький симпозіум “Проблеми та перспективи реконструкції та технічного переоснащення ТЕС України” (Київ, 1997); семінар “Стратегічні напрямки впровадження нових технологій при реконструкції та модернізації ТЕС” (Київ, 1997); Українсько-американська об'єднана конференція “Можливості модернізації українських вугільних електростанцій” (Київ, 1998).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 82 наукових працях, серед яких: 25 статей в фахових наукових журналах України (6 із них без співавторів), 5 статей в наукових журналах країн СНД, 2 статті в збірках наукових праць, 31 стаття в збірках праць міжнародних та республіканських конференцій, 1 стаття депонована, 7 препринтів, 5 авторських свідоцтв, 6 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Її загальний обсяг 469 сторінок. З них на 289 сторінках знаходиться основний текст, на 126 окремих сторінках - 93 малюнки та 72 таблиці, на 28 сторінках - список використаних джерел із 286 найменувань, на 26 сторінках - 15 додатків.

2. Основний зміст

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено новизну та практичне значення роботи, представлено відомості про реалізацію одержаних результатів, апробації, публікації.

У першому розділі на основі аналізу ситуації в енергетиці України розглянуто шляхи підвищення ефективності використання твердого палива на електростанціях. Показано, що вугілля, яке поставляється на ТЕС, в основному є високозольним і для його термічної переробки доцільно застосовувати технології КШ, в зв'язку з чим виконано огляд методів спалювання та газифікації твердого палива в різних модифікаціях КШ та обгрунтовано необхідність їх розробки для ВВ України. Підкреслено, що таку роботу не може бути здійснено без проведення кінетичних та технологічних досліджень процесів конверсії вугілля в КШ з використанням отриманих результатів при розробці технологій та створенні нового енергетичного обладнання.

Аналіз балансових запасів твердого палива в Україні (52,5 млрд.т) показує, що при рівнях його видобутку в 100-110 млн.т на рік існуючих запасів вистачить на 470-520 років. Даний факт дозволяє розглядати вугілля, як головний місцевий енергоносій органічного походження. В той же час якість твердого палива, що постачається на ТЕС, не відповідає розрахунковим вимогам. В більшості випадків його зольність на робочу масу () складає 32-35% (= 35-38%), а нижча теплота згорання - = 17-19 МДж/кг. Враховуючи те, що енергетичні котлоагрегати розраховано на використання вугілля з = 24-27 МДж/кг, при термічній переробці в них палив з < 21 МДж/кг для забезпечення стійких режимів спалювання необхідно додавати високореакційні природний газ або мазут, частка яких по теплу складає 10-35%. Це приводить до значного зниження ефективності роботи парогенераторів за рахунок збільшення витрат вуглецю у леткій золі, зростання викидів NO_x, підвищеного зносу котельного обладнання. Ситуація ускладнюється тим, що більшість котлоагрегатів ТЕС відпрацювали свій ресурс і потребують реконструкції або заміни.

Вирішення проблеми, що склалася, може бути знайдено на шляху збільшення об'ємів вуглезбагачення, вдосконалення існуючих технологій спалювання твердого палива, розробки і впровадження нових вугільних енерготехнологій.

Вуглезбагачення є економічно виправданим методом підвищення ефективності використання ВВ, але в зв'язку з тим, що у відходах збагачення залишається до 20% від видобутого вуглецю, його перспективи без зміни технологій обмежено.

Вдосконалення існуючих методів спалювання твердого палива, враховуючи сучасний фінансовий стан енергетики, актуально на найближчу перспективу. При цьому доцільно виконати: подачу пилу високої концентрації з підігрівом повітря до 650-720 К; модернізацію млинів зі збільшенням тонкості помолу; застосування розімкнутих схем підготовки пилу (для АШ та ДП), установку нових пальників, в тому числі з попередньою термічною підготовкою вугілля. Заходи, які перелічено вище, поряд з капітальним ремонтом котлоагрегатів можуть подовжити строк їх експлуатації на 10-20 років та частково підвищити ефективність горіння в них вугілля. Але вони не дозволяють виключити природний газ або мазут з процесів спалювання ВВ та суттєво не змінюють екологічних показників його утилізації.

Для збільшення ефективності використання твердого палива на ТЕС, підвищення екологічної чистоти процесів його термічної переробки, забезпечення роботи обладнання в маневровому режимі необхідно впровадження нових вугільних енерготехнологій, до яких в першу чергу слід віднести: сучасні факельні технології з системами сірко- та азотоочистки; методи спалювання твердого палива в котлоагрегатах з плечовими топками та вихровими передтопками; технології термічної переробки вугілля в різних модифікаціях КШ, і в першу чергу ЦКШ, КШТ та ЦКШТ.

Аналіз впровадження цих технологій в світі показує, що сучасні факельні технології доцільно застосувати для термічної переробки вугілля зольністю 25%, методи спалювання в плечових топках та вихрових передтопках - для конверсії твердого палива з = 20-30%, а технології КШ - для утилізації ВВ з 30%.

Враховуючи на те, що зольність вугілля, яке постачається на ТЕС України, перевищує 30%, розробка і впровадження технологій КШ має важливе значення для енергетики. Їх основними перевагами є: можливість високоефективної утилізації без використання природного газу або мазуту ВВ різного ступеня метаморфізму і відходів вуглезбагачення з 80%; екологічна чистота технологій; широкий діапазон регулювання потужності установок; високе напруження об'єму топки в зоні КШ. Ці переваги привели до інтенсивного впровадження за останні 20 років технологій КШ.

На сьогодні на електростанціях та котельнях багатьох країн світу працює близько 2000 котлоагрегатів НКШ тепловою потужністю від 3 до 100 МВт_т (з них більше 50 на Україні), які в основному використовуються для термічної переробки кам'яного та бурого вугілля середньої зольності. Деякі з них спалюють і відходи вуглезбагачення вищевказаних палив. Спроби створити НКШ-котлоагрегати більшої потужності (350-380 МВт_т) не виправдали себе, що пов'язано з проблемами організації режимів горіння твердого палива на великих площинах КШ. Їх використання для термічної переробки низькореакційного вугілля недостатньо ефективне в зв'язку із значними витратами вуглецю в леткій золі.

На протязі 1970-1990 років було створено більше 100 котлоагрегатів ВКШ тепловою потужністю до 30 МВт_т для спалювання кам'яного вугілля та антрациту з А₁^d 55%. В останній час розвиток даної технології призупинено, що зумовлено низькою ефективністю процесів утилізації твердого палива та незадовільними екологічними показниками роботи ВКШ-котлоагрегатів.

Методи термічної переробки твердого палива в ФШ та ЦАФШ розроблялися з початку 80-х років для утилізації сланців, кам'яного та бурого вугілля. Ці роботи пройшли стадію відпрацювання технологій на демонстраційних установках. Їх впровадження можливо після підвищення ефективності даних процесів.

Технології спалювання твердого палива в ЦКШ по відношенню до методів його утилізації в НКШ та ВКШ відрізняються рядом переваг, а саме: можливістю термічної переробки низькореакційного вугілля, в тому числі високозольного та високосірчистого; більш високими ефективністю та екологічною чистотою спалювання твердого палива, які досягаються за рахунок забезпечення оптимальної температури та необхідного часу перебування паливних часток в реакційній зоні; можливістю створення котельного обладнання великої потужності; більш широким діапазоном регулювання продуктивності установок без зміни технологічних показників процесів конверсії вугілля. Розвиток ЦКШ-технологій відбувся за останні 15 років. За цей період створено близько 200 енергетичних ЦКШ-парогенераторів тепловою потужністю від 50 до 580 МВт_т та продуктивністю по пару до 750 тон на годину. При їх спорудженні було застосовано такі технології: “Лургі”, “Пірофлоу”, “Циркофлюід”, “Мультісолід”, фірми “Бабкок Вілкокс” (США) та інші. Ці котлоагрегати використовують для спалювання тверді палива середньої зольності різного ступеня метаморфізму (від лігніту до антрациту). Деякі з них пристосовано для утилізації ВВ та відходів вуглезбагачення, але, як правило, такі палива відрізняються від енергетичного вугілля України вмістом сірки та реакційною спроможністю коксів.

Технології спалювання та газифікації в КШТ і ЦКШТ для парогазових установок (ПГУ) на твердому паливі є наступним кроком розвитку КШ-технологій. Вони мають більш високий ККД та екологічну чистоту, ніж методи атмосферного КШ. На сьогодні технологію спалювання кам'яного і бурого вугілля середньої зольності в КШТ доведено до промислової реалізації на енергоблоках електричною потужністю 70-360 МВт_е (200-800 МВт_т) (розробка фірми “АББ карбон”). Здійснюється створення методів спалювання кам'яного вугілля в ЦКШТ та повітряної газифікації кам'яного і бурого вугілля в КШТ та ЦКШТ для ПГУ на твердому паливі, які найближчі роки планується реалізувати на енергоблоках потужністю 100-400 МВт_е.

Вищеперелічені методи термічної переробки створено в основному для конверсії кам'яного та бурого вугілля з зольністю 30-35%. Їх в повній мірі не можливо застосувати при утилізації ВВ України, для якого потрібно розробляти нові або адаптувати існуючі технології КШ. Це в першу чергу стосується АШ і ДП, а також львівсько-волинського газового вугілля (Л-В(Г)), яке є складним паливом. Так як процеси спалювання та газифікації в КШ відбуваються при відносно низьких температурах (1000-1250 К), розробку технологій не може бути виконано без проведення кінетичних та технологічних експериментів з знаходженням основних закономірностей конверсії ВВ. З урахуванням вищезазначеного і було визначено мету та задачі дослідження, які представлено в загальній характеристиці дисертації.

У другому розділі описано розроблені автором: експериментальні установки РСК-І-Д, РСК-ІІ-Д, Ф-0.05, Ф-0.05-ЦКШ, ЦКШ-0.02,КФШ-0.2; методики кінетичного експерименту в КШТ, технологічних досліджень в ФШ, ЦАФШ, НКШ та ЦКШ, визначення температури самозаймання (Т_сз), динаміки горіння та часу вигорання (_в) вугілля в КШТ. Тут також представлено методи визначення пористої структури, проведення фізико-хімічних аналізів та оцінки точності результатів експериментів.

Лабораторну установку РСК-І-Д (мал.1) створено для дослідження кінетики взаємодії вугілля та коксів з газами-реагентами (СО₂ і О₂) в КШТ при широкому діапазоні зміни тиску в реакторі (Р = 0.1-2.51 МПа) та температури конверсії (Т_г,с= 600-1500 К). Її основу складає циліндричний реактор КШ, який виконано з жаростійкої сталі і розташовано в електропечі. В середині реактора в ізотермічній зоні знаходиться гратка КШ, на якій перед початком експерименту розміщують наважку вугілля або коксу фіксованої маси. В нижній частині його з'єднано з системами підготовки, очистки, заміру витрати та подачі газів інерту та реагенту (СО₂ або О₂). При цьому можлива як безперервна, так і імпульсна подача СО₂ та О₂. На виході із установки розташовано системи: очистки газоподібних продуктів реакції від пилу, їх охолодження, дросілювання до атмосферного тиску, визначення витрат та хроматографічного аналізу складу. Температура в реакційній зоні вимірюється термопарами, які розташовано в наважці та гратці, а тиск - за допомогою манометрів, що знаходяться в нижній та верхній частині реактора. Безградієнтність процесу конверсії забезпечується малою масою наважки, її теплообміном в КШ та підбором режимів взаємодії з низькими концентраціями продуктів реакції. Для зменшення його нестаціонарності запроваджено імпульсну подачу газу-реагенту. Температурний градієнт між реагуючою часткою та газом знаходиться на основі балансних рівнянь теплообміну і враховується при обробці експериментальних даних. Швидкість взаємодії коксів, яку віднесено до початкової маси вуглецю в наважці (W_o), знаходиться при постійних температурі та концентрації газу-реагенту на основі даних по концентрації продуктів реакції, витраті СО₂ або О₂ та часу реагування. При цьому будуються залежності зміни концентрації продуктів реакції від часу взаємодії (= f(_к)).

Далі за допомогою графічного диференціювання будуються залежності W_o від _к та ступеня конверсії вуглецю (Х) - W_o=f(_к) і W_o=f(X), а також швидкості реакції, яку віднесено до поточної маси вуглецю від Х - W_т=f(X). Більшість з цих залежностей має колоколоподібний вид з квазістаціонарною ділянкою в максимумі. Кінетичні характеристики реагування коксів з СО₂ та О₂ в КШТ визначалися на цій ділянці для кожного окремого зразка при імпульсній подачі газу-реагенту та ступінчатому збільшенні температури взаємодії або концентрації СО₂ чи О₂. Це дозволяє більш точно знайти значення швидкості конверсії в максимумі () і кінетичні характеристики реакцій С+СО₂ і С+О₂, особливо для ВВ. При цьому результати досліджень оброблялися статистичними методами з використанням наближень Арреніуса або Ленгмюра-Хіншельвуда (реакція С+СО₂, механізм В), де С_о - концентрація газу-реагенту при нормальних умовах, кг/м³; Т_о = 273 К; с_ф - фіксована концентрація СО₂ або О₂, кг/м³; n - порядок реакції; Т_ч - температура реагуючої частки, К; R = 8.314 кДж/(мольК); , константа швидкості реакції, м³/(кгс); Е_а - енергія активації, кДж/моль; - стехіометричний коефіцієнт; S_p - реагуюча поверхня, м²/кг; - хімічна константа , м/с; К₁₀, К₂₀, К₃₀ - константи елементарних стадій реакції С+СО₂, 1/(МПас), 1/МПа;

= Е₁-Е₃; = Е₂-Е₃; Е₁, Е₂, Е₃ - енергії активації елементарних стадій реакції С+СО₂, кДж/моль;, - середні значення парціального тиску СО і СО₂ в реакторі, МПа.

Лабораторна установка РСК-ІІ-Д відрізняється від попередньої наявністю шлюзової камери для введення твердих часток, систем виводу, відокремлення та охолодження КЗЗ. При визначенні температури самозаймання наважка вугілля подається в реактор, де встановлено задану температуру та тиск газу-інерту. Потім замість газу-інерту вводиться газ-реагент. При цьому мінімальна температура зразка, починаючи з якої в реакційній зоні спостерігається її зростання, і приймається за Т_сз.

При дослідженні динаміки горіння вугілля в КШТ знімалися залежності =f(_к), на основі яких за методикою кінетичного експерименту визначався час вигорання часток до заданого ступеня конверсії. У випадку знаходження _в при Х 0.9 (_в^0.9) проводилося повне вигорання вузьких фракцій вугілля при Т_с=1123-1223 К, а для обробки експериментальних даних використовувалася залежність:

_в^0.9 = А(Р_о/Р_п)ⁿ, (5)

де: А - час вигорання часток до Х 0.9 при Р_о=0.108 МПа, с; Р_п - тиск повітря в реакторі КШТ при експерименті, МПа; n -порядок конверсії, який спостерігається.

Експериментальні установки Ф-0.05, Ф-0.05-ЦКШ, ЦКШ-0.02 та пілотна - КФШ-0.2 створено для технологічних досліджень конверсії твердого палива в КШ.

Установка Ф-0.05 використовувалася в експериментах по спалюванню та газифікації ВВ в ФШ та ЦАФШ. Вона складається з циліндрично-конічних газифікатора (ФГ) та топки (ФТ) висотою Н=1.1 м та внутрішнім діаметром d_вн=0.1 м (ФГ) та 0.07 м (ФТ), які виготовлено з жаростійкої сталі. На виході з газифікатора та топки встановлено циклони. В ФГ подається вугілля та повітря, в ФТ - повітря та КЗЗ з ФГ, а зола з ФТ повертається в ФГ. Можлива робота і одного реактора, тоді процеси конверсії виконуються в ФГ. Продуктивність установки - до 50 кг ВВ на годину.

Установку Ф-0.05-ЦКШ пристосовано для утилізації вугілля в НКШ і ЦКШ. Її основу складає циліндричний реактор з Н=1.3 м та d_вн= 0.1 мм, який виготовлено з жаростійкої сталі. В його нижній частині знаходяться гратка КШ, системи подачі повітря, палива, вапняку, випуску золи; в середині - патрубок для подачі повітря; на виході - циклон, тракти повернення КЗЗ та виходу очищеного газу, камера допалення газоподібних продуктів. Продуктивність установки по вугіллю-25 кг на годину.

Установка ЦКШ-0.02 відрізняється від установки Ф-0.05-ЦКШ висотою реактору Н=2.6 м, наявністю двох ступенів очистки газоподібних продуктів від пилу (вертикальні циклони) та двох трактів повернення КЗЗ в топку, в яких встановлено водяні холодильники та пристрої для заміру кількості матеріалу, який рециркулює.

Пілотну установку КФШ - 0.2 (мал.2) створено для термічної переробки вугілля в НКШ та ЦКШ. Вона має футеровану водоохолоджувальну топку з Н= 3.6 м та d_вн= 0.4 м і відрізняється конструкцією гратки КШ, яку виконано зі збільшенням кількості повітря, що подається в топку, від периферії до центру та розташуванням в центрі гратки циліндрично-конічного пристрою ФШ для допалення КЗЗ. Конструкція установки захищена а.с. СРСР № 1638455. Її продуктивність по твердому паливу - до 500 кг на годину, а теплова потужність - до 1.2 МВт.

При виконанні технологічних досліджень замірялися витрати повітря, метану, вугілля, вапняку, донної та леткої золи, температури та перепад тиску в реакторі; визначалися склад газоподібних продуктів (масспектрометричні та хроматографічні методи), викиди SO_x та NO_x (спектральні та масспектрометричні методи) на виході з установок; знаходилися доля вуглецю в золі, ступінь конверсії вугілля та зв'язування з'єднань сірки. Викиди SO_x та NO_x перераховувалися на 6% О₂ в димових газах. В разі проведення балансових досліджень складалися матеріальні і теплові баланси процесів з урахуванням витрат теплоти у навколишнє середовище.

У третьому розділі приведено результати експериментальних досліджень кінетики та динаміки взаємодії ВВ України з газами-реагентами в КШТ, які отримано на установках РСК-І-Д та РСК-ІІ-Д. На їх основі: визначено вплив ступеня метаморфізму, зольності вугілля, розміру часток, температури реагування та концентрації СО₂ і О₂ на характер і швидкість конверсії коксів; знайдено режими реагування та кінетичні характеристики взаємодії коксів з газами-реагентами в наближенні Арреніуса; показано вплив концентрації СО на зміну швидкості конверсії коксів в СО₂ і визначено константи елементарних стадій реакції С+СО₂ в наближенні Ленгмюра-Хіншельвуда; знайдено температури самозаймання, динамічні характеристики горіння та час вигорання ВВ, виділено основні закономірності конверсії ВВ в КШТ.

При проведенні кінетичних та технологічних досліджень в якості об'єкта експериментів було вибрано енергетичне вугілля України, що найчастіше використовується на ТЕС - АШ, ДП, Л-В(Г), донецькі газове (ГСШ) та довгополум'яневе (ДД), олександрійське буре (ОБ) з розміром часток =0-6 мм, =18-55%, та вмістом сірки =1.0-2.8%. Ряд експериментів виконано на малозольних зразках, відходах вуглезбагачення та високосірчистих АШ_с, ДП_с, ГСШ_с з =3.4-4.8%. При підготовці коксів здійснювався піроліз вугілля в тоці гелію при Т=1123 К та Р= 0.108 МПа.

При низьких значеннях та Т_г спостерігається стаціонарний режим взаємодії коксів з СО₂, з ростом концентрації СО₂ та температури реагування збільшується W_т, а криві W_т =f(X) набувають колоколоподібного вигляду з максимумом при Х=0.1-0.3, подальше збільшення або Т_г веде до виникнення на кривих конверсії квазістаціонарної ділянки, величина якої зростає по мірі збільшення та Т_г. Стаціонарний режим взаємодії коксів з СО₂, на погляд автора, пояснюється низькими значеннями W_т, колоколоподібний - розробкою пористої структури коксів на початку конверсії з подальшим об'єднанням пор, квазістаціонарний в максимумі - частковим витісненням реакції С+СО₂ з мікропор при зростанні W_т. Колоколоподібний та стаціонарний режими відповідають внутрішньокінетичній області взаємодії коксів з СО₂, а квазістаціонарний в максимумі - внутрішньодифузійній.

На мал.4 показано залежність характеру реагування коксів АШ (= 0.4-0.6 мм, = 46.1%) з О₂ в КШТ від зміни . І в цьому випадку на кривих W_т=f(X) відмічені колоколоподібний та квазістаціонарний в максимумі режими конверсії, які також пояснюються розробкою пористої структури коксів і витісненням реакції С+О₂ з пористої структури по мірі росту W_т. Цікаво підкреслити, що при взаємодії коксів АШ і ДП з О₂ квазістаціонарні дільниці в максимумі виникають на кривих W_т=f(X), а при конверсії кам'яного та бурого вугілля - на кривих W_о=f(X). Останнє, скоріше за все, пояснюється витісненням реакції С+О₂ у першому випадку - на контурну поверхню часток, а в другому - на поверхню мезо- та макропор. Даний висновок також підтверджують результати досліджень по впливу на W.

Для визначення меж існування різних режимів конверсії та кінетичних характеристик взаємодії коксів з СО₂ та О₂ в КШТ будувалися залежності ln=f(1/Т_ч) при різних значеннях і. Приклади таких залежностей при реагуванні коксів ГСШ з СО₂ показано на мал.5, а при конверсії коксів АШ в О₂ - на мал.6. Видно, що для реакції С+СО₂ (взяті дані, де відсутні дифузійні обмеження) результати експериментів задовільно описуються прямими, кожна з яких відповідає конкретному значенню . В цьому випадку не виявлено залежності від та швидкості газу в реакторі (U_г), що підтверджує наявність внутрішньокінетичного режиму реагування. При взаємодії коксів АШ з О₂ знайдено два режими конверсії: внутрішньокінетичний (низькі Т_с і ) та внутрішньодифузійний. Перехід з одного режиму конверсії в другий характеризується зламом прямих в координатах ln-1/Т_с, кожна з яких відповідає конкретному значенню концентрації кисню в реакторі.

Порівняння залежностей ln=f(1/Т_ч) при конверсії коксів ВВ різного ступеня метаморфізму з СО₂ та О₂ в КШТ представлено на мал.7 і 8, відповідно. На їх основі для наближення Арреніуса (див. формулу 3) визначено кінетичні характеристики взаємодії коксів ВВ з СО₂ та О₂ в КШТ, які представлено в табл. 1, та довірчі оцінки їх точності. Аналіз цих матеріалів показує, що із зростанням і, зменшенням ступеня метаморфізму вугілля відбувається збільшення , до того ж зниження ступеня метаморфізму приводить до збільшення Е_а, а в ряді випадків (реакція С+О₂) і до зростання та. Важливо також відмітити, що: швидкість конверсії АШ і ДП в 1.15-1.3 рази вище, ніж їх коксів; при взаємодії коксів АШ_с та ГСШ_с з О₂ отримано значення , які в 1.1-1.5 рази перевищують W_т для їх аналогів з низьким вмістом сірки; високозольний Л-В(Г) складається з вугільної складової частини, причому швидкість конверсії вугільної частини в 2.7-3.3 рази вище, ніж сланцевої.

Таблиця 1-Кінетичні характеристики взаємодії коксів ВВ з СО₂ і О₂ в КШТ (=0.02-48.7кг/м³,=0.05-7.43кг/м³,Р 2.51МПа,Т_г=970-1350К, Т_с=650-1000 К)

Вплив концентрації СО₂ та О₂ на в КШТ визначено також при варіації іу випадку Т=const. Результати цих експериментів представлено на мал.9. Для реакції С+О₂ (АШ, ГСШ) у внутрішньокінетичному режимі n= 1.0, а у внутрішньодифузійному - n=0.85. Що стосується взаємодії коксів ГСШ з СО₂, то у внутрішньокінетичному режимі знайдено значення порядку реакції - n=1.0 при <0.35 кг/м³ і n=0.35 при 0.35 кг/м³.Аналогічні значення n отримано і для коксів АШ. В зв'язку з незалежністювід та U_г даний факт, скоріше за все, пояснюється виникненням дифузійних обмежень в мікротріщінах при їх відсутності в мікропорах.

В експериментах по горінню та газифікації коксів АШ та Л-В(Г) з великим вмістом вуглемінеральних зростків в КШТ, як і в раніше проведених автором аналогічних дослідженнях при атмосферному тиску, виявлено зменшення W_т з ростом . Причому в першу чергу це спостерігалося при великих ступенях конверсії, коли W_т зменшувалася тим швидше, чим вище початкова зольність вугілля.

Експерименти по взаємодії коксів ВВ з СО₂ в КШТ при великій долі СО в реакторі підтвердили наявність гальмування реакції С+СО₂ монооксидом вуглецю. Дані по впливу на характер і швидкість конверсії коксів ГСШ з СО₂ представлено на мал.10, а константи елементарних стадій реакції С+СО₂ в наближенні Ленгмюра-Хіншельвуда - в табл.2. Аналіз цих матеріалів показав, що: зі з збільшенням концентрації СО спостерігається зменшення W_т, причому з ростом Т_г вплив на W_т зменшується; константи газофазних стадій реакції С+СО₂ не залежать від ступеня метаморфізму вугілля та є універсальними; при концентраціях СО в продуктах газифікації вугілля [CO] > 3.0% для розрахунку процесів конверсії замість наближення Арреніуса доцільно використовувати наближення Ленгмюра-Хіншельвуда.

Таблиця 2 -Константи елементарних стадій реакції С+СО₂ при конверсії коксів ВВ в КШТ (наближення Ленгмюра-Хіншельвуда, =1.0-37.5кг/м³, =0.1-1.91МПа, К₂₀=0.61 МПа^-1, К₃₀=4.6510^-3МПа^-1, = -27 кДж/моль, =-88 кДж/моль)

На мал.11 показано залежність температури самозаймання АШ, ГСШ та їх суміші з зовнішньою золою в КШТ від . Видно, що зі збільшенням ступеня метаморфізму вугілля та зростанням тиску в реакторі спостерігається зменшення Т_сз.

Збільшення Т_сз з ростом А₁^d спостерігається при 60 % для ВВ і 80 % для суміші вугілля з золою. Це пояснюється відсутністю впливу зовнішньої золи на W_т.

На мал.12 показано термограми вигорання дискретних наважок АШ при зміні тиску в реакторі КШТ. Видно, що із ростом та зменшенням Р_п відбувається збільшення _в. При визначенні експериментальні дані оброблялися за допомогою методики кінетичних досліджень та із використанням формули 5. Для останнього випадку знайдено значення А і n, які представлені в табл.3. Результати досліджень показують, що ВВ в КШТ в значній мірі визначається реакційною спроможністю коксів. Отримано гарний збіг результатів розрахунків _в з даними експериментів.

Таблиця 3-Показники для розрахунку ВВ в КШТ по формулі 5 (Р_п 1.98 МПа)

Основні закономірності конверсії коксів ВВ в КШТ перелічено у висновках.

Знайдені автором кінетичні характеристики взаємодії коксів ВВ з СО₂ і О₂ в КШТ використано ДКБ “Південне”, ХЦКБ, НДІТЕ та фірмою “Лургі-Лентьєс-Бабкок” при розрахунках процесів горіння та газифікації вугілля в ЦКШ, КШТ і ЦКШТ.

У четвертому розділі представлено матеріали по динаміці горіння АШ, ГСШ та Л-В(Г) в НКШ і ФШ; описано результати технологічних досліджень по спалюванню ВВ в НКШ, ФШ, ЦАФШ та ЦКШ і високосірчистого вугілля в ЦКШ, роботи по адаптації відомих ЦКШ-технологій до енергетичного вугілля України; визначено основні закономірності та особливості горіння ВВ в різних модифікаціях КШ.

В експериментах природний газ використано тільки для розпалу установок.

Матеріали по залежності Т_сз АШ, ГСШ і Л-В(Г) від в НКШ показують, що, як і в КШТ, температура самозаймання не залежить від зольності до = 60-70%, а потім зростає з її збільшенням. При цьому отримано слідуючи значення Т_сз (< 60%); АШ - 733-743 К, ГСШ та Л-В(Г) - 628-653 К. Вони добре співпадають зі значеннями Т_сз, які визначено в КШТ при Р_п= 0.108 МПа. Температура самозаймання в ФШ вище, ніж в НКШ на 20-160 К, причому більша різниця відноситься і до вищих значень . Визначено значення часу вигорання КЗЗ АШ, ГСШ і Л-В(Г) (=1.0-1.6 мм) в НКШ, яке відповідає аналогічному, що отримано в КШТ при Р_п=0.108 МПа. Це дозволяє говорити про можливість використання _в в розрахунках процесів горіння в киплячому шарі (крім ФШ). Час вигорання КЗЗ ВВ в ФШ в 1.2-1.8 рази вище, ніж в НКШ, що пояснюється різною концентрацією О₂ по перерізу реактора.

При виконанні досліджень по спалюванню ВВ в різних модифікаціях КШ на установках Ф-0.05, Ф-0.05-ЦКШ, ЦКШ-0.02 та КФШ-0.2 здійснювалися як пошукові, так і балансові експерименти. Їх найважливіші результати дано в табл.4. Тут, поряд з матеріалами по модифікації шару, типу вугілля, , , U_г, Т_с представлено інформацію по конверсії вугілля - інтегральній (Х) та в леткій золі (Х_л), а також по викидам SO_x і NO_x. Аналіз результатів цих досліджень дозволяє відмітити наступне.

1. В НКШ отримано задовільні результати по утилізації високозольних ГСШ і Л-В(Г) (Х 0.925). При цьому визначено оптимальні режими їх конверсії та очікувані значення викидів NO_x. Що стосується АШ, то часткове підвищення ефективності його використання в НКШ може бути досягнуто за рахунок повернення винесених з топки паливних часток в зону КШ, але в зв'язку з низьким ступенем очистки димових газів від дрібних фракцій в сепараторі, це рішення має обмежені перспективи.

2. В ФШ не вдалося забезпечити необхідного ступеня конверсії ВВ (Х< 0.9), що, в першу чергу, пояснюється недостатнім часом перебування паливних часток в реакційній зоні. В той же час при проведенні технологічних досліджень дані апарати добре зарекомендували себе як запалювачі вугілля та допалювачі КЗЗ.

3. При спалюванні ГСШ та Л-В(Г) в ЦАФШ отримано більш високі ступені конверсії вугілля (Х= 0.91-0.93), ніж в ФШ, а при двоступеневій термічній переробці Л-В(Г) (газифікація-спалювання) в ЦАФШ - і більш високі (Х= 0.935-0.94), ніж в НКШ. В той же час при спалюванні АШ не досягнуто необхідного рівня його утилізації (Х 0.83), що пояснюється низьким рівнем рециркуляції КЗЗ в ЦАФТ.

4. В ЦКШ, по відношенню до інших технологій КШ, досягнуто найбільші ступені конверсії ВВ (Х 0.97), кращі екологічні показники спалювання вугілля (крім Л-В(Г)) та найбільш широкий діапазон регулювання продуктивності установок (від 40-50 до 100%) без зміни технологічних показників процесів конверсії. Експерименти по спалюванню Л-В(Г) довели, що при оптимальних температурах горіння кам'яного вугілля в ЦКШ, Т_с=1113-1133 К, забезпечити стійкі режими його утилізації не вдалося, що пояснюється агломерацією часток в зоні КШ смоляними виділеннями. У випадку Т_с=1143-1163 К знайдено прийнятні режими взаємодії Л-В(Г) з О₂. При цьому для нього отримано більш високі, ніж для інших ВВ, викиди SO_x та NO_x.

Таблиця 4 - Основні технологічні показники процесів спалювання ВВ в КШ

5. При горінні ВВ в ЦКШ зі збільшенням ступеня метаморфізму вугілля зростали оптимальні температури його спалювання та зв'язування оксидів сірки, доля первинного повітря в дутті, зменшувалися інтегральна ступінь конверсії твердого палива і діапазон регулювання продуктивності установок.

6.При спалюванні високосірчистих АШ_с, ДП_с та ГСШ_с в ЦКШ отримано задовільні технологічні характеристики їх конверсії, які близькі до тих, що були знайдено для їх аналогів з малим вмістом сірки. При Са/S= 2.0 (ступінь зв'язування сполучень сірки = 90-93%) рівень викидів SO_x складав 600-1100 мг/нм³, а збільшення відношення Ca/S, поряд зі зменшенням SO_x, приводило і до збільшення NO_x.

Для оптимізації режимів спалювання високосірчистого вугілля в ЦКШ виконано додаткові дослідження, які було направлено на мінімізацію викидів SO_x та NO_x одноразово (SO_x, NO_x < 400 мг/нм³). На основі їх результатів рекомендовано слідуючи відношення Са/S: 4.0 (АШ_с), 3.0-4.0 (ДП_с), 3.0-3.5 (ГСШ_с).

При проведенні технологічних досліджень по спалюванню ВВ в ЦКШ знайдено, що з ростом температури горіння та концентрації кисню в димових газах спостерігається і збільшення викидів NO_x. Для АШ це показано на мал.13. Даний факт враховано при знаходженні оптимальних режимів утилізації ВВ в ЦКШ.

Для оцінки доцільності використання відомих ЦКШ-технологій при термічній переробці ВВ України проведено цикл експериментів по визначенню впливу захолодження пилогазового потоку у верхній частині реакторів та КЗЗ в тракті рециркуляції на ефективність горіння вугілля різного ступеня метаморфізму.

Результати цих досліджень показали, що при зниженні температури в верхній частині реактора до Т_с< 1103 К для АШ та Т_с < 1073 К для ДП не забезпечуються стійки режими їх утилізації, при цьому зростає доля вуглецю у леткій золі. Це обмежує можливість використання ЦКШ-технологій “Пірофлоу” та фірми “Бабкок Вілкокс” для спалювання АШ та ДП через зменшення діапазону регулювання продуктивності котлоагрегатів, а також підкреслює недоцільність застосування технології “Циркофлюід” для конверсії низькореакційних палив. Технологія фірми “Лургі” видається найбільш прийнятною для термічної переробки АШ і ДП в ЦКШ при широкому діапазоні зміни навантаження парогенераторів, а також для спалювання високосірчистого вугілля. Останнє зумовлено збільшенням викидів SO_x при зменшенні температури горіння в верхній частині топок ЦКШ-установок, що в першу чергу важливо для утилізації АШ_с, ДП_с та ГСШ_с. Впливу зменшення температури в верхній частині реактора на ефективність горіння ГСШ, Л-В(Г),ДД, ОБ не виявлено.