Термоконтактний піроліз кам'яного та бурого вугілля у киплячому шарі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГАЗУ

ГАПОНИЧ ЛЮДМИЛА СТАНІСЛАВІВНА

УДК 666.747

ТЕРМОКОНТАКТНИЙ ПІРОЛІЗ КАМ`ЯНОГО ТА БУРОГО ВУГІЛЛЯ

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КИЇВ - 2000

Дісертацією є рукопис

Робота виконана в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій НАН України та Мінпаливоенерго України, м. Київ.

Науковий керівник -

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Чернявський Микола Володимирович, Науково-технічний центр вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливоенерго України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Хвастухін Юрій Івановіч,

Інститут газу НАН України, завідувач відділу;

кандидат технічних наук, доцент

Черезов Миколай Микитович, Національний технічний університет

“Київський політехнічний інститут”.

Провідна установа -

Інститут технічної теплофізики НАН України, м.Київ.

Захист відбудеться “20“ червня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті газу НАН України за адресою: 03113, м.Київ, вул.Дегтярівська, 39, тел. 446-44-71.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту газу НАН України

(03113, м.Київ, вул.Дегтярівська, 39).

Автореферат розісланий “ 19 ” травня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н.___________ Б.К.Ільєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан проблеми. Сучасний стан твердопаливної енергетики пов`язаний із значним зниженням якості твердого палива, необхідністю використання природного газу та мазуту для його спалювання, низькою ефективністю існуючих технологій спалювання вугілля, фізичним та моральним зносом основного та допоміжного обладнання пиловугільних електростанцій, екологічними проблемами в місцях виробництва електроенергії. Вихід із ситуації, що склалася, може бути знайдено на шляху впровадження на теплових електростанціях нових вугільних енерготехнологій, до яких треба віднести, зокрема, методи двоступеневої термічної переробки (ДТП) вугілля з попереднім термоконтактним піролізом (ТКП) на першому ступені та спалюванням коксозольного залишку у різних модифікаціях киплячого шару (КШ), у тому числі під тиском, на другому ступені. Така двоступенева організація процесу дозволяє підвищити ККД парогазової установки (ПГУ) з внутрішньоцикловим спалюванням (ВЦС) у циркулюючому киплячому шарі під тиском (ЦКШТ) від 42-43 % до 45-46 %, а також підвищити надійність роботи ЦКШТ-установок за рахунок захисту нижньої частини шару та циклону від перегріву, зв'язаного з горінням летких.

Актуальність проблеми. Аналіз досвіду експлуатації дослідних та промислових установок термічної переробки вугілля та сланців з попереднім піролізом, а також пілотних установок ЦКШТ другого покоління показує, що для створення технологій ДТП кам'яного та бурого вугілля необхідно знати основні закономірності газовиділення при ТКП вугільних частинок розміром 0-3 мм в інертному середовищі та середовищі продуктів згорання при тиску 0.1-2.5 МПа, температурі 1073-1223 К, а також при різних умовах евакуації парогазових продуктів. Незважаючи на те, що загальні закономірності протікання піролізу вугілля в основному вивчені, надто мала частка експериментальних досліджень присвячена ТКП вугільних частинок розміром 0-3 мм у вищезазначених режимних умовах, характерних для технологій ЦКШТ, а досліджень впливу умов евакуації на закономірності газовиділення при ТКП не було проведено. Виходячи з цього, актуальним є експериментальне дослідження газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля у КШ та киплячому шарі під тиском (КШТ) у вказаному діапазоні режимних параметрів, чому й присвячена ця дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких представлені в дисертації, є частиною робот, які проводились у НТЦВЕ НАН та Мінпаливоенерго України в рамках науково-дослідної роботи: “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 р.).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - визначення основних закономірностей газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля в КШ за умов, характерних для технологій їх термічної переробки, та розробка рекомендацій по використанню ТКП при ДТП вугілля.

Для її реалізації були визначені такі задачі:

створення лабораторних установок для дослідження процесу газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля в КШ та КШТ, розробка для них методик проведення експериментів;

розробка методики врахування та виключення впливу похибки газотранспорту при експериментальному дослідженні піролізу в КШ та КШТ;

дослідження динаміки газовиділення при ТКП, визначення питомих виходів та констант швидкостей виходу основних піролізних газів у залежності від температури, тиску та умов евакуації в інертному середовищі та середовищі продуктів згорання;

дослідження гальмування процесу газовиділення за умов погіршеної евакуації та розробка методики урахування цього фактору при описі ТКП вугілля в КШ;

визначення оптимальних умов ТКП вугілля на пілотній установці ДТП вугілля, в тому числі з оцінкою ступеня зв'язування сірки у піролізері;

розробка рекомендацій по використанню ТКП в технологіях ДТП бурого та кам'яного вугілля.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Показано, що питомі виходи основних піролізних газів Н2, СО, СН4, СО2 при ТКП у КШ та КШТ кам'яного та бурого вугілля в інертному середовищі зростають з температурою, корелюють з елементним складом вугілля. Вперше встановлено, що вони не залежать від тиску в реакторі, розміру частинок та швидкості газу-носія (ГН) у діапазоні температур шару 1073-1253 К, тисків у реакторі 0.1-2.5 МПа, розмірів вугільних частинок 0.63-2.5 мм.

2. Вперше встановлено, що при ТКП в КШ та КШТ в інертному середовищі у дослідженому діапазоні режимних параметрів динаміка газовиділення вугільних частинок в умовах примусової евакуації продуктів визначається тільки швидкістю термічної деструкції, що зростає з температурою і не залежить від тиску. Показано, що константи швидкостей виходу Н2, СО, СН4, СО2, визначені для цих умов, співпадають з узагальненими літературними даними з кінетики піролізу при атмосферному тиску.

3. Визначено, що динаміка газовиділення вугільних частинок при ТКП в КШ та КШТ у широкому діапазоні умов евакуації визначається швидкістю термічної деструкції і ускладнена вторинними реакціями газоподібних продуктів з твердим залишком. Вперше досліджено вплив умов евакуації продуктів на динаміку газовиділення при ТКП в КШ та КШТ кам'яного та бурого вугілля, при цьому показано, що розбіжності динамічних характеристик газовиділення при ТКП, які є в літературі, пояснюються недостатнім урахуванням умов евакуації. Вперше визначено константи процесу парціального газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля в широкому діапазоні умов евакуації.

4. Показано, що закономірності газовиділення при ТКП в КШ та КШТ вугілля ГСШ в інертному середовищі та середовищі продуктів згорання головним чином аналогічні. Вперше виявлено, що більш низькі значення питомих виходів та констант швидкостей виходу Н2 та СН4, що спостерігаються у середовищі СО2 в порівнянні з інертним середовищем, зв'язані з протіканням проміжних гомогенних реакцій, що відбуваються у середовищі СО2 паралельно з піролізом.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Експериментально доведено визначний вплив умов евакуації продуктів піролізу на ефективність їх відгонки у ТК піролізері пілотної установки ДТП газового вугілля. Експериментально визначені оптимальні режими роботи ТК піролізеру, що забезпечують високий ступінь відгонки летких при низькому рівні розбавлення піролізного газу.

2. Дослідним шляхом виявлено, що додаток вапнякового сорбенту (Са/S = 1.8-2.0) при ДТП вугілля здатний забезпечити зв'язування більш ніж 90 % сірки вугілля у ТК піролізері, при умові термічного розкладу вапняку на ступені спалювання коксозольного залишку при оптимальних температурах розкладу.

3. Отримані у результаті дослідів константи процесу ТКП кам'яного та бурого вугілля використані при розрахунках процесів спалювання у котлоагрегатах з ЦКШ, а також при проектуванні демонстраційних установок для газифікації та спалюванні вугілля у ЦКШ та ЦКШТ.

4. Розроблено рекомендації по використанню ТКП при ДТП кам'яного та бурого вугілля стосовно до спалювання в ЦКШ при атмосферному тиску та до ПГУ з ВЦС або внутрішньоцикловою газифікацією (ВЦГ) вугілля в КШТ та ЦКШТ.

Результати досліджень та розробок використані: Харківським Центральним конструкторським бюро Мінпаливоенерго при розрахунках процесів спалювання вугілля у топках котлоагрегатів з ЦКШ; ДКБ “Південне” при розробці проекту установки ЦКШ-1.0 для газифікації та спалювання вугілля у ЦКШ під тиском тепловою потужністю 10 МВт; ДАЕК “Західенерго” при оптимізації режимів роботи дослідно-промислового аерофонтанного передтопку з ТК піролізером на котлі ПК-19 Добротвірської ТЕС; Науково-дослідним інститутом теплоенергетики Мінпаливоенерго України при розробці робочих проектів демонстраційних установок для пароповітряної газифікації вугілля у комбінованому КШТ та спалювання у ЦКШТ продуктивністю 2-3 тонни вугілля за годину.

Особистий внесок здобувача в опубліковані наукові праці полягає: в участі у створенні лабораторних установок та методик дослідження ТКП в КШ та КШТ, проведенні експериментів, обробці та аналізі отриманих даних, перевірці модельного опису газовиділення при ТКП у КШ для широкого діапазону температур та тисків, порівнянні результатів з літературними даними, розробці рекомендацій по використанню ТКП у технологіях ДТП вугілля.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень та розробок автора доповідалися на таких міжнародних та вітчизняних конференціях та семінарах: XI Симпозіум “Хімічна фізика процесів горіння та вибуху” (Черноголовка (Росія), 1996), XII Міжнародна конференція по хімічних реакторах (Ярославль (Росія), 1995), I Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми економії енергії” (Львів, 1998), Третя міжнародна конференція “CUSTNET” з науки та технології використання вугілля (Бухарест (Румунія), 1998), Міжнародний семінар “Теплотехніка - 98” (Київ, 1998), конференція “Проблеми та шляхи удосконалення підготовки та спалювання твердого палива на теплових електростанціях” (Київ, 1994), семінар “Розробка нових вугільних технологій для потреб енергетики” (Київ, 1994).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 10 роботах, з них: 5 статей у фахових наукових журналах України, 1 стаття в науковому журналі Росії, 2 статті у збірках міжнародних конференцій, тези 2 докладів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Їх загальний обсяг складає 235 сторінок, з них на 146 сторінках знаходиться основний текст, на 61 окремих сторінках - 12 таблиць та 55 малюнків, на 16 сторінках - список використаних джерел з 155 найменувань, на 12 сторінках - 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено новизну та практичне значення роботи, представлено відомості про використання одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробації, публікації.

У першому розділі на основі аналізу літературних даних показано необхідність впровадження у теплову енергетику України перспективних енерготехнологій, у тому числі технологій ДТП з ТКП. Розглянуто переваги та недоліки існуючих енерготехнологій з попередним піролізом. Обґрунтовано, що розробка таких технологій повинна базуватися на результатах дослідження динаміки газовиділення при ТКП вугілля у широкому діапазоні режимних умов. Наведено огляд сучасних уявлень про процес піролізу, експериментальних методів та досліджень ТКП кам'яного та бурого вугілля. Показано, що процес піролізу вугілля є складною сукупністю послідовно-паралельних стадій термічної деструкції та синтезу, при чому одна із стадій (стабілізація вільних радикальних зв'язків, що утворюються при термодеструкції) у залежності від режимних умов може уповільнювати незворотні процеси синтезу кінцевих сполук. Показано, що оскільки режимні умови ТКП знаходяться поблизу межі розділу кінетичної та внутрішньодифузійної областей, найбільш доцільним є безпосереднє експериментальне виявлення основних закономірностей газовиділення при ТКП, включаючи визначення питомого виходу та динаміки виходу газоподібних продуктів в залежності від швидкості нагріву, температури, тиску, умов евакуації та складу середовища. Швидкість нагріву у лабораторному експерименті повинна відповідати швидкості нагріву частинок у крупномасштабних установках ЦКШТ, які проектуються, що найбільш близько реалізується у лабораторному методі КШ. Існуючі методики КШ не відповідають вимогам кінетичних досліджень із-за транспортних викривлень у потоці ГН. З урахуванням вищезазначеного і було визначено мету та задачі дослідження, які представлено в загальній характеристиці дисертації.

У другому розділі описано: експериментальні установки для дослідження ТКП кам'яного та бурого вугілля в КШ та КШТ, методика проведення експериментів та реєстрації динаміки газовиділення. Наведено розрахункові оцінки діапазону існування КШ, часу нагріву та перемішування наважки вугільних частинок у КШ нагрітого інертного матеріалу. Показано, що в лабораторних реакторах реалізується нагрів частинок розміром 0.63-2.5 мм з швидкістю порядку 103 К/с. Запропоновано методику урахування та виключення впливу похибки газотранспорту при обробці експериментальних даних, оцінено інші похибки експерименту.

Експерименти проводилися на двох лабораторних установках для дослідження ТКП у КШ (кварцовий реактор) та КШТ (сталевий реактор з кварцовою вставкою для запобігання можливого впливу стінок, рис.1). Умови ТК нагріву у реакторах обох установок моделювалися введенням холодних дискретних наважок вугілля (в діапазоні 0.1*10-3 - 3*10-3 кг) у прогрітий КШ інертного матеріалу значно більшої ваги. Газоподібні леткі, що виділилися при термодеструкції вугілля, захоплюються потоком ГН та залишають реактор через боковий отвір. Далі вони проходять через барботер, збірник конденсату, фільтр тонкої очистки та надходять до мас-спектрометру, зв'язаного з ПЕВМ, де інформація оброблюється за спеціальними методиками. Аналіз газових продуктів на виході реактору здійснювався масс-спектрометром МХ-1215 по компонентах Н2, СО, СН4, СО2. Використання постійної домішки інертного газу Ar в якості мітки з відомою витратою дозволяло, окрім концентрації газів, вимірювати також і швидкість їх виходу з реактору. Реактор КШ є елементом, в якому процеси витиснення газу поєднуються з процесами перемішування. На динаміку газовиділення дискретної наважки вугілля при ТКП у КШ, що реєструється, впливає похибка газотранспорту, яка є наслідком перемішування газів у реакторі КШ. У попередній серії експериментів у інертному середовищі у реактор вводилися -імпульси СО2, з варійованими значеннями об'єму, температури, тиску та швидкості ГН. Вони показали, що вплив вказаних параметрів на динаміку газовиділення дискретної наважки вугілля, що спостерігається, полягає передовсьому у внесенні часової похибки перемішування при газотранспорті, і може бути врахований виразом:

, (1)

де kсі - константа швидкості парціального газовиділення, що спостерігається, с-1;

kі - константа швидкості парціального газовиділення із вугільної частки, с-1;

r - часова похибка газотранспорту у реакторі КШ, с:

, (2)

де lr - довжина реакційної зони реактору, м;

wгн - швидкість газа-носія, м/с.

У роботі досліджувалося кам'яне вугілля - високозольне ГСШ та низькозольне Daw Mill, буре вугілля Б1 фракцій 1.6-2.5, 1.0-1.6, 0.63-1.0 мм. У технологічних випробуваннях використовувалося кам'яне львівсько-волинське вугілля (0-7 мм), яке є високозольним та високосірчастим.

У третьому розділі описано результати експериментальних досліджень газовиділення при ТКП наважок кам'яного вугілля ГСШ, Daw Mill та бурого вугілля Б1 при ТКП у діапазоні температур шару 1073-1253 К, тисків у реакторі 0.1-2.5 МПа, розмірів вугільних частинок 0.63-2.5 мм, швидкостей ГН у всьому діапазоні існування КШ в інертному та СО2 середовищах. Виявлено фактори гальмування динаміки газовиділення, що спостерігається, газотранспортним змішуванням у реакторі та можливими вторинними реакціями газоподібних продуктів з твердим залишком. Запропоновано та експериментально підтверджено опис процесу газовиділення, що спостерігається, з урахуванням вказаних факторів. Встановлено в залежності від температури чисельні значення питомих виходів газоподібних продуктів, констант швидкостей газовиділення та максимально досяжних парціальних тисків газоподібних продуктів. На основі аналізу експериментальних результатів визначені основні закономірності газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля в КШ (КШТ).

Експерименти в інертному середовищі показали, що основна частка у піролізних газах приходиться на Н2, СО, СН4, СО2, питомий вихід котрих зростає з температурою та корелює з елементним, петрографічним складом та ступенем вуглефікації вугілля. На рис.2.а,б показано залежності питомого виходу Н2, СО, СН4, СО2 при ТКП при температурі шару 1173 К наважок масою 0.1-1.2 г частинок ГСШ різних розмірів в діапазоні 0.63-2.5 мм від тисків у реакторі та швидкостей ГН. Підвищення тиску, зміна маси наважки, розміру частинок та швидкостей ГН в вказаних межах не впливають на кількісний і якісний склад піролізних газів при ТКП вугілля ГСШ, Daw Mill та Б1 у КШ у інертному середовищі. Встановлені значення питомих виходів Н2, СН4, СО, СО2 для різних температур шару Tb, приведені у табл.1. На основі цих даних визначено елементний склад піролізних газів для кожного вугілля, який співставлено з елементним складом летких вугілля за стандартним аналізом. У вигляді Н2, СО, СН4, СО2 при температурах більше 1200 К виходить біля 70 % летких. Отримані значення питомих виходів ГСШ та Б1 збігаються з літературними даними для ТКП в КШ при тиску 0.1 МПа.

Таблиця 1

Вугілля	Тb, К	Питомий вихід ,10-3 м3/кг (daf)	Елементний склад, % (daf)
		H2	CH4	CO	CO2	C	H	O
ГСШ	1073	80	50	60	20	6.4	1.5	6.6
	1253	230	70	95	38	10.0	3.05	11.3
Вихідний елементний склад летких	18.3	5.6	11.8
Daw	1113	80	60	85	20	8.2	1.7	8.2
Mill	1203	220	120	110	30	12.8	3.8	11.2
Вихідний елементний склад летких	23.4	4.8	11.5
Б1	1023	90	25	80	30	6.7	1.1	9.2
	1273	200	50	120	60	11.4	2.5	15.8
Вихідний елементний склад летких	24.8	5.6	20.1

На рис.3 показано типову картину динаміки виходу Н2, СО, СН4, СО2 у процесі ТКП наважки частинок ГСШ (при тиску 0.1 МПа, високій швидкості ГН та середній масі наважки), яка має екстремальний характер. Вигляд динамічної кривої швидкості на ділянці спаду аналогічний теоретичній динамічній кривій швидкості виходу компонентів для випадків, коли після швидкого нагріву частинок слідує період тривалої ізотермічної витримки:

, (3)

де Woi, Wi - кінцевий та поточний об`єми i-компоненту летких.

Тривалість початкової ділянки процесу залежить від часу послідовно-паралельних стадій прогріву та перемішування вугільних частинок у шарі, котрі були оцінені у 2 розділі дисертації. Сума часів стадій не перевищує часів початкових ділянок експериментальних кривих (до досягнення максимальних швидкостей газовиділення). З цього випливає, що частинки вугілля практично весь час газовиділення після максимуму мають постійну температуру, яка дорівнює температурі шару. Цій температурі відповідають отримані значення питомих виходів та констант швидкостей газовиділення Н2, СО, СН4, СО2. Константи швидкостей на ділянках спаду динамічних кривих, що спостерігаються в експерименті, визначаються температурою шару, видом компоненту та режимними умовами експерименту. С погіршенням умов евакуації, тобто із зниженням швидкості ГН та підвищенням тиску у реакторі, для кожної температури шару константи швидкостей газовиділення, що спостерігаються, зменшуються (рис.4). Вдалося встановити, що останнє зв'язано тільки з зниженням швидкості ГН. При підтримці постійної швидкості ГН динаміка газовиділення практично не змінюється з зростанням тиску до 2.5 МПа (рис.5).

Для кожної температури шару при достатньо високих швидкостях ГН константи швидкостей газовиділення досягають максимальних значень, незалежних від тиску та розмірів частинок у дослідженому діапазоні та зростаючих з температурою шару (табл.2). На підставі результатів аналізу по діаграмі Ван Кревелена, який показав близькі ступені метаморфізму та петрографічний склад вугілля ГСШ та Daw Mill, було об`єднано отримані результати констант швидкостей парціального газовиділення для обох видів вугілля.

Таблиця 2

Вугілля	Тb, К	, c-1	, c-1	, c-1	, c-1
ГСШ,	1073	0.33	0.7	0.8	1.0
Daw Mill	1153	0.50	1.4	1.6	1.9
	1223	0.85	1.7	2.2	2.3
Б1	1098	0.38	1.10	0.92	-
	1138	0.46	1.46	1.18	-
	1223	0.71	1.76	1.63	-

Незалежність питомих виходів та констант швидкостей виходу піролізних газів від тиску, розміру частинок та швидкостей ГН свідчить про те, що газовиділення при ТКП у вказаних умовах відбувається у кінетичній області, тобто визначається тільки швидкістю термодеструкції. На рис.6 показано зіставлення температурних залежностей констант швидкостей виходу основних піролізних газів вугілля ГСШ, Daw Mill, Б1 з літературними даними. Значення констант трьох досліджених вуглів практично співпадають між собою та з літературними даними, отриманими для мікронаважок частинок кам'яного вугілля розміром 0.4-0.6 мм при ТКП при тиску 0.1 МПа (1, рис.6). Для зіставлення наведено літературні кінетичні залежності констант швидкостей газовиділення (2, рис.6), узагальнені по даних ряду експериментальних робіт у рамках припущення про гаусовий розподіл енергій активації джерел утворювання компонентів (суцільні прямі відповідають центру розподілу, пунктирні - середньоквадратичному відхиленню, тобто межам очікуваних значень констант). Отримані експериментальні значення знаходяться у межах очікуваних значень, що підтверджує їх коректність. Різниця нахилів кінетичних прямих 2 на рис.6, з одного боку, та результатів кінетичних експериментів у КШ даної роботи та літературних даних 1 (рис.6), з іншого боку, пов'язана тільки з різним способом подавання результатів, при чому найбільш суттєвим є співпадання чисельних значень поблизу центру розподілу. Для ТКП в КШ під тиском таке співпадання встановлено вперше.

Для кожної температури шару при малих швидкостях ГН досягався режим, коли залежність парціальних тисків газоподібних компонентів Рі у максимумі від швидкості ГН та маси наважки зникала, газовиділення набувало рівноважний характер (рис.4). Це можна пояснити відомим у літературі ефектом стабілізації вільних радикальних зв'язків, що виникають при термодеструкції, газоподібними продуктами, який може у певних умовах гальмувати газовиділення. Цей ефект експериментально досліджений та використовується у вуглехімічних технологіях.

У табл. 3 наведено максимально досяжні в експериментах парціальні тиски продуктів газовиділення Роі при ТКП в КШ наважок частинок ГСШ та Daw Mill в інертному середовищі.

Таблиця 3

Тb, К	, МПа	, МПа	, МПа	, МПа
1073	0.020	0.020	0.028	0.010
1153	0.094	0.048	0.100	0.025
1213	0.140	0.120	0.160	0.065
1248	0.160	-	0.180	-

Додаткове хімічне гальмування процесу газовиділення спостерігається у широкому діапазоні умов евакуації поряд з газотранспортним викривленням і може бути описане виразом:

, (4)

де k1i - константа прямої реакції газовиділення, с-1;

Sr - площа перерізу реактору, м2;

ро, То - тиск (МПа) та температура (К) при нормальних умовах.

На основі цього було запропоновано спосіб обробки експериментальних результатів по ТКП дискретних наважок частинок вугілля у лабораторному реакторі з поділом факторів газотранспортного викривлення і хімічного гальмування газовиділення в залежності від режимних умов з чисельною оцінкою k1i та Poi. На рис.7 наведено залежності lnk1i = f(1Tb) для Н2 та СН4, отримані з даних прямого експерименту при великих швидкостях ГН (сірі точки), обробки експериментальних результатів для широкого діапазону швидкостей ГН за запропонованим способом (чорні точки) та літературних даних (прозорі точки). Значення k1i з усіх джерел близькі та можуть бути апроксимовані арреніусівською залежністю з високим коефіцієнтом кореляції. Залежності lnPoi= f(1Tb) для Н2 и СН4 також мають арреніусівський вигляд з високим ступенем кореляції.

Піроліз вугілля у газогенераторах ЦКШТ відбувається у середовищі продуктів горіння (до 20 % СО2, до 80 % N2). З урахуванням цього була визначена задача експериментального дослідження динаміки газовиділення при ТКП у середовищі СО2, яке дозволяє більш чітко виявити ефекти, пов`язані з присутністю СО2 у продуктах горіння. Експериментальне дослідження ТКП частинок ГСШ у СО2 середовищі показало:

питомі виходи Н2 та СН4, що спостерігаються при використанні середовища СО2, в порівнянні з інертним середовищем знижуються у всьому діапазоні температур;

з ростом температури шару питомі виходи Н2 та СН4, що спостерігаються, збільшуються до температури 1233 К, після котрої спостерігається їх зменшення;

питомі виходи Н2, що спостерігаються, залежать від швидкості ГН, тобто часу перебування летких у реакційній зоні, і не залежать від розмірів частинок та тиску в реакторі;

питомі виходи СН4, що спостерігаються, залежать від тиску в реакторі і не залежать від розмірів частинок та швидкості ГН;

динаміка газовиділення також має екстремальний характер, константи швидкостей парціального газовиділення для кожної температури шару з ростом швидкості ГН зростають до максимальних значень, незалежних від тиску в реакторі та розміру частинок;

зростання констант швидкостей газовиділення Н2 та СН4 при ТКП у середовищі СО2 з ростом температури шару відбувається значно повільніше, ніж в інертному середовищі, а при підвищенні температури шару до 1248 К спостерігається зниження констант швидкостей газовиділення (табл.4).

Таблиця 4

Тb, К	, c-1	, c-1
1123	0.26	0.53
1233	0.67	1.26
1248	0.65	1.10

Більш низькі значення констант швидкостей виходу Н2 та СН4 у середовищі СО2 порівняно з інертним середовищем пов'язані з протіканням проміжних гомогенних реакцій газоподібних продуктів піролізу, які мають кінцеву швидкість, та зниженням температури вугільних частинок за рахунок реакцій газифікації, які відбуваються у середовищі СО2 паралельно з піролізом. Зниження питомих виходів Н2 та СН4, що спостерігаються у середовищі СО2, особливо помітне в області температур більше 1233 К та тривалому часі перебування летких у реакційній зоні, зв'язано з протіканням гомогенних реакцій конверсії метану та водяного зрушення.

У четвертому розділі описані результати технологічних випробувань та оптимізації режимів роботи піролізера крупномасштабної пілотної установки УТТ-2-2.76 з безперервною подачею вугілля до 1000 кг/год. Установка УТТ-2-2.76 була споруджена на дослідно-промисловій базі ІГГГК НАН України за проектом ЕНІН та участю Південьтехенерго як пілотний зразок дослідно-промислової установки на Добротвірській ТЕС. Це установка ДТП вугілля з попереднім піролізом у ТК піролізері за рахунок тепла циркулюючої золи та спалюванням коксозольного залишку у аерофонтаннїй топці (АФТ). Випробування були виконані на основі встановлених у третьому розділі закономірностей газовиділення та констант процесу ТКП та повністю їх підтвердили. У технологічних експериментах розв`язувалися такі задачі:

експериментальне моделювання різних умов евакуації продуктів піролізу та оцінка впливу цих умов на ступінь відгонки летких при порівнюваних температурах піролізу;

оптимізація режимів роботи ТК піролізера, досягнення максимального ступеня відгонки летких при мінімальному баластуванні піролізного газу евакуюючим агентом (димовими газами АФТ).

Для реалізації цих задач було проведено модернізацію існуючої установки УТТ-2-2.76. Схема установки після модернізації представлена на рис.11. Виконана модернізація дозволила реалізувати три принципово різних за умовами евакуації режими роботи піролізера. Результати експериментів та балансових розрахунків наведені у табл.5.

Таблиця 5

Показник	Режим 1	Режим 2	Режим 3
Витрата: повіря Gair, нм3/ч	455	460	460
вугілля Gcoal, кг/ч	172	152	142
Температури, К: АФТ	1153	1083	1093
циклон	1103	1193	1103
змішувач піролізера	1023	993	1003
О2 у димових газах, % об.	5.5	12.2	7.6
Склад пірогазу, % об.сух.: СО2	10.5	18.7	14.1
N2 + Ar	73.6	12.3	28.2
H2 + CO + CH4	13.2	53.3	47.4
CnHm	2.2	15.4	10.3
Ступінь конверсії, %: летких у піролізері	68.5	27.4	84.1
вуглецю в АФТ	89	41	85
Ступінь зв`язування сірки (при CaS=1.8-2.0), %: у піролізері	96	92	95
в цілому	94	90	92

У режимі 1 з примусовою евакуацією продуктів піролізу через основний тракт скидання з повністю відкритим вентилем досягався високий (до 70 %) ступінь відгонки газоподібних летких у піролізері, що свідчить про відсутність гальмування газовиділення за умов примусової евакуації. У режимі 2 погіршена евакуація газоподібних продуктів з піролізеру здійснювалася через основний тракт скидання з закритим наполовину вентилем, за рахунок їх власного тиску у піролізері. Піролізний газ був слабко розбавлений димовими газами (12 %), але ступінь відгонки летких не перевищувала 30 %, спостерігається гальмування газовиділення, найімовірніше за рахунок хімічного механізму. У режимі 3 авторегульованої евакуації продуктів піролізу вихід газоподібних продуктів із піролізера здійснювався при повністю перекритому основному тракті скидання пірогазу за рахунок ежектуючого динамічного розрідження на виході альтернативного тракту скидання газоподібних продуктів піролізу. За рахунок авторегульованої евакуації вдалося досягти оптимального сполучення високого ступеня відгонки газоподібних летких у піролізері (більше 80 %) та відносно низького розбавлення піролізного газу (28 %). Сумарна кількість Н2, СО та СН4 у парогазовій суміші досягала 47 % об.сух., що близько до найкращих очікуваних показників роботи піролізера при температурі у змішувачі піролізера 1000 К (40-70 %), розрахованих за даними лабораторних експериментів.

За результатами технологічних досліджень можна зробити висновок, що при двоступеневій термічній переробці вугілля з попереднім ТКП сірка із вугілля виділяється і може бути зв'язана у піролізері вапняком, попередньо розкладеним у топці ЦКШТ до СаО і присутнім у циркулюючій золі теплоносія.

На основі дослідження був розроблений ряд рекомендацій щодо використання ТКП та запропоновані принципові схеми вуглеподачі при ДТП кам'яного та бурого вугілля.

1. Під час спалюванні при атмосферному тиску можлива подача вугілля як у топку ЦКШ, так і в реактор попереднього ТКП у тракті циркуляції золи - теплоносія. У першому випадку для запобігання перегріву нижньої частини шару та циклону необхідно забезпечити час опускання крупних частинок до зони спалювання та прольоту дрібних частинок до повороту в циклон не менше за величину kі-1. При поданні вугілля у реактор попереднього ТКП можна добитися відгонки у реакторі не менше 80 % газоподібних летких. Евакуація газоподібних продуктів із піролізера повинна здійснюватися продувкою через шар безкисневого ГН (димові гази, водяна пара).

2. Для ПГУ з ВЦГ вугілля у КШТ (ЦКШТ) доцільна подача вугілля у топку для підвищення теплотворної спроможності продуктів газифікації.

3. Для ПГУ з ВЦС у КШТ можлива як подача вугілля у топку, так і попередній піроліз з частковою газифікацією вугілля у автотермічному карбонізаторі.

4. Для ПГУ з ВЦС в ЦКШТ під тиском до 0.8 - 1.0 МПа доцільна подача вугілля у реактор попереднього ТКП, з використанням низькокалорійних парогазових продуктів для підвищення температури димових газів на вході в ГТУ.

5. Для ПГУ з ВЦС у ЦКШТ під тиском більше за 1.0 МПа подача вугілля у реактор попереднього піролізу недоцільна тому, що сума парціальних рівноважних тисків газоподібних продуктів піролізу стає малою в порівнянні з загальним тиском. Це призведе або до зниження калорійності піролізного газу (при великій витраті ГН), або до зниження ступеня відгонки газоподібних летких у ТК піролізері (при малій витраті ГН). При тисках більше за 1.0 МПа доцільним є попередній піроліз вугілля з частковою газифікацією в автотермічному карбонізаторі.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі на основі результатів експериментального дослідження газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля у КШ та технологічних випробувань на пілотній установці з ТК піролізером були встановлені основні закономірності газовиділення залежно від режимних умов, запропоновані рекомендації по використанню ТКП при ДТП кам'яного та бурого вугілля, що сприяє рішенню важливої науково-прикладної проблеми - створенню високоефективних та екологічно чистих технологій ДТП вугілля для потреб енергетики України.

2. Створено лабораторні установки та розроблено методики експериментального дослідження процесу газовиділення при ТКП наважок вугілля в КШ та КШТ. Методики дозволяють досліджувати газовиділення в ізотермічних умовах з виключенням взаємодії газоподібних продуктів з стінками реактору та з урахуванням впливу часової похибки газотранспортного викривлення у реакторі.

3. Показано, що ТКП кам'яного та бурого вугілля в КШ у діапазоні температур 1070-1253 К, тисків 0.1-2.5 МПа, розмірів вугільних частинок 0.63-2.5 мм проходить у дві стадії: на початковій стадії має місце нагрів вугільних частинок до температури шару (середня швидкість нагріву порядку 103 Кс), та на основній стадії - газовиділення в ізотермічних умовах. Встановлено, що на основній стадії газовиділення з вугільних частинок відбувається у кінетичній області.

4. Визначено питомі виходи основних піролізних газів Н2, СО, СН4, СО2 в інертному середовищі. Показано, що питомі виходи зростають з температурою та корелюють з елементним складом вугілля, що досліджувалося, не залежать від тиску, розміру частинок та швидкості ГН у вказаних межах.

5. Встановлено, що газовиділення масиву вугільних частинок при ТКП у КШ на основній стадії визначається швидкістю термічної деструкції, яка залежить лише від температури шару, та ускладнено вторинними реакціями газоподібних продуктів з твердим залишком та процесами перемішування газу у реакційній зоні, які залежать від умов евакуації продуктів з реакційної зони ГН. Розроблено та експериментально підтверджено модельний опис процесу газовиділення масиву вугільних частинок при ТКП у КШ, який враховує вказані фактори гальмування динаміки газовиділення, що спостерігається, в залежності від режимних умов. Визначено константи процесу парціального газовиділення при ТКП кам'яного та бурого вугілля - константи прямої реакції деструкції k1і та максимально досяжні тиски продуктів Роі в залежності від температури шару.

6. Встановлено, що динаміка газовиділення масиву частинок, що спостерігається за умов примусової евакуації з реакційній зони визначається тільки швидкістю деструкції вугільних частинок, незалежною від тиску. Показано, що константи швидкостей виходу Н2, СО, СН4, СО2, які були визначені, співпадають з узагальненими літературними даними по кінетиці піролізу при атмосферному тиску. За умов погіршеної евакуації газовиділення характеризується максимально досяжними тисками газоподібних продуктів, а швидкість газовиділення визначається швидкістю евакуації продуктів піролізу. Розкидання динамічних характеристик газовиділення, що є у літературі, можна пояснити недостатнім урахуванням впливу умов евакуації продуктів.

7. Встановлено, що основні закономірності газовиділення при ТКП у КШ вугілля ГСШ в інертному середовищі та середовищі продуктів згорання в діапазоні режимних параметрів, які були досліджені, аналогічні. Більш низькі значення питомих виходів та констант швидкостей виходу Н2 та СН4, які спостерігалися у середовищі СО2, порівняно з інертним середовищем пов'язані з протіканням проміжних гомогенних реакцій.

8. На основі результатів технологічних випробувань підтверджено значний вплив умов евакуації продуктів піролізу на ефективність їх відгонки у ТК піролізері пілотної установки ДТП газового вугілля. Експериментально визначені оптимальні режими роботі ТК піролізера, які можуть забезпечити високий ступінь відгонки при низькому рівні розбавлення піролізного газу.

9. Встановлено, що додавання вапнякового сорбенту (Са/S =1.8 - 2.0) при ДТП вугілля здатне забезпечити вище 90 % зв'язування сірки вугілля у ТК піролізері за умов термічного розкладу вапняку на ступені спалювання коксового залишку при оптимальних температурах розкладу (1113 - 1163 К).

10. Розроблено рекомендації щодо впровадження ТКП при ДТП кам'яного та бурого вугілля стосовно до спалювання у ЦКШ при атмосферному тиску та до ВЦС чи ВЦГ вугілля в КШТ (ЦКШТ).

11. Достовірність одержаних у дисертаційній роботі результатів забезпечується коректністю експериментальних методів та прийнятих припущень щодо головних чинників, що впливають на утворення газових компонентів, рівнем похибки вимірювань, що не перевищує звичайний рівень для подібних експериментів, повторюваністю експериментальних даних та їх збігом з результатами розрахунків параметрів процесу згідно з запропонованим модельним описом, а також кореляцією експериментальних результатів з літературними джерелами.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Гапонич Л.С., Чернявский Н.В. Термоконтактный пиролиз в технологиях ЦКСД Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. - 1998. - № 8. - С. 67-69.

Гапонич Л.С., Гринь И.Г., Тальнова Г.Н., Чернявский Н.В. Динамика газовыделения донецкого газового угля в реакторе термоконтактного пиролиза газификатора ЦКС Химическая промышленность. - 1995. - №1. - С. 9-11.

Чернявский Н.В., Тальнова Г.Н., Гапонич Л.С., Дулиенко С.Г., Топал А.И. Динамика термоконтактного пиролиза газовых углей в различных технологиях термической переработки с применением псевдоожиженного слоя Проблемы энергосбережения. - 1995. - № 4-6. - С. 110-117.

Гапонич Л.С., Тальнова Г.Н., Чернявский Н.В. Газовыделение при термоконтактном пиролизе угля в зависимости от давления и среды Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998. - №2. - С. 13-17.

Гапонич Л.С., Тальнова Г.Н., Чернявский Н.В. Термоконтактный пиролиз в “Чистых угольных энерготехнологиях” Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: Спец. випуск “Проблеми економії енергії”. - Львів. - 1998. - С. 74-78.

Chernyavsky N.V., Gaponich L.S., Dulienko S.G. Coal pyrolysis and combustion in fluidized bed at different pressures: experimental method and results 3rd Internatinal CUSTNET Conference On Coal Utilisation Science And Technology, S.C. ZECASIN S.A., Session 4. - Paper 45. - Bucharest (Romania). - 1998. - Р. 1-6.

Чернявский Н.В., Дулиенко С.Г., Гапонич Л.С. Оптимизация режимов работы и экологических показателей термоконтактного пиролизера энергоустановок с циркулирующим слоем Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998. - №3. - С. 17-20.

Анотації

Гапонич Л.С. Термоконтактный пиролиз каменных и бурых углей в кипящем слое. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Институт газа НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению основных закономерностей газовыделения при термоконтактном пиролизе (ТКП) каменных и бурых углей в кипящем слое (КС) и разработке рекомендаций по использованию ТКП при двухступенчатой термической переработке (ДТП) углей. Она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений.

В первом разделе на основе анализа литературных данных показана необходимость внедрения в тепловую энергетику Украины перспективных энерготехнологий, в том числе включающих стадию ТКП угля как целевую. Разработка таких технологий должна базироваться на результатах исследования динамики газовыделения при ТКП углей в широком диапазоне режимных условий. Приведен обзор современных представлений о процессе пиролиза, экспериментальных методов и современного состояния исследований ТКП каменных и бурых углей.

Во втором разделе описаны: экспериментальные установки для исследования ТКП каменных и бурых углей в КС и КС под давлением (КСД), методика проведения экспериментов и регистрации динамики газовыделения. Приведены расчетные оценки диапазона существования КС, времени перемешивания и нагрева навески угольных частиц в КС предварительно нагретого инертного материала. Предложена методика учета и исключения влияния ошибки газотранспорта при обработке экспериментальных данных, оценены прочие погрешности экспериментов.

В третьем разделе описаны результаты экспериментальных исследований газовыделения при ТКП дискретных навесок каменных углей ГСШ, Daw Mill и бурого угля Б1 в КС в диапазоне температур слоя 1073 - 1253 К, давлений в реакторе 0.1 - 2.5 МПа, размеров угольных частиц 0.63 - 2.5 мм, скоростей газа-носителя 0.01 - 0.3 м/с в инертной среде и среде продуктов горения. Установлено, что основная доля в пиролизных газах приходится на Н2, СО, СН4, СО2. Определен их удельный покомпонентный выход и элементный состав. Показано, что ТКП каменных и бурых углей в КС в исследованном диапазоне температур, давлений, размеров угольных частиц происходит в две стадии: на начальной стадии имеет место нагрев угольной частицы до температуры слоя (средняя скорость нагрева порядка 103 К/с) и на основной стадии - газовыделение в изотермических условиях. Установлено, что на основной стадии газовыделение из частиц протекает в кинетической области. Установлены факторы искажения наблюдаемой динамики газовыделения газотранспортным перемешиванием в реакторе и ее торможения обратимыми реакциями газообразных продуктов пиролиза с твердым остатком. Преложено и экспериментально подтверждено модельное описание наблюдаемого процесса газовыделения, учитывающее указанные факторы. Определены численные значения констант скоростей парциального газовыделения и максимально достижимые парциальные давления газообразных продуктов в зависимости от температуры. Установлено, что основные закономерности газовыделения при ТКП в КС и КСД угля ГСШ в инертной среде и среде продуктов горения в исследованном диапазоне режимных параметров аналогичны. Более низкие значения наблюдаемых удельных выходов и констант скоростей выхода Н2 и СН4 в среде СО2 по сравнению с инертной средой связаны с протеканием промежуточных гомогенных реакций. На основании анализа экспериментальных результатов определены основные закономерности газовыделения при ТКП каменных и бурых углей в КС и КСД.

В четвертом разделе описаны результаты технологических испытаний и оптимизации режимов работы пиролизера пилотной установки УТТ-2-2.76, выполненные на основании основных закономерностей газовыделения при ТКП угля, приведенных в разделе 3, и полностью их подтвердившие. Подтверждено определяющее влияние условий эвакуации продуктов пиролиза на эффективность их отгонки в ТК пиролизере пилотной установки ДТП газовых углей. Экспериментально определены оптимальные режимы работы ТК пиролизера, обеспечивающие высокую степень отгонки летучих при низкой степени разбавки пиролизного газа. Установлено, что добавка известнякового сорбента (Са/S = 1.8-2.0) при ДТП угля способна обеспечить свыше 90 % связывания серы угля в ТК пиролизере, при условии термического разложения известняка на ступени сжигания угля при оптимальных температурах разложения (1113-1163 К). Приводятся также рекомендации по использованию ТКП в технологиях ДТП каменных и бурых углей, сведения об использовании результатов настоящего исследования при расчете процессов конверсии угля в котлоагрегатах с циркулирующим КС (ЦКС) и разработке рабочих проектов демонстрационных установок сжигания и газификации угля в различных модификациях КС. Основные результаты работы использованы при разработке технических проектов ЦКС-котлоагрегатов и ЦКСД-энергоустановок.

Ключевые слова: внутрицикловое сжигание/газификация, каменный и бурый уголь, термоконтактный пиролиз, кипящий слой, летучие, деструкция, кинетика, двустадийная термическая переработка, закономерности газовыделения, пиролизер.

термічний переробка вугілля піроліз

Гапонич Л.С. Термоконтактний піроліз кам`яного та бурого вугілля у киплячому шарі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика - Інститут газу НАН України, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено вивченню основних закономірностей газовиділення при термоконтактному піролізі (ТКП) кам`яного та бурого вугілля у киплячому шарі (КШ) за умов, характерних для технологій їх термічної переробки. При виконанні дисертації було модернізовано дві лабораторні установки та одну дослідно-промислову установку, розроблено методики експериментального дослідження процесу газовиділення при ТКП дискретних наважок вугілля у КШ та КШТ, проведено цикл експериментальних досліджень. На основі їх результатів визначено основні закономірності газовиділення при ТКП кам`яного та бурого вугілля у КШ. Розроблено рекомендації щодо впровадження ТКП при двоступеневій термічній переробці кам'яного та бурого вугілля стосовно до спалювання у циркулюючому КШ (ЦКШ) при атмосферному тиску та до внутрішньоциклового спалювання чи газифікації вугілля в КШТ та ЦКШТ. Основні результаті роботи було використано при створенні робочих проектів ЦКШ-котлоагрегатів та ЦКШТ-енергоустановок.

Ключові слова: внутрішньоциклове спалювання/газифікація, кам`яне та буре вугілля, термоконтактний піроліз, киплячий шар, леткі, деструкція, кінетика, двоступенева термічна переробка, газовиділення, піролізер.

Gaponich L.S. Thermocontact pyrolysis of bituminous and brown coals in fluidized bed. - Manuscript.

The thesis seeks to Candidate of Technical Science degree; specialization 05.14.06 - Technical thermophysics and industry heat power engineering. - Institute of Gas of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is devoted to study of the principal laws of gas liberation during the thermocontact pyrolysis (TCP) of bituminous and brown coals in fluidized bed (FB) under the conditions, characteristic for technologies of their thermal processing. In the course of carrying out this work, we modernized two laboratory facilities and one pilotscale plant, developed procedures of experimental investigations of the gas-liberation process during the TCP of discrete coal samples in the circulating FB under atmospheric and increased pressures, and performed a cycle of experimental investigations. Using the obtained results, we determined the principal laws of gas liberation during the TCP of bituminous and brown coal in FB. We also proposed recommendations concerning the introduction of the TCP for two-stage thermal processing of bituminous and brown coal as applied to their burning in the circulating FB under atmospheric pressure and intracycle burning or gasification in FB or circulating FB under increased pressure. The main results of this work were user for development of contractor designs of FB steam boilers.

Key words: intracycle burning/gasification, bituminous and brown coal, thermocontact pyrolysis, fluidized bed, volatile matter, destruction, kinetics, two-stage thermal processing, gas liberation, pyroliser.

Размещено на Allbest.ru

...