Исследование технологического режима газогенераторов Лурги при парокислородной газификации углей под давлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Загрутдинов, Равиль Шайхутдинович

• Загрутдинов, Равиль Шайхутдинович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Загрутдинов, Равиль Шайхутдинович

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

1.1 Ископаемые угли и их характеристики

1.2 Технологии переработки углей 14 Коксование угля 14 Полукоксование угля 15 Гидрогенизация угля 16 Газифика ция угля

1.3 Основные существующие схемы газификации угля 21 Газификация угля в газогенераторах Лурги 23 Газификация угля в газогенераторах фирмы BGL 27 Газификация угля в газогенераторах концерна Shell 30 Газификация угля по технологии ConocoPhilips E-gas

Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens

Некоторые другие технологии газификации углей

1.4 Выводы по первой главе

2 ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

В ПЛОТНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

2.1 Краткий обзор и современное состояние проблемы

2.2 Конструктивные особенности устройства и работа газогенераторов Лурги

Основное оборудование газогенераторов Лурги

Технологический процесс газогенераторов Пурги

2.3 Физика и химия процессов газификации углей

2.4 Влияние условий проведения процесса газификации на характеристики получаемого газа

Влияние температуры и давления на процесс газификации 73 Влияние вида дутья на состав генерируемого газа

2. 5 Выводы по второй главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЛУРГИ НА ШУБАРКОЛЬСКОМ УГЛЕ ПРИ ПАРОКИСЛОРОДНОМ ДУТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

3.1 Характеристики шубаркольского угля

3.2 Зависимости, используемые при газификации угля в плотном слое под давлением

3.3 Схема экспериментального контроля { анализируемых параметров

3.4 Влияние состава минеральной части топлива на пределы изменения входных параметров газифицирующей дутьевой смеси

3.5 Удельный расход кислорода на газификацию топлива

3.6 Неблагоприятные режимы работы газогенератора

Лурги на шубаркольском угле

3.7 Экспериментальные зависимости, характеризующие процесс газификации Лурги

3.8 Материальный баланс и технико-экономические показатели работы газогенератора Лурги

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование технологического режима газогенераторов Лурги при парокислородной газификации углей под давлением»

В настоящее время проблемы энергетики и энергосбережения приобретают все большее значение. Среди них важное значение имеет проблема энергетической безопасности производственных процессов, гражданских и других объектов. Актуальными остаются проблемы обеспечения энергией отдаленных районов, пунктов и хозяйственных объектов. Поэтому разработка комплексных энергетических установок (таких, например, как газогенератор, газовый двигатель или работающая на газе электрогенераторная станция с котлом-утилизатором) для автономного обеспечения тепловой, механической и электрической энергией является весьма актуальной проблемой. Исходным звеном такой установки может быть автономный газогенератор, работающий, например, на местном угле.

Многие производственные и технологические процессы требуют для своего обеспечения большого количества тепловой энергии (пара или горячего газа), которую можно легко получить путем сжигания газа в технологической установке или в непосредственной близости от нее. Необходимое количество горючего газа с заданными свойствами может быть получено путем газификации угля.

Интерес к технологиям переработки низкосортных натуральных твердых топлив (бурых и каменных углей), антрацитов и горючих сланцев, торфа, древесных отходов и т.д. на установках термохимической конверсии (газификации и пиролиза) в настоящее время возрастает в связи с неизбежным предстоящим переходом мировой энергетики на малоуглеродные и неуглеродные, в том числе водородные, технологии [1-6]. Среди ведущих направлений предстоящей диверсификации энергетики будут технологии газификации твердых топлив [7-10].

Под газификацией обычно понимают высокотемпературные процессы взаимодействия органической массы твёрдых или жидких горючих ископаемых или продуктов их термической переработки с воздухом, кислородом, водяным паром, диоксидом углерода или их смесями, в результате которых органическая часть топлива обращается в горючие газы.

Таким образом, газификация твердого топлива решает задачи перевода твердых горючих ископаемых, в том числе углей, в удобное для сжигания топливо - горючие газы.

Одним из перспективных направлений развития газификации является газификация натуральных твёрдых топлив, в том числе сернистых и высокозольных углей, как стадия их подготовки к использованию в топках теплопотребляющих агрегатов, не приспособленных для прямого сжигания. Процессы и методы газификации твердого топлива в зависимости от назначения получаемого газа можно классифицировать следующим образом [11-15]:

• получение газов заданной теплоты сгорания;

• получение газов заданного состава.

Существуют различные типы процессов газификации углей, принципиально отличающихся в основном организацией процесса взаимодействия топлива и окислителя. Например, газификация с неподвижным или псевдоожиженным слоем или же со спутным потоком пылевидного топлива. Газификация проводится в специальных аппаратах - газогенераторах, которые также отличаются друг от друга в зависимости от типа процесса. В случае использования воздушного дутья получается низкокалорийный газ, в случае кислородного дутья - среднекалорийный газ.

В то время как газогенераторы с воздушным дутьём работают при атмосферном давлении, газогенераторы с кислородным дутьём работают не только при атмосферном, но и при повышенных давлениях, что приводит к увеличению выхода метана. Более современными являются газогенераторы Лурги, Винклера, Копперс-Тотцека, Велман-Галуши и другие.

В настоящее время разрабатываются и развиваются другие технологии газификации углей и производства синтез-газа. Например, в слоевых газогенераторах фирмы BGL процесс газификации угля осуществляется под давлением, как и в газификаторах Лурги, но с жидким шлакоудалени-ем. Реализованы десятки проектов производства синтез-газа путем газификации угля в газогенераторах концерна Shell. К более новым относится процесс газификации водо-угольной суспензии под давлением по технологии - ConocoPhilips E-gas. Мультитопливный газогенератор по технологии Siemens может работать с разными видами топлива, такими как каменный уголь, бурый уголь, биомасса и жидкие отходы. Технологии газификации твердых топлив, особенно углей, непрерывно развиваются и совершенствуются. Однако до настоящего времени наиболее распространенным и надежным в эксплуатации, по многим причинам, является процесс газификации в плотном слое под давлением по технологии фирмы Лурги (Lurgi).

В соответствии с вышеизложенным основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах генерации горючих газов из каменных углей местных месторождений в плотном слое под давлением в газогенераторах, работающих по технологии Лурги на низкозольном шубаркольском угле. При этом главными направлениями исследования были следующие:

• определение диапазона надежной бесшлаковой работы газогенераторов Лурги при газификации шубаркольского угля, содержащего предельно низкое количество минеральной части (зольного остатка);

• достижение максимально возможного снижения величины показателей газификации (газификационного отношения пар/кислород) в дутьевой смеси.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Рассмотрение и обзор существующих методов газификации углей и выбор наиболее рациональной технологии производства газа из низкозольного шубаркольского угля.

• Обобщение существующего опыта организации технологического процесса газификации углей в плотном слое под давлением при па-рокислородном дутье в газогенераторах Лурги.

• Проведение систематических наладочных и экспериментальных исследований на промышленных газогенераторах Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье, с целью достижения оптимальных значений показателей газификации и выработки рекомендаций для проектирования второй очереди газогенераторной станции.

Научная новизна работы заключается:

В определении оптимальных значений показателей газификации газогенераторов Лурги, работающих на низкозольном шубаркольском угле при парокислородном дутье под давлением, а также получение и обобщение обширного экспериментального материала, описывающего технологический процесс Лурги.

Практическая значимость

Отладка технологического процесса газификации низкозольного шубаркольского угля при парокислородном дутье под давлением на промышленных газогенераторах Лурги и получение оптимальных значений показателей газификации. Внедрение результатов исследования на предприятии ОАО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Республика Казахстан). Издание учебного пособия по результатам исследования.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется анализом и обобщением достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований. Применением современных и апробированных экспериментальных методов исследования. Проведением широкомасштабных модельных и натурных экспериментальных исследований и использованием достоверных результатов других авторов. Выполнением работы при участии высококвалифицированных отечественных и зарубежных специалистов. Апробация работы

Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: II Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение» (Самара, 2004), конференции «Техперевооружение объектов энергетики на основе продуктов и услуг Уральского турбинного завода» (Екатеринбург, 2004), 3-й Международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение, оптимизация энергопотребления и обеспечение экологической безопасности на предприятиях металлургической, горной и' нефтехимической промышленности» (Санкт-Петербург, 2005), I Международной научно-технической конференции и Инвест-форуме Восточно-Казахстанской области «Энергетика, экология, энергосбережение» (Казахстан, Усть-Каменогорск, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики - ЭЭТПЭ-2007» (Барнаул, 2007) и III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России, 1 статья в региональном журнале, 6 докладов и 3 тезиса доклада на конференциях различного уровня и 1 учебное пособие [16-27].

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ).

Научным руководителем диссертационной работы является заведующий вузовско-академической лабораторией АлтГТУ-НИИ СО РАН, профессор АлтГТУ д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Загрутдинов, Равиль Шайхутдинович

Результаты исследования были использованы на предприятии АО «Алюминий Казахстана» и при разработке рекомендаций при проектировании второй очереди газогенераторной станции (г. Павлодар, Республика Казахстан). По результатам исследования издано учебное пособие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Загрутдинов, Равиль Шайхутдинович, 2008 год

1. Энергетика XX1.века: Условия развития, технологии, погнозы / JI.C. Беляев, А.В. Лагерев, В.В. Посекалин и др.; Отв. ред. И.И. Воропай. -Новосибирск: Наука, 2004. - 386 с.

2. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия 2050: стратегия инновационного прорыва. -М.: ЗАО «Изд-во Экономика», 2005. - 624 с.

3. Мировая энергетика и переход к стойчивому развитию / Беляев Л.С., Марченко О.В., Филиппов С.П. и др. Новосибирск: Наука, 2000. -269 с.

4. Перспективы энергетических технологий. Стратегии и сценарии до 2050 г. Часть 1. Технологии и экономика мировой энергетики до 2050 г. / Доклад Междунар. энергет. агентства (ОЭСР/МЭА). Под ред. Н. Херста: пер. А.О. Кокорина. М.: WWF России, 2007. - 464 с.

5. Demirbas A. Hydrogen production via pirolytic degradation of agricultural residues // Energy Sources, 2005. Vol. 27(8). P. 769-775.

6. Kreeith F., West R.E. Fallacies of a hydrogen economy // Proc. of IV Inter. Mech. Engineer Congress, 13-19 Nov. 2004, Anaheim, CA. / Paper No. IMECE2004-59980.

7. Кейко A.B., Свищев Д. А., Козлов A.H. Газификация низкосортного твердого топлива: уровень и направления развития технологии. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. - 66 с.

8. Рыжков А.Ф. Перспективы развития когенерационных энергоисточников и газогенераторные технологии // Проблемы развития централизованного теплоснабжения: Материалы междунар. научнопрактич. конф., г. Самара, 21-22 апреля 2004 г. Самара, 2004. - С. 125130.

9. Techno-Economic Analysis of Hydrogen Prouction by Gasification of Bion / Lau F.S., Bowen D.A., Dihu R. et al / Report of Gas Technology Inst. 2002.- 154 p.

10. Rezaiyan J. Cheremisinoff N.P. Gasification technologies. A primer for engineers and scientists. Paris: Marcel Dekker, 2005. - 272 p.

11. Альтшулер B.C. Новые процессы газификации твердого топлива. М.: Недра, 1976.-200 с.

12. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М.: Изд-во «Москва», 1977. - 344 с.

13. Хоффман Е. Энерго-технологическое использование угля. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 152 с.

14. Чуханов З.Ф., Хитрин Л.Н. Энерготехнологическое использование топлива. М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 128 с.

15. Лебедев В.В., Рубан В.А., Шпирт М.Я. Комплексное использование углей. М.: Недра, 1980. - 236 с.

16. Силин В.Е., Кузнецов А.А., Надир С.М., Костюнин В.В., Рыжков А.Ф., Загрутдинов Р.Ш. Перспективы использования биомассы в энергетических циклах с газификацией // Энергетика региона № 1 -2 (78-79) январь-февраль 2005, С. 43-46.

17. Загрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Сеначин П.К. Наладочные испытания газогенераторов Лурги и перспективы газогенераторных технологий // Ползуновский вестник, 2007. №3. С. 40-47.

18. Загрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Сеначин П.К. Технологии газификации углей и производства моторных топлив: Учебное пособие.-Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им; И.И. Ползунова, 2008.- 112 с.

19. Химическая технология твердых горючих ископаемых: Учеб. для вузов / Под ред. Г.Н. Макарова и Г.Д. Харламповича. М.: Химия, 1986.-496 с.

20. Школлер М.Б. Полукоксование каменных и бурых углей. -Новокузнецк: Инженерная академия России. Кузбасский филиал, 2001. -232 с.

21. Федосеев С.Д., Чернышев А.Б. Полукоксование и газификация твердого топлива. М.: ГНТИ нефтяной и горнотопливной литературы (Гостоптехиздат), 1960. - 327 с.

22. Уайтхерст Д.Д., Митчелл Т.О., Фаркаши М. Ожижение угля. Химия и технология термических процессов: Пер. с англ. / Под ред. В.Г. Липовича. -М.: Химия, 1986. 256 с.

23. Лавров Н.В. Физико-химические основы горения и газификации топлива. М.: Изд-во «Недра», 1957. - 172 с.

24. Альтшулер- B.C. Методы интенсификации работы промышленных газогенераторов. М.: Недра, 1955. - 250 с.

25. Сеченов Г.Н., Альтшулер B.C. Газогенераторы для производства энергетических газов из твердого топлива // Газовые процессы. Получение энергетических и технологических газов. М.:Наука, 1967.-С. 41-49.

26. Белосельский B.C., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136 с.

27. Песочин В. А., Толмачев И .Я. Расчет газификации» угольных частиц в прямоточном реакторе // Химия твердого топлива, 1991.- № 5, с. 88-91.

28. Гельперин Н.И., Мясоеденков В.М. и др. Псевдоожижение газовыделяющей твердой фазы // Химия твердого топлива, 1989.- № 5, с. 73-76.

29. Альтшулер B.C., Сеченов. Г.П. Газификация бурых углей в кипящем слое под давлением с получением энергетических газов для тепловых электростанций. /В сб. Газовые процессы./. Получение энергетических и технологических газов. М.: Наука, 1967, с.49-54.

30. Кафтанов С.В., Федосеев С. Д. и др. Исследование высокоскоростного пиролиза бурого угля в потоке // Химия твердого топлива, 1971.- № 6, с.21-25.

31. Сеченов Г.П. Получение энергетического газа из сернистых углей западного Донбасса путем их газификации в кипящем слое под давлением //Химия твердого топлива, 1971.- № 6, с.59-66.

32. Голованов Н.Г. Уголь как топливо и химическое сырье (книга -реферат).- М.: Недра, 1957.- 112 с.

33. Дешалит Г.И. Расчеты процессов газификации топлива.-Харьков: В ища школа, 1959.- 136 с.

34. Лавров Н.В. и др. Введение в теорию горения и газификации. М.: Недра, 1962.- 126 с.

35. Лапидус А.Л. Уголь и природный газ источники жидкого топлива. М.: Мир, 1986.- 132 с.

36. Равич М.Б, Тепловые балансы газогенераторов.- М.: Гостоптехиздат, 1957.-144 с.

37. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов газогенераторов.- М.: Недра, 1966.- 124 с.

38. Бесков С.Д. Технохимические расчеты М.: Высшая школа, 1966.- 520 с.