Интенсификация процессов тепломассообмена при слоевой газификации угля с использованием обратного дутья

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск - 2007

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника
Энергетической стратегией России на период до 2020 года предусмотрено внедрение новых технологий переработки угольного сырья и повышение качества угольной продукции. Сегодня во всем мире усилия специалистов направлены на уменьшение экологического ущерба, наносимого угольной промышленностью, при этом большое внимание уделяется созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий. Прогноз того, что наибольший экономический эффект может дать комплексное использование твердого топлива, находит свое подтверждение в реализации современных технологий.
Непременный атрибут традиционных способов термохимической переработки угля - их экологическая опасность из-за сложности утилизации побочных продуктов пиролиза угля и отработанного газообразного теплоносителя, поступающего в атмосферу. Приведение таких производств в соответствие природоохранным нормативам требует инвестиций, сопоставимых со стоимостью основного оборудования, а использование внешнего теплоносителя отрицательно сказывается на энергоэффективности.
Серьезную конкуренцию традиционным технологиям составляет слоевая газификация угля с использованием обратного дутья, разработанная в институте "КАТЭКНИИуголь" в начале 90-х годов (далее - технология "Термококс"). В отличие от традиционного процесса газификации эта технология предоставляет возможность получения в первую очередь твердого остатка (кокса), а горючий газ выступает как единственный побочный продукт. В основе технологии лежит эффект "обратной тепловой волны" в слое угля, который позволяет осуществить неполную газификацию топлива, а за счет особенности движения фронта волны удается значительно снизить вредные выбросы.
Кокс имеет высокую калорийность и реакционную способность, низкий выход летучих веществ и большое электрическое сопротивление, а горючий газ является
эффективным энергоносителем и пригоден для генерации энергии в различных циклах. В настоящее время технология "Термококс" успешно применяется для производства сорбентов из канско-ачинских углей.
К основному недостатку слоевой газификации с обратным дутьем следует отнести низкую удельную производительность, причина которой состоит в увеличении времени прогрева частиц и ухудшении межфазного теплообмена в слоевых процессах. Преодоление этих трудностей сделает возможным использование данной технологии при создании энерготехнологических комплексов, выпускающих широкий ассортимент угольной продукции, электрическую и (или) тепловую энергию, и позволит удовлетворить возрастающие требования по энергосбережению и охране окружающей среды.
Поэтому актуально исследование методов интенсификации процессов тепло- и массообмена при слоевой газификации угля с использованием обратного дутья и на этой основе повышение производительности перспективной технологии.
С этих позиций объектом исследования является реактор, в котором реализуется процесс слоевой газификации с использованием обратного дутья.
Цель работы заключается в интенсификации процессов тепло- и массообмена для повышения производительности слоевого газификатора с обратным дутьем. Исследование включало: 1) анализ существующих промышленных производств и научно-технических разработок в области слоевой газификации и используемых в них методов интенсификации процессов тепло- и массообмена; 2) анализ математических моделей процессов тепло- и массообмена при слоевой газификации и выбор модели для исследования методов повышения производительности; 3) уточнение выбранной математической модели введением скоростей гомогенных реакций; 4) численное исследование процессов тепло- и массообмена при слоевой газификации, установление влияния состава и расхода дутья на производительность, калорийность продуктового газа и выход твердого остатка; 5) обоснование выбора состава и расхода дутья для интенсификации процессов тепло- и массо
обмена, исследование расчетным и экспериментальным способами выбранных высокопроизводительных режимов слоевой газификации.
Научная новизна представленных в работе результатов:
1. Введены скорости гомогенных реакций в систему уравнений газового баланса, что позволило уточнить математическую модель процессов тепло- и массообмена при слоевой газификации угля и рассчитать состав продуктового газа, совпадающий с экспериментально определенным.
2. Определен оптимальный состав и расход дутья на основе экспериментально установленной зависимости выхода твердого остатка, производительности газификатора и калорийности продуктового газа от них и размера частиц.
3. Предложен метод повышения производительности газификатора за счет увеличения скорости "обратной тепловой волны", достигаемого обогащением дутья кислородом без изменения конструкции аппарата.
4. Установлено, что выход твердого остатка и расход дутья, при котором достигается максимум калорийности продуктового газа, не зависят от концентрации кислорода в дутье, что позволяет повысить производительность слоевого газификатора и увеличить калорийность продуктового газа без изменения качества твердого остатка.
Практическая значимость работы
На основе расчетных и экспериментальных исследований получены исходные данные для проектирования промышленных высокопроизводительных аппаратов слоевой газификации с обратным дутьем.
Результаты исследований использованы в ЗАО "Карбоника-Ф" и ООО "Сибтермо".

Введение 5
1. Анализ технологических процессов термической переработки и газификации угля
1.1. Термическая переработка угля 14
1.1.1. Тенденции термической переработки угля 15
1.1.2. Повышение производительности 18
1.2. Газификация угля 19
1.2.1. Динамика развития технологий газификации угля 19
1.2.2. Типы современных промышленных газификаторов 22
1.2.3. Тенденции развития технологий газификации угля 31
1.2.4. Методы интенсификации процессов тепло-и массообмена 33
1.3. Перспективные технологии и разработки 38
1.3.1. Энергетические газогенераторные установки 3 9
1.3.2. Г азогенераторы для двигателей внутреннего сгорания 42
1.3.3. МЕЕТ-технология 43
1.3.4. Другие технологии 45
1.3.5. Требования к перспективным технологиям 46
1.4. Слоевая газификация угля с использованием обратного дутья 46
1.4.1. Эффект "обратной тепловой волны" 47
1.4.2. Другие явления, аналогичные "обратной тепловой волне" 49
1.4.3. Преимущества и недостатки слоевой газификации с обратным дутьем
1.5. Численные методы исследования тепло- и массообмена при слоевой газификации угля
1.5.1. Основные положения 56
1.5.2. Механизм взаимодействия углерода с газами 57
1.5.3. Математическое моделирование газификации отдельной частицы угля
1.5.4. Математические модели тепло-и массообмена в слоевых г,
, 66
газификаторах
Выводы к разделу 1 69
2. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена при слоевой газификации угля
2.1. Физическая модель взаимодействия угольных частиц и потока газа
2.2. Математическая модель слоевого газификатора
2.2.1. Проблема неизотермичности частиц в реакционной зоне
2.2.2. Эффективная теплопроводность твердой фазы
2.2.3. Математическая модель выхода летучих
2.2.4. Скорость гомогенного реагирования
2.2.5. Скорость гетерогенного реагирования
2.2.6. Математическая модель газовой фазы
2.3. Начальные и граничные условия
2.4. Аппроксимация уравнений и алгоритм решения
2.5. Параметрическое исследование математической модели
2.5.1. Параметрический анализ
2.5.2. Влияние дискретизации на численное решение
2.5.3. Влияние высоты слоя
2.5.4. Реактор идеального смешения
2.5.5. Влияние метода расчета газофазного реагирования на общее время счета
2.5.6. Оценка роли гетерогенного реагирования
2.6. Оценка адекватности математической модели
2.6.1. Зависимость концентраций реагирующих веществ в продуктовом газе от расхода дутья
2.6.2. Профили температуры слоя по высоте реактора
2.6.3. Интегральные параметры
2.6.4. Численное моделирование эксперимента № 5 Выводы к разделу 2
3. Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена ^2 при слоевой газификации угля
3.1. Методика проведения экспериментов и обработка первичных данных 122
3.1.1. Описание экспериментального стенда 123
3.1.2. Динамика состава продуктового газа 125
3.1.3. Определение профиля температуры слоя 128
3.2. Расчет параметров "обратной тепловой волны" 130
3.2.1. Удельная производительность газификатора в эксперименте 130 3.2 2 Скорость "обратной тепловой волны" 130
3.2.3. Ширина фронта 131
3.2.4. Скорость нагрева слоя 132
3.2.5. Состав продуктового газа 133
3.3. Основные закономерности "обратной тепловой волны" 140
Выводы к разделу З 144
4. Методы интенсификации процессов тепло-и массообмена 145
4.1. Особенности слоевой газификации с обратным дутьем 145
4.2. Возможные способы интенсификации процессов тепло- и массообмена и ограничения на их использование
4.3. Расчетное исследование 149
4.3.1. Обогащенное кислородом дутье 151
4.3.2. Рециркуляция части продуктового газа 154
4.3.3. Добавка метана к дутью 156
4.3.4. Подогрев дутья 158
4.3.5. Расчет критических расходов дутья 159
4.4. Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена при обогащении дутья кислородом
4.5. Анализ результатов и практические рекомендации 161
4.6. Оценка самовоспламенения дутья 167
Выводы к разделу 4 168
Заключение 170
Основные обозначения 172
Литература 175
ПРИЛОЖЕНИЕ А Дополнительные формулы, использованные в расчетах 198 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты экспериментальных исследований 201
ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты внедрения 206