Методика определения оптимальных параметров рабочего состояния атмосферного газогенератора из угля

В настоящее время из-за нестабильности мирового энергетического рынка многие страны пытаются реализовать диверсификацию структуры источников энергии. Технология газификации угля имеет важное значение в разрешении кризиса энергоресурсов в соответствии с особенностями стран. В странах, где нет нефти или природного газа, можно производить синтез-газ из угля и использовать его в качестве промышленного топлива. И в России в регионах с большими запасами угля можно заменить дорогой природный газ генераторным газом или сократить потребление природного газа.

Технология газификации угля используется для получения горючего газа из угля. Синтез-газ, полученный путем газификации угля при атмосферном давлении, состоит из углекислого газа и водорода, которые используются в качестве топлива для газовой турбины или для металлургических и химических промышленностей [1].

Качество газа, производимого в газогенераторе, тесно связано с рабочим состоянием газогенератора [2]. Из-за конструктивной и технологической сложности газогенератора трудно предсказать его рабочее состояние только по визуальному наблюдению или по нескольким датчикам. Целью данной работы является разработка методики определения оптимальных параметров для атмосферного газогенератора данного состава газа, полученного из газогенератора.

Методология исследования

Внутри газогенератора происходят сложные физические и химические процессы, такие как сушка угля, пиролиз, горение угля, реакция газификации, движение флюидов, тепло- и массооб-мен между средами. В табл. 1 показаны процессы в газогенераторе с плотным слоем [3].

Химическая реакция, протекающая в газогенераторе, в результате может быть сведена к четырем реакциям.

С + СО2 = 2СО,(1)

2С + СО2 = 2СО,(2)

С + Н2О = СО +Н2,(3)

С + 2Н2 = СН4.(4)

В общем виде состав угля дается как состав рабочего топлива и состав элементного анализа. Расчет по элементному составу, а не по составу рабочего топлива угля позволяет более точно оценить рабочее состояние газогенератора. Состав угля можно анализировать согласно ISO 17247:2020.

Кислород, поступающий в газогенератор, используется для производства СО2 в окислительной реакционной зоне. То есть кислород должен быть полностью израсходован в этой зоне. Следовательно, оптимальное рабочее состояние газогенератора можно определить как состояние, при котором содержание кислорода в генерируемом газе составляет 0 %. На практике, если концентрация кислорода в добываемом газе составляет менее 0,5 %, считается, что газогенератор находится в нормальном рабочем состоянии [4]. В исследовании описывается методика определения наилучших рабочих параметров в установившихся режимах работы газогенератора.

Таблица 1. Характеристика процессов газификации в плотном слое

Table 1. Characteristics of gasification processes in a dense layer

Зоны в газогенераторе	Процессы, реакции	Выделяемые и транспортируемые компоненты
Надслоевое пространство		Генераторный газ, унос угольной пыли, водяные пары, смолы
Зона сушки и выделения летучих веществ	Сушка топлива и сухая перегонка угля	Водяные пары и смолы, Н2S, СН 4 , С m H n , СО 2 , СО, Н 2 , Н 2 О
Вторая восстановительная зона (низкотемпературной карбонизации)	С + СО 2 = 2СО С + 2Н 2 = СН 4 СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2	СО 2 , СО, Н 2 , СН 4 , Н 2 О
Первая восстановительная зона (высокотемпературной карбонизации)	С + СО 2 = 2СО С + Н 2 О = СО +Н 2 СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2	СО 2 , СО, Н 2 , Н 2 О
Окислительная реакционная зона (кислородная)	С + О 2 = СО 2 С + СО 2 = 2СО 2СО + О 2 = 2СО 2	О 2 , СО 2 , СО, Н 2 О
Зольная подушка		Зола, шлак, кокс

Предположим, что элементный состав угля задан как CP , HP , OP , AP , WP (кг/кг).

Из них часть CP реагирует с кислородом топлива, превращаясь в СО₂. При этом количество газа CO 2 , образующегося из кислорода в топливе, рассчитывается таким образом:

со2 32     •

В этом случае потребляемый углерод равен

Водород в составе угля входит в состав газа в виде Н2. Это количество:

Если содержание углерода в золе генератора равно C^З , то углерод, выходящий с золой, равен APC³ •

В итоге углерод, участвующий в реакции газификации:

С = СР-—ОР- —

32    1-С

Если количество углерода, израсходованного в каждой реакции, равно C 1 , C ₂, C ₃ и C ₄ соответственно, устанавливается следующее уравнение.

С = С 1 + С 2 + С 3 + С 4 .

Если коэффициент расхода воздуха равен n, расход воздуха, расход водяного пара и количество продуктов для каждой реакции на 1 кг топлива будет следующим.

Для реакции (1):

Уд¹ = 8,89/76, м³

У^ = 1,8676, м³

У^ =1^22пС_х м³

У^ = 1,867(7? -1)6, м³.

Для реакции (2):

Уд² = 4,44/?6₂ м³

У^ = 1,8676₂ м³

У^ = 3,511т?6₂ м³

Уо² = 0,933(и-1)6₂ м³

Для реакции (3):

^h^s,o ⁼ (867С₃ м³ У^ = 1,867С₃ м³ У^ = 1,867С₃ м³.

Для реакции (4): 1^⁴ =3,734С₄ м³ ^сн₄ =1,867С₄ м³

В результате количество каждого компонента в генераторном газе следующее.

V = Г ⁴

v CH, ' сн, ■

С другой стороны, если измеренный состав генераторного газа представлен как CO, CO 2 , H₂, H₂O, O₂, N ₂ и CH₄, количество газовых компонентов (м³) выражается по следующей формуле.

Усог=Уг-СО2 Vco=Vr-CO ущ = УГ-Н2 Уо, = VrO2 VN,=Vr-N2 VCH,=Vr-CH4

где VГ количество образовавшегося газа.

В результате устанавливаются следующие уравнения:

^ШС. + У^ =УГ-СО .                                     (9) 1,867C2 + 1,867C3 =Vr-CO .                                         (10) 1,867C3 + У^ -3,734C4 ^Уг-Н .                                      (11) 1,867(z? - 1)Q + 0,933(7? - 1)C2 = Vr • O2 .                                      (12) 7,02277^+3,5117?C2 =Vr-N2 .                                         (13) Х^61С4=УГ-СН4 .                                             (14)

Неизвестными являются C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , n и VГ и существует 7 формул для их расчета: Уравнение 8~14. На самом деле, поскольку N 2 и O 2 поступают из воздуха, их соотношения постоянны и определяются коэффициентом расхода воздуха. Отсюда уравнения (12) и (13) становятся эквивалентными выражениями, поэтому уравнения также замыкаются как (6).

Результат и вывод исследования

Если уравнения (9) и (10) сложить вместе и принять во внимание уравнение (8), количество образовавшегося газа можно рассчитать следующим образом:

22 4

1.867C + — О

V =______ 32_

.

r co2+co

C ₁ рассчитывается по уравнению (9), С₄ рассчитывается по уравнению (14) и C ₃ по уравнению (11), а C 2 получают из уравнения (8).

Коэффициент расхода воздуха рассчитывается по уравнениям (12) и (13), и используется среднее значение двух расчетных значений. Следующими уравнениями рассчитывается количество воздуха и водяного пара при учете степени разложения пара Г]_но . Степень разложения пара – это доля пара, эффективно используемого для реакции газификации, среди подаваемого в газогенераторе пара.

^ = (8,889^ + 4,445(^)7?.(16)

VHO = V%61CJnH .(17)

КПД газогенератора рассчитывается следующим образом:

126,44СО + 107,6Н,+358СН4тл

П =-----------—Р— --------vr.(18)

Здесь знаменатель – теплотворная способность угля.

Таким образом, рабочие параметры газогенератора могут быть рассчитаны на основании данных состава элементного анализа угля и состава генерирующего газа, а оптимальные параметры могут быть определены путем контрастного анализа с текущими рабочими параметрами.

Результаты расчетов хорошо согласуются с данными эксплуатации, и можно найти меры по улучшению работы, используя приведенные выше уравнения. Например, если содержание кислорода в газе уменьшается на х, содержание азота уменьшается в 3,762x раза, а количество генераторного газа уменьшается в 4,762x раза. Принимая это во внимание, можно рассчитать состав генераторного газа, а если повторить расчет по уточненному составу газа, можно определить оптимальные характеристики устройства.