Химия твердого топлива, 2020, № 5, стр. 19-23
РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ПРЯМОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ С ЖИДКИМ ШЛАКОУДАЛЕНИЕМ
М. Х. Сосна 1, *, Ю. А. Соколинский 1, **, Д. С. Худяков 1, ****, А. Л. Лапидус 1, 2, ***
1 ФГАОУ ВО “РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина”
119991 Москва, Россия
2 ФГБУН Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН
119991 Москва, Россия
* E-mail: dr.michael.sosna@gmail.com
** E-mail: Jas1933@yandex.ru
**** E-mail: ltybc672@rambler.ru
*** E-mail: albert@ioc.ac.ru
Поступила в редакцию 11.01.2020
После доработки 03.03.2020
Принята к публикации 03.06.2020
Аннотация
Предложена программа расчета процесса газификации, основанная на математической модели прямоточной газификации угля с жидким шлакоудалением. Расчеты были проведены для китайских газовых углей. Показана хорошая сходимость опытных и расчетных данных процесса.
До середины пятидесятых годов прошлого века газификация всех типов углей [1] широко использовалась на заводах азотной (районы добычи угля – Кузбасс, Донбасс, Подмосковный угольный бассейн и т.д.) и топливной промышленности. В 50-х годах 20-го века началась модернизация заводов производства аммиака и метанола с переводом их на природный газ.
В 2005 г. ОАО “АКРОН” (РФ) купил завод сложных удобрений ООО “ХУНЖИ-АКРОН” в КНР, на котором для производства метанола использовали установки газификации со стационарным слоем [2, 3]. Для повышения экономических показателей установок была разработана программа расчета процесса газификации в стационарном слое [4]. В 80-х годах 20-го века ГИАП принимал участие в разработке технологии и аппаратуры процесса газификации бурых углей с использованием жидкого шлакоудаления для завода “Шварце Пумпе” (ГДР) – была построена и введена в эксплуатацию установка.
В 2015 г. в связи с повышением цен на уголь ООО “ХУНЖИ-АКРОН” поставил задачу модернизировать стадию газификации угля на основе технологии с жидким шлакоудалением, которая применялась на заводе ЛУСИ (КНР) с использованием газовых углей при производстве аммиака. Характеристика угля “China Shenhua Energy Company Ltd” для процесса газификации приведена в табл. 1, а состав газа, получаемого на выходе из газификатора, – в табл. 2.
Математическая модель процесса прямоточной газификации угля с жидким шлакоудалением11. Рассмотрен процесс кислородной газификации пылевидного угля, который подается сверху в токе диоксида углерода. Кислород также подается в верхнюю часть газификатора. Жидкий шлак удаляется в нижней части газификатора. Газификация проходит под давлением порядка 40 ат и при температуре порядка 1250°C.
Уголь, как известно [4, 5], состоит из углерода, минеральных веществ, влаги, серы и “летучих”, включающих углеводороды, а также кислород и азот. Для газификации используются газовые угли с высоким содержанием летучих (≈30%). Анализ данных по газовым углям [1] показывает, что массовая доля водорода в углеводородах составляет 20% и поэтому в данной математической модели в качестве углеводородов условно принят этан.
Процесс газификации можно условно представить тремя стадиями: 1) уголь попадает в зону высоких температур, и из него в газовую фазу переходят влага, сера и летучие; 2) протекает процесс горения: горят этан и сера; образующийся при этом газ горения содержит H2O, CO2, SO2, N2, Ar (N2 и Ar – примеси технического кислорода); углерод угля и углерод, образовавшийся за счет крекинга оставшегося этана, вступают в реакции газификации, в ходе которых образуется синтез-газ – смесь монооксида углерода и водорода. Кроме того, образующийся водород вступает в побочные реакции: с углеродом (образуется CH4) и с SO2 (образуются H2S и Н2О). Расплавленная зола стекает вниз и удаляется.
Математическая модель включает:
– уравнения горения (для определения количества и состава газа горения);
– уравнения, описывающие основные и побочные реакции газификации (для определения количества и состава выходного газа);
– уравнения теплового баланса(для определения температуры процесса).
На основании условия “адиабатичности” реактора газификации (сумма энтальпий потоков на входе равна сумме энтальпий потоков на выходе) можно определить необходимый расход кислорода.
Стадия газификации – самая важная и сложная. Основные реакции газификации описывают реакции взаимодействия углерода с водяным паром и диоксидом углерода:
Эндотермические, обратимые реакции (I) и (II) протекают с увеличением числа молей. Константы равновесия этих реакций имеют вид:
Основное допущение данной модели: выполнение уравнений равновесия реакций (I) и (II), но с поправками на кинетические ограничения. Это значит, что состав выходной смеси описывается уравнениями:
(1)
$S{{t}_{1}} \cdot {{K}_{{{\text{p}}1}}} = P\frac{{X[{\text{CO}}] \cdot X[{{{\text{H}}}_{2}}]}}{{X[{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}]}}$,(2)
$S{{t}_{2}} \cdot {{K}_{{{\text{p}}2}}} = P\frac{{{{X}^{2}}[{\text{CO}}]}}{{X[{\text{C}}{{{\text{O}}}_{2}}]}}$,Константы равновесия зависят от температуры. Эту зависимость можно получить с помощью термодинамических методов, основываясь на данных по теплотам и энергиям образования веществ, вступающих в реакцию в стандартных условиях, а также по коэффициентам уравнений теплоемкости этих веществ [6, 7]. То же самое касается зависимости тепловых эффектов реакций от температуры.
Побочные реакции газификации. Углерод реагирует с водородом с образованием метана:
Реакция (III) экзотермическая, обратимая и идет с уменьшением числа молей. При высоких температурах, характерных для процесса газификации, константа равновесия указанной реакции сравнительно мала и поэтому содержание метана в синтез-газе составляет доли процента. Уравнение (3) аналогично уравнениям (1) и (2):
(3)
$S{{t}_{3}} \cdot {{K}_{{{\text{p}}3}}} = \frac{{X[{\text{C}}{{{\text{H}}}_{4}}]}}{{{{X}^{2}}[{{{\text{H}}}_{2}}]P}}$,Вторая побочная реакция – взаимодействие диоксида серы с водородом с образованием сероводорода и влаги:
Эту реакцию считаем необратимой. Ее математическое описание простое:
(4)
$d{{V}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O\;}}({\text{IV}})}}} = 2{{V}_{{{\text{S}}{{{\text{O}}}_{2}}}}}$,Материальный баланс углерода. Заданный расход углерода состоит из двух частей: углерода горения и углерода газификации:
Как было сказано, для определения расхода и состава газа горения необходимо задать расход углерода горения. При фиксированной температуре процесса, решая совместно уравнения (1)–(4), получим расход и состав выходного газа (синтез-газа), что в свою очередь позволит определить расход углерода газификации.
Действительно, расход углерода на реакцию (III) образования метана равен расходу полученного метана:
где ${{V}_{{{\text{C}}{{{\text{H}}}_{4}}}}}$ – расход метана в выходном газе. Расход водорода на синтез метана составляет:Далее расход углерода на реакцию (II) образования монооксида углерода из диоксида равен убыли диоксида углерода в выходном газе по сравнению с газом горения:
Для нахождения расхода углерода по реакции (I) рассмотрим баланс водорода, который образуется в реакции (I), а расходуется в реакциях (III) и (IV). Следовательно,
Очевидно, что расход углерода по реакции (I) равен расходу водорода по реакции (III): ${{V}_{{{\text{C}}({\text{I}}){\text{\;}}}}} = {{V}_{{{{{\text{H}}}_{2}}({\text{III}})}}}$. Расход углерода газификации составляет: ${{V}_{{{\text{C}}\,{\text{газ}}}}} = {{V}_{{{\text{C\;}}({\text{I}})}}} + {{V}_{{{\text{C\;}}({\text{II}})}}} + {{V}_{{{\text{C\;}}({\text{III}})}}}$.
Расход углерода газификации определялся по расходу углерода горения, поэтому равенство (5) надо рассматривать как уравнение относительно расхода углерода горения ${{V}_{{{\text{C}}\,{\text{гор}}}}}$. Оно решается итерационным методом, и на каждой итерации надо находить расход и состав газа горения и газа газификации.
Выбор температуры процесса газификации. Известно, что любой стационарный процесс протекает при такой температуре, при которой выполняется тепловой баланс, т.е. приход и расход тепла равны по величине.
Приход тепла ${{Q}_{{{\text{in}}}}}$ складывается из следующих составляющих:
– энтальпии угля (определение энтальпии и теплоемкости угля и золы из [5]);
– энтальпии входящих газовых потоков: технического кислорода, диоксида углерода, водяного пара (определение энтальпии и теплоемкости газов и их смесей из [6, 7]);
– тепла сгорания этана, углерода и серы, которое выражается:
Расход тепла ${{Q}_{{{\text{out}}}}}$ складывается из следующих составляющих:
– тепла нагрева угля газификации;
– энтальпии газа сгорания;
– энтальпии золы;
– тепла реакций газификации:
– тепла на сторону, т.е. тепловых потерь и теплоиспользования.
Температура, при которой выполняется условие ${{Q}_{{{\text{in}}}}} = {{Q}_{{{\text{out}}}}}$, является температурой процесса.
На основе представленной модели была разработана программа расчета. Исходные данные и результаты расчета процесса прямоточной кислородной газификации угля “China Shenhua Energy Company Ltd” приведены в табл. 3–11.
Таблица 3.
Показатель | Значение |
---|---|
Давление, ати | 38.0 |
Температура угля, °C | 150.0 |
Расход угля, кг/ч | 36700 |
W a, мас. % | 7.41 |
Aa, мас. % | 11.58 |
Sdaf, мас. % | 0.29 |
${\text{C}}_{f}^{a}$, мас. % | 49.50 |
V a, мас. % | 31.51 |
Отношение массовое кислород:азот | 4.00 |
$Q_{i}^{a}$, кДж/кг | 23257.7 |
Пар, мас. % | 1.00 |
Температура пара, °C | 300.0 |
Диоксид углерода, мас. % | 2.00 |
Температура СО2, °C | 150.0 |
Температура технического кислорода, °C | 450.0 |
Состав технического кислорода, об. %: | |
О2 | 98.00 |
N2 | 1.50 |
Ar | 0.50 |
Остаточный уголь, % от общего | 1.00 |
Тепло на сторону, % от тепла сгорания | 1.00 |
Степени приближения к равновесию реакций, %: | |
C + CO2 = 2CO | 100.000 |
C + H2O = CO + H2 | 45.000 |
C + 2H2 = CH4 | 13.000 |
Таблица 4.
Показатель | Значение |
---|---|
Температура газификации, °C | 1159.6 |
Расход целевого продукта (CO + H2), нм3/ч | 56631.0 |
Отношение CO:H2 | 2.5376 |
Расход, нм3/ч: | |
водяной пар | 456.6 |
диоксид углерода | 373.7 |
технический кислород | 17655.6 |
Уголь на сжигание, % | 14.573 |
Расход золы, кг/ч | 4249.9 |
Содержание золы в выходном газе: | |
массовое, кг/кг | 0.1158 |
объемное, кг/нм3 | 0.0691 |
Тепло на сторону, ГДж/ч | 8.537 |
Таблица 5.
Показатель | Значение |
---|---|
CO + H2, нм3/т угля | 1543.1 |
Технический кислород, нм3/т угля | 481.1 |
Водяной пар, нм3/т угля | 12.4 |
Диоксид углерода, нм3/т угля | 10.2 |
Тепло на сторону, ГДж/ч/т угля | 0.4 |
Таблица 6.
Реагент | Значение, нм3/ч |
---|---|
H2O в реакции C + H2O = CO + H2 | 16470.0 |
CO2 в реакции C + CO2 = 2CO | 12076.5 |
H2 в реакции C + 2H2 = CH4 | 238.7 |
Таблица 7.
Приход | Значение, ГДж/ч |
---|---|
Тепло сгорания, в т.ч.: | 343.339 |
тепло сгорания этана | 256.429 |
тепло сгорания углерода | 85.922 |
тепло сгорания серы | 0.988 |
Энтальпия водяного пара | 0.214 |
Энтальпия CO2 | 0.100 |
Энтальпия технического кислорода | 10.999 |
Энтальпия угля | 8.776 |
Итого | 363.428 |
Расход | |
Тепло нагрева угля газификации | 82.505 |
Энтальпия газа сгорания | 75.124 |
Энтальпия золы | 4.928 |
Энтальпия остаточного углерода | 0.327 |
Тепло реакций: | |
C + H2O = CO + H2 | 99.767 |
C + CO2 = 2CO | 89.660 |
C+2H2 = CH4 | –0.490 |
SO2 + 3H2 = H2S + 2H2O | –0.762 |
Тепло на сторону | 8.537 |
Итого | 359.596 |
Таблица 8.
Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
---|---|---|---|---|
N2 | 1.500 | 1.314 | 264.8 | 331.1 |
Ar | 0.500 | 0.625 | 88.3 | 157.4 |
O2 | 98.000 | 98.061 | 17302.5 | 24706.8 |
Итого | 100.000 | 100.000 | 17655.6 | 25195.3 |
Таблица 9.
Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
---|---|---|---|---|
CO2 | 2.022 | 2.791 | 373.7 | 734.0 |
H2O | 2.470 | 1.396 | 456.6 | 367.0 |
N2 | 1.433 | 1.259 | 264.8 | 331.1 |
Ar | 0.478 | 0.598 | 88.3 | 157.4 |
O2 | 93.597 | 93.956 | 17302.5 | 24706.8 |
Итого | 100.000 | 100.000 | 18485.9 | 26296.3 |
Таблица 10.
Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
---|---|---|---|---|
H2O | 57.064 | 35.639 | 18914.0 | 15203.9 |
CO2 | 40.149 | 61.263 | 13307.7 | 26135.0 |
N2 | 2.297 | 2.231 | 761.4 | 951.7 |
Ar | 0.266 | 0.369 | 88.3 | 157.4 |
SO2 | 0.224 | 0.498 | 74.4 | 212.6 |
Итого | 100.000 | 100.000 | 33145.8 | 42660.6 |
Таблица 11.
Компонент | об.% | об. % (на сухой газ) | нм3/ч | кг/ч |
---|---|---|---|---|
H2O | 4.216 | 0.000 | 2592.9 | 2084.3 |
CO | 66.055 | 68.963 | 40622.8 | 50775.9 |
H2 | 26.030 | 27.176 | 16008.1 | 1439.4 |
CO2 | 2.002 | 2.090 | 1231.2 | 2418.0 |
CH4 | 0.194 | 0.203 | 119.4 | 85.4 |
H2S | 0.121 | 0.126 | 74.4 | 113.1 |
N2 | 1.238 | 1.292 | 761.4 | 951.7 |
Ar | 0.144 | 0.150 | 88.3 | 157.4 |
Итого | 100.000 | 100.000 | 61498.5 | 58025.2 |
Таким образом, сравнение результатов расчета, представленных в табл. 1–11, с опытными данными (табл. 2) показывает хорошую сходимость опытных и расчетных данных, что говорит об адекватности разработанной математической модели и применимости ее для технологических расчетов.
Список литературы
Сосна М.Х., Эвенчик Н.С., Лысенко А.И. Методические указания по выполнению лабораторных работ “Расчет производства газификации твердого топлива”. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2008. 24 с.
Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Очистка технологических газов. Синтез аммиака. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1986. 512 с.
Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. Перевод с немецкого / Под ред. С.Р. Исламова. М.: Недра, 1986. 175 с.
Сосна М.Х., Соколинский Ю.А., Худяков Д.С., Крючков М.В. Процесс газификации с жидким шлакоудалением. Учебное пособие. М.: ИЦ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2019. 61 с.
Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. Кузнецова Н.В., Митора В.В., Дубовского И.Е., Карасиной Э.С. М.: Энергия, 1973. 296 с.
Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. Мищенко К.П., Равделя А.А. 4-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1965. 160 с.
Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. Пер. с англ. / Под ред. Б.И. Соколова. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1982. 592 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химия твердого топлива