Химия твердого топлива, 2022, № 6, стр. 51-55
РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ПРЯМОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ АНТРАЦИТОВОГО ШТЫБА 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 имени Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН)
119991 Москва, Россия
* E-mail: dr.michael.sosna@gmail.com
** E-mail: Jas1933@yandex.ru
*** E-mail: khudiakov.d@gubkin.ru
Поступила в редакцию 15.02.2022
После доработки 06.06.2022
Принята к публикации 03.08.2022
- EDN: HFAAGR
- DOI: 10.31857/S0023117722060081
Аннотация
Рассмотрена программа расчета процесса газификации, основанная на математической модели прямоточной газификации угля с жидким шлакоудалением, в которой в качестве дутья применяется смесь кислорода и водяного пара. Расчеты были проведены для сырья – антрацитового штыба угольного бассейна “Восточный Донбасс”.
Как было показано ранее [1], в настоящее время промышленное использование процесса газификации угля в России отсутствует ввиду экономической нецелесообразности, обусловленной сложностью технологического процесса и экологических проблем, связанных с использованием угля.
В мире производят более 200 млн т аммиака в год [2], из него получают азотные удобрения, различные пластики, взрывчатые вещества и многое другое. На рисунке представлены блок-схемы производства аммиака из различного углеродного сырья.
Из сравнительного анализа различных схем видно, что число технологических стадий при производстве аммиака из угля ~в 2 раза больше, чем из природного газа, что неминуемо ведет к увеличению капитальных затрат. Все производство продукта в России базируется исключительно на природном газе.
Однако существуют варианты, когда экономическая целесообразность не является основным фактором, определяющим выбор исходного сырья для организации многотоннажного производства химического продукта с высокой добавленной стоимостью, например социальные (см. Конституцию РФ).
В России существуют районы с высоким уровнем безработицы, к числу которых можно отнести российскую часть восточного угольного бассейна “Донбасс”, поэтому создание промышленного производства химических продуктов с высокой добавленной стоимостью позволит не только создать новые рабочие места в химической промышленности, но и увеличить угледобычу, значительно сократившуюся после перехода экономики России на рыночные условия.
Добываемые в Донбассе угли относятся к классу антрацитового штыба, в котором отсутствуют или присутствуют в незначительных количествах углеводородные соединения. Этот факт не позволяет использовать ранее разработанную математическую модель и программы расчета процесса прямоточной газификации с жидким шлакоудалением для технико-экономических проработок.
Характеристики углей Донецкого бассейна и топлив на их основе приведены в табл. 1, из которой видно, что содержание летучих в антрацитовом штыбе значительно меньше, чем в газовых углях, поэтому в случае использования балансовой модели процесса газификации, приведенной в [1], расчет усложнится. В связи с этим данная модель расчета была скорректирована в п. 2 заменой этана на углерод. Также приведены исходные данные (табл. 2–4) и результаты расчета (табл. 5–12) процесса газификации антрацитового штыба (угольный бассейн “Восточный Донбасс”). Отметим, что равновесие химической реакции заключается в равенстве константы равновесия KР, зависящей от температуры, и “закона действующих масс” Z, который выражается через парциальные давления компонентов реакции (табл. 13).
Таблица 1.
Характеристики углей Донецкого бассейна* и топлив на их основе [4]
| Марка угля |
Класс или продукт обогащения | Показатель рабочей массы топлива, % | Максимальное значение зольности (Aрмакс), % | Выход летучих на горючую массу (V г), % | Низшая теп- лота сгорания ($Q_{{\text{н}}}^{p}$), МДж/кг | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W р | Aр | ${\text{S}}_{k}^{p}$ | ${\text{S}}_{{op}}^{p}$ | Cр | Hр | Nр | Oр | |||||
| Д | Р | 13.0 | 21.8 | 1.5 | 1.5 | 49.3 | 3.6 | 1.0 | 8.3 | 31.5 | 44.0 | 19.6 |
| Д | Отсев | 14.0 | 25.8 | 2.5 | 1.4 | 44.8 | 3.4 | 1.0 | 7.1 | 34.0 | 44.0 | 17.7 |
| Г | Р | 8.0 | 23.0 | 2.0 | 1.2 | 55.2 | 3.8 | 1.0 | 5.8 | 31.5 | 40.0 | 22.0 |
| Г | Отсев | 11.0 | 26.7 | 1.9 | 1.2 | 49.2 | 3.4 | 1.0 | 5.6 | 35.0 | 40.0 | 19.8 |
| Г | Промпродукт мокрого обогащения | 9.0 | 34.6 | 3.2 | 3.2 | 44.0 | 3.1 | 0.8 | 5.3 | 45.0 | 42.0 | 17.5 |
| Т | Р | 5.0 | 23.8 | 2.0 | 0.8 | 62.7 | 3.1 | 0.9 | 1.7 | 31.5 | 15.0 | 24.2 |
| А | Ш, СШ | 8.5 | 22.9 | 1.0 | 0.7 | 63.8 | 1.2 | 0.6 | 1.3 | 31.5 | 3.5 | 22.6 |
| ПА | Р, отсев | 5.0 | 20.9 | 1.7 | 0.7 | 66.6 | 2.6 | 1.0 | 1.5 | 31.5 | 7.5 | 25.2 |
| Ж, К, ОС | Промпродукт мокрого обогащения | 9.0 | 35.5 | 1.9 | 0.6 | 45.5 | 2.9 | 0.9 | 3.7 | 45.0 | 30.0 20.0–34.0 |
18.0 |
* В районе Восточного Донбасса в настоящее время добываются преимущественно антрациты (штыбы, рядовой уголь) [4]. Действующие шахты: “Садкинская”, “Обуховская” [5]. АО “Донской антрацит” планирует объединить выработку шахт “Дальняя” и № 410 [6]. В 2022 г. в Ростовской области начнет работать шахта “Садкинская – Восточная”, в настоящее время ведутся проектные работы по строительству шахты “Садкинская – Северная” [7].
Таблица 2.
Основные исходные данные
| Показатель | Значе-ние |
|---|---|
| Давление, ати | 30.0 |
| Расход водяного пара, нм3/ч | 60 000 |
| Температура пара, °С | 350.0 |
| Расход чистого кислорода, нм3/ч | 100 500 |
| Температура технического кислорода, °С | 250.0 |
| Состав технического кислорода, об. %: | |
| О2 | 98.00 |
| N2 | 1.50 |
| Ar | 0.50 |
| Температура угля, °С | 150.0 |
| Содержание в угле, мас. %: | |
| зола | 23.22 |
| сера | 2.12 |
| Остаточный уголь, % (от газифицированного) | 0.50 |
| Тепло на сторону, % (от тепла сгорания) | 0.19 |
| Степени приближения к равновесию реакций газификации, %: | |
| C + CO2 = 2CO | 100.000 |
| C + H2O = CO + H2 | 100.000 |
| CO + 3H2 = CH4 + H2O | 100.000 |
Таблица 3.
Состав и расход технического кислорода
| Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
|---|---|---|---|---|
| N2 | 1.500 | 1.314 | 1538.3 | 1922.9 |
| Ar | 0.500 | 0.625 | 512.7 | 914.0 |
| O2 | 98.000 | 98.061 | 100 500.0 | 143 507.4 |
| Итого | 100.000 | 100.000 | 102 551.0 | 146 344.3 |
Таблица 4.
Состав и расход парокислородной смеси (T* = 290.4°C; P = 30.00 ати)
| Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
|---|---|---|---|---|
| H2O | 36.911 | 24.788 | 60 000.0 | 48231.1 |
| N2 | 0.946 | 0.988 | 1538.3 | 1922.9 |
| Ar | 0.315 | 0.470 | 512.7 | 914.0 |
| O2 | 61.828 | 73.754 | 100 500.0 | 143 507.3 |
| Итого | 100.000 | 100.000 | 162 551.0 | 194 575.3 |
Таблица 5.
Основные показатели
| Показатель | Значе-ние |
|---|---|
| Температура газификации, °С | 1441.0 |
| Расход целевого продукта (CO + H2), нм3/ч | 314 879.2 |
| Эффективность по O2 + H2O, % | 98.093 |
| Удельный расход на 1 кг угля, нм3/кг | 1.6826 |
| Отношение CO:H2 | 4.6164 |
| Расход угля суммарный, кг/ч в том числе, %: | 187 137.5 |
| на сжигание* | 38.147 |
| на газификацию | 61.545 |
| остаточный уголь | 0.308 |
| Расход золы, кг/ч | 43 319.6 |
| Содержание золы в выходном газе: | |
| массовое, кг/кг | 0.128 |
| объемное, кг/нм3 | 0.135 |
| Тепло на сторону, ГДж/ч | 3.347 |
| Тепло сгорания угля, ГДж/ч | 1760.154 |
Таблица 6.
Состав и расход газа после газификации (T = 1441.0°C; P = 30.00 ати; V = 321 372.8 нм3/ч; соотношение пар : газ = 0.00191; Vсухой газ = 320 759.7 нм3/ч)
| Компонент | об. % | об. % (на сухой газ) | нм3/ч | кг/ч |
|---|---|---|---|---|
| H2O | 0.191 | 0.000 | 613.1 | 492.8 |
| CO | 80.533 | 80.688 | 258 815.0 | 323 501.4 |
| H2 | 17.445 | 17.478 | 56 064.2 | 5041.0 |
| CO2 | 0.245 | 0.245 | 785.9 | 1543.5 |
| CH4 | 0.087 | 0.087 | 279.2 | 199.9 |
| H2S | 0.860 | 0.862 | 2764.3 | 4203.7 |
| N2 | 0.479 | 0.480 | 1538.3 | 1922.9 |
| Ar | 0.160 | 0.160 | 512.8 | 914.0 |
| Итого | 100.000 | 100.000 | 321 372.8 | 337 819.2 |
Таблица 7.
Состав газа на выходе из системы охлаждения (квенч-системы*) установки (T = 220.0°C; P = = 30.00 ати; V = 807 796.2 нм3/ч; соотношение пар:газ = = 1.518; Vсухой газ = 320 759.7 нм3/ч)
| Компонент | об. % | об. % на сух. газ | нм3/ч | кг/ч |
|---|---|---|---|---|
| H2O | 60.292 | 0.000 | 487 036.5 | 391 552.6 |
| CO | 32.041 | 80.688 | 258 815.0 | 323 501.4 |
| H2 | 6.940 | 17.478 | 56 064.2 | 5041.0 |
| CO2 | 0.097 | 0.245 | 785.9 | 1543.5 |
| CH4 | 0.035 | 0.087 | 279.2 | 199.9 |
| H2S | 0.342 | 0.862 | 2764.3 | 4203.7 |
| N2 | 0.190 | 0.480 | 1538.3 | 1922.9 |
| Ar | 0.063 | 0.160 | 512.8 | 914.0 |
| Итого | 100.000 | 100.000 | 807 796.2 | 728 879.0 |
Таблица 8.
Расчетный расход и состав угля (T = 150.0°C; Gугля = 187 137.5 кг/ч)
| Компонент | мас. % | кг/ч | моль/ч |
|---|---|---|---|
| Зола | 23.220 | 43 453.3 | |
| Углерод | 74.660 | 139 716.9 | 11 632.41 |
| Сера | 2.120 | 3967.3 | 123.73 |
| Итого | 100.000 | 187 137.5 | 11 756.14 |
Таблица 9.
Расход и состав остаточного угля (T = 1441.0°C; Gост.угля = 575.9 кг/ч)
| Компонент | мас. % | кг/ч | к моль/ч |
|---|---|---|---|
| Зола | 23.220 | 133.7 | |
| Углерод | 74.660 | 429.9 | 35.80 |
| Сера | 2.120 | 12.2 | 0.38 |
| Итого | 100.000 | 575.8 | 36.18 |
Таблица 10.
Состав газовой смеси после стадии сжигания угля
| Компонент | об. % | мас. % | нм3/ч | кг/ч |
|---|---|---|---|---|
| H2O | 36.911 | 19.340 | 60 000.0 | 48 230.3 |
| CO2 | 61.177 | 78.310 | 99 442.2 | 195 294.7 |
| N2 | 0.946 | 0.771 | 1538.3 | 1922.9 |
| Ar | 0.315 | 0.367 | 512.8 | 914.0 |
| SO2 | 0.651 | 1.212 | 1057.7 | 3023.7 |
| Итого | 100.000 | 100.000 | 162 551.0 | 249 385.6 |
Таблица 11.
Равновесие реакций газификации в процессе парокислородной газификации антрацитового штыба
| Реакция | Закон дей- ствующих масс Z | Константа равнове- сия, KР | Z/KР · 100 |
|---|---|---|---|
| C + СO2 = 2CO | 7961.6239 | 7961.4978 | 100.002 |
| C + H2O = CO + H2 | 2210.7923 | 2210.9732 | 99.992 |
| CO + 3H2 = CH4 + H2O | 0.0000004 | 0.0000004 | 100.000 |
Таблица 12.
Влияние зольности антрацитового штыба (угольный бассейн “Восточный Донбасс”) на технологические показатели процесса его парокислородной газификации
| Показатель процесса на 1000 нм3(Н2 + СО) | Значение зольности ($A_{{{\text{макс}}}}^{p}$), % | |||
|---|---|---|---|---|
| 31.5 | 28.5 | 25.5 | 22.9 | |
| Расход угля, кг | 671.3 | 670.2 | 614.3 | 589.2 |
| Расход кислорода, нм3 | 321.4 | 320.8 | 320.2 | 319.7 |
| Расход пара, кг | 141.4 | 141.1 | 140.9 | 140.7 |
Таблица 13.
Закон действующих масс для реакций, протекающих в процессе газификации
| Реакция | Формула Z |
|---|---|
| C + СO2 = 2CO | $\frac{{P_{{{\text{CO}}}}^{2}}}{{{{P}_{{{\text{C}}{{{\text{O}}}_{2}}}}}}}$ |
| C + H2O = CO + H2 | $\frac{{{{P}_{{{\text{CO}}}}}{{P}_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}}}}{{{{P}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}}}$ |
| CO + 3H2 = CH4 + H2O | $\frac{{{{P}_{{{\text{C}}{{{\text{H}}}_{4}}}}}{{P}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}}}{{{{P}_{{{\text{CO}}}}}P_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}^{3}}}$ |
Особенностями антрацитового штыба как сырья для процесса газификации являются его высокая зольность и высокое содержание минеральных компонентов в антрацитовом штыбе, способное влиять на технологические показатели (удельный расход кислорода и органической части угля) получения 1000 нм3 смеси Н2 + СО.
Усредненное значение зольности для данного антрацитового штыба оценивается как 22.9% при максимальном ее значении 31.5% [8].
В табл. 12 приведены основные технологические показатели процесса газификации антрацитового штыба в зависимости от его зольности.
Таким образом, скорректированная модель расчета процесса парокислородной газификации антрацитового штыба с жидким шлакоудалением может быть использована для оценки точности решения системы уравнений материального и теплового баланса, химической стехиометрии и уравнений химического равновесия, которые описывают данный процесс.
Блок-схемы производства аммиака из различного углеродного сырья [3].
Список литературы
Сосна М.Х., Соколинский Ю.А., Худяков Д.С., Лапидус А.Л. // ХТТ. 2020. № 5. С. 19. [Solid Fuel Chemistry, 2020, vol. 54, no. 5, P. 269. https://doi.org/10.3103/S0361521920050092]https://doi.org/10.31857/S0023117720050096
URL: https://www.kommersant.ru/doc/4603818(дата обращения: 10.01.2022).
Max Appl. Modern production technologies: ammonia, methanol, hydrogen, carbon monoxide: a review. L.: Nitrogen, 1997. 140 p.
Терентьев Б.Д., Мухин С.Е. // ГИАБ. 2013. № 12. С. 36.
URL: https://www.nvgazeta.ru/news/12373/567797 (дата обращения: 25.04.2022).
URL: https://expertsouth.ru/news/rekonstruktsiya-shakht-dalnyaya-i-410-v-rostovskoy-oblasti-oboydetsya-v-15-mlrd-rubley(дата обращения: 25.04.2022).
URL: https://www.interfax-russia.ru/south-and-north- caucasus/news/donskoy-antracit-obedinil-v-edinuyu-set-gornye-vyrabotki-dvuh-shaht-v-rostovskoy-oblasti (дата обращения: 25.04.2022).
Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Кузнецова Н.В. М.: Энергия, 1973. 296 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химия твердого топлива
Пн.-пт.: 10.00-19.00