Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ИСЛАМОВ Сергей Романович
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БУРЫХ УГЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ ТЕРМОКОКС
Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Красноярск - 2010
Работа выполнена в Энерготехнологической компании Сибтермо
Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор ЖУРАВЛЕВ Валентин Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мунц Владимир Александрович доктор технических наук, профессор Дубровский Виталий Алексеевич доктор технических наук, профессор Заворин Александр Сергеевич
Ведущая организация: Институт теплофизики им.
С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск)
Защита диссертации состоится _____________ 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.099.07 при ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. УЛК 115.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета по адресу: г. Красноярск, ул. Киренского, 26, Г 274 и на сайте ВАК Министерства образования и науки РФ.
Автореферат разослан ________________ 2010 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Т.М. Чупак
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В рамках новой энергетической программы Правительство России поставило задачу к 2020 г. примерно в полтора раза увеличить долю угля в энергобалансе страны. В то же время в российской экономике удельный расход топлива на единицу продукции в несколько раз превышает аналогичный показатель ведущих стран мира. С января 2010 года вступил в силу Федеральный закон № 261-ФЗ Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности, с помощью которого предполагается изменить сложившуюся ситуацию. Для решения этой проблемы, кроме энергосбережения, необходимо внедрение принципиально новых экономически эффективных и экологически безопасных технологий использования природных энергоресурсов, что обуславливает актуальность данной работы.
Традиционные технологии использования угля существенно исчерпали свой потенциал. Значительная часть проблем промышленной и коммунальной угольной энергетики может быть успешно решена на основе энерготехнологической концепции ТЕРМОКОКС, которая является развитием классической схемы комбинированного производства энергоносителей. Она обеспечивает инновационный подход к комплексному решению задач малой и средней энергетики, а также других отраслей промышленности, использующих уголь. При использовании этой концепции радикально снижается воздействие на окружающую среду - единственным отходом при использовании угля становятся продукты сгорания газового топлива.
Применение технологий серии ТЕРМОКОКС имеет ярко выраженный межотраслевой характер. С одной стороны, они ориентированы на обеспечение дешевым газовым топливом и тепловой энергией промышленных потребителей и жилищно-коммунального сектора. С другой стороны, в этих процессах осуществляется трансформация низкосортного угля в новый вид специального технологического топлива - буроугольный кокс. Его использование имеет большие перспективы в металлургической, цементной и других отраслях промышленности, а также обладает высоким экспортным потенциалом.
Практическая реализация концепции ТЕРМОКОКС выводит КанскоАчинский буроугольный бассейн на уровень стратегического сырьевого ресурса российской экономики, на базе которого может быть построена теплоэнергетика и металлургия нового поколения.
Тематика данной работы входит в Перечень критических технологий РФ, утвержденный Президентом РФ 21.05.2006.
Объектами исследований являются теплоэнергетические системы для комплексной переработки угля.
Предметом исследования являются технологические процессы комбинированного производства из угля газовых и твердых продуктов, а также тепловой энергии.
Цель работы - качественное повышение энергетической и экологической эффективности использования бурых углей на основе концепции ТЕРМОКОКС.
Основные задачи исследований:
1. На основе анализа известных способов термической переработки угля и новых требований к энергетической эффективности технологических процессов разработать современную концепцию малоотходного использования бурых углей.
2. На основе экспериментальных и численных исследований влияния основных управляющих параметров на процесс термической обработки крупных частиц бурого угля разработать методы и средства реализации концепции ТЕРМОКОКС, обеспечивающие радикальное повышение экономической эффективности и уровня экологической безопасности теплоэнергетических систем различного назначения.
3. Обосновать экономическую и экологическую эффективность энерготехнологической концепции использования угля. Определить экономически целесообразные параметры термической переработки угля для каждой из разработанных технологий.
4. На основе обобщения результатов опытно-промышленной эксплуатации разработать рекомендации по использованию новых технологий в экономике страны.
Методы исследований.
В работе использованы экспериментальные методы исследований на лабораторных, стендовых и опытно-промышленных установках, а также численное исследование основных кинетических процессов в угольных частицах на основе математического моделирования.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Предложена и научно обоснована новая концепция энерготехнологического использования низкосортных углей, отличающаяся высоким уровнем экономической эффективности и экологической безопасности.
2. На основе результатов исследования влияния основных управляющих параметров на процесс термической переработки крупных частиц угля в рамках концепции ТЕРМОКОКС разработан и научно обоснован новый класс технологий комбинированного производства энергоносителей различного назначения.
3. Для каждой технологии определена область режимных параметров, обеспечивающих достижение оптимальных технико-экономических показателей.
Практическая значимость и использование результатов работы:
1. В рамках концепции ТЕРМОКОКС на основе выполненных исследований разработана серия принципиально новых теплоэнергетических технологий, а также соответствующее оборудование для их осуществления. Они существенно изменяют экономическую эффективность использования угля, а также практически до предела снижают воздействие на окружающую среду (отсутствие золошлаковых отходов, единственный выброс - продукты сгорания газового топлива). Концепция ТЕРМОКОКС обеспечивает базис для создания высокоэффективной теплоэнергетики на газовой компоненте угля и металлургии нового поколения, основанной на дешевом высокореакционном восстановителе - буроугольном коксе.
2. На основе результатов исследований для каждой технологии серии ТЕРМОКОКС разработаны соответствующие проектно-конструкторские методики расчетов и технологические регламенты, которые используются проектноконструкторскими организациями (ВНИПИЭТ, НИ - ПО Бийскэнергомаш и др.).
3. С 1996 года в г. Красноярске эксплуатируется завод по производству углеродных сорбентов и газа энергетического назначения - технология ТЕРМОКОКС-С.
4. С 2007 года на котельной Березовского разреза (ОАО СУЭК) эксплуатируется котел КВТС-20, модернизированный под производство мелкозернистого буроугольного кокса при сохранении паспортной тепловой мощности - технология ТЕРМОКОКС-КС.
5. С 2008 года в Монголии эксплуатируется демонстрационный блок по производству буроугольного кокса и газа энергетического назначения для фабрики бездымных брикетов - технология ТЕРМОКОКС-С.
В 2010 г по итогам международного тендера заключен государственный контракт с правительством Монголии Модернизация ТЭЦ-2 в г. Улан-Баторе по технологии ТЕРМОКОКС-КС с целью производства 210 тыс. т/год бездымного бытового топлива.
6. В 2010 году начато проектирование котельной в г. Ужур (Красноярский край) по технологии ТЕРМОКОКС-С с производством буроугольного кокса (в форме активированного угля) и попутного газа энергетического назначения.
Сдача в эксплуатацию - II кв. 2011 года, заказчик - министерство ЖКХ Красноярского края.
7. В 2010 году начато проектирование котельной (4 котла КЕ-10) в пос.
Шушенское (Красноярский край) по технологии ТЕРМОКОКС-КС с производством брикетированного буроугольного кокса и тепловой энергии. Сдача в эксплуатацию - III кв. 2011 года, финансирование - из бюджета Красноярского края.
8. В 2010 году по заказу ОАО СУЭК начато проектирование энерготехнологического комплекса на базе котла мощностью 100 Гкал/час на ТЭЦ-г. Красноярска с параллельным производством 120 тыс. т/год кокса (технология ТЕРМОКОКС-КС).
Положения, выносимые на защиту:
1. Энерготехнологическая концепция ТЕРМОКОКС, обеспечивающая качественное повышение экономической и экологической эффективности использования углей низкой степени метаморфизма, в первую очередь бурых углей Канско-Ачинского бассейна, как инновационная технологическая платформа для создания энергетики и металлургии нового поколения, включающая в себя: а) экологически безопасную теплоэнергетику на основе сжигания газовой компоненты угля; б) производство высокореакционного углеродного восстановителя из низкосортных углей в качестве альтернативы классическому коксу, производимому из дорогостоящих коксующихся углей.
2. Результаты экспериментальных исследований и численного моделирования термической обработки крупных частиц бурого угля, как основа для создания нового класса технологий комбинированного использования угля в рамках концепции ТЕРМОКОКС.
3. Результаты исследования процесса слоевой газификации угля на воздушном дутье с обратной тепловой волной и разработанная на их основе технология ТЕРМОКОКС-С, ее аппаратурное оформление и варианты исполнения:
производство генераторного газа, не содержащего смолы; безотходное производство углеродных сорбентов или среднетемпературного кокса с попутным производством горючего газа энергетического назначения.
4. Результаты исследования процесса частичной газификации угля в кипящем слое на воздушном дутье и разработанная на их основе технология ТЕРМОКОКС-КС, ее аппаратурное оформление в виде модернизированного типового котельного агрегата.
5. Технология ТЕРМОКОКС-О2 (частичная газификация угля в слое на кислородном дутье с обратной тепловой волной), ее аппаратурное оформление и технико-экономическое обоснование сферы применения.
ичный вклад автора заключается в постановке проблемы и формулировании задач исследований, в разработке энерготехнологической концепции использования угля ТЕРМОКОКС, в обосновании всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость выполненных технологических разработок, в постановке экспериментов с последующим анализом и обобщением результатов, в формулировании выводов и рекомендаций для промышленного использования результатов исследований. Под руководством автора, а также при его непосредственном участии были спроектированы и построены все лабораторные, стендовые и опытно-промышленные установки, описанные в настоящей работе.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Степанову С.Г. за многолетнее сотрудничество в развитии данного научного направления и промышленного использования результатов исследований, а также научным сотрудникам Гикалову С.Н., Логинову Д.Н. и Михалеву И.О., принимавшим непосредственное участие в строительстве и вводе в эксплуатацию лабораторных, пилотных и опытно-промышленных установок, а также в выполнении экспериментов на них.
Автор также благодарит д.ф.-м.н. Журавлева В.М. за помощь в работе над диссертацией.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием апробированных методик проведения исследований в области тепло- и массопереноса, надлежащим образом поверенных средств измерения и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Обоснованность результатов работы в целом подтверждается техникоэкономическими и экологическими показателями действующих опытнопромышленных и промышленных установок.
Апробация результатов работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Всесоюзная конференция Современные процессы переработки и физико-химические методы исследования угля, нефти и продуктов их превращения (Иркутск, 1982); ежегодные научно-технические совещания по программе Энергия (Ленинград, 1982-1989); V Всесоюзное совещание по химии и технологии твердого топлива (Москва, 1988); Международный семинар Проблемы тепло- и массообмена в современных технологиях сжигания и газификации твердого топлива (Минск, 1988); Всесоюзная научноЦпрактическая конференция Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и нефтехимических продуктов из угля (Донецк, 1989); Всесоюзный симпозиум Проблемы газификации углей (Красноярск, 1991); Международная научноЦпрактическая конференция Переработка углей Канско-Ачинского бассейна в жидкие продукты (Красноярск, 1996); Международный форум Инновационные технологии XXI века для рационального природопользования, экологии и устойчивого развития (Москва, 2004); V Всероссийская научноЦпрактическая конференция Энергоэффективность: достижения и перспективы (Красноярск, 2004); Научно-техническая конференция России и стран СНГ Перспективы развития углехимии и химии углеродных материалов в XXI веке (Звенигород, 2005); 8-ом Всероссийском семинаре Моделирование неравновесных систем (Красноярск, 2005).
Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научноЦпрактической конференции Угольная энергетика: проблемы реабилитации и развития (Алушта, 2004, 2006); IV Международной научно-технической конференции Достижения и перспективы развития энергетики Сибири (Красноярск, 2005); IV Всероссийской научнопрактической конференции Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города (Красноярск, 2005); VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива (Новосибирск, 2006); Всероссийской конференции Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых (С-Петербург, 2006);
III Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы энергетики (г. Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-практической конференции Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов (Новокузнецк, 2007); Международной научно-технической конференции Энергоэффективность (Киев, 2007); III Международном форуме по металлургическому сырью ICSF (Москва, 2007); Евразийском энергетическом форуме (Пекин, 2007); IV Международной научно-практической конференции Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении (Москва, 2008); Международном форуме Уголь СНГ (Москва, 2009); VI Всероссийском теплофизическом семинаре вузов по теплофизике и энергетике (г. Красноярск, 2009 г.), VI ежегодном Международном саммите Eurocoke-2010 (Лиссабон, 2010); Международном энергетическом конгрессе (г. Красноярск, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 научных работ, в том числе: 1 авторская монография, 1 коллективная монография, 22 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, более 50 статей и докладов в центральных периодических журналах, сборниках научных трудов всероссийских и международных конференций, кроме того - 23 патента РФ и зарубежных стран.
Объём и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 254 страницах основного текста, включающего 45 рисунков и 14 таблиц. Работа состоит из введения, семи разделов с выводами, заключения, списка использованных источников из 212 наименований, а также 6 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость результатов, а также изложено краткое содержание работы по разделам.
В первом разделе сформулированы проблемы, препятствующие широкому вовлечению в топливно-энергетический баланс страны низкосортных углей. В частности, самые дешевые низкозольные бурые угли Канско-Ачинского бассейна (КАБ) имеют территориально ограниченную сферу применения из-за высокой влажности (30-40%) и сравнительно низкой теплоты сгорания (14,5-16,МДж/кг). Выполнен обзор существующих технологий термической переработки низкосортных углей, а также сравнительный анализ их преимуществ и недостатков в приложении к решению задачи повышения энергоэффективности использования углей КАБ. Наиболее крупным достижением отечественной науки в этой области является технология ОАО ЭНИН, реализованная в 1987 г.
на уровне опытно-промышленной установки ЭТХ-175 (175 т/час по углю). К сожалению, она не смогла удовлетворить требованиям своего времени к надежности, экономической эффективности и экологической безопасности и, тем более, не имеет перспектив в современных условиях. Наиболее эффективной зарубежной разработкой является технология Salem Corporation, реализованная на уровне промышленной установки мощностью 105 тыс. т/год в Германии (1976 г., 2 шт.) и Канаде (1980 г., 1 шт.). Это направление не получило дальнейшего развития из-за сложности и низкой надежности аппаратурного оформления. В обзоре показано, что известные технологии не в состоянии удовлетворить современным требованиям к экономической и особенно экологической эффективности. Существенно осложняющим фактором большинства технологий является попутное образование конденсируемых продуктов пиролиза (буроугольной смолы и подсмольных вод), что требует дополнительных инвестиций в объекты природоохранного назначения. Буроугольный полукокс (продукт низкотемпературного пиролиза), произведенный по известным технологиям, несмотря на относительно высокую калорийность, не в состоянии конкурировать с теми марками угля, которые традиционно представлены на энергетическом рынке, прежде всего, из-за довольно высокой для энергетического топлива себестоимости. А мелкий фракционный состав осложняет проблему дальней транспортировки. Брикетирование такого продукта с целью поставки на энергетический рынок также не изменяет ситуацию, поскольку брикет попадает в один сегмент рынка с более дешевым сортовым углем. Таким образом, искомое решение не может быть найдено в классе известных технологий переработки угля с ориентацией продукции на энергетический рынок.
Второй раздел посвящен разработке нового подхода к использованию углей низкой степени метаморфизма, т.е. с высокой влажностью и высоким выходом летучих веществ. К этому классу относятся бурые, длиннопламенные и газовые угли. Выполнена постановка задачи и предложено ее обобщенное решение в виде энерготехнологической концепции ТЕРМОКОКС (см. рис. 1), которая основана на следующем положении: как с экономической, так и с экологической точки зрения, вместо прямого сжигания молодые угли с высоким выходом летучих веществ целесообразно разделять на два продукта - газовое топливо и коксовый остаток.
Рисунок 1 - Принципиальная схема концепции ТЕРМОКОКС Газ предлагается использовать в качестве экологически безопасного энергетического топлива, а твердый продукт - как специализированное топливо, высокореакционный углеродный восстановитель для металлургии, а также как углеродный сорбент. Таким образом, устраняется тривиальная конкуренция углей КАБ с другими марками углей на энергетическом рынке. Для производства энергии используется только газовая компонента угля, а твердый продукт трансформации первичного энергоносителя выводится на рынок специальных видов топлива и металлургического сырья, где цена за 1 т.у.т. на порядок выше, чем на энергетическом рынке.
Для эффективного использования всех преимуществ концепции ТЕРМОКОКС на уровне малой и средней энергетики предложена новая схема территориально распределенной энергосистемы - энерготехнологический кластер. Использование бурых углей КАБ по технологиям серии ТЕРМОКОКС обеспечивает качественное увеличение экономической эффективности и близкий к предельному уровень экологической эффективности для данного класса сырья.
Новые технологии открывают широкую перспективу для вовлечения в топливно-энергетический баланс страны дешевых углей КАБ и переводят это месторождение на уровень стратегического ресурса страны, на базе которого может быть построена энергетика и металлургия нового поколения.
Третий раздел посвящен исследованию поведения угольных частиц в технологических процессах серии ТЕРМОКОКС. Показано, что физической основой всех автотермических технологий газификации и карбонизации угля является тепловая волна. Выполнен обзор исследований по распространению тепловых волн в активных средах различной природы - в гомогенных газовых смесях и гетерогенных системах. Особое внимание уделено специфике формирования и развития тепловых волн в процессах газификации угля, поскольку именно в пределах волны осуществляется полный цикл физико-химических превращений угольных частиц с образованием целевых газообразных и твердых продуктов.
Далее представлены методики исследования и полученные на их основе результаты по термической обработке крупных частиц бурого угля. Эксперименты были выполнены на бурых углях КАБ. Однако полученные закономерности являются общими и для других углей низкой степени метаморфизма (с высокой влажностью и высоким выходом летучих веществ). Традиционно исследования в этой области выполняются с использованием микрообразцов. Однако измеряемые в промышленных аппаратах параметры процесса являются величинами, усредненными по достаточно крупным кластерам частиц. Поэтому отличительной чертой данных исследований стало использование сравнительно крупных навесок частиц (от 2 до 15 г).
В качестве первого этапа исследований был выполнен дифференциальнотермический анализ крупных навесок бурого угля, отображающий интегральное поведение угольных частиц в промышленном реакторе (см. рис. 2). Убедительно показано, что при термической переработке углей КАБ основополагающую роль играет эндотермический эффект испарения влаги, а тепловой эффект пиролиза пренебрежимо мал. Из термограмм нагрева толстых пластин угля (толщина 30 мм) видно (см. рис. 3), что температура поверхности частицы достаточно быстро достигает температуры греющей среды, и последующее развитие процессов тепломассообмена происходит в режиме внутренней задачи. При этом наблюдается значительный градиент температуры по толщине пластины, на основании чего можно сделать вывод, что состав газовой смеси, выходящей через наружную поверхность частицы, является осредненным по разным стадиям сушки-пиролиза. В то время как в приповерхностных слоях частицы завершается выход летучих веществ, в ее глубине еще идет выделение влаги.
10864уголь кокс 2разность Т, мин 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Рисунок 2 - Дифференциально-термический анализ березовского бурого угля (Wt =28%) угольной частице при температуре греющей среды 800оС 9876543210 1020304050 мин Рисунок 3 - Динамика температурного поля в угольной частице при температуре греющей среды 800оС Температура, С Температура, С В связи с этим для крупных частиц данные об интегральной потере массы и химическом составе выделяющихся газов не позволяют однозначно дифференцировать стадии сушки и пиролиза. В то же время в практике термической переработки низкосортных углей (бурые и длиннопламенные), имеющих высокую влажность (20-40%), исходное сырье, как правило, не подвергается предварительной сушке. Удаление влаги и летучих веществ осуществляется в пределах одностадийного технологического процесса. При таком подходе дифференциация индивидуальных кинетических процессов выхода летучих веществ и удаления влаги имеет второстепенное значение. Для того чтобы контролировать суммарный процесс, достаточно в любой момент времени иметь информацию об изменении общей массы угольной частицы (см. рис. 4). В связи с этим в дальнейшем предлагается рассматривать суммарный брутто-процесс сушкипиролиза, который описывается единым уравнением кинетики. Такое решение вполне оправдано для целей моделирования и расчета промышленных реакторов.
1, 600С N 700С 1, 800С 1000С 0,0,0,0, мин 0 10 20 30 40 50 Рисунок 4 - Динамика потери относительной безразмерной массы угольной частицы толщиной 30 мм при постоянной температуре греющей среды Гравиметрические исследования процесса термообработки узких фракций бурого угля Бородинского месторождения (Vdaf =47-48%, Wt =28-30%) в инертной атмосфере при температурах от 600 до 900 оС привели к следующим выводам.
Частицы размером менее 6 мм могут считаться термически тонкими, поскольку в этом случае динамика потери массы навески не зависит от размера частиц.
Увеличение размера частиц свыше 6 мм приводит к ощутимому замедлению потери массы. Основным фактором, от которого зависит динамика процесса, является температура греющей среды. Качественное различие динамики потери массы при разных температурах сводится главным образом к изменению углоОтносительная безразмерная масса вого коэффициента кинетической кривой. Причем, как и в случае пиролиза толстых угольных пластин (см. рис. 4) сохраняется примерное постоянство углового расстояния между графиками, построенными для температур 600, 700, 800 и 900оС.
С целью обобщения результатов экспериментальных исследований и углубления понимания механизма термической обработки угольных частиц была разработана математическая модель двухстороннего нагрева одиночной частицы в форме плоской пластины, дополненная уравнением формальной кинетики суммарной потери массы влаги и летучих веществ. Для большей общности получаемых результатов и уменьшения числа параметров представим ее в безразмерном виде:
2 N ;
= - H (Ndry )Z Fo X Fo N F .
= - exp - e(N) Fo Краевые условия:
Fo = 0 : (X ) = 0; N(X ) = 1.
:
Fopyr > Fo > = 0; = Bi(1- |X =1).
X X X =O X =Здесь приняты следующие обозначения величин:
e(N > 0) = 1, e(N 0) = 0;
S - SF ; x ; aS L T - TE ; ; ; ;
Fo = Bi = N = X = = F = Tc - T0 S 0 - SF L L2 S R(Tc - T0 ) k0L2 ;
q (S 0 - SF ) ; - безразмерная продолжительFopyr = Fo = Z = N =0,aS (c)S (Tc -T0) ность удаления суммарных летучих веществ; - обобщенная функция H (Ndry ) Хэвисайда, определяющая границу действия теплового эффекта испарения влаги.
В численных расчетах использовались теплофизические свойства угля, полученные на основе обработки собственных экспериментальных данных. Уравнение формальной кинетики нулевого порядка с параметрами k0 = 0,2, 1/c; E = 25000, Дж/моль описывает потерю массы при нагреве термически тонких частиц бородинского угля с достоверностью аппроксимации не менее 0,95.
На рисунке 5 представлена корреляция экспериментальных и рассчитанных на модели данных по продолжительности суммарной стадии сушки-пиролиза угольных частиц в интервале размеров от 2,5 до 12,5 мм для температур 700, 800 и 900оС. Коэффициент корреляции данных равен 0,94.
Полученные в этом разделе экспериментальные и численные результаты по термической обработке частиц бурого угля в дальнейшем использованы в качестве основы для разработки нового класса технологий серии ТЕРМОКОКС.
4321700 С 800 С 900 С 0 100 200 300 4эксперимент, сек Рисунок 5 - Корреляция расчетных и экспериментальных данных продолжительности сушки-пиролиза угольных частиц размером от 2,5 до 12,5 мм Четвертый раздел посвящен исследованию технологии частичной газификации углей (окислительной карбонизации) в слоевых аппаратах с использованием обращенного дутья (схема с обратной тепловой волной) - ТЕРМОКОКСС. Она имеет принципиально важные отличия от классической слоевой технологии: 1) получаемый газ не содержит продуктов пиролиза (прежде всего конденсируемых смолистых веществ); 2) путем изменения управляющих параметров обеспечивается возможность осуществления как полной, так и частичной газификации угля (окислительной карбонизации).
Трансформация угля в комбинированном производстве на основе технологии ТЕРМОКОКС-С осуществляется по следующей термокинетической схеме:
Здесь: У - уголь; W - влага; V - летучие компоненты; К - коксовый остаток; С - углерод; air - воздух.
Эта технология впервые была реализована в опытно-промышленном исполнении под руководством автора еще в 1996 году (патенты РФ №№ 2014882, 2014883). Однако до сих пор оставался не раскрытым физико-химический мерасчет по модели, сек ханизм распространения обратной тепловой волны в слоевой системе лугольные частицы - фильтрующийся газовый окислитель. В экспериментах с бурым углем доказано, что скорость тепловой волны с температурой во фронте около 780оС в монолитном образце не превышает 3 см/ч, а в слоевых газификаторах с зернистой засыпкой угля, продуваемой встречным потоком холодного воздуха, она находится в интервале 10-40 см/ч, т.е. на порядок выше. Причем скорость волны существенным образом зависит от концентрации кислорода в дутье и может достигать 1 м/ч при использовании чистого кислорода.
В известных работах по математическому моделированию процесса слоевой газификации, как правило, используется одномерное приближение сплошной среды с эффективным коэффициентом теплопроводности дисперсной фазы, который выполняет роль формального подстроечного параметра модели. При этом физический механизм теплопередачи, обеспечивающий продвижение тепловой волны по слою угля, остается закрытым.
На рисунке 6 представлена фотография зогенераторный газ ны физико-химических превращений при газификации бурого угля с размером частиц 3-5 мм. Тепловая волна движется навстречу потоку холодного воздушного дутья. Скорость ее продвижения контролируется скоростью поступления горючих веществ в газовый поток, фильтрующийся между частицами (при условии достаточной для горения концентрации кислорода в этом потоке). А процесс выделения летучих веществ, в свою очередь, лимитируется темпом прогрева угольных частиц. В силу преобладания радиационного механизма передачи тепла по слою угля зона подогрева угольных частиц определяется глубиной проникновения лучистого потока и имеет толщину порядка калибра частиц. От раскаленных частиц во фронте тепловой волны радиационный поток направляется на оптически доступную поверхность противолежащих холодных частиц. Таким образом, они нагреваются воздушное дутье только с одной стороны, с которой и начинается выход летучих веществ и последуюРисунок 6 - Газификация угля в обратной тепловой волне щее их воспламенение (стадия II на рис.7).
Горение летучих веществ развивается в диффузионном режиме в тонком приповерхностном слое (горящий погранслой). Через какое-то время горение летучих веществ охватывает всю поверхность частицы, но ее ядро еще остается сравнительно холодным. И постепенно Рисунок 7 - Стадии механизма теплопередачи в слое крупных частиц угля тыльная сторона рассматриваемой частицы начинает излучать тепло на нижележащие частицы, инициируя зажигание летучих веществ на их фронтальной поверхности (стадия III). Из-за низкой эффективной теплопроводности радиальный градиент температуры в приповерхностном слое частицы быстро падает. Это приводит к тому, что процесс прогрева и соответственно пиролиза распространяется с большей скоростью по приповерхностному слою, чем вглубь частицы. Таким образом, при слоевой газификации с обращенным дутьем определяющим механизмом в процессе теплопередачи по слою угля является радиационный теплообмен между частицами, обусловленный поверхностным горением летучих веществ и углерода. Он объясняет кажущийся парадокс, который заключается в том, что при газификации с обращенным дутьем тепловая волна распространяется по продуваемому слою угля навстречу холодному газовому потоку с гораздо большей скоростью, чем это допускает коэффициент молекулярной теплопроводности угля.
В экспериментах описанный механизм теплопередачи косвенно подтверждается тем, что при высоких скоростях тепловой волны продуктовый газ оказывается забалластированным смолистыми веществами, которые выходят из частиц угля после прохождения тепловой волны. Этот эффект усугубляется при карбонизации каменных углей, которые имеют более замедленную кинетику выхода летучих веществ. Поэтому пиролиз частиц угля продолжается далеко позади фронта тепловой волны, а омывающий их газовый поток уже не содержит свободного кислорода, необходимого для сгорания летучих веществ.
Для исследования процесса слоевой газификации угля с обращенным воздушным дутьем был изготовлен экспериментальный реактор периодического действия (см. рис. 8) диаметром 300 и высотой 1400 мм. Разовая загрузка угля составляла примерно 55 кг бурого угля или около 65 кг каменного угля. Химический состав осушенного газа измерялся газоанализатором ГАММА-100. По высоте засыпки угля размещены 7 защищенных хромель-алюмелевых термопар ТХА 9425 с показателем тепловой инерции 3 с. В описанных ниже экспериментах в качестве сырья использовался бурый уголь Бородинского месторождения.
Для оценки влияния размера частиц угля на исследуемые показатели использовались узкие фракции 1-3, 3-5 и 5-8 мм, а также расширенная фракция 3-10 мм с равномерным распределением размеров частиц. Исследованный диапазон расходов воздуха от 0,02 до 0,13 м3/(м2с) охватывает область режимов от частичной до полной газификации угля. Степень конверсии угля однозначно определяется расходом окислителя.
Рисунок 8 - Принципиальная схема экспериментального стенда В экспериментах измерялись и рассчитывались следующие характеристики процесса газификации:
- скорость перемещения фронта термохимических превращений по слою засыпки (скорость тепловой волны);
- скорость потери массы угля;
- удельный выход, химический состав и калорийность получаемого газа;
- выход твёрдого продукта (в процентах от массы исходного угля) и его теплота сгорания;
- максимальная температура во фронте тепловой волны.
Скорость процесса газификации определялась по суммарной потере массы твердой фазы и по выходу газообразного продукта.
Как следует из рисунка 9, скорость процесса газификации бурого угля линейно возрастает с расходом воздуха и практически не зависит от размера частиц. Только в области высоких расходов наблюдается очень незначительное снижение скорости для крупных частиц. Одновременно со скоростью газификации увеличивается и скорость движения тепловой волны по слою угля (см.
рис. 10). Это - вполне ожидаемый результат, поскольку увеличение выхода 0,0,0,0, 1-3 мм 0, 3-5 мм 5-8 мм 0, 3-10 мм 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,Удельный расход воздуха, м3/(м2с) Рисунок 9 - Зависимость скорости процесса газификации от расхода воздуха 1-3 мм 3-5 мм 10 5-8 мм 3-10 мм Карбоника-Ф 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,Удельный расход воздуха, м3/(м2с) Рисунок 10 - Зависимость скорости движения тепловой волны от расхода воздуха и размера частиц горючих веществ приводит к возрастанию максимальной температуры во фронте тепловой волны (см. рис. 11) и соответственно к увеличению ее скорости.
Однако здесь проявляется заметное влияние размера частиц. Так в области высоких расходов дутья скорость волны для фракции 1-3 мм примерно на 40% больше, чем для фракции 5-8 мм. Это - очень важный вывод для практических приложений. Интересно отметить, что при сохранении среднего размера частиц Скорость потери массы, кг/(м с) Скорость тепловой волны, см/час 10987 1-3 мм 3-5 мм 6 5-8 мм 3-10 мм 5П 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,Удельный расход воздуха, м3/(м2с) Рисунок 11 - Зависимость температуры во фронте тепловой волны от расхода воздуха (6,5 мм) расширение диапазона фракции с 5-8 мм до 3-10 мм несколько увеличивает скорость волны. Этот эффект можно тоже отнести на счет повышенной температуры во фронте. Влияние размера частиц на рассматриваемый показатель не противоречит слабой зависимости скорости потери массы от фракционного состава сырья, поскольку с увеличением скорости волны для мелких частиц снижается степень конверсии угля, т.е. возрастает выход твёрдого остатка.
Рисунок 12 - Зависимость выхода твёрдого остатка и сырого газа от расхода воздуха о Температура фронта волны, С Из представленных на рисунке 12 данных следует, что при низких расходах дутьевого воздуха происходит частичная газификация угля с максимальным выходом твёрдого остатка. Такой режим представляет интерес для целевого получения твердого продукта (среднетемпературного кокса). Удельный выход газа при этом минимален, а его калорийность довольно низкая (см. рис. 13), т.е.
он является побочным продуктом. При больших расходах воздуха достигается максимум удельного выхода газа (см. рис. 12) и его калорийности (см. рис. 13), а выход твердого остатка снижается до минимума и он представляет собой зольный остаток с небольшим количеством остаточного углерода.
3,2, 1-3 мм 3-5 мм 5-8 мм 1, 3-10 мм 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,Удельный расход воздуха, м3/(м2с) Рисунок 13 - Зависимость теплоты сгорания сырого газа от расхода воздуха Таким образом, в исследованном диапазоне удельных расходов дутьевого воздуха возможна реализация двух экономически целесообразных режимов (см.
рис. 14):
1. окислительная карбонизация: производство среднетемпературного кокса в интервале расходов воздуха 0,020,05 м3/(м2с);
2. газификация угля: производство низкокалорийного генераторного газа в интервале расходов воздуха 0,100,13 м3/(м2с).
Исходя из представленных выше результатов влияния размеров частиц на интенсивность и производительность процесса, для производства газа следует использовать мелкофракционный уголь. При окислительной карбонизации показатели процесса практически не зависят от фракционного состава исходного угля. В промежуточной области твёрдый остаток и горючий газ производятся в соизмеримых количествах. Однако и физико-химические характеристики, и удельные выходы обоих продуктов сравнительно невысоки, поэтому эта область режимов не представляет практического интереса. При дальнейшем увеличении расхода воздуха свыше 0,13 м3/(м2с) процесс газификации постепенно Тепллота сгорания газа, МДж / м трансформируется в процесс горения угля: монотонно возрастает содержание CO2 и H2O в газе и понижается его теплота сгорания.
Рисунок 14 - Диаграмма режимов переработки бурого угля в слоевом процессе с обратной тепловой волной Технология ТЕРМОКОКС-С рекомендуется для переработки твердых топлив низкой степени метаморфизма (торфа, бурого и длиннопламенного угля) в газовое топливо энергетического назначения, для производства углеродных сорбентов из бурого угля с получением попутного газа, для переработки длиннопламенного угля в кокс металлургического назначения с получением попутного газа.
Пятый раздел посвящен исследованию технологии частичной газификации углей (окислительной карбонизации) с использованием техники кипящего слоя.
Трансформация угля в комбинированном производстве на основе технологии ТЕРМОКОКС-КС осуществляется по следующей термокинетической схеме:
где: У - уголь; W - влага; V - летучие компоненты; К - коксовый остаток; С - углерод; air I и air II - соответственно первичное и вторичное воздушное дутье.
Для исследования частичной газификации угля в кипящем слое была сооружена стендовая установка производительностью до 200 кг/час по углю (см.
рис. 15). Она представляет собой вертикальную шахту прямоугольного сечения.
Зона кипящего слоя футерована шамотным кирпичом и имеет размеры в плане 520 55 мм. Для измерения температурного поля в объеме слоя размещено 5 хромель-алюмелевых термопар. Загрузка угля осуществляется питателем с регулируемым расходом с одной стороны ванны кипящего слоя, а вывод твердого продукта - с противоположной стороны. Газообразные продукты и пылевой унос дожигаются в верхней части шахты. Сжатый воздух подается через решетку колпачкового типа с высоким сопротивлением, что обеспечивает равномерное распределение дутья по горизонтальному сечению слоя. На стенде Рисунок 15 - Схема экспериментальной установки для термической переработки угля в кипящем слое в широком диапазоне изменения режимных параметров выполнено исследование процесса окислительной карбонизации бурого угля Березовского месторождения - характерного представителя углей Канско-Ачинского бассейна.
На первом этапе были выполнены поисковые работы на узких фракциях (монофракции) с размером частиц 3-5, 5-8, 8-10, 10-15 мм. Главная цель заключалась в определении условий максимального выхода кокса приемлемого качества при разных расходах реагентов и температурах обработки, а также оценка влияния размера частиц на основные показатели процесса. Конечный продукт анализировался на зольность и остаточное содержание летучих веществ. Пробы отбирались в емкость, продуваемую аргоном, и находились в ней до полного охлаждения. Определяющие показатели процесса переработки угля зависят главным образом от температуры в основной, достаточно однородной зоне кипящего слоя, которая формируется сразу после участка загрузки угля. Температура практически не зависит от фракционного состава угля, а однозначно определяется соотношением расходов угля и воздуха (Gвозд/Gугля, м3/кг). На рисунке 16 представлена сводная зависимость температуры кипящего слоя, полученная в экспериментах на узких фракциях угля, а также на трех расширенных фракциях (полифракции): 3-10 мм, 5-15мм, 0-15мм.
Основной вывод из результатов, полученных в экспериментах с узкими фракциями, заключается в том, что определяющий вклад в формирование показателей процесса переработки полифракционного угля вносят частицы размером 2-7 мм. Более мелкие частицы выносятся из слоя и не попадают в состав продуктового кокса. А более крупные частицы подвергаются термодроблению, 98765430,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,Отношение расходов воздуха и угля, м3/кг Рисунок 16 - Зависимость температуры кипящего слоя от соотношения расходов воздуха и угля (монофракции, полифракции) в результате которого пополняется основная фракция, а также мелкодисперсный унос. Таким образом, даже при использовании самых крупных фракций угля, например, 10-15 мм, на выходе из аппарата получается кокс с размером частиц не крупнее 5-7 мм. Мелкодисперсные частицы, которые образуются в результате термодробления или изначально присутствуют в широкой полидисперсной фракции угля, выносятся из кипящего слоя и дожигаются в зоне подачи вторичного дутья. Кроме того, часть кокса расходуется на гетерогенное реагирование с кислородом воздуха (горение), а также с CO2 и Н2О (частичная газификация).
На рисунке 17 обобщены экспериментальные данные, полученные при переработке фракции 0-15 мм. На основании их анализа для промышленного технологического регламента был рекомендован режим переработки бурого угля в Температура кипящего слоя, С интервале температур 700-800оС, в пределах которого обеспечивается двухпараметрический оптимум: зольность на уровне 10%, остаточное содержание летучих веществ в пределах 8-10%, а также приемлемый из экономических соображений выход коксового продукта - около 30%.
Как показали исследования бурых углей других месторождений (уголь 2Б Бородинского месторождения и уголь 3Б Верхнесырского месторождения в Красноярском крае, уголь 2Б Багануурского месторождения в Монголии) все закономерности частичной газификации в кипящем слое, полученные на примере березовского бурого угля, сохраняются.
При работе с обогащаемыми углями была выявлена возможность совмещения в одном аппарате двух технологических процессов - окислительной карбонизации и обогащения. Так, например, в результате переработки бурого угля зольность % выход летучих выход кокса 500 600 700 8Температура кипящего слоя, С Рисунок 17 - Сводная зависимость качества и выхода кокса от температуры слоя для полифракции 0-15 мм (разные расходы угля и воздуха) Багануурского месторождения (Монголия) с исходной зольностью Ad =12,6% за счет аэродинамической сепарации и последующего вывода из кипящего слоя пустой породы был получен среднетемпературный кокс практически с такой же зольностью. Он имел теплоту сгорания около 28 МДж/кг против 13,7 МДж/кг у исходного угля. Аналогичные результаты были получены и при переработке в кипящем слое угля марки Д Черногорского месторождения (Хакасия) с исходной зольностью около 19%. В этом случае полученный кокс имел зольность даже ниже, чем исходный уголь - около 15%.
Рисунок 18 - Принципиальная схема исполнения технологии ТЕРМОКОКС-КС на базе энергетического котла На основе выполненных исследований был разработан промышленный технологический регламент переработки березовского бурого угля. Для решения проблем, связанных с аппаратурным оформлением нового процесса, а также его последовательным масштабированием, было разработано и запатентовано технические решение, которое заключается в использовании для этой цели типового котельного агрегата со встроенным реактором окислительной карбонизации угля в кипящем слое (патент РФ № 2359006). Часть воздушного дутья подается в надслоевую зону для дожигания газообразных продуктов газификации и мелкодисперсного уноса. Принципиальная схема этого решения представлена на рисунке 18.
В 2007 году на котельной Березовского разреза (ОАО СУЭК, Красноярский край) выполнена модернизация типового котла КВТС-20 (см. рис. 19). Его тепловая мощность была снижена из-за местного ограничения по сбыту тепла до16,3 МВт (14 Гкал/час). В энерготехнологическом исполнении котел потребляет примерно 10,2 т/час березовского бурого угля с теплотой сгорания около 15,5 МДж/кг и кроме горячей воды производит примерно 2,5 т/час буроугольного кокса. При средней температуре кипящего слоя около 750оС КПД по суммарной полезной продукции составляет 83%. Примерное распределение полезной тепловой энергии между продуктами: 45% - тепло; 55% - кокс.
Как оказалось, в промышленных условиях за счет более интенсивного истирания в большом объеме кипящего слоя получается кокс более мелкого фракционного состава (0-3 мм). Как следствие, за счет повышенного угара мелкодисперсного уноса фактический выход кокса снизился до 23-24%.
Среднетемпературный кокс, получаемый в результате частичной газификации бурого угля в кипящем слое, является новым рыночным продуктом. Он Рисунок 19 - Схема модернизации типового котла КВТСВ-для энерготехнологической переработки бурого угля рекомендуется для использования как специальное технологическое топливо в самых разных приложениях: высокореакционный восстановитель (пылевидный и брикетированный) в металлургических процессах, компонент твердого топлива для вдувания в домны, технологическое топливо для цементных и глиноземных печей, сырье для производства бездымного бытового топлива (брикеты).
Технология ТЕРМОКОКС-КС радикальным образом изменяет экономическую эффективность использования бурого угля за счет одновременного производства двух ценных продуктов (аналогия со схемой когенерации), а также экологические показатели котла за счет перехода на сжигание пылегазового топлива с незначительной концентрацией твердой фазы (около 6-8% от массового расхода угля) и практически полного исключения золошлаковых отходов.
Шестой раздел посвящен разработке нового технологического решения проблемы эффективного использования угля для производства синтез-газа или водорода, которое также основано на концепции ТЕРМОКОКС. Главным и единственным фактором, привлекающим интерес к глубокой переработке угля в жидкие углеводороды (включая синтетическое жидкое топливо - СЖТ) является низкая стоимость сырья. В технологических схемах прямого ожижения угля, так или иначе, встает вопрос получения дешевого водорода (как правило, через стадию газификации угля), что само по себе является одной из крупнейших проблем мировой энергетики. В схемах косвенного ожижения лимитирующим фактором являются высокие затраты на стадию получения синтез-газа.
Таким образом, проблема производства СЖТ из угля сводится к проблеме получения дешевого синтез-газа путем газификации угля. На сегодняшний день эффективность традиционных схем газификации угля по существу приблизилась к термодинамическому пределу, т.е. КПД газификации практически невозможно увеличить на значимую величину. Автором показано, что капитальные затраты на строительство завода газификации угля по пяти наиболее популярным технологиям различаются в пределах 15%. В то же время, доля стадии газификации угля в капитальных затратах всего производства СЖТ составляет не более 10%. Поэтому вне зависимости от выбора конкретного способа газификации экономические показатели производства СЖТ из угля подавляющим образом зависят только от одного параметра - разницы в ценах на уголь и нефть.
Концепция ТЕРМОКОКС позволяет разорвать эту однозначную взаимосвязь за счет использования принципа технологического комбинирования, т.е.
одновременного производства двух ценных продуктов в рамках единой технологии. Только такое решение обеспечивает возможность радикального снижения себестоимости синтез-газа. Новая технология (см. рис. 20) является результатом последовательного развития технологии ТЕРМОКОКС-С и заключается в частичной газификации малозольного угля (допускается использование углей марки 2Б, 3Б и Д) в слоевых реакторах с использованием обращенного кислородного дутья для одновременного производства синтез-газа и среднетемпературного кокса. Она запатентована под наименованием ТЕРМОКОКС-О2 (патент РФ № 2345116).
Рисунок 20 - Принципиальная схема технологии ТЕРМОКОКС-О Трансформация угля в комбинированном производстве на основе технологии ТЕРМОКОКС-О2 осуществляется по следующей термокинетической схеме:
где: У - уголь; W - влага; V - летучие компоненты; К - коксовый остаток; С - углерод.
В таблице 1 приведены основные показатели технологии, полученные на основе экспериментов с бородинским бурым углем на лабораторной установке производительностью около 60 кг/час. В отличие от классических слоевых газификаторов типа LURGI на парокислородном дутье, в данной технологии органические продукты термического разложения угля подвергаются газификации внутри аппарата. Как следствие, продуктовый газ не содержит смолистых веществ. Поэтому при переработке синтез-газа не образуются отходы в виде Таблица 1 - Основные технические показатели технологии ТЕРМОКОКС-ОПоказатели Величина Удельный расход дутья, м3/(м2час) 141,Максимальная температура в слое, оС 7Удельный расход угля на поперечное сечение реактора, кг/(м2час) 5Скорость движения фронта газификации, м/ч 0,7-Удельный выход сырого газа на поперечное 4сечение аппарата, м3/(м2час) Удельный выход сырого газа на 1 т угля, м3/т 7Удельный выход твёрдого продукта на 1 т угля, т/т 0,Удельная теплота сгорания сырого газа, ккал/м3 15Температура газа на выходе из газификатора, оС 3Избыточное давление газа после газификатора, кПа 10-Удельная теплота сгорания сухого газа, ккал/м3 16фенолов, бензпирена и прочих высокотоксичных веществ. Соответственно из технологической схемы исключаются установки для отмывки газа от смолистых веществ, а также для их последующей утилизации. Однако главный экономический эффект в новой технологии достигается за счет комбинирования двух технологических процессов в едином аппаратурном комплексе - производство синтез-газа и среднетемпературного кокса (см. табл. 2). Прибыль от продажи термококса позволяет снизить себестоимость синтез-газа. Собственно стадия синтеза жидких углеводородов является высокоэффективным технологическим процессом и здесь в обозримом будущем не предвидится ощутимого сокращения затрат.
Таблица 2 - Сравнение эффективности производства СЖТ на базе классической технологии слоевой газификации угля и технологии ТЕРМОКОКС-ОПоказатели SASOL ТЕРМОКОКС-ОКапитальные затраты 400 млн. USD 410 млн. USD Производство жидких продуктов 150 тыс. т/год 150 тыс. т/год Производство кокса - 700 тыс. т/год Объем продаж 100,5 млн. USD 240,5 млн. USD Себестоимость продукции 60 млн. USD 115,5 млн. USD Чистая прибыль (налог 20%) 32,4 млн. USD 100 млн. USD Простой срок окупаемости инвестиций ~12 лет ~ 4 года За счет радикального удешевления синтез-газа себестоимость 1 т жидких продуктов в технологии ТЕРМОКОКС-О2 в 2 раза ниже, чем в других технологиях, в т.ч. в классической технологии SASOL. Добиться такого результата за счет усовершенствования классических технологий в принципе невозможно.
В седьмом разделе обсуждаются экономические и экологические аспекты промышленного использования технологий серии ТЕРМОКОКС. Обосновано предложение о создании на базе углей Канско-Ачинского бассейна энергометаллургического комплекса нового поколения.
Для сравнения технологии комбинированного производства тепловой энергии и кокса на базе энергетического котла (ТЕРМОКОКС-КС) с классической когенерацией использованы проектные показатели энерготехнологического комплекса и строящегося энергоблока (соответственно на ТЭЦ-2 и ТЭЦ3 в г. Красноярске). Результаты в пересчете на эквивалентные расходы угля (см. табл. 3) указывают на безусловное преимущество технологии ТЕРМОКОКС-КС по целому ряду технико-экономических и экологических показателей.
Таблица 3 - Сравнение эффективности технологии ТЕРМОКОКС-КС и классической когенерации ТЕРМО Наименование показателя Когенерация КОКС-КС Теплота сгорания потока угля 190 Гкал/час 190 Гкал/час 50 т/час Тепловой КПД котла 92% 92% Доля полезной энергии в виде 35% 55% электроэнергии или кокса (71,3 МВт) (96,25 Гкал/час) Отпускная цена электроэнергии и 0,4 руб/кВтчас = 8000 руб/т = 11кокса 465 руб/Гкал руб/Гкал Отпуск тепловой энергии 113,5 Гкал/час 78,75 Гкал/час Отпускная цена тепловой энергии 400 руб/Гкал 400 руб/Гкал Годовой объем продаж по двум 554 млн руб 1060,5 млн руб продуктам (7500 час/год) Удельные кап. затраты на 1 кВт установленной мощности 45-55 тыс. руб 8-10 тыс. руб по эл. энергии или коксу Сложность энергетического Котел - Котел - комплекса с позиции надежности турбина - брикетная генератор установка Экологическая характеристика - выброс продуктов - выброс продуктов технологии сгорания угля; сгорания газовой - летучая зола; компоненты угля - золошлак Таблица 4 - Сравнение экологических показателей технологии ТЕРМОКОКС-С и эквивалентно замещаемых ею классических технологий Технология Замещаемые технологии Наименование параметров ТЕРМОКОКС-С Производство Получение ПроизводКраткая характеристика кокса в слоевом тепловой ство кокса технологии газификаторе со энергии в в шахтных сжиганием горю- угольном печах чего газа в ко- котле тельной Производство кокса, т - 1 Удельный расход угля, т/т кокса 1,9 0,52 1,Производство тепловой энергии, ГДж - 12,46 12,Объем дымовых газов, нм6161 3585 11Удельные выбросы, кг/т кокса:
- H2O 858 295 3 - СО2 1473 1180 2 - NOx 0,641 2,366 - - SОx 1,109 1,792 2,0 - пыль 0,062 0,753 - - H2S - - 0, - CO - - - CH4 - - 2, - фенолы - - 0,0 - смола - - 0,0Всего вредных веществ (NOx, SОx, пыль, H2S, CO, CH4, фенолы, смола), 1,81 4,88 65,На примере технологии ТЕРМОКОКС-С выполнено сравнение экологических показателей производства с аналогичными показателями эквивалентно замещаемых классических аналогов (см. табл. 4). Комбинированное производство среднетемпературного кокса и горючего газа, используемого для получения тепловой энергии, позволяет существенно снизить выбросы в атмосферу по сравнению с классическими технологиями эквивалентной мощности - полукоксованием в шахтных печах, выработкой тепла на угольной ТЭЦ. Удельные выбросы NOx и SOx снижаются в 3-4 раза, выбросы неорганической пыли - в раз. Суммарные выбросы вредных веществ снижаются в примерно в 35-40 раз, главным образом за счет радикального снижения выброса оксида углерода.
Суммарные выбросы вредных веществ 2-го класса опасности (NOx, H2S, фенолы, смолистые вещества) уменьшаются в 4-5 раз, 3-го класса (SOx, пыль неорганическая, метан) - в 6 раз. Кроме того, по сравнению с вариантом получения тепловой энергии в угольном котле в технологиях ТЕРМОКОКС исключается образование золошлаковых отходов.
Сроки окупаемости инвестиций в различных проектах с использованием технологий серии ТЕРМОКОКС находятся на уровне 1,5-3 лет с начала эксплуатации производства.
В настоящее время на различных стадиях предпроектной проработки, технико-экономического обоснования, проектирования и строительства находятся следующие проекты на основе технологий серии ТЕРМОКОКС:
Х Строительство газогенераторных блоков мощностью от 3 до 5 Гкал/час для обеспечения газовым топливом зерноперерабатывающих предприятий Красноярского края.
Х Строительство котельной энерготехнологического типа (4-х котла КЕ-10), п. Шушенское, Красноярский край.
Х Строительство котельной энерготехнологического типа с параллельным производством сорбентов, г. Ужур, Красноярский край Х Строительство энерготехнологического комплекса на базе типового котла КВТК-100 (комбинированное производство буроугольного кокса металлургического назначения и тепловой энергии), ТЭЦ-2, г. Красноярск.
Х Модернизация ТЭЦ-2 (2 котла БКЗ-75) под производство бездымного бытового топлива (брикеты), г. Улан-Батор, Монголия.
Х Строительство энерготехнологического комплекса по переработке 400 тыс. т/год угля марки Д в коксовый орех с параллельным производством тепла и электрической энергии, Кемеровская область.
Низкая себестоимость производства и высокая реакционная способность буроугольного кокса обеспечивают широкие возможности для его использования, как в усовершенствованных, так и принципиально новых (бездоменных) технологиях получения железа. Еще в середине 70-х годов на заводе Сибэлектросталь (г. Красноярск) было выплавлено около 60 тыс. т стали по бездоменной схеме с прямым вдуванием в расплав кокса из бородинского бурого угля. В настоящее время в связи с резким удорожанием классического кокса это направление получило новый импульс за рубежом и в нашей стране. Лидеры японской сталелитейной отрасли (JFE Steel, Nippon Steel, Sumitomo Metal Industries, Kobe Steel) совместными усилиями в 2011 г. должны завершить разработку технологии производства железо-коксовых гранул (ferro-coke naggets) - нового вида сырья для производства стали и ферросплавов. В 2010 году фирма Kobe Steel выполнила тестирование партии кокса из березовского бурого угля и выдала положительное заключение о возможности его использования в этой технологии. Таким образом, комбинированное производство тепловой энергии и буроугольного кокса обеспечивает базис для создания металлургии нового поколения - без использования классического кокса.
В заключении обобщены основные результаты исследований и выводы по научным и практическим результатам работы.
Приложения содержат материалы по практическому использованию результатов работы.
В качестве примера приведены спецификации кокса, получаемого в процессах ТЕРМОКОКС-С и ТЕРМОКОКС-КС из разных углей, и кратко обсуждены сферы его промышленного использования.
Приведена подробная характеристика генераторного газа, получаемого в процессах ТЕРМОКОКС-С, и кратко обсуждены сферы его промышленного использования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана и научно обоснована новая концепция энерготехнологического использования углей с высокой влажностью и большим выходом летучих веществ (ТЕРМОКОКС), обеспечивающая высокий уровень экономической и экологической эффективности. За счет использования кластерной схемы производства она распространяется на область малой и средней энергетики и позволяет достичь кратного снижения себестоимости тепловой энергии в жилищнокоммунальном секторе.
2. В рамках концепции ТЕРМОКОКС на основе результатов исследования термической обработки крупных частиц бурого угля разработана серия новых энергоэффективных технологий переработки угля, а также соответствующие методики их расчетов и технологические регламенты, которые используются проектно-конструкторскими организациями.
3. Экспериментально определены области экономически целесообразных режимов для осуществления частичной и полной газификации угля на воздушном дутье в слоевых системах с обратной тепловой волной. На основе полученных результатов разработана технология ТЕРМОКОКС-С и ее аппаратурное оформление (патенты РФ №№ 2014882, 2014883, 2299901). Выполнено техникоэкономическое и экологическое обоснование сфер промышленного применения вариантов технологии, а также их продукции.
Построено промышленное предприятие по производству углеродных сорбентов и энергетического газа из бурого угля, г. Красноярск, 1996 г. (патенты РФ №№ 2014882, 2014883, 2299901) и первая очередь (демонстрационный блок) предприятия по производству бездымных брикетов и энергетического газа из бурого угля, г. Улан-Батор, Монголия, 2008 г. (патенты ЕПА: №№ 008111, 007801, 007799).
4. Экспериментально определена область оптимальных технологических параметров для осуществления частичной газификации угля в кипящем слое. На основе полученных результатов разработана технология ТЕРМОКОКС-КС (патент РФ № 2285715) и ее аппаратурное оформление в виде модернизированного энергетического котла для совместного производства тепловой энергии и среднетемпературного кокса (патент РФ № 2359006). Выполнено техникоэкономическое обоснование сфер промышленного применения этого процесса, а также его продукции.
Построена опытно-промышленная установка на базе типового угольного котла КВТС-20, г. Шарыпово, Красноярский край, 2007 г.
5. На основе результатов исследования частичной газификации угля на кислородном дутье в слоевой системе с обратной тепловой волной разработана технология ТЕРМОКОКС-О2 (патент РФ № 2345116), которая обеспечивает кратное снижение себестоимости производства синтез-газа для последующего синтеза углеводородов.
6. На основе обобщения результатов опытно-промышленной эксплуатации технологий серии ТЕРМОКОКС с учетом новейших тенденций в мировой и отечественной черной металлургии предложено использовать концепцию ТЕРМОКОКС в качестве технологической платформы для создания энергометаллургического комплекса нового поколения на базе углей Канско-Ачинского бассейна. Реализация этого предложения обеспечит перевод данного месторождения в категорию стратегических ресурсов страны.
Основные результаты работы представлены в следующих публикациях и патентах:
Монографии 1. Исламов, С.Р. Энерготехнологическая переработка углей: монография/ С.Р. Исламов. - Красноярск: Поликор, 2010. - 224 с.
2. Исламов, С.Р. Использование буроугольного полукокса в качестве пылеугольного топлива в доменной плавке// С.Р. Исламов, С.Л. Ярошевский, А.В. Кузин, З.К. Афанасьева - Донецк: УНИТЕХ, 2008. - 68 с.
Статьи в периодических изданиях из перечня ВАК 3. Исламов, С.Р. Расчет пылеугольной газификации с использованием равновесной модели / С.Р. Исламов, В.А. Суслов, В.В. Иванов // Химия твердого топлива. - 1987. - № 4. - С. 103-106.
4. Исламов, С.Р. Расчет основных технологических параметров при газификации канско-ачинских углей в пылевидном состоянии / С.Р. Исламов // Химия твердого топлива. - 1991. - № 1. - С. 127-130.
5. Исламов, С.Р. Экономический анализ крупномасштабного производства синтез-газа из канско-ачинского угля / С.Р. Исламов // Химия твердого топлива. - 1991. - № 2. - С. 59-64.
6. Степанов, С.Г. Математическая модель газификации угля в слоевом реакторе / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов // Химия твердого топлива. - 1991. - № 2. - С. 52-58.
7. Степанов, С.Г. Технология совмещенного производства полукокса и горючего газа из угля / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, А.Б. Морозов // Уголь. - 2002. - № 6. - С. 27-29.
8. Степанов, С.Г. Автотермическая технология получения углеродных сорбентов / С.Г. Степанов, А.Б. Морозов, С.Р. Исламов // Кокс и химия. - 2003.
- № 6. - С. 23-28.
9. Степанов, С.Г. Энерготехнологическое использование канско-ачинских углей / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, М.В. Пальшин и др. // Уголь. - 2003. - № 7. - С. 39-44.
10. Исламов, С.Р. О новой концепции использования угля/ С.Р. Исламов // Уголь. - 2007. - № 5. - С. 67-69.
11. Исламов, С.Р. Энерготехнологическая переработка бурого угля в типовом котельном агрегате/ С.Р. Исламов // Промышленная энергетика. - 2008.
- № 2. - С. 25-28.
12. Михалёв, И.О. Формальная кинетика выхода летучих веществ веществ при термической деструкции частиц бурого угля / И.О. Михалёв, С.Р. Исламов // Кокс и химия. - 2009. - № 2. - С. 9Ц11.
13. Исламов, С.Р. Переработка бурого угля по схеме энерготехнологического кластера/ С.Р. Исламов // Уголь. - 2009. - № 3. - С. 65-67.
14. Михалёв, И.О. Экспериментальное исследование обращённого процесса слоевой газификации угля / И.О. Михалёв, С.Р. Исламов // Физика горения и взрыва. - 2009. - Т. 45, № 6. - С. 57Ц62.
15. Исламов, С.Р. Энерготехнологическое использование угля на основе процесса слоевой газификации ТЕРМОКОКС-С / И.О. Михалёв, С.Р. Исламов // Промышленная энергетика. - 2009. - № 10. - С. 2Ц4.
16. Логинов, Д.А. Экспериментальное исследование карбонизации бурого угля в кипящем слое/ Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Кокс и химия. - 2010. - № 5. - С. 20Ц23.
Статьи в периодических изданиях, материалах международных и всероссийских конференций 17. Степанов, С.Г. Моделирование процессов тепломассообмена при газификации угольной пыли / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, А.П. Баскаков // Проблемы тепло- и массопереноса в теплоэнергетических установках с дисперсными потоками: Сб. докл. Междунар. научн. конф. - Минск, 1985. - С. 25-30.
18. Исламов, С.Р. Газификация канско-ачинских углей / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов // V Всесоюзн. совещание по химии и технологии твердого топлива: Доклад. - М., 1988. - 11 с. (Препринт Ин-та горючих ископаемых: 639).
19. Исламов, С.Р. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса парокислородной газификации канско-ачинских углей в пылевидном состоянии / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов // Проблемы тепло- и массообмена в современных технологиях сжигания и газификации твердого топлива: Материалы Междунар. семин. - Минск, 1988. - С. 103-110.
20. Степанов, С.Г. Исследование процесса газификации канско-ачинских углей в слоевом газогенераторе на воздушном дутье / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, А.Б. Морозов // Проблемы газификации углей: Сб. докл. Всесоюзн. симп. - Красноярск, 1991. - С. 25-31.
21. Исламов, С.Р. Экономические и экологические аспекты производства низкокалорийного газа из угля // Проблемы газификации углей: Сб. докл. Всесоюзн. симп. - Красноярск, 1991. - С. 19-24.
22. Ворончихина, Т.С. Компьютерная модель нестационарных процессов при слоевой газификации угля/ Т.С. Ворончихина, В.С. Славин, С.Р. Исламов// Сибирский физико-технический журнал. - 1993. - №3. - С. 85-90.
23. 24. Исламов, С.Р. Практический опыт переработки канско-ачинского угля и экономические оценки прямого и косвенного ожижения угля в промышленном масштабе // Переработка углей Канско-Ачинского бассейна в жидкие продукты: Материалы Междунар. Научно-практич. конф. - Красноярск: 1996. - C. 55-58.
24. Степанов, С.Г. Угли КАТЭКа: проблемы и перспективы / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, М.В. Пальшин, С.Н. Силкин // Энергонадзор. - 2003. - Вып. 2. - С. 41-52.
25. Степанов, С.Г. Автотермическая технология переработки некоксующихся углей в полукокс и горючий газ / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, А.А. Гроо // Вестник ТЭК Кузбасса. - 2004. - № 7. - С. 39-44.
26. Исламов, С.Р. Тепломассообмен при пиролизе одиночной частицы в слоевых процессах горения и газификации угля / С.Р. Исламов // Достижения и перспективы развития энергетики Сибири: Сб. докл. IV Междунар. научн.-техн.
конф. - Красноярск: СибВТИ, 2005. - С. 365-369.
27. Гроо, А.А. Моделирование процессов тепломассообмена при слоевой газификации угля с обратным дутьем / А.А. Гроо, С.Р. Исламов // Достижения и перспективы развития энергетики Сибири: Сб. докл. IV Междунар. научн.техн. конф. - Красноярск: СибВТИ, 2005. - С. 373-378.
28. Исламов, С.Р. Экологически безопасная угольная котельная нового типа / С.Р. Исламов, В.Н. Кочетков, С.Г. Степанов // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Сб. докл. IV Всеросс. научн.-практ. конф. - Красноярск: КГТУ, 2005. - С. 198-201.
29. Исламов, С.Р. Экологически безопасная угольная котельная нового типа / С.Р. Исламов, В.Н. Кочетков, С.Г. Степанов // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Сб. докл. IV Всеросс. научн.-практ. конф. - Красноярск: КГТУ, 2005. - С. 198-201.
30. Исламов, С.Р. Пиролиз крупных частиц бурого угля/ Исламов С.Р. // Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос.конф. - Новосибирск, 2006.
- С. 54-59.
31. Исламов, С.Р. Современные процессы энерготехнологической переработки угля/ С.Р. Исламов / Актуальные проблемы энергетики: 3-я Междунар. научно-практич. конф. - Екатеринбург, 2007. - С. 88-90.
32. Михалев, И.О. Экспериментальное исследование процесса слоевой газификации угля с обратной тепловой волной/ И.О. Михалев, С.Р. Исламов/ Актуальные проблемы энергетики: 3-я Междунар. научно-практич. конф. - Екатеринбург, 2007. - С. 106-109.
33. Исламов, С.Р. Новые технологии получения полукокса и газа из угля для отопления промышленных печей/ С.Р. Исламов, С.Г. Степанов // Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении:
Труды IV Междунар. научн.-практ. конф. - Москва: МИСиС, 2008. - С. 198199.
34. Исламов, С.Р. Экологические аспекты современных технологий энерготехнологической переработки угля / С.Р. Исламов, С.Г. Баякин, И.О. Михалёв // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности. - 2009. - Т. 14, № 6. - С. 185Ц189.
35. Исламов, С.Р. О новом решении проблемы энерготехнологического комбинирования на базе угольного энергетического котла. // EuroHeat&Power Russia. - 2009. - № 11. - С. 10-12.
36. Исламов, С.Р. Концепция теплоснабжения жилищно-коммунального сектора по схеме энерготехнологического кластера // Новости теплоснабжения.
- 2009. - № 2. - С. 24-26.
37. Степанов, С.Г. Отработка технологических режимов процесса автотермической слоевой газификации кузнецких углей и обоснование концепции энерготехнологического комплекса (ЭТК) по глубокой переработке углей, производству электрической и тепловой энергии / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, В.Н. Кочетков и др. // Исследования и разработки СО РАН в области энергоэффективных разработок. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2009. - С. 226-238.
Патенты 38. Пат. 2014882 РФ. МКИ B01 J20/20, C01 B31/08. Способ получения адсорбента/ С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов, В.С. Славин (РФ). - № 92004035/26; Заявлено 11.11.92; Опубл. 30.06.94, Бюл. 12.
39. Пат. 2014883 РФ. МКИ B01 J20/20. Способ получения углеродного адсорбента/ С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов (РФ). - № 93039409/26;
Заявлено 16.08.93; Опубл. 30.06.94, Бюл. 12.
40. Пат. 2169166 РФ. МКИ C10 B 49/04. Способ получения полукокса / С.Р. Исламов (РФ). - № 2000117671; Заявлено 06.07.2000; Опубл. 20.06.2001, Бюл. 17.
41. Пат. 2275407 РФ. МКИ C10 B 49/02. Способ получения металлургического полукокса/ С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов (РФ). - № 2004135326/04; Заявлено 09.12.04; Опубл. 27.04.06, Бюл. 12.
42. Пат. 2278817 РФ. МКИ C10 B 31/08. Способ получения полукокса и устройство для его осуществления / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов (РФ). - № 2004135328/15; Заявлено 03.12.04; Опубл. 27.06.06, Бюл. 18.
43. Пат. 2287011 РФ. МКИ С10J 3/68 Способ слоевой газификации угля / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов (РФ). - № 2005124137/04; Заявлено 29.07.2005; Опубл. 10.11.2006, Бюл. 31.
44. Пат. 2285715 РФ. МКИ С10B 49/10 Способ получения металлургического среднетемпературного кокса / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов (РФ). - № 2005124136/04; Заявлено 29.07.2005; Опубл. 20.10.2006, Бюл. 29.
45. Пат. 2288937 РФ. МКИ С10B 49/10 Способ получения металлургического среднетемпературного кокса / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов (РФ). - № 2005132548/04; Заявлено 24.10.2005; Опубл. 10.12.2006, Бюл. 34.
46. Пат. 2299901 РФ. МКИ С10B 47/04, С10В 53/08, С10J 3/20 Устройство для переработки твердого топлива / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, А.Б. Морозов (РФ). - № 2005123736/15; Заявлено 27.07.2005; Опубл. 27.05.2007, Бюл. 15.
47. Пат. 2320700 РФ. МКИ С10B 57/06. Способ приготовления пылеугольного топлива и установка для осуществления способа / М.Б. Школлер, С.Г. Степанов, С.Р. Исламов (РФ). - № 2007102470/04; Заявлено 22.01.2007;
Опубл. 27.03.2008, Бюл. 9.
48. Пат. 2339672 РФ. МКИ С10B 49/10 Способ переработки угля в кипящем слое / А.А. Скрябин, А.М. Сидоров, С.Р. Исламов (РФ). - № 2007127308/04; Заявлено 16.07.2007; Опубл. 27.11.2008, Бюл. 33.
49. Патент 2359006 РФ. МПК С10B 49/10 Способ переработки угля / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов (РФ). - № 2008117266/15; Заявлено 05.05.2008;
Опубл. 26.06.2009, Бюл. 17.
50. Пат. 2345116 РФ. МКИ С10B 57/00, С10J 3/02. Способ получения кокса и синтез-газа при переработке угля / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, И.О. Михалев (РФ). - № 2007131530/04; Заявлено 21.08.2007; Опубл.
27.01.2009, Бюл. 3. Патент 2359006 РФ. МПК С10B 49/10 Способ переработки угля / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов (РФ). - № 2008117266/15; Заявлено 05.05.2008; Опубл. 26.06.2009, Бюл. 17.
51. Пат. 2376342 РФ. Заявка на патент. МПК С10L5/12 Способ брикетирования полукокса / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов, Г.Е. Нагибин (РФ). - № 2008128230/4; Заявлено 09.07.2008; Опубл. 20.12.2009; Бюл. 35.
52. Заявка на патент. МПК С10B 49/10 Способ переработки угля / С.Р. Исламов, С.Г. Степанов (РФ). - № 2009132220/05; Заявлено 26.08.2009;
Решение о выдаче 26.05.2010.
ИСЛАМОВ Сергей Романович Энергоэффективное использование бурых углей на основе концепции ТЕРМОКОКС Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям