Эксергетический анализ технологической схемы



Предыдущая | Следующая

 

Эксергетический анализ технологической схемы с газификацией угля Мингалеева Гузель Рашидовна Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН Канд. техн. наук Легков Андрей Алексеевич Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН УДК 662.747?? Г. Р. Мингалеева, А. А. Легков, 2008 Газификация угля является на сегодняшний день одним из перспективных путей увеличения доли твердого топлива в энергетике. Для того чтобы оценить возможность применения систем с газификацией топлива вместо традиционных систем с сушкой и пылеприготовлением угля, необходимо определить их термодинамическую эффективность.
Горновой метод газификации является высокоинтенсивным слоевым процессом переработки твердого топлива, основанным на подаче направленного дутья, в качестве которого используется холодный воздух, через фурмы в слой топлива.
Процесс газификации может проводиться в слое или в потоке топлива. В зависимости от предварительной подготовки топлива слой может быть плотным, неподвижным, состоящим из крупных частиц угля или подвижным, псевдоожиженным («кипящим»).
Для большинства способов газификации характерен один существенный недостаток — унос мелких частиц топлива из аппарата.
Этот недостаток может быть устранен специальной подготовкой топлива — его грануляцией, что и реализовано в системе, схема которой представлена на рис. 1 [2].
Грануляция требует значительного усложнения всей системы, поэтому необходимо оценить энергетические затраты по отдельным блокам и для всей системы в целом.
В работе рассмотрена схема с применением чашевого гранулятора конструкции НПО ЦКТИ. Эксперименты проводились с антрацитовым штыбом (АШ), в качестве связующего компонента использовались отходы целлюлозно-бумажной промышленности — сульфидно-спиртовая барда (ССБ). Сушка приготовленных окатышей предусматривалась двухстадийной: стадия мягкой сушки при влажности от 13 до 7 % и температуре 330-350К проходит в туннельной сушилке, дальнейшая сушка — в сушилке с кипящим слоем или обе стадии могут проводиться в одном агрегате — сушилке с кипящим слоем, выполненной с двумя отсеками для реализации обеих стадий сушки. Газификация гранулированного топлива осуществля В настоящее время существует несколько способов газификации, которые можно назвать классическими — процесс Лурги, Копперс-Тотцека и Винклера. При модификации для повышения эффективности данных способов уделяется внимание различным аспектам процесса газификации и выбору оптимальных режимных параметров — температуры, давления, типа окислителя. Однако, если процесс газификации рассматривать во взаимосвязи с другими элементами технологической системы подготовки твердого топлива, то необходимо Рис. 1. Схема системы подготовки мелкозернистого топлива с использованием метода грануляции с газификацией в газогенераторе: I — холодный воздух; II — пар в калориферы; I II — нагретый воздух в атмосферу; IV — размороженное топливо; V — конденсат;
VI топливо с размерами кусков IХ — влажный воздух из сушилки в атмосферу; X — топливо с размерами кусков XI — топливо с размерами кусков > 5 мм; XII — воздух на сушку; XIII — важный воздух из туннельной сушилки; XIV — воздух в сушилку кипящего слоя; XV — воздух из сушилки кипящего слоя; XVI — горячий воздух в газогенератор; XVII — шлак; XVIII — генераторный газ в горелки котла; XIX — продукты сгорания; XX — холодный воздух; XXI — продукты сгорания в атмосферу;
1 — вентилятор; 2 — калорифер; 3 — тепляк; 4 — вагоноопрокидыватель; 5 — панельная сушка;
6 — вибрационный грохот ?=5мм;
7 — невентилируемая мельница;
8 — чашевый гранулятор; 9 – туннельная сушилка; 10 – сушилка кипящего слоя;
11 – бункер кускового топлива;
12 – газогенератор; 13 – фильтр;
14 – батарейный циклон; 15 – котел;
16 – воздухоподогреватель уделить особое внимание организации слоя топлива в газогенераторе.
В настоящее время разработаны способы подготовки брикетированного и гранулированного топлива для последующей его газификации. Однако интерес к исследованию газификации формованного топлива был проявлен отечественными учеными еще в 1950-1960-х гг. [1]. В таких системах устраняется одна из существенных проблем данного процесса — унос частиц топлива из газогенератора. Известны системы, в которых газификация брикетированного и гранулированного топлива проводится в плотном слое — реализуется «горновой» процесс газификации.
ется в газогенераторе под давлением 0,35 МПа [2]. Разбиение схемы на четыре блока, представленное на рис. 1, обусловлено теми процессами, которые в них реализуются. Блок размораживания и разгрузки топлива I является типовым для тепловых электростанций и включает в себя размораживающее устройство (тепляк), вагоноопрокидыватель и систему конвейеров для подачи разгруженного топлива на дальнейшую обработку. В блоке подготовки топлива II осуществляются его сортировка и разделение на фракции с помощью вибрационного грохота, сушка мелкозернистого угля в паровой панельной сушилке и измельчение до пылевидного состояния в невентилируемой шаровой барабанной мельнице. Блок грануляции угольной пыли III состоит из собственно гранулятора и одной или двух сушилок с разными режимами сушки гранул. В блоке газификации и очистки генераторного газа IV непосредственно осуществляется его газификация. Образующийся генераторный газ, содержащий небольшое количество частиц топлива, очищается при помощи тканевых фильтров. То есть в каждом из рассмотренных блоков осуществляется относительно независимый и законченный процесс и для него можно определить значение термодинамической эффективности, выраженное эксергетическим КПД блока.
Для данной схемы проводился тепловой расчет, при этом составлялись тепловые балансы для тех элементов, где осуществлялся подвод теплоносителей, а также аэродинамический расчет основных элементов системы. Для блока I расчет проводился по методике, описанной в работе [3], для блоков II, III и IV — по зависимостям, представленным в работах [1,4].
Расчет термодинамических параметров рассматриваемой системы проводился эксергетическим методом, который позволяет учитывать различные виды энергии — тепловую, электрическую, механическую и определять общие затраты на проведение процесса по отдельным аппаратам и блокам.
При расчете потоков эксергии система ограничивается поверхностью и определяются ее взаимосвязи с окружающей средой. Поэтому параметры окружающей среды, для которых проводится расчет, играют значительную роль. Оправданным является проведение эксергетического анализа данной системы для наиболее напряженных условий зимнего времени — средней температуры самого холодного месяца (например, для Казани это значение составляет — 13,5°С [5]).
Исходными данными для проведения эксергетического анализа являются температура и давление потоков на выходе из каждого элемента схемы и на входе в него, затраты электрической энергии на привод механизмов, расход и теплоемкость веществ при определенной температуре. Кроме того, в процес се термохимических преобразований угля в газогенераторе и получения из него генераторного газа учитывалась химическая эксергия угля, определяемая в зависимости от его влажности, зольности и содержания серы [6]. Для генераторного газа расчет эксергии проводился по содержанию в нем СО2, СО, Н2, СН4 и паров воды по методике, представленной в монографии [6].
При этом учитывалась степень отклонения содержащихся в газе веществ от параметров окружающей среды — энтальпии девальвации вещества.
Результаты эксергетического анализа, выраженные в значениях эксергетического КПД по блокам системы, представлены Полезные составляющие эксергии по блокам определяются степенью подготовки топлива. На выходе из блока I в качестве полезного потока фигурирует размороженное и разгруженное топливо. Из блока II топливо выходит отсортированным, мелко зернистая его часть подсушена в паровой панельной сушилке и измельчена до пылевидного состояния в мельнице. Кроме эксергии топлива полезной в данном блоке будет являться эксергия теплового потока, затраченного на испарение влаги топлива. В блоке грануляции III к угольной пыли добавляется связующее вещество, химическая эксергия которого также учитывается в расчетах. Сушка гранул осуществляется в сушилке с кипящим слоем, куда подается большое количество теплоносителя. Блок газификации и очистки генераторного газа IV определяется отношением суммы эксергий генераторного газа и уносимых частиц топлива к общим затратам, включающим в себя эксергию окислителя, угля и частиц топлива, уловленных в системе очистки и возвращенных в газогенератор.
Общий эксергетический КПД всей системы составил 22 %.
Сопоставление с эксергетическими КПД с сушкой и пылеприготовлением угля различных типов, в которых не производится термохимических преобразований угля, составляющими от 20 до 35 %, показывает, что система с грануляцией топлива и его последующей газификацией является вполне приемлемой при выборе вариантов реконструкции.
Однако показательными являются не только значения эксергетического КПД, но и абсолютные значения потерь эксергии по блокам, которые составляют: I — 103 кДж/кг, II — 90 кДж/кг;
III — 3200 кДж/кг; IV — 33 725 кДж/кг (включая эксергию шлака, который может быть использован в дальнейшем). Такие данные свидетельствуют о том, что с увеличением глубины переработки топлива абсолютная величина потерь возрастает. Достоинством рассмотренной схемы является также и то, что слой гранулированного топлива при соответствующем изменении скорости подачи окислителя может быть переведен в «кипящее» состояние, что позволит организовать утилизацию тепла реакций газификации путем установки теплообменника непосредственно в газогенераторе.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНИ (госконтракт 02.516.11.6040) и РФФИ (грант 08-08-00278-а).
Список литературы 1. Канторович Б. В. Основы теории горения газификации твердого топлива. М: Изд. АН СССР, 1958.
2. Сучков С. И., Лейкин В. З., Папушин Ю. Л. Экспериментальная проработка подготовки и газификации низкореакционных углей и отходов на воздушном дутье // Теплоэнергетика. — 2003.
— №8. — С. 15-21.
3. Назмеев Ю. Г., Мингалеева Г. Р. Системы топливоподачи и пылеприготовления ТЭС: справочное пособие. М.: Изд. дом МЭИ, 2005.
4.ПавловК.Ф.,РоманковП.Г.,НосковА.А.Примерыизадачипокурсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987.
5. Шаргут Р., Петела М. Эксергия. М.: Энергия, 1968.
6. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Изд. МЭИ, 2001.