WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Логинов Дмитрий Александрович

АВТОТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА УГЛЯ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Красноярск – 2012

Работа выполнена в ООО «Энерготехнологическая компания «Сибтермо»

Научный консультант: Доктор технических наук Исламов Сергей Романович

Официальные оппоненты:

Дубровский Виталий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Тепловые электрические станции», профессор Козлов Сергей Георгиевич, кандидат технических наук, Сибирский научно-исследовательский институт ВТИ Красноярского филиала ЗАО «Сибирский энергетический научно-технический центр», топочная лаборатория, заведующий лабораторией

Ведущая организация: ООО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский центр Производственного объединения «Бийскэнергомаш», г. Барнаул

Защита диссертации состоится 30 мая 2012 г. в 930 на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан «30» апреля 2012 г.

Учёный секретарь Чупак диссертационного совета Татьяна Михайловна

Общая характеристика работы



Актуальность работы. В течение последних десятилетий активное потребление дешевой нефти и природного газа тормозило развитие новых технологий использования угля. Как следствие, на сегодняшний день в России главным способом использования угля является его прямое сжигание по технологиям, основы которых разработаны в начале прошлого века.

Таким образом, в настоящее время остро стоит задача разработки и внедрения принципиально новых, энергетически и экономически эффективных, экологически безопасных и высокопроизводительных технологий использования угля. Решение этой задачи позволит придать качественно новый импульс дальнейшему развитию энергетики и смежных отраслей промышленности РФ.

В настоящей работе на основе результатов исследования поведения угля в процессе его нагрева разработан процесс энерготехнологической переработки угля «ТЕРМОКОКС-КС». Он заключается в карбонизации (частичной газификации) углей низкой степени метаморфизма в автотермическом реакторе с кипящим слоем. При этом из горючей массы угля производятся два компонента: горючий газ, который сжигается в этом же реакторе для производства тепловой энергии, и высокоактивный коксовый остаток – среднетемпературный кокс, который является ценным сырьем широкого спектра использования. В настоящем исследовании выполнен комплекс работ по изучению и разработке экологически безопасного процесса переработки угля «ТЕРМОКОКС-КС».

Объектом исследования является теплотехнологическая установка для карбонизации угля в кипящем слое.

Предмет исследования – характеристики технологического процесса переработки угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в автотермическом реакторе с кипящим слоем.

Цель исследования состоит в разработке процесса автотермической переработки углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем с комбинированным производством среднетемпературного кокса и тепловой энергии.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ технологий термической переработки угля, направленных на получение твёрдых и газообразных продуктов, оценить состояние исследований в данной области и уровень их промышленного использования и определить направление исследований.

2. Исследовать закономерности процесса нагрева угля низкой степени метаморфизма, выявить основные управляющие параметры, изучить влияние управляющих параметров на показатели процесса карбонизации и характеристики получаемого среднетемпературного кокса в автотермическом реакторе с кипящим слоем.

3. Разработать технологический процесс автотермической переработки углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем.

4. На основе опытно-промышленной апробации технологии разработать практические рекомендации по эффективному использованию технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС» в промышленном масштабе.

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем:

1. Разработан автотермический технологический процесс комбинированного производства энергоносителей различного назначения из углей низкой степени метаморфизма, с применением термоокислительной обработки измельченного угля в кипящем слое.

2. Предложены и научно обоснованы технологические схемы, реализующие технологический процесс автотермической переработки угля в кипящем слое.

3. Определена область режимных параметров, обеспечивающих достижение эффективных технико-экономических показателей процесса карбонизации углей различных марок.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования характеристик автотермического процесса карбонизации углей с высоким выходом летучих веществ в кипящем слое, а именно количественная взаимосвязь между управляющими параметрами процесса и характеристиками целевого продукта – среднетемпературного кокса, – как основа для разработки технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС».

2. Технологический процесс карбонизации углей в кипящем слое на воздушном дутье «ТЕРМОКОКС-КС» и его аппаратурное оформление в виде модифицированного типового котельного агрегата.

Практическая значимость:

1. Получены соотношения режимных параметров процесса карбонизации угля (расходы угля и воздуха, температура переработки, производительность реактора по твёрдому продукту) и характеристик получаемого термококса, которые приняты для использования при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе процесса «ТЕРМОКОКС-КС»;

2. На основе результатов исследований разработаны технологические регламенты процесса карбонизации для углей марок 2Б, 3Б, Д, в том числе обогащаемых углей, включая отсевы обогащения используемые проектноконструкторскими организациями (ВНИПИЭТ, НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» и др.).

Личный вклад автора состоит в самостоятельном анализе литературных источников и получении экспериментальных данных, постановке, подготовке и проведении экспериментов по карбонизации углей различных марок, разработке практических рекомендаций по реализации данной технологии в промышленном масштабе.

Результаты, полученные на экспериментальном стенде, были использованы при проектировании опытно-промышленной установки для комбинированного производства тепловой энергии и термококса. Параметры опытно-промышленного процесса имеют высокую корреляцию с расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает достоверность и обоснованность результатов работы.

Реализация результатов работы.

1. На основе исходных данных, полученных автором, в 2007 году выполнена модификация котла КВТС-20 (котельная разреза «Берёзовский-1» ОАО «СУЭК», г. Шарыпово) для работы по технологии «ТЕРМОКОКС-КС» (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

2. Результаты исследования процесса карбонизации багануурского бурого угля использованы в 2010 г. в качестве исходных данных при выполнении проекта «Модернизация ТЭЦ-2 в г. Улан-Батор по технологии «ТЕРМОКОКС-КС» с целью производства 210 тыс. т/год бездымного бытового топлива» (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

3. В 2012 году результаты исследования процесса карбонизации березовского бурого угля использованы в качестве исходных данных для инвестиционного проекта строительства энерготехнологического модуля мощностью 100 тыс. т/год брикетированного термококса (заказчик – ОАО «СУЭК») (получен акт о внедрении результатов диссертационной работы).

Апробация результатов диссертационных исследований. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало ХХI века» (Красноярск, 2006 г.), XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), ХIII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: СИБРЕСУРС 2010» (Кемерово, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных литературных источников и 7 приложений. Работа содержит 194 страницы машинописного текста, в том числе 142 страницы основного текста диссертации и страницы приложений, 49 рисунков и 26 таблиц. Список использованных источников включает 80 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость результатов, а также приведено краткое содержание работы по главам.

Первый раздел посвящён обзору существующих технологических процессов переработки угля, сравнительному анализу их преимуществ и недостатков, определению областей их практического применения.

Наиболее совершенными аппаратами для карбонизации угля в первой половине ХХ-го века были многозонные вертикальные печи Лурги, в которых в качестве сырья используется только крупнокусковое топливо.

Однако, использование мелкозернистого и термически непрочного топлива в печах Лурги невозможно. В 50-е годы в Германии была разработана технология пиролиза мелкозернистых углей низкой степени метаморфизма – технология Lurgi-Ruhrgas с твердым теплоносителем. В этом технологическом процессе производят полукокс с выходом летучих веществ 15-20 % и парогазовую смесь. Последнюю, после конденсации и очистки, разделяют на высококалорийный (21-29 МДж/нм3) газ и смолу полукоксования. В СССР в 60-е годы также было разработано несколько технологий пиролиза мелкодисперсного низкосортного топлива с использованием твердого теплоносителя, которые, по сути, являются развитием немецких технологий.





В этих разработка принимали участие институты ЭНИН, ВУХИН, ВНИИНП.

Разработанные технологии скоростного пиролиза, термоконтактного коксования угля (ТККУ), а также коксования в установках с твердым теплоносителем (УТТ) обладают тем же набором недостатков и технологических трудностей в их реализации, как например необходимость очистки и отмывки продуктового газа от смол и пыли, ограничения в качестве и свойствах исходного сырья. В США был разработан технологический процесс карбонизации угля в кольцевой подовой печи (фирма Salem Corp.), в котором все летучие продукты пиролиза сжигаются в надслоевом пространстве. Однако сложность аппаратурного оформления сдерживает развитие этой технологии. Институтом ВУХИН в 80-е годы разработана технология коксования в котельном агрегате с движущейся цепной колосниковой решеткой. В 2003 году по этой технологии была сооружена опытно-промышленная установка на заводе ферросплавов в г. Аксу (Казахстан). По имеющимся данным, в ходе эксплуатации не удалось добиться стабильного и однородного качества продукта.

В начале 90-х годов в Красноярске специалистами компании «Сибтермо» – д.т.н. Степановым С.Г. и д.т.н. Исламовым С.Р – была разработана автотермическая технология среднетемпературного коксования угля в неподвижном слое (технология «ТЕРМОКОКС-С»). Технология радикально отличается от классических процессов пиролиза и коксования тем, что при переработке угля не образуются побочные продукты в виде конденсированных вредных веществ (смолы, фусы, фенольные воды и т.п.).

Она предельно проста по аппаратурному исполнению, надежна в эксплуатации. Однако, как и любая другая технология, она имеет свою ограниченную сферу применения, где достигается максимальный эффект от ее использования.

Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время в стране отсутствуют простые, высокопроизводительные, экономически эффективные и экологически безопасные технологии использования угля.

По результатам обзора поставлены задачи исследования.

Во втором разделе проведены экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при пиролизе частиц угля. Выделены основные управляющие параметры изучаемого процесса.

В качестве сырья для опытов был использован уголь марки 2Б разреза «Березовский-1» Канско-Ачинского угольного бассейна (Красноярский край). Данный уголь был выбран основным сырьём в настоящем исследовании, поскольку он является перспективной сырьевой базой для переработки. Усреднённый технический и элементный состав угля, использованного в экспериментах, представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики угля марки 2Б разреза «Березовский-1» daf daf daf d r V Сdaf Wr Ad Odaf H N S Q t i 30,4% 4,9% 48,5% 71,0% 23,1% 4,9% 0,7% 0,15% 15,7 МДж/кг В экспериментах осуществлялся односторонний нагрев одиночных образцов рядового угля размером 505030 мм до температур 600–1000 оС.

Для устранения ошибки, связанной с учётом тепла от сгорания летучих, идущего на нагрев образца, нагрев осуществлялся в инертной среде аргона.

Форма с пластиной вводилась в предварительно нагретую печь в горизонтальном положении на подвесе электронных весов.

В образец на расстояниях 0, 7, 15, 30 мм от нагреваемой поверхности вводились термопары, с помощью которых в блоке регистрации температур велась запись термограммы прогрева частицы. Процесс нагрева продолжался до тех пор, пока температура изолированной поверхности образца не достигала температуры в камере печи.

В проведенных экспериментах температура поверхности Тпов практически сразу достигает температуры греющей среды Тс (рисунок 1). Таким образом, данная частица является термически массивным телом, поэтому оказывать влияние на ее теплообмен с греющей средой можно только двумя управляющими параметрами:

а) размеры частицы;

б) температура греющей среды.

7106854634221t, мин t, мин 0 20 40 60 0 10 20 30 15 мм 7 мм 0 мм Tсреды Рисунок 1 – Термограммы нагрева угольной частицы при различных температурах Очень мелкие частицы можно обрабатывать в пылевидном потоке.

Такие технологии обладают высокой производительностью. Однако наработанный опыт их применения показал сложность и низкую надежность работы аппаратурного оформления вкупе с высоким уровнем экологической опасности. С другой стороны высокопроизводительные технологии переработки угля в неподвижном слое также характеризуются и сложностью входящего в состав установок оборудования и высоким уровнем токсичности получаемых продуктов. Простая в аппаратурном оформлении и экологически безопасная технология «ТЕРМОКОКС-С» обладает, однако, низкой удельной производительностью.

С этих позиций представляется, что наибольшим и еще не раскрытым потенциалом обладает технология переработки угля в кипящем слое, которая позволяет перерабатывать как мелкие, так и крупные частицы топлива.

Таким образом, дальнейшие исследования посвящены термообработке угля именно в кипящем слое.

Таким образом, для определения влияния выделенных выше управляющих параметров на процесс карбонизации угольных частиц в кипящем слое необходимо проведение экспериментальных исследований непосредственно в аппарате кипящего слоя.

Третий раздел посвящён экспериментальному исследованию влияния управляющих параметров на количественные и качественные характеристики получаемого термококса. Приведена схема экспериментального стенда, а также описание методики проведения экспериментов. Выполнен анализ результатов экспериментальных исследований.

о о Температура, С Температура, С В соответствии с результатами исследования отдельной частицы угля (раздел 2) основным фактором, который обеспечивает интенсификацию нагрева и, соответственно, ускорение карбонизации частиц, является уменьшение их размера при неизменной температуре греющей среды. Этим условиям в полной мере удовлетворяет способ организации технологического процесса в аппарате кипящего слоя. Именно в условиях кипящего слоя в силу высоких значений коэффициента теплообмена предоставляется возможность относительно равномерной обработки частиц близких размеров.

Для исследования закономерностей процесса частичной газификации углей в кипящем слое была изготовлена стендовая установка производительностью до 200 кг/час по углю (рисунок 2). Она представляет собой вертикальную шахту прямоугольного сечения. Зона кипящего слоя футерована шамотным кирпичом и имеет размеры в плане 520 х 55 мм. Для измерения температурного поля в объеме слоя размещено 5 защищенных хромель-алюмелевых термопар с показателем тепловой инерции 3 секунды.

С одной стороны ванны кипящего слоя осуществляется загрузка угля питателем с регулируемым расходом, а с противоположной стороны – вывод твердого продукта. Газообразные продукты и пылевой унос дожигаются в надслоевом пространстве. Сжатый воздух от воздуходувки подается через решетку колпачкового типа с высоким сопротивлением, что обеспечивает равномерное распределение дутья по горизонтальному сечению слоя.

Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки для переработки угля в кипящем слое На стенде выполнено исследование процесса карбонизации углей с высоким выходом летучих веществ в широком диапазоне изменения режимных параметров. В качестве сырья использовались угли Березовского месторождения (марка 2Б), Большесырского месторождения (марка 3Б), Багануурского месторождения Республики Монголия (марка 2Б), Черногорского месторождения (марка Д).

Наиболее широкий спектр исследований был выполнен на угле Березовского месторождения. На первом этапе были выполнены поисковые работы на узких фракциях угля. 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. Далее исследования были продолжены с расширенными фракциями угля, которые рекомендованы для использования в промышленном процессе. Анализ угля и коксовых продуктов выполнялся в аккредитованной испытательной лаборатории ОАО «Сибирский ЭНТЦ», г. Красноярск.

Как было установлено, в Зольность широком диапазоне изменения Выход летучих управляющих параметров Относительный выход температура однозначно определяется соотношением расходов воздуха и угля (Gвозд/Gугля, м3/кг). Поэтому результаты опытных данных представлены в зависимости от температуры t, оС (рисунок 3). Безусловно, важнейшим показателем техно550 650 750 8логического процесса карбониРисунок 3 – Зависимость зации угля является выход кокса.

характеристик кокса и относительного Он определяется в виде выхода от температуры (уголь марки процентной доли продуктового 2Б Березовского месторождения) кокса от расхода исходного угля:

Gкокс/Gуголь·100%. Согласно материальному балансу из угля с характеристиками, представленными в таблице 1, выход кокса с остаточным содержанием летучих Vdaf 10% должен составлять примерно 42%. Однако фактически измеренный показатель сильно зависит от температуры кипящего слоя и всегда существенно меньше теоретического расчета.

Очевидно, что наблюдаемый на практике пониженный выход кокса, кроме уноса мелочи, обусловлен процессом его частичной газификации внутри кипящего слоя. Специфика термической переработки бурого угля в кипящем слое заключается в том, что интенсивный нагрев частиц крупнее 7-10 мм приводит к их дроблению за счет разрыва вскипающей влагой. Поэтому даже % при использовании самых крупных фракций угля, например, 10-15 мм, на выходе из аппарата получается кокс с размером частиц не крупнее 6-8 мм.

Мелкодисперсные частицы, которые образуются в результате термодробления, выносятся из кипящего слоя и дожигаются в зоне подачи вторичного дутья. Кроме того, часть кокса выгорает непосредственно в кипящем слое.

Кокс, полученный из полифракционного угля, по своим характеристикам практически не отличается от кокса, полученного из узких фракций. Так, например, при температуре 700 оС и остаточный выход летучих веществ, и зольность не превышают 10%. При таких характеристиках кокса его относительный выход немного ниже показателя, полученного на узких фракциях. Однако относительная простота приготовления угля более широкого фракционного состава оправдывает его применение в качестве сырья при карбонизации в кипящем слое.

Использование более крупного угля в экспериментальной установке было затруднительно из-за малой ширины ванны кипящего слоя.

Таким образом, в результате исследований процесса частичной газификации в кипящем слое бурого угля марки 2Б Березовского месторождения установлена практическая возможность использования полифракционного угля. Для промышленного технологического регламента был выбран режим переработки бурого угля в интервале температур 700750оС, обеспечивающий приемлемые для последующего использования кокса показатели Ad и Vdaf. Для промышленного процесса переработки угля рекомендуется использовать фракцию 0-15 мм.

На следующем этапе работы был исследован процесс Относительный выход Зольность частичной газификации бурого Выход летучих угля марки 3Б (рисунок 4) разреза «Большесырский» (Красноярский край). От Березовского угля марки 2Б он отличается более низким содержанием влаги, кислорода и более высоким содержанием t, оС углерода. Исследования были начаты с узкой фракции с 600 700 8последующим расширением Рисунок 4 – Зависимость характеристик фракционного состава. Так были кокса и относительного выхода от исследованы фракции 0-5 мм, 0температуры (уголь марки 3Б разреза 10 мм, 0-15 мм. Температура Большесырский ) кипящего слоя также, как и в случае с углем 2Б, однозначно определяется относительным расходом воздуха. Однако при одинаковом % относительном расходе температура кипящего слоя при карбонизации угля марки 3Б существенно выше температуры кипящего слоя на угле 2Б, вследствие меньшей исходной влажности.

Для технологического регламента было рекомендовано использование угля крупностью 0-15 мм. Процесс частичной газификации рекомендовано проводить при температуре кипящего слоя 700-750оС. В этом температурном интервале из рекомендуемой фракции получен кокс с зольностью не выше 10%, остаточным выходом летучих веществ 6-8%. Относительный выход кокса при этом составляет 35%.

Общие закономерности, полученные при исследовании частичной газификации угля разреза «Большесырский» (марка 3Б), совпадают с результатами, полученными при исследовании менее метаморфизованного угля 2Б.

При переработке бурого угля марки 2Б (таблица 2) Багануурского месторождения (Монголия) в кипящем слое выяснилось, что на колосниковой решетке очень быстро накапливается неподвижный слой частиц породы, который препятствует нормальному псевдоожижению. После изготовления устройства для вывода породы удалось организовать непрерывный процесс переработки с одновременным обогащением твердого продукта.

Таблица 2 – Характеристики угля марки 2Б Багануурского месторождения d r daf daf daf daf St Qi V С Odaf N Wr H Ad % МДж/кг 23,3 12,6 44,0 70,0 23,7 5,0 0,70 0,52 17,Благодаря гравитационной сепарации породы, удалось получить кокс с зольностью, не превышающей зольность исходного угля. Так при исходной зольности 12,6% полученный кокс имеет этот же показатель 12%. При сравнительно низкой зольности полученного кокса, его относительный выход составил 30-35%. А минимальный уровень летучих веществ – 7-9%.

Полученные результаты были использованы в качестве исходных данных для модификации котлов БКЗ-75 на ТЭЦ-2 города Улан-Батор в рамках проекта «Модернизация ТЭЦ-2 в г. Улан-Батор по технологии «ТЕРМОКОКС-КС» с целью производства 210 тыс. т/год бездымного бытового топлива». К настоящему времени в Улан-Баторе запущен в эксплуатацию первый модернизированный котел.

Очевидно, что выявленный при частичной газификации Багануурского угля эффект сепарации можно использовать и на других обогащаемых углях.

На обогатительных фабриках по обогащению угля в результате переработки получают малозольный концентрат с высокой теплотой сгорания. Отходом же этих производств является отсев угля с повышенной зольностью, крупность частиц которого не превышает 13-15 мм. Ввиду повышенной зольности такой отсев имеет низкую теплоту сгорания и имеет ограниченное применение. В местах добычи угля к настоящему времени скопились миллионы тонн отсевов углей. Таким образом, актуальной задачей является вовлечение этого отхода производства в хозяйственный оборот путем повышения его потребительской стоимости.

В качестве характерного примера можно привести разрез «Черногорский» Республики Хакасия. На обогатительной фабрике разреза из исходного угля марки Д получают концентрат фракции 13-50 мм с зольностью около 10%. Отходом производства является отсев крупностью 013 мм и зольностью до 20%. Для исследования процесса термообработки отсева Черногорского угля марки Д использовалась готовая фракция 0-13 мм.

Характеристики исходного сырья представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристики отсева Черногорского угля марки Д d r daf daf daf daf St Qi Wr V С Odaf N Ad H % МДж/кг 14,0 15,6 40,0 80,03 13,1 4,45 1,75 0,58 22,В результате исследования процесса частичной газификации отсева Черногорского угля марки Д крупностью 0-13 мм получен кокс с зольностью 12,2 %, что не превышает зольность исходного угля, с выходом летучих 4,4% и теплотой сгорания более 29 МДж/кг (таблица 4). Максимальный относительный выход кокса составил при этом 32% от массы подаваемого угля.

Таким образом, в данном Таблица 4 – Свойства отсева угля разделе: экспериментально марки Д и полученного из него кокса исследованы закономерности Параметр Значение процесса карбонизации углей Уголь Кокс различной степени метаморфизма в Технический автотермическом реакторе с анализ, %:

кипящим слоем, определена Wr 14,0 0,взаимосвязь управляющих Ad 15,6 12,параметров с показателями качества V daf 40,0 4,среднетемпературного кокса, Элементный экспериментально исследован состав, %:

процесс карбонизации обогатимых С daf 80,03 95,углей в кипящем слое, установлен H daf 4,45 1,факт обогащения получаемого кокса, N daf 1,75 2,определена зависимость O daf 13,10 1,качественных показателей кокса от S d 0,58 0,температуры слоя.

Удельная Четвертый раздел посвящен теплота разработке технологического про22,2 29,сгорания, цесса автотермической переработки МДж/кг углей низкой степени метаморфизма в реакторе с кипящим слоем. В течение последних лет радикально изменилась конъюнктура на рынке коксовых материалов и специальных видов твердого технологического топлива. Непрерывный рост потребления углеродных вос-становителей и высокие цены на коксующиеся угли стимулируют поиски путей расширения сырьевой базы за счет вовлечения углей низкой степени метаморфизма. Однако, как было показано в разделе 1, разработанные за последние полвека технологии термического облагораживания углей не удовлетворяют в полной мере современным требованиям к экономической и экологической эффективности.

При проектировании котлов с кипящим слоем частицам угля обеспечивается время пребывания, необходимое для их практически полного выгорания. Недожог за счет механического уноса не должен превышать установленной нормы. Естественно, что по мере сокращения времени пребывания угольных частиц в кипящем слое снижается степень конверсии угля. Таким образом, при определенных временах пребывания в слое, можно обеспечить уровень термической переработки частиц угля, соответствующий показателям процесса карбонизации. В разделе 3 доказана возможность осуществления процесса частичной газификации (карбонизации) угля в кипящем слое. Определены оптимальные режимы получения среднетемпературного кокса и его качественные показатели для углей различной степени метаморфизма. Полученные данные являются основой для разработки новой технологии переработки угля в кипящем слое.

Целью новой технологии является трансформация природного энергоносителя – угля с высоким содержанием летучих веществ – в тепловую энергию и буроугольный кокс на основе их комбинированного производства. Эта технология получила наименование «ТЕРМОКОКС-КС».

Если использовать терминологию традиционной техники сжигания угля, в технологии «ТЕРМОКОКС-КС» задача достижения предельной полноты сгорания топлива заменяется задачей максимизации механического недожога. С этой целью классическая схема горения угля «сушка – выход летучих – горение коксового остатка» прерывается в начале последней стадии.

После определения оптимальных режимов получения кокса встал вопрос об аппаратурном оформлении процесса. Дело в том, что значительная часть теплоты сгорания исходного угля (до 40-50%) переходит в теплосодержание газообразных продуктов сгорания. Таким образом, возникает задача утилизации вторичного тепла. Традиционное решение заключается в использовании котла-утилизатора, в котором охлаждаются горячие дымовые газы. С одной стороны, это повышает энергоэффективность технологии в целом, с другой стороны – позволяет разместить на выходе из котла дымосос и обеспечить необходимое разрежение по всему дымовому тракту. Разработка нового аппарата для осуществления карбонизации угля в кипящем слое требует значительных усилий конструкторов и многолетнего периода последовательного масштабного перехода от лабораторной установки до промышленного агрегата. Не вызывает сомнения, что наиболее эффективным устройством для сжигания угля и утилизации выделяющейся тепловой энергии является современный котельный агрегат, конструкция которого сформировалась в результате длительной технической эволюции, а в последние десятилетия во всем мире широкую популярность приобрели котлы для сжигания угля в кипящем слое.

На основе обобщения достижений котельной техники, и в первую очередь, котлов с кипящим слоем, в компании «Сибтермо» было разработано инновационное решение задачи аппаратурного оформления технологии «ТЕРМОКОКС-КС». Его ключевая идея заключается в модификации котла путем трансформации топки с кипящим слоем в реактор частичной газификации угля. При этом в надслоевом пространстве топочного объема котла за счет вторичного дутья обеспечивается полное дожигание горючих компонентов, выходящих из кипящего слоя. Использование типового котельного агрегата в качестве базового аппарата для энерготехнологической переработки угля существенным образом облегчает решение сложнейшего комплекса конструкторских задач, промышленной отработки технических решений, подбора материалов, комплектующего оборудования, а также разработки технологии изготовления элементов нового оборудования на машиностроительных заводах. По существу все эти задачи уже решены в применении к типовым котлам, имеющим долгосрочную историю надежной эксплуатации в виде многих тысяч действующих промышленных образцов.

Для перевода котла в энерготехнологический режим необходимо выполнить определенную модификацию его топки и вспомогательного оборудования.

При таком аппаратурном исполнении все процессы, связанные с переработкой угля и сжиганием его вторичных продуктов, осуществляются внутри котла, поэтому никакого дополнительного оборудования кроме встроенного охладителя кокса в этом случае не требуется.

Поскольку в котле сжигаются преимущественно газообразные компоненты угольного топлива и незначительная часть пылевого уноса из кипящего слоя, в дымовых газах на порядок снижается концентрация твердых частиц. Этот фактор значительно снижает нагрузку на пылеочистные устройства и обеспечивает существенное снижение пылевых выбросов из дымовой трубы, а также прочих вредных компонентов, характерных для прямого сжигания угля. Кроме того, в энерготехнологическом котле, работающем по технологии «ТЕРМОКОКС-КС», отсутствуют золошлаковые отходы, поскольку минеральная часть угля остается в коксе. Незначительное количество зольного уноса, который улавливается в системе очистки дымовых газов с экономической точки зрения проще подмешивать к основному потоку кокса, чем накапливать и далее транспортировать на золоотвал.

В пятом разделе обобщены результаты опытно-промышленной апробации технологии на базе модернизированного котельного агрегата для комбинированного получения тепловой энергии и буроугольного кокса.

Сформулированы практические рекомендации по использованию новой технологии в промышленном масштабе.

На основе исходных данных, полученных в результате стендовых исследований, по заказу компании «Сибтермо» специалисты НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» (г. Барнаул) в 2006 году разработали проект модификации типового водогрейного котла в котельной Березовского разреза (Шарыповский район, Красноярский край). Генеральный заказчик – ОАО «СУЭК». В 2007 году он был запущен в эксплуатацию.

Пятилетний период эксплуатации модифицированного котлоагрегата подтвердил правильность принятых технических решений. При температуре кипящего слоя 700–750оС весовой выход термококса, осредненный по всем опытам, составил 25,3 % от расхода угля, подаваемого в котел, что полностью согласуется с данными, полученными на стендовой установке.

Качественные характеристики полученного кокса также соответствуют показателям, полученным на испытательном стенде – зольность и остаточный выход летучих веществ не превышают показатель 10%.

Поскольку в котле сжигаются преимущественно газообразные компоненты угольного топлива, содержание в дымовых газах вредных выбросов близко к показателям работы газовых и мазутных котлов. Так, например, концентрация оксидов азота NOx в выбросах оказалось достаточно низкой – 0,275 г/м3, что близко к аналогичному показателю для газовых и мазутных котлов. Концентрация окиси углерода CO также не превышает уровень выбросов, установленный для газовых и мазутных котельных установок – 0,300 г/м3. Кроме того, в энерготехнологическом котле, работающем по технологии «ТЕРМОКОКС-КС», отсутствуют золошлаковые отходы, поскольку минеральная часть угля остается в коксе. Система золоудаления из котла полностью демонтирована, а в качестве бункеранакопителя получаемого кокса используется бункер золоосадительной станции, располагающейся на площадке котельной.

Таким образом, в ходе эксплуатации опытно-промышленной установки на котельной разреза «Березовский-1» подтверждена экологическая безопасность технологии «ТЕРМОКОКС-КС».

В 2012 году начато проектирование энерготехнологического комплекса ЭТК-100 по производству коксобрикетов из термококса мощностью 1тысяч тонн в год по готовому брикету. Сырьевая база – бурый уголь разреза "Березовский-1", объем потребления – 400 тыс. т/год. Основным направлением сбыта продукции планируется ферросплавное производство.

Специалистами компании «Сибтермо» была выполнена оценка инвестиционной привлекательности проекта строительства ЭТК-100 для варианта с отсутствием сбыта тепловой энергии. Рассмотрены три варианта развития проекта при изменении стоимости реализации продукции. Краткие результаты расчетов представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Результаты оценки инвестиционной привлекательности Дисконтированный срок окупаемости, лет Варианты развития проекта С начала С начала инвестирования эксплуатации Базовый:

– цена угля – себестоимость добычи; 4,29 1,– цена коксобрикета – 6000 руб./т.

Оптимистичный:

– цена угля – 0 руб./т.; 3,88 0,– цена коксобрикета – 8000 руб./т.

Пессимистичный:

– цена угля – себестоимость добычи; 4,92 1,– цена коксобрикета – 4500 руб./т.

Таким образом, даже в случае отсутствия сбыта тепловой энергии, благодаря высокой экономической эффективности используемой технологии «ТЕРМОКОКС-КС», срок окупаемости проекта строительства ЭТК-100 в базовом расчетном варианте с начала инвестирования оказывается менее пяти лет, а с начала эксплуатации – менее 1,5 лет. Даже при снижении отпускной цены коксобрикета на 25% основные показатели проекта остаются привлекательными для инвестора.

Основные результаты и выводы 1. Выполнено экспериментальное исследование по определению закономерностей процесса карбонизации углей низкой степени метаморфизма в автотермическом реакторе с кипящим слоем.

2. Разработан технологический процесс автотермической переработки углей с высоким выходом летучих веществ в реакторе с кипящим слоем на основе комбинированного производства энергоносителей, включающий термоокислительную обработку измельченного угля в кипящем слое.

3. На основе результатов исследований разработаны технологические регламенты процесса карбонизации для углей марок 2Б, 3Б, Д, которые используются проектно-конструкторскими организациями (ВНИПИЭТ, НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» и др.).

4. С целью комбинированного производства термококса и тепловой энергии произведена модификация серийного водогрейного котла КВТС-20.

Теплотехнические характеристики кокса и режимные параметры полностью соответствуют показателям, достигнутым на экспериментальном стенде.

Инструментальные замеры выбросов вредных веществ на модернизированном котлоагрегате доказали высокий уровень экологической безопасности технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС».

5. По предлагаемой технологии в настоящее время выполняется модификация двух энергетических котлов марки БКЗ-75 на ТЭЦ-2 в г. Улан-Батор с целью перевода их в режим комбинированного производства пара и буроугольного кокса.

6. На примере проектируемого энерготехнологического комплекса по производству 100 тысяч тонн коксобрикета в год показана экономическая эффективность использования технологического процесса «ТЕРМОКОКС-КС».

7. Практические результаты диссертационной работы используются компаниями ОАО «СУЭК», НИЦ ПО «Бийскэнергомаш», ВНИПИЭТ, ООО «Сибтермо» для использования при проектировании промышленных теплотехнологических установок на основе процесса «ТЕРМОКОКС-КС».

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в ведущих рецензируемых изданиях:

1. Логинов, Д.А. Экспериментальное исследование карбонизации бурого угля в кипящем слое / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Кокс и Химия, 2010. – № 5. – С. 20-23.

2. Логинов, Д.А. Развитие комбинированной технологии переработки угля в кипящем слое / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Промышленная энергетика, 2011. – № 3. – С.12-15.

Публикации в сборниках материалов конференций:

3. Логинов, Д.А. Экспериментальное исследование пиролиза бурого угля в кипящем слое / Д.А. Логинов // Сборник докладов XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 27-31 марта 2006 г. Труды в 2-х томах. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2006 г. – Т.2. – С. 377-379.

4. Логинов, Д.А. Экспериментальное исследование тепломассообмена при пиролизе бурого угля в кипящем слое / Д.А. Логинов // Молодежь и наука: начало XXI века: материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в 3 ч. – Ч.1. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – С. 287–289.

5. Логинов, Д.А. Исследование карбонизации бурого угля в кипящем слое/ Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Теплофизические основы энергетических технологий: сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск 2010. – С.167-171.

6. Логинов, Д.А. Технология комбинированной переработки угля в кипящем слое / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Инновационная энергетика 2010: материалы второй научно-практической конференции с международным участием. – Новосибирск, 2010. – С.112-115.

7. Логинов, Д.А. Результаты исследования карбонизации угля в кипящем слое / Д.А Логинов, С.Р. Исламов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010. Материалы XIII Международной научнопрактической конференции. – Кемерово, 2010. – С. 129-132.

8. Логинов, Д.А. Экспериментальное исследование карбонизации бурого угля в кипящем слое / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Молодежь и наука: Сборник материалов VI-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых [Электронный ресурс]. - Красноярск, 2011.

9. Логинов, Д.А. Гравитационное обогащение при карбонизации угля в кипящем слое / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Наука и современность:

Сборник материалов IV-й Международной научно-практической конференции. – Новосибирск, 2010. – С. 384-388.

10. Логинов, Д.А. Комбинированное производство буроугольного кокса и тепловой энергии в модернизированном котельном агрегате / Д.А. Логинов, С.Р. Исламов // Энергетика и энергоэффективные технологии: Сборник материалов IV-й Международной научно-практической конференции. – Липецк, 2010. – С. 167-171.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.