№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.311
© 2008 г. МИНГАЛЕЕВА Г.Р., ЛЕГКОЕ A.A.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ПОДГОТОВКИ УГЛЯ С ГАЗОГЕНЕРАТОРАМИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Проведен термодинамический анализ систем, в которых реализуются различные способы газификации - в газогенераторах на брикетированном, гранулированном и рядовом угле, что позволяет выработать простые и надежные методы оценки эффективности систем подготовки угля для выбора эффективных схем в условиях модернизации и обновления основных производственных мощностей тепловых электростанций.
Введение. Развитие современной энергетики происходит по пути внедрения в процесс производства тепловой и электрической энергии технологий переработки и преобразования топлива перед его сжиганием. Особенное значение такой подход имеет для твердых видов топлива, в частности, углей различных типов, так как уголь является источником получения ценных энергетических и химических продуктов - синтетического газа, смол, кокса и полукокса.
Самые распространенные способы переработки угля, при которых осуществляется его термическое разложение, - пиролиз и газификация. Газификация угля представляет собой его термическое разложение в присутствии окислителя, пиролиз - без окислителя.
Классификация и современное состояние основных методов газификации
и типов газогенераторов
В данной работе рассматриваются системы подготовки угля с получением генераторного газа в процессе газификации. Возможность проведения процесса с использованием различных окислителей позволяет оказывать влияние на ход процесса и варьировать состав получаемого генераторного газа. Основные параметры газификации - скорость и уровень нагрева топлива, давление в газогенераторе, направление реагирующих потоков.
Результаты фундаментального исследования процесса газификации твердого топлива проведены в монографии [1].
Экспериментальному исследованию и обобщению накопленного материала посвящены работы [1, 2].
Современные разработки основаны на реализации способов газификации с использованием плазмотронов, в шлаковом расплаве с добавкой различных присадок, в потоке водоугольных суспензий и др.
Существующие типы газогенераторов можно классифицировать по следующим признакам: размерам и виду частиц угля, загружаемых в газогенератор; виду применяемого окислителя; способу формирования слоя; виду применяемого теплоносителя.
Различное сочетание данных признаков определяет конструкцию и тип газогенератора, классический вариант которого представляет собой полый цилиндрический ап-
парат с решеткой для поддержки слоя угля и патрубками для подвода окислителя и отвода продуктов газификации.
В газогенераторных установках в 50-60 годах XX века использовался в основном рядовой или сортированный уголь [1, 2].
В настоящее время применяется брикетирование и гранулирование твердого топлива, что снижает унос мелкодисперсной угольной пыли с получаемым генераторным газом.
Газификация твердого топлива решает задачи перевода твердых горючих ископаемых в удобное для сжигания "чистое" топливо - горючие газы и в необходимое химическое сырье - водород и смеси водорода с окисью углерода.
Наметившийся в США в 60-70-х годах дефицит природного газа обусловил развитие газификации твердых топлив с получением газов - заменителей природного газа. Это решение было признано технически возможным и экономически целесообразным. В настоящее время в США создана крупная химическая промышленность, базирующаяся на производстве искусственных газов - заменителей дефицитного природного газа. В России газификация твердых топлив получила большое развитие в 30-40-х годах, когда была поставлена задача замены дальнепривозных топлив местными видами твердого топлива, но с конца 50-х годов с ростом добычи и сфер применения природного газа она была сведена к минимуму и в энергетическом секторе - вообще ликвидирована. На сегодняшний день в России нет газогенераторных энергетических агрегатов промышленных мощностей, работающих на угле [3].
В период 1978-2003 гг. в мире было построено 72 предприятия газификации угля, из которых 23 находятся в США, 23 - в Европе, 26 - в Азии, 14 - в Китае, где 80% от общего объема используемых углей подвергается предварительной газификации, в Южной Корее построена самая мощная установка - 950 МВт. С 1990 г. доля проектов, направленных на производство не только химических продуктов, но и энергии, непрерывно увеличивается. В 2000 г. их доля составляла 94% от общего числа проектов предприятий газификации угля. Для новых мощностей, разработанных в 1990-1999 гг., соотношение между производством энергии и химическими продуктами составляло 1,4 : 1, в 2000-2010 гг. это соотношение должно достичь 3 : 1 в пользу получения энергии.
Система энергоснабжения России с начала 60-х годов оказалась ориентированной практически только на газ. Были разработаны и созданы лишь единичные опытные образцы газификационных установок, ни один из которых не был доведен до крупной пилотной установки или до промышленного использования [3].
Учитывая сложность и разнообразие процессов, происходящих в системах подготовки и преобразования угля перед его сжиганием, и значительные отличия компоновок схем, необходимо выработать такие методы анализа эффективности этого процесса, которые позволили бы сравнить различные технологические схемы и оценить вклад каждого этапа в формирование общего параметра эффективности для всей схемы, а также учесть затраты различных видов энергии на проведение процесса.
Рассмотрим системы подготовки угля с газогенераторами трех типов - для брикетированного, гранулированного и сортированного угля, компоновка и параметры работы которых даны в [4]. Был проведен анализ структуры и состава оборудования выбранных схем, определена последовательность их расчета. В качестве окислителя во всех системах использовался воздух.
Методические основы термодинамического анализа систем подготовки угля с газификацией
Основная задача термодинамического анализа заключается в исследовании процессов, которые происходят с объектами вследствие внешнего энергетического воздействия. В результате определяются: конечное состояние объекта, достигаемое в ре-
зультате проведения процесса, произведенная работа и количество переданного в процессе тепла.
Если известны данные о механизме процесса, то можно представить его схему, чтобы сделать полный термодинамический анализ. Для определения работы и количества тепла достаточно знать внешние условия, в которых протекает процесс, начальные и конечные состояния всех участвующих в процессе объектов.
Существующие методы термодинамического анализа имеют специфические области применения. Метод циклических процессов [5] разработан для теории тепловых двигателей и основан на использовании второго начала термодинамики. Как критерий эффективности процесса принят термический коэффициент полезного действия, который определяется как отношение произведенной осуществляющим этот процесс двигателем полезной внешней работы И к количеству тепла Q1, отданного теплоот-датчиком
П =
Метод термодинамических потенциалов [5] основан на исследовании функций состояния системы - внутренней энергии тела и, его энтальпии I и энтропии Любая комбинация и, I, 5 и параметров р, V, Т будет представлять собой функцию состояния тела. Термодинамический анализ процессов изменения состояния тел требует знания свойств этих тел. Они могут определяться по таблицам и диаграммам (Т-5, 1-5,1-Т).
Применение термодинамических потенциалов и, I, 5, Ф, Э для анализа процессов изменения состояния тела и определения производимой при этом работы и количества полученного телом тепла представляет собой общий метод термодинамического анализа. Знание хотя бы одного из термодинамических потенциалов позволяет определить и термическое, и калорическое уравнение состояния тела, следовательно, и все основные термодинамические свойства тела, и характеристики происходящего с ним процесса. Метод термодинамических потенциалов предполагает подробное исследование процессов, происходящих в аппаратах.
При реализации энтропийного метода определяются внешние и внутренние потери в аппаратах.
Эксергетический метод может основываться на расчете потоков эксергии на входе в аппарат и на выходе из него или использовать метод термодинамических потенциалов для определения изменения эксергии тела. Убыль эксергии тела между начальным состоянием и состоянием равновесия с окружающей средой определяет работоспособность тела, т.е. ту максимальную полезную работу, которую тело может совершить над внешним объектом работы при обратимом переходе из исходного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.
Для анализа систем подготовки твердого топлива наиболее приемлем эксергетический метод [6, 7], так как он учитывает и работоспособность тела, и возможность химических преобразований, которые могут быть определены при помощи химической эксергии исходных и полученных веществ. Этот метод применялся для определения термодинамической эффективности традиционных систем с сушкой и пылеприготов-лением [8, 9].
В рассматриваемых системах с газификацией топлива в различной последовательности происходят процессы сушки, сортировки, дробления, измельчения, приготовления гранул или брикетов и газификации подготовленного продукта.
Процесс сушки в паровой панельной сушилке характеризуется следующим соотношением для определения эксергетического КПД, который отражает термодинамическую эффективность процесса
Пех = (Ес.т - Ехим)/(Ет + Ес.а + Евоз + Ес - Ехим)> (1)
где Ет - термическая эксергия угля на входе в сушилку, кДж/кг; Ест - эксергия сухого топлива на выходе из сушилки, кДж/кг; Еса - эксергия сушильного агента, кДж/кг;
Евоз - эксергия воздуха, кДж/кг; Ьс - электрическая мощность, затрачиваемая на подачу компонентов в сушилку, кДж/кг; Ехим - химическая эксергия угля, кДж/кг.
В процессе сушки удаляется только физически связанная влага, химическая эксергия не изменяется и может рассматриваться как транзитная.
В грохотах и дробилках происходят механические процессы сортировки и дробления угля. При
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.