Глава 6. Газификация угля в барботажных столбах

Для оптимизации технологии и выработки обоснованных рекомен­даций по управлению процессом необходимо изучение газификации угольных частиц в барботажных столбах. В силу сложности рассма­триваемой физико-химической системы, ее детальное математиче­ское описание пока не разработано.

На газификацию угля в шлаковой ванне влияют как физико­химические, так и гидродинамические факторы.

Частицы диспергированного угля увлекаются потоками шлака и, в соответствии с его распределением в ванне, непрерывно подводятся к факелу нижней фурмы или барботажному столбу, вовлекаются на том или ином их участке в газожидкостную смесь, где участвуют в про­цессах газификации (рис. 6.1).

Для описания газификации угля в барботажных столбах была раз­работана математическая модель, включающая согласованные бло­ки формально-кинетических уравнений химического реагирования в газовой фазе пузырей, содержащих угольные частицы и тепловой работы барботажного столба (с использованием модели горения дис­персного углерода [5], адаптированной к условиям технологии), а также уравнений гидродинамики всплывающей в расплаве боковой газожидкостной струи (с использованием модели Дж. Зекели [7]).

При построении модели рассматривали изменение состава газовой фазы в элементе объема, движущемся вдоль осевой линии факела. При этом на основании опыта эксплуатации и прямых экспериментов на опытной установке были сделаны следующие допущения:

- выход itptv4ry и піаги из частиц угля осуществляется в виде соот­ветственно

Рисунок 6 1 Схема продувки расплава 1 - стена реактора, 2 - водоохлаждаемая фурма, 3 - шлаковый расплав, 4 - газовая полость 5 - барботажный столб б - уголь (обозначения — см текст)

- в шлаке отсутствует жидкая металлическая фаза.

- в работе [8] показано, что по параметрам своего гидродинами­ческого режима барботируемый шлаковый расплав близок к реакто­ру идеального смешения. Поэтому считали, что полное обновление жидкой фазы в элементарном объеме всплывающей газожидкостной смеси на каждом шаге счета по времени приводит к идеальному те­плообмену со средой. Кроме того, при струйной продувке метал­лургических расплавов температура дутья становится равной тем­пературе ванны уже на расстоянии менее двух калибров фурмы [9]. Соответственно физико-химические процессы в барботажных стол­бах, включая зону внедрения дутья в расплав, считали изотермиче­скими;

- также считали, что идеальный массообмен приводит к полному обновлению угольных частиц, находящихся в элементарном объеме всплывающей газожидкостной смеси на каждом шаге счета по вре­мени. С учетом слабой смачиваемости угля шлаком полагали, что все частицы угля в газовой фазе рассматриваемого элементарного объема реагируют без экранирования жидкой инертной фазой;

- в соответствии с данными по зондированию шлакового расплава в ходе опытных плавок, при построении модели учитывали неодно­родность распределения замешанного в шлаке угля по высоте распла­ва (были введены три характерные концентрации угольных частиц на соответствующих горизонтах барботируемой ванны).

При выводе системы формально-кинетических уравнений хими­ческого реагирования в газовой фазе барботажных столбов считали, что определяющими являются следующие реакции (табл. 6.1.)

Реакции 1-5 относятся к 1 м2 поверхности частицы, реакции 6-8 - к 1 м3 газов при температуре 273 К и давлении 760 мм. рт. ст.

Динамика изменения состава и тепловыделения в газовой фазе по ходу всплытия газожидкостной струи с захваченными в нее угольны­ми частицами, описывается следующими уравнениями:

і идродинамику распространения ооковои струи в расплаве описа­ли с использованием известной модели Дж Зекели [7] с поправками на термическое расширение газа по Т.

Представленная выше модель газификации угольных частиц в барботажных столбах была реализована в среде математического программирования MATCAD. Расчеты изменения состава газов и тепловыделения по ходу всплытия в расплаве газожидкостной струи выполнили с использованием фактических данных, полученных при работе опытной установки в режиме газификации Кузнецкого

Для проверки адекватности модели провели отбор проб газа не­посредственно из фурмы на различном расстоянии от среза сопла во время продувки шлаковой ванны. Одновременно отбирали пробы газа непосредственно над ванной. Фактические и расчетные по модели со­ставы газов приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Фактический и расчётный состав газа*

*- без учета Н20

**- числитель - эксперимент, знаменатель -расчет по модели

Из табл.

ке струи связаны как с высокими погрешностями измерения низких концентраций, так и с точностью расчетов на модели. В связи с тем, что начальный участок не играет существенной роли в формирова­нии состава газа на выходе из слоя, «подстройку» модели для кор­ректировки отношенията этом участке не производили. От­

клонения расчетного от фактического состава барботирующего газа уменьшаются с высотой и на выходе из ванны не превышают 0,8%.

Таким образом, модель может быть использована для качественных исследований процесса.

На рис. 6.2 дан характерный пример расчета тепловыделения и из­менения состава реагирующего в струе газа по высоте барботажного столба. Как видно из рисунка, в барботажном столбе можно выделить три характерные зоны: воспламенения, горения и конверсии С02. Наибольшее выделение тепла происходит в зоне горения, которая располагается на участке от 0,30 до 0,67 м над уровнем оси фурмы, то есть в нижней части ванны, но уже за пределами воспламеняющегося факела (фурменной зоны). В области конверсии С02 (верхней части барботажного столба) происходит поглощение тепла.

Рисунок 6 2 Тепловыделение и изменение состава реагирующего в струе газа по высоте барботажного столба (Н)

Изменения в концентрации угля по высоте ванны ясно отразились на ходе зависимости рис. 6.2. Высота зоны воспламенения составляет около 0,15 от высоты барботажного столба, зона горения около 0,19, зона теплопоглощения около 0,66. Расчетное тепловыделение для одной фурмы составило 3,6 ГДж/ч, что удовлетворительно согласует­ся с реальными показателями процесса (3-4 ГДж/ч).

При высоте шлака менее 0,5 м кислород не успевает полностью прореагирояять с углеродом в ванне.

Глава 7. Поведение влаги угля при газификации[2]

Содержание влаги в угле может изменяться в широких пределах.

Кроме влаги, поступающей в реактор вместе с угольными части­цами, влага может подаваться вместе с кислородсодержащим дутьем.

Поведение влаги поступающей с дутьем достаточно очевидно. Как и кислород, она уже на начальном участке траектории струи практи­чески полностью взаимодействует с замешанными в шлаке угольны­ми частицами с образованием Н2 и СО.

Характер взаимодействия влаги с углеродом в угольной частице в процессе ее нагрева неочевиден и требует специального изучения. В зависимости от степени такого взаимодействия меняется тепловой баланс процесса и состав продуктов газификации угля.

Обычно влажность угля составляет 7-10 % (по массе), то есть общее количество влаги поступающей в шлаковую ванну установки мощно­стью 50 МВт составляет несколько тонн в час.

При попадании частиц шихтовых материалов в шлаковый расплав, происходит их быстрый нагрев, сопровождающийся испарением вла­ги, содержащейся в частицах. Пары влаги могут взаимодействовать с углеродом в процессе нагрева по реакции [12]:

Реакция (7.1) может протекать внутри угольной частицы, когда в процессе ее прогрева протекает реакция между С и Н20, принадлежа­щих этой частице.

В настоящее время нет точных данных о том, как ведут себя ча­стицы шихтовых материалов при их попадании в печь. Нет данных и о том, на какой глубине происходит испарение влаги, и выделяются летучие компоненты угля.

Было высказано предположение, что при попадании частиц угля в шлаковую ванну, они находятся в достаточно тонком поверхностном слое до тех пор, пока в них не завершатся процессы газовыделения.

С целью проверки данного предположения были исследованы угольные частицы, отобранные при проведении экспериментов на

опытной установке. Из проб шлака были извлечены угольные части­цы. Анализировали содержание в этих частицах летучих компонен­тов. Температура начала выделения летучих компонентов составляет =300°С, что намного превышает температуру испарения гидроскопи­ческой влаги. Поэтому можно утверждать, что если летучих компо­нентов в угольной частице нет, то в ней не было и влаги.

Из шлаковой ванны были отобраны образцы шлака, содержащие частицы Кузнецкого угля марки ТМ. Часть образцов была отобрана с высоты Н=1500 мм от подины, что соответствует уровню продувоч­ных фурм, а часть с высоты Н=2850 мм, т.е. из поверхностного слоя шлакового расплава.

Сухой образец взвешивали и помещали в тигель с известной мас­сой. Затем тигель с образцом опускали в разогретую до 1400 °С печь сопротивления с графитовым нагревателем, выдерживали в течение 5 минут, после чего охлаждали образец вместе с печью. В печи поддер­живалась восстановительная атмосфера. Взвешивая тигель с образ­цом угля, определяли потерю массы сухим образцом за счет выхода летучих компонентов.

Содержание летучих компонентов в образцах, отобранных с уров­ня продувочных фурм составляло 0,6-0,7% масс, и было существенно меньше, чем в образцах, отобранных из поверхностного слоя (8-11% масс.). Содержание летучих компонентов в исходном угле составляло около 14 %.

Такая большая разница в содержании летучих компонентов в уголь­ных частицах, отобранных с различных горизонтов шлаковой ванны, свидетельствует о том, что летучие компоненты выделяются преиму­щественно в верхней ее части и угольные частицы попадают в более глубокие слои только после завершения выделения из них газов.

Так как температура выделения летучих компонентов угля выше температуры испарения влаги можно утверждать, что и влага выделя­ется из угля в верхней зоне шлаковой ванны.

То есть, выделяющаяся при нагреве частиц угля влага может взаи­модействовать только с углеродом этой же частицы.

Из (7.1) следует, что эта реакция идет при температуре >941 К (668°С). Если в процессе прогрева угольной частицы произойдет удале­ние влаги из ее центральной части до достижения этой температуры на поверхности, то влага не может взаимодействовать с углеродом. То есть условием взаимодействия влаги с углеродом является наличие большо­го градиента температур между поверхностью и центром частицы.

Величина градиента температур зависит от теплофизических свойств угольных частиц (в первую очередь от коэффициента тепло­

проводности), свойств шлакового расплава (коэффициента теплоотда­чи от расплава частице), его температуры и размеров частиц.Данные теплопроводности угольных частиц приведены в работах [13-15]. Для твердых топлив коэффициент теплопроводности зависит от темпера­туры и плотности, увеличиваясь с их ростом.

Наибольший коэффициент теплопроводности у антрацитов и по- луантрацитов (при О °С - 0,35-0,38; при 100 °С - 0,49-0,53 Вт/(м-К)), наименьший - у бурых углей (при 0 °С - 0,30-0,32; при 100 °С - 0,42-0,44 Вт/(м-К)). В интервале между этими значениями находятся коэффициенты теплопроводности для углей марок Д, Г, СС, ОС, Ж, К (при 0 °С - 0,32-0,34; при 100 °С - 0,44-0,47 Вт/(м-К)) [16].

Чем больше теплопроводность угольных частиц и чем меньше их размер, тем меньше будет взаимодействие влаги частицы с углеродом в процессе нагрева.

Анализ данных, полученных при проведении кампаний на опыт­ной установке, не позволил выявить степень взаимодействия влаги с углеродом из-за влияния на процесс большого количества факторов, часть которых невозможно было контролировать. В связи с этим была проведена серия экспериментов в лабораторных условиях.

В работах [17,18] приведены данные по исследованию скорост­ного нагрева образцов углей с высоким (Кс=35-44%), средним (VL= =26-32%) и низким (Р=20%) содержанием летучих компонентов. Раз­меры частиц угля составляли 3-9 мм. Нагрев осуществляли в газовой среде и жидком шлаке при температуре 1793 К (1520°С). Исследова­ния показали, что скорости выделения летучих компонентов из угля одной и той же марки одинаковы, вне зависимости от среды. Следо­вательно, одинаковы и скорости нагрева угольных частиц. Авторы основываются не только на измерениях скорости выхода летучих, но и на фотографиях, полученных в ходе осуществления эксперимента с помощью рентгеновского излучения. Данное явление авторы объ­ясняют тем, что при нагреве угольной частицы в шлаковом расплаве на ее поверхности образуется газовая оболочка, которая препятствует непосредственному контакту частицы со шлаком. Нагрев угольной частицы происходит через газовую оболочку, которая в свою очередь нагревается от шлакового расплава. Т.е. пока из угольной частицы не выделятся вся влага и летучие компоненты, частицы, находящиеся в газе и шлаке, нагреваются в одинаковых условиях и с одинаковой ско­ростью.

Эти результаты позволили при исследовании взаимодействия вла­ги с углеродом угля ограничится только опытами по скоростному на­греву угольных частиц в газовой фазе.

Эксперименты проводили на печи сопротивления с восстанови­тельной атмосферой.

В качестве исследуемых образцов были взяты углеродсодержащие материалы (УМ) с различной реакционной способностью:

- активированный уголь, как образец с высокой реакционной спо­собностью;

- древесный уголь, как образец со средней реакционной способ­ностью;

- кокс доменный, как образец с низкой реакционной способно­стью.

Таблица 71 Технический анализ углеродсодержащих материалов, %

Использованные в опытах образцы имели свойства, приведенные в табл.7.2.

Таблица 7.2 Свойства используемых в экспериментах углеродсо­держащих материалов

Технический анализ углеродсодержащих материалов приведен в табл. 7.1.

Плотность образцов определяли гидростатическим способом пу­тем измерения их масс на воздухе и в воде с помощью аналитиче­ских весов. Для измерения общего объема пор и удельной поверх­ности углеродсодержащих материалов использовали газометр ГХ-1, который предназначен для измерения объема азота, сорбированного сыпучими ингредиентами материала из потока азото-гелиевой смеси при температуре жидкого азота.

Все образцы (кроме активированного угля) имели форму паралле­лепипеда с размерами не более 15x15x30 мм.

Перед основными экспериментами с образцами фиксированной влажности проводили градуировочные (холостые) опыты для опреде­ления потери массы частицей УМ за счет выхода летучих веществ и возможного окисления ее углерода кислородом воздуха при вводе об­разца УМ в рабочее пространство.

Получение образцов УМ с фиксированной влажностью произво­дили следующим образом. Образцы предварительно высушивали, за­тем взвешивали, насыщали их влагой. Увлажнение проводили либо путем обработки образцов паром, либо погружая их в горячую воду. После обработки образцов водой их выдерживали в течение часа для того, чтобы удалилась влага, содержащаяся в порах вблизи поверхно­сти частиц. Установили, что этого времени достаточно для стабилиза­ции веса образца. После этого частицы вновь взвешивали, определяя, таким образом, их влажность.

Затем образцы известного веса в прокаленных и предварительно взве­шенных алундовых тиглях помещали в нагретую до температуры 1400°С печь и выдерживали в течение 5 мин. Систему охлаждали вместе с печью. По изменению веса образцов после охлаждения определяли массу углеро­да, прореагировавшую с водой и соответственно, массу прореагировавшей воды. Степень взаимодействия влаги с углеродом - отношение количества прореагировавшей воды к исходному ее содержанию в образце.

На рис. 7.1 графически представлена зависимость доли гигроско­пической влаги УМ, прореагировавшей с углеродом УМ, от его влаж­ности (W).

Видно, что при увеличении реакционной способности УМ уве­личивается количество влаги, взаимодействующей с углеродом. При увеличении влажности частиц УМ доля влаги, взаимодействующей с углеродом, уменьшается. Обычно угли (Т, ТСШ, АШ, ОС) по ре­акционной способности находятся между древесным углем и коксом (заштрихованная область). Как правило, содержание влаги в углях со­ставляет 8-10 %. То есть около 0,33-0,88% (абс.) влаги может взаимодействовать с углеродом угля при его нагреве в шлаке

Влажность УМ, %

Рисунок 7 1 Зависимость количества влаги УМ, прореагировавшей с углеродом, от влажности W и типа УМ

Таблица 7 4 Значения величины в зависимости от влаж­

ности угля

С учетом данных о содержании з образцах УМ (табл 7.1), для каждого из них была определена дол*прореагировавшего с влагой. Результаты расчетов приведены в табл. 7.5.

Таблица 7 5 Расчет доли Сфикс, прореагировавшего с влагой

На рис. 7.2 результаты расчета (табл. 7.5) отражены графически.

Видно, что чем выше влажность УМ и реакционная способность образца, тем больше доля фиксированного углерода УМ, прореаги­ровавшего с влагой. Для углей с влажностью 8-10 % (масс.) около 0,5 % (масс.) фиксированного углерода будет взаимодействовать с соб ственной влагой.

Рисунок. 7.2. Зависимость доли углерода УМ, прореагировавшего с влагой, от влажности и типа УМ