Глава 1. Технологические принципы нового процесса газификации угля
В настоящее время происходит возрождение интереса к использованию угля в энергетических целях в России как со стороны производителей тепловой и электрической энергии, так и со стороны крупных ее потребителей
Этому способствуют следующие обстоятельства.
Принятая в ноябре 2006 г. программа реформирования энергетики предусматривает Постепенное увеличение стоимости природного газа для потребителей внутри страны. К 2011 году цена на природный газ должна стать равноэффективной для внутреннего и внешнего рынков. При сегодняшних ценах, цена для внутренних потребителей должна составить около 125 долларов США за 1000 м3 природного газа вместо 50 долларов США на начало 2007 года.
Потребность в электроэнергии в России растет вместе с ростом промышленного производства В ряде регионов уже сейчас ощущается ее нехватка.
Удовлетворить растущие потребности экономики в энергии за счет природного газа невозможно, так как в последние годы увеличения объемов добычи природного газа практически не происходит. Кроме того, Россия приняла на себя значительные обязательства по поставкам природного газа за рубеж и гарантировала их исполнение Внутри страны осуществляется масштабная кампания по газификации населенных пунктов, в настоящее время ее уровень составляет всего около 50 %. Все это требует значительных поставок природного газа Таким образом, объем добычи природного газа ограничен, значительная его часть направляется для выполнения государственных обязательств по поставкам за рубеж и для решения социальных вопросов в России. Стоимость природного газа значительно увеличивается. Потребность в энергии внутри страны растет
Единственным энергоносителем, использование которого в ближайшей перспективе может обеспечить растущие потребности в энергии, является уголь.
В целом угольная энергетика требует более высоких капитальных вложений и эксплуатационных затрат, чем газовая Проведение разумной ценовой и налоговой политики государством вполне способно дать импульс к ее развитию в условиях рынка
Развитие угольной энергетики невозможно без обеспечения сравнимых с газовыми станциями экологических показателей, удовлетворяющих современным требованиям.
Значительное уменьшение вредного воздействия на окружающую среду возможно только при использовании новых эффективных угольных технологий.
Разработке процессов эффективной газификации угля[1] уделялось значительное внимание на всех этапах развития энергетики Это связано в первую очередь с тем, что уголь является наиболее массовым и доступным источником тепловой и электрической энергии Известны десятки доведенных до промышленной эксплуатации способов газификации угля, еще больше реализовано на стадии пилотных установок [1]
Условно все способы газификации угля можно разделить на способы газификации кускового, мелкозернистого и пылевидного топлива. Эти способы реализуются, как правило, в установках с неподвижным слоем, кипящим слоем и факельных, соответственно В качестве окислителя используется воздух, кислород, водяной пар, двуокись углерода в различных соотношениях
Несмотря на многообразие известных способов газификации угля [2], до сих пор не удалось создать эффективную и экологически чистую угольную технологию, сравнимую с технологиями на природном газе.
Такая технология должна обеспечивать
1. Комплексное использование угля как минерального сырья То есть, полезно должна использоваться как органическая, так и минеральная части угля. Только реализация этого условия может обеспечить сравнимые с газовой энергетикой экономические показатели
2. Возможность стабильной работы установок на углях разного типа и качества
3. Минимальное количество отходов (золы)
4 Высокую маневренность, то есть возможность регулирования производительности процесса в широких пределах и возможность производства газа различного состава
5 Существенно меньшее количество вредных выбросов в виде оксидов азота, серы и пыли.
6. Высокую удельную производительность процесса.
Основы технологии, отвечающей перечисленным требованиям, были разработаны в металлургии [3].
На предприятиях черной металлургии достигнуты существенные результаты в области газификации угля.
Достаточно сказать, что при производстве чугуна в доменных печах около 50 % от общей теплотворной способности кокса преобразуется в химическую энергию доменного газа, который используется в качестве газообразного топлива для различных технологических нужд, в том числе и на заводских ТЭЦ [4] Калорийность доменного газа составляет около 4,5 МДж/нм3. Другим процессом, в котором осуществляется частичная газификация угля, является коксование. Калорийность коксового газа составляет около 18 МДж/нм3. Большое количество монооксида углерода образуется в сталеплавильном производстве, его использование в качестве газообразного топлива имеет большие перспективы. В целом в черной металлургии сегодня стоит вопрос о совмещении производства металла с производством электроэнергии для покрытия собственных нужд и на продажу потребителям. Такой подход позволит существенно снизить энергоемкость продукции и улучшить экономические показатели металлургического производства.Газификации угля в шлаковом расплаве является неотъемлемой частью способа внедоменного производства чугуна — процесса Ромелт [5], который длительное время разрабатывался и исследовался на опытной установке промышленного размера. Понимая самостоятельное значение этой технологии, авторы уже на ранних этапах работы уделяли значительное внимание газификации угля, в том числе путем проведения специальных исследований.
Результатом этих исследований стали теоретические и технологические основы газификации угля в шлаковом расплаве, изложенные в книге. Эта технология может стать основой для нового поколения эффективных, экологически чистых угольных энергетических установок.
Газификация угля более привлекательна по сравнению с его сжиганием, так как позволяет повысить КПД производства энергии за счет сжигания генераторного газа в газовых турбинах. Кроме использования получаемого из угля газа для энергетических целей, его можно использовать как технологическое топливо в различных отраслях и как ценное сырье для химической промышленности.
Особенно привлекательна газификация угля с использованием в качестве окислителя кислорода вместо воздуха. Это позволяет существенно повысить качество производимого газа (его калорийность).
При кислородной газификации существенно проще обеспечить утилизацию образующейся при его сжигании двуокиси углерода В перспективе это позволит производить энергию при нулевом выбросе парниковых газов в атмосферу.
Развитию таких технологий уделяется значительное внимание в Европе и США [6, 7].
Технология газификации угля в шлаковом расплаве позволяет обеспечить экологически безопасное и эффективное производство энергии из угля.
Выбор в качестве реакционной среды шлакового расплава обеспечивает высокий температурный уровень и, следовательно, высокую производительность процесса, значительные экологические выгоды и простоту конструкции основного оборудования.
Процесс газификации угля осуществляется следующим образом (рис. 1 1) В шлаковую ванну, находящуюся в реакторе-газификаторе, через боковые фурмы вдувают кислородсодержащее дутье ниже уровня поверхности шлака При этом расплав, находящийся выше уровня фурм, переходит в барботируемое состояние, характеризующееся высокой интенсивностью перемешивания и газосодержанием 40-60% по объему. Нижняя часть ванны остается в спокойном состоянии
 |
Сверху в реактор-газификатор непрерывно загружают уголь и флюс.
После попадания угля в расплав в результате быстрого нагрева из частиц угля выделяются летучие и влага. За счет высокой интенсивности перемешивания происходит замешивание частиц ококсованного топлива в объем барботируемой зоны.
Кислород дутья, проходя через шлак, окисляет замешанные в шлаке частицы твердого топлива по реакциям:
соотношение си/си, в генераторном газе может регулироваться технологическими приемами в широких пределах вплоть до получения окиси углерода с минимальным содержанием С02.
Кроме кислорода в газификации угля частично участвует влага, содержащаяся в нем, или специально подаваемые вместе с дутьем пар или вода:
часть элементов, содержащихся в золе угля в виде оксидов, имеющих меньшее сродство к кислороду по сравнению с углеродом, также участвуют в газификации угля:
обеспечивая дополнительное производство газа. К таким оксидам можно отнести всегда содержащиеся в золе угля оксиды железа, частично оксиды калия и натрия и некоторые другие.
После взаимодействия с углеродом восстановленные элементы в зависимости от упругости пара либо оседают на дно реактора, формируя металлический расплав, либо в виде паров удаляются с газом.
Зола угля, состоящая в основном из оксидов, растворяется в шлаковом расплаве. При необходимости состав шлака корректируется флюсующими добавками (известняк, известь, доломит).
По мере образования шлака осуществляется его непрерывный или периодический выпуск. Шлак выводится из подфурменной слабо перемешиваемой зоны через сифонное устройство. Вывод образующегося из золы угля шлака из подфурменной зоны позволяет избежать механических потерь не полностью сгоревшего топлива со шлаком. Так как плотность угольных частиц существенно ниже плотности шлакового расплава, а перемешивание шлака в этой зоне незначительно, частиц твердого топлива здесь нет.
Образующийся металлический сплав также выводится из реактора.
Газ направляется на охлаждение и очистку или сжигается в котле кислородом воздуха.
Реактор-газификатор работает под небольшим разрежением (2-3 мм водяного столба), создаваемым дымососом (вытяжным вентилятором). Отсутствие избыточного давления в реакторе существенно упрощает его конструкцию.
Содержание кислорода в дутье может изменяться в широких пределах. Производительность повышается при увеличении содержания кислорода в дутье. Также в значительных пределах может изменяться количество влаги и газифицирующих уголь оксидов элементов.
Отработка технологии газификации угля в шлаковом расплаве осуществлялась на опытной установке Ромелт на Новолипецком металлургическом комбинате (г. Липецк) [8] и на пилотной установке в Научном Центре г. Таэджон (Ю. Корея) [9].