Технология газификации
Процесс осуществляется в рабочей камере реактора, представляющей собой единый объем, который функционально можно разделить на три зоны:
1. Подфурменная зона слабоперемешиваемого шлака, в которую поступает образующийся при газификации угля шлак и капли металла, формирующие металлическую ванну на подине.
Вывод металла и шлака из реактора осуществляется из соответствующих слоев в этой зоне. Угольные частицы не могут попасть в эту зону из-за того, что их плотность существенно ниже плотности шлака и, соответственно, исключается возможность потерь угля со шлаком. То есть, именно наличие этой области обеспечивает полную газификацию угольных частиц в расплаве. Скорость движения шлака здесь невелика. Это позволяет подину и стены этой области выполнить из огнеупорных материаловВ этой области происходят реакции взаимодействия металла со шлаком как на границе металлическая ванна - шлаковая ванна, так и на границе оседающих капель металла. При содержании в шлаке оксидов железа менее 3 %, в основном это реакции распределения между металлом и шлаком серы, марганца, кремния и других примесей.
При более высоких концентрациях оксидов железа в шлаке возможно обезуглероживание капель металла и металла на подине. Эта реакция сопровождается выделением СО, что приводит к улучшению перемешивания, увеличению потока оксидов железа к ванне металла и ускорению его обезуглероживания. При содержании оксидов железа более 8 % этот процесс может происходить с нарастающей скоростью и приводить к вспениванию ванны.
2. Зона интенсивно перемешиваемого шлака. В продольных стенах реактора в этой области установлены фурмы, через которые расплав продувается кислородсодержащим дутьем. В этой области происходят все основные физико-химические превращения: нагрев угольных частиц, удаление из них влаги и летучих компонентов, газификация ококсованных частиц угля, растворение флюса, восстановление окси
дов железа из шлака углеродом угольных частиц Скорость движения шлака в этой области значительна и составляет порядка 1 м/с.
Поэтому стены реактора в этой области выполнены из водоохлаждаемых элементов (кессонов), на которых образуется гарнисаж из шлакаВажнейшей частью зоны интенсивно перемешиваемого шлака являются барботажные столбы.
Барботажные столбы представляют собой восходящие газожидкостные потоки, генерируемые действием продувочных фурм. В основании барботажного столба находится газовое тело В нем происходит первичный нагрев дутья, его термическое расширение; начинается реагирование вовлеченных в газожидкостную струю частиц угля с кислородом дутья. Сплошное газовое тело располагается практически горизонтально и распространяется в шлаковом расплаве, при указанных интенсивностях продувки, на длину около 0,5 м. Как показано выше, состав газовой фазы в конце газового тела свидетельствует о прогреве дутья на этом участке до 800-1000 °С и начале химического взаимодействия по реакции Ств + 02 = СО, (в избытке кислорода), сопровождающемся ростом содержания С02 в газовой фазе. Основное термическое расширение газа происходит в конце горизонтального участка и несколько выше его. Вследствие этого величина горизонтальной составляющей импульса струи уменьшается и струя претерпевает достаточно резкий излом вверх, формируя собственно барботажный столб.
В газовом теле и в нижней части барботажного столба в газовой фазе высока концентрация кислорода. В то же время на нижних горизонтах барботируемой шлаковой ванны содержание замешанных в шлак угольных частиц незначительно. Их содержание в нижней части барботажных столбов должно быть еще меньше, поскольку при струйной продувке жидкостей содержание твердой дисперсной примеси в области прохождения струи приблизительно на порядок ниже, чем в остальном объеме. В этих условиях горение угольных частиц в нижней части барботажного столба, как и в газовом теле, должно происходить в избытке кислорода (горение до С02)
По мере поднятия газожидкостной смеси в барботажном столбе в более насыщенные углем горизонты шлаковой ванны содержание угольных частиц в газовой фазе возрастает.
На определенном участке столба кислород в газовой фазе практически исчезает и получает развитие реакция конверсии С02 углеродом угля Таким образом, кислород полностью расходуется на сжигание угля преимущественно в нижней части барботажных столбов, т. е. эта область является источником наибольшего тепловыделения при поднятии в шлаке струи реагирующего газа. Выше нее, в части барботажного столба, где преимущественно развита реакция конверсии С02, газ и шлак охлаждаются При этом, по расчетам при нормальном для технологии количестве угля в шлаке уже к моменту поступления газа в верхнюю часть барботажного столба, находящуюся в обогащенном углем поверхностном слое шлаковой ванны, газовая фаза либо уже практически инертна по отношению к углю, т. к. содержит в основном СО, Н2, N2, либо существенно обогащена этими газами.Над поверхностью шлакового расплава формируется брызговой слой с чрезвычайно развитой поверхностью «газ-шлак». Это обеспечивает передачу в ванну необходимого тепла из зоны дожигания.
Рассмотрим ситуацию в шлаковой ванне при относительно низком содержании в ней угольных частиц
Если содержание угля в шлаке снижается, граница исчезновения кислорода в газовой фазе барботажного столба поднимается выше, как и граница завершения конверсии СО,. Поэтому возможны режимы, когда в зоне поверхностного слоя конверсия С02 будет протекать не полно и из шлаковой ванны будет выделяться газ, содержащий диоксид углерода, и даже кислород. При этом тепловыделение в объеме шлаковой ванны увеличится (горение угля идет до СО,, а не до СО). Однако из-за увеличения объемов шлаковой ванны, в которых преобладают окислительные по отношению к железу условия, восстановление железа прекращается или сильно замедляется, что может привести к росту его содержания в шлаке до величин, при которых может идти обезуглероживание ванны металла и неконтролируемое вспенивание шлака.
Ококсованные угольные частицы примерно в три раза легче шлака. Поэтому, даже при самых больших, допустимых по технологии, интенсивностях барботажа в шлаковой ванне наблюдается значительный градиент содержания угля по высоте ванны.
При этом наибольшая концентрация угля отмечается в тонком поверхностном слое шлака. При избыточной загрузке угля его содержание в поверхностном слое резко увеличивается. Фактически в поверхностном слое образуется динамически устойчивый «угольный» слой, плавающий на поверхности шлаковой ванны по периферии областей выхода из ванны газа барботажных столбов (в самих этих областях шлаковый расплав обеднен углем). В этих условиях резко уменьшается интенсивность образования брызг и всплесков шлака из поверхностного слоя, в значительной мере гасится волновое движение расплава. Соответственно, снижается интенсивность теплообмена между зоной дожигания и шлаковой ванной.
В насыщенном углем поверхностном слое шлаковой ванны значительно возрастает эффективная вязкость шлакоугольной суспензии. Изменяется структура циркуляции шлака
Влияния повышения количества угля в шлаке или вязкости шлака сходны. При повышенной вязкости шлака или большом содержании угля в шлаке интенсифицируется коалесценция пузырей в барботажных столбах, большая диссипация кинетической энергии приводит к локализации движения шлака в основном у границ барботажных столбов. Шлаковая ванна приближается к состоянию пробоя При очень низкой вязкости шлака, которая наблюдалась при значительном содержании в нем оксидов марганца, также имелись признаки работы продувочных фурм в режиме пробоя.
При пробое высота шлаковой ванны резко уменьшается (т. к. снижается газонасыщение расплава) и, соответственно, поверхность шлака отдаляется от факела дожигания; ослабевает брызго- и волнообразование, возрастает вероятность выхода из ванны непрореагировавшего кислорода дутья.
Уголь по поверхности ванны распределен неравномерно В зонах прохода газа барботажных столбов содержание угля, по крайней мере, на порядок ниже, чем в окружающем пространстве. Действием потоков шлака, выходящего из «султанов» барботажных столбов, уголь оттесняется на периферию ванны - к боковым стенкам, а также сосредоточивается в межфурменном пространстве, преимущественно, вдоль осевой линии реактора.
У боковых стенок содержание угля в поверхностном слое может быть максимальным. Здесь наиболее вероятно появление сплошного угольного слоя.3. Зона выше шлакового расплава Фактически эта часть реактора- газификатора является нижней частью котла, однако, функционально принадлежит газификатору. В этой зоне находится значительное количество брызг шлака. Брызги шлака вместе с наплесками образуют на стенах непрерывно стекающую шлаковую пленку. В стенах расположены фурмы для частичного дожигания газов, выделяющихся из шлаковой ванны. Эти фурмы предназначены для поддержания и регулирования температуры шлаковой ванны и используются по мере необходимости. В связи с тем, что стены в этой части реактора подвергаются интенсивному воздействию факела дожигания и стекающей по стенам пленки шлака, они также выполнены из охлаждаемых элементов, на которых образуется шлаковый гарнисаж
Условно можно следующим образом описать процессы, происходящие в различных зонах реакционного пространства:
 |
19.4.