ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский горный университет
Кафедра химических технологий и переработки энергоносителей
КУРСОВАЯ РАБОТА
Технологии термической переработки горючих сланцев
Санкт-Петербург
2018
Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный горный университет
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой
/ д. т. н. / /Кондрашева Н.К./
" " 2018г
Кафедра химических технологий и переработки энергоносителей
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: Теплотехнические измерения и приборы
ЗАДАНИЕ
Студенту группы: ТХ-15-1 ________ Карпова А.Ю.
(шифр группы) (подпись) (Ф.И.О.)
- Тема работы: анализ основных технических параметров газогенераторов.
- Содержание пояснительной записки: в соответствии с методическими указаниями.
- Перечень графического материала: таблицы, рисунки , графики.
- Срок сдачи законченной курсовой работы: _____________
- Руководитель работы: доцент ___________ / Зырянова О.В. /
- Задание принял к исполнению студент ___________ / Карпова А.Ю. /
- Дата получения задания курсовой работы:_____________
В курсовой работе приведен расчет материального баланса газогенератора, описаны типы газификации. В качестве сырья твердых ископаемых был выбран горючий сланец. Работа cодержит 29 страниц, 3 рисунка и 3 таблицы.
Summary
In the course work, the calculation of the gas generator's material balance, description of types of gasification is given. A combustible shale was chosen as the source of solid minerals. The work contains 29 pages, 3 figures and 3 tables.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 5
Глава 1. Обоснование проблемы. литературный обзор. 7
История развития сланцевой промышленности. 7
1.2 Состав и свойства горючих сланцев. 9
1.3 Основные показатели качества горючих сланцев. 10
1.4 Области распределения горючих сланцев. 12
1.5 Количество горючих сланцев. 15
Глава 2. Подходы к добыче и переработке горючих сланцев. 16
2.1 Классификация газогенераторов, используемых при переработке и основные химические процессы.. 16
2.2 Расчёты материального баланса генераторного процесса. 25
Вывод. 28
Список литературы. 29
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день необходимость в использовании углеводородного сырья увеличивается, а область потребляемых ресурсов, напротив, уменьшается. Природные энергоносители, среди которых наибольшую ценность представляют нефть и газ составляют основу российского топливно-энергетического комплекса. Ежегодное увеличение объемов добычи, и недостаток оборудования для разработки сырья влечёт за собой постепенное истощение запасов месторождений и повышение затрат на утилизацию хвостов и транспортировку готового продукта. При многообразии различных видов органического сырья, в России особый интерес уделяется твердым горючим ископаемым, а именно входящих в группу данного вида топлива: горючим сланцам и углям.
В мировой промышленности горючий сланец считается базой для ресурсного потенциала любой страны. К существенным плюсам добычи также можно отнести тот факт, что большая часть сланцевых месторождений находится на малых глубинах, в доступных районах, с развитой транспортной сеткой, учитывая данные условия всё это существенно облегчает поиск, разведку и обработку. Замедляющим обстоятельством является экономическая неэффективность проведения работ, а также необходимость соблюдения экологической безопасности при разработке. Термическая переработка горючих сланцев позволяет получить сланцевую нефть, горючие газы и минеральные вещества. Общие запасы горючих сланцев в России составляют девятьсот двадцать два миллиарда тонн. Для сравнения мировые запасы составляют около четырехсот пятидесяти триллионов тонн. Сможет ли когда-нибудь Китай обогнать Америку по добыче сланцевой нефти –неизвестно. Цифры говорят сами за себя больше 70% , а именно четыреста тридцать один триллион сосредоточен в США, Китай являясь главным энергопотребителем в мире осваивает разработку сланцевых пород, и держится на третьем месте по запасам.
Стратегическая составляющая получения из горючего сланцевого сырья, продуктов для химической и нефтяной промышленности позволяет говорить об острой потребности в исследовании и их последующей разработке. Газификация с дальнейшей переработкой продуктов является актуальным методом использования горючих сланцев с целью получения ценных компонентов сырья.
ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЛАНЦЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Основным фактором развития топливно-энергетического комплекса является обеспечение роста производства ресурсов, необходимых для удовлетворения в их потребностях при минимальных затратах, а также повышение эффективности их использования. Поэтому усовершенствование структуры топливно-энергетического баланса направлено на сочетание различных видов топлив и выявление резервов их экономии при добыче, переработке, транспортировке и использовании.
До середины XX века основными используемыми энергетическими ресурсами являлись уголь, древесина и, частично, горючие сланцы. В последующий период в топливно-энергетическом балансе росла доля более прогрессивных и экономически выгодных энергетических топлив - нефти и природного газа. Постепенно, благодаря дешевизне, сравнительной легкости в добыче, переработке и транспортировке, а также объему запасов, нефть и газ практически вытеснили твердые горючие ископаемые. В настоящее время складывается обратная ситуация: ресурсы нефти истощаются, новые месторождения располагаются в труднодоступных, климатически сложных районах, затраты на транспортировку весьма велики, и, как следствие, цена на нефтепродукты возрастает. Одновременно с этим, существующие технологии позволяют перерабатывать твердые горючие ископаемые с получением жидких синтетических топлив меньшей себестоимости, а мировые ресурсы угля и горючих сланцев превышают запасы жидких углеводородов.
В 1990 г. специалистами института товароведения и университета г. Болоньи при проведении анализа стратегического значения технологий производства синтетических топлив, был выполнен сравнительный анализ запасов углеводородного сырья в различных регионах мира, исходя из которого можно сделать вывод, что потенциальные запасы сланцевой смолы как минимум в 5 раз превышают запасы нефти.
Если задаться вопросом из чего состоят горючие сланцы, невзирая на расхождение мнений, учёные считают, что горючие сланцы, представляют собой смесь органических и неорганических компонентов.
Некоторые исследователи даже предполагают, что первые горючие сланцы образовались более 3 миллиардов лет назад на Кольском полуострове, в Сибири, в Северной Америке, Южной Африке и в других регионах мира. Сейчас эти породы, называемые шунгитовыми, кианитовыми, графитовыми сланцами, практически уже не являются горючими ископаемыми, поскольку они испытали весьма длительное воздействие повышенных температур и давлений. Органическое вещество в них превратилось в графитоподобный материал с очень большим содержанием углерода. Правда, по мнению других учёных, содержащийся в этих породах углерод имеет неорганическое происхождение и связан с влиянием магматических процессов.
В 1912 году профессор Крум-Броун предложил называть органическое вещество шотландских горючих сланцев керогеном, что в переводе с греческого означает «воск рождающий».
Можно сразу сказать, что термин «горючие сланцы» не очень удачный. На английский язык он переводится как oil shales, в языках латинского происхождения сланцы обычно называют bitumineux, хотя известно, что породы, именуемые так, почти не содержат сырой нефти, а могут давать вязкую жидкость, похожую на нефть, лишь при нагревании до 500 градусов и выше. Предполагалось даже создать, специальную комиссию по разработке единой сланцевой терминологии. Однако сейчас это вряд ли возможно, поскольку все эти термины давно и прочно закрепились в литературе.
1.2 СОСТАВ И СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Для того чтобы правильно оценить свойства горючих сланцев и определить наиболее рациональные области их использования, нужно в первую очередь изучить их вещественный состав. Предварительно это делают макроскопически, а потом уже более детально. Для этого изготавливают тонкие срезы (шлифы) или полируют кусочки сланцев (аншлифы). Такой анализ позволяет досконально изучить вещественный или петрографический состав сланцев.
Рассмотрим, из чего состоит минеральная часть сланцев. В основном она сложена тонкодисперсным, обычно гидрослюдистым материалом; пелитоморфным, хемогенным или органогеннодетритусовым карбонатным веществом; хальцедоновыми раковинами диатомовых водорослей. Минеральная и органическая тонкодисперсная масса находится в тесной (адсорбционной) смеси. Растительные микрокомпоненты обычно перемешаны с зёрнами разнообразных минералов: кварца, полевых шпатов, глауконита, сульфидов и др. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1
|
Минеральный состав |
Содержание , в % |
|
Карбонат кальция СаСО3 |
56,8 |
|
Карбонат магния МgCO3 |
5.2 |
|
Кварц SiO2 |
14.7 |
|
Гидрослюды |
11.4 |
|
Ортоклаз K2O∙Al2O3∙6SiO2 |
4.7 |
|
Лимонит 2Fe2O3∙3H2O |
2.7 |
|
Марказит FeS2 |
4.5 |
Минералогический состав минеральной части сланца в %
1.3 ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Опишем качества горючих сланцев. Наиболее важные показатели – теплота сгорания, выход смолы, влажность и содержание серы, зольность, состав золы.
Теплота сгорания. В геологоразведочной практике применяется показатель удельной теплоты сгорания сухого сланца. Этот параметр является оценочным при подсчёте запасов сланцев в недрах. Теплота сгорания горючих сланцев различных месторождения, а также различных пластов одного месторождения может колебаться от 4-5 до 20-25 МДж/кг. Однако в мире преобладают сланцы, имеющие среднюю теплоту всего 4-6 МДж/кг.
Сланцевая смола. Выход основного и наиболее ценного продукта переработки – сланцевой смолы может изменяться от первых до 25-30. Смолы полукоксования обладают различным фракционным составом. Бензиновая фракция (выкипающая при температуре до 200 градусов) для большей части сланцевых смол составляет 19-25. Дизельная фракция (200-325 градусов) составляет основную массу смолы – 30-40 процентов, а в некоторых смолах - 50-60 процентов. Остаток (выше 325) составляет 25-30 процентов. По химическому составу смолы можно разделить на 3 типа: 1.Парафинистые, по физико-химическим свойствам близкие к парафинистым нефтям; 2. Высокосернистые; 3. С повышенным содержанием фенолов.
Для сланцев одного и того же месторождения теплота сгорания прямо пропорциональна выходу смолы. Сланцы разных месторождений при одинаковом выходе смол могут иметь различную теплоту сгорания, что объясняется неодинаковым исходным веществом и разными условиями его преобразования
Влажность. Это один из важных показателей, характеризующих теплотехнические свойства сланцев. Естественная влажность сланцев различных месторождений колеблется от 2-5 до 25-30 процентов. Она снижает теплоту сгорания топлива. Сланцы с содержанием влаги до 20-22 процентов могут быть использованы в промышленности без предварительной подсушки, при большой влажности их необходимо подсушить, что увеличивает расход тепла на переработку и ведёт к её удорожанию. Большое содержание влаги (до 30) в сланцах служат препятствием для их использования.
Содержание серы в сланцах колеблется от долей процента до 10 процентов. В горючих сланцах встречается сера нескольких разновидностей: сульфатная, сульфитная и органическая. Содержание сульфатной серы, представленной сульфатами железа или гипсом, незначительное. Сульфидная сера (пирит, марказит) преобладает во многих сланцах. Она содержится в количестве 1-2 процентов, иногда до 4 процентов.
Сера - вредная примесь. Из-за высокого ее содержания невозможно использовать сланцы ряда бассейнов. Отметим, что для прямого сжигания сланцев допускается не более 1 процента общей серы на 4,19 мегаджоуля на килограмм теплоты сгорания. Одна из основных задач применительно к высокосернистым сланцам – это очистка от серы смол и других продуктов, получаемых при газификации и полукоксовании таких сланцев. Опытами, проведёнными на установках с твёрдым теплоносителем и в газогенераторах, доказано принципиальная возможность получения сланцевой смолы. Однако большая часть серы переходит в смолу, что делает её непригодной как для энергетических целей, так и для получения жидких топлив.
Зольность горючих сланцев изменяется от 35-40 до 80-85%. Состав золы сланцев меняется в широких пределах. Свойства золы зависят не только от минерального состава сланцев, но и от способа их сжигания и переработки. Некоторые виды золы - ценное промышленное сырьё. Золы, содержащие не менее 15 % свободной окиси кальция, обладают вяжущими свойствами и пригодны для изготовления лёгких и тяжёлых бетонов и изделий из них. Карбонатные золы находят применение в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Золы алюмосиликатного состава могут быть использованы в дорожном строительстве, в промышленности строительных материалов.
Неоднократно применялись попытки создать классификацию горючих сланцев, в которой бы отражалось не только их качество, но и пути возможного использования. Предложенные классификации были химическими, петрографическими, промышленными. В качестве классификационных параметров выбирались следующие показатели: содержание углерода и водорода в керогене сланцев, выход смолы из сланцев, теплота сгорания и другие. Тем не менее, общепризнанной классификации, где нашли бы отражение генетические особенности сланцев, их качественная характеристика и технологические особенности, пока нет. Создание такой классификации – задача будущих комплексных исследований.
1.4 ОБЛАСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Можно выделить четыре основные группы сланцевых бассейнов и месторождений. Большинство сланцевых месторождений образовались в платформенную стадию, а также в орогенную (при этом подразумевается активизация древних платформ), которую в последние годы всё чаще выделяют в самостоятельный этап развития земной коры. К платформенным относят чёрные, реже светло-бурые морские сланцы, часто залегающие вместе с карбонатными, кремнистыми и фосфатными породами. Они занимаю огромные площади (десятки, сотни, а иногда даже тысячи квадратных километров), но мощность сланцевых пластов обычно не велика и составляет несколько метров. Это сланцы Волжского, Тимано - Печёрского, Вычегодского бассейнов в Европейской части России, Оленекского бассейна в Восточной Сибири, Ирати в Бразилии, горючие сланцы Швеции (месторождения Нерке, Вестерготланд, Оланд), бассейн Тулебак в Австралии, сланцы восточных и центральных районов США. Это наиболее важный промышленный тип сланцев. Месторождения орогенного типа озёрного происхождения раннего периода. Особое место в их формировании занимали вулканические и гидротермальные процессы, связанные с глубинными разломами, поскольку, добавление пеплового материала и минерализованных вод создаёт благоприятные условия для развития фитопланктона. Примерно такие условия существуют сейчас в Великих озёрах Восточной Африки. Суммарная мощность сланцевых пластов таких месторождений может достигать сотен метров, однако качество сланцев в них в целом хуже, чем качество сланцев, образовавшихся на платформах. К орогенному типу бассейнов и месторождений можно отнести Грин – Ривер в США, Рандл, Кондор, Стюарт в Австралии, Фушунь в КНР, Кендерлыкское в Казахстане.
К третьему типу относят сланцы, связанные геосинклиналями. Они часто достигают большой мощности. Качество таких сланцев ещё ниже, чем качество орогенных. Типичные представители этой группы – менилитовые (менилит – название глинистого минерала, входящего в состав сланцев) сланцы Карпат, сланцы Сицилии, Черноморского побережья Кавказа. Значение их невелико.
К четвёртой немногочисленной и малоизученной группе относятся озёрные сланцы впадин атектонического (то есть без влияния тектоники) происхождения. Это сланцы вулканических и карстовых впадин, впадин, связанных с соляной тектоникой. Как правило, размеры таких месторождений невелики, и сланцы характеризуются низким качеством (таблица 2).
Условия, в которых накапливались осадки, могли быть весьма различными. Это открытые морские просторы, закрытые бассейны – заливы, фьорды, заливные равнины, лагуны, лиманы, пресноводные озёра. Их размеры колебались в широких пределах – от небольших водоёмов до громадных внутриконтинентальных бассейнов, наподобие Каспийского.
Таблица 2
1.5 КОЛИЧЕСТВО ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Подсчёт запасов сланцев в разных странах производится до различной глубины, при разной минимальной мощности пластов и неодинаковом предельном содержании сланцевой смолы. В результате разные авторы дают различные трудно сопоставимые цифры ресурсов сланцев. Долгое время из-за недостатка и недостоверности информации ресурсы сланцев и сланцевой смолы на земном шаре вообще не подсчитывались.
Первую попытку подсчёта предприняли в 1965 г американские учёные Д.К. Дункан и В.Ч. Свенсон. По их данным, ресурсы сланцев с содержанием органического вещества более 10 % составили астрономическую величину – 1350 триллионов тонн.
По данным ООН 1967 общие мировые запасы горючих сланцев составили 450 триллионов тонн, в них содержится 26 триллионов тонн сланцевой смолы. В 1973 году геологической службой США был выполнен подсчёт установленных, гипотетических и умозрительных ресурсов сланцевой смолы по континентам и миру в целом – 53,1 триллиона тонн. Нижний предел содержания смолы в сланцах – 4 %.
Основные ресурсы — около 52 % сланцевой смолы сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер. Большие запасы горючих сланцев есть в Бразилии — 21 %, КНР — 5 %, меньшие — в Болгарии, Украине, Великобритании, России.
На востоке Европы добыча и переработка горючих сланцев развита на северо-востоке Эстонии, где действует Кохтла-Ярвеский Музей сланца. В переработке сырья задействованы десятки предприятий, в исследовании свойств и методов переработки — Институт Сланца города Кохтла-Ярве (эст. Kohtla-Järve), совместно с Центром Компетенции Сланца.
По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы (искусственной нефти), то есть в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти.
ГЛАВА 2. ПОДХОДЫ К ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Существует два способа получения сланцевой нефти. Первый — наземная переработка при шахтной или открытой добыче, когда добытая порода дробится и направляется на завод, где происходит её перегонка. Однако все действующие сегодня заводы (с так называемой ретортной перегонкой) имеют мощности не более 700 тыс. тонн нефти в год. Кроме того, против этого способа возражают экологи: производство требует огромного количества воды, причём на тонну сланцев приходится 700 кг отходов и всего около двух баррелей нефти. Поэтому этот способ перегонки сланцев в больших объёмах перспектив не имеет и может применяться только на локальном уровне. Второй — подземная переработка, когда нагревание сланца до нужной температуры осуществляется прямо в пласте.
2.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ И ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В зависимости от расположения места подачи воздушного или кислородного дутья в шахту и места выхода газа из шахты газогенератора
Различают три типа газогенераторов:
– газогенераторы прямого процесса газификации;
– газогенераторы обращенного процесса газификации;
– газогенераторы поперечного процесса газификации.
Все слоевые газогенераторы имеют четыре зоны:
– зона горения;
– зона собственно газификации;
– зона пиролиза;
– зона сушки.
Теплота выделяется в зоне горения, во всех остальных зонах тепловая энергия поглощается.
Две основные экзотермические реакции зоны горения:
С + О2 = СО2 + 34,1 МДж/кг, (2.1)
2С + О2 = 2СО + 21,1 МДж/кг. (2.2)
В зону газификации поступают газы из зоны горения, которые вступают в реакцию с углеродом топлива и водяными парами. В результате этого взаимодействия образуются горючие компоненты: СО, Н2 и СН4.
Реакции, протекающие в зоне газификации, являются обратимыми и, за исключением реакции получения метана (2.6), эндотермическими.
Наиболее важные реакции зоны газификации:
СО2 + Н2 = СО + Н2О – 3,7 МДж/кг, (2.3)
С + СО2 = 2СО – 14,6 МДж/кг, (2.4)
С + Н2О = СО + Н2 – 11 МДж/кг, (2.5)
С + 2Н2 = СН4 + 8 МДж/кг. (2.6)
В зоне пиролиза не происходит реакций окисления, т. к. в этой зоне нет свободного кислорода воздуха и нет достаточного количества теплоты для термического распада топлива. В этой зоне выделяются летучие и смолы. Биомасса всегда содержит некоторое количество влаги, поэтому при загрузке в реактор она сначала
проходит зону сушки. Для начала термического разложения биомассы необходимо, чтобы вся содержащаяся в ней влага была испарена.
Несмотря на недостаток кислорода в газогенераторе, часть образующихся оксида углерода (СО) и водорода (Н2) окисляются. В результате этого выделяется теплота, необходимая для процесса газификации. Количество затрачиваемой на газификацию теплоты меньше, чем низшая теплота сгорания генераторного газа.
Реакции окисления идут следующим образом:
СО + 0,5О2 = СО2 + 25,9 МДж/кг, (2.7)
Н2 + 0,5О2 = Н2О + 26 МДж/кг. (2.8)
Конструктивно слоевой газогенератор обычно представляет собой шахту (рисунок 1) , внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом. Как было сказано выше, сверху шахты загружается топливо, а снизу подается дутье. Слой топлива поддерживается колосниковой решеткой. Процессы образования газов в слое топлива показаны на рис. 2.2. Подаваемое дутье вначале проходит через зону золы и шлака 0, где оно немного подогревается, а далее поступает в раскаленный слой топлива (окислительная зона, или зона горения I), где кислород дутья вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, поднимаясь вверх по газогенератору и встречаясь с раскаленным топливом (зона газификации II), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термическое разложение топлива (зона разложения топлива III) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяными парами). В результате разложения топлива образуются вначале полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз происходит восстановление продуктов горения (зона II). При опускании еще ниже происходит горение кокса (зона I). В верхней части происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров.
Рисунок 1. Конструкция слоевого газогенераатора
А. Циркулирующий кипящий слой (ЦКС)
Атмосферный газогенератор с ЦКС состоит из огнеупорной футеровки в области газификации, совмещенного циклона для сепарации циркулирующего агента из газа и возврата его в нижнюю часть газогенератора. Температура внутри реактора обычно находится в диапазоне 800…1000 ºC, в зависимости от типа исходного топлива. Топливо подается в нижней части газогенератора на некоторой высоте над колосниковой решеткой. Процесс сушки и пиролиза происходят очень быстро, газообразные продукты, выделившиеся при этом, поднимаются вверх. Часть сланцевого остатка падает вниз, увеличивая плотность псевдоожиженного слоя, а часть уносится потоком газа вместе с циркулирующим агентом в совмещенный циклон. Большинство твердых частиц в циклоне отделяется от газа и возвращается в нижнюю часть газогенератора, где сланцевый остаток догорает.
Б. Взвешенный (псевдоожиженный) кипящий слой (ВКС)
Газогенератор взвешенного кипящего слоя похож на газогенератор ЦКС тем, что в обоих аппаратах имеется слой из инертной засыпки (обычно песок, известняк, доломит), который переходит во взвешенное состояние под действием дутья, поступающего снизу через колосниковую решетку. Разница между циркулирующим и взвешенным кипящим слоем состоит в разных скоростях дутья. Для создания взвешенного кипящего слоя выбирается скорость дутья, равная скорости псевдоожижения, которой достаточно, чтобы поддерживать частицы топлива во взвешенном состоянии. При этом каждая частица псевдоожиженного слоя будет иметь одинаковую температуру. При возрастании температуры на каком-то участке этого слоя будет происходить выравнивание температуры всего слоя. Однако по сравнению с газогенераторами ЦКС, в которых эффективность перемешивания топлива, инертной засыпки и газифицирующего агента очень велика, это выравнивание температуры будет происходить медленнее. При введении свежего топлива в псевдоожиженный слой, оно приходит в контакт с горячим материалом, в результате чего осуществляется его быстрый нагрев и пиролиз. В идеальном случае температура слоя должна быть такой, чтобы исключить шлакообразование зольной части сырья и вместе с тем обеспечить достаточное окисление органической части сырья, т. е. ниже 1150 ºC, но выше 850 ºC. Важными преимуществами газогенераторов с кипящим слоем перед газогенераторами с псевдоожиженным слоем являются лучшая конверсия углерода топлива и меньшее количество смол в горючем газе. На рисунке 2 представлены схемы организации процессов газификации в псевдоожиженном и кипящем слое.
Рисунок 2. А) Псевдосжиженный; Б) Кипящий
Для обеспечения надежности процесса газификации в псевдоожиженном кипящем слое, к топливу предъявляются строгие требования: биомасса должна быть подсушена до влажности 10…15 % и измельчена до размера частиц 20…60 мм. Это связано с тем, что влажность топлива может вызвать загрязнение системы топливоподачи и уменьшение теплоты сгорания горючего газа, а крупное топливо может вызвать нарушение слоя.
Таким образом, несмотря на то, что в реакторах с псевдоожиженным слоем обеспечивается хороший контакт углерода и кислорода, для повышения их эффективности возникает необходимость в предварительной обработке сырья, а в некоторых случаях в дополнительной газификации остатка.
Поэтому широкое внедрение реакторов с псевдоожиженным слоем ограничивается низкой эксплуатационной эффективностью и высокими капитальными затратами.
Технологию взвешенного кипящего слоя целесообразно использовать с экономической точки зрения в установках мощностью 15…40 МВт, в то время как ЦКС при мощностях 40…100 МВт. В этой технологии может быть использована такая же технология очистки, как и в схемах с газогенераторами ЦКС
Схема организации процессов газификации на основании финской технологии
Начало
Исходные данные:
производительность газогенератора, состав и
параметры дутья, характеристики топлива
(химический состав, данные ситового анализа),
давление в реакторе
Описание процедур вычисления
теплофизических характеристик
Последовательный расчёт реакций в зоне
собственно, газификации:
СО2 + Н2 = СО + Н2О
С + СО2 = 2СО
С + Н2О =С + 2Н2 = СН4
СО + Н2
Расчёт зоны термического разложения:
- определение времени пребывания по кинетическим характеристикам процесса термического разложения по условиям максимального выхода летучих;
-уточнение времени пребывания в зоне термического разложения по условиям прогрева частиц сланца;
- расчёт выхода летучих и их состава, температуры,
массы коксовального остатка;
Определение размеров газогенератора
(с учётом высоты слоя зоны собственно газификации
при степени приближения к равновесию 99 %) и потерь
давления по высоте слоя
Вывод результатов:
выход газа, смоляных продуктов и сланцевого бензина,
состав парогазовой смеси, ее температура и
давление
Рисунок. З. Обобщённый алгоритм математического моделирования
процесса газификации горючих сланцев под давлением
2.2 РАСЧЁТЫ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ГЕНЕРАТОРНОГО ПРОЦЕССА
Рассчитаем количество исходных веществ и конечных продуктов 40-тонного генератора, работающего со следующими расходными показателями:
|
Производительность по сланцу, т/сут |
40 |
|
Расход воздуха, м3/ч |
250 |
|
Расход обратного газа, м3/ч |
1000 |
При расчёте материального баланса за единицу измерения принимаем кг/ч. Следовательно, производительность генератора по сланцу:
П=40∙1000/24=1667 кг/ч
Влагосодержание сланца принимаем за 10%. Тогда расход сухого сланца равняется:
W=1667-0,1∙1667=1500 кг/ч
Расход влаги – 167 кг/ч
Расход воздуха и газа дан в кубометрах при нормальных условиях (при и давлении 101,325 кПа, или 760 мм рт. ст.).
Для перевода расходов в единицы массы необходимо знать плотность воздуха при нормальных условиях- 1,29 кг/м3. Таким образом:
Q=250∙1,29=323 кг/ч
Плотность генераторного газа весьма близка к плотности воздуха. Плотность
генераторного газа примерно 1,3 кг/м3.
Отсюда расход обратного газа:
=1000∙1,3=1300 кг/ч
Обратный газ имеет температуру 320. Он насыщен водяными парами.
Влагосодержание газа при такой температуре равняется 33,4 г/м3 (находится из таблицы влагосодержания воздуха). Таким образом, с обратным газом вводится в генератор влаги:
кг/ч
Вместе с обратным газом в генератор поступает и газовый бензин, которого
содержится в газе около 25 г/м3.
Расход газового бензина составит:
кг/ч
Воздух на дутьё подаётся вместе с водяным паром. При температуре 200С воздух содержит 0,03036 кг/м3 пара. Следовательно, с дутьевым воздухом вводится в газогенератор:
250∙0,03036=8 кг/ч
В результате расчётов определено, что в генератор поступает исходного вещества в количестве:
=1500+167+323+1300+25+8+37=3360 кг/ч
В процессе полукоксования выход смолы составляет 180 кг/т и выход газа 470 м3/т сланца.
В составе парогазовой смеси, выходящей из генератора через газослив, расход газа с учётом циркулирующего обратного газа будет равен:
470∙1,3∙1,7+1300=2340 кг/ч
где, 1,7 производительность генератора по сланцу, т/ч; 1,3 плотность газа, кг/м3.
Газ-бензина выходит с газом:
кг/ч
Количество паров смолы с учётом принятого выхода смолы:
1,7∙1000∙0,18=306 кг/ч
Масса водяного пара, выходящего через газослив, складывается из влаги, вводимой в генератор со сланцем, газом и паровоздушной смесью, и из влаги, образуемой при термическом разложении сланца – пирогенетической влаги. Выход этой влаги достигает по данным исследований 2% (в расчёте на сланец).
Таким образом, общее количество водяного пара будет равно:
167+8+37+1,7∙1000∙0,02=246 кг/ч
Массу коксозольного остатка можно определить по разнице суммы масс исходных веществ и суммы масс конечных продуктов, выходящих через газослив:
3360-(2340+306+45+246)=423 кг/ч
Материальный баланс 40-тонного газогенератора в расчёте на 1 ч работы
|
Приход |
Расход |
||
|
Исходные вещества |
Масса, кг |
Конечные продукты |
Масса,кг |
|
Сланец сухой |
1500 |
Газ сухой |
2340 |
|
Влага сланца |
167 |
Газбензин |
45 |
|
Воздух на дутьё |
323 |
Пары смолы |
306 |
|
Водяной пар на дутьё |
8 |
Коксозольный остаток сухой |
423 |
|
Обратный газ сухой |
1300 |
Водяной пар |
246 |
|
Газбензин |
25 |
|
|
|
Влага газа |
37 |
|
|
|
Всего |
3360 |
|
3360 |
ВЫВОД
Технологии термической переработки сланцев сводятся к следующим основным положениям: сланец должен перерабатываться комплексно, то есть должны быть максимально эффективно использованы его органическая и минеральная составляющие. Отходы переработки сланцев не должны вызывать ни краткосрочного ни долговременного загрязнения окружающей среды. А расход природных ресурсов таких как: вода, воздух, почва, связанных с переработкой сланца должен быть минимизирован.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Процессы переработки горючих сланцев. История развития. Технологии / Ю.А. Стрижакова, Т.В. Усова ; под. ред. A.Л. Лапидуса. М. : ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. — 120 с.
- Стрижакова, Ю.А. Горючие сланцы. Генезис, составы, ресурсы. М. : ООО «Недра- Бизнесцентр», 2008. - 192 с.
- Глезин И.Л. и др. Справочник сланцепереработчика. Ленинград: Химия, 1988.
- Глущенко И.М. Теоретические основы технологии горючих ископаемых. Москва: Металлургия,1990.
- Барщевский М.М., Безмозгин Э.С., Шапиро Р.Н. Справочник по переработке горючих сланцев. Гостехиздат, 1963.
- Чистякова А.Н. Справочник по химии и технологий твердых горючих ископаемых. Санкт-Петербург, 1996. — 363 с.
Скачать: