Исследование паровоздушной газификации низкосортных углей Украины

пара и СО2. Кроме того, в реальных условиях газификации неизбежны различные

тепловые потери (в окружающую среду, с горячими газами, со шлаком и

уносимым топливом). Поэтому фактические значения термических коэффициентов

полезного действия значительно меньше величин, рассчитанных для идеальных

условий.

Процессы газификации можно классифицировать по следующим признакам:

1) по теплоте сгорания получаемых газов (в МДж/м3): получение газов с

низкой (4,18—6,70), средней (6,70—18,80) и высокой (31—40) теплотой

сгорания;

2) по назначению газов: для энергетических (непосредственного сжигания) и

технологических (синтезы, производство водорода, технического углерода)

целей;

3) по размеру частиц используемого топлива: газификация крупнозернистых,

мелкозернистых и пылевидных топлив;

4) по типу дутья: воздушное, паровоздушное, кислородное, парокислородное,

паровое;

5) по способу удаления минеральных примесей: мокрое и сухое золоудаление,

жидкое шлакоудаление;

6) по давлению газификации: при атмосферном (0,1 — 0,13 МПа), среднем (до

2—3 МПа) и высоком давлении (выше 2—3 МПа);

7) по характеру движения газифицируемого топлива: в псевдостационарном

опускающемся слое, в псевдоожиженном (кипящем) слое, в движущемся потоке

пылевидных частиц;

8) по температуре газификации: низкотемпературная (до 800 °С),

среднетемпературная (800—1300 °С) и высокотемпературная (выше 1300 °С);

9) по балансу тепла в процессе газификации: автотермический (стабильная

температура поддерживается за счет внутренних источников тепла в системе) и

аллотермические, т. е. нуждающиеся в подводе тепла со стороны для

поддержания процесса газификации. Внешний подвод тепла можно осуществлять с

помощью твердых, жидких и газообразных теплоносителей [10].

3. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В предложенной нами работе принят метод паровоздушной газификации угля

в неподвижном (стационарном) слое, позволяющие применять угли почти всех

марок и получать химические продукты с минимальным количеством стадий.

Применяя паровоздушную газификацию угля позволяет удешевить получение

генераторного газа, причем процесс идет при атмосферном давлении.

Выбранный процесс имеет ряд существенных достоинств перед другими

способами газификации углерода твердого топлива:

- возможность построения агрегатов большой единичной мощности;

- универсальность метода, который позволяет применять все виды угля,

а также переход с паро-воздушного дутья на кислородное и

парокислородное дутье;

- небольшая металлоемкость;

- малое количество стадий для подготовки угля.

Основные параметры выбранного процесса газификации представлены в

таблице 3.1

Основные параметры выбранного процесса газификации

Таблица 3.1

|Показатель |Процесс газификации |

|Крупность угля, мм |1…3 |

|Температуры, 0С | |

|- паровоздушная смесь |400 |

|- газогенератор |950 |

|Масса загружаемого угля, гр |50 |

3.1. Принцип работы лабораторной установки

Изучение процесса паровоздушной газификации низкосортного

Павлоградского угля проводили на лабораторной установке периодического

действия с газогенератором стационарного типа рис .

Газогенератор имел высоту 0.5 м, внутренний диаметр 0.04 м. Объем

реакционной зоны составлял 0.05 м.

Воздух компрессором (1) направляется в парообразователь (5), где

смешивается с паром, образующимися в парообразователе при подаче воды из

резервуара (3). Полученная паровоздушная смесь заданной температуры

поступала в газогенератор (6), на решетку в которую предварительно

загружалась навеска угля. Температурный режим в реакторе поддерживался

электронагревателем (7). Выходящий из газогенератора газ охлаждался в

холодильнике (8), проходил сепаратор (9), фильтр-смолоотделитель (10) и

далее направляется на хроматографический анализ (12). Контрольно-

измерительная аппаратура обеспечивает учет расхода воздуха, пара, выхода

газа, замер температур.

[pic]

Рис. 1. Схема лабораторной установки по газификации угля. На схеме:

1–компрессор; 2–расходомер; 3–резервуар для воды; 4–гидрозатвор;

5–парообразователь с пароперегревателем; 6–реактор (газогенератор (ГГ));

7–электронагреватель для ГГ; 8–холодильник; 9–сепаратор; 10–фильтр;

11–газовый счетчик; 12–блок анализа.

3.2. Техническая характеристика угля

Для проведения эксперимента применяли обогащенный концентрат

Павлоградской ЦОФ ш. Сташкова. Оценка топлива как сырья для газификации

проводилась на основании данных технического анализа. Для анализа были взят

рядовой уголь марки ДГ ш. Днепровская и обогащенный концентрат

Павлоградской ЦОФ марки ДГ ш. Сташкова.

Технический анализ углей выполняли в соответствии с ГОСТами 6379-59,

6383-52, 6382-53.

Влажность угля определялся по формуле W=((a-b)/a)*100 %, где а-

навеска угля до сушки, г; в- навеска угля после сушки ,г.

Зольность Аа=(в*100)/а ,% где в- влажность зольного остатка, г

Выход летучих веществ Va=((b*100)/a)-W ,%

Полученные результаты приведены в табл 3.1

|Уголь |Технический анализ |

| |Зольность |Влажность |Выхолд летучих веществ |

|Рядовой |20.5 |6.7 |32.5 |

|Обогащенный концентрат |5.1 |9.8 |38.2 |

Таким образом, в результате проведения исследований установлено, что

данные угли отвечают трабованиям, предъявляемому к сырью для газификации.

Для проведения экспериментных исследований процесса газификации нами был

выбран по содержанию балластных компонентов, выходу летучих веществ

обогащенный концентрат Павлоградской ЦОФ ш. Сташкова, фракционного состава.

3.3. Влияние скорости подачи газифицирующих агентов.

Исследовано влияние скорости подачи окислителей на степень конверсии

угля в условиях данной лабораторной установки. Серию опытов проводили при

постоянном соотношении воздух/пар = 7:1 и температуре в газогенераторе 950

0С. Продолжительность процесса составляла 75 мин. Полученные результаты

представлены на рис.3.1 .

Так как скорость газового потока определяет время контакта

окислителя с топливом, то установлено, что при одинаковой продолжительности

процесса, низкая интенсивность дутья не обеспечивает достаточной конверсии

угля. В тоже время при превышении оптимальной скорости подачи, реагирующие

вещества не успевают взаимодействовать полностью. В результате получаемый

газ содержит больше негорючих компонентов в своем составе и степень

превращения угля уменьшается. Кроме того, значительно возрастает

вероятность уноса.

Рис. 3.1. Влияние скорости подачи газифицирующих агентов на степень

превращения угля.

С учетом выше изложенного, была выбрана скорость подачи

газифицирующих агентов 1,7 мл/мин.

3.4. Анализ полученных данных

Чтобы выбрать оптимальный расход показателей газифицирующих агентов

был проведена серия экспериментов.

В качестве входных переменных использовали расход воздуха и расход

пара.

Температура в реакционной зоне составляла 950 0С, газа на выходе из

реактора 700 0С. Скорость роста температуры в газогенераторе 15 0С/мин.

Паровоздушная дутьевая смесь подогревалась до 400 0С.

В приведённой табл. 3.2 видно, что если увеличить расхода пара в

дутье с 0,4 до 0,6 кг на 1 кг рабочего топлива, степень разложения пара

уменьшается. При этом на выходе наблюдается возрастание концентрации

водорода и снижение оксида углерода.

Концентрация диоксида углерода в газе возрастает, т.к. реакция его

образования является источником тепла для осуществления эндотермических

реакций разложения водяного пара, что приводит к некоторому снижению

теплоты сгорания газа, и это частично компенсируется за счет увеличения

содержания водорода. Кроме того, увеличивается выход газа. Также увеличение

пара в дутья приводит к торможению процессов пиролиза, обусловленных

спекаемостью исходного угля. Это имеет прежде всего большое технологическое

значение, т.к. повышает устойчивость работы установки.

При увеличении расхода воздуха теплота сгорания получаемого газа

уменьшается, хотя выход его достаточно высокий. В составе газа наблюдается

более высокое содержание азота, диоксида углерода, остаточного кислорода.

Таким образом, при недостатке окислителей наблюдается низкая степень

конверсии угля, а излишек компонентов дутья ведет к получению большего

количества газа, но низкокалорийного. Поэтому, необходимо произвести серию

экспериментов по газификации для определения оптимальных условий. В области

расходов, которая составляла для воздуха и пара 2,5-3,5 м3 и 0,4-0,5 кг,

соответственно.

Сравнительные результаты опытов газификации обогащенного концентрата

марки ДГ.

Таблица 3.1

|№ |Показатели |Опыт |

| | |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |9 |

|1 |Расход дутья: | | | | | | | | | |

| |воздуха, м3/кг |2,5 |2,5 |2,5 |3,5 |3,5 |4,5 |4,5 |4,5 |3,5 |

| |пара, кг/кг |0,4 |0,5 |0,6 |0,4 |0,6 |0,4 |0,5 |0,6 |0,5 |

|2 |Состав сухого газа, %об.: | | | | | | | | | |

| |CO2 |9,0 |9,7 |10,4 |12,8 |13,8 |17,8 |18,0 |18,2 |13,3 |

| |H2 |12,5 |13,3 |14,2 |9,5 |10,7 |6,2 |6,4 |6,5 |10,1 |

| |CO |21,5 |20,6 |19,7 |14,8 |13,7 |5,8 |5,6 |5,4 |14,2 |

| |CH4 |2,3 |2,3 |2,2 |1,9 |1,8 |1,7 |1,7 |1,7 |1,9 |

| |O2 |0,3 |0,3 |0,3 |0,4 |0,4 |0,8 |0,8 |0,8 |0,4 |

| |N2 |54,4 |53,8 |53,2 |60,6 |59,6 |67,7 |67,5 |67,4 |60,1 |

|3 |Выход сухого газа, м3/кг |3,60 |3,65 |3,69 |4,57 |4,63 |5,23 |5,25 |5,27 |4,60 |

|4 |Теплота сгорания газа, Qн МДж/м3 |4,90 |4,87 |4,82 |3,59 |3,54 |2,02 |2,01 |2,00 |3,57 |

|5 |Влажность газа, г/м3 |49,17 |70,03 |87,54 |63,60 |98,67 |69,31 |87,04 |104,36 |81,17 |

|6 |Степень конверсии угля, % |82,6 |83,9 |85,1 |88,7 |89,9 |91,1 |86,4 |87,8 |89,0 |

|7 |Степень разложения пара, % |54,38 |46,12 |44,85 |30,67 |27,47 |12,3 |11,74 |11,64 |28,73 |

|8 |к.п.д. газификации, % |63,72 |64,21 |64,30 |59,27 |59,21 |38,17 |38,12 |38,08 |59,32 |

Сравнительные результаты паровоздушной газификации в выбранной

области расходов окислителей

Таблица 3.2

|№ |Показатели |Опыт |

| | |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |

|1 |Расход дутья: | | | | | | | | |

| |воздуха, м3/кг |2,7 |2,7 |2,9 |2,9 |3,1 |3,1 |3,3 |3,3 |

| |пара, кг/кг |0,4 |0,5 |0,4 |0,5 |0,4 |0,5 |0,4 |0,5 |

|2 |Состав сухого газа, %об.: | | | | | | | | |

| |CO2 |8,1 |9,0 |9,2 |9,9 |10,5 |11,1 |11,7 |12,2 |

| |H2 |13,3 |14,1 |12,3 |13,2 |11,3 |12,0 |10,4 |11,0 |

| |CO |22,3 |21,2 |20,9 |19,9 |18,8 |17,9 |16,8 |16,1 |

| |CH4 |2,3 |2,3 |2,3 |2,3 |2,2 |2,2 |2,0 |2,0 |

| |O2 |0,3 |0,2 |0,2 |0,1 |0,3 |0,3 |0,4 |0,4 |

| |N2 |53,7 |53,2 |55,1 |54,6 |56,9 |56,5 |58,7 |58,3 |

|3 |Выход сухого газа, м3/кг |3,90 |3,94 |4,16 |4,20 |4,30 |4,34 |4,45 |4,48 |

|4 |Теплота сгорания газа, Qн МДж/м3 |5,09 |5,04 |4,81 |4,78 |4,40 |4,37 |3,97 |3,95 |

|5 |Влажность газа, г/м3 |52,63 |70,33 |54,55 |72,39 |58,52 |75,64 |61,05 |78,30 |

|6 |Степень конверсии угля, % |89,4 |90,4 |93,1 |94,2 |92,0 |93,1 |90,2 |91,6 |

|7 |Степень разложения пара, % |49,47 |45,56 |45,9 |42,1 |40,02 |37,67 |35,44 |33,29 |

|8 |к.п.д. газификации, % |71,72 |71,73 |72,29 |72,53 |68,35 |68,51 |63,82 |63,93 |

4.ОХРАНА ТРУДА

4.1. Оценка условий, в которых проводилась исследовательская работа.

Данной работой предусматривалось исследование твердых

горючих ископаемых в частности угля, в исследовательской лаборатории

кафедры химической технологии топлива и углеродных материалов УДХТУ.

К группе физически-вредных промышленных факторов во время

проведения работ в исследовательской лаборатории относят:

- повышенная температура 9500С поверхности оборудования, может быть

получены ожог руки;

- повышенный уровень шума 20 дБ, в следствии работы лабораторных

установок, может привести к снижению слуха, поражение центральной

нервной системы, органов пищеварения и др.;

- опасный уровень напряжения в электрической цепи оборудования (380

В), замыкание может произойти через тело человека, это очень опасно,

возможны смертельные случаи;

- повышенный уровень вибрации от работы лабораторных установок,

негативно действует на нервную систему, приводит к нарушению

координации движения человека, возможны виброзаболевания.

Во время исследования в воздух помещения может попадать

газообразные вещества: водород, оксид и диоксид углерода, метан.

Вдыхаемый в больших количествах оксид углерода поступает в кровь,

уменьшает приток кислорода к тканям, повышает количество сахара в крови,

ослабляет подачу кислорода к сердцу. У здоровых людей этот эффект

проявляется в уменьшении способности выносить физические нагрузки. У

людей с хроническими болезнями сердца он может воздействовать на всю

жизнедеятельность организма.

По степени влияния на организм человека вредные вещества

определяются на четыре класса опасности. Класс опасности вредных веществ

определяется в зависимости от предельно допустимой концентрации вредных

веществ в воздухе рабочей зоны.

Оксид углерода: ПДК= 20 мг/м3, класс опасности – 4-й – вещество

малоопасное.

Бензин: ПДК=100 мг/м3 ,класс опасности – 4-й- вещество

малоопасное.

4.2. Мероприятия по обеспечению безопасности и здоровых условий труда в

лаборатории

Электрическое оборудование в исследовательской лаборатории

питается переменным током напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц. По

степени электроопасности лаборатория относиться к категории помещений с

повышенной опасностью, потому что имеет токопроводящий железобетонный

пол.

Основным способом по образовании электрической безопасности

в лаборатории при применении электрического оборудования это заземление.

Для заземления оборудования предусматривается трубчатое заземление,

размещенное по контуру постройки, где находится лаборатория.

Для искусственного заземления применяют вертикальные

электроды. В качестве вертикальных электродов применяют стальные трубы

длиною 2,5 м, диаметром 3 см.

Сопротивление растекания тока одного вертикального электрода

определяют по формуле 2.1:

Re=[pic] (4.1)

Где p- удельное сопротивление грунта в месте размещения заземления,

100Ом*м,

l- длина трубчатого электрода, 2,5 м;

d- диаметр трубчатого электрода, 0.03 м;

t- глубина размещения середины электрода от поверхности земли,

t=t0+l/2=2 м

t0- расстояние от верхней точки трубчатого заземления до поверхности земли

,0.75 м;

Re=[pic] Ом

Поскольку Re>Rдоп , т.е. 36,73 Ом > 4 Ом , определяем количество

заземлений без учета соединительного проводника:

n’=Re/Rдоп (4.2)

где Rдоп – допустимое сопротивление заземляющего устройства, 4 Ом.

По формуле (2.2):

n’=36.73/4[pic]10

Определяем количество вертикальных электродов :

n =n’/[pic]e ,

(4.3)

где [pic][pic]e – коэффициент использования вертикальных электродов,

который учитывает обоюдное экранирования, [pic]e =0.55 (заземление

размещено по контуру).

По формуле (4.3):

n =10/0.55[pic]18

Определяем длину соединительной полосы:

z =a*n*l

где а -отношение расстояния между электродами к их длине, 1,

z=1*18*2.5=45 м.

Сопротивление растекания тока соединительной полосы, без учета

экранирования определяется по формуле :

Rш=[pic] (4.4)

где b- ширена соединительной полосы , 0.03 м , По формуле (4.4):

Rш=[pic] Ом

Общее сопротивление заземляющего устройства определяется по формуле

R з=[pic] (4.5)

где [pic]ш- коэффициент использования соединительной штанги , [pic]ш= 0.27

(заземление расположено по контуру).

По формуле (4.5):

Rз=[pic] Oм

Таким образом Rз

ПУЭ поэтому конечным принимаем количество трубчатых заземлений 18 штук.

В исследовательской лаборатории нормальные санитарно-гигиенические

требования воздушной среды обеспечивается за счет общей вентиляции.

Во всех помещениях исследовательской лаборатории предусматривается

вентиляция, которая обеспечивает нормальную циркуляцию воздуха.

Воздухообмен в лабораторном помещении рассчитывается таким образом, чтобы

фактическая концентрация ядовитых газов, паров и пыли в воздухе не

превышало предельно-допустимых концентраций.

-вытяжная вентиляция в лаборатории включается за 20 минут до

начала работы и выключается по окончании рабочего дня. Проводить работы при

поломанной или выключенной вентиляции запрещается.

Все работы, которые связаны с выделением вредных паров или газов

предусматривается проводить в вытяжных шкафах при надежно рабочей тяги.

Для кипячения и испарения в вытяжном шкафу разрешается применение

электроплитки только с закрытой спиралью. Для предотвращения электрической

искры в шкафу, необходимо чтобы внутреннее освещение было выполнено в

герметических плафонах, а выключатели были размещены внешней стороне стенки

шкафа. Шнуры к электроприборов и установок должны иметь надежную изоляцию.

Для предотвращения падения дверей шкафа, они должны иметь внешние

ручки и надежные стопорные устройства.

При работе в вытяжном шкафу с целью более эффективного действия тяги

необходимую дверь открывать на 1/3 или 1/4 её объема, а другие должны быть

закрыты.

Работая под тягой голову необходимо держать с наружи шкафа,

иначе человек будет вдыхать все вредные испарения, которые выделяются при

реакциях. По окончании работы в шкафу все двери необходимо хорошо закрыть и

выключить тягу. При остановке двигателя, который образует тягу, сразу все

работы в вытяжном шкафу останавливают.

Расчет местной вытяжной вентиляции проводится по формуле:

W=n*F*Vc*3600

(4.6)

где n- количество вытяжных шкафов в помещении лаборатории, 4;

W- объемная скорость воздуха, которое выводится, м3/ч ;

F- площадь нижнего сечения открытой двери шкафа, 0.385 м2;

V- скорость движения воздуха, которое выводиться в сечение F, 1 м/с;

По формуле (4.6):

W= 4*0.385*1*3600=5544 м3/ч

Таким образом, выбираем вентилятор В-Ц4-70 продуктивностью 5800 м3/ч,

номер вентилятора 5, частота вращения 1500 об/мин.

Нормальные и здоровые условия работы в исследовательской

лаборатории обеспечиваются с помощью освещения, естественного и

искусственного.

Солнечный свет дает оздоровительно-биологическое воздействие на

организм человека, поэтому природный свет является наиболее гигиеничным.

Таким образом, помещение лаборатории днём, как правило, освещается

природным светом.

Основным видом природного освещение это боковое- световые входы в

внешних стенах. Разряд работ, которые выполняются-III- высокой точности.

Природное освещение с любой точки в помещении характеризуется

коэффициентом природного освещения (КЕО), %:

EIIIH=EB/EH*100%

где EB,EH- освещение соответственно в середине помещения и вне

Страницы: 1, 2, 3, 4