Разработка автотермических технологий переработки угля

• Автор: Степанов, Сергей Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 389 с. : ил.

РЕФЕРАТ
УДК 553.

Диссертация ...д-ра техн. наук, 389 с., 57 рис., 58 табл., 345 источников, 8 прил.

АВТОТЕРМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, ГАЗИФИКАЦИЯ, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, УГОЛЬ, ПОЛУКОКС, АДСОРБЕНТ, ВОССТАНОВИТЕЛЬ.
Объектом исследования являются высокотемпературные термические и термохимические процессы превращения углей низкой степени метаморфизма в газообразные и твердые углеродсодержащие продукты. Цель работы заключается в теоретическом обосновании и разработке автотермических технологий переработки угля в горючий газ, полукокс и углеродные сорбенты.
Исследованы процессы тепло- и массообмена в пылеугольном и слоевом газификаторах, и выполнено расчетно-экспериментальное обоснование двух новых автотерм и ческих технологий переработки угля.
Определены параметры реакционного газообмена при взаимодействии канско-ачинских углей (КАУ) с водяным паром и диоксидом углерода в диапазоне режимных условий пылеугольного газификатора. Выявлены контролирующие механизмы, методы интенсификации тепло- и массопереноса, и способы увеличения КПД газификации. Теоретически обоснована и реализована в пилотном масштабе технология автотермической газификации угольной пыли на кислородном дутье с твердым итакоудалением, в которой применен метод защиты стенок реактора испаряющейся пленочной водяной завесой. Разработана методика расчета пылеугольного газификатора.
При численном моделировании тепло- и массообмена в слоевом газификаторе выявлен и исследован нестационарный эффект "обратной тепловой волны", заключающийся в движении фронта горения навстречу потоку окислителя. На основе этого эффекта разработана и реализована в промышленном масштабе новая автотермическая технология получения горючего газа, полукокса и углеродных сорбентов из низкосортных углей. Принципиальными отличиями технологического процесса, использующего эффект "обратной тепловой волны", от традиционных технологий полукоксования, слоевой газификации и производства активированных углей являются энергоэффективность, одностадийность, простота аппаратурного оформления и экологическая безопасность, так как при обратном движении фронта горения происходит полное расщепление и окисление продуктов пиролиза внутри аппарата.
Получены новые продукты - активированный уголь из КАУ и высококачественный углеродный восстановитель из длиннопламенных углей.
Разработана концепция экологически безопасного энерготехнологического комплекса на базе угледобывающего предприятия, выполнена его экологическая и технико-экономическая оценка. Концепция предусматривает наращивание выпуска сортового угля, использование отсевов для получения полукокса и производства электрической и тепловой энергии при утилизации горючего газа в парогазовой установке (ПТУ).

1 Анализ тенденций развития термической и
термохимической переработки угля
1.1 Проблемы технологического использования угля
1.2 Термическая переработка угля
1.2.1 Твердые продукты термической переработки угля
1.2.2 Жидкие продукты термической переработки угля
1.2.3 Газообразные продукты термической переработки угля
1.3 Тенденции развития технологий полукоксования
1.3.1 Полукоксование с использованием внешнего нагрева
1.3.2 Полукоксование с использованием внутреннего нагрева
1.3.3 Полукоксование мелкодисперсных топлив
1.3.4 Термическая переработка угля без производства жидких 42 продуктов
1.3.5 Комбинирование термической переработки угля с 46 производством электроэнергии
1.4 Газификация угля
1.4.1 Динамика развития газификации угля
1.4.2 Целевые продукты
1.4.3 Типы современных промышленных газификаторов
1.4.4 Перспективные технологические принципы газификации 56 угля
1.5 Численные методы исследования тепло-и массопереноса при
автотермической переработке угля
1.5.1 Основные положения численного моделирования 60 автотермической переработки угля
1.5.2 Механизм взаимодействия углерода с газами и факторы, 63 влияющие на различие в реакционной способности углей
1.5.3 Математические модели тепло-и массопереноса при 65 газификации одиночной частицы
Массоперенос и химическое реагирование в порах
Моделирование гомогенных реакций
Формализованное описание выхода летучих веществ
Другие допущения и упрощения
1.5.4 Математические модели тепло- и массопереноса при горении 73 и газификации угольной пыли
Одномерные модели
Многомерные модели

1.5.5 Математические модели тепло- и массопереноса в слоевых
газификаторах
Выводы к разделу 1
Постановка задач исследований
2 Газификации канско-ачинских углей
, в прямоточном пылеугольном реакторе
2.1 Системный анализ процесса газификации
2.2 Физическая модель процесса газификации
* 2.3 Математическая модель тепло- и массопереноса при газификации
угольной пыли в прямоточном реакторе
2.4 Влияние различных параметров на процесс газообразования в
реакторе
2.5 Расчет технологического режима прямоточной пылеугольной
газификации канско-ачинских углей
2.6 Экспериментальное исследование газификации угольной пыли
2.6.1 Описание экспериментального стенда
2.6.2 Методика проведения экспериментов
, 2.6.3 Определение коэффициентов реакционного газообмена
по экспериментальным данным
2.6.4 Эксперименты по газификации бородинского бурого угля на
кислородном дутье
* 2.6.5 Обсуждение экспериментальных результатов и
сопоставление их с расчетными данными
Выводы к разделу 2
3 Технологический процесс газификации угля на
кислородном дутье с твердым шлакоудалением (процесс "КАТЭК")
3.1 Предпосылки для разработки процесса
3.2 Традиционный вариант газификации угля (базовый вариант)
, 3.3 Принципиальное отличие процесса "КАТЭК"
3.4 Предварительные технологические показатели процесса "КАТЭК"
3.5 Численное моделирование газификатора с защитой стенок испа-
* ряющейся пленочной завесой
3.5.1 Методика расчета
3.5.2 Тепловые потоки в газификаторе

— высококалорийное технологическое топливо для агломерации и различных процессов обжига (при производстве извести, цемента и т.п.);
-энергетическое топливо с пониженным выходом вредных веществ - ОКСИДОВ азота, серы и др.;
-бездымное бытовое топливо или сырье для производства бездымных брикетов;
— компонент шихты для производства металлургического кокса, формованного кокса и рудоугольных окатышей;
-восстановитель при производстве ферросплавов и в порошковой металлургии;
— сырье для производства углеродных сорбентов;
— сырье для производства карбидов кальция и кремния;
— наполнитель при производстве резинотехнических изделий, пластмасс, формовочных смесей в металлургии;
-сырье для производства технологических газов (газ для синтеза аммиака, метанола, газ-восстановитель и т.п.). В 60-е годы это направление оказалось неконкурентоспособным по отношению к природному газу и попутным газам нефтеперереработки, но в 90-е годы вновь получило развитие. До 60-х годов более половины полукокса перерабатывалось в газогенераторах для производства технологических газов /176, 189/.
1.2.2 Жидкие продукты термической переработки угля
Жидкие продукты термической переработки угля, как и жидкие продукты прямого его ожижения, включают широкий спектр органических соединений, содержащих, кроме углерода и водорода, значительное количество кислорода, серы, азота и других элементов, и поэтому не могут быть непосредственно использованы в качестве синтетического жидкого углеводородного топлива (СЖТ). Встречающийся в технической литературе термин "угольная нефть" носит жаргонный характер, не отражающий действительного положения вещей, и часто вводит в заблуждение неспециалистов. Термическая переработка