Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы газификации и горения твердого топлива. Учебное пособие
.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева»
ПРОЦЕССЫ ГАЗИФИКАЦИИ И ГОРЕНИЯ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Учебное пособие
Кемерово 2022
2
УДК 662.74(075.8)
Рецензент(ы):
Ушаков Г. В. – к. т. н., директор ООО «Малое инновационное предприятие научно-технический центр «Экосистема».
Гусев А. В. – к. т. н., руководитель направления Центра
управления проектами АО «Кузбасский технопарк».
Процессы газификации и горения твердого топлива : учеб. пособие /
сост. : А. Г. Ушаков, Е. С. Ушакова ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева. – Кемерово, 2022. – 88 с. – ISBN 978-5-00137279-0. – Текст : непосредственный.
В учебном пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы,
связанные с использованием твердого топлива. Представлены способы его
сжигания и термической переработки методом газификации. Рассмотрены технологические схемы установок с газогенераторами различного типа.
Предназначено для практических занятий и самостоятельной работы студентов направления подготовки 18.04.01 (240100.68) «Химическая технология», образовательная программа «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского
государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева.
УДК 662.74(075.8)
© Кузбасский государственный
технический университет
имени Т. Ф. Горбачева, 2022
ISBN 978-5-00137-279-0
© Ушаков А. Г.,
Ушакова Е. С.,
составление, 2022
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................................... 4
ГЛАВА 1. ЗАПАСЫ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ И ИХ ПОТРЕБЛЕНИЕ ..... 5
1.1. Горючие ископаемые и их влияние на экономическую ситуацию в мире .. 5
1.2. Горючие ископаемые и направления их использования ............................... 7
1.3. Месторождения природных углей и потенциальные ресурсы ..................... 9
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 10
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ИСХОДНЫХ ДАННЫХ О ТГИ ............................................................................ 10
2.1. Влияние влаги на свойства ТГИ ..................................................................... 11
2.2. Влияние зольности на свойства ТГИ ............................................................. 14
2.3. Влияние выхода летучих веществ на свойства ТГИ .................................... 16
2.4. Влияние теплоты сгорания на свойства ТГИ ................................................ 20
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 21
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ
ДЛЯ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ............................................ 22
3.1. Плотность ТГИ ................................................................................................. 22
3.2. Тепловые свойства ТГИ .................................................................................. 25
3.3. Прочностные свойства ТГИ ............................................................................ 26
3.4. Пористая структура ТГИ ................................................................................. 28
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 30
ГЛАВА 4. ГАЗИФИКАЦИЯ ТГИ ......................................................................... 31
4.1. Физико-химические основы процесса газификации .................................... 31
4.2. Характеристика основных процессов газификации ..................................... 34
4.3. Разновидности технологических процессов газификации ТГИ ................. 37
4.3.1. Автотермические процессы ......................................................................... 37
4.3.2. Аллотермические процессы ......................................................................... 45
4.4. Многоступенчатые процессы газификации .................................................. 50
4.5. Продукты газификации, их выделение и переработка ................................ 57
4.5.2. Конверсия оксида углерода с получением водорода ................................ 61
4.5.3. Выделение оксида углерода из синтез-газа ............................................... 62
4.5.4. Каталитические процессы получения метана из оксида углерода .......... 65
4.5.5. Получение синтетического моторного топлива ........................................ 66
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 68
ГЛАВА 5. ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ ТГИ ............................................... 68
5.1. Основы процесса .............................................................................................. 68
5.2. Состав и свойства продуктов подземной газификации ............................... 76
5.3. Переработка и использование продуктов подземной газификации ........... 76
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 77
ГЛАВА 6. ГОРЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА .................................................... 78
6.1 Основы процесса ............................................................................................... 78
6.2 Механизм горения твердого топлива ............................................................. 80
Вопросы для самопроверки ................................................................................... 85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................................... 86
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для подготовки кадров топливно-энергетического комплекса, химической промышленности и
металлургии в области химических технологий переработки природных энергоносителей и углеродных материалов.
В учебном пособии разбираются вопросы состава, свойств и
направлений использования твердых горючих ископаемых.
В первой главе рассматриваются современное состояние вопроса оценки запасов, состав и свойства углеродсодержащего топлива, подготовка его к переработке, перспективные технологии углехимической переработки различных видов топлив.
Во второй и третьей главах изучаются вопросы, связанные с физическими и химическими свойствами различных видов твердых горючих ископаемых, а также их характеристики, которые определяются при проведении технического анализа.
В четвертой главе рассматривается процесс газификации углей:
физико-химические основы процесса, основные способы выделения
и переработки продуктов газификации.
В пятой главе разбираются вопросы подземной газификации
угольных пластов: основы и особенности процесса, состав и свойства
основных продуктов и методы их переработки.
В шестой главе изучается процесс горения твердых горючих ис-
копаемых, протекающие при этом реакции и основные механизмы,
обусловливающие технологические характеристики данного процесса.
5
ГЛАВА 1. ЗАПАСЫ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ
И ИХ ПОТРЕБЛЕНИЕ
1.1. Горючие ископаемые и их влияние
на экономическую ситуацию в мире
Традиционно в качестве природных энергоносителей выделяют
горючие ископаемые: нефть, природный газ, торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы и природные битумы, а
также сырье ядерной энергетики. Вышеперечисленные энергоносители относят к невозобновляемым источниками энергии. Если рассматривать их энергетическое использование, то выделяют отрасль –
топливно-энергетический комплекс (ТЭК), – в которую входят этапы
добычи, транспортировки и переработки различных видов энергии
(тепловой, электрической и др.). В состав ТЭК входят энергетическая
(тепло-, гидро- и атомная), нефтеперерабатывающая, нефтехимическая и топливная (нефтяная, газовая, угольная, сланцевая) промышленности.
Мировые запасы горючих ископаемых и их распределение по
видам представлены в табл. 1.1 [1].
Таблица 1.1
Мировые запасы горючих ископаемых
Вид горючего ископаемого
109 т
10
12 м3
109 т у.т.
% эквив.
Каменный уголь и антрацит
547,1
–
519,7
39,96
Бурый уголь
543,0
–
255,2
19,62
Сланцы, тяжелые нефти,
природные битумы
– –
129,0
9,92
Нефть
141,3
–
208,5
16,30
Газ – 144,8
188,2
14,47
Всего – –
1300,6
100,00
Значительный процент промышленных запасов энергоресурсов
приходится на твердые горючие ископаемые (ТГИ). Их доля в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) на сегодняшний день
меньше, чем для нефтяного топлива и природного газа. Это обусловлено преимуществами жидких и газообразных нефтяных топлив, ростом их потребления в мире и появлением существенного различия
между структурой запасов и структурой добычи энергоресурсов.
6
Если рассматривать динамику, то:
‒ в начале XX в. на долю нефти и газа приходилось соответственно 3,7 и 1,1 % эквив., а угля – 93,2 % эквив.;
‒ 1950–1970 гг. характеризовались исключительно высокими
темпами прироста доли нефти и газа (нефтяной бум) в мировом ТЭБ;
‒ в 70-е годы эти темпы существенно замедлились;
‒ в 1980 г. на долю нефти и газа в мировом ТЭБ приходилось
соответственно 43,5 и 18,8 % эквив.;
‒ в послевоенные годы в ТЭК капиталистических стран и бывшего СССР появилась и интенсивно развивалась новая перспективная отрасль – ядерная энергетика, которая была призвана стать основой энергетики XXI в.
Тенденции по изменению мирового топливно-энергетического
баланса показаны в табл. 1.2 [1].
Таблица 1.2
Динамика изменения мирового ТЭБ в XX в., % эквив.
Энергетические ресурсы
1980 г.
1990 г.
2000 г.
Нефть
43,5
37,6
36
Природный газ
18,8
20,8
19
Твердое топливо
28,9
29,1
24
Ядерная энергия
2,5
5,6
6
Гидроэнергия и нетрадиционные
возобновляемые энергоресурсы
6,2
6,9 15
В табл. 1.3 представлен прогноз состояния мирового топливноэнергетического баланса по различным сценариям его развития [2].
Инерционный сценарий – продолжение постиндустриальной
фазы и острый кризис после 2030 г. из-за достижения пределов роста
индустриальной фазы. Предполагает расширение индустриальной
энергетики в развивающихся странах при медленном развитии постиндустриальной энергетики в развитых странах. Как результат –
неизбежный рост спроса на ископаемое топливо всех видов, нагнетание противоречий на этой почве, ухудшение экологической ситуации.
Стагнационный сценарий – управляемое развитие вблизи пре-
делов роста индустриальной фазы через экологическую парадигму и
создание устойчивого информационного общества только при значительном замедлении темпов развития и завершится кризисом 2030 г.
7
Темпы энергетического роста в развивающихся странах будут существенно ниже.
Таблица 1.3
Мировое первичное потребление энергии по сценариям, млн т н.э.
Энергоресурсы
2010
Инерционный
сценарий
Стагнационный
сценарий
Инновационный
сценарий
2030
2050
2030
2050
2030
2050
Нефть
3882
4627
5018
4441
4188
3641
2757
Природный газ
2653
3952
4522
3306
3483
3292
3092
Твердое топливо
3278
4617
4487
3209
1794
3526
1812
Ядерная энергия
626
776
824
512
349
1335
2333
Биомасса
650
600
600
600
600
300
200
Гидроэнергетика
572
729
952
729
952
729
952
Новые возобновляемые источники
210 1040
1835
1481
3019
1860
5846
Всего
11871
16342
18239
14279
14386
14683
16993
Инновационный сценарий – преодоление пределов роста инду-
стриальной фазы и переход к новой фазе к 2030 г. Ключевой чертой
новой фазы должно стать комплексное развитие человека и связанных с ним технологий: биологических, информационных, социальных, когнитивных. Такой сценарий планирует формирование энергетики нового типа в развитых странах и в некоторых лидирующих
развивающихся странах.
1.2. Горючие ископаемые и направления их использования
На текущий момент основная доля добываемых твердых горючих ископаемых продолжает использоваться как энергетическое топливо.
Основные направления использования твердого топлива представлены на рис. 1.1. А именно:
‒ наиболее массовым продуктом химической переработки
угля является кокс. Основная часть всего получаемого кокса применяется в черной и цветной металлургии;
‒ из жидкого продукта коксования углей – каменноугольной
смолы – получают большой ассортимент ценных коксохимических
продуктов: красители, лаки, удобрения, взрывчатые вещества,
8
лекарства, пропитывающие и связующие пеки, углеродные электродные и графитные изделия и др.;
‒ отдельно можно выделить направление высокотемпературной обработки ТГИ в среде кислорода воздуха, водяного пара, диоксида углерода, при котором органические составляющие топлива
превращаются в газообразные продукты. Основные направления газификации ТГИ на примере угля и ориентировочный состав продуктов приведены на рисунке 1.2.
Рис. 1.1. Основные направления использования твердого топлива
9
Рис. 1.2. Способы газификации угля и получаемые продукты
1.3. Месторождения природных углей
и потенциальные ресурсы
Из твердых горючих ископаемых извлекаемые запасы камен-
ных углей и антрацита в мире оцениваются в 750 млрд т. Четыре
страны мира – США (212 млрд т), Россия (147 млрд т), Китай
(96 млрд т) и Индия (91 млрд т) владеют ~ 70 % от мировых ресурсов
углей. В десятку обладателей крупных месторождений ресурсов углей входят также ЮАР (50 млрд т), Австралия (41 млрд т), Германия,
Польша, Великобритания и Канада.
Как видно из табл. 1.4, из уникальных угольных месторождений
(с геологическим запасом более 500 млрд т) пять находятся на территории России – в районах Сибири и Крайнего Севера.
Таблица 1.4
Уникальные угольные месторождения мира
(с геологическим запасом более 500 млрд т)
Месторождение
Страна
Начальные запасы, млрд т
Тунгусское
Россия
2300
Ленское
Россия
1647
Аппалачское
США
1600
Канско-Ачинское
Россия
638
Кузнецкое
Россия
637
Таймырское
Россия
580
На рис. 1.3 представлены основные угольные месторождения
Российской Федерации.
10
Рис. 1.3. Основные угольные месторождения Российской Федерации
Вопросы для самопроверки
1. Что такое топливно-энергетический комплекс и баланс?
2. Каковы мировые запасы ТГИ?
3. Какие направления переработки и использования ТГИ суще-
ствуют?
4. Какие продукты можно получить путем использования или
переработки ТГИ?
5. Какие угольные месторождениями расположены на террито-
рии Российской Федерации?
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ О ТГИ
ТГИ в своем составе содержат два компонента: органическое
вещество и минеральную часть – источник ценного минерального
сырья, в частности редких и рассеянных элементов.
Чтобы оценить возможности и режимы переработки горючих
ископаемых, используют технический анализ, позволяющий определить энергетическую и химическую ценность ТГИ.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]