Файл: Варанкин, Ю. В. Газовое хозяйство заводов учеб. пособие.pdf

топлива может несколько изменяться. Например, при переработке торфа и бурых углей для уменьшения содер­ жания .балластных 'компонентов в газе целесообразно подвергать топливо бертиннроваі-шю до подачи его в установку термического разложения. Парогазовые про­ дукты термического разложения можно дополнительно подвергать термоокислительному пиролизу и т. д.

Промышленная реализация описанной схемы откры­ вает возможность для создания энерготехнологических комбинатов, где с наиболее высоким народнохозяйствен­ ным эффектом можно сочетать производство тепловой и электрической энергии с получением высококалорийного газа, химического сырья и переработкой сырья в синте­ тические материалы.

Энергогазохи.мическое использование топлива на сов­ ременных тепловых электростанциях, единичная мощ­ ность которых достигает 1,5—2,4 млн. кВт, а суточный расход топлива исчисляется тысячами тони, вызывает необходимость применения высокопнтеисивных методов термической переработки топлива.

§ 6.2. Теоретические основы пиролиза твердого топлива при высокоскоростном нагреве

Для разработки новых прогрессивных методов ком­ плексного энергогазохимического применения топлива большое значение имеют развиваемые 3. Ф. Чухановым [45] теоретические представления о механизме деструк­ ции топлива. Согласно этой теории, скорость нагрева является одним из важнейших факторов управления реакциями пиролиза твердого топлива. Применяя высо­ коскоростной нагрев топлива, можно в значительной ме­ ре предотвратить разложение органического вещества при низких температурах и тем самым создать условия для преимущественного проведения термохимических превращений топлива при заданной высокой температуре процесса. Этот прием способствует увеличению выхода таких газообразных и жидких продуктов, образование которых термодинамически наиболее вероятно при дан­ ной температуре.

Для осуществления высокоскоростного нагрева, т. е. нагрева без практически заметного градиента темпера­ тур по всей массе перерабатываемого топлива, необхо­

110

диМ'О уменьшить влияние внутреннего термического со­ противления путем применения топлива в тонко измель­ ченном состоянии. Безградиентный нагрев возможен в том случае, если процесс теплообмена протекает в усло­ виях, когда выполняется неравенство

Ві < 0,25,

где

Величину, обратную критерию Био, предложено назы­ вать критерием скоростного теплообмена и обозначать буквой N. Тогда режим скоростного нагрева описывается неравенством

N* _ > 4 ad ^ '

где X — коэффициент теплопроводности материала на­ греваемой частицы, Вт/м-град;

а — коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к нагреваемой частице, Вт/м2-град;

d — поперечный размер частицы, мм.

В реальных условиях нагрева потока диспергирован­ ного топлива газовым теплоносителем скоростной безгра­ диентный нагрев возможен, если d ^ O ,5 мм. Поэтому в установках для комплексного газоэнергетического ис­ пользования топлива, применяют твердое топливо с размероим частиц менее 0,5 мм. Скорость нагрева, т. е. ин­ тенсивность повышения тепературы по массе, перераба­ тываемых частиц такого размера может достигать не­ скольких тысяч градусов в секунду и зависит от вида теплоносителя и конструкции теплообменного аппарата. Столь интенсивный нагрев называют режимом «теплово­ го удара».

При экспериментальном исследовании высокотемпе­ ратурной переработки твердого топлива с высокоскоро­ стным нагревом (режим «теплового удара») обнаружены некоторые особенности распределения элементов исход­ ной массы в продуктах пиролиза.

Вполне определенно установлено, что с повышением скорости нагрева частиц пылевидного топлива уменьша­ ется выход пирогенетической воды и возрастает содер­

111

жание кислорода в коксовых остатках. Следовательно, ресурсы водорода в исходном топливе полнее использу­ ются для образования углеводородов' в процессе пиро­ лиза. Называя это явление эффектом диспропорциони­ рования, 3. Ф. Чуханов объясняет его тем, что при высо­ ких температурах опережающее развитие приобретает разрыв прочных связен ароматического ядра макромо­ лекулы топлива при запаздывании отрыва менее проч­ ных боковых цепей. Более наглядное объяснение это явление получает с использованием закономерностей механохпмнн высокополимеров [23].

Термическая деструкция органического вещества твердого топлива происходит в результате разрыва свя­ зей между атомами вследствие возрастания энергии внутримолекулярного колебательного движения под дей­ ствием тепла. Процессы термической деструкции твер­ дых высокополимеров осложняются из-за возникновения в массе куска топлива дополнительных термомеханнческих напряжений, обусловленных неравномерным терми­ ческим расширением вещества топлива, выделением па­ ров и газов. Эти дополнительные термомеханическне на­ пряжения могут способствовать пли препятствовать разрушению межмолекулярных связей, а также ускорить или затормозить разрыв ковалентных химических связей.

В общем виде деструктирующее напряжение в связях может быть выражено уравнением

щихся на эту связь, превысит ее прочность.

Величина термомеханических напряжений ом зависит от скорости термической деформации и, следовательно, является функцией скорости нагрева куска или частицы топлива.

При некоторой, определенной для данного вида топ­ лива, скорости нагрева релаксационные процессы не

112

обеспечивают «рассасы вания» термомеханических напря­

В последнем случае в первичных процессах деструкции органического вещества термомехаиические явления будут превалировать над термическими. Это соотношение см и о,,- наиболее соответствует режиму высокоскорост­ ного нагрева пылевидного топлива.

Следовательно, высокая скорость нагрева вещества топлива является причиной возникновения значительных термомехаиических напряжений, которые наиболее за­ метно проявляются в кусках и частицах, обладающих анизотропией свойств. В объеме нагреваемой частицы эти напряжения распределяются неравномерно, и их ло­ кальные значения различны. Поэтому в зависимости от молекулярной структуры органического вещества топли­ ва, от наличия и природы минеральных включений кон­ центрация напряжений до значений, превосходящих энергию химических связей, может возникнуть в особо прочных связях типа С—Сзр0м или Сар0м-—Н, тогда как связи в алифатических цепях останутся менее нагружен­ ными.

Последовательность разрыва связей в макромолеку­ ле нарушается, что, естественно, влияет на всю сово­ купность деструктивных превращений, так как изменя­ ются состав, свойства и реакционная способность проме­ жуточных соединений и как следствие этого изменяются распределение элементов исходного вещества в конеч­ ных продуктах и их относительный выход.

Явления, наблюдаемые при высокоскоростном нагре­ ве частиц топлива, предложено называть превращением органического вещества под действием «теплового удара».

Термическая переработка тоикодисперсного топлива обладает несомненными преимуществами. Нагрев частиц с малым термическим сопротивлением может быть ин­ тенсифицирован, при этом скорость нагрева использует­ ся для управления процессом диспропорционирования элементов исходного вещества и синтеза новых соедине­ ний.

113

На конечные результаты в меньшей степени влияет реагирование промежуточных продуктов внутри частицы. При переработке дисперсных топлив создаются благо­ приятные условия для создания мощных установок с поточной организацией процесса и полной механизацией

иавтоматизацией управления.

Вустановках для термической переработки топлива с целью комплексного использования получаемых продук­ тов подвод тепла к перерабатываемым частицам произ­ водится путем их контакта с высокотемпературным теп­ лоносителем. Непосредственный контакт топлива и теп­ лоносителя позволяет существенно увеличить коэффици­ ент теплоотдачи от теплоносителя к частицам. По агре­ гатному состоянию теплоноситель может быть газовым (топочные газы, ,газ рециркуляции, перегретый пар), жидким (расплавленные металлы, шлаковые и другие силикатные растворы) и твердым (мелкозернистый кокс, металлические или керамические шарики).

Газовый теплоноситель, несмотря на простоту его получения, не находит широкого применения для нагрева топлива до конечной температуры процесса, так как воз­ никают трудности с последующим разделением теплоно­ сителя и летучих продуктов разложения органического вещества. Целесообразно применять газовый теплоноси­ тель для термической подготовки топлива, т. е. для под­ сушки и бертинирования.

Кдостоинствам твердого теплоносителя относится возможность интенсификации процесса нагрева исход­ ного топлива и исключение подмешивания посторонних газовых компонентов к выделяющимся летучим продук­ там. В установках для скоростной переработки твердых топлив или скоростного пиролиза мазутов в качестве твердого теплоносителя применяется кокс или коксозоль­ ный остаток.

§ 6.3. Схемы.перспективных установок для энерготехнологического применения органического топлива

Компоновка оборудования установки, разработанной в Энергетическом институте нм. Г. М. Кржижановского, для комплексного энерготехнологпческого использования топлива с его скоростным нагревом твердым теплоноси­

114

телем дана на рис. 6.2 [45]. Предварительное измельче­ ние и подсушка топлива производятся в шахтно-мельнич­ ной установке. Для дополнительного подогрева топлива перед поступлением его в камеру термического разложе­ ния используются дымовые газы парогенератора (пока­ зано на рис. 6.2) или отходящие газы технологической топки.

В камере термического разложения (К.ТР) нагрев топлива до заданной температуры происходит в резуль­ тате смешения с твердым теплоносителем-, в данном слу­ чае с раскаленным коксом, поступающим из технологи­ ческой топки. Выделяющиеся в камере термического разложения летучие продукты отводятся в систему кон­ денсации и разделения, откуда очищенный газ подается к потребителям.

Кокс из КТР направляется в технологическую топку аэрофонтанного типа, где разогрев его происходит в ре­ зультате частичного окисления. По выходе из аэрофон­ танной топки разогретый кокс выделяется из пылегазо­ вой смеси в циклонном сепараторе и направляется в КТР; запыленные отходящие газы технологической топки сбрасываются в топку парогенератора для дожигания. В этих газах взвешены наиболее озоленные частицы кокса, и, следовательно, отвод золы из установки для энерго­ газохимического использования производится через топ­ ку парогенератора.

В описанной схеме предусматривается переработка зольного остатка в цемент, следовательно, комплексно используются все составные части исходного топлива.

Для повышения эффективности методов комплексного использования топлив и обеспечения возможности гиб­ кого регулирования выхода и состава газа и других продуктов в показанную на рис. 6.2 схему внесен ряд усовершенствований. В частности, термическая перера­ ботка исходного топлива проводится по двухступенча­ тому варианту: в КТР топливо подвергается полукоксо­ ванию при 500—550°С с последующим скоростным пиро­ лизом летучих во второй ступени путем скоростного нагрева до 700—800°С.

Интенсификация теплообмена между топливом и твердым теплоносителем в КТР достигается применением циклонного принципа их перемешивания. Для интенси­ фикации деструкции органического вещества в КТР по-

115

117