Каменный уголь температура горения: Из чего состоит уголь? Какова химическая формула угля

Группа российских ученых из НИТУ «МИСиС», Томского политехнического университета (ТПУ) и Института катализа Борескова предложила новый подход к изменению характеристик горения угля. Ученые выяснили, что добавление солей меди снижает содержание несгоревшего углерода в зольном остатке в 3,1 раза, а содержание CO в газообразных продуктах сгорания — на 40%.Исследование было опубликовано в Fuel Processing Technology .

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), уголь является преобладающим энергетическим ресурсом, используемым в качестве основного топлива для производства электроэнергии. По имеющимся данным, в 2020 году уголь обеспечил более трети мировой выработки электроэнергии. Эксперты считают, что, несмотря на общепринятую энергетическую политику, направленную на сокращение доли использования угля и переход на возобновляемые источники энергии, уголь как основной вид топлива в в мире, скорее всего, в ближайшие годы по-прежнему будет занимать лидирующие позиции в производстве электроэнергии.Однако широкое использование угля ограничено рядом проблем, таких как неполное сгорание топлива и сопутствующее образование токсичных газов. Учитывая это, разработка технологий, направленных на более эффективную и экологически чистую термическую конверсию угля, является приоритетной задачей угольной энергетики. Одним из возможных решений повышения эффективности сжигания угля является использование каталитически активных агентов, таких как оксиды различных металлов и их прекурсоры (соли на основе нитратов, сульфатов, ацетатов и карбонатов), для интенсификации процесса горения.

«Слишком рано отказываться от угля. Китай, например, полагается на уголь в качестве основного источника энергии на протяжении большей части 21 века, несмотря на все« зеленые »тенденции. В России на уголь приходится немногим менее 20%. Даже в Великобритании, стране, последовательно проводящей политику декарбонизации, спрос на уголь со стороны производителей электроэнергии в третьем квартале 2020 года составил более 200 тысяч тонн. для каталитических добавок для повышения эффективности сжигания угля будет продолжаться.Для нас поиск оказался вполне успешным: доказано, что использование добавок, предложенных нашей командой, позволяет значительно повысить эффективность сжигания угля, особенно высокозольных углей », — отметил Александр Громов, руководитель группы НИТУ« МИСиС », начальник отдела. Лаборатория катализа МИСиС.

Способ активации горения угля солями металлов основан на интенсификации процесса горения и снижении температуры горения. Исследователи отмечают, что использование добавок на основе соли делает процесс сгорания более управляемым.

В своих экспериментах ученые использовали соли меди в качестве активирующих добавок для улучшения реакционной способности высокозольного угольного топлива, такого как антрацит, также известный как каменный уголь, и полукокс. Высокозольные топлива характеризуются высокими минимальными температурами воспламенения и горения, а также низкой интенсивностью горения. Введение солей меди привело к повышению реакционной способности и скорости горения образцов топлива. Также стоит отметить, что содержание несгоревшего углерода в зольном остатке модифицированных образцов было значительно ниже, чем в контрольных образцах.

Введение нитратов, ацетатов и сульфатов меди в образцы топлива производилось методом начальной влажности. Затем были проведены эксперименты по зажиганию и горению в камере сгорания при температурах теплоносителя от 500 до 700 ° C.

Механизм активации горения основан на интенсификации производства продуктов горения в газовой фазе на ранней стадии выделения летучих веществ и создании микровзрывов для предотвращения образования слоев шлака, которые в противном случае блокировали бы поступление кислорода в топливо.

При использовании присадок на основе оксидов необходимо обеспечить динамический контакт между топливом и присадкой, отметили исследователи. Использование солей в качестве катализатора не требует такого контакта, что делает этот новый метод модификации угля потенциально применимым в энергетической промышленности.

Исследователи полагают, что использование добавок на основе солей для повышения эффективности сжигания угля может помочь улучшить топливную эффективность при производстве энергии, минимизировать использование энергии для предварительного нагрева энергетического оборудования и сократить выбросы углерода от угольных электростанций.

###

Журнал

Технология переработки топлива

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Кислородный уголь с подачей криогенного кислорода

Реферат

Ожидается, что в связи с его большими запасами уголь будет продолжать играть важную роль в будущем. Однако удельные и абсолютные выбросы CO ₂ являются одними из самых высоких при сжигании угля для выработки электроэнергии. Следовательно, улавливание CO ₂ электростанциями может внести значительный вклад в сокращение глобальных выбросов CO ₂ . В этом обзоре рассматривается кислородно-топливный процесс, в котором чистый кислород используется для сжигания угля, что приводит к образованию дымовых газов с высокими концентрациями CO ₂ .После дальнейшего кондиционирования высококонцентрированный CO ₂ сжимается и транспортируется в жидком состоянии, например, в геологические хранилища. Огромная потребность в кислороде создается в воздухоразделительной установке с помощью криогенного процесса, который является единственной доступной современной технологией. Выработка кислорода, а также очистка и сжижение дымового газа, обогащенного CO ₂ , требует значительных дополнительных затрат энергии. Таким образом, ожидается, что общая чистая эффективность снизится на 8–12 процентных пунктов, что соответствует увеличению расхода топлива на 21–36%.Сжигание кислорода связано с более высокими температурами по сравнению с обычным сжиганием воздуха. Как свойства топлива, так и ограничения по температурам пара и металла в различных секциях теплообменника парогенератора требуют регулирования температур во время сгорания и в последующих секциях теплопередачи. Это достигается за счет рециркуляции дымовых газов. Исследуются взаимозависимости между свойствами топлива, количеством и температурой рециркулируемого дымового газа и результирующей концентрацией кислорода в атмосфере горения.Ожидаемые эффекты от изменения состава дымовых газов по сравнению со случаем с воздушным обогревом изучаются теоретически и экспериментально. Различная атмосфера, возникающая в результате сжигания в кислородном топливе, порождает различные вопросы, связанные с горением, в частности, в отношении механизма горения, уменьшения количества загрязняющих веществ, риска коррозии и свойств летучей золы или образующихся отложений. В частности, детальный химический состав азота и серы был исследован путем испытаний на горение в лабораторных условиях.Оказалось, что ступенчатая подача окислителя для уменьшения образования NO работает с такой же эффективностью, как и при обычном сжигании на воздухе. Что касается серы, как и ожидалось, было обнаружено значительное увеличение концентрации SO ₂ . Однако концентрация H ₂ S в атмосфере горения также увеличилась. Дальнейшие результаты были достигнуты с помощью экспериментальной испытательной установки, на которой измерялись точки росы по кислоте, а датчики осаждения подвергались воздействию окружающей среды горения.Помимо CO ₂ и водяного пара, дымовой газ содержит примеси, такие как частицы серы, оксиды азота, аргон, азот и кислород. Эти примеси сильно влияют на сжижение CO ₂ с точки зрения потребности во вспомогательной энергии и скорости улавливания CO ₂ . Кроме того, также затрагивается примесь сжиженного CO ₂ . Поскольку требования к жидкому CO ₂ в отношении геологического хранения или увеличения нефтеотдачи в настоящее время не определены, влияние возможной обработки дымовых газов и конструкция завода по сжижению изучаются в широком диапазоне.

Ключевые слова: Кислородное топливо, Выбросы, CO ₂ , Улавливание углерода

Введение

Теперь, когда выбросы пыли, NO _X и SO ₂ при производстве электроэнергии из ископаемых первичных источников энергии имеют значительно сократилось за последние несколько десятилетий с развертыванием и модернизацией электрофильтров (ESP), реакторов DeNO _X и систем десульфуризации дымовых газов, сокращение выбросов CO ₂ стало приоритетом в производстве электроэнергии промышленность с начала 1990-х гг.Для достижения этого сокращения выбросов CO ₂ при производстве электроэнергии из ископаемых первичных источников используются два способа:

Меры по повышению эффективности помогают еще больше сократить выбросы CO ₂ от сегодняшних ископаемых электростанций в Германии примерно на. 25%. Для целевых показателей сокращения выбросов CO ₂ , которые выходят за рамки этого, возникает вопрос, какие методы можно использовать для максимально полного разделения генерируемого CO ₂ .

Разработка этих методов разделения, естественно, сосредоточена на процессах на электростанциях, в которых уголь используется в качестве основного источника энергии, в связи с доступностью угля во всем мире в будущем. Кроме того, выбросы CO ₂ особенно высоки в случае выработки электроэнергии из угля, а это означает, что выделение CO ₂ позволит еще больше сократить выбросы CO ₂ . Однако, в зависимости от метода разделения и типа электростанции, возникают значительные потери эффективности.В настоящее время они находятся в диапазоне от 9% до 13% (в единицах% определяется абсолютная потеря эффективности, т. Е. Современная паровая электростанция на пылевидном топливе (PF) с КПД 46% и более низкой теплотворной способностью. (LHV) следует сравнить с установкой для улавливания углерода с эффективностью от 33 до 37), основанной на современной паровой электростанции PF, но вполне вероятно, что их можно уменьшить с помощью другого процесса. оптимизация от 7% до 11%.

В случае паросилового цикла с угольной печью, которая наиболее часто используется для выработки электроэнергии, CO ₂ вскоре может быть очищен от дымовых газов с помощью моноэтаноламинового скруббера (Aroonwilas and Veawab 2006; Kather et al.2008 г.). Относительно низкая концентрация CO ₂ , составляющая всего 15 об.% Во влажном дымовом газе, означает, что это требует значительных затрат энергии. Поскольку большая часть оставшихся компонентов дымового газа состоит из атмосферного азота, вводимого в процесс с воздухом для горения, задержка этого азота перед сжиганием обеспечивает значительное увеличение концентрации CO ₂ . Вот почему концепция, лежащая в основе процесса кислородного топлива, заключается в извлечении азота из воздуха для горения перед сжиганием с помощью устройства разделения воздуха (ASU), что означает, что практически чистый кислород подается в процесс горения.

В этом обзоре обсуждается только угольный процесс кислородного топлива, в котором, где это возможно, используется проверенная технология тепловых электростанций. С точки зрения авторов, этот процесс обеспечивает быстрое внедрение, что является не только результатом использования зрелых компонентов. Другие методы кислородного топлива, например, те, которые объединяют высокотемпературные мембраны для разделения воздуха или основаны на других циклах и подходят только в ограниченной степени для использования с углем, не будут обсуждаться, так как они недоступны в ближайшем будущем. будущее и неопределенная экономическая эффективность.

При обычном сжигании на воздухе атмосферный азот является основным поглотителем тепла. В случае кислородно-топливного процесса охлажденные дымовые газы используются в качестве теплоотвода вместо атмосферного азота. Чтобы достичь уровня температуры в печи, аналогичного тому, который имеет место при сжигании на воздухе, около двух третей дымовых газов необходимо возвращать в печь после охлаждения. В идеале дымовой газ должен состоять только из продуктов сгорания CO ₂ и пара, что приводит к чистому CO ₂ после осушения.Однако, как будет объяснено позже, дымовой газ содержит не только CO ₂ и пар, но и другие компоненты, что приводит к концентрации CO ₂ в лучшем случае 90 об.% После осушения. На рис. Дымовой газ, выходящий из парогенератора, имеет содержание CO ₂ примерно 89 об.% После полного осушения. Оставшийся балластный газ состоит в основном из избыточного кислорода, который необходим не только для надлежащего выгорания угля, но и для снижения риска коррозии стенок печи.Кроме того, балластный газ содержит аргон и азот, а также частицы серы и оксиды азота.

Упрощенная схема процесса кислородного топлива. Условия для примера расчета: южноафриканский каменный уголь, доля воздуха утечки: 1% (относительно массового расхода дымовых газов на выходе из котла), чистота кислорода: 99,5 об.%, Избыток кислорода: 15%. Все проценты в мол.%

Эти примеси в CO ₂ являются основной проблемой кислородно-топливного процесса, поскольку большая их часть растворяется в жидкой фазе во время сжижения CO ₂ и, возможно, приводит к проблемам с транспорт, особенно в геологическом хранилище, в которое должен подаваться CO ₂ .Помимо этого, эти примеси требуют больших затрат энергии во время сжижения CO ₂ . С учетом примесей, принятых здесь, и полной выходной мощности 600 МВт _{эл, брутто} , потребность в мощности для сжижения CO ₂ будет около 50 МВт _эл . Чем ниже уровень примесей, тем меньше потребляемая энергия для сжижения. При чистоте кислорода 99,5 об.% Потребляемая мощность ASU составляет прибл. 90 МВт _эл. для электростанции мощностью 600 МВт _{эл., Брутто} .Это требование к мощности может быть уменьшено за счет внедрения многоколонного процесса вместо двухколонного процесса, используемого до сих пор, и связанного с этим снижения чистоты кислорода в блоке разделения воздуха до 95 об.% — до прибл. 70 МВт _el (Darde et al. 2009). Однако более высокая доля примесей приводит к увеличению потребности в энергии для сжижения CO ₂ . Более того, многостолбцовые процессы имеют тенденцию быть менее гибкими в отношении изменений нагрузки.

В результате заявленных требований к мощности чистый блочный КПД электростанции мощностью 600 МВт в этом случае снизится прим.11,5% баллов при использовании процесса с двумя колонками, производящего 99,5 об.% Кислорода. Цель состоит в том, чтобы снизить это падение эффективности до прибл. 8% баллов, например за счет реализации более эффективных процессов разделения воздуха и снижения чистоты кислорода, а также за счет дальнейшей интеграции процесса в целом.

В первом разделе обсуждаются требования к рециркуляции дымовых газов, необходимые для поддержания одинаковых тепловых режимов в различных секциях парогенератора, потребность в избыточном кислороде, а также вопросы радиационной и конвективной теплопередачи.На основе результатов экспериментов подробно освещены вопросы стрельбы. Основное внимание уделяется влиянию различной атмосферы на процесс горения. Кроме того, исследуются меры по сокращению выбросов загрязняющих веществ с особым упором на оксиды азота и компоненты серы. Наконец, представлены результаты обработки дымовых газов, включая сжижение и очистку CO ₂ .

Тепловой баланс и выработка пара

Массовый поток рециркуляции

Как уже упоминалось, охлажденный дымовой газ должен подаваться обратно в печь, чтобы предотвратить чрезмерные температуры горения в печи.С точки зрения инвестиций и технических ограничений необходимо поддерживать температуру пара на выходе из испарителя в котле на том же уровне, что и в случае с продувкой воздухом. Температура на выходе из топки не может быть изменена, так как она определяется качеством угля. Соответственно, количество тепла, которое должно поглощаться стенками печи, должно быть таким же, как в случае с обдувом воздухом. Это достигается, если адиабатическая температура в топке примерно одинакова в случае воздуха и кислородного топлива.Схема, лежащая в основе этой идеи для адиабатической камеры сгорания и результирующего баланса, показана на рис.

a Схема для расчета требуемой скорости рециркуляции. Утечка воздуха не показана. b Требования к рециркуляции и концентрация кислорода при простом смешивании рециркулируемого дымового газа с кислородом в зависимости от температуры рециркулируемого дымового газа для южноафриканского каменного угля и осушенного лузатского бурого угля. Исходные условия: температура воздуха эталонного процесса 320 ° C; температура кислорода 180 ° С; температура угля 40 ° C; избыток кислорода 15%; чистота кислорода, 99.5 об.%; доля утечки воздуха, 1% от общего массового расхода дымовых газов внутри котла

Соответственно, в энергетическом балансе указано:

1

Здесь — массовые потоки дымового газа, кислорода, воздуха утечки, топлива, рециркуляционного газа, летучей золы и зольного остатка соответственно, а ч _{дымоход} , ч _O2 , ч _lair , h _c , h _rec , h _fash и h _bash — соответствующие энтальпии.Аббревиатура NCV означает низшую теплотворную способность топлива. Массовый расход дымовых газов определяется из баланса масс следующим образом:

2

Если теперь массовый расход рециркуляции выражается следующим соотношением:

3

получается целевая скорость рециркуляции ε :

4

где,

5

Прямой расчет скорости рециркуляции в соответствии с формулой. 4 возможно только в том случае, если известен массовый расход свежего кислорода, подаваемого из воздухоразделительной установки.Однако из-за остаточного содержания кислорода в дымовых газах количество свежего кислорода, в свою очередь, зависит от массового расхода рециркуляции. Подробнее об этом мы поговорим позже.

На рисунке показана скорость рециркуляции двух углей в диапазоне температур рециркулируемого дымового газа от 100 до 400 ° C, рассчитанная по уравнению (4). Исследованный каменный уголь является типичным представителем углей, используемых в Европе; его состав представлен в таблице. В соответствии с рис., Например, потребность в рециркуляции южноафриканского каменного угля возрастает с прибл.От 65,8% при 100 ° C до 68,6% при 400 ° C. Самые высокие требования к рециркуляции ожидаются для высушенного лигнита из-за значительно более низкой температуры на выходе из печи (по сравнению с каменным углем), необходимой из-за шлакообразования бурого угля. Поскольку количество тепла, которое может быть передано в печи, ограничено из-за проблем с материалами, единственной возможностью достичь более низких температур на выходе из печи является снижение температуры адиабатического горения, что приводит к более высоким требованиям к рециркуляции. Соответственно, при температуре рециркуляции 100 ° C скорость рециркуляции уже составляет 67.7%, а при 400 ° C — 71,7% для лужицкого лигнита.

Таблица 1

Уголь, используемый для расчета температуры адиабатического пламени и требований к рециркуляции

Как будет объяснено позже, технически реалистичный диапазон температур для рециркуляции дымовых газов находится между 200 ° C и 400 ° C, что ограничивает требования к рециркуляции на угольной электростанции примерно до 68%, в то время как на электростанции, работающей на осушенном буром угле, примерно до 70%.

Температура рециркуляции

В современных парогенераторах передача тепла дымовых газов в пароводяной цикл охлаждает дымовые газы до температур от 350 ° C до 380 ° C, прежде чем дальнейшее охлаждение будет выполнено в подогревателе воздуха. это обычно присутствует. Однако воздухоподогреватели регенеративного типа, используемые в этом процессе, не могут использоваться в кислородно-топливном процессе для предварительного нагрева кислорода (или рециркуляционного газа, обогащенного кислородом), поскольку они всегда имеют утечку 5–10% со стороны переносчика кислорода в воздух. сторона дымовых газов.Это дополнительно загрязняет дымовой газ кислородом.

Технически значимая температура рециркуляции определяется в основном следующими общими условиями (Kather et al. 2007):

1. Размеры рециркуляционного канала

Температура рециркуляции имеет большое влияние на размеры устанавливаемых рециркуляционных каналов. Для битуминозного угольного котла с производительностью ок. 1200 МВт, согласно эталонной электростанции Северный Рейн-Вестфалия (RPP NRW, технико-экономическое исследование усовершенствованной паровой электростанции, работающей на PF, завершенное в 2004 г.) (Концептуальное исследование эталонной электростанции Северный Рейн-Вестфалия (RPP NRW) (2004) .Опубликовано VGB PowerTech e.V., Эссен, Германия)), проанализировано авторами, температура рециркуляции 300 ° C приведет к рабочему объемному расходу прибл. 400 м³ / с, требуются воздуховоды с поперечным сечением ок. 40 м². Этот размер, в том же порядке величины, что и результаты анализа RPP NRW, является приближением, основанным на размере поперечного сечения дымохода после воздухоподогревателя RPP NRW, который имеет поперечное сечение 56,17 м² для рабочего объема 563 м³ / с.

1. Рециркуляционный вентилятор

Что касается конструкции рециркуляционного вентилятора, можно выбрать между осевыми или радиальными вентиляторами. Осевые вентиляторы имеют изоэнтропический КПД 90%, но их можно использовать только при температурах около 190 ° C. Это связано, прежде всего, с механическими и гидравлическими компонентами регулировки лезвия. Если, с другой стороны, регулировка лопастей не используется и вместо нее используется версия с жесткими лопастями, возможны более высокие температуры газа, хотя это отрицательно влияет на стабильность работы (перекачивание).Поскольку осевые компрессоры требуют более высокой скорости вращения по сравнению с радиальными компрессорами для создания того же перепада давления при том же объемном расходе, более высокие температуры здесь являются проблемой — из-за прочности материалов лопастей. Это означает, что, как правило, радиальные вентиляторы используются при более высоких температурах газа. Лопасти этих вентиляторов подвергаются меньшим механическим нагрузкам из-за конструкции ротора. В большинстве случаев это означает, что они не критичны по прочности.Кроме того, расстояние от рабочей точки до предела насоса больше, чем у осевых вентиляторов, что является преимуществом в отношении изменений нагрузки. Максимальная температура развертывания для радиальных вентиляторов требуемого здесь размера указана производителями и составляет около 450 ° C. Для более высоких температур потребуются дорогие жаропрочные стали. Кроме того, необходимо установить дорогостоящие и сложные устройства запуска и останова, чтобы предотвратить устойчивое повреждение больших масс ротора при нагреве и охлаждении.

Еще одним серьезным ограничением в случае осевых вентиляторов является допустимая запыленность транспортируемого газа. Это означает, что перед осевым вентилятором необходимо практически полное удаление пыли из рециркуляционного газа. Кроме того, поскольку непереработанный дымовой газ подлежит удалению пыли, электрофильтр должен быть расположен перед рециркуляционным патрубком, если используется осевой вентилятор. Таким образом, количество пыли может быть ограничено примерно от 12 до 13 г / м³ перед электрофильтром при 190 ° C (23 г / м³ стандартное, сухое), а также до 0.01 г / м³ (0,02 г / м³ стандартное, сухое) в канале рециркуляции, даже если используется высокозольный южноафриканский уголь. Пылевая нагрузка в сопоставимой позиции (перед подогревом воздуха до 370 ° C) пневматической RPP NRW составляет лишь половину этого размера (примерно 6 г / м³, соответствует 15,5 г / м³ стандартного сухого вещества). . Недостатком этой конфигурации является то, что электрофильтр должен быть рассчитан на весь объем дымовых газов.

Если электрофильтр расположен после рециркуляционного патрубка в потоке выхлопных газов, объем дымовых газов, подлежащих очистке, будет примерно на 66% меньше.Поскольку в этом случае рециркуляционный газ возвращается в топку без фильтрации, пыль загружается в рециркуляционные каналы в размере прибл. Достигается 23 г / м³ (при 350 ° C, соответствует 58 г / м³ стандартное, сухое). Таким образом, по сравнению с конфигурацией, описанной выше, рециркуляционный вентилятор подвергается 2300-кратной пылевой нагрузке, что означает, что можно использовать только радиальные вентиляторы с соответствующей броней и геометрией лопастей. Однако изоэнтропический КПД такого вентилятора составляет максимум 80%. С другой стороны, изэнтропический КПД радиальных вентиляторов для беспыльной среды в настоящее время достигает значений, которые почти сравнимы с эффективностью осевых вентиляторов.Что касается запыленности парогенератора, которая примерно в 2,5 раза выше, чем в случае с пневматическим приводом, соответствующая конструкция с учетом скоростей газа должна облегчить работу котла, не подверженного чрезмерному износу.

Поскольку размер рециркуляционного вентилятора сопоставим с размером вытяжного вентилятора RPP NRW, минимально возможная температура рециркуляции, прежде всего, благоприятна с точки зрения потребляемой мощности вентилятора.

1. Сушка топлива

На традиционных угольных электростанциях сушка топлива осуществляется с использованием горячего воздуха 250–300 ° C, подающего тепло для сушки.Это выполняется в измельчителе угля, где температура воздуха снижается примерно до 65–110 ° C. Этот мельничный воздух одновременно служит транспортным газом и в то же время обеспечивает часть кислорода для сгорания. Поскольку в кислородно-топливном процессе воздух недоступен, сушку мельницы можно проводить только с горячим дымовым газом, например, с частью рециркулируемого дымового газа. Недостаток кислорода в транспортном газе не является проблемой с точки зрения горения, так как это может быть компенсировано соответствующей подачей кислорода в зону вблизи горелки.Использование холодных дымовых газов значительно ниже 300 ° C потребует увеличения массового расхода газа для надлежащей сушки. Это, однако, может ухудшить условия для безопасного зажигания (электростанции с кислородным сжиганием угля, 2008 г.).

1. Электрофильтр

Рабочая температура электрофильтров (ЭЦН) в настоящее время составляет менее 200 ° C. Высокотемпературные ЭЦН также используются в промышленных приложениях, причем их главный недостаток следует отнести к большему объему.Невозможно ответить заранее, может ли более высокая температура ухудшить эффективность осаждения; это зависит от многих факторов, таких как свойства золы, содержание серы, а также концентрация CO ₂ . Например, из японских электростанций, сжигающих уголь с низким содержанием серы, известно, что высокотемпературное расположение ЭЦН было выгодным с точки зрения характеристик осаждения (Forzatti 2001).

1. Общий коэффициент полезного действия

В RPP NRW повышение чистого КПД электростанции до 45.9% было достигнуто, среди прочего, за счет повышения температуры входящей питательной воды в котел до 302 ° C за счет регенеративного предварительного нагрева питательной воды. Для последующей передачи тепла дымовых газов питательной воде требуется определенная разница температур между дымовыми газами и питательной водой. Вот почему с технологической точки зрения температура дымовых газов или рециркуляции не может быть значительно ниже 350 ° C. Понижение температуры рециркуляции возможно только тогда, когда температура воды на входе в котел также понижена, что отрицательно повлияет на общий КПД, или если будет найдена возможность передачи тепла дымовых газов в пароводяной цикл без ухудшения регенеративного предварительный подогрев питательной воды.Что касается общей эффективности, однако, текущие знания показывают, что снижение температуры рециркуляции не является преимуществом.

В данных общих условиях не имеет смысла проводить рециркуляцию дымовых газов при излишне высоких температурах, особенно если учесть, что здесь существуют ограничения в отношении рециркуляционного вентилятора и ограничения в отношении размеров электрофильтра и системы воздуховодов.Охлаждение дымовых газов, которое может быть достигнуто, в решающей степени зависит от возможности интегрировать тепло дымовых газов в общий процесс без снижения общей эффективности. Соответственно, высокие температуры рециркуляции обычно благоприятны с точки зрения общей эффективности, даже если потребляемая мощность рециркуляционного вентилятора выше. С другой стороны, инвестиционные затраты могут способствовать более низким температурам рециркуляции из-за меньшей системы воздуховодов. На данный момент лучшая температура рециркуляции не может быть определена количественно, но в настоящее время ожидается, что соответствующий диапазон температур составляет 200–400 ° C.

Избыточный кислород при сжигании кислородного топлива

Одним из наиболее важных граничных условий в отношении электростанции, работающей на кислородном топливе, является используемый избыток кислорода. В случае обычных угольных электростанций, работающих на воздухе, избыток кислорода идентичен избытку кислорода, который установлен для большинства современных систем с соотношением воздуха λ до 1,15, т.е. 15% избытка кислорода. Причина этого относительно высокого значения по сравнению с газовым сжиганием заключается в том, что массовый поток угля, который должен быть распределен от одной мельницы к нескольким горелкам, не может быть равномерно распределен между этими горелками.Это означает, что горелка, в которую временно подается слишком много угля, будет работать со слишком низким соотношением воздуха, поскольку поток измельченного угля не может быть измерен с той же точностью, что и поток воздуха. Соответственно, возникают проблемы с выгоранием и, что более серьезно, резко возрастает риск коррозии стенок печи. В случае печей, работающих на природном газе или дизельном топливе, где распределение топлива по горелкам значительно более равномерное, можно безопасно эксплуатировать уровень избытка воздуха менее 5%.Однако при разработке кислородно-топливного процесса для угольных печей проблема распределения угля означает, что в первую очередь необходимо принять 15% -ный избыток кислорода, так как это оказалось наименьшей избыточной скоростью, которую можно надежно эксплуатировать в угольные печи. Кроме того, исследуется случай, можно ли уменьшить избыток кислорода до 10% за счет улучшения равномерности распределения угольной пыли.

В случае кислородно-топливного процесса правильное определение избыточного кислорода имеет особое значение, поскольку в принципе возможны разные определения.Перед объединением с топливом кислород смешивается с рециркулирующим дымовым газом. Это может происходить либо на одной стадии смешивания, либо в различных положениях с разными соотношениями смешивания, что не влияет на общий избыток кислорода. В основном, избыток кислорода определяется как избыток кислорода по отношению к стехиометрической потребности в кислороде. Поскольку и кислород, поступающий из воздухоразделительной установки, и остаточный кислород рециркулируемого дымового газа подают в печь, массовый поток кислорода, фактически подаваемый в печь, больше, чем поток, подаваемый воздухоразделительной установкой.Соответственно, общий избыток кислорода, O _{2, ex} , гласит:

6

Здесь относится к массовому расходу кислорода, подаваемому воздухоразделительной установкой, массовому расходу кислорода, который поступает с воздухом утечки, x _{O2, остаточной массовой доле кислорода в рециркулирующем дымоходе. газа, рециркуляционного массового расхода и стехиометрической потребности топлива в кислороде.}

Рассматривая простейший случай, когда рециркулируемый дымовой газ полностью смешивается с кислородом в одном месте (см.рис.) можно сделать вывод, что концентрацию кислорода в смеси нельзя выбирать произвольно. Скорее, это зависит от температуры рециркуляции дымовых газов, от необходимого избыточного кислорода и от используемого угля. Рис. Показывает зависимость концентрации кислорода от температуры рециркуляции. Теоретическое содержание кислорода в южноафриканском каменном угле в смешанной атмосфере 31–29 об.% Достигло технически реалистичного диапазона температур 200–400 ° C (см. Рис.). В случае высушенного бурого угля соответствующая концентрация кислорода в смешанной атмосфере находится в диапазоне 25–23 об.%. Таким образом, содержание кислорода в смешанной атмосфере значительно выше, чем в воздухе. Кроме того, можно наблюдать, что при заданном избытке кислорода концентрация кислорода в смеси уменьшается с увеличением скорости рециркуляции. Следовательно, регулировка произвольных концентраций кислорода в атмосфере горения возможна только локально путем асимметричного распределения кислорода по отдельным ветвям рециркуляции. Такая ступенчатая концентрация кислорода уже будет существовать, если рециркулируемые дымовые газы будут подаваться на мельницы без обогащения кислородом, чтобы выполнить внутреннюю сушку угля в мельнице при повышенных температурах.В этом случае концентрация кислорода в оставшейся смеси дымового газа и кислорода может достигать 40 об.%.

При сжигании твердого топлива известно, что соотношение количества воздуха к топливу и, соответственно, избыток кислорода невозможно надежно определить, измеряя массовые потоки воздуха и топлива. Помимо трудностей с измерением массового расхода топлива, это также связано с неизмеримой утечкой воздуха. Следовательно, избыток кислорода (O _2ex ) определяется путем измерения остаточного содержания кислорода в дымовых газах, которое напрямую зависит от содержания кислорода в газе-носителе, а также от стехиометрической потребности топлива в кислороде.С другой стороны, если есть рециркуляция дымовых газов, остаточное содержание кислорода дополнительно зависит от скорости рециркуляции. Теоретический избыток кислорода, O _2ex , можно рассчитать по следующему выражению:

7

где,

Здесь x _{O2, дымоход} , x _{O2, oc} и x _{O2, воздух} — массовые доли кислорода в рециркулируемом сухом дымовом газе, в носителе кислорода и в воздух, соответственно, O _{2, стоик} — стехиометрическая потребность топлива в кислороде, а γ _зола , γ _H и γ _w — массовые доли золы топлива, водорода и воды, соответственно, ε обозначает рециркуляцию ставка в соответствии с формулой.3. Переменная α относится к потоку воздуха утечки, связанному с общим массовым расходом дымовых газов (см. Уравнение 9).

Согласно формуле зависимости избытка кислорода, показанной формулой. (7), остаточное содержание кислорода достигает 4,9 об.% (Стандартного, сухого) для скорости рециркуляции 67% при сжигании южноафриканского каменного угля с избыточным кислородом 15%. Следовательно, остаточное содержание кислорода в дымовых газах значительно выше, чем в случае с пневматическим приводом, где оно составляет прибл.2,8 об.% (Стандартное, сухое) при сопоставимых граничных условиях. Как уже упоминалось выше, доля кислорода в дымовых газах неблагоприятна по отношению к последующему сжижению CO ₂ .

Сильная зависимость избытка кислорода от скорости рециркуляции является результатом того факта, что общий избыток кислорода не может быть определен простым измерением остаточного содержания кислорода. Скорее необходимы дополнительные измерения, такие как достаточно точное измерение объемного расхода рециркуляционного газа.

Производство пара и теплопередача

Парогенератор кислородно-топливного процесса не будет существенно отличаться от парогенератора с воздушным приводом, как в случае систем очистки дымовых газов или на что изначально может указывать очень высокая рециркуляция дымовых газов.

Одним из вопросов, представляющих особый интерес для случая кислородного топлива, является размер парогенератора, поскольку состав дымовых газов значительно изменяется. При сделанных выше предположениях о том, что адиабатическая температура должна оставаться одинаковой для воздуха и кислородного сжигания, массовый расход дымовых газов в котле будет составлять прибл.На 12-15% меньше, чем в сопоставимом пневматическом котле, что обусловлено более высокой удельной теплоемкостью дымовых газов. Кроме того, поскольку плотность дымовых газов составляет ок. На 22% больше площадь поперечного сечения парогенератора будет прибл. На 30% меньше при сохранении той же средней скорости газа на входе в конвективные теплообменники.

Высота парогенератора в значительной степени определяется требуемой поверхностью нагрева печи. Поскольку температура на выходе из печи определяется температурой плавления золы и остается неизменной в кислородно-топливном процессе, количество тепла, передаваемого в печи, будет таким же, как и в случае с пневматическим приводом.Следовательно, размеры поверхности нагрева определяются только общим коэффициентом теплопередачи.

Передача тепла в печи происходит почти исключительно за счет излучения газообразных компонентов диоксида углерода и водяного пара, а также частиц и сажи. Поскольку кислородно-топливный дымовой газ почти полностью состоит из этих компонентов, есть соблазн ожидать, что радиационная теплопередача соответственно возрастет. Это верно для излучения чистого газа, если нет ни частиц, ни сажи.Однако использование хорошо зарекомендовавших себя расчетных моделей (Блох, 1987) показывает, что выброс смеси газа, частиц и сажи в печи близок к излучению черного тела уже в случае сжигания воздуха, что связано с преобладающим излучение раскаленных частиц золы и горящего кокса. Преобладающее влияние излучения частиц наблюдали и другие авторы (Андерссон и др., 2008). Таким образом, неразумно предполагать, что более высокие концентрации CO ₂ и пара в угольных печах будут дополнительно способствовать лучистому теплопереносу внутри печи, поэтому требуемая поверхность нагрева существенно не изменится.Следовательно, высота топки будет ок. На 20% выше, чтобы компенсировать уменьшенную площадь поперечного сечения.

При достижении секции конвективного теплообменника преобладание излучения частиц постоянно исчезает. Таким образом, по сравнению со случаем с воздушным обогревом, коэффициент теплопередачи увеличивается в соответствии с измененным составом газа. Однако по-прежнему существует некоторая неопределенность в отношении масштабов этого увеличения.

Образование отложений на поверхностях теплообменника приводит к дальнейшему увеличению неопределенности характеристик теплопередачи, как и во всех системах, работающих на твердом топливе, содержащем золу.Это означает, что поведение летучей золы из-за изменения состава газа представляет интерес. Эти отложения, образованные летучей золой, ухудшат теплопередачу и могут способствовать коррозии, что в конечном итоге ограничит время работы котла. Следует также принять во внимание, что летучая зола, по крайней мере, в случае угольных электростанций при определенных условиях, является побочным продуктом многоразового использования электростанций.

Чтобы оценить поведение отложений, для этого был использован керамический неохлаждаемый держатель образца на испытательной установке мощностью 500 кВт, работающей в условиях кислородного топлива.Он подвергался воздействию пылевых дымовых газов при температуре ок. 750 ° С. Здесь представляло интерес образование карбонатов из-за высокого парциального давления CO ₂ при работе с кислородным топливом. Первоначальные результаты анализа отложений после кратковременного воздействия дымовых газов показали повышенное карбонатообразование. Дальнейшие результаты ожидаются от экспонирования носителей проб в соответствующих газовых средах, а также от сравнительных анализов в случае горения на воздухе.Степень, в которой определенное образование карбоната влияет на сопротивление теплопередаче отложений на поверхности нагрева и возможность очистки с помощью устройств для очистки поверхностей нагрева, должна быть предметом дальнейших исследований.

Экспериментальное исследование горения

Элементарный расчет горения показывает дополнительные характерные свойства процесса. В таблице приведены результаты стехиометрического расчета сжигания с воздухом и / или чистым кислородом для угля Klein Kopje в соответствии с таблицей.

Таблица 2

Результаты расчета элементарного горения для случая воздуха и кислородного топлива (уголь Klein Kopje)

Таблица 3

Топливные параметры углей, использованных в испытательных установках

Уменьшение удельного объема дымовых газов в 4–5 раз соответствует отсутствию соотношения воздух – азот.Это также означает, что концентрация CO ₂ соответственно высока, хотя на самом деле вышеупомянутые примеси кислорода, поступающие от ASU, утечки воздуха, а также требуемый избыток кислорода приведут к значениям около 89 об. %.

Соответственно, концентрация определенных компонентов, таких как зола, SO ₂ или водяной пар, будет увеличиваться. Это применимо только в том случае, если не было выборочного удаления соответствующих компонентов перед рециркуляционной ветвью, например, с помощью установки для удаления пыли или сероочистки.Увеличение концентрации также не зависит от скорости рециркуляции ε . Это увеличение концентрации необходимо учитывать в отношении водяного пара, а также в отношении компонентов агрессивных газов, таких как HCl или SO ₃ . Однако в случае, если увеличения концентрации компонента можно избежать или, по крайней мере, ограничить, выбрасываемый массовый поток этого компонента будет снижаться в соответствии с более низкими потоками газа (Mieske and Kather 2007). Это особенно относится к NO _X , как обсуждается позже.

Что касается процесса сгорания, то теперь возникают следующие вопросы:

• Отличаются ли характеристики горения угля в атмосфере CO ₂ –H ₂ O – O ₂ от характеристик горения в воздухе?

• Могут ли вредные вещества, такие как NO _X и SO ₂ , воздействовать на них огневыми мерами?

• Меняются ли характеристики засорения и шлакообразования? Влияют ли на очищающие характеристики отложения на поверхности нагрева?

• Поверхности нагрева и другие компоненты могут подвергаться коррозии из-за сложного комбинированного воздействия отложений и газовой атмосферы.Ожидаются ли здесь изменения?

Использованное испытательное оборудование

Результаты, представленные в этом разделе, в основном были получены в лабораторном реакторе с электрическим подогревом (20 кВт, _-й ) и на полутехническом испытательном стенде (500 кВт, _-й, ). Обе системы успешно использовались в течение многих лет для определения характеристик топлива и исследования рабочих проблем в печах, работающих на каменном угле и буром угле. Оба завода были недавно модифицированы для работы с кислородным топливом. Всесторонние испытания в кислородном топливе и — для справочных целей — в условиях воздуха были проведены на обеих системах с южноафриканским каменным углем Klein Kopje (аббревиатура KK) и сушеным лигнитом Lusatian (аббревиатура LA).Свойства этих двух углей приведены в таблице. Кроме того, уже накоплен опыт работы с углем других видов национального и международного качества.

Смесь кислорода и CO ₂ в качестве окислителя подается в лабораторный реактор мощностью 20 кВт. В этой системе отсутствует рециркуляция дымовых газов. Скорость рециркуляции моделируется с помощью различных пропорций O ₂ / CO ₂ в окислителе. Кроме того, компоненты газа, такие как NO или SO ₂ , добавляются специально в окислитель, чтобы максимально точно имитировать условия рециркуляции дымовых газов.Таким образом, испытательная установка дает возможность исследовать два специфических для кислородного топлива эффекта — изменение состава носителя кислорода и повышенную концентрацию кислорода перед сгоранием — по отдельности. Уровень выбросов относится к соотношению количества загрязняющих веществ к введенному топливу; степень снижения относится к доле загрязняющих веществ, которые уже добавлены перед печью и либо препятствуют первоначальному преобразованию, либо вступают в реакцию с образованием других продуктов.

Испытательная установка мощностью 500 кВт, с другой стороны, оснащена системой рециркуляции, при которой очищенные от пыли дымовые газы рециркулируют.Рециркулируемый дымовой газ предварительно нагревается через теплообменник, нагреваемый дымовым газом, и после добавления кислорода направляется в горелку. Распыленное и осушенное топливо подается в горелку пневматически с использованием CO ₂ в качестве транспортного газа. Никакого дальнейшего описания тестовых возможностей здесь не будет, дополнительную информацию по этой теме можно найти в Maier et al. (2007).

Характеристики горения при кислородном сжигании

Чтобы иметь возможность сделать первоначальные заключения относительно характеристик горения, профили осевой концентрации газа были измерены на системе 20 кВт.В дополнение к обычному пневматическому методу были использованы две испытательные установки с разными отношениями O ₂ / CO ₂ окислителя для кислородного топлива. Для последнего используется обозначение OF21 или OF27, обозначающее соотношение O ₂ / CO ₂ , равное 21/79 или 27/73 об.%. Система работала таким образом, чтобы в печи происходили постоянные потоки газа. Это приводит к более высокому тепловложению в корпусе OF27, чем в случае сжигания на воздухе или в корпусе OF21. Это имеет то преимущество, что профили осевой концентрации всегда соответствуют однородному изменению времени пребывания.Общий избыток кислорода составлял 15%.

На рисунке показаны профили концентрации, определенные таким образом для O ₂ и CO при сжигании угля Klein Kopje. Сравнение профилей O ₂ показывает аналогичную динамику для воздуха и корпуса OF27, тогда как сгорание в случае OF21 происходит с задержкой.

Характеристики горения. a Курсы O ₂ и концентрации CO вдоль оси горелки (уголь Klein Kopje). b Содержание углерода и азота в составе полукокса вдоль оси горелки

Вероятное объяснение — более высокая теплоемкость CO ₂ по сравнению с N ₂ .Это компенсируется более высокой концентрацией кислорода в корпусе OF27 и, соответственно, приводит к аналогичной степени окисления топлива. На это также ясно указывают измеренные профили CO. Максимум концентрации CO значительно смещен в случае OF21, тогда как в воздухе и в случае OF27 максимум CO находится в одном и том же месте. Однако уровни концентрации CO разные.

Это можно объяснить реакцией Будуара C + CO ₂ ↔ 2CO и реакцией водяного газа CO + H ₂ O ↔ CO ₂ + H ₂ , поскольку более высокая концентрация CO ₂ приводит к до более высоких концентраций CO (Al-Makhadmeh et al.2009 г.). Наблюдаемое повышение концентрации CO было также определено с другими видами топлива и является характеристикой сжигания кислородного топлива. Это необходимо учитывать, в частности, при оценке атмосфер дымовых газов с точки зрения коррозии стенок печи.

Дальнейшее понимание процесса горения дает анализ полукокса, отобранного в различных осевых положениях в реакторе. На рисунке показаны соответствующие графики содержания углерода и азота в полукокке.Два случая сжигания с воздухом и OF27 сравниваются для двух видов топлива Klein Kopje (KK) и Lusatian dry lignite (LA). По сути, аналогичный процесс выгорания и аналогичное выгорание можно увидеть, если сравнить случай воздуха с кислородным топливом OF27 для каждого вида топлива.

Образование и восстановление оксида азота

Предыдущие результаты были достигнуты при полной подаче кислорода через горелку, т.е. ступенчатое изменение не применялось. Напротив, первоначальные попытки оценить образование и восстановление NO с помощью ступенчатой ​​последовательности сжигания — как это часто практикуется в случае воздуха — были предприняты с реактором мощностью 20 кВт.Наряду с общим избыточным воздухом или избыточным кислородом для характеристики необходимы два других параметра: стехиометрия в области горелки (стехиометрия горелки — это количество воздуха или кислорода, подаваемого через горелку, связанное со стехиометрической потребностью в воздухе или кислороде горелки. топливо) и время пребывания между горелкой и дожиганием воздуха и / или остаточным окислителем (Kluger et al. 2001). Для сравнения с обычным воздушным горением использовался кислородный корпус OF27.

Даже в первоначальных результатах испытаний, как показано на рис.знакомые зависимости в отношении времени пребывания и стехиометрии горелки стали очевидными для выбросов NO _X на выходе из печи (из-за различных удельных объемных потоков значения NO _X были связаны с теплотой топлива ввод (NCV), который был введен). Более низкие значения NO _X в случае кислородного топлива по сравнению с воздушным случаем можно объяснить подавленным термическим образованием NO из-за недостатка азота.На основе подробных профильных измерений в непосредственной близости от горелки можно было показать, что знакомые компоненты предшественника NO HCN, а также в случае лигнита NH ₃ также обнаруживаются в CO ₂ — насыщенная кислородно-топливная атмосфера так же, как и при воздушном горении. Соответствующие курсы приведены на рис. 4, где снова сравнивались воздух и кислород OF27 для двух видов топлива Klein Kopje и Lusatian высушенного лигнита.

NO _X химия. a NO _X выбросы в зависимости от стехиометрии горелки и времени пребывания (уголь Klein Kopje, общая стехиометрия, 1,15) (Dhungel et al. 2007). b Скорость восстановления рециркулируемого NO при изменении стехиометрии горелки (общая стехиометрия 1,15; время пребывания в первичной зоне 3 с; Dhungel et al.2007)

Характеристики концентрации газа вдоль оси горелки (общая стехиометрия, 1,15; стехиометрия горелки 0,75; время пребывания в первичной зоне 3 с; Dhungel et al.2007)

В связи с тем, что в конкретных условиях реактора мощностью 20 кВт были определены аналогичные значения NO для кислородного топлива и сжигания воздуха, возникает вопрос, в какой степени NO, присутствующий в окислителе, восстанавливается в печи. В реальной кислородно-топливной системе NO всегда будет присутствовать в окислителе через рециркуляцию дымовых газов до тех пор, пока в дымовых газах между топкой и рециркуляционной ветвью нет установки для восстановления NO.

Чтобы проверить это, были проведены другие испытания с дополнительным количеством NO в смеси O ₂ / CO ₂ (Dhungel et al.2007). Некоторое количество NO было необязательно добавлено в окислитель на горелке и в окислитель, который позже был добавлен для полного выгорания. Обозначения BR (горелка) и BO (выгорание) на рис. Указывают на эти два случая.

Испытания проводились с бесступенчатым пламенем и пламенем с ступенчатым газом со стехиометрией горелки от 0,75 до 0,95 и общей стехиометрией 1,15, которая оставалась постоянной во всех испытаниях. Время пребывания в первичной зоне составляло 3 с. Основная информация, полученная в результате этих испытаний, представлена ​​на рис.. Обозначение KK или LA еще раз указывает на угли Klein Kopje и лужицкий сушеный лигнит. Скорости уменьшения β _NO , показанные на фиг., Определяются следующим образом:

8

Здесь y _{NO, wi} и _{NO, wo i} — измеренные концентрации NO с и без введения дополнительного NO в окислитель, y _{NO, i} is концентрация NO в окислителе, достигаемая за счет впрыска, представляет собой объемный расход (stp) окислителя, в который закачивается NO, и является объемным расходом (stp) дымового газа после полного окисления.Скорость восстановления представляет собой долю NO, введенного в печь через рециркуляцию, которая снижается, следовательно, не способствует окончательному образованию NO.

При стехиометрии горелки 0,75 весь рециркулированный NO, который подается через горелку, превращается в N ₂ , т.е. сокращение составляет 100%. При увеличении стехиометрии горелки степень восстановления снижается до 50–60% при использовании непостадийного кислородно-топливного метода. В других испытаниях NO подавали исключительно через ступенчатую закачку газа.Здесь наблюдались значительно более низкие темпы сокращения и сильная зависимость от используемого угля. Основная причина этих различий вполне может заключаться в том, что углеводородные радикалы, а также компоненты-предшественники NO больше не доступны для реакций восстановления в точке, где добавляется выгорающий газ.

В качестве общего принципа результаты подчеркивают тот факт, что разработанные первичные меры по снижению выбросов NO на угольных электростанциях могут также успешно применяться в условиях кислородного топлива.Однако следует принимать во внимание, что снижение загрузки рециркулируемого NO происходит только в том случае, если рециркулируемые газы проходят субстехиометрические зоны, которые имеют соответствующие компоненты для восстановления NO. Что касается риска коррозии из-за более высоких концентраций определенных компонентов газа, ступенчатость, скорее всего, будет относительно умеренной для реальной кислородно-топливной системы. В соответствии с выбранной ступенью рециркулирующий дымовой газ — и, следовательно, NO — также необходимо будет добавлять через дымовой газ, поскольку только теоретически возможное добавление кислорода вряд ли приведет к адекватному смешиванию.Принимая во внимание упомянутые ограничения и достигнутые результаты, общее сокращение рециркулируемого NO в реальной кислородной топливной системе, вероятно, достигнет 60-80%. Это означает, что нельзя избежать определенного увеличения концентрации NO, и следует ожидать несколько более высоких концентраций NO. Однако это чрезмерно компенсируется уменьшением объема дымовых газов (см. Таблицу), и массовые потоки NO, подаваемые на очистку дымовых газов, значительно упадут.

Характеристики серы

В следующем разделе описаны конкретные исследования параметров характеристик компонентов серы.Обсуждение в начале этого раздела (см. Таблицу) имеет приоритет, если предполагается, что сернистые компоненты топлива полностью преобразованы в SO ₂ . Однако в зависимости от топлива сера также улавливается золой в процессе охлаждения дымовых газов. Если пыль, включая уловленную серу, удаляется из рециркулируемых дымовых газов, этот сток серы соответственно снижает увеличение концентрации SO ₂ . Для этих зависящих от топлива характеристик улавливания серы многочисленные испытания показали, что не было значительных различий между обычным сжиганием на воздухе и кислородным сжиганием (см. Maier et al.2007). Самозахват серы в процессе кислородного топлива будет происходить аналогично тому, как это происходит при обычном сжигании на воздухе.

Химический состав серы во время горения представляет особый интерес, особенно если для уменьшения содержания оксидов азота используется ступенчатая стадия. В то время как при сжигании на воздухе сера добавляется только через топливо, в кислородно-топливном процессе SO ₂ является еще одним компонентом серы в рециркулируемом дымовом газе. Эта связь была исследована с помощью испытательной установки мощностью 20 кВт.Испытания проводились на ступенчатом пламени с общей стехиометрией 1,15 и стехиометрией горелки 0,75. Время пребывания газа в субстехиометрической зоне составляло 3 с. Для моделирования концентраций рециркулируемого SO ₂ в окислитель добавляли до 3000 ppm SO ₂ . На рисунке показаны профили осевой концентрации, определенные для лужицкого лигнита.

Химия серы (общая стехиометрия 1,15; стехиометрия горелки 0,75; время пребывания в первичной зоне 3 с). a Профили концентрации газообразных соединений серы и кислорода (лужицкий сушеный лигнит). b Химический состав газообразных соединений серы в субстехиометрическом диапазоне

В случае сжигания на воздухе восстановление до H ₂ S можно увидеть после быстрого высвобождения SO ₂ , при этом максимальное значение H ₂ Концентрация S образуется прибл. 1 м; тогда примерно половина серы образуется в виде H ₂ S. После полного добавления воздуха для выгорания все соединения серы окисляются до SO ₂ .Пунктирная линия, обозначенная как (SO ₂ + H ₂ S) _max , представляет концентрацию, если предполагается полное превращение серы в газовую фазу. Сравнение с измеренными значениями (SO ₂ + H ₂ S) показывает, сколько серы улавливается золой в соответствующей секции. В случае кислородного топлива OF27 в окислителе была установлена ​​концентрация SO ₂ , равная 3000 ppm. Эта концентрация ниже, чем концентрация SO ₂ , составляющая около 4000 ppm, измеренная на конце реактора.Он с достаточной точностью соответствует концентрации, которая возникает в результате разбавления добавлением кислорода. Как и ожидалось, химический состав газообразных компонентов серы больше соответствует SO ₂ . Это соответствует ожиданиям, поскольку основная часть серы добавляется в окислителе в форме SO ₂ . Тем не менее, концентрация H ₂ S удваивается, очевидно, из-за восстановления SO ₂ до H ₂ S в субстехиометрической области.После полного добавления окислителя H ₂ S, в свою очередь, полностью окисляется с образованием SO ₂ .

Испытания также проводились в тех же общих условиях с углем Klein Kopje. Здесь химический состав серы в субстехиометрическом диапазоне существенно различается. Принимая во внимание, что в лучшем случае 15% серы было обнаружено в форме H ₂ S в случае угля Klein Kopje, соответствующее значение для лужицкого высушенного лигнита составляло от 25% до более чем 50%, при этом концентрации также значительно выше из-за более высокого содержания серы.Это показано на рис. 2 для сравнения этих двух видов топлива для воздуха и кислородного топлива OF27. Дополнение «0» или «3000» указывает на концентрацию SO ₂ в миллионных долях в окислителе (в случае воздуха с 3000 миллионных долей SO ₂ в воздухе для горения и в случае кислородного топлива без SO ₂ в окислителе) не имеет практического значения).

В качестве обобщения было определено, что для обоих видов топлива в случае кислородного топлива существуют более низкие доли H ₂ S по отношению к общей газообразной сере по сравнению с воздушным вариантом.Тем не менее, концентрации H ₂ S в случае кислородного топлива значительно увеличиваются. Помимо этого, можно определить значительное влияние топлива на химический состав газообразной серы — как в случае воздуха, так и в случае кислородного топлива. Это, безусловно, требует дополнительных исследований.

Многочисленные испытания, включая испытания характеристик компонентов серы с использованием кислородно-топливного метода, были также проведены на испытательной установке мощностью 500 кВт (Mönckert et al. 2007a, 2007b).Недавно здесь были проведены измерения SO ₃ . Первоначальные предварительные результаты показаны на рис. Измерения проводились в дымовых газах при прибл. Температура дымовых газов 450 ° C. Измерение SO ₃ на стороне чистого газа не могло быть выполнено, так как нельзя было избежать занижения точки росы локально внутри пылесборника, что исказило результаты.

SO ₃ конверсия и температура точки росы кислоты. a Измеренные концентрации SO ₂ и SO ₃ на испытательной установке мощностью 500 кВт при работе на воздухе и кислородном топливе с лузатским осушенным лигнитом (измерения выполнялись при температуре дымовых газов 450 ° C). b Температура точки росы по кислоте в зависимости от содержания SO ₃ и концентрации пара

На рисунке показаны результаты, полученные при работе с воздухом и кислородным топливом. Как и ожидалось, концентрации SO ₂ и SO ₃ в случае кислородного топлива выше, чем в случае с воздухом. Однако более высокая скорость превращения SO ₂ в SO ₃ также может быть замечена в случае кислородного топлива, как показано на линейном графике.

Это влияет на температуру точки росы кислоты в двух отношениях.Во-первых, повышается температура точки росы кислоты из-за более высокой концентрации SO ₃ . Во-вторых, повышенное содержание пара в кислородном топливе также способствует дальнейшему повышению температуры точки росы. Эти зависимости показаны на рис. 4, где для расчета температуры точки росы использовалось известное уравнение Верхоффа (Verhoff and Banchero, 1974).

Результаты, достигнутые к настоящему моменту, оставляют некоторые вопросы без ответа. В частности, свойства топлива или золы оказывают значительное влияние на достигаемые результаты.Здесь следует продолжить расследование. Кроме того, необходимо дополнительно уточнить используемое измерительное оборудование.

Влияние примесей в жидком CO

Как видно на рис., Наряду с CO ₂ , в сухом дымовом газе также содержится примерно 11 об.% Балластного газа, который, с одной стороны, , значительно увеличивает потребность в энергии для сжижения и, с другой стороны, частично растворяется в жидком CO ₂ . Согласно современным знаниям, большая часть примесей возникает из-за избытка кислорода и утечки воздуха.Общее количество примесей в сжиженном CO ₂ будет находиться в диапазоне от 1 до 4 мол.% В зависимости от выбранного уровня давления и температуры во время сжижения (Kather et al. 2006). Наряду с этим, часть классических вредных газов NO _X и SO ₂ будет растворяться в жидком CO ₂ . Расчеты количества примесей, растворенных в жидком CO ₂ , основаны на предположении, что будет достигнуто химическое равновесие (Köpke and Eggers 2007).Однако, как показывает опыт, это зависит от конструкции потоковых процессов, влияние кинетики на эти процессы конденсации в настоящее время исследуется. Вопрос о том, как примеси, растворенные в CO ₂ , уменьшают операцию хранения, является предметом текущих и будущих исследований, а это означает, что результатов в этой связи можно ожидать только в среднесрочной перспективе. Поскольку экономическая эффективность процесса кислородного топлива будет в значительной степени зависеть от требуемой чистоты хранимого CO ₂ , необходимо определить источники примесей и принять во внимание возможные меры по минимизации, указанные ниже.

Происхождение примесей и их потенциал восстановления

1. Состав топлива

Азот, связанный в угле, способствует концентрации N ₂ в дымовых газах и образованию оксидов азота. Хотя выбросы NO _X , связанные с интенсивностью горения, будут ниже в кислородно-топливном процессе, концентрация NO _X в дымовых газах будет выше, чем в процессе сравнения с пневматическим управлением.На основании результатов, показанных выше, можно было ожидать концентрации NO _X в сухом дымовом газе перед сжиженным CO ₂ около 750 мг / м3 (стандартное, сухое), что соответствует 1,5-кратной концентрации в дымовой газ из ранее упомянутого исследования RPP NRW, где применяется значение <500 мг / м³ (стандартное, сухое) (производительность NO _X сильно зависит от класса топлива и выбранной горелки и системы сжигания. Приведенные числа относятся к RPP NRW, сжигающей южноафриканский уголь).

Сера, присутствующая в углях, реагирует при горении с кислородом с образованием, прежде всего, диоксидов серы. В то время как концентрация SO ₂ в RPP NRW применяется с <3,950 мг / м³ (стандартная, сухая), она увеличивается в кислородно-топливном процессе из-за аналогичных соотношений таким же образом, как и для оксидов азота, до прибл. 8 570 мг / м³ (стандартное, сухое; с южноафриканским каменным углем).

1. Избыток кислорода во время горения

Как уже указывалось, неравномерное распределение угля по отдельным горелкам означает, что сегодня избыток кислорода не менее 15% необходим для обеспечения выгорания угля, а также для предотвращения повышенного риска коррозии стенок топки.В результате содержание кислорода в сухом дымовом газе с 4,5–5 об.% Может быть снижено до прибл. 3–3,5 об.% За счет дорогостоящих и сложных измерений массового расхода угля на отдельные горелки. Тогда можно будет достичь 10% избытка кислорода (Процессы кислородного сжигания для улавливания CO2 с электростанции, 2005).

1. Чистота обеспеченного кислорода

Примеси кислорода, подаваемого из криогенной воздухоразделительной установки с чистотой 99,5 об.%, Состоят почти исключительно из аргона и 95 об.%.% чистоты, примеси состоят из аргона (около 3,8 об.%) и азота (около 1,2 об.%). Поскольку оба вещества инертны, в соответствии с сегодняшним уровнем знаний предполагается, что их пропорции в жидком CO ₂ во время транспортировки и при хранении CO ₂ под землей не будут иметь отрицательных последствий. Во время сжижения CO ₂ , с другой стороны, они увеличивают потребность в энергии, используя часть потребляемой мощности, сэкономленную с помощью воздухоразделительной установки, что является причиной пониженной чистоты.Таким образом, определение чистоты кислорода является по существу задачей оптимизации в отношении требований к мощности блока разделения воздуха и сжижения CO ₂ . Что касается горения, то количество азота, вводимого в печь в виде примесей кислорода, может вызвать небольшое увеличение оксидов азота. В любом случае потери дымовых газов увеличиваются из-за примесей.

1. Утечка воздуха

Все, что есть у парогенераторов с атмосферным приводом, — это то, что весь путь дымовых газов от выхода горелки до вытяжного вентилятора работает под давлением ниже, чем давление окружающей среды, чтобы предотвратить образование твердых частиц и дымовые газы от утечки.Поскольку тракты дымовых газов современных парогенераторов не спроектированы как абсолютно газонепроницаемые, прежде всего по причинам, связанным с экономией, в систему попадает определенное количество воздуха утечки. Классические места для этого входа воздуха утечки в случае сжигания PF — это, прежде всего, соединения с кожухами горелок у водяной стенки, золоуловитель, золоудаление в тракте дымовых газов, а также люки, смотровая площадка. люки и точки измерения в самых разных положениях. Также существует определенное количество утечки воздуха из-за удаления золы из электрофильтра.Управляемый воздух, вводимый в систему в виде охлаждающего, герметизирующего или продувочного воздуха, в дополнение к неконтролируемому воздуху утечки, должен быть заменен в кислородно-топливном процессе сухим рециркуляционным газом, который отводится перед сжиженным CO ₂ .

В случае обычных электростанций утечка воздуха влияет на эффективность электростанции только в той степени, в которой в печь подается неподогретый воздух. Поскольку измерение остаточного содержания кислорода означает, что избыток воздуха остается постоянным, вентилятор с принудительной тягой управляется для подачи меньшего количества воздуха.Это уменьшает объем воздуха, подаваемого в воздухонагреватель, что приводит к небольшому повышению температуры дымовых газов за воздухонагревателем и потерям дымовых газов. Однако падение эффективности, вызванное этим, настолько низкое, что не было предпринято никаких заметных усилий для уменьшения утечки воздуха, которая происходит до умеренной степени. Поскольку практически невозможно измерить и записать поток воздуха утечки, фактическое количество воздуха утечки точно не известно и может быть только оценено. Для новых электростанций, которые строятся сегодня, предполагается, что доля вытяжного воздуха составляет от 2% до 4% от общего объема дымовых газов и что со временем она возрастет примерно до 10%.

В случае кислородно-топливного процесса, с другой стороны, утечка воздуха имеет значительно более серьезные недостатки, которыми больше нельзя пренебрегать, поскольку поступающий азот увеличивает потребность в энергии для сжижения CO ₂ и снижает CO ₂ чистота. Массовые потоки утечки зависят от:

Поскольку можно предположить, что эти две влияющие переменные на кислородно-топливной электростанции будут аналогичны таковым для процесса сравнения с пневматическим приводом вплоть до рециркуляционной ветви, доля утечки воздуха для кислородно-топливного процесса не связана со значительно меньшим массовый поток дымовых газов, который направляется после рециркуляционного патрубка в зону сжижения CO ₂ , что составляет всего прибл.33% от общего массового расхода дымовых газов, но относится к общему массовому расходу дымовых газов перед рециркуляционной ветвью так же, как для парогенераторов с пневматическими системами сжигания. Следовательно, доля утечки воздуха α определяется следующим образом:

9

Здесь — массовый расход дымовых газов, — массовый расход топлива, — это поток воздуха утечки, — это контролируемый и подаваемый массовый расход воздуха в процессе сравнения с пневматическим приводом и / или сумма контролируемых и массовые потоки подаваемого кислорода и рециркуляции для кислородно-топливного процесса, а γ _зола — зольность топлива.

На рисунке показано влияние различных источников примесей на концентрацию CO ₂ , которая может быть достигнута в сухом дымовом газе. Это ясно указывает на серьезное влияние утечки воздуха. При доле вытяжного воздуха α = 3% максимальная концентрация CO ₂ 83,7 об.% Приведет к сухому дымовому газу, даже если чистота кислорода, на которой основан процесс, будет составлять 99,5% и избыток кислорода снизился до 10%; в настоящее время это невозможно для стрельбы PF.Для сохранения примесей в жидком CO ₂ , а также потребности в энергии для сжижения на как можно более низком уровне, концентрация CO ₂ в сухом дымовом газе должна быть не менее 90%. При достигнутом в настоящее время избытке кислорода 15% и чистоте кислорода 99,5% утечка воздуха должна быть уменьшена до значения менее 1% (см. Рис.). Это должно быть возможно с помощью соответствующих конструктивных мер.

Влияние различных источников примесей на концентрацию CO ₂ , которая может быть достигнута в сухом дымовом газе

Очистка дымового газа

Наиболее выгодное решение с точки зрения экономии и эффективности скорость удаления CO ₂ будет равна сжатию сухого дымового газа до прибл.100 бар и последующее подземное хранение. Ни установка денитрификации, ни система десульфуризации дымовых газов не требуются, но большая часть NO _X и SO ₂ будет улавливаться вместе со сжатым CO ₂ . Однако, поскольку включенные примеси кислорода, NO _X и SO ₂ кажутся слишком высокими с сегодняшней точки зрения, предполагается, что по крайней мере увеличение концентрации CO ₂ посредством криогенного ожижения должно быть выполнено.Здесь пропорции NO _X и SO ₂ можно найти почти исключительно в жидком CO ₂ , что означает, что ни NO _X , ни SO ₂ не должны удаляться из выхлопной газ. Однако, если кинетика приводит к более низкому улавливанию SO ₂ и NO _X в жидком CO ₂ и объединению более высоких концентраций этих двух компонентов в остаточном газе, серы и азота должны быть только быть удаленным из массового расхода прибл.3–4% — относительно массового расхода дымовых газов перед патрубком рециркуляции дымовых газов.

Если требования к чистоте жидкого CO ₂ выше, концентрации NO _X и SO ₂ могут быть уменьшены с помощью соответствующих систем очистки дымовых газов перед сжижением CO ₂ . Если NO _X с концентрациями 200 мг / м3 (стандартная, сухая) и SO ₂ концентрациями 200 мг / м3 (стандартная, сухая), которые сегодня являются нормальными, т.е.грамм. в Германии требовалось обеспечить осушение дымовых газов перед сжижением CO ₂ , известные сегодня технологии денитрификации на основе селективной каталитической реакции (SCR; эффективность улавливания до 90%) и влажную десульфуризацию дымовых газов. системы (эффективность захвата до 98,5%) будет достаточно. Однако окисление продукта десульфуризации до сульфата в системе десульфуризации дымовых газов должно происходить отдельно, чтобы в массовый поток дымовых газов не добавлялись другие нежелательные газы.Такая конструкция приводит к тому, что SCR и установка для обессеривания должны быть настроены на массовый поток дымовых газов, который примерно в десять раз превышает размер по сравнению с конструкцией сжатия необработанного дымового газа. Эффективность улавливания установки SCR, которая является обычной сегодня, при нормальных усилиях и скольжении NH ₃ 1,5 ppm, составляет максимум 90%. Улучшение неравномерного распределения потока дымовых газов при допущении более высоких потерь давления могло бы немного улучшить эффективность улавливания при неизменном проскальзывании NH ₃ .Эффективность улавливания сегодняшних установок сероочистки ограничивается прибл. 99%. При предполагаемых концентрациях 9000 мг / м³ (стандартное, сухое) SO ₂ и 1300 мг / м³ (стандартное, сухое) NO _X на входной стороне системы очистки дымовых газов, расположенной после рециркуляции дымовых газов. ответвление, загружает сухой дымовой газ перед сжиженным CO ₂ прибл. 90 мг / м³ (стандартное, сухое) SO ₂ и 100–130 мг / м³ (стандартное, сухое) NO _X .В жидком CO ₂ это приводит к концентрации прибл. 57 частей на миллион SO ₂ и прибл. 34 ppm NO _X в условиях равновесия. Концентрация NO _X может быть дополнительно снижена путем направления реактора SCR в общий массовый поток перед ветвью рециркуляции дымовых газов, предшественником для увеличения установки DeNO _X в 3 раза до прибл. 16 ppm NO _X в жидком CO ₂ .При всех указанных концентрациях необходимо иметь в виду, что они основаны на расчетах равновесия и операции с преобладанием кинетики могут привести к отклонениям. Никакие влияния сжатия и удаления воды внутри промежуточных охладителей не учитываются. Соответствующие исследования являются предметом текущих исследований.

Концентрация кислорода в жидком CO ₂ очень высока во всех случаях и не зависит от SCR и FGD. Если это неприемлемо для хранения, можно использовать процессы ректификации для снижения концентрации кислорода в жидком CO ₂ ; однако дополнительное снижение эффективности не более чем на 0.5% очков начисляется.

CO

Отделение CO ₂ от дымового газа достигается за счет конденсации. Затем захваченный CO ₂ сжимается до давления около 100 бар и выводится по трубопроводу. Для конденсации необходимо изменить давление и температуру дымового газа таким образом, чтобы была достигнута точка росы дымового газа и CO ₂ начал конденсироваться. Поскольку дымовой газ не является чистым CO ₂ , а представляет собой смесь нескольких компонентов, конденсация прекращается, если давление и температура остаются неизменными.Это делает необходимым разумную скорость улавливания CO ₂ либо для увеличения давления дымовых газов, либо для снижения температуры дымовых газов по сравнению с конденсацией чистого CO ₂ . Расчеты равновесия показывают, что более выгодно снизить температуру дымовых газов, чем увеличивать давление дымовых газов, поскольку в этом случае меньше инертных газов растворяется в CO ₂ . Однако температура дымовых газов ограничена снизу тройной точкой CO ₂ на -56.6 ° С. Дефицит приводит к образованию твердого CO ₂ (сухой лед), и конденсатор блокируется.

Конденсация CO ₂ должна быть настроена таким образом, чтобы количество допустимых примесей в жидком CO ₂ не превышалось. В то же время для экономии всего процесса кислородного топлива требуется определенная минимальная скорость улавливания CO ₂ . Чистота CO ₂ и минимальная скорость улавливания CO ₂ точно не определены.Однако, поскольку обе переменные являются зависимыми (см. Рис.), Можно выбрать только одну переменную без ограничений. В качестве общего принципа рис. Также указывает, что для степени улавливания выше 90% и чистоты выше 95% требуются температуры значительно ниже -30 ° C и давления от 16 до 42 бар. В то время как сжатие дымовых газов может быть легко выполнено с помощью многоступенчатых компрессоров дымовых газов, существует ряд технических возможностей для создания низких температур. При рабочих температурах около 0 ° C и ниже необходимо иметь в виду, что воду из дымовых газов необходимо полностью удалить, чтобы предотвратить неисправности из-за образования льда или гидратов CO ₂ .

1. Осушение дымовых газов

Расчетная p , Диаграмма T для одноуровневой конденсации CO ₂ из дымовых газов кислородно-топливного процесса

Осушение дымовых газов должно происходить по крайней мере два этапа. На первом этапе дымовой газ охлаждается, так что большая часть имеющегося водяного пара конденсируется. Воду нельзя полностью удалить с помощью этого процесса, так как минимальная температура охлаждающей воды на электростанции устанавливает парциальное давление насыщения водяного пара.В конденсате частично растворяются соединения галогена и серы, а также оксиды азота. Точное количество растворенных газов в настоящее время невозможно определить из-за сложного состава дымовых газов и возможного нарушения состояния равновесия. Остаточная влажность дополнительно снижается за счет сжатия дымовых газов на выходе и промежуточного охлаждения. Несмотря на это, для остаточного осушения необходимо последующее использование адсорбента.

1. Создание низких температур

Создание температур до -55 ° C с помощью компрессоров холодильных машин и NH ₃ в качестве хладагента является последним достижением.Из-за большой массы дымовых газов требуется мощность охлаждения в среднем двузначном мегаваттном диапазоне. Использование низкотемпературного отходящего тепла, которое больше не может быть связано с пароводяным циклом для производства электроэнергии, могло бы стать еще одной альтернативой поставке абсорбционной холодильной машины. Дополнительная возможность — внутреннее использование захваченного CO ₂ в качестве хладагента. У всех трех возможностей есть преимущества и недостатки.

Внедрение компрессионных холодильных систем NH ₃ в диапазоне однозначных мегаватт является самым современным.Их модульная конструкция означает, что они предоставляют возможность запускать процесс конденсации на различных уровнях температуры, снижая потребность в энергии для сжижения. Прежде всего, при очень низких температурах хладагента резко падает КПД компрессионного холодильного контура; это можно уменьшить, используя несколько этапов. Недостатком являются дополнительные технические накладные расходы в виде дополнительных холодильных контуров и компрессоров холодильных машин. Использование CO ₂ в качестве хладагента, прежде всего для уменьшения размера, возможно, но это не самое современное в этих измерениях.

Абсорбционные холодильные системы позволяют генерировать те же температуры, что и компрессоры холодильных машин NH ₃ , с помощью тепла и низкой доли электроэнергии. Уровень температуры и количество необходимого тепла повышаются с понижением температуры охлаждения, что означает, что для использования в процессе электростанции должна иметь место точная энергетическая, но также и экономическая оценка между выработкой электроэнергии и холода на основе имеющихся количеств тепла.Благодаря меньшему количеству движущихся частей абсорбционные холодильные системы отличаются высокой надежностью при низком потреблении электроэнергии.

С технической точки зрения использование сжиженного CO ₂ в качестве хладагента связано с наименьшими дополнительными расходами. CO ₂ , отделенный под высоким давлением, снижается в дроссельной заслонке до более низкого давления, так что существует определенная разница температур относительно сжатого дымового газа в конденсаторе. Более низкая температура кипения сжиженного CO ₂ используется для его конденсации из дымовых газов.Этот расширенный CO ₂ полностью испаряется в конденсаторе. Следовательно, газообразный CO ₂ теперь должен быть сжат во втором компрессоре до давления в трубопроводе. Как неисправности в системе дымовых газов — например. из-за изменений в составе дымовых газов — напрямую влияют на свойства и количество доступного хладагента в этой конфигурации, техническая осуществимость в требуемом размере все еще должна быть изучена, чтобы иметь возможность надежно исключить, прежде всего, блокировку системы из-за до сухого льда.

Как уже объяснялось, во время криогенного ожижения скорость захвата CO ₂ и чистота CO ₂ напрямую зависят друг от друга. Максимальная чистота CO ₂ при высоких скоростях улавливания ограничена, прежде всего, из-за доли воздуха утечки, избытка кислорода и чистоты кислорода. Ступенчатое изменение давления во время процесса конденсации означает, что чистота CO ₂ может поддерживаться стабильной даже при более высоких давлениях дымовых газов в пользу более высокой температуры конденсации.В качестве альтернативы, при постоянной температуре конденсатора многоступенчатая конденсация может значительно повысить чистоту CO ₂ . Любые дополнительные требования к чистоте CO ₂ возможны только при перегонке жидкого CO ₂ . Поскольку часть ранее сжиженного CO ₂ должна быть снова испарена во время дистилляции, скорость улавливания CO ₂ падает, а удельная потребность в энергии для отделения CO ₂ возрастает. Однако при необходимости чистоту можно повысить до гораздо более 99%.

Резюме

Процесс кислородного топлива в рассматриваемой здесь форме основан на знакомом паросиловом цикле. Сжигание происходит в атмосфере O ₂ –CO ₂ –H ₂ O со снижением температуры печи за счет рециркуляции дымовых газов, что приводит к аналогичным конструкциям печей и парогенераторов по сравнению с существующими установками PF. Однако последующая обработка дымовых газов требует адаптации.

Требования теплового баланса приводят к увеличению концентрации кислорода при смешивании кислорода с рециркулируемым дымовым газом.При такой более высокой концентрации кислорода наблюдаются аналогичные процессы выгорания и такое же выгорание по сравнению с обычным сжиганием на воздухе. Что касается образования NO и его восстановления в печи в общих условиях системы сжигания кислородного топлива, всесторонние исследования позволяют сделать вывод, что существующие технологии, разработанные для обычного сжигания на воздухе, также могут применяться в условиях кислородного топлива для эффективного снижения выбросов оксиды азота. Массовые потоки NO значительно снижаются по сравнению с обычным пневматическим методом в условиях кислородного топлива.Из-за особенностей кислородно-топливного процесса концентрации различных веществ в печи значительно увеличиваются. Это, естественно, также относится к газовым компонентам с коррозионным действием. Как показывают результаты, более высокие концентрации H ₂ S приводят к попаданию в печь рециркуляции дымовых газов, предпочтительно в восстановительных условиях. В результате также возникают более высокие концентрации SO ₃ , что требует дальнейшего изучения механизма. Эти факты и тот факт, что в условиях кислородного топлива содержание влаги в дымовых газах значительно возрастает, может означать, что риск коррозии возрастает как в высокотемпературном, так и в низкотемпературном диапазонах.

Благодаря отделению атмосферного азота от носителя кислорода, подаваемого в печь, с помощью криогенной воздухоразделительной установки, сухой дымовой газ содержит до 90% CO ₂ и может быть сжижен с разумными усилиями. Однако в процессе другие вещества, например кислород, NO _X и SO ₂ , переходят в жидкую фазу. Эти вещества в концентрациях, превышающих неизвестные, могут привести к проблемам с транспортировкой и подземным хранением CO ₂ .

Таким образом, успех кислородно-топливного процесса в значительной степени зависит от уровня примесей в жидком CO ₂ , который необходимо соблюдать. На эти примеси могут влиять расположенные выше по потоку системы парогенератора и очистки дымовых газов. В то время как концентрации NO _X и SO ₂ в жидком CO ₂ могут быть снижены с помощью систем очистки дымовых газов перед сжижением, для содержания кислорода это возможно только при небольшом избытке кислорода.

Чистота кислорода, достигаемая в воздухоразделительной установке, и, прежде всего, утечка воздуха, которая происходит в системе дымовых газов, приводит к увеличению инертных компонентов аргона и азота, что увеличивает потребность в энергии для сжижения CO ₂ . Здесь должен быть найден энергетически-экономический оптимум между воздухоразделительной установкой, воздухом утечки и сжижением CO ₂ .

UP: Глоссарий угля

А-Б

Антрацит
Твердый, плотный уголь, характеризующийся высоким блеском и низким содержанием серы.Антрацит состоит из менее летучих веществ, чем битуминозный уголь, что обеспечивает его почти не светящееся пламя. Обширные месторождения антрацита, представляющие большую часть запасов США, расположены в Пенсильвании и используются в основном для отопления домов. Диапазон теплосодержания составляет более 14 000 БТЕ / фунт.

Зола
Негорючий и неорганический компонент угля, остающийся после полного сгорания. Зола не дает теплотворной способности.

Температура плавления золы

1. Температура начальной деформации
   Температура, при которой верхняя часть конуса золы начинает округляться.
2. Температура размягчения
   Температура, при которой конус золы плавится в сферический ком.
3. Температура жидкости
   Температура, при которой конус золы распределяется по основанию в виде плоского слоя.
   • 2600 градусов по Фаренгейту — высокая температура плавления золы.
   • 2100 градусов по Фаренгейту — Самая низкая приблизительная температура плавления золы углей в Пенсильвании и Западной Вирджинии.
   • 1 950 градусов по Фаренгейту — Температура плавления золы нескольких углей, расположенных в Огайо.
   • 1850 градусов по Фаренгейту — Приблизительная температура плавления золы углей в Иллинойсе и Индиане.

ASTM
Американское общество испытаний и материалов. ASTM предоставляет систему для классификации угля, а также других параметров испытаний.

Шнековая разработка
Метод добычи полезных ископаемых после открытых горных работ, когда вскрытие становится слишком дорогостоящим для удаления. Шнек обычно работает в горизонтальной плоскости, бывает секциями, а диаметр зависит от высоты угля.

Обратная засыпка
Операция по повторной засыпке участка, на котором была удалена покрывающая порода, включая выравнивание засыпанной выемки.

Базовая нагрузка
Уровни выработки электроэнергии генерирующими станциями, необходимые для удовлетворения устойчивого спроса. Установки для производства базовой нагрузки обычно бывают обычными паровыми, атомными и крупными гидроэлектростанциями. (b)

Битуминозный уголь
Твердое, черное горючее вещество, образованное из разложившихся растительных веществ, подвергающихся давлению, температуре и влажности в течение миллионов лет.Различные условия образования приводят к различному химическому составу угля и теплосодержанию. Битумный уголь — одна из нескольких стадий в процессе эволюционного развития, который включает (от наименее развитого к наиболее развитому): торф, бурый уголь (иногда называемый бурым углем), полубитуминозный, битуминозный, антрацит (иногда называемый каменным углем) и графит. Последние фазы обычно испытывают более высокие экстремальные значения давления, температуры и времени. Он используется для выработки электроэнергии в некоторых частях страны и для преобразования в синтетический газ.

Выгрузка с донным отвалом
Способ разгрузки полувагонов с хоппером. У этих вагонов есть разгрузочные ворота, расположенные внизу каждой секции бункера. Они могут иметь серию разгрузочных ворот (бункеров с зубьями пилы) или систему, в которой вся угольная зона открыта для быстрой выгрузки. (f)

BTU
British Thermal Unit. Количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту при нормальных условиях.

БТЕ (при получении)
Указывает теплотворную способность угля в месте потребления.

BTU (сухая масса)
Метод анализа топлива, при котором влага удаляется, а другие составляющие пересчитываются до общей суммы 100 процентов.

С

Стандарты чистого воздуха

Чистая угольная технология
Из-за проблем загрязнения окружающей среды в результате сжигания угля предпринимаются дополнительные усилия по разработке более эффективного контроля выбросов или редукционные технологии. Эти технологии применяются для очистки самого угля от примесей, повышения эффективности процесса сжигания и / или улучшения систем улавливания загрязняющих веществ для выходящих продуктов сгорания.

Уголь
Включает все марки угля — антрацит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь и лигнит. (b)

Угольный пласт
«Слой» или пласт угля. Термин «пласт» обычно применяется к крупной залежи угля.

Промывка угля
Процесс отделения угля различного размера, плотности и формы путем осаждения угля в жидкости.

Когенераторы
Обычно промышленные, коммерческие или другие производители, использующие пар, тепло или полученную энергию для двойного использования обработки материалов и выработки электроэнергии.Когенераторы могут продавать излишки электроэнергии местным коммунальным предприятиям. (b)

Кокс (уголь)
Как правило, кокс производится из битуминозного угля (или смесей битуминозного угля), из которого летучие компоненты удаляются путем обжига в печи при температурах до 2000 градусов по Фаренгейту. так что связанный углерод и зола сплавлены вместе. Кокс твердый, пористый и имеет серый субметаллический блеск. Он используется как топливо и для химических реакций при плавке железной руды в доменной печи при производстве чугуна и стали.Теплотворная способность кокса составляет от 13 000 до 14 000 БТЕ / фунт.

Коксовая мелочь
После процесса просеивания мельчайшие частицы кокса остаются в виде осадка.

Coke Button
Кусок кокса размером с пуговицу, полученный в ходе лабораторных испытаний характеристик коксования или свободного набухания угля. Коксовым кнопкам присвоены цифровые обозначения от одного до девяти в зависимости от степени набухания во время процесса коксования.

Комбайн непрерывного действия
Механическая горная машина, состоящая из режущей головки, устройства для сбора угля, цепного конвейера с гибкой погрузочной стрелой и шасси с гусеничным ходом.Его функция заключается в добыче полезных ископаемых и погрузке их в челночные вагоны или системы непрерывной перевозки. Он оснащен электрическим приводом с гидравлической подсистемой для вспомогательных функций. Питание осуществляется по подводящему кабелю. (c)

Вскрытие контура или разработка месторождений
Удаление вскрыши и добыча угольного пласта, который выходит на поверхность или приближается к поверхности примерно на той же высоте, в крутых или горных районах. (в)

D-E

Глубокая шахта
Подземная угольная шахта.

База продемонстрированных запасов
Общий термин для суммы угля как в измеренных, так и в указанных категориях надежности ресурсов, которая составляет 100 процентов угля в месторождениях на определенную дату. Включает пласты битуминозного угля и антрацита толщиной 28 дюймов или более и пласты полубитуминозного угля толщиной 60 дюймов и более, которые залегают на глубинах до 1000 футов. Включает пласты бурого угля толщиной 60 дюймов и более, которые можно добывать на поверхности. Включает также более тонкие и / или более глубокие пласты, которые в настоящее время разрабатываются или в отношении которых есть доказательства того, что они могут быть добыты в настоящее время в коммерческих целях.Представляет ту часть идентифицированных ресурсов угля, по которой рассчитываются запасы. (h)

Распределенная мощность (DP)
Поезд, в котором от одного до четырех локомотивов размещены в различных точках поезда. Машинист локомотива в ведущем локомотиве управляет распределенными локомотивами. Поезда DP более длинные, но с улучшенным контролем тормозов и уменьшенным провисанием.

Уголь с двойным грохотом
Процесс калибровки угля. Минимальные и максимальные размеры достигаются при пропускании угля через одно сито и через второе.

Dragline
Машина для удаления вскрышных пород, используемая для вскрытия угольных пластов из-за ее большого вылета и способности забрасывать грунт дальше от карьера — используется для вскрытия угольных пластов средней глубины. (h)

Сушеный уголь
Влага, являющаяся неотъемлемым компонентом угля, требует тепла для ее испарения и выделения с продуктами сгорания. Поверхностная влажность в холодном климате увеличивает проблемы с транспортировкой. Обычная атмосферная сушка угля ускоряется за счет пропускания горячих дымовых газов над слоями угля, подлежащего сушке (обычно это металлургический уголь), или через них.

F-G

Фиксированный углерод
Горючие остатки, оставшиеся после удаления летучих веществ путем нагревания угля.

Сжигание в псевдоожиженном слое
Система сжигания угля, которая привлекла внимание в США из-за ее ожидаемой способности производить низкие выбросы диоксида серы и оксида азота наряду с высокой общей эффективностью. Уголь сжигается, так как он смешивается с другими материалами и подвешивается в пространстве за счет восходящего потока воздуха и продуктов сгорания.Этот слой взвешенных частиц движется как кипящая жидкость. (f)

Зола-унос
Мелкодисперсные частицы золы, уносимые газами, образующимися при сгорании топлива.

Ископаемое топливо
Любое природное топливо органического происхождения, такое как уголь, сырая нефть или природный газ.

Паровая электростанция на ископаемом топливе
Электростанция, в которой первичным двигателем является турбина, вращаемая паром высокого давления, вырабатываемым в котле за счет тепла от сжигания ископаемого топлива.(b)

Рыхлость
Склонность угля крошиться или раскалываться на мелкие кусочки.

Газификация
Производство газообразного топлива из угля для бытовых, коммерческих и промышленных потребителей. Тип процесса конверсии определяет теплотворную способность добываемого газа.

Индекс измельчаемости
Указывает на легкость измельчения угля по сравнению с эталонным углем. Этот индекс полезен при оценке производительности мельницы.Двумя наиболее распространенными методами определения этого показателя являются метод измельчаемости Hardgrove и метод измельчаемости в шаровой мельнице. Угли с низким индексом измельчать труднее. (в)

H-K

Индекс измельчаемости Hardgrove
Показатель относительной легкости измельчения угля. По шкале от одного до 100, чем ниже значение, тем тверже уголь.

Hydroelectric Power
Электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, турбины которой приводятся в движение падающей водой.

Собственная влажность
Эта влага, остающаяся в угле после естественной сушки на воздухе. В общем, влага, которая присутствует в угле в пласте. (a)

Киловатт (кВт)
Тысяча ватт (см. также Мегаватт).

L-N

Lignite
Уголь коричневато-черного цвета с древесной структурой, с меньшим содержанием связанного углерода и более высоким содержанием летучих веществ и кислорода, чем у антрацита или битуминозного угля.Теплосодержание составляет до 8300 БТЕ / фунт. (c)

Разгрузочное сооружение
Основное назначение разгрузочного сооружения — загружать уголь в железнодорожные вагоны, баржи или грузовики для транспортировки к месту назначения. Важные элементы такого объекта включают в себя некоторые или все из следующего: перемещение угля из шахты в складские помещения или силосы для хранения; подготовка угля к отгрузке; взвешивание и погрузка с помощью оборудования, которое варьируется от отдельных фронтальных погрузчиков, работающих от угольной кучи, до сложных конвейеров с компьютерным управлением, сборных бункеров, желобов и ворот.Угольные поезда обычно загружаются паводком со скоростью 3000 тонн в час и более во время движения вагонов. Процесс загрузки может контролироваться оператором или автоматизирован с помощью различных датчиков.

Добыча в длинных забоях
Метод добычи, при котором большой прямоугольный участок угля удаляется за одну непрерывную операцию. Оборудование устанавливается вдоль одной стороны секции (забой лавы), и уголь удаляется пластами толщиной от 2 до 4 футов и длиной до 200 метров.Крыша поддерживается гидравлическими подпорками; вращающийся режущий диск или плуг режет и разбивает уголь, и уголь перемещается с забоя с помощью прочного цепного конвейера. (c) (h)

Мегаватт (МВт)
Ватт — единица электрической мощности; выходная мощность электростанций, компаний и систем обычно выражается в мегаваттах (миллионах ватт). Один ватт = 3,4 БТЕ / час. Один киловатт = 1,3 лошадиных силы.

Металлургический уголь
Различные сорта угля, пригодные для карбонизации для получения кокса для производства стали.Также известный как «металический» уголь, он обладает четырьмя важными качествами: летучесть, которая влияет на выход кокса; уровень примесей, влияющий на качество кокса; состав, влияющий на прочность кокса; и основные характеристики, влияющие на безопасность коксовой печи. Металлургический уголь имеет особенно высокое значение БТЕ, но низкую зольность.

Метрическая тонна (TONNE)
Единица веса, равная 2205 фунтам.

Добыча
Добыча угля осуществляется двумя основными методами; открытая или подземная добыча.

Горнодобывающая промышленность, вскрышная промышленность
Открытая добыча включает использование крупногабаритного оборудования, которое удаляет вскрышные породы (камни, грязь и т. Д.), Обнажая угольные пласты. Этот метод обычно используется, когда угольный пласт лежит близко к поверхности земли и покрывающий слой может быть удален экономично.

Горное дело, Подземный

1. Дрейфовый рудник
   Загнан в сторону холма, где выходит угольный пласт. Шов находится выше дна долины или уровня воды.
2. Склонная шахта
   Вбивается в землю над уровнем угольного пласта. Пласт обычно не имеет выхода на поверхность и находится ниже уровня дна долины.
3. Шахта
   Вбит в землю вертикально к пласту угля. Чаще всего используется для глубоких швов.

Влага

1. Поверхностная влажность
   влажность угля от внешних источников, таких как погодные условия или процессы промывки угля.
2. Собственная влажность
   вода, составляющая неотъемлемую часть угольной композиции.Процент влажности, измеренный при предварительном анализе угля, отражает только присущую ему влажность.

O-Q

Открытые горные работы
Открытые горные работы, тип горных работ, при котором вскрыша удаляется из добываемого продукта и сбрасывается обратно после добычи; или может относиться конкретно к области, с которой была удалена вскрыша, но которая не была засыпана. (c)

Вагоны-хопперы с открытым верхом
Открытые грузовые вагоны с наклонным полом к ​​одной или нескольким откидным дверям для разгрузки сыпучих материалов, особенно угля.

Покрытие
Земля, горные породы и другие материалы, лежащие над угольным пластом. (c)

Пиковая
Эти уровни выработки электроэнергии генерирующими станциями, необходимые для удовлетворения пикового спроса в течение относительно коротких периодов времени. Пиковые установки — это обычно газовые турбины, станции внутреннего сгорания и некоторые гидроэлектростанции. (b)

Нефтяной кокс
Остаточный побочный продукт нефтеперерабатывающей промышленности. После термической обработки или термического крекинга, при котором из исходной сырой нефти извлекаются все наиболее ценные газы и нефтяные жидкости, остается основной углеводород, который, несмотря на то, что он известен как мусорный бак процесса переработки, имеет ряд важных свойств и применений для промышленность по всему миру.По существу, существует три типа нефтяного кокса: специальный или игольчатый кокс; прокаленный или анодный кокс; и зеленый, сырой или топливный кокс. (d)

Proximate Analysis
Процентное измерение физических свойств угля, включая влажность, летучие вещества, связанный углерод и золу. Приблизительный анализ обычно сопровождается указанием содержания серы, БТЕ на фунт, температуры плавления золы и измельчаемости.

R-S

Вагон с быстрой разгрузкой
Вагоны с открытыми верхними бункерами, которые оснащены быстро открывающимися дверцами в нижней части каждого бункера.Разгрузка может быть осуществлена ​​такими простыми способами, как подключение человеком устройства с пневматическим или электрическим приводом к механизму открывания двери к автоматизированным системам, которые получают электрические сигналы от придорожных устройств для открытия или закрытия дверей. Автоматические системы обычно приводятся в действие системой сжатого воздуха в поезде, отдельной от пневматических тормозов. Вагоны быстрой разгрузки позволяют эффективно разгружать поезд при движении со скоростью до 6 миль в час.

Необработанный уголь (рядовой уголь)
Уголь, извлеченный из пласта, но не обработанный, промытый, дробленый или калиброванный.(8)

Возобновляемая энергия
Энергия, полученная из практически неисчерпаемых источников (в отличие, например, от ископаемого топлива, запасы которого ограничены). Возобновляемые источники энергии включают древесину, отходы, геотермальную, ветровую, фотоэлектрическую и солнечную тепловую энергию. (b)

Резерв
Та часть продемонстрированной базы запасов, которая, по оценкам, может быть возмещена с использованием технологий и цен, преобладающих на момент определения. Запасы рассчитываются путем применения коэффициента извлечения к тому компоненту выявленных запасов угля, который обозначен как доказанная база запасов.(h)

Разгрузка роторным самосвалом
Метод разгрузки навалочных (угольных) вагонов, которые представляют собой бункеры с открытым верхом или полувагоны. Автомобиль запирается в самосвальной раме и полностью переворачивается для выгрузки его содержимого. Таким образом можно выгружать вагоны, оборудованные роторными сцепными устройствами, не отцепляя их от остальной части поезда. (f)

Скрубберы
Различные системы, используемые для удаления примесей (в первую очередь диоксида серы, а также летучей золы) из выбросов дымовых газов.Абсорбирующая жидкость или суспензия вступают в контакт с дымовым газом. В случае серы SO2 в дымовых газах физически и / или химически абсорбируется проходящей жидкостью. В скрубберах для обессеривания дымовых газов можно использовать два основных типа оборудования. Один тип может использоваться для одновременного удаления твердых частиц и диоксида серы, в то время как другой требует высокоэффективного удаления твердых частиц перед тем, как дымовой газ может быть обработан в скруббере. Скрубберы летучей золы вызывают ограниченный интерес.(g) (g)

Пласт
Залежь или пласт угля, толщина которого может варьироваться от менее одного дюйма до более пятидесяти футов; размером от нескольких акров до тысяч квадратных миль; и от нескольких футов в глубину до тысяч футов ниже уровня земли.

Короткая тонна
Единица веса, равная 2000 фунтов.

Shortwall
Метод горных работ с панельной компоновкой, аналогичной схеме для длинных забоев, но с уменьшенной шириной панели примерно на 50%.Здесь используется горное оборудование для резки и транспортировки угля, а также специально разработанная гидравлическая опора крыши. (c)

Шлак
Угольная зола, которая находится или находилась в расплавленном состоянии.

Цена спот
Цена сделки, заключенная «на месте», то есть на единовременной и быстрой основе; обычно транзакция включает только одно конкретное количество продукта. Это контрастирует с ценой продажи по срочному контракту, которая обязывает продавца поставлять продукт с согласованной периодичностью и по цене в течение длительного периода.(b)

Парогенераторы — конструкция печи
Печь парогенераторов может быть разделена на две категории по типу: с сухим подом и с мокрым подом.

Агрегаты с сухим днищем работают на пылевидном топливе. Около 10-20% обожженной золы поступает на дно печи в сухом виде и постоянно удаляется, в то время как остаток золы (80-90%) проходит вверх через топку, через конвекционные банки котла и воздухонагреватель в пылесборник.

Установки с мокрым подом могут работать на дробленом угле, например, подаваемом в циклонные печи, или на угольной пыли. Установка с мокрым подом, работающая на пылевидном угле, улавливает 50% или менее золы в виде расплавленного шлака на стенках печи; этот шлак стекает на дно печи и спускается в шлаковые резервуары для удаления. Котлы с циклонными топками относятся к типу с мокрым подом, потому что они производят шлак, который стекает по стенкам топки, затем на пол и в шлаковые резервуары. Хотя за последние 35 лет были проданы сотни котлов с мокрым дном, этот тип сжигания больше не предлагается в качестве нового продукта из-за соображений выбросов NOx.(e)

Stoker Coal
Битуминозный уголь с двойным грохотом переменного размера, но чаще всего от 1 «x». и 2 «х.».

Разрезной рудник
Относится к процедуре добычи, которая влечет за собой полное удаление всего материала с поверхности добываемого продукта в серии рядов или полос; также называется «карьер», «карьер» или «открытый рудник». (c)

Полубитуминозный уголь
Глянцево-черный, устойчивый к атмосферным воздействиям и неагломерирующий уголь, содержащий меньше связанного углерода, чем битуминозный уголь, с большим количеством летучих веществ и кислорода.Теплосодержание колеблется от 8300 до 11500 БТЕ / фунт. (c)

Сера
Неметаллический химический элемент, имеющий различную степень состава угля. Сера выгорает при нагревании угля, но способствует образованию шлаков, образованию шлаков и коррозии. Угли с высоким содержанием серы подвержены самовозгоранию в отвалах хранения. Содержание серы в выбросах из дымовой трубы регулируется стандартами EPA для чистого воздуха.

Классификация серы

• Пиритовый
  Единственная форма серы, присущая углю, которая может быть удалена промывкой.
• Органический
  Врожденный и, как правило, не может быть удален из угля.
• Сульфаты
  Продукты окисления, присутствующие на поверхности свежего угля в небольших количествах. Сульфаты можно легко удалить с помощью стандартных процессов очистки.

Шахта на поверхности
Шахта по добыче угля, которая обычно находится в пределах нескольких сотен футов от поверхности. Земля над углем или вокруг него (покрывающая порода) удаляется, чтобы обнажить угольный пласт, который затем добывается с помощью оборудования для выемки грунта, такого как драглайны, экскаваторы, бульдозеры, погрузчики и шнеки.Он также может называться площадкой, контуром, карьером, полосой или шнековой шахтой.

Т-З

oal Tipple
Первоначально это место опрокидывания шахтных вагонов и разгрузки угля; до сих пор используется в этом смысле, хотя теперь более широко применяется к поверхностным конструкциям шахты, включая подготовительную установку и погрузочные пути. Рельсы, эстакады, экраны и т. Д. У входа в шахту, где уголь просеивается и загружается.(c)

Конфигурации путей (для погрузки)
Должны быть предусмотрены достаточные пути для обработки целого поезда без разрушения состава или повторной сцепки вагонов при протягивании через погрузочное средство.

Конфигурации погрузочных путей:

1. Петлевые пути
   Петли достаточно большие, чтобы обрабатывать грузы массой от 7000 до 13000 тонн.
2. Shoo-fly Track
   Сайдинг с переключателями на каждом конце, позволяющий поезду «зависать» на главном ходовом пути во время погрузки.Фактическая загрузка выполняется на сайдинг, чтобы предотвратить просыпание угля на беговую дорожку.
3. Тупиковый тупик
   Путь должен быть достаточно длинным, чтобы в нем можно было загружать поезда.
4. Лестничный путь
   Два или более тупиковых пути с достаточной пропускной способностью (пустой и загруженный) для обработки отправляемых поездов.
5. Погрузка на ответвлении
   Разрешается условно, если установка для отгрузки угля расположена в конце ответвления и за пределами ответвления нет посетителей.

   Примечание: При определенных обстоятельствах могут быть разрешены изменения конфигурации гусениц.

Окончательный анализ
Химические свойства угля представлены в процентах от веса. Включены углерод, водород, сера, кислород, влага и зола.

Подземный рудник
Шахта, в которой уголь добывается путем прокладки туннелей в землю до угольного пласта, который затем добывается с помощью подземного горнодобывающего оборудования, такого как режущие машины и машины для непрерывной, длинной и короткой добычи.Также называемые глубокими шахтами, подземные шахты классифицируются в зависимости от типа отверстия, используемого для выхода угля; т.е. штольня (ровный туннель), уклон (наклонный туннель) или шахта (вертикальный туннель).

Единичный поезд
Объемные перевозки угля из одного пункта отправления в один пункт назначения.

Летучие вещества
Часть угля, которая уносится в газообразной форме при нагревании угля. Волатильность классифицируется следующим образом:

Список литературы

(a) Словарь горнодобывающих, минеральных и связанных с ними терминов, Бюро горнодобывающей промышленности, составленный и отредактированный Полом У.Thrush, 1968

(b) Annual Energy Review 1987, Energy Information Administration

(c) Coal Handbook, под редакцией Роберта А. Майерса, 1981

(d) «Petroleum Cokes — Focal Point USA», International Bulk Journal, август 1988 г.

(e) «Как качество угля влияет на конструкцию котла», Дональд У. Пэйсер и Альберт Ф. Дузи, Coal Mining and Processing, May 1982, p. 72

(f) Твердое топливо для промышленности США, Том II, Cameron Engineers, февраль 1979 г.

(g) Coal Preparation, Joseph W.Леонард, редактор, 1979 г.

(h) Сравнение затрат на отдельные угольные шахты США и Канады, Горное управление США, апрель 1988 г.

Пылающая тайна — MinTech Enterprises

Это сообщение в блоге является частью первой серии из трех частей, посвященных самовозгоранию угля. В этом посте мы сосредоточимся на истории и исследованиях, а в следующих постах мы рассмотрим превентивные меры и передовой опыт.

Когда уголь горит, он выделяет в воздух углекислый газ, воду, тепло, серу, твердые частицы и другие соединения, оставляя после себя золу, содержащую кремнезем, ртуть, кадмий, мышьяк и другие соединения.Когда это сгорание происходит в контролируемой среде в контролируемых условиях, например, на угольной электростанции, выбросы могут быть очищены от токсинов, а зола может быть локализована и должным образом обработана. Однако, когда это горение происходит в неконтролируемой среде (например, в угольных шахтах, сваях, силосных башнях, баржах, пластах и ​​т. Д.), Эти токсины свободно выделяются в окружающую среду. Хотя прямые жертвы и ущерб от этих пожаров относительно невелики, косвенные и совокупные эффекты этого неконтролируемого сжигания угля огромны.Итак, что вызывает это неконтролируемое горение?

Уголь может гореть в неконтролируемой среде по нескольким причинам:

• Удары молнии : Взрыв угольной шахты в Западной Вирджинии в январе 2006 года, унесший жизни 12 человек, стал самым смертоносным пожаром в США, начатым молнией за последние годы.
• Небрежность или несчастные случаи : Пожар мусора на свалке в Сентралии, штат Пенсильвания, зажег жилу антрацита в 1962 году, и этот огонь все еще горит по сей день.
• Самовозгорание : Уголь имеет тенденцию к саморазогреву из-за автоокисления его соединений, что делает самовозгорание наиболее частой причиной неконтролируемого горения. По всей земле происходят тысячи неконтролируемых угольных пожаров, некоторые из которых горят тысячи лет.

Каково географическое происхождение и история самовозгорания угля?

Поскольку самовозгорание является наиболее серьезной причиной пожаров угля в неконтролируемых средах, оно стало предметом многих исследований и разработок, особенно в последние 10-20 лет.Это проблема, которая поражает не только угольную промышленность США, это глобальная проблема, которая влияет на здоровье и благополучие каждого человека на Земле, независимо от близости к углю.

В Австралия , самый старый известный угольный пожар, горит 6000 лет около горы Винген (также известной как Горящая гора).

Пылающая гора была частью огромной территории, принадлежавшей народу Ванаруа, и теперь демонстрирует медленно горящие угольные пласты на глубине около 30 метров под землей. Источник: Служба национальных парков и дикой природы Австралии

В Китай , по оценкам, до 200 миллионов тонн угля ежегодно сжигаются в неконтролируемых условиях из-за самовозгорания.Это составляет до 3% от общих мировых выбросов парниковых газов.

На руднике Урумчи горит площадь более 310 000 квадратных метров. В результате пожара ежегодно теряется около 217 000 тонн угля, и около 11,28 млн. Тонн угля становятся недоступными для добычи.

В Индии самая большая концентрация угольных пожаров, и, по оценкам, 80% этих пожаров возникли в результате самовозгорания. Индийские угольные пожары впервые были зарегистрированы на угольных месторождениях, расположенных в Ранигандже, еще в 1865 году.Кроме того, шахты в Джарии, Джаркханд, известны своими богатыми запасами угля, но записи показывают, что за более чем 100 лет, начиная с 1916 года, горит около 70 пожаров. Угольные пожары вынудили правительство Индии потратить почти 1 миллиард долларов на перемещение деревень. из шахт в этом регионе. По оценкам, в результате этих пожаров было сожжено более 37 миллионов тонн угля. В то время как Индия успешно справляется со многими пожарами, бушующие пожары препятствуют безопасной добыче почти 1,4 миллиарда тонн угля.

Угольные костры разгораются рано утром в январе 2014 года на частной угольной шахте в индийском штате Джарканд, в результате чего воздух становится плотным от ядовитого дыма и пыли. Сорок процентов минеральных богатств Индии находится в Джаркханде. Источник: NPR.org

В Индонезия огромные пожары торфа (низкоэнергетическая форма угля) вспыхивают каждый год, выбрасывая в воздух столько дыма, что это влияет на видимость и здоровье людей в соседних странах.

Сильный дым от торфяных пожаров в Индонезии накрывает шесть стран.Фото: НАСА

Есть тысячи других хорошо задокументированных пожаров угля в десятках других стран, и большинство из них связано с самовозгоранием. Даже в Соединенных Штатах Америки, где находятся одни из крупнейших запасов угля в мире, зарегистрировано около 200 активных угольных пожаров, и, вероятно, многие другие остаются незамеченными. Некоторые подземные пожары в угольных пластах в районе бассейна Паудер-Ривер в Вайоминге и Монтане могут даже начаться более 4 миллионов лет назад!

Карта запасов угля в США по регионам и типам
Источник: Геологическая служба США (USGS).Уголь: сложный природный ресурс

Наблюдаемые через северные Великие равнины США, естественные пожары в угольных пластах с течением времени спекли и сплавляли красочные красноватые отложения глины, сланца и песчаника в клинкер, форму природного кирпича.

Клинкерный карьер к югу от Рэма, Северная Дакота. Источник: Геологическая служба Северной Дакоты

Размер этих клинкерных слоев колеблется от 40 футов в Северной Дакоте до гораздо более толстых в регионе PRB в Вайоминге и Монтане. На протяжении многих лет эти клинкерные пласты сопротивлялись эрозии, тем самым формируя большую часть ландшафта на западе США.

Ранние западные исследователи, Льюис и Кларк, даже писали об этих образованиях в своих журналах весной 1805 года. Они записали свидетельства пожара, угольных пластов, богатой твердой глины, и там, где эти пласты сходятся вместе, вид сгорел. Первоначально Кларк назвал одну реку Редстоун-Ривер из-за богатых красноватых пластов клинкера, но позже она была переименована в Паудер-Ривер, потому что запах угольных костров напомнил поселенцам запах горящего пороха. По мере того как поселенцы и исследователи продолжали свое движение на запад, сообщения об угольных пожарах на севере Великих равнин только росли, многие из которых были вызваны самовозгоранием угля.

Тлеющая куча угля, найденная на угольном складе угольной электростанции, сжигающей уголь PRB, в процессе переработки

За последние 150 лет горнодобывающая деятельность человека и эрозия усугубили эти пожары, в результате чего в воздух попали тысячи акров свежего угля. Как упоминалось ранее, когда уголь подвергается воздействию кислорода, в результате происходит самоокисление, и в результате химической реакции выделяется тепло. Когда это происходит в неконтролируемых средах, процесс может происходить медленно в течение многих лет или быстро всего за несколько часов, в зависимости от условий.По мере того, как выделяется тепло, реакция усиливается, выделяется больше тепла и запускается вечный цикл. Когда тепла достаточно, происходит самовозгорание. Когда это происходит под землей в угольных пластах, эти пожары образуют большие трещины, и до тех пор, пока тепло может генерироваться быстрее, чем рассеиваться, это самовозгорание может гореть и тлеть десятилетиями, не показывая признаков на поверхности.

Что такое самовозгорание?

Чтобы предотвратить или контролировать самовозгорание, важно точно понимать, что происходит на химическом и физическом уровне.Начнем с того, что самовозгорание — это естественное явление, вызванное окислением угля, химическим процессом, который выделяет тепло даже при температуре окружающего воздуха. Этот процесс представляет собой естественный баланс тепловыделения и рассеивания, и если этому теплу позволить накапливаться, скорость окисления увеличивается экспоненциально, создавая все больше и больше тепла до точки теплового выхода (точки невозврата), что приводит к самопроизвольному возгоранию.

Точный механизм процесса самовозгорания угля все еще обсуждается, но исследователи изучают его с 1908 года, и большинство исследователей согласны с тем, что окисление играет важную роль в этом процессе.Хотя сложная химическая природа угля до конца не изучена, общая химическая / физическая реакция выглядит следующим образом:

Тепловой поток при автоокислении угля

При наличии достаточного количества кислорода при низких температурах окружающей среды реакция с углем является экзотермической и выделяет тепло. Тепло, обозначенное как Δ в приведенном выше уравнении, может либо рассеиваться, либо сохраняться. Чтобы температура угольного тела оставалась неизменной, тепло от этой реакции должно рассеиваться на окружающие субстраты (т.е.е. почва, минералы, воздух и т. д.), как теплоотвод, либо тепло должно передаваться через потерю влаги или испарение. Когда это тепло не может быть рассеяно, температура угольного тела начинает расти, экспоненциально увеличивая скорость реакции и неизбежно вызывая самовозгорание.

Исследования, оценивающие скорость этого явления, показывают, что на каждые 18 ° F повышения температуры скорость реакции может удваиваться. Это означает, что если температура окружающего угля повысится с 86 ° F до 122 ° F, скорость этой реакции увеличится в четыре раза (4X).Если позволить подняться дальше до 158 ° F, эта реакция произойдет в 16 раз быстрее!

Хотя маловероятно, что мы когда-либо сможем предотвратить самовозгорание, которое происходит естественным образом в подземных угольных пластах, мы достаточно знаем о процессе, чтобы предотвратить самовозгорание во время добычи, транспортировки и хранения угля. В конечном итоге это означает, что для угольных шахт, перегрузочных терминалов угля, транзитных железнодорожных путей, барж и грузовых автомобилей, а также угольных электростанций можно предсказать и предотвратить самовозгорание при изменении условий (физически и химически) на предотвратить тепловой сбой.

Подвержены ли все типы угля и марки угля самовозгоранию?

Да, все типы угля подвержены самовозгоранию, однако наиболее подвержены угли более низкого качества, такие как торф, бурый уголь, бурый уголь и полубитуминозные. Эти типы угля известны тем, что имеют более высокое содержание влаги, более высокое содержание летучих и более низкое содержание углерода и БТЕ. Объедините эти атрибуты с тем фактом, что эти угли более низкого качества намного более рыхлые (легко превращаются в порошок), и легко понять, почему они гораздо более склонны к самовозгоранию.Более высокое содержание влаги вызывает экзотермическую реакцию, когда влага рассеивается в сушильном воздухе. Более высокое содержание летучих обеспечивает нестабильность субстрата. Их очень хрупкая природа не только увеличивает доступную площадь поверхности для окисления, но также обеспечивает отличные изоляционные свойства, предотвращающие рассеивание тепла во время окисления. Все эти факторы вместе создают идеальную среду для самопроизвольного возгорания.

Полубитуминозный уголь, добываемый в бассейне Паудер-Ривер в Вайоминге и Монтане, известен своей склонностью к самовозгоранию.Поскольку уголь PRB имеет низкое содержание серы и чрезвычайно экономичен, он пользуется большим спросом во всем мире. По мере того, как в этом регионе добывается все больше и больше угля PRB, операции по перевалке и угольные электростанции, которые привыкли обрабатывать битуминозный уголь, должны были изменить способ обращения и хранения угля, чтобы снизить риски самовозгорания угля.

Многие пользователи, знакомые с углем PRB, знают, что дело не в том, «если», а в том, «когда» у вас возникнет самопроизвольный пожар угля. Часто можно увидеть, как уголь PRB тлеет и загорается в отвалах для хранения, бункерах или силосах на шахтах, терминалах и электростанциях.Бывают случаи, когда полубитуминозный уголь, независимо от его происхождения, доставлялся на электростанцию, когда железнодорожный вагон или баржа частично горели.

Самопроизвольные возгорания угля при транспортировке

Что делает MinTech для предотвращения самовозгорания угля?

За последние два десятилетия MinTech вложила огромные ресурсы в изучение угля PRB и других низкосортных углей, чтобы понять механизм действия. На основе этого исследования MinTech разработала обширную линейку ингибиторов, предназначенных для предотвращения самовозгорания угля.Понимая механизм, который вызывает самопроизвольный нагрев и тепловой разгон, MinTech смогла включить эти ингибиторы в продукты и программы, предотвращающие самовозгорание угля во время процессов добычи, транспортировки и хранения.

MinTech способны замедлять окислительный процесс угля как физически, так и химически, в зависимости от области применения и условий.

Ингибирование с помощью методов физического контроля включает в себя включение наших химических веществ в наши линии MinCryl ™ и MinTopper ™ герметиков для угольных свай и бункерных герметиков.Ингибиторы в этих продуктах защищают угольные хранилища от влаго- и кислородного обмена, уменьшая тепловыделение. Второстепенным преимуществом этого замедления процесса автоокисления является сохранение теплотворной способности (содержания БТЕ). Сохраняя тепловую ценность угля при кратковременном и долгосрочном хранении, угольные электростанции могут вырабатывать больше электроэнергии с меньшими затратами угля. Даже небольшое повышение эффективности на этом уровне может привести к экономии миллионов долларов ежегодно.

Нанесение герметика для свай для предотвращения самовозгорания при хранении

Ингибирование с помощью методов химического контроля включает в себя включение наших химических веществ в наши линии CoalTrol ™ и DustNot ™ средств подавления пыли технологического процесса.Химические ингибиторы, такие как антиоксидантная технология MinTech FlameFreeze ™, непосредственно прерывают процессы окисления и горения. MinTech — единственная компания, способная комбинировать наши ингибиторы самовозгорания в решениях по подавлению технологической пыли, что позволяет нашим клиентам контролировать пыль, одновременно снижая риск самовозгорания во всех процессах обращения с углем. Наши проверенные программы включают обработку всего тела ингибиторами при погрузке на рельсы, баржах и операциях штабелирования.

Уголь, извлеченный из угольного склада, обработанный ингибиторами самовозгорания

Можно ли использовать существующие системы пылеподавления для применения ингибиторов самовозгорания MinTech?

Да, MinTech может легко модернизировать любую систему пылеподавления, чтобы использовать продукты MinTech CoalTrol и DustNot. Процесс прост, он начинается с бесплатного обследования сайта, выполняемого одним из инженеров MinTech. Во время процесса модернизации инженеры MinTech будут работать с химиками MinTech, чтобы выбрать лучшую смесь подавителя пыли / ингибитора самовозгорания в соответствии с вашими потребностями.Обновление оборудования будет соответствовать вашим потребностям и вашему бюджету. Используемые химические вещества будут совместимы с вашей водой, разработаны для вашего угля и разработаны с учетом ваших требований по безопасности и охране окружающей среды.

Кто будет обслуживать мою систему пылеподавления?

MinTech бесплатно обслуживает каждую систему пылеподавления, которую мы устанавливаем. Мы знаем, что химические вещества для подавления пыли и самовозгорания будут работать должным образом только при правильном применении.Вот почему наши специалисты по обслуживанию проводят плановое обслуживание каждой обслуживаемой нами системы.