Применение пароплазенных установок в технологических процессах высокотемпературной переработки техногенных и нефтесодержащих отходов ТЭС.

 

Один из наиболее перспективных путей переработки золошлаковых смесей гидроудаления –переработка с целью извлечения  ценных компонентов, представляющих собой полые алюмосиликатные микросферы. Эффективность переработки ЗШС можно повысить за счёт вовлечения отходов, содержащих нефтепродукты с возможностью получения нового альтернативного вида топлива магнегаза.

 

6.1 Технология пароплазменной переработки техногенных и нефтесодержащих отходов ТЭС

Рисунок 7- Схема пароплазменной установки для выделения полой микросферы из ЗШС гидроудаления ТЭС.

 

На рисунке представлена камера пароплазменной обработки, при обработке материала, поступающего в устройство с пароводяным плазмотроном. При обработке материала к установке не предъявляется требования по химическому составу, минералогическому составу, агрегатному состоянию и влажности продуктов, поступающих в камеру обработки [12,13]

Подготовленная смесь в смесеобразователе, в соответствии с рисунком 7, состоящая из водно-зольной эмульсии и нефтепродуктов поступает через приёмное устройство золошлаковой смеси 1 в камеру плазменной обработки 2, где под действием работы пароводяного плазмотрона 3, происходит образование магнегаза и происходит выделение зольной алюмосиликатной микросферы.

Образованный магнегаз поступает в камеру сбора газа 4. Полая алюмосиликатая микросфера поступает в приёмно-сборное устройство 5.

Система питания 6 обеспечивает подачу электрической энергии 7, плазмообразующего газа 8 и воды 9 на плазмотрон. 

Получаемый магнегаз состоит на 90 - 92% из смеси окиси углерода СО, примерно 40% и водорода Н, примерно 50%. 

В предлагаемой технологии в реакторе плазмотрона имеется ванна со смесью зольно-водной эмульсии и нефтепродуктов.

Образование магнегаза происходит за счёт перехода атомов в ионизированное состояние под действием высоких температур и электрического тока в электрической дуге, образованной на графитовом электроде с температурой, составляющей примерно 1100⁰С. В это же время неорганическая составляющая смеси, состоящая в основном из алюмосиликатных компонентов преобразуется в высококачественную дополнительно термически обработанную полую микросферу, с размерами от 1 до 10 мкм.

Плазменная установка на дне камеры плазменной обработки содержит ванну, в верхней части которой за счёт процесса кипения накапливаются и отводятся в камеру сбора микросферы. Выделяющийся при этом магнегаз поднимается в камеру сбора газа, откуда возможен его отбор с помощью устройства отбора газа.

Переработка смеси в предлагаемой плазменной установке зависит от многих факторов, включающих как основу технологические факторы, а также состав и структуру смеси, правильное проведение всех процессов, необходимых для образования конечных продуктов, качества электродов, применяемых в плазмотроне и режима электрических параметров системы. Регулирование режимных характеристик электрической дуги может производиться путём изменения длины дуги. Режим изменения длины дуги, организованный автоматическим изменением уровня электрода позволяет производить плавное регулирование работы камеры плазменной обработки.

Кроме того, вышеуказанный режим позволяет удерживать мощность камеры на заданном уровне. Основными параметрами эксплуатации установки являются:

1) полезная мощность установки;

2) электрические потери;

3) коэффициент активной мощности;

4) коэффициент реактивной мощности;

5) кпд установки.

Электрический ток, образующийся в установке, напрямую зависит от данных параметров.

Схема замещения плазменной обработки при эксплуатации предлагаемой установки может быть представлена в виде активных сопротивлений, последовательно включенных между собой.

Эквивалентную схему замещения цепи зоны плазменной обработки можно представить в виде однофазной цепочки последовательно включенных активных сопротивлений, в соответствии с рисунком 8.

 

Рисунок 8 – Эквивалентная схема замещения цепи зоны плазменной обработки.

 

В представленной схеме к активными сопротивлениями являются сопротивление электродуги плазмотрона R_п, сопротивление расплавленного раствора в ванне R_в и сопротивление дуги на графитовом электроде R_Э. Сопротивление электродуги плазмотрона R_п и сопротивление дуги на графитовом электроде R_Э являются величинами непостоянными, в соответствии с тем, что значения этих величин могут меняться в ходе эксплуатации плазменной установки как произвольно так и задаваемыми величинами. Величина сопротивления расплавленного раствора в ванне R_в является постоянной так как параметры воздействия на раствор должны поддерживаться на одном и том же уровне в соответствии с заданной температурой воздействия на раствор.

 

6.2. Методика энергетического расчёта зоны пароплазменной обработки отходов.

 

Для определения основных энергетических характеристик зоны плазменной обработки, основными элементами которой являются графитовый электрод, пароводяной плазмотрон и ёмкость, содержащая смесь водно-зольной эмульсии и нефтепродуктов необходимо составить энергетический баланс, определяющий баланс входящих и выходящих потоков энергии. Энергобаланс позволит определить все основные расходные характеристики процесса получения алюмосиликатных полых микросфер и магнегаза в предлагаемой установке.

Входящими потоками энергетического баланса энергетического баланса будут являться:

1) Q₁ – теплота, вносимая с электрической энергией; 

2) Q₂ – теплота, с перерабатываемым раствором; 

3) Q₃ – теплота, выделяемая в плазменной камере обработки при протекании химических реакций.

Выходящими потоками энергетического баланса в плазменной установке при переработке заданной смеси являются:

1) Q₄ – теплота продуктов процесса переработки, включающего плавление и газификацию; 

2) Q₅ – теплота химических реакций, протекающих с поглощением тепла;

3) Q₆ – тепловые потери, возникающие при работе установки.

В результате уравнение энергобаланса принимает вид:

В итоге вид энергетического баланса примет вид: 

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆ +∆                                                                         (6.1)

где ∆ - погрешность результатов расчётов.

Исходя из заданных основных параметров уравнения энергобаланса, составим уравнение энергобаланса с определением энергетических характеристик для установки, имеющей основные геометрические параметры в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 9 – Геометрические параметры ёмкости, содержащей перерабатываемую смесь

 

6.3 Пример энергетических характеристик энергобаланса пароплазменной обработки нефтесодержащих отходов ТЭС и ЗШС гидроудаления от сжигания экибастузского каменного угля.

 

Для составления уравнения энергобаланса  пароплазменной обработки отходов для установки вышеуказанных геометрических и физико-химических параметров. В качестве исходных данных принимаем:

1) масса нефтепродуктов, подаваемых в плазменную камеру = 100 кг,

2)  примерный химический состав нефтепродуктов:

- С=34,83%;

- H=3,42%;

- O=22,57%;

- N=1,38%;

- S=1,13%;

- Cl=2,47%;

- SiO₂=17,33%;

- H₂O=14,87%

3) масса плазмы, подаваемой в плазменную камеру - 10 кг.

4) масса водно-зольной эмульсии ≈ 160 кг,

5)  химический состав золы, % [14]:

- SiO₂=10,4%;

- MnO=1%;

- Fe=1%;

- CaO=52,5;

- MgO=4,5%;

- Al₂O₃=5%.

6) условный электрический ток 200 А;

 

Энергетический баланс составлен в данном случае для первичного цикла, то есть при первой загрузке перерабатываемого материала.

Режим при первой загрузке является самым энергоёмким, так как расход энергии необходимо предусмотреть на нагрев минеральной части всей смеси. Нагрев смеси необходимо произвести от температуры 20⁰С до температуры 1600⁰С.

В случае бесперебойной эксплуатации плазменной установки, во всех последующих циклах в уравнении энергобаланса будет отсутствовать составляющая расхода теплоты на нагрев минеральной составляющей.

Расчёт количества теплоты, необходимой для нагревания всей смеси, загружаемой в камеру плазменной обработки до заданной температуры, состоящей как из органической так и неорганической массы, включает:

1) Расчёт количества теплоты на нагрев 100 кг смеси, загружаемой в камеру:

                                                                                                                (6.2)

Таким образом, общее количество теплоты, необходимое на нагрев всей массы смеси, определяется количеством теплоты, необходимой для нагревания отдельных компонентов, входящих в смесь, в соответствии с формулой:

                                                                                                        (6.3)

где m_i – масса i-того компонента смеси;

  C_pi – средняя удельная изобарная теплоёмкость в заданном диапазоне температур.

Средняя изобарная теплоёмкость С_р определяется из справочной литературы в соответствии с [15] и составляет в интервале температур от 20 до 1200⁰С:

- для углерода С - 14,23Дж/моль⁰С

- двухатомного водорода Н₂ - 28,85 Дж/моль⁰С

- двухатомного кислорода О₂  -31,69 Дж/моль⁰С

- двухатомного азота N₂ – 30,38 Дж/моль⁰С

- серы S - 28 Дж/моль⁰С

-  воды H₂O - 36,77 Дж/моль⁰С

-  двуокиси кремния SiO₂-60,18 Дж/моль⁰С

2) Из имеющихся данных по теплоёмкости каждого из веществ определяем количество теплоты, необходимое для нагрева 100 кг смеси:

1. При этом, с учётом атомной массы:

1) H₂ (1,007 а.е.м. ∙2)          3420/2=2120;

2) N₂ (14 а.е.м∙2)                 1380/28 = 49,3;

3) С (12 а.е.м)                      34830/12 = 2902,5;

4) O₂ (16 а.е.м. ∙2)               23570/32 = 736,6;

5) H ₂О (18 а.е.м)               14870/18 = 826,1;

6) SiO₂ (60,08 а.е.м.)         17330/60,08 = 288,9;

 

3) Температурный перепад составляет  = 1180⁰С

H ₂ - 3420 гр = 2120 ∙28,85∙ 1180/3600 = 20,9кВт·ч                                            (6.4)

N ₂ -1380 гр = 49,3 ∙30,38 ∙1180 / 3600 = 0,5кВт·ч                                              (6.5)

C -34830 гр = 2902,5 ∙14,23∙ 1180 / 3600 =13,5кВт·ч                                          (6.6)

O ₂ - 23570 гр  = 736,6 ∙31,69 ∙1180 / 3600 = 7,7кВт·ч                                         (6.7)

H ₂О -14870 гр = 826,1∙ 36,77 ∙1180 / 3600 = 9,9кВт·ч                                       (6.8)

Si O₂ - 35440 гр = 288,9∙ 60,18 ∙1180 / 3600 = 5,7кВт·ч                                      (6.9)

Q_общ = 20,9 + 0,5+ 13,5+ 7,7+ 9,9+ 5,7 = 58,2 кВт·ч.                                         (6.10)

 

4) Для определения количества теплоты, необходимого для нагревания 10 кг воды:

                                           (6.11)

 

где q – удельные энергозатраты на получение сухого пара, кДж/г, принимаем в соответствии с рисунком 4 Приложения 1

  m – масса плазмообразующей среды – воды.

5) Для определения количества теплоты, необходимой на нагрев водно-зольной эмульсии, в количестве 160 кг, используем данные о теплофизических свойствах зольных эмульсий и зольных продуктов в зависимости от их состава, полученные в работах К.Д. Ильченко и А.Б.Усачёва в соответствии с таблицей 2 Приложения 1.

В таблице 2 Приложения 1 представлены значения теплоёмкости зольных эмульсий с соотношением оксидов кальция к оксидам кремния, полученные на основании вышеуказанных исследований.

При температуре 1180⁰С и соотношении СаО/SiO₂ 52,5/ 10,4 = 5,04 пользуясь усреднёнными данными, в соответствии с формулой 3 получаем:

                                                                   (6.12)

После определения всех тепловых составляющих уравнения энергобаланса, определяем теплоту продуктов процесса переработки, включающую процесс плавления и газификации Q₄ по формуле:

                                             (6.13)

6) Для определения теплоты перерабатываемого раствора Q₂ и теплоты, выделяемой в плазменной камере обработки при протекании химических реакций Q_3, используем график определения количество выделяемой теплоты от массы плазмообразующей среды, представленный на рисунке 5 Приложения 1 [12]

График показывает, что если в качестве плазмообразующей среды использовать воздух в камере плазменной обработки теплоты выделяется больше, чем если бы в качестве плазмообразующей среды использовался водяной пар. Поэтому при использовании водяного пара необходима большая мощность дугового разряда.

По кривой пара с влагосодержанием 14,8% (минимальное влагосодержание для процесса) определяем, что при подаче водяного пара совместно с обрабатываемым раствором, массой 10 кг выделится примерно 4 кВт, то есть:

Q₃- Q₅ =4 кВт                                                                                                         (6.14)

В результате проведённого численного моделирования была получена зависимость количества выделяемой теплоты от величины тока, при удельном электрическом сопротивлении расплава 0,018 Ом∙м, представленная на рисунке 6 Приложения 1. Удельное сопротивление раствора было определено в зависимости от температуры, составляющей для обрабатываемого раствора 1800⁰С в соответствии с [16].

В камере плазменной переработки дуга на графитовом электроде частично находится в пароводяной среде. Кроме того, её длина меньше длины дуги плазмотрона, в соответствии с чем, дуга на графитовом электроде выделяет теплоты меньше дуги плазмотрона. Поэтому условно можно принять мощность графитовой дуги равной половине мощности дуги плазмотрона.

7) При условном электрическом токе, равном 200 А дуга плазмотрона будет выделять 70 кВт. В соответствии с чем, мощность графитовой дуги составит 35 кВт. А мощность в ёмкости с раствором 55,5 кВт, в соответствии с графиком зависимости теплоты, выделяющейся в растворе от силы тока., представленном на рисунке 5 Приложения 1 получаем:

 

              (6.15)

 

Теплота, перерабатываемая с раствором, Q_2, представляет собой количество теплоты, содержащейся в продуктах, загружаемых в камеру плазменной обработки. Данная теплота очень незначительно, в случае, если раствор не подвергался предварительному нагреву, что в данном случае имеет место быть. Поэтому теплотой, перерабатываемой с раствором можно пренебречь.

8)  Практические данные показывают, что плазменные камеры обработки имеют к.п.д. 90% и выше, откуда получаем:

                       (6.16)

 

В результате выполненных расчётов получаем уравнение энергетического баланса:

                                                                      

 (6.17)

Погрешность выполнения расчётов составила 2%.

 

6.4 Задание для самостоятельного выполнения

Задание 1 

Составить энергобаланс зоны плазменной обработки техногенных отходов Белоховской ГРЭС (каменный уголь Кемеровского угольного бассейна) для предлагаемой схемы, представленной на рисунке 10. Принять следующие условия:

1) примерный химический состав нефтепродуктов:

- С=44 %;

- H=2 %;

- O=22 %;

- N=3 %;

- S=4 %;

- Cl=5 %;

- SiO₂=15 %;

- H₂O=5 %

2) масса плазмы, подаваемой в плазменную камеру - 20 кг.

3) химический состав золы, %:

- SiO₂=29,92%;

- MnO=1%;

- FeО=1,979%;

- CaO=2,743%;

- КО=3,337%;

- MgO=0,329%;

- ТiО=0,5539%;

- NaO=0,218%;

- ВаО=0,101%;

- Al₂O₃=11,99%.

4) условный электрический ток 200 А;

5) Нагрев смеси необходимо произвести от температуры 20⁰С до температуры 1600⁰С.

 

1-приёмник золошлаковой смеси, 2- отстойник алюмосиликатного материала, 3- смесительное устройство отобранных нефтепродуктов и сырой полой микросферы, 4 – устройство отбора нефтесодержащих продуктов, 5-нефтеулавливающее устройство, 6 - пароплазменный реактор, 7 – трубопровод возврата золошлаковой смеси, 8 – трубопровод выхода очищенной воды, 9 - песковый насос подачи сырой полой микросферы, 11, 12 – шламовые насосы, 13 – трубопровод золошлаковой пульпы.

Рисунок 10 – Схема совместной переработки золошлаковых смесей и нефтесодержащих отходов ТЭС.