
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА СЛОЕВОЙ ОБРАЩЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ

Работа №	102067
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	24
Год сдачи	2019
Стоимость	2200 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	152

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

Введение

Актуальность исследования. Одним из перспективных способов энергетической переработки биомассы является процесс газификации. С начала 2000-х годов
наблюдается увеличение интереса к данной технологии, однако она пока не получила широкого промышленного внедрения, а основная доля вырабатываемой из
биомассы энергии приходится на процесс прямого сжигания. Данная ситуация обусловлена рядом технологических барьеров, препятствующих промышленному
внедрению технологий газификации. Такие барьеры обусловлены недостаточной
стабильностью работы термохимических реакторов во времени и низкой готовностью газогенераторного оборудования, необходимостью очистки газа от примесей
смолы и твердых частиц. Газогенераторные станции характеризуются сравнительно
небольшим химическим КПД преобразования энергии топлива в химическую энергию газа, полученного из него. Такой показатель часто не превышает 50-70% для
большинства демонстрационных, пилотных и действующих установок.
Для повышения химического КПД газификации требуется проведение дополнительных исследований. Наиболее рациональным и результативным является сочетание физического эксперимента с математическим моделированием. Диссертация посвящена вопросам повышения химического КПД слоевой газификации биомассы.
Степень разработанности проблемы. В зависимости от области использования генераторного газа, применяются различные критерии оптимизации процесса
газификации. Для энергетических целей, направленных на выработку механической или электрической энергии, важен химический КПД процесса.
При анализе процессов газификации традиционно рассматривается влияние
одного-двух режимных параметров при постоянных остальных. Такой подход позволяет произвести оптимизацию процесса только для узкой области параметров.
Для многопараметрической оптимизации процессов газификации используются современные методы математической статистики – методы планирования эксперимента и метод поверхности отклика. Преимуществом данных методов является относительно небольшое количество экспериментов, требующихся для наполнения
статистической модели данными. Для их получения используются результаты как
физического, так и численного моделирования.
Термодинамическое моделирование позволяет находить оптимальные условия
газификации для широкого диапазона параметров модели. Общность данного подхода дает возможность применять его к реакторам различного типа и мощности.
Недостатком подхода является нахождение оптимального начального состава потоков, поступающих в газогенератор и температуры процесса. Данные модельные
параметры сложно воспроизвести в реакторе газификации, поскольку они часто являются производными параметрами процесса. В работе предложен термодинамический подход, позволяющий преодолеть данный недостаток и осуществить термодинамический анализ экспериментальных режимов на множестве расчетных.4
Цели и задачи исследования. Объектом исследования выступают процессы и
режимы газификации твердого топлива в энергетических установках. Предметом
исследования являются показатели эффективности процесса конверсии и в частности химический КПД процесса. Цель работы состоит в оценке предельных значений химического КПД, а также поиске физико-химических ограничений, препятствующих их достижению. Исследование не сводится к нахождению оптимальных
режимов работы какого-либо отдельного газогенератора, а направлено на установление общих принципов протекания термохимического процесса и ограничений
при его оптимизации.
В диссертационном исследовании решались следующие целевые задачи:
– Разработка метода термодинамического анализа режимных параметров газогенераторного процесса.
– Создание лабораторного стенда с реактором обращенного типа и постановка
ряда экспериментов на нем.
– Анализ экспериментальных режимов и валидация термодинамического метода с использованием полученных опытных данных.
В экспериментах на обращенном реакторе был найден ряд режимов, свойства
которых недостаточно полно объясняются с позиций существующей теории горения и газификации топлива. Анализ опытных данных позволил выдвинуть гипотезу
о неклассическом (нестратифицированном) механизме слоевой конверсии древесного топлива. В диссертационном исследовании проверяются основные положения
данной гипотезы.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В работе предложен подход для термодинамического анализа процесса газификации. Он сочетает в себе элементы термодинамического моделирования и эмпирические данные, полученные в физическом эксперименте. Данный подход позволяет: а) Единообразно рассмотреть разнородные параметры процесса, которые не
учитываются в термодинамических моделях непосредственно. б) Оценить степень
термодинамического совершенства и достижения процессом предельных показателей. в) Установить природу ограничений эффективности процесса, указать на влияние факторов кинетического или термодинамического характера. г) Применим в
отношении реакторов различного типа, в которых также может использоваться
разное топливо.
В исследовании получены следующие основные результаты:
1) Предложенный в работе подход позволил выявить три ограничения эффективности процессов газификации. Первое ограничение связано с достижением реакционной системой граничной углеродной линии, оцениваемой термодинамически. Данной линии соответствует максимальный химический КПД процесса. Второе ограничение связано с движением реакционной системы вдоль углеродной линии. Третье ограничение обусловлено низкой способностью системы к превращению подведенного извне тепла в химическую энергию газа.
2) Выдвинута гипотеза о нестратифицированном механизме слоевой обращенной газификации. В основу гипотезы легли экспериментально наблюдаемые нети22
пичные для обращенного процесса явления: узкая реакционная зона слоя, по высоте не превышающая 35 мм; малая чувствительность состава газа к расходу воздуха;
малое влияние высоты слоя топлива на выход смолы. В соответствии с гипотезой,
процесс газификации протекает в поверхностных слоях отдельных частиц. При
этом стратификация слоя топлива по зонам не выражена или отсутствует.
3) Проведена проверка гипотезы в опытах на кварцевом реакторе специальной
конструкции. При малой мощности реактора и медленном движении в нем топливной массы установлено формирование в слое выраженной зоны пиролиза. Увеличение мощности реактора приводит к исчезновению данной зоны. Подобные изменения обусловлены интенсивностью теплообменных процессов между горячим ядром горения и поступающим в него топливом.
4) В экспериментах на стенде для испытания одиночных частиц топлива установлено наличие различных механизмов их горения. В области скоростей фурменного воздуха ниже 20 м/с наблюдается двухстадийный процесс, на первой стадии
которого происходит выход из частицы и горение летучих веществ. При скорости
воздуха выше 120 м/с, преимущественно реализуется одностадийный механизм горения одиночных частиц. Интенсивный поток воздуха достигает поверхности топливной частицы, вызывая горение поверхностного слоя древесного угля. Стадии
выхода летучих из топлива и горения коксового остатка протекают при этом одновременно.
Направление исследований механизма слоевой газификации обладает перспективами дальнейшего развития, связанными с дополнительным исследованием
свойств нестратифицированного обращенного процесса, экспериментальными работами по поэтапному приближению условий горения одиночной частицы к горению частиц в слое, а также с построением математических моделей изучаемых
процессов.

Литература

1) Свищев Д.А. Модернизация поточного воздушного газификатора для твердо¬топливной парогазовой установки / А.Ф. Рыжков, Н.А. Абаимов, И.Г. Донской, Д.А. Свищев // Физика горения и взрыва. 2018. т. 54. №3. С. 96-103 (0,54 п.л./0,14 п.л.). (Scopus, WoS)
2) Svishchev D.A. Thermal analysis of wood fuel pyrolysis process / G.I. Khudyako- va, A.N. Kozlov, D.A. Svishchev, M.V. Penzik // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2018. - Vol. 1128. - No. 1. - С. 012080 (0,44 п.л./0,11 п.л.). (Scopus)
3) Svishchev D. Verification of the heat transfer model for screw reactor / A. Levin, A. Kozlov, D. Svishchev, M. Penzik // MATEC Web of Conferences. - EDP Sciences, 2018. - Vol. 240. - P. 05017 (0,38 п.л./0,10 п.л.). (Scopus)
4) Свищев Д.А. Кинетический анализ термохимической конверсии твердых топлив (обзор) / А.Н. Козлов, Д.А. Свищев, Г.И. Худякова, А.Ф. Рыжков // Химия твердого топлива. 2017. № 4. С. 12-21 (0,90 п.л./0,23 п.л.). (Scopus, WoS)
5) Свищев Д.А. Расчетное исследование эффективности ступенчатого процесса газификации влажной древесины / И.Г. Донской, А.Н. Козлов, Д.А. Свищев, В.А. Шаманский // Теплоэнергетика. 2017. № 4. С. 21-29 (0,75 п.л./0,19 п.л.). (Scopus)
6) Svishchev D.A. CFD-Modeling of the Multistage Gasifier Capacity of 30 KW / A.A. Levin, A.N. Kozlov, D.A. Svishchev, I.G. Donskoy // Journal of Physics: Confer¬ence Series. 2017. Vol. 891. ID: 012229 (0,40 п.л./0,10 п.л.). (Scopus)
7) Svishchev D.A. Modeling of combined heat and power plant based on a multi-stage gasifier and internal combustion engines of various power outputs / G.I. Khudya- kova, A.N. Kozlov, D.A. Svishchev // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 891. ID: 012200 (0,46 п.л./0,15 п.л.). (Scopus)
8) Svishchev D.A. Coal gasification process simulations using combined kinetic- thermodynamic models in one-dimensional approximation / I.G. Donskoy, V.A. Sham¬ansky, A.N. Kozlov, D.A. Svishchev // Combustion Theory and Modelling. 2017. P. 1-31 (1,79 п.л./0,45 п.л.). (Scopus, WoS)
9) Svishchev D. Development of s multi-stage biomass gasification technology to produce quality gas / A. Kozlov, D. Svishchev, O. Marchenko, S. Solomin, V. Sham-ansky, A. Keiko // Proc. of 25th European Biomass Conference (25thEUBCE), Stock-holm, 2017. P. 776-781, (0,45 п.л./0,08 п.л.). (Scopus)
10) Свищев Д.А. Превращение минеральной части древесного топлива в процес¬сах термохимической конверсии / А.Н. Козлов, Д.А. Свищев // Химия твердого топлива. 2016. № 4. С. 22-27 (0,69 п.л./0,34 п.л.). (Scopus, WoS)
11) Svishchev D.A. A semi-empirical approach to the thermodynamic analysis of downdraft gasification / D.A. Svishchev, A.N. Kozlov, I.G. Donskoy, A.F. Ryzhkov // Fuel. 2016. Vol. 168. P. 91-106 (2,26 п.л./0,57 п.л.). (Scopus, WoS)
12) Svishchev D.A. A technique proximate and ultimate analysis of solid fuels and coal tar / A.N. Kozlov, D.A. Svishchev, I.G. Donskoy, V.A. Shamansky, A.F Ryzhkov // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2015. V. 122. No3. P. 1213 - 1220 (0,74 п.л./0,15 п.л.). (Scopus, WoS)
13) Свищев Д.А. Расчет режимов слоевой газификации угля с помощью термо-динамической модели с макрокинетическими ограничениями / И.Г. Донской, А.В. Кейко, А.Н. Козлов, Д.А. Свищев, В.А. Шаманский // Теплоэнергетика. 2013. №12. С. 56-61 (0,58 п.л./0,14 п.л.). (Scopus)
14) Свищев Д.А. Исследование управляемости процессов слоевой термохимиче¬ской конверсии твердого топлива / А.В. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Теплоэнергетика. 2012. №4. С. 40-47 (0,64 п.л./0,16 п.л.). (Scopus)
15) Свищев Д.А. Термодинамический анализ газификации водоугольного топли¬ва в потоке / Д.А. Свищев, А.В. Кейко // Теплоэнергетика. 2010. №6. С. 33-36 (0,32 п.л./0,16 п.л.). (Scopus)
16) Свищев Д.А. Перспективные режимы газификации низкосортного твердого топлива / А.В. Кейко, И.А. Ширкалин, Д.А. Свищев // Известия Российской акаде¬мии наук. Энергетика. 2006. № 3. С. 55-63 (0,65 п.л./0,22 п.л.).
Монографии:
1) Svishchev D. Modeling of Pyrolysis in a Stage Scheme of Low-Grade Solid Fuel Gasification / A. Kozlov, A. Levin, D. Svishchev, V. Shamansky, A. Keiko // Pyrolysis. InTech, 2017. P. 71-88 (0,9 п.л./0,18 п.л.).
2) Свищев Д.А. Численные исследования работы перспективного поточного га¬зогенератора / Н.А. Абаимов, И.Г. Донской, В.А. Кузнецов, Д.А. Свищев, М.Ю. Чернецкий // Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой гази¬фикацией угля / под. ред. А.Ф. Рыжкова. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. Гл. 6. С. 295-366 (2,73 п.л./0,55 п.л.).
3) Свищев Д.А. Управляемость процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / А.В. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Газоге¬нераторные технологии в энергетике / под. ред. А.Ф. Рыжкова. - Екатеринбург: Со¬крат, 2010. - 611 с (0,55 п.л./ 0,14 п.л.).