Тема: Термодинамический анализ и исследование механизма слоевой обращенной газификации биомассы

Биомасса является перспективным возобновляемым энергоносителем. Её преимущества по сравнению с традиционными видами топлива состоят в следующем: биомасса рассматривается как углеродо-нейтральное топливо, позволяющее снизить выбросы диоксида углерода; её использование может внести вклад в энергетическую безопасность стран, импортирующих энергоресурсы, уменьшить их зависимость от поставок ископаемого и ядерного топлива; увеличение энергетического использования биомассы является дополнительным фактором экономической поддержки сельскохозяйственных регионов [ 1 ]. Кроме того, биомасса перспективна для производства электроэнергии и моторного топлива в районах, удаленных от систем электроснабжения и транспорта [2,3]. Особенностью биомассы является низкая плотность ее распределения по территории, что ограничивает экономически эффективный радиус ее сбора и обуславливает интерес к энергетическим установкам небольшой единичной мощности [4].
Одним из перспективных способов переработки биомассы является газификация твердого топлива. Данная технология не является новой и за последние полтора века несколько периодов ее развития сменили друг друга [5]. С начала 2000-х годов вновь наблюдается увеличение интереса к газификации, обусловленное следующими факторами: задачами уменьшения выбросов углекислого газа и повышения
экологичности энергетики в целом; значительным ростом стоимости углеводородного сырья; бурным развитием экономики и повышением энергопотребления в Китае и Индии [6].
Для газификации ископаемых углей возможно использование крупных поточных газогенераторов мощностью до 300-500 МВт [ 7 ]. При газификации биомассы используются реакторы средней и малой единичной мощности. Среди них перспективными являются реакторы с неподвижными слоем топлива, отличающиеся простотой конструкции.
Несмотря на существующий потенциал, технологии газификации пока не получили широкого промышленного внедрения [8], а основная доля вырабатываемой из биомассы энергии приходится на процесс прямого сжигания [ 9]. Данная ситуация обусловлена рядом технологических проблем, характерных для газогенераторных станций [10,11]. Исследование технологической цепочки переработки биомассы показало, что основные сложности связаны со стадиями газификации и газоочистки [11].
Недостаточная стабильность режимов газификации приводит к возникновению перебоев в работе газогенераторных станций и обуславливает их низкую готовность. Стоимость технологий газификации возрастает из-за необходимости очистки газа от смолы и твердых частиц, требующейся для большинства типов газопотребляющего оборудования. Газогенераторные станции характеризуются сравнительно небольшим КПД преобразования химической энергии топлива в химическую энергию газа, полученного из него. Такой показатель часто не превышает уровень 70%.
Для повышения эффективности газификации требуется проведение дополнительных исследований. Наиболее рациональным и результативным путем подобного исследования является сочетание физического эксперимента с математическим моделированием. Данная работа посвящена вопросам повышения эффективности слоевой газификации биомассы в реакторе небольшой единичной мощности.
Степень разработанности темы исследования
Процесс газификации характеризуется значительным числом влияющих на него параметров. Среди них выделяются свойства и расход потоков топлива и газифицирующего агента, геометрические параметры реактора, наличие и активность катализаторов конверсии и др [12]. Такие параметры определяют выход газообразных, жидких и твердых продуктов конверсии, температурное распределение в реакционном пространстве, интенсивность и стабильность процесса и пр.
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. Для производства топливного водорода и получения жидких и газообразных синтетических топлив необходимо оптимизировать выход и соотношение таких компонентов как водород и монооксид углерода. Суммарный выход этих компонентов можно использовать в качестве критерия оптимизации безотносительно дальнейшего пути использования газа [ 13 ]. При таком подходе предусматривается промежуточное преобразование газа в реакторе водяного сдвига («шифт»-реакторе).
При анализе процессов газификации традиционно рассматривается влияние одного-двух режимных параметров при постоянных остальных [14, 15]. Такой подход позволяет произвести оптимизацию процесса только для узкой области параметров. Несмотря на этот недостаток, подход успешно применяется при оптимизации коммерческих станций с двойным кипящим слоем [16]. В данном процессе конверсии присутствуют положительные обратные связи, обуславливающие зависимость ряда режимных параметров друг от друга. Такие связи значительно затрудняют изучение и оптимизацию процесса.
Для многопараметрической оптимизации технологических процессов традиционно использование современных методов математической статистики - методов планирования эксперимента и метода поверхности отклика [ 17 ].
Оптимизационные исследования включают несколько этапов, таких как составление подходящего плана экспериментов, их постановку, подходящий статистический анализ полученных данных, а также проверку адекватности выдвинутых статистических моделей. Имеется опыт применения метода поверхности отклика и при оптимизации процессов газификации [18-21].
Преимуществом статистических методов является относительно небольшое количество экспериментов, требующихся для наполнения статистической модели данными. Например, для оптимизации четырех режимных параметров Ж. Фермосо поставил 22 статистически подготовленных эксперимента [18].
Для получения статистической информации используются результаты как физического, так и численного моделирования. Последний подход позволяет значительно снизить стоимость единичного эксперимента, что особенно актуально при исследовании крупных промышленных газогенераторов.
Применение статистического метода Ж. Тагучи позволяет в большей степени снизить количество необходимых экспериментов по сравнению с методом поверхности отклика. На основе данного метода возможно провести ранжирование режимных параметров по их степени воздействия на параметры отклика [22]. Метод Тагучи также позволяет отыскивать наиболее стабильные режимы газификации, в которых колебания выхода и состава генераторного газа оказываются минимальными [13].
Использование статистических методов ограничивается их недостатками. В ряде случаев оптимизируемые параметры могут рассматриваться независимыми друг от друга лишь для отдельно взятого газогенератора. На них могут оказывать воздействие факторы, связанные с конструкцией оптимизируемой установки, ее мощностью и характерными особенностями. Применимость результатов подобной оптимизации к другому устройству может оказаться ограниченной. Кроме того, корректное использование результатов оптимизации возможно только внутри исследованных диапазонов режимных параметров [23].
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. 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.
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:
а. Разработка метода термодинамического анализа режимных параметров
газогенераторного процесса.
б. Создание лабораторного стенда с реактором обращенного типа и постановка ряда экспериментов на нем.
в. Анализ экспериментальных режимов и валидация термодинамического метода с использованием полученных опытных данных.
В экспериментах на лабораторном стенде 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 выдвинутой гипотезы.
Научная новизна
В работе предложен метод термодинамического анализа экспериментальных режимов на множестве расчетных. Данный метод позволяет обобщенно рассматривать влияние различных факторов на процесс конверсии. К таким факторам относятся режимные параметры, геометрические и конструкционные особенности реактора и др.
Работа вносит вклад в теоретические основы процесса газификации твердого топлива. Раскрыты новые закономерности протекания термохимического процесса, обусловленные законами равновесной термодинамики. Обобщены и систематизированы физико-химические ограничения, препятствующие оптимизации процесса газификации.
В исследовании выдвинута и обоснована гипотеза о неклассическом механизме слоевой конверсии древесного топлива в реакторе обращенного типа. Проведена экспериментальная проверка основных положений данной гипотезы. Определены границы, обуславливающие протекание процесса конверсии топлива согласно классическому и неклассическому механизмам.
Теоретическая и практическая значимость работы
Предложенный в работе подход термодинамического анализа может применяться не только в исследовании газификации, но и к любым химическим процессам, термодинамическое описание которых затруднено в силу различий в составе независимых (исходных) параметров модели и опытных режимов. Данный подход ценен не только для анализа физических экспериментов, но и применим при исследовании режимов полученных численно на детальных кинетических моделях. В рамках подхода возможно оценить термодинамическое совершенство того или иного экспериментального режима, произвести сопоставление друг с другом режимов работы как отдельно взятого реактора, так и нескольких реакторов, отличающихся по мощности и типу процесса.
Исследование механизма слоевой газификации имеет важное теоретическое значение. Сведения о механизме конверсии являются базовыми и существенными для его математического моделирования, анализа, объяснения экспериментальных закономерностей и пр. Режимы нестратифицированной слоевой газификации привлекательны с практической точки зрения. Для них характерна компактная реакционная зона, высокий химический КПД, низкий выход смолы и стабильность состава газа при изменении мощности реактора. Представления о различных механизмах конверсии могут стать основой прикладных НИОКР, направленных на создание нового высокоэффективного энергетического оборудования.
Прикладное значение имеет экспериментальная методика, используемая для исследования конверсии одиночных частиц, а также методика составления полного материального и энергетического баланса процесса.
Часть результатов диссертации получена в рамках работ по гранту РНФ «Решение проблемы применения бедных промышленных и синтез-газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле» (2014-2016 гг., соглашение от 26.06.2014 г. № 14-19-00524).
Научное исследование соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (п. 8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика»), а также перечню критических технологий Российской Федерации (п. 27 «Технологии энергоэффективного производства и
преобразования энергии на органическом топливе») [24].
Методология и методы исследования
Термодинамическое моделирование широко используется для оценки оптимальных условий протекания процесса газификации. К таким условиям относятся начальный состав реакционной системы и тепло, обмениваемое ей с окружающей средой (или температура). Эти условия сложно напрямую воспроизвести в реакционной камере газогенератора, поскольку они зачастую зависят от параметров процесса. Задачей предложенного в работе подхода является поиск взаимосвязей между независимыми параметрами опытного режима и термодинамической модели.
Физический эксперимент проводился на лабораторном стенде, включающем обращенный реактор мощностью 8 кВт (по топливу). В опытах применялось два вида топлива - древесина и древесный уголь. От режима к режиму изменялись параметры, оказывающие значительное влияние на коэффициент расхода воздуха (а) и количество тепла, обмениваемое реактором с окружающей средой - расход воздуха, его температура и толщина теплоизоляции на стенке реактора.
Равновесный состав продуктов газификации оценивался с помощью нестехиометрической термодинамической модели. Валидация такой модели производилась по данным физического эксперимента.
Проверка гипотезы о нестратифицированном механизме слоевой газификации проводилась экспериментально. Для решения данной задачи был сконструирован и изготовлен лабораторный стенд из прозрачного кварцевого стекла, а также созданы настольный стенд и методика для испытания конверсии одиночной частицы.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Термодинамический метод анализа режимов газификации на множестве расчетных.
2. Результаты экспериментальных исследований по обращенной газификации твердых топлив.
3. Закономерности протекания процесса газификации твердого топлива, обобщенные в форме физико-химических ограничений ее эффективности.
4. Гипотеза о неклассическом механизме протекания слоевой обращенной газификации древесной биомассы, а также экспериментальная проверка основных положений выдвинутой гипотезы.
Достоверность результатов работы
Обоснованность и непротиворечивость научных положений исследования обеспечивается теоретической и методологической основой, которую составляют труды зарубежных и отечественных ученых. Достоверность результатов физического эксперимента обуславливается применением современного контрольно-измерительного и аналитического оборудования. Результаты термодинамического моделирования прошли валидацию с использованием полученных в исследовании экспериментальных данных. Полученные в работе данные и закономерности сопоставлялись со сведениями из открытых литературных источников.
Апробация результатов
Представление и обсуждение результатов диссертационного исследования проходило на следующих мероприятиях: 10-й Международной конференции по прикладной энергетике («ICAE», Китай, 2018); 2-й Международной конференции и выставке по биоэнергетике («IBSCE», Китай, 2017); 9-ом Международном семинаре по структуре пламени (Новосибирск, 2017); нескольких Международных конференциях по энергетическим технологиям для устойчивого развития («SET», 2012, 2013, 2015); 4-ом Международном симпозиуме по газификации и ее приложениям («iSGA-4», Австрия, 2014); Всероссийских конференциях с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012, 2018).
Личный вклад автора
Общее направление экспериментальных и теоретических работ задавалось д.т.н. А.В. Кейко. Совместно с сотрудниками лаборатории Термодинамики ИСЭМ СО РАН автор участвовал в проектировании и изготовлении трех опытных стендов, осуществлении пуско-наладочных работ. Автор являлся ответственным исполнителем экспериментальных исследований и руководил проведением опытных запусков. Им лично осуществлен анализ твердых, жидких и газообразных проб, составлен полный материальный и энергетический баланс экспериментальных режимов, проведены анализ и систематизация опытных данных.
Автором предложен подход для термодинамического анализа режимов газификации на множестве расчетных, выдвинута и испытана гипотеза относительно механизма слоевой конверсии топлива и предложены методы ее исследования. Им создано программное обеспечение для выполнения рутинных термодинамических расчетов и осуществлены сами расчеты.
Автор признателен коллективу кафедры «Тепловые электрические станции» УрФУ и лично д.т.н. А.Ф. Рыжкову, к.т.н. Т.Ф. Богатовой и к.т.н. Г.И. Никитиной за ценные замечания и рекомендации относительно работы, доброту и всестороннюю поддержку.
Автор выражает благодарность д.т.н. А.В. Кейко, к.х.н. В.А. Шаманскому, к.т.н. А.Н. Козлову, к.т.н. И.Г. Донскому и к.х.н. М.В. Пензику за обсуждение материалов работы и ценные рекомендации, признателен за помощь в создании экспериментального оборудования и проведении экспериментов на нем.
Публикации по теме работы
По теме диссертационного исследования опубликовано 27 работ, 8 из которых напечатаны в изданиях перечня ВАК, 15 проиндексированы международными системами цитирования WoS и Scopus, 6 работ издано в трудах российских и
международных конференций. В список работ также вошли 3 главы монографий и 1 препринт.

Купить

В работе предложен подход для анализа процесса газификации. Он сочетает в себе элементы равновесного моделирования и эмпирические данные, полученные в физическом эксперименте. Данный подход позволяет:
1) Единообразно рассматривать разнородные параметры процесса, которые не учитываются в термодинамических моделях непосредственно (например геометрические параметры реактора, крупность частиц топлива, абсолютный расход дутья и др.).
2) Оценивать степень термодинамического совершенства и достижения процессом предельных показателей.
3) Установить природу ограничений эффективности процесса, указать на влияние факторов кинетического или термодинамического характера. Данный метод также позволяет качественно оценить высоту реакционной зоны, дать информацию о том является ли выбранная высота слоя топлива избыточной или недостаточной относительной высоты реакционной зоны.
4) Применим в отношении реакторов различного типа и использующих разное топливо.
Тестирование данного подхода проводилось с использованием данных, полученных при газификации древесного угля и древесного топлива на маломощном лабораторном стенде.
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 максимальная эффективность процесса. Второе ограничение связано с движением вдоль углеродной линии. Третье -
стехиометрическое ограничение на образование горючих компонентов газа.
При газификации древесной биомассы экспериментально наблюдался ряд нетипичных для обращенного процесса явлений: узкая реакционная зона, по высоте не превышающая 35 мм; малая чувствительность состава газа к расходу воздуха; не влияющая на выход смолы высота слоя топлива. Эти явления легли в основу гипотезы о механизме газификации древесины. В соответствии с ней, процесс газификации протекает в слоях отдельных частиц. При этом стратификация слоя топлива по зонам не выражена или отсутствует.
Для экспериментальной проверки гипотезы был создан стенд из прозрачного кварцевого стекла для визуального наблюдения за процессом газификации. Стенд также позволяет проводить измерение температуры поверхности и центра одной из частиц слоя, отслеживать ее перемещение вдоль реактора. При малой мощности реактора и медленном движении в нем топливной массы, установлено формирование в слое отдельной зоны пиролиза. Увеличение мощности реактора приводит исчезновению данной зоны. Подобные изменения обусловлены интенсивностью теплообменных процессов между горячим ядром горения и поступающим в него рабочим топливом.
Для воспроизведения условий горения частиц слоя в области фурм, был сконструирован и создан стенд для испытания конверсии индивидуальных топливных частиц. В опытах на данном стенде одиночная частица вносится в нагретое пространство печи и производится ее обдув через фурму интенсивным потоком воздуха. Испытано три температуры нагрева печи и ряд скоростей воздуха в интервале от 10 до 150 м/с.
Установлено наличие двухстадийного механизма горения одиночной частицы в области скоростей воздуха до 20 м/с. На первой стадии процесса происходит выход и горение летучих веществ из частицы. Поступающий от поверхности частицы парогазовый поток затрудняет доступ к ней кислорода дутья. На второй стадии данный поток ослабевает и осуществляется горение коксового остатка.
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. Выдвинута гипотеза, в соответствии с которой одностадийный процесс характеризуется меньшим выходом смолы, разлагающейся при фильтрации летучих продуктов сквозь раскаленный поверхностный слой угля.
Направление исследований механизма слоевой газификации обладает перспективами дальнейшего развития, связанными с дополнительным исследованием свойств нестратифицированной слоевой газификации, экспериментальными работами по поэтапному приближению условий горения одиночной частицы к горению частиц в слое, а также с построением математических моделей изучаемых процессов.

Купить