
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОТОЧНОЙ ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭНЕРГЕТИКЕ

Работа №	102069
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	24
Год сдачи	2019
Стоимость	2300 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	143

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных
ВАК

Введение

Актуальность исследования. Разработка высокоэффективных теплоэнергетических установок на твердом топливе, безопасных для окружающей среды и
климата, является предметом интенсивных исследований во всем мире. По оценкам большинства зарубежных и отечественных специалистов, один из наиболее
перспективных способов использования твердого углеродсодержащего топлива
для энергетики – конверсия в парогазовых установках с внутрицикловой газификацией (ПГУ-ВЦГ). Применение ПГУ-ВЦГ позволяет решить ряд ключевых задач, стоящих перед современной угольной энергетикой: повысить КПД электростанции до 50–55%; максимально снизить выбросы углекислого газа в атмосферу
(при улавливании и захоронении углерода); повысить гибкость выработки электроэнергии совмещением электрогенерации с производством химических продуктов; использовать широкий спектр твердых топлив. В проекте Энергетической
стратегии России на период до 2035 г. подчеркивается необходимость создания и
применения ПГУ-ВЦГ с КПД нетто 50%. Принципиально ПГУ-ВЦГ отличаются
от ПГУ, работающих на природном газе, структурой узла подготовки топливного
газа, ключевым элементом которого является газификатор. Одним из наиболее
эффективных типов газификаторов большой мощности считается воздушный поточный газификатор. Для повышения основных показателей работы газификатора
(химический КПД, степень конверсии углерода топлива и др.) и его стоимости
необходимо интенсифицировать термохимические процессы поточной воздушной
газификации угля. Исследования в этой области осложнены нехваткой подробных
экспериментальных данных и надёжных расчётных моделей.
Тема работы соответствует Приоритетным направлениям развития науки,
технологий и техники РФ (п. 08 - Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика), Перечню критических технологий РФ (п. 27 - Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе), основным научным направлениям УрФУ и кафедры Тепловые электрические
станции.
Степень разработанности проблемы. Проблемами конверсии (сжигания и
газификации) твёрдого топлива, в основном угля, занимались в разные периоды
времени многие отечественные исследователи: Предводителев А.С., Вулис Л.А.,
Хитрин Л.Н., Канторович Б.В., Кнорре Г.Ф., Померанцев В.В., Франк-Каменецкий
Д.А., Бабий В.И., Хзмалян Д.М., Головина Е.С., Баскаков А.П. и др. Конкретно
вопросы, связанные с поточной газификацией твёрдого топлива, затрагивали следующие отечественные учёные: Накоряков В.Е., Ноздренко Г.В., Клер А.М., Тю4
рина Э.А., Дектерёв А.А., Чернецкий М.Ю., Бурдуков А.П., Шестаков Н.С., Мингалеева Г.Р., Николаев Ю.Е. и др. Из зарубежных авторов данной тематикой занимались: Грабнер М., Майер Б., Хигман К., Ватанабе Х., Майстренко А.Ю.,
Гиуффрида А., Оки И., Ханьялич К., Мессерле В.Е, Чернявский Н.В., Чен К., Кунзе К., Никритюк П., Вискеллари М., Хассе К., Кумар М., Гхонием А., Ли Х. и др.
Исследования вышеперечисленных авторов посвящены эксперименту и его первичной обработке, либо моделированию работы установки в узком диапазоне
входных параметров.
Цели и задачи исследования. Объект исследования - термохимические процессы, происходящие при поточной воздушной газификации угля в различных
энергетических установках.
Предмет исследования – способы интенсификации термохимических процессов поточной воздушной газификации угля применительно к энергетике.
Цель работы - исследовать способы интенсификации термохимических процессов поточной воздушной газификации угля, позволяющие повысить теплоту
сгорания и отношение H2/CO в синтез-газе (экологический показатель, рост которого снижает генерацию NOx при сжигании синтез-газа (Hasegawa T., 2010)), с
помощью комбинации экспериментальных и расчётных методов.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В работе с помощью комбинации экспериментальных и расчётных методов
выполнено исследование способов интенсификации термохимических процессов
поточной воздушной газификации угля, позволяющих повысить теплоту сгорания
и отношение H2/CO в синтез-газе.
Получены следующие основные результаты:
1) Адаптирована и верифицирована по литературным и собственным экспериментальным данным CFD-модель поточной воздушной газификации. Для верификации использованы экспериментальные данные, полученные на трёх установках, а также литературные данные по работе циклонной камеры ИТМО НАН
Беларуси, газификаторов MHI с расходом угля 2 т/сут и 1700 т/сут. Результаты
CFD-моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, что говорит о применимости разработанной CFD-модели для исследования
способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля в различных установках.
2) Проведены экспериментальные исследования способов интенсификации
термохимических процессов, протекающих при воздушной газификации угля.
Для проведения исследований использованы три экспериментальные установки,
на каждой из них исследуется свой набор способов интенсификации: в установке
№1 - впрыск воды (водяной квенчинг) в зону с температурами 1100-1200°C; в
установке №2 - тонина помола (механоактивация) первичного угля и двухступенчатый подвод топлива; в установке №3 - тонина помола (механоактивация) угля и
подвод пара (расход и место).
3) Осуществлён анализ полученных экспериментальных данных с помощью
термодинамической модели и адаптированной CFD-модели.
а) Установка № 1. При химическом реагировании водяных паров в секции
квенчинга с газотопливным потоком в количестве 0,3 кг на 1 кг топлива отношение H2/CO возрастает на 0,2-0,27. В секции квенчинга струя воды не достигает
приосевой области, что снижает степень конверсии. Снижение температуры потока газов у стенки составляет 200-500 К в зависимости от α. При α=0,44 теплота
сгорания синтез-газа составляет 4 МДж/м3.
б) Установка № 2. При α=0,41 теплота сгорания синтез-газа составляет 3,43
МДж/м3, а H2/CO=0,64. Повышение за счёт механоактивации (тонкого помола)21
реакционной способности первичного угля позволяет решить проблему энергодефицита в установке с неадиабатной стенкой на холодном (20°C) воздушном дутье
с низким α=0,41. Процесс горения первичного топлива начинается в улиточном
завихрителе и продолжается вдоль стенок реакционной камеры. Максимальная
неравномерность температуры (≈2000°C) наблюдается у торца улиточного завихрителя. Первичный уголь имеет винтовое периферийное движение на всем
протяжении установки, а движение потока вторичного угля на участке 3-5 калибров прямолинейное. Впоследствии слабораспыленный поток вторичного угля вовлекается во вращательное движение с нарастающим размытием.
в) Установка № 3. При увеличении расхода пара до 0,5 кг/кг угля и температуры внутренней стенки установки с 400 до 1100°C теплота сгорания синтез-газа
увеличивается на 70%, а H2/CO на 45%. При погружении парового сопла в камеру
реагирования с 0,67 до 1,67 калибров теплота сгорания синтез-газа возрастет на
40%, а H2/CO снижается на 7%. Ввод в установку аксиальной струи относительно
холодного слабоперегретого пара создаёт гидродинамическую, структурную и
температурную неоднородность. Процесс конверсии в установке протекает в три
стадии, локализация которых зависит от входных режимных и конструктивных
параметров.
4) Оценена эффективность способов интенсификации термохимических
процессов в промышленном газификаторе с помощью многовариантного CFDмоделирования работы двухступенчатого воздушного поточного газификатора
типа MHI 1700 т/сут. Анализ чувствительности теплоты сгорания синтез-газа выявил, что наибольшее положительное влияние оказывает Tв, затем идут P и gМАУ.
Наибольшее отрицательное влияние оказывает gп при температуре паровоздушного дутья 1200°C, а при 500°C влияние слабее. Из анализа чувствительности отношения H2/CO в синтез-газе видно, что все исследованные способы интенсификации имеют положительное влияние. Наибольшее влияние оказывает gп при температуре паровоздушного дутья 500°C, а при 1200°C влияние немного слабее.
Значительно меньшее влияние оказывает Tв, затем идут P и gМАУ.
5) Предложен комплексный способ интенсификации термохимических процессов поточной газификации, позволяющий повысить теплоту сгорания синтезгаза по сравнению с подачей пара температурой 500 и 1200°C и приблизиться к
случаям без подачи пара. Данный способ позволяет получать синтез-газ с максимальным отношением H2/CO, при поддержании теплоты сгорания синтез-газа на
требуемом для газовой турбины уровне около 5 МДж/м3.22
Перспективы дальнейшей разработки темы: проведение экспериментов с
дутьём разного состава (включая CO2); совершенствование CFD-модели; разработка принципов конструирования перспективных газификаторов ПГУ-ВЦГ.

Литература

Абаимов Н.А. О предпроектной проработке гибридной угольной ПГУ с
воздухонагревателем / Гордеев С.И., Вальцев Н.В., Богатова Т.Ф., Левин Е.И.,
Шульман В.Л., Рыжков А.Ф., Абаимов Н.А. // Электрические станции. - 2012. - №
10 (975). С. 17-21; 0,23 п.л./0,05 п.л.
2. Abaimov N.A. Development of low-temperature thermochemical conversion reactors for coal power engineering / Ryzhkov A.F., Bogatova T.F., ValTsev N.V., Gordeev S.I., Khudyakova G.I., Osipov P.V., Abaimov N.A., Chernyavskii N.V., ShulMan
V.L. // Thermal Engineering. - 2013. - Vol. 60, № 12. - pp. 895-903; 0,47 п.л./0,1 п.л.
(CA(pt), Scopus, Springer).
3. Абаимов Н.А. Численное исследование и оптимизация циклонного газификатора бурых углей / Абаимов Н.А., Рыжков А.Ф., Теплицкий Ю.С., Пицуха
Е.А., Бучилко Э.К. // Научное обозрение. - 2014. - № 8-2. С. 630-637; 0,41 п.л./0,3
п.л.
4. Abaimov N.A. The analysis of hybrid scheme of steam-gas technologies on igcc
low-calorie gases / Bogatova T.F., Ryzhkov A.F., Gordeev S.I., Abaimov N.A., Valtsev
N.V. // 31st Annual International Pittsburgh Coal Conference: Coal - Energy, Environment and Sustainable Development, PCC 2014 31, Coal - Energy, Environment and
Sustainable Development. 2014; 0,12 п.л./0,03 п.л. (Scopus).
5. Абаимов Н.А. Разработка способа сжигания бедных газов в камере сгорания / Левин Е.И., Абаимов Н.А., Филиппов П.С., Буян Б., Рыжков А.Ф. // Тепловые процессы в технике. 2015. № 6. С. 282-287; 0,29 п.л./0,15 п.л. (CA(pt)).
6. Abaimov N.A. Development of a model of entrained flow coal gasification and
study of aerodynamic mechanisms of action on gasifier operation / Abaimov N.A.,
Ryzhkov A.F. // Thermal Engineering. - 2015. - Vol. 62. № 11. - pp. 767-772; 0,35
п.л./0,3 п.л. (CA(pt), Scopus, Springer).
7. Abaimov N.A. Comparative analysis of turbulence model effect on description
of the processes of pulverized coal combustion at flow swirl / Chernetskiy M.Y., Kuznetsov V.A., Dekterev A.A., Abaimov N.A., Ryzhkov A.F. // Thermophysics and Aeromechanics. - 2016. - Vol. 23. № 4. - pp. 591-602; 0,64 п.л./0,2 п.л. (Scopus, Springer,
WoS).23
8. Abaimov N.A. Making more efficient use of blast-furnace gas at Russian metallurgical plants / Ryzhkov A.F., Levin E.I., Filippov P.S., Abaimov N.A., Gordeev S.I. //
Metallurgist. 2016. - Vol. 60. № 1-2. - pp. 19-30; 0,64 п.л./0,3 п.л. (CA(pt), Scopus,
Springer, WoS).
9. Abaimov N.A. Experimental and computational study and development of the
bituminous coal entrained-flow air-blown gasifier for IGCC / Abaimov N.A., Osipov
P.V., Ryzhkov A.F. // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 754. № 11. -
UNSP 112001; 0,35 п.л./0,3 п.л. (Scopus).
10. Abaimov N.A. Development of advanced air-blown entrainedflow two-stage
bituminous coal IGCC gasifier / Abaimov N.A., Ryzhkov A.F. // EPJ Web of Conferences. - 2017. - Vol. 159. - UNSP. 0001; 0,35 п.л./0,33 п.л. (Scopus).
11. Abaimov N.A. Investigation of two-stage air-blown and air-steam-blown entrained-flow coal gasification / Abaimov N.A., Ryzhkov A.F., Butakov E.B., Burdukov
A.P. // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. - Vol. 899. № 9. - UNSP. 092001;
0,35 п.л./0,3 п.л. (Scopus, WoS).
12. Abaimov N. Study of the two-stage gasification process of pulverized coal with
a combined countercurrent and concurrent flow system / Kuznetsov V., Chernetskiy M.,
Abaimov N., Ryzhkov A. // MATEC Web of Conferences. - 33. - 2017. - UNSP.
03008; 0,17 п.л./0,03 п.л. (Scopus).
13. Abaimov N.A. Investigation of steam-air-blown two-stage entrained-flow gasification of mechanoactivated coal / Abaimov N.A., Butakov E.B., Burdukov A.P.,
Ryzhkov A.F.// AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 2015(1). - UNSP. 020001;
0,42 п.л./0,33 п.л. (Scopus).
14. Abaimov N.A. Investigation of coal entrained-flow gasification in O2-CO2
mixtures for oxy-fuel IGCC / Ralnikov P.A., Abaimov N.A., Ryzhkov A.F. //, В : Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1128(1). - UNSP. 01200; 0,42
п.л./0,15 п.л. (Scopus).
15. Abaimov N.A. Modernization of air-blown entrained-flow gasifier of integrated gasification combined cycle plant / Ryzhkov A.F., Abaimov N.A., Donskoi I.G.,
Svishchev D.A. // Combustion Explosion and Shock Waves. - 2018. - Vol. 54, № 3. -
pp. 337-344; 0,41 п.л./0,2 п.л. (Scopus, Springer, WoS).
Патенты:
16. Патент на полезную модель № 137358 Российская Федерация, МПК F 28
F 1/40. Теплообменная труба с внутренней вставкой / В.А. Микула, А.Ф. Рыжков,
Т.Ф. Богатова, Н.А. Абаимов, В.Л. Шульман; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего24
профессионального образования «Уральский федеральный университет имени
первого Президента России Б. Н. Ельцина». – № 2013140134/02; заявл. 28.08.13;
опубл. 10.02.14.
Главы в монографиях:
17. Абаимов Н.А., Осипов П.В., Рыжков А.Ф. Экспериментальные и численные исследования поточной газификации проектного топлива // Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля / под редакцией
А.Ф. Рыжкова. Екатеринбург. - 2016. - С. 296-323; 1,57 п.л./1,2 п.л.
18. Абаимов Н.А., Донской И.Г., Кузнецов В.А., Свищёв Д.А., Чернецкий
М.Ю. Численные исследования работы перспективного поточного газогенератора
// Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля / под ред. А.Ф. Рыжкова. Екатеринбург. - 2016. - С. 324-397; 4,24 п.л./3,3 п.л.
Другие публикации:
19. Абаимов Н.А. Экспериментальное и численное исследование поточной
газификации угля при повышенном давлении и различных составах дутья / Абаимов Н.А., Шурчалин А.А., Шестаков Н.С., Осипов П.В., Рыжков А.Ф. // Материалы IX Всероссийской конференции с международным участием Горение топлива:
теория, эксперимент, приложения (16–18 ноября 2015 г.), Институт теплофизики
СО РАН, г. Новосибирск. 2015. С. 15; 0,06 п.л./0,02 п.л.
20. Абаимов Н.А. Физическое моделирование и численный анализ работы
двухстадийного реактора конверсии угольной пыли / Абаимов Н.А., Рыжков
А.Ф., Богатова Т.Ф., Гордеев С.И., Осипов П.В., Худяков П.Ю. // Сборник тезисов
докладов и сообщений XV Минского международного форума по тепло- и массообмену, 23-26 мая 2016 г., Минск: изд. НАН Беларуси. 2016. Т. 3. С. 389-393; 0,23
п.л./0,1 п.л.
21. Абаимов Н.А. Экспериментальная отработка методов получения синтезгаза в одно- и двухступенчатых газификаторах / Абаимов Н.А., Бурдуков А.П.,
Бутаков Е.Б., Осипов П.В., Рыжков А.Ф., Шестаков Н.С, Шурчалин А.А. // Сборник трудов XV Минского Международного Форума по тепло- и массобмену (23-
26 мая 2016 г.), Минск, 2016. Т. 2. C. 3-6; 0,17 п.л./0,07 п.л.