Тема: ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОТОЧНОЙ ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭНЕРГЕТИКЕ

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 (химического КПД, степени 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., Тюрина Э.А., Мингалеева Г.Р., Николаев Ю.Е., Чернецкий М.Ю. и др. Из зарубежных авторов данной тематикой занимались: Грабнер М., Майер Б., Хигман К., Ватанабе Х., Майстренко А.Ю., Гиуффрида А., Оки И., 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 Н2/СО в синтез-газе (экологический показатель, рост которого снижает генерацию ПОХ при сжигании синтез-газа), с помощью комбинации экспериментальных и расчётных методов.
Задачи работы:
1) Адаптация и верификация по литературным и полученным экспериментальным данным СБВ-модели поточной газификации, включающей в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
2) Проведение экспериментальных исследований способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
3) Анализ полученных экспериментальных данных с помощью нульмерной термодинамической модели и адаптированной СБЭ-модели.
4) Определение чувствительности основных характеристик процесса поточной газификации к воздействию способов интенсификации термохимических процессов с помощью полученных экспериментальных данных и адаптированной СБЭ-модели.
5) Оценка эффекта от применения способов интенсификации воздушной поточной газификации угля, происходящей в промышленном газификаторе с использованием адаптированной СБЭ-модели.
Научная новизна:
1) Адаптирована и верифицирована по литературным и полученным экспериментальным данным СБЭ-модель поточной газификации, включающая в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
2) Получены экспериментальные данные по влиянию способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля на теплоту сгорания синтез-газа и отношение Н2/СО в нём. Экспериментальные исследования включали в себя четыре крупных серии на трёх различных стендовых установках, на каждой из которых изучался свой перечень способов интенсификации. Обработка экспериментов проведена с помощью термодинамической модели и адаптированной СБЭ-модели.
3) Исследована эффективность применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящей в промышленном газификаторе с использованием адаптированной СБЭ-модели. Определена чувствительность теплоты сгорания синтез-газа и отношения Н2/СО в нём к способам интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля. Предложен комплексный способ интенсификации термохимических процессов, позволяющий повысить отношение Н2/СО до 0,75, при поддержании теплоты сгорания синтез-газа на уровне 5 МДж/м3.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1) Адаптированная и верифицированная по литературным и полученным экспериментальным данным СБЭ-модель поточной газификации может использоваться для исследования поточной газификации твёрдого топлива в достаточно широком диапазоне рабочих параметров, а также для разработки поточных газификаторов твёрдого топлива разного масштаба и режимов работы.
2) Экспериментальные результаты работы и их обработка с использованием термодинамической модели и адаптированной СБЭ-модели вносят свой вклад в понимание воздействия способов интенсификации термохимических процессов поточной газификации угля на основные параметры работы установок. С использованием экспериментальных результатов работы возможно проводить верификацию разномерных моделей поточной газификации твёрдого топлива.
3) Полученные значения чувствительностей основных параметров работы промышленного газификатора к способам интенсификации термохимических процессов целесообразно использовать при модернизации конструкции или режима работы полномасштабных газификаторов твёрдого топлива.
Результаты работы, приведённые в разделах 1.3.2 и 3.2.1, использованы в Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (гос. контракт № 14.516.11.0043 от 29.03.2013) по теме «Разработка технологии подготовки рабочего тела для перспективной ПГУ с внутрицикловой газификацией»; часть раздела 3.2.2 - в гранте Российского фонда фундаментальных исследований (№ 14-08-01226 от 18.07.2013) по теме «Фундаментальные основы модернизации ПГУ для сжигания низкосортных твердых топлив»; разделы 2.1, 2.2, 4.1 и 4.2 - в гранте Российского научного фонда (проект №14-19-00524 от 4.03.2014) по теме «Решение проблемы применения бедных промышленных и синтез-газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле»; разделы 2.3 и 4.3 - в гранте Российского фонда фундаментальных исследований (№16-38-50188 от 14.03.2016) по теме «Экспериментальное и численное исследование высокотемпературной паровоздушной газификации угля в поточной установке». Часть результатов внедрена и используется в НПО ЦКТИ, Институте теплофизики СО РАН, Сибирском федеральном университете, а также на кафедре ТЭС УрФУ в дисциплинах «Математическое моделирование», «Горение и газификация», «Высокие наукоёмкие технологии в теплоэнергетике и теплотехнике» и др.
Методология и методы исследования. Основными методами исследования являются:
1) Экспериментальный метод. Проведено несколько серий опытов на трёх экспериментальных установках.
2) Термодинамическое моделирование. Использован метод максимизации энтропии (экстремальный принцип максимальной скорости порождения энтропии).
3) Численное CFD-моделирование. Данное моделирование основано на CFD-методе (Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика).
Кроме того, применены методы измерения, сравнения, аналогии, обобщения, анализа, синтеза и специальные методы научного познания. Методология работы заключается в комбинировании и взаимодополнении экспериментальных исследований, термодинамического и CFD-моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Адаптированная и верифицированная по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модель поточной газификации, включающая в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
2) Полученные экспериментальные данные по влиянию способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля на теплоту сгорания синтез-газа и отношение Н2/СО в нём.
3) Результаты исследования эффективности применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящих в экспериментальных и в промышленном газификаторе с использованием адаптированной СБИ-модели.
Личный вклад автора:
1) Проанализирована научно-техническая информация и поставлены задачи исследования.
2) Составлена программа исследований на трёх экспериментальных установках. Принято участие в проведении экспериментов.
3) Адаптирована и верифицирована по литературным и полученным экспериментальным данным СБИ-модель поточной газификации.
4) Обработаны результаты проведённых экспериментов с помощью термодинамической модели и адаптированной СБИ-модели.
5) Исследована эффективность и определена чувствительность применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящих в экспериментальных и в промышленном газификаторе с использованием адаптированной СБИ-модели.
Достоверность результатов работы:
1) При проведении экспериментальных исследований использовались апробированные методики измерений и метрологически поверенные приборы. Полученные экспериментальные результаты согласуются с литературными данными. Относительная погрешность измерительных приборов не превышала 5%.
2) Термодинамическое моделирование равновесного состава продуктов реагирования выполнено с помощью метода максимизации энтропии (экстремальный принцип максимальной скорости порождения энтропии). Метод основан на фундаментальных законах термодинамики и неоднократно верифицировался в литературе при решении такого рода задач.
3) Адаптированная CFD-модель включает в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля. Верификация модели проведена с использованием как собственных экспериментальных результатов, так и литературных данных. 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.
Апробация результатов. Основные результаты работы прошли апробацию на: Минском Международном Форуме по тепло- и массобмену (Минск, 2012, 2016); конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013); международной научно-технической конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла» (Москва, 2014, 2016); международной научно-практической конференции «Энергоэффективность энергетического оборудования» (Санкт-Петербург, 2014); Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2014, 2018); 31st Annual International Pittsburgh Coal Conférence: Coal - Energy, Environment and Sustainable Development (Питтсбург, США, 2014); Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2014, 2016); всероссийская конференция с
международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2015, 2018); международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках" (Казань, 2015); International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2017).

Купить

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 газификации. Для верификации использованы экспериментальные данные, полученные на трёх установках, а также литературные данные, полученные на циклонной камере ИТМО НАН Беларуси, газификаторах 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 поточной газификации угля. Для проведения исследований использованы три экспериментальные установки, на каждой из них исследуется свой набор способов интенсификации: в установке ЦКТИ - впрыск воды (водяной квенчинг) в зону с температурами 1100-1200°C; в воздушной установке ИТ - тонина помола (механоактивация) первичного угля и двухступенчатый подвод топлива; в паровоздушной установке ИТ - 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 ЦКТИ. 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, снижение температуры потока газов у стенки составляет 200-500 К в зависимости от а. При а=0,44 теплота сгорания синтез-газа составляет 4 МДж/м3.
б) Воздушная установка ИТ. При а=0,41 теплота сгорания синтез-газа составляет 3,43 МДж/м3, а H2/CO=0,64. Повышение за счёт механоактивации (тонкого помола) реакционной способности первичного угля позволяет решить проблему энергодефицита в установке с неадиабатной стенкой на холодном (20°C) воздушном дутье с низким а=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) Паровоздушная установка ИТ. 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 CFD- моделирования работы двухступенчатого воздушного поточного газификатора типа MHI 1700 т/сут. Анализ чувствительности теплоты сгорания синтез-газа выявил, что наибольшее положительное влияние оказывает Тв, затем идут P и gMAy. Наибольшее отрицательное влияние оказывает gH 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 дп при температуре паровоздушного дутья 500°C, а при 1200°C влияние немного слабее. Значительно меньшее влияние оказывает Тв, затем идут P и gMAy.
5) Предложен комплексный способ интенсификации термохимических процессов поточной газификации, позволяющий повысить теплоту сгорания синтез-газа 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 уровне около 5 МДж/м3.
Перспективы дальнейшей разработки темы: проведение экспериментов с дутьём разного состава (включая CO2); совершенствование CFD-модели; разработка конструкции промышленного газификатора для перспективной ПГУ- ВЦГ.

Купить