ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 9
Заключение 23
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 27
Актуальность темы исследования. Рост населения Земли и стремление к повышению качества жизни приводит к непрерывному увеличению потребления энергии. Согласно отчету BP Statistical Review of World Energy за 2019 г., за последние 10 лет ежегодный мировой прирост выработки электрической энергии составил 2,5 %. В России ежегодный прирост составляет около 0,5 % (Отчет о функционировании ЕЭС России, 2019). Несмотря на бурное развитие возобновляемых источников энергии, их доля в энергетическом мировом балансе остается менее 10 %, а основная часть энергии вырабатывается на электростанциях, сжигающих ископаемое топливо. При этом образуется значительное количество углекислого газа, который способствует глобальному потеплению. Для снижения влияния на климат глобальной задачей является повышение эффективности выработки энергии из ископаемого топлива. Большая часть энергии (около 40 % от мирового потребления) вырабатывается на угольных ТЭС. При обычном сжигании угля в топках котлов образуется значительно больше выбросов вредных веществ (оксиды серы и азота, твердые частицы, тяжелые металлы), чем при сжигании других видов ископаемых топлив. Однако значение запасов угля на порядок больше, чем запасов нефти и газа. Поэтому, несмотря на тенденцию сокращения доли угольных ТЭС в развитых странах, отказаться от использования угля не представляется возможным.
Перспективной технологией производства энергии из угля, обеспечивающей наиболее высокую эффективность и минимальное негативное воздействие на окружающую среду, является парогазовый цикл с внутрицикловой газификацией твердого топлива (ПГУ-ВЦГ). Однако, несмотря на значительное количество проведенных исследований и наличие коммерческих установок, стоимость вырабатываемой на ПГУ-ВЦГ электроэнергии остается высокой, что требует дальнейшего совершенствования технологии и поиска новых научно-технических решений. Тема работы соответствует Перечню приоритетных направлений развития науки, технологии и техники РФ (п. 8), а также Перечню критических технологий РФ (п. 27).
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные исследования процессов газификации твердого топлива в разное время проводили Предводителев А. С., Канторович Б. В., Кнорре Г. Ф., Хитрин Л. Н., Франк- Каменецкий Д. А., Померанцев В. В., Бабий В. И., Хзмалян Д. М., Головина Е. С., Miura K., Solomon P. R., Bhatia S. K., Molina A., Niksa S., и др. Прикладные исследования поточной воздушной газификации угля выполняли Hara S., Watanabe H., Chen C., Choniem A., паровоздушной газификации в плотном и кипящем слое, а также в потоке - Колодцев Х. И., Баскаков А. П., Майстренко А. Ю., Дубинин А. М., Бурдуков А. П., Степанов С. Г., Исламов С. Р., Мингалеева Г. Р., Сучков С. И., Загрутдинов Р. Ш., Рыжков А. Ф., Донской И. Г., Upadhyay D., Wang D., Pinto F., Zhou H., Tian Y., Xiao R., Ju F., Oh G., Riaza J. Исследование сухой горячей сероочистки синтез-газа проводили Сучков С. И., Строков А. А., Рыжков А. Ф., Тупоногов В. Г., Gupta R., Kobayashi M., Meng X., Girard V., Ko T., Sun J., Jun H., Fan H. Исследования цикла ПГУ-ВЦГ с воздушной газификацией угля проводили Giuffrida A., Сучков С. И., Рыжков А. Ф. В работах указанных авторов исследовались отдельные режимы газификации твердого топлива и сероочистки синтез-газа, как правило в ограниченном диапазоне варьирования режимных параметров и без системного анализа влияния паросодержания на процессы в узле ВЦГ и на работу ПГУ-ВЦГ в целом.
Цель исследования: получить новые фундаментальные знания о физикохимических особенностях первичного взаимодействия водяного пара с частицами топлива в быстротекущем поточном процессе паровоздушной газификации и вторичного взаимодействия синтез-газа и водяного пара с частицами сорбента в узле сероочистки, а также количественно оценить влияние добавки водяного пара на вход ПГУ-ВЦГ (в газогенератор) на ее работу...
Проведено комплексное исследование влияния водяного пара на процесс поточной воздушной газификации каменного угля и на процесс сухой горячей
сероочистки синтез-газа с применением сорбента на основе оксида цинка. Выполнены экспериментальные исследования для уточнения фундаментальных зависимостей и расчетные исследования для количественной характеристики параметров процессов применительно к парогазовой установке с внутрицикловой газификацией твердого топлива. С использованием полученных результатов проведена количественная оценка влияния добавки водяного пара в газогенератор на эффективность и материалоемкость ПГУ-ВЦГ.
Получены следующие основные результаты:
1. Проведено экспериментальное исследование влияния добавки водяного пара на процесс воздушной газификации кузнецкого каменного угля в поточной установке. В исследованных режимах добавка пара оказывает положительный эффект: увеличивает степень конверсии углерода в 1,5 раза, теплоту сгорания синтез-газа в 1,8-2,2 раза, содержание водорода в синтез-газе в 1,5-2 раза. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью материальных и тепловых балансов. Выявлено, что скорость поточной паровой газификации угля имеет первый порядок по водяному пару при его концентрации менее 15-20 % об. и нулевой порядок при большей концентрации, что совпадает с классическими литературными данными для индивидуальной частицы и плотного слоя, ограничивает положительный эффект при добавке пара в газогенератор и требует учета при расчете паровоздушной газификации твердых топлив.
2. Разработана одномерная модель для расчета паровоздушной газификации твердого топлива в двухступенчатом поточном газогенераторе, учитывающая распределение частиц угля по размерам, реагирование внутри пор, изменение размера частиц в ходе газификации, рециркуляцию коксозольного остатка с выхода газогенератора. При расчете используется полученная зависимость порядка реакции паровой газификации от концентрации Н2О. Значения используемых при расчете кинетических констант обоснованы при специально проведенных расчетах константы скорости газификации топлива по литературным данным.
Определены зависимости параметров процесса паровоздушной газификации кузнецкого каменного угля в промышленном двухступенчатом газогенераторе MHI от добавки пара для двух типов помола (тонкий влажный и грубый сухой) и трех режимов: «проектный», «пиролизный» (максимально возможная рециркуляция коксозольного остатка) и «поточный» (полная конверсия угля, отсутствует рециркуляция КЗО). Добавка пара уменьшает содержание СО в синтез газе 21
в 2-3 раза, содержание Н2 увеличивается в 1,2-2,5 раза при небольших добавках пара, обеспечивающих первый порядок реакции паровой газификации по Н2О, и уменьшается при переходе к нулевому порядку реакции при больших добавках пара. Зависимость химического КПД газогенератора от соотношения пар/уголь носит немонотонный характер. Положение максимума контролируется кинетикой паровой газификации (изменением порядка реакции от первого до нулевого), для исследуемого угля достигается при 0,3-0,5 кг пара/кг угля. Увеличение химического КПД составляет 0,5-9 % абс. в зависимости от режима работы газогенератора...
