КОНВЕРСИЯ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ, БУРЫХ УГЛЕЙ И ТОРФА В СИНТЕЗ-ГАЗ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СФОКУСИРОВАННОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВ 15
1.1. Использование различных видов органических топлив 22
1.2. Перспективные технологии переработки угля 32
1.3. Использование светового излучения для зажигания углей 41
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1. Характеристики исходных топлив 43
2.2. Методика приготовления образцов топлива 48
2.3. Экспериментальное исследование состава синтез-газа 50
2.4. Экспериментальное исследование скорости газификации топливных
смесей 54
2.5. Измерение температуры на поверхности образца под действием
нагрева сфокусированным световым потоком 56
2.6. Исследование процессов массопереноса при взаимодействии
наносекундного импульса с поверхностью водо-угольной смеси 60
ГЛАВА 3. ГАЗИФИКАЦИЯ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНОГО СВЕТОВОГО ПОТОКА 63
3.1. Приготовление топливной смеси 63
3.2. Температура на поверхности топлива, индуцируемая радиационным
нагревом 65
3.3. Влияние внешних условий и состава топливной смеси на процесс
свето-индуцированной газификации 70
3.4. Скорость газификации отходов углеобогащения под действием
непрерывного светового потока 79
3.5. Затраты энергии на газификацию водо-угольной смеси 82
3.6. Газификация топлива с помощью наносекундных лазерных импульсов
большой мощности 83
3.7. Свойства водо-угольного аэрозоля, образующегося под действием
наносекундных лазерных импульсов 89
ГЛАВА 4. ГАЗИФИКАЦИЯ ТОРФА И БУРОГО УГЛЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
МОЩНОГО СВЕТОВОГО ПОТОКА 92
4.1. Приготовление топливной смеси 92
4.2. Температура на поверхности топлива, индуцируемая радиационным
нагревом 95
4.3. Состав синтез-газа при газификации торфа и бурого угля под
действием сфокусированного светового потока 98
4.4. Скорость газификации торфа и бурого угля под действием
непрерывного светового потока 103
4.5. Затраты энергии на газификацию торфа и бурого угля 106
4.6. Практическое применение аллотермической газификации горючих
отходов, а также торфа и бурых углей 109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
Купить

В течение последнего десятилетия стало очевидным, что несмотря на широкое внедрение энергосберегающих технологий, а также на распространение кризисных явлений в мировой экономике, потребление энергии продолжает расти [1-5]. Это в основном связано с двумя факторами: во-первых, постоянно ускоряющимся ростом численности населения Земли и, во-вторых, внедрением достижений современного прогресса в развивающихся регионах планеты [6-8]. Помимо этого, Россия, преодолевая последствия глобального кризиса 90-х годов прошлого века, демонстрирует уверенный рост промышленного производства на фоне стабильной демографической ситуации, что сопряжено с устойчивым ростом потребления энергии промышленным сектором, транспортной инфраструктурой и населением [9]. Таким образом, большинство трендов мировой экономики, проистекающих из противоположных предпосылок, требуют наращивать производство первичной энергии.
С другой стороны, произошедшие за последние полвека ряд аварий и катастроф на атомных электростанциях, а также объектах ядерно-энергетического топливного цикла (авария на АЭС Три Майл Айленд, Чернобыльская катастрофа, авария на АЭС Фукусима-1) привели к резкому падению популярности атомной энергетики [10]. За последние годы только Госкорпорация «Росатом» демонстрирует устойчивый рост количества заказов на строительство АЭС на фоне резкого замедления работ большинства её конкурентов по всему миру, что поднимает спрос на тепловую энергетику и, соответственно, ископаемые топлива [11]. Основным промышленным топливом, как и сто лет назад, является каменный уголь, хотя в общей структуре энергетического баланса мировой экономики доминируют природный газ и нефть (см. рис. 1). В отличие от угля, нефтепродукты преимущественно используются в качестве моторного топлива. Применение природного газа для отопления промышленных потребителей достигло широкой популярности преимущественно в странах, богатых его залежами (особенно в России и странах Ближнего Востока). Густонаселённые страны Юго-восточной Азии (Китай, Индия, Индонезия и др.) продолжают активно использовать разведанные залежи угля, которые обеспечивают выработку около половины всей потребляемой энергии. За последние годы масштабное внедрение возобновляемых источников энергии (солнечная и ветровая генерация) в странах Европейского Союза замедлилось в связи с невозможностью поддерживать такими источниками производства непрерывного цикла.

Рисунок 1. Структура потребления различных видов энергии в 2017 г. по регионам мира [1]

В связи с вышеизложенным усилился спрос на высокоэффективные технологии извлечения тепловой энергии из каменного угля и способы топливоподготовки. Вместе с тем, резкое ухудшение экологической обстановки в мегаполисах Китая, связанное с растущими объёмами выбросов угольных электростанций, требует существенного усовершенствования экологической эффективности использования угля в энергетике.
Рост спроса на энергетические угли в Европе вместе с сокращением их добычи в Китае привёл к резкому скачку цен [1] на угли газовой группы и антрациты (до 100 долл. США за тонну и более). Это означает, что для удовлетворения растущего спроса требуется наращивание добычи уже используемых либо введение в энергетику новых видов топлива. Расширение использования низкосортных ископаемых топлив (бурые угли, торфы) потенциально позволяет [1, 2, 12,] перекрыть имеющийся в ряде регионов дефицит, однако применение данного вида топлив требует существенной модификации топочных агрегатов, а также дорогостоящей реконструкции
6 эксплуатируемых систем глубокой переработки топлива. Активное внедрение таких топлив требует проведения масштабной серии исследовательских работ, направленных на поиск альтернативных процессов и определение их оптимальных параметров.
Особенностью существующих технологий применения твёрдых ископаемых топлив является их существенное обогащение перед сжиганием. Это связано с необходимостью выдерживать жёсткий диапазон их параметров (фракционный состав руды, теплотворная способность, зольность, содержание летучих веществ и т. п.) для обеспечения достаточной эффективности их использования. Продуктом используемых сегодня технологий обогащения каменных углей является большое количество горючих высокозольных отходов, масса которых уже достигает сотен миллионов тонн [13], а рост требований к качеству угольного концентрата [14, 15] приводит к ускорению их накопления. Масштабы залежей горючих отходов углеобогащения и их прогнозируемый прирост [16] можно оценить по данным таблицы 1.
Таблица 1. Мировые запасы отходов обогащения углей энергетических марок [16]
Регион Накопленные запасы, млн т. Прогноз, млн т.
2011 год 2013 год 2020 год 2032 год 2044 год
Юго-Восточная Азия 218 235 - - -
СНГ 19-20 20-21 - - -
Европа 9 10 - - -
Южная Африка 15,5 16 - - -
Сев. Америка 49 44 - - -
В мире - - 924 1012 1056

Темпы утилизации отходов углеобогащения, например, за счёт производства строительных материалов на их основе и в некоторых других технологиях [17, 18], не компенсируют даже текущую скорость их прироста, не говоря уже о сокращении запасов. Анализ энергетической насыщенности таких отходов в комплексе с их накопленным объёмом позволяют рассчитывать на получение существенного экономического эффекта от их задействования в энергетике в качестве топлива. Анализ публикаций за последние десятилетия
[19-22] позволяет заключить, что уже существует ряд методик энергоэффективного использования таких отходов. В первую очередь прорабатывались технологии приготовления и сжигания низкокалорийных и высокозольных топлив в составе водо-угольных смесей. Были сформулированы и опробованы ряд математических моделей, исследованы и оценены основные характеристики параметров процессов зажигания и горения, а также сделан ряд сопутствующих разработок [23-25]. Кроме того, в ряде работ предлагались методики использования отходов углеобогащения вместе с отходами нефтепереработки в составе органо-водо-угольных смесей [26-28], что позволяет существенно упростить зажигание низкореакционных угольных компонентов. Приготовление смесевых топлив на основе сельскохозяйственных и бытовых отходов, смешиваемых с отходами углеобогащения, деревоперерабатывающих и прочих предприятий [29, 30], позволяет значительно расширить сферу применения таких вторичных топлив.
Однако внедрение таких способов требует существенной перестройки систем подачи топлива, а также оптимизации топочных агрегатов под другие температуры. В рамках данного подхода использование дешёвых вторичных топлив потребует существенных капиталовложений, окупаемость которых потребует длительного периода эксплуатации. В России, где на данный момент достаточно широко внедрено использование природного газа, утилизация накопленных отходов углеобогащения согласно ранее разработанным методикам не выглядит привлекательной.
Ещё одним путём использования промышленных отходов в качестве топлив видится применение технологий глубокой переработки углеводородов на основе различных циклов газификации [31, 32]. Такой подход позволяет получать энергию в виде попутного тепла, выделяющегося в газогенераторе, плюс вырабатывать синтез-газ, который может сжигаться в топках имеющихся газовых котлов после их минимальной модификации. В общем представлении процесс внедрения топлив на базе отходов будет состоять не в корневой перестройке имеющейся инфраструктуры, а в создании ряда дополнительных узлов,
8 конвертирующих топливо в горючий газ. Такой подход позволяет, при необходимости, оперативно перенастроить основные мощности обратно на природный газ, что является несомненным плюсом метода. Популярные технологии конверсии углей могут выступать как в качестве отдельного процесса, так и в виде сопутствующих циклов основного производства [33-35], не связанного с выработкой тепла (газификация угля в расплаве, использование доменного газа и т. п.).
Сегодня активная разработка промышленных технологий комплексной газификации связана с необходимостью создания высокоэффективных и экологически чистых методов потребления высокосортных энергетических углей. Однако расширение рассматриваемых подходов [36-38] на использование высокозольных отходов затруднено высокими затратами имеющихся технологий на конверсию топлива. Рост зольности топлив в два-три раза минимизирует окупаемость классических методов газификации. Данная проблема может быть решена газификацией углеводородных компонентов промышленных отходов за счёт энергии внешних источников. Таким источником дешёвой энергии может стать попутное тепло другого процесса либо использование солнечного света. На данный момент результаты проработки таких концепций использования возобновляемых источников энергии для получения энергии из утилизируемых горючих отходов практически отсутствуют. Абсолютное большинство методов газификации углеводородов работают по автотермическому механизму, когда энергия для конверсии основной массы топлива получается за счёт его частичного сжигания. Однако применение аллотермических технологий, использующих внешние источники тепла, может стать путём к рентабельной и технически доступной утилизации накопленных отходов углеобогащения [39]. Аналогичный подход может быть применён и для аллотермической газификации низкосортных ископаемых топлив. Таким образом, возможно создание универсальной методики переработки высокозольных ископаемых топлив в синтез-газ с использованием солнечного света в качестве источника энергии.
Целью работы является экспериментальное определение условий конверсии отходов углеобогащения и низкосортных ископаемых топлив (торфы и бурые угли), обеспечивающих максимальное соотношение концентраций горючих и негорючих компонентов синтез-газа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка экспериментальной методики, создание стенда, планирование и проведение экспериментальных исследований условий светоиндуцированной газификации отходов углеобогащения и низкосортных ископаемых топлив;
2. Определение составов топливных смесей, обеспечивающих высокую продуктивность свето-индуцированной газификации;
3. Измерение пороговых значений интенсивности светового излучения, обеспечивающих эффективную конверсию выбранных топлив в синтез-газ;
4. Установление зависимостей состава синтез-газа и скорости конверсии топлив от интенсивности излучения накачки;
5. Исследование оптимальных, с точки зрения производства оксида углерода, режимов подвода излучения (непрерывный поток, сверхкороткие импульсы);
6. Оценка удельных затрат энергии на конверсию различных топлив.
Научная новизна работы состоит в определении основных особенностей, а также значений ключевых параметров процессов аллотермической газификации высокозольных ископаемых твёрдых топлив под действием сфокусированного потока видимого света. Главными особенностями рассматриваемых процессов являются: малый вклад объёмных эффектов тепло- и массопереноса, т. к. основная часть процессов идёт на поверхности порции топлива; высокие значения тепловых потоков (более 500 Вт/см2, что существенно превосходит уровни, достигаемые в автотермических процессах конверсии); стабильно высокие температуры в пятне освещения (800 К и выше), обеспечивающие высокую скорость окисления углерода и, как следствие, значительное подавление производства СО2 в пользу производства СО; низкая инерционность процесса
10 газификации, протекающего только во время световой накачки извне. Для описания физической картины происходящего были определены характерные температуры на поверхности топлива, зависимости концентраций компонентов синтез-газа от интенсивности светового потока, удельные затраты тепла на газификацию исходного топлива, зависимость скорости газификации от интенсивности световой накачки. Также были проанализированы процессы взаимодействия наносекундных лазерных импульсов с порциями водо-угольной суспензии и проведено сравнение их результатов с обработкой аналогичной суспензии непрерывным потоком энергии.
Практическая значимость работы состоит в том, что были определены основные макропараметры процесса аллотермической конверсии высокозольных отходов в синтез-газ (пороговые величины интенсивности световой накачки, обеспечивающие эффективную газификацию). Были определены удельные энергозатраты на газификацию топлив (порядка 3,5 МДж/кг для влажных отходов углеобогащения), влажность исходных топливных смесей (35-40 масс. % для отходов углеобогащения), обеспечивающая наименьшее содержание СО2 в составе синтез-газа. Полученные результаты позволяют сформулировать необходимый набор условий для практической реализации свето-индуцированной газификации ископаемых топлив и отходов углеобогащения. Разработаны и опробованы схемы установок, использующих для световой накачки излучение лазеров, мощных галогенных ламп, а также солнечный свет, сфокусированный сферическим зеркалом. На основе отработанных лабораторных решений предложены пути масштабирования производительности газогенератора с оптической накачкой, а также схемы систем с поточной подачей топлива.
Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей измерений, а также приемлемой повторяемостью результатов экспериментов при идентичных внешних условиях. Использование современных высокоточных средств измерений и проверенных автоматизированных методик их применения позволяет накапливать большие объёмы данных. Обработка данных с помощью высокоэффективных
вычислительных алгоритмов позволяет получать детализацию и точность зависимостей, достаточные для их сопоставления с экспериментальными и теоретическими данными других авторов.
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования светоиндуцированной конверсии отходов углеобогащения в синтез-газ проводились в рамках проекта РНФ №15-19-10003. Исследования конверсии низкосортных ископаемых топлив проводились в рамках проектов ВИУ-ИШФВП-184/2018 и ВИУ-ИШФВП-299/2018, выполняемых согласно программе развития Томского Политехнического Университета.
Тематика исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также входит в список критических технологий федерального уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития («Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе», «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»).
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Воздействие сфокусированным световым потоком на водо-угольную смесь отходов обогащения каменных углей позволяет реализовать их высокотемпературную аллотермическую газификацию при атмосферном давлении. Пороговое значение интенсивности светового излучения, обеспечивающее запуск производства СО, составляет 500-800 Вт/см2;
2. Свето-индуцированная конверсия отходов углеобогащения с содержанием воды более 30 масс. % происходит без производства измеримых количеств СО2 (углерод окисляется только до СО);
3. Воздействие наносекундных лазерных импульсов на водо-угольную смесь при нормальных условиях приводит к их газификации вместе со сверхтонким распылением (средний размер частиц менее 100 мкм, скорость выброса не превышает 2,7 м/с);
4. Свето-индуцированная конверсия низкосортных ископаемых топлив не является полностью аллотермической. Диапазон интенсивности светового излучения, обеспечивающий эффективное производство СО, составляет 50-130 Вт/см2 для бурых углей и торфа;
5. Конверсия отходов углеобогащения за счёт энергии солнечного излучения (до 3,5 МДж/кг) позволяет получать синтез-газ без затрат невосполнимых энергоресурсов. Свето-индуцированная конверсия смесей на основе торфа и бурых углей в синтез-газ требует порядка 2,2 МДж/кг и 1,3 МДж/кг, соответственно.
Личный вклад автора состоит в организации и проведении экспериментальных исследований, обработке результатов, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций их практического использования, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях, форумах и симпозиумах:
• V Международный молодёжный форум "Интеллектуальные
энергосистемы», ТПУ, г. Томск, 9-13 октября 2017 г.;
• XXII Международный научный симпозиум студентов и молодых учёных имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», ТПУ, г. Томск, 2-7 апреля 2018 г.;
• III Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика» с элементами школы молодых учёных, г. Ялта, 10-16 сентября 2018 г.;
• XIV Международная научно-техническая конференция
«Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических комплексов» СГТУ имени Ю.А. Гагарина, г. Саратов, с 30 октября по 1 ноября 2018 г.;
• X Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» ИТ СО РАН, г. Новосибирск, 6-9 ноября 2018 г.;
• Международная научная конференция «Энерго-
ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития», ТПУ, г. Томск, 12-16 ноября 2018 г.;
• IV Всероссийская научная конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика» с элементами школы молодых учёных, г. Ялта, 15-22 сентября 2019 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 2 публикации в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Химия твёрдого топлива», «Кокс и химия». Опубликованы 6 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»: «Renewable Energy» (ИФ = 5,4), «Fuel» (ИФ = 4,9), «Energies» (ИФ = 2,7), «Applied Sciences» (ИФ = 2,287), «Solid Fuel Chemistry» (ИФ = 0,516), «Coke and Chemistry».
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 128 страницах, содержит 38 рисунков, 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 143 наименования.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены практическая значимость и научная новизна полученных результатов.
В первой главе рассмотрены причины роста энергопотребления в мире и возможные пути его удовлетворения, проанализированы свойства различных классов ископаемых топлив, механизмы образования отходов углеобогащения, а также известные на сегодняшний момент технологии газификации углеводородных топлив. Сильные и слабые стороны самых популярных
14 технологий проанализированы с учётом их применимости к различным видам топлива.
Во второй главе описаны разработанные автором диссертации конструкции экспериментальных стендов, детально рассмотрены методики проведения исследований, а также описаны методы оценки погрешностей результатов измерений.
В третьей главе приведены результаты исследования процесса светоиндуцированной газификации отходов углеобогащения, определены ключевые параметры (пороговые значения интенсивности световой накачки), показаны типовые составы синтез-газа и их изменение в зависимости от интенсивности светового потока. Обоснован выбор влажности топливной смеси, показаны характерные температуры на поверхности образцов топлива и соответствующие скорости конверсии топлив.
В четвертой главе приведены результаты исследования процессов газификации низкосортных ископаемых топлив (торф и бурый уголь) под действием мощного светового потока. В сравнении с данными, представленными ранее для отходов углеобогащения, были проанализированы ключевые параметры протекающих процессов, обоснована оптимальная влажность исходных смесей и показаны примеры масштабирования производительности экспериментального стенда.
В заключении подведены итоги диссертационных исследований, сформулированы выводы и очерчены перспективы
Купить