Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование технологии газификации, воспламенения и сжигания твердых топлив, подвергнутых механохимической и плазменной активации

Докладчик: Алексеенко Сергей Владимирович

Должность: Директор

Цель проекта:
Основная проблема, на решение которой направлен проект – повышение эффективности использования угля как энергетического топлива в традиционных тепло-энергетических технологиях и в процессах газификации для парогазовых установок при его механоактивированном измельчении, а также получение синтез-газа из угля для газификации производств Основная задача проекта - объединение в одной технологии механохимической и плазмохимической активации процессов горения и газификации углей. Цели: -Разработка новых систем газификации углей на основе использования механоактивированных углей микропомола с созданием опытных образцов воздушных и паровоздушных газификаторов с плазмохимическим стартом и управлением процессом газификации для использования в высокоэффективных энергетических технологиях на основе ГТУ и ПГУ; - Разработка энергетически эффективной и экологически чистой технологии получения высокопотенциального газа-восстановителя (синтез-газа) плазменной газификацией некоксующихся углей ультратонкого помола, а также исследование режимных параметров и нахождение оптимальных характеристик этой технологии.

Основные планируемые результаты проекта:
Результаты теоретических и расчетных исследований, в т.ч.:
- численного анализа процессов воздушной и паровоздушной газификации углей микропомола различных стадий метаморфизма применительно к укрупненным экспериментальным установкам с плазменным управлением процесса газификации
- термодинамического анализа плазменной газификации смесей угля микропомола с окислителем (пар, воздух) с использованием универсальной программы термодинамических расчетов TERRA
- расчетных исследований процессов воздушной и паровоздушной газификации углей при их плазменной и механохимической активации в горелочном устройстве, в том числе при 2-х ступенчатом сжигании (анализ конструкции и режимов работы на параметры процесса газификации и состав целевых продуктов)
Анализ и сравнение расчетных и экспериментальных данных по процессам воздушной и паровоздушной газификации углей при их плазменной и механохимической активации
Результаты подготовки экспериментальных установок, в т.ч.:
- Схемы 2-х ступенчатого сжигания и газификации углей 2-х фракций помола (механоактивированного и после ШБМ) для системы паровоздушной газификации углей
- Системы плазменного старта при воспламенения пылевзвеси механоактивированного угля микропомола в горелочном устройстве и регулировании термических характеристик факела в процессе газификации
Разработанные программы и методики экспериментальных исследований, в т.ч.:
- Программа и методика проведения испытания на лабораторном стенде тепловой мощностью до 40 - 70 кВт горелочного устройства, обеспечивающего оптимальные условия для смешения и воспламенения в 2-х ступенчатой горелке
- Программа и методика проведения испытаний парогенератора на производительность до 50-100 кг/час пара для схемы паровоздушной газификации углей механоакти-вированного микропомола на стендах производительностью по углю до 1000 кг/час
-Программа и методика экспериментальных исследований по воздушной и паровоздушной газификации углей механоактивированного микропомола с плазменным управлениием процесса
- Программа и методика экспериментальных исследований по воспламенению, горению и газификации пылевзвеси углей 2-х ступеней помола (механоактивированного и после ШБМ) в горелочном устройстве производительностью до 100 кг/час с плазменным и ЗЗУ стартом применительно к процессам газификации во 2-й ступени камеры газификации с оптимизацией расходов углей 2-х ступеней помола.
Результаты экспериментальных исследований по:
- воспламенению и горению механоактивированных углей на лабораторном стенде тепловой мощностью 40-70 кВт в воздушной и паровоздушной среде
- испытанию и выбору оптимального соотношения мощностей стартового устройства и тепловой мощности горелки для углей различных стадий метаморфизма при воспламенении пылевзвеси в процессе газификации
- плазменной газификация пылеугольного топлива с анализом образования конечных продуктов реакций, химическим и рентгеноструктурным анализом конденсированной фазы
- плазменной газификации некоксующихся углей с получением высокопотенциального газа-восстановителя
- испытанию парогенератора на производительность до 50-100 кг/час пара для схемы паровоздушной газификации углей механоактивированного микропомола на стендах производительностью по углю до 1000 кг/час
- воздушной и паровоздушной газификации углей механоактивированного микропомола с плазменным управлением процесса
- воспламенению, горению и газификации пылевзвеси углей 2-х ступеней помола (механоактивированного и после ШБМ) в горелочном устройстве производительностью до 100 кг/час с плазменным и ЗЗУ стартом применительно к процессам газификации во 2-й ступени камеры газификации с оптимизацией расходов углей 2-х ступеней помола
Рекомендации по:
- созданию устройств по воздушной и паровоздушной газификации углей с плазменной и механохимической активацией
- использованию полученных результатов в существующих системах газификации пылеугольной смеси в потоке, в т.ч. для ГТУ
- реализации газификации энергетических углей в металлургии и оптимизации процессов газификации некоксующихся углей ультратонкого помола с целью получения высокопотенциального газа-восстановителя.
Техническая документация:
Конструкторская документация: горелочного устройства для стенда производительностью по углю до 1 000 кг/час; на изготовление дугового плазмотрона мощностью 30-100 кВт; парогенератора для системы паровоздушной газификации углей механоактиви-рованного микропомола на производительность 50-60 кг/ч пара с температурой 200-250оС
РИД
- Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ для расчета термохимических превращений топлива, результаты верификации математической модели на основе литературных данных
- Заявки на 4 изобретения, в т.ч.:
*2 изобретения по разрабатываемой системе плазменного старта при воспламенении пылевзвеси механоактивированного угля микропомола в процессе газификации (способ, устройство)
*2 изобретения по интенсификации технологии газификации, воспламенения и сжигания твердых топлив, подвергнутых механохимической активации (способ, устройство).
- Программная документация на программный модуль для расчета термохимических превращений топлива, результаты верификации математической модели на основе литературных данных
2) Новизна. В разрабатываемых ПНИ впервые используется механохимическая и плазменная активация углей для воспламенения, горения и газификации углей различных стадий метаморфизма, позволяющая оптимизировать режимные параметры в рассматриваемых процессах, а также технологические и объемные конструктивные характеристики оборудования , значительно уменьшающие размеры реакторов.
3) Работы, выполняемые по данной тематике являются пионерными, аналогов нет.
4) Способы и пути достижения заявленных результатов – расчетные и экспериментальные исследования процессов горения и газификации при механохимической и плазменной активации.
Риски связаны с необходимостью создания высокоресурсных устройств механохимической и плазменной активации процессов.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения:
- «большая» и «малая» энергетика, замещение газа и мазута механо-плазмо-активированными углями;
- системы газификации углей для бытовых потребителей; создание локальных источников газификации углей для населенных пунктов, не обеспеченных природным газом;
- ГТУ на твердом топливе для создания когенерационных систем электро-теплоснабжения;
- ГТУ на твердом топливе в т.ч. для ПГУ;
- в металлургии путем использования получаемого из низкосортного угля высокопотенциального газа-восстановителя взамен металлургического кокса в процессе металлизации железорудных окатышей.

Для практического внедрения получаемых результатов будут разработаны рекомендации по:
- созданию устройств по воздушной и паровоздушной газификации углей с плазменной и механохимической активацией,.
- по использованию полученных результатов в существующих системах газификации пылеугольной смеси в потоке, в т.ч. для ГТУ,
- реализации газификации энергетических углей в металлургии и оптимизации процессов газификации некоксующихся углей ультратонкого помола с целью получения высокопотенциального газа-восстановителя.

Проект направлен на:
- создание технологических решений повышения эффективности горения, воспламенения и газификации угля, а также на получение из некоксующегося угля синтез-газа;
-разработку новых технических решений механохимической и плазменной активации угля для создания технологии газификации, воспламенения и его сжигания: горелочного устройства, дугового плазмотрона для осуществления плазменного старта, парогенератора для системы паровоздушной газификации углей механоактивированного микропомола с дальнейшей рекомендацией в существующих системах газификации пылеугольной смеси в потоке. в т.ч. для ГТУ;
Полученные результаты обогатят исследовательскую базу (методическую, расчетную, экспериментальную) в предметной области как российскую, так и Республики Казахстан путем обмена результатами исследований и популяризацией науки.

Текущие результаты проекта:
Проведены начальные работы по газификации, воспламенению и горению механоактивированной угольной пылевзвеси в потоке, поскольку полученные нами ранее результаты по повышению химической активности углей при их механоактивационном измельчении позволяют рассчитывать на существующий рост активности процессов горения и газификации, особенно при использовании технологии плазменного инициирования, т.е. реализации алло-автотермических процессов. Наряду с работами по модернизации горелочного устройства стенда на 1000квт/час по углю с механохимической и плазменной активацией процессов горения и газификации были выполнены исследования по наладке методики определения химической активности углей после измельчения по температуре воспламенения пылевзвеси, позволяющие оценить роль начальной фазы горения пылевзвеси при газификации в потоке. Проанализированы схемы взаимодействия плазменной струи стартового плазматрона с потоком пылевзвеси угля на входе в горелочное устройство, а также системы ввода паровоздушной смеси в горелку; рассмотрены и выбраны оптимальные технические решения по конструкции и источнику питания парогенератора для системы паровоздушной газификации.
Проведена подготовка к проведению экспериментального и расчетного моделирования топочных процессов:
- отлажена аппаратура и разработаны программы и методики проведения измерений параметров и аэродинамической структуры газовых и пылеугольных факелов с использованием лабораторных горелочных устройств тепловой мощностью до 40-70 кВт;
- разработана конструкторская документация горелочного устройства для экспериментального стенда производительностью по углю до 1000 кг/час. Горелочное устройство изготовлено и смонтировано на экспериментальном стенде;
- в рамках построения математической модели процессов газификации и горения угольной пыли после ее обработки в высоконапряженных мельницах определены реакционные свойства угольной пыли после ее механохимической активации.

Основные характеристики полученных результатов
На основе проведенного обзора современной научно-технической литературы, была выбрана математическая модель сопряженных процессов гидродинамики, тепломассообмена и кинетики термохимических превращений топлива при газификации топлива при механохимической и плазменной активации в технологических устройствах. Модель основана на усреднённых по Рейнольдсу пространственных уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнениями закона сохранения энергии, переноса и диффузии компонент, гомогенного и гетерогенного реагирования. Методика расчета основана на получении дискретного аналога дифференциальных уравнений с использованием метода контрольного объема на криволинейных пространственных многоблочных структурированных сетках, аппроксимацией диффузионных членов с помощью центрально-разностной схемы второго порядка, конвективных членов с использованием TVD –схемы второго порядка аппроксимации, связь поля скорости и давления с использованием SIMPLEC процедуры.
Для выполнения термодинамического (нульмерного) анализа процесса плазменной газификации смесей угля с окислителем (пар, воздух) выбран программный комплекс ТЕRRА, предназначенный для численных расчетов высокотемпературных процессов и обладающий обширной собственной базой данных термодинамических свойств 3000 индивидуальных веществ. База данных включает термодинамические свойства органических и минеральных компонентов углеводородных топлив. Проведен термодинамический анализ процесса плазменной газификации смесей угля с окислителем (пар, воздух) с использованием универсальной программы термодинамических расчетов TERRA.

Основные элементы новизны и технологических решений определяются взаимодействием процессов механохимической и плазменной активации процессов воспламенения, горения и газификации пылевзвеси угля.
Рассмотрены и выбраны модели термохимических превращений топлива при механохимической и плазменной активации, учитывающие изменение состава угольного топлива и его реакционной способности после активации.

Предложенные технические и технологические решения по реконструкции горелочного устройства стенда на сжигание и горение 1 т/час угля соответствуют требованиям к выполняемому проекту и перспективе продолжения работ.

Среди других конкурирующих направлений по разрабатываемым технологиям повышения эффективности использования угля разрабатываемая технология является пионерной.