Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение прикладных научных исследований и экспериментальных разработок с целью создания установок газификации твердых топлив для энергетики и промышленности

Докладчик: Матвеев Александр Сергеевич

Должность: Заведующий кафедрой атомных и тепловых электростанций, доцент, к.т.н.

Цель проекта:
Принятие окончательных конструктивно – технологических решений для создания Индустриальным партнером нового поколения газогенераторных установок прямоточно-вихревой и горновой газификации твердых топлив, обеспечивающих повышение ресурсоэффективности действующих и модернизируемых объектов энергетики и снижение их антропогенного воздействия на окружающую среду.

Основные планируемые результаты проекта:
В настоящее время энергетика РФ нуждается в обновлённом оборудовании, созданном на уровне наилучших доступных технологий. Энергетическая стратегия России до 2030 г., утвержденная распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 г. № 1715-р, предусматривает рост использования угля в энергетике. Однако, сегодня наблюдается ряд проблем развития традиционной (паросиловой) угольной энергетики в РФ. Одним из альтернативных направлений использования угля в энергетики, хорошо освоенным за рубежом, является применение газификации твердого топлива в парогазовых циклах ТЭС.
Такое решение позволяет существенно повысить энергетические и экологические показатели вновь вводимого и модернизируемого оборудования. Они достигаются за счет реализации комбинированного цикла и уменьшенного по сравнению с продуктами сжигания угля объема очищаемого газа.
Актуальность работы заключается в прикладном исследованиях режимов работы газогенераторных установок с целью обеспечения принципиально нового уровня энергетических, кинетических и технологических характеристик.

На основе результатов ПНИЭР Индустриальный партнер - Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (далее - Фонд) во взаимодействии с получателем субсидии должен создать:
- газогенераторную установку прямоточно-вихревой газификации углей;
- горновую газогенераторную установку.

На основе результатов проведенных прикладных научных исследований будут созданы экспериментальные образцы оборудования, входящего в газогенераторную установку прямоточно-вихревой газификации угля, производительностью до 24 тыс. нм3/ч на выходе очищенного генераторного газа, включая:
- виброимпульсную мельницу производительностью до 5 т/ч водоугольной суспензии с крупностью твердых частиц до 500 мкм и затратами электроэнергии до 5 кВт/ч;
- гидроударный кавитатор производительностью до 10 т/ч тонкодисперсной ВУС, крупностью твердых частиц до 5-10 мкм и затратами электроэнергии до 25 кВт на 1 тонну приготавливаемой тонкодисперсной ВУС;
- прямоточно-вихревой газогенератор производительностью до 25 тыс. нм3/ч получаемого горячего, неочищенного генераторного газа;
- газоочистительное оборудование для генераторного газа с очисткой от пыли, золы-уноса, NОх, SОх, СО и получением очищенного энергетического газа в объеме до 30 тыс. нм3/ч.
Разрабатываемая в рамках ПНИЭР экспериментальная установка горновой газификации твердого топлива будет включать в себя:
- систему подготовки и подачи кускового (5-50 мм) твердого топлива в горновой газогенератор, обеспечивающую его надежное питание с учетом работы оборудования под избыточным давлением,
- горновой газификатор, работающий под давлением, обеспечивающий превращение органической части твердого топлива в горючий газ, пригодный, после очистки, для энергетического использования,
- систему охлаждения генераторного газа, получаемого в горновом газификаторе, обеспечивающую приемлемую для очистных аппаратов температуру газа и выработку пара с параметрами, пригодными для использования в пароводяном тракте ТЭС,
- систему очистки генераторного газа, получаемого в горновом газификаторе, обеспечивающую уровень концентраций загрязняющих веществ, допускающих использование газа для энергетических целей,
- систему утилизации выделяющегося тепла отходящих дымовых газов, с выработкой пара и горячей воды с параметрами, пригодными для использования в пароводяном тракте ТЭС.

Научной новизной будут являться:
1. Созданные на базе полученных результатов прикладных научных исследований, новые конструктивные и технологические решения для экспериментальных образцов газогенераторных установок горновой и прямоточно-вихревой газификации тонкодисперсной ВУС с получением очищенного энергетического газа требуемого качества, что является заделом при последующем выполнении ОКР и выпуске новых, конкурентоспособных, серийных газогенераторных установок, превосходящие лучшие мировые аналоги, для ПГУ единичной мощностью от 16 до 25 МВт.
2. Конструктивно-технологические решения отработанных экспериментальных образцов нового оборудования, входящего в экспериментальные газогенераторные установки горновой прямоточно-вихревой газификации, включая: виброимпульсную мельницу и гидроударный кавитатор для приготовления из угля тонкодисперсной ВУС; прямоточно-вихревой газогенератор для газификации тонкодисперсной ВУС, с получением генераторного газа; газоочистительное оборудование для очистки генераторного газа от пыли, золы-уноса, NОх, SОх до значений ниже установленных норм, на выходе которого образуется энергетический газ, использование которых, кроме газогенераторной установки, могут иметь индивидуальное применение после проведении ОКР и организации их серийного выпуска с превосходством над лучшими мировыми образцами
3. Экспериментальное исследование процессов газификации, воспламенения и горения твердых топлив в окислительных средах, определение температурных полей и кинетики процессов газификации, воспламенения и горения твердых/жидких топлив в потоке окислительной среды, установление основных закономерностей, влияющих на выход газообразных продуктов разложения при пиролизе топлива в потоке окислительных сред станет научно-технической основой внедрения актуальной технологии внутрицикловой газификации твердого топлива с целью повышения ресурсоэффективности энергетической отрасли и выполнения требований экологического законодательства.

Большинство современных газогенераторных технологий используют парокислородное и паровоздушное дутье. Применение таких газифицирующих агентов определяет как достоинства, так и недостатки этих методов. Наиболее существенными недостатками в данном случае являются: повышенное содержание балластных примесей в получаемом газе; часть углерода исходного материала неизбежно сгорает в газогенераторе.
Несмотря на значительное количество публикаций, в том числе в ведущих мировых изданиях (журналы Combustion and Flame; Propellants, Explosives, Pyrotechnics; Progress in Energy and Combustion Science; Физика горения и взрыва, Химическая физика, Теплоэнергетика), теоретических основ, объединяющих и обобщающих экспериментальные результаты, а также представляющих исчерпывающую информацию о материальном балансе и элементном составе продуктов газификации в литературе не представлено. В то же время широкомасштабное внедрение в мировую промышленность технологий газификации невозможно без разработки теории.

Для достижения цели предложенной ПНИЭР создание экспериментальных образцов оборудования, будет вестись с учетом имеющегося научно-технического задела по процессам газификации твердого топлива и водоугольных суспензий.
1. Для обеспечения компактности и высокой удельной производительности создаваемого экспериментального образца газогенератора, отличающегося от газогенераторов слоевого или с кипящим слоем, будут использованы: процессы прямоточности и вихревой закрутки топлива; тонкодисперсное измельчение угля в смеси с водой, до крупности 3-10 мкм; газификация при температурах ниже температуры плавления золы.
2. Для приготовления из энергетического угля тонкодисперсной ВУС, на газификацию, будут созданы экспериментальные образцы оборудования, включая:
- виброимпульсную мельницу со специальной динамикой воздействия на измельчаемый уголь;
- гидроударный кавитатор со специальной термоядерной термообработкой быстроизнашивающихся поверхностей.
3. Для очистки горячего генераторного газа от пыли, золы-уноса, NОх, SОх и СО, без охлаждения, будут созданы экспериментальные образцы газоочистного оборудования с использованием жаропрочных сплавов и вихревых эффектов, что обеспечит малозатратное и высокоэффективное удаление находящихся в газе вредных составляющих с выпуском очищенного энергетического газа требуемого качества.
4. Для обеспечения надежной работы оборудования будут проведены исследования коррозионного влияния компонентов генераторного газа на металл поверхностей нагрева охладителя газа, а также найдены пути повышения эффективности и срока службы футеровки горнового газогенератора при воздействии на нее агрессивных компонентов генераторного газа и жидкого шлака.
5. Для обеспечения утилизация продуктов газификации на площадке экспериментальной установки будут проведены расчетные исследования работы топочно-горелочных устройств при сжигания в них генераторного газа получаемого в экспериментальной установке газификации угля.
6. Для твердых топлив будет проведено обобщение результатов по скоростям газификации, появлению и эволюции промежуточных продуктов, механизмам формирования газообразных фаз.
7. Будет проведен анализ эффективности и мониторинг использования существующих и перспективных газогенерирующих установок в России и за рубежом, а также результатов научных исследований, связанных с пиролизом, газификацией и горением твердых топлив, прежде всего, в области электроэнергетики.
8. С целью обобщения исходных данных и формирования начальных и граничных условий для разрабатываемых математических моделей будут проведен химический анализ образцов твердого топлива и продуктов газификации при нагреве и пиролизе, минерального остатка.
9. Проведение анализа размеров, распределения, формы и химического состава частиц твердого топлива и минерального остатка позволит сформировать четкое представление о материальном балансе всех этапов процесса газификации.
10. На основе экспериментальных данных будут разработаны и верифицированы физико-математические модели газификации и горения частиц твердого топлива в потоке окислительной среды газогенераторов.


Основные риски достижения заявленных результатов в части технико-экономических показателей связаны с динамикой изменения цен на энергоносители.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Проведение прикладных научных исследований и создание на их основе экспериментальных образцов газогенераторных установок для получения из угля очищенного энергетического газа требуемого качества, с отработкой конструктивно-технологических решений для последующего использования при проведении ОКР, с организацией выпуска серийного нового оборудования и размещения его в сегменте малой распределенной энергетики с использованием ПГУ-ТЭЦ, является задачей своевременной и актуальной для топливно-энергетического комплекса России.

В РФ ПГУ с ВЦГ нет, однако осуществлена подробная ее разработка на основе технологии горновой паровоздушной газификации.
Эта технология позволит сократить капитальные затраты на 20-30 % за счет отказа от воздухоразделительных установок, снижения образования загрязненных водных стоков и других упрощений при сохранении высоких экономических и экологических показателей.

Две трети территории России, на которой проживает более 30 млн. человек, не имеют централизованного электро- и теплоснабжения. Указанная территория отличается отсутствием подвода к расположенным населенным пунктам газопроводов природного газа. Ежегодно, по Программе Северного завоза, в летне-осенний период завозится около 20 млн. тонн жидкого топлива (дизельного зимнего и арктического топлива, топлива для газотурбинных установок, печное топливо, мазут и др.) для выработки электроэнергии и тепла. Стоимость вырабатываемой 1 Гкал тепла около 1500-2000 рублей, а себестоимость получаемой электроэнергии порой превышает 100-150 рублей за 1 кВт ч. Указанные стоимости постоянно растут по разным причинам. Учитывая, что предприятия по добыче угля (шахты, разрезы) находятся к удаленным районам ближе и более равномерно расположены на территории России, чем предприятия по добыче газа или переработки нефти, то возможность использования в качестве топлива уголь, вместо завозимого мазута и дизельного топлива, в десятки раз может быть дешевле. Но для этого потребуются высокоэффективные газогенераторные установки для газификации угля и получения очищенного энергетического газа, который может быть применен в ПГУ-ТЭЦ, как топливо вместо природного газа, дизельного топлива и мазута. Это обеспечит ежегодную экономию десятков миллиардов бюджетных средств. В последующем, получаемый из угля энергетический газ, по качеству должен быть пригодным для выпуска на месте из него синтез-газа и моторных топлив, включая зимнее и арктическое дизельное топливо, реактивное топливо для авиации и ракетной техники.

Текущие результаты проекта:
1. Для оперативного управления проектом разработан сетевой план-график с использованием программы управления проектами Microsoft Project.
2. Проведены прикладные научные исследования в части:
- аналитического обзора научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты;
- анализа эффективности и мониторинга использования существующих и перспективных газогенерирующих установок в России и за рубежом;
- анализа размеров, распределения, формы и химического состава частиц энергетических углей и минерального остатка;
- определения теплофизических свойств (теплота сгорания, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и излучательная способность) твердых и газообразных топлив;
- разработки ожидаемых технико-экономических показателей разрабатываемых ПВГГУ и ГГГУ;
- обоснования и выбора направлений исследований процессов приготовления из энергетических углей тонкодисперсной водоугольной суспензии и ее газификации с получением очищенного энергетического газа требуемого состава;
- проведения технической и экономической сравнительной оценки выбранных направлений исследования процессов приготовления из энергетических углей тонкодисперсной водоугольной суспензии и ее газификации с получением очищенного энергетического газа требуемого состава;
- определения требуемых составов, получаемого в процессе газификации, энергетического газа для использования в качестве топлива ТЭС вместо дизельного топлива, природного газа, мазута и последующего выпуска синтез-газа, пригодного для производства синтетических моторных топлив;
- оценки возможности использования при подготовке энергетических углей к газификации следующих процессов:
а) термообработки бурых углей с их обогащением;
б) виброимпульсной инерционной дезинтеграции углей;
в) кинетики кавитационного воздействия при тонкодисперсном измельчении и обработки технической воды применяемой при приготовлении угольных суспензий для газификации;
г) механохимической активации при приготовлении тонкодисперсных водоугольных суспензий.
- выбора и технико-экономического обоснования способов газификации водоугольных суспензий, приготавливаемых из энергетических углей, для получения очищенного энергетического газа заданного состава;
- уточнения технических характеристик, назначения и области применения разрабатываемой ПВГГУ;
- разработки описания и обоснования выбранной конструкции разрабатываемой ПВГГУ и её составных частей;
- проведения расчетов, подтверждающих работоспособность и надежность конструкции ПВГГУ.
- проведения исследования влияния свойств энергетических углей и режимных параметров процессов горновой газификации на выход и состав получаемого энергетического газа;
- разработки рекомендаций по организации процесса горновой газификации энергетических углей;
- проведения расчетных исследований для оптимизации схемы и режимов работы ЭО ГГГУ;
- уточнения технических характеристик, назначения и области применения разрабатываемой ГГГУ
- разработки описания и обоснования выбранной конструкции разрабатываемой ГГГУ и её составных частей;
- проведения расчетов, подтверждающих работоспособность и надежность конструкции ГГГУ;
- обоснования применения технологий газификации твердого топлива горновым способом для создания высокоэффективных объектов распределенной энергетики;
- анализ рынка энергетического оборудования (проектирование, инжиниринг, изготовление).
3. Разработан документ «Комплектность технической документации, разрабатываемой в рамках Соглашения о предоставлении субсидии».
4. Подготовлено обоснование места размещения Стенда КИ.
5. Согласовано место размещения с Фондом и владельцем монтажной площадки - ТГК-11.
6. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р15.011-96 в части исследований конкурентоспособности, технического уровня и тенденций развития объектов разработки.
7. Разработана Модель, ведутся работы по ее верифиции.
8. Разработаны технологические схемы подготовки из энергетических углей тонкодисперсной водоугольной суспензии, ее газификации с получением очищенного энергетического газа для подачи на ТЭС, а также в последующем для выпуска синтез-газа и производства синтетических моторных топлив.
9. В процессе выполнения находятся следующие виды работ:
- разработка дополнительных технических требований к ЭО ПВГГУ.
- разработка схемы деления ЭО ПВГГУ.
- разработка комплекта технической документации на ЭО ПВГГУ.
- разработка дополнительных технических требований на Стенд КИ в части ЭО ПВГГУ.
- разработка дополнительных технических требований к ЭО ГГГУ.
- разработка схемы деления ЭО ГГГУ.
- разработка комплекта технической документации на ЭО ГГГУ.
- разработка дополнительных технических требований на Стенд КИ в части ЭО ГГГУ.
- разработка комплекта технической документации на ЛС ИПГ.
- разработка комплекта технической документации на Стенд КИ.
- изготовление составных частей ЭО ПВГГУ по согласованному Перечню № 1.1.
- изготовление составных частей ЭО ГГГУ по согласованному Перечню № 1.2.
- изготовление составных частей Стенда КИ по согласованному Перечню № 1.3.
- изготовление составных частей ЛС ИПГ по согласованному Перечню № 1.4.1.
- изготовление составных частей ЛС ИПГ по согласованному Перечню № 1.4.2.