Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка метода интенсификации процесса газификации низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя

Номер контракта: 14.574.21.0018

Руководитель: Ефимов Николай Николаевич

Должность: Заведующий кафедрой тепловых электрических станций

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
тепловые электростанции, струйно-вихревая газификация, генераторный газ, газификатор, твердое топливо, нанокатализатор, моделирование.

Цель проекта:
1. Создание научно-технического задела в области разработки способа газификации низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя. 2. Повышение эффективности использования низкореакционного угля в процессах газификации в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения работ планируется получение следующих основных результатов:
- метод интенсификации процесса газификации низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, направленный на повышение эффективности процесса газификации;
- физическая модель камеры газификатора, предназначенная для исследования скоростей потока угольных частиц и воздуха в условиях
- математическая модель, предназначенная для исследования кинетики процессов реагирования углерода с компонентами газовой смеси при газификации угольной пыли;
- экспериментальная установка, предназначенная для проведения исследований процесса газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя.
2. Разработанный метод газификации должен обеспечить:
- возможность использования любой марки углей;
- коэффициента использования топлива до 60 %;
- удельную теплоту сгорания генераторного газа не менее 5,0 МДж/м3;
- получение генераторного газа следующего состава: СО -20…70 %; Н2 -1,5…60 %; СО2 -5…30 %.
В основу математической модели кинетики процесса газификации должна быть положена система дифференциальных уравнений изменения концентраций реагирующих компонентов. Модель должна позволить провести исследования изменение концентраций реагирующих компонентов при различных температурах процесса и при различных соотношениях начальных концентраций углерода и кислорода. Температура в камере газификатора при моделировании должна быть t = 700- 1000 0С. Давление в реакционном объеме газификатора при моделировании должно быть равно p = 0,1 МПа.
Физическая модель камеры газификатора должна обеспечить:
- коэффициент избытка воздуха, a = 0,2 – 0,4;
- время нахождения частицы угля в газификаторе =2 – 4 с.;
- производительность по исходному топливу 1 кг/час;
- температура в камере газификатора, t = 20 -30 0С;
- давление в объеме камеры газификатора, p = 0,1 МПа ± 0,001МПа.
Экспериментальная установка должна обеспечить:
- температуру в камере газификатора при проведении исследований должна быть 700 - 1000 0С;
- давление в объеме газификатора экспериментальной установки при проведении исследований должно быть равно давлению окружающей среды, т.е. 0,1 МПа ± 0.001МПа;
- производительность по исходному топливу – 1 кг/час ± 0,05 кг/час;
- габариты экспериментальной установки - l x b x h = 2 x 1 x 2 м.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате выполнения проекта будет разработан метод газификации низкореакционного твердого топлива в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
2. Новизной данного проекта является создание нового метода газификации твердых топлив в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, предварительно активированного нанокатализатором.
3. Инновационная конструкция газификатора, обеспечивающая газификацию твердого топлива в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, активированного нанокатализатором, по сравнению с аналогами позволит обеспечить следующие технические и общественно полезные преимущества:
- возможность работы на любых марках углей;
- компактность и простоту конструкции по сравнению с аналогами;
- высокий КПД установки до 85%.
4. Привлечение кадров высшей квалификации в состав исполнителей проекта, обладающих многолетним опытом выполнения НИОКР, создавшим ряд промышленных технологий, многие из которых доведены до коммерческого применения определяет потенциальную успешность проекта. Кроме того наличие современной материально-технической базы и необходимой инфраструктуры организации-исполнитель и индустриального партнера позволяют минимизировать риски получения отрицательного результата и не выполнения обязательств в целом.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные в ходе выполнения проекта результаты можно использовать в масштабах энергетической отрасли. Кроме того, генераторный газ может быть использован также на крупных предприятиях химической промышленности для получения синтез-газа, метана, аммония, жидких моторных топлив и других ценных химических продуктов и соединений.
2.Метод по газификации углей в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя, активированного нанокатализатором, может быть использован на уже существующих котельных установках. Установка предвключенного газификатора позволяет полностью или частично отказаться от дополнительного топлива (мазута или газа), подаваемого в топку для подсветки. В то время как сейчас на котлах вместе с основным топливом (твердым, низкореакционным) в горелки подается 7-10 % мазута или природного газа. Энерготехнологическая установка на основе данного метода позволит заменить природный газ более дешевым генераторным газом при переоборудовании газотурбинных установок.
3. Внедрение предлагаемого метода газификации углей на угольных ТЭС и в котельных позволит отказаться от использования дорогого «подсветочного» топлива (мазута и газа) при сжигании низкореакционных твердых топлив, обеспечить устойчивую работу котла в диапазоне изменения нагрузки от 50 до 100 %; повысить надежность работы котлоагрегата. Кроме того, возможность незначительной модернизации существующего оборудования ТЭС при внедрении метода с точки зрения капиталовложений выглядит более привлекательно и конкурентоспособно по сравнению с другими предлагаемыми технологиями сжигания топлив в котлах.
Из-за нечувствительности к качеству исходного угля и наличию балластов (минеральных примесей и влаги) в нем предлагаемый метод найдет широкое применение на электростанциях и в котельных, работающих на низкосортных видах топлива. Кроме того, полученное газообразное топливо при сжигании выделяет значительно меньшее количество вредных веществ, нежели при прямом сжигании твёрдого топлива, что повысит экологическую и производственную безопасность современных пылеугольных ТЭС.
Планируемый годовой экономический эффект, например, при использовании результатов на энергоблоке мощностью 300 МВт может составить около 60000 т.у.т.
4. Основные научные результаты, полученные при разработке высокоэффективной паровой турбины, будут представлены на международных научно-технических конференциях, опубликованы в международных журналах.

Текущие результаты проекта:
1. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальную установку газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя.
2. Изготовлена экспериментальная установка газификации.
3. Разработана Программа и методики исследовательских испытаний установки газификации, проведены испытания установки газификации.
4. Выполнен сравнительный анализ результатов исследовательских испытаний с результатами математического моделирования.
5. проведены исследования процессов газификации в струно-вихревом потоке окислителя.
В ходе проведения исследовательских испытаний установки газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя, установлено, что экспериментальная установка газификатора угля соответствует требованиям, заданным ТЗ. Полученные результаты исследовательских испытаний: температура в камере газификатора, T = (973,3 ± 29,854) ˚С, при a = 0,95,
E = 3,067 %; давление в камере газификатора, p = (100,5 ± 0,2609) кПа, при a = 0,95,
E = 0,259 %; габариты установки, l*b*h = 1,954*0,624*1,721 м, соответствуют заданным в ТЗ значениям показателей и их допущениям. Установка для газификации низкореакционного угля способна создать условия для реализации процесса газификации угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
В результате проведения исследований процессов газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя, установлено, что разработанный метод газификации позволяет обеспечить: возможность использования любой марки углей; коэффициент использования топлива до 60 %; удельную теплоту сгорания генераторного газа не менее 5,0 МДж/м3; получение генераторного газа следующего состава (СО - 20…70 %; Н2 - 1,5…60 %; СО2 - 5…30 %). Полученные результаты испытаний соответствуют заданным в ТЗ значениям показателей и их допущениям. Экспериментальная способна реализовать метод газификации низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
В ходе анализа результатов математического моделирования и исследовательских испытаний установлено что количество полезных компонентов генераторного газа ( СО,Н2,СН4 ) с увеличением температуры в камере газификации увеличивается: объемные доли СО с 32,4% при 700 ºС до 70,2 % при 1000 ºС; доля Н2 соответственно с 3,5 % до 15,2 %; доля СН4 увеличилась с 0,1 % до 4,0 % (коэффициент избытка воздуха a=0,2 ), что объясняется повышением констант скорости химических реакций. В том числе такие константы увеличиваются и для реакций горения (окисления) СО, Н2 и СН4, но скорости этих реакций ограничиваются малой концентрацией кислорода из-за небольшого избытка воздуха.
Полученные зависимости объемных долей СО, Н2 и СН4 от коэффициента избытка воздуха а показывают, что при постоянстве температуры объемные доли СО, Н2 и СН4 убывают. Это связано с возрастающей концентрацией кислорода и, соответственно, с увеличивающийся скоростью химических реакций выгорания данных компонентов.
Характер изменения концентраций СО, Н2 и СН4 в зависимости от температуры одинаковый: при увеличении температуры в камере газификации объемные доли СО, Н2 и СН4 увеличиваются, что свидетельствует об адекватности математической модели.
Организация встречного движения горячего воздуха и топлива, а также добавление в воздушную среду активного окислителя – синглетного кислорода позволяют увеличить выход полезных составляющих элементов генераторного газа в диапазоне температур от 700-1000 ºС (для СО 1,5-5,8%; для Н2 7,9-20%; для CO2 3-40%).