Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0001
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Проведение прикладных научных исследований и экспериментальных разработок с целью создания установок газификации твердых топлив для энергетики и промышленности
Докладчик
Боровиков Юрий Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
1. Созданные 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 и прямоточно-
вихревой газификации 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.
Анализируя современное состояние рынка энергетики, и учитывая вышесказанное, прикладные
исследования процесса газификации твердых топлив является актуальной научно-практической задачей
имеющей перспективное будущие.
Описание исследования

В текущем  году продолжен комплекс прикладных научных исследований газификации твердых топлив:

1. Экспериментальные исследования процессов газификации энергетических углей в водо-воз­душной среде.

Исследования проводились с применением термогравиметрического анализатора Netzsch 449 Jupiter F3.

2. Экспериментальные исследования применения каталитических агентов для реакций гетероген­ного катализа в системах «С-Н-О».

Каталитическая газификации энергетических углей с нанесенными на них каталитическими добавками проводилась с помощью термогравиметрического анализатора STA 449 C Jupiter (Netzsch, Германия). Все эксперименты осуществлялись  в однотипных условиях, при скорости нагрева 2,5 ̊С/мин Al2O3 керамического тигля (масса образца около 7мг) в интервале температур 50-600 ̊С. В качестве газовой среды была использована смесь воздуха и азота со скоростью потоков 60 мл/мин и 10 мл/мин соответственно.

3. Определение температурных полей процессов газификации энергетических углей в водо-воз­душной среде, определение оптимальных темпе­ратурно-временных характеристик проведения процесса газификации угля.

Определение температурных полей процессов газификации энергетических углей в водо-воздушной среде и определение оптимальных температурно-временных характеристик проведения процесса газификации угля выполнены с применением модели гетерогенного течения и тепломассопереноса водоугольной смеси в канале газогенераторной установки, модели конвективного радиационного теплопереноса в рабочей зоне газогенераторной установки, разработанных на  третьем этапе проекта, и модели конвективного тепломассопереноса в противоточном режиме работы газогенераторной установки, разработанной на четвертом этапе проекта.

4. Установление основных закономерностей, вли­яющих на выход газообразных продуктов разложения при газификации энергетических углей в водо-воздушной среде.

Для описания кинетики газофазных реакций использовался модифицированный закон Аррениуса. Было исследовано влияние кинетической модели на точность описания результатов эксперимента. Наибольшая точность была выявлена для модели произвольного расположения пор (порядка 0,9 для каждого эксперимента). С применением данной кинетической модели были рассчитаны значения кинетических констант, позволяющих реализовать их дальнейшее использование для практических расчетов.

Для описания газофазных реакций при газификации твердого топлива был использован метод минимизации свободной энергии Гиббса. При этом на основании соотношения массовых расходов топлива и пара и воздуха в дутье определялись химический состав синтез-газа на выходе из газогенератора, на основании которого определялась теплотворная способность генерируемого газа при условии полного отсутствия потерь тепла в системе (в адиабатических условиях). Также определялась адиабатическая температура процесса. Результаты расчета аппроксимировались с помощью полиномальной функции четвертого порядка для получения максимально высокой точности.

 

Результаты исследования

1. При исследовании кинетики процессов окисления топлива при взаимодействии с паром и воздухом в камере газогенератора выявлен различный механизм протекающих реакций в углях различного происхождения. Также выявлены практически одинаковые температуры максимальной интенсивности реакции для бурых углей, в то время как для антрацита и каменных углей они существенно зависели от марки угля. Для дальнейшего использования результатов эксперимента, они были аппроксимированы с помощью уравнения Аррениуса 1- го порядка.

2. Установлено, что введение каталитической добавки способствует изменению кинетических характеристик процесса газификации углей, а именно снижения температуры начала процесса газификации и скорости его протекания. Это обусловлено снижением энергии активации, в результате термической деструкции внутренних макро и микропор угля с последующим высвобождением легко воспламеняемых летучих веществ. Полученные результаты лабораторных исследований показали, что применение каталитических добавок при их дальнейшем использовании в реальных газогенераторных установках позволит улучшить их экологические и экономические показатели, за счет повышения качества производимого синтез-газа и снижения металлозатрат при изготовлении активной зоны реактора.

3. Результаты проведенных исследований с целью определения температурных полей процессов газификации энергетических углей в водо-воздушной среде и определение оптимальных температурно-временных характеристик проведения процесса газификации угля позволяют сделать выводы:

- оптимальные значения температур в рабочей зоне газогенераторной установки составляют 1250–1270 К;

- установление соответствующих значений температур достигается уже через 20 с с момента начала процесса.

Установлено, что конвективные процессы (естественной и вынужденной конвекций) теплообмена существенно влияют на установление температурных полей в области исследования. Следует отметить, что при противоточных режимах работы газогенераторной установки наблюдаются хаотические турбулентные течения среды в рабочей зоне газогенератора.

4. При анализе зависимостей характеристик процесса газификации твердых топлив от различных параметров внешней среды были выявлены две основные стадии процесса: гетерогенные реакции окисления углерода в твердой фазе и гомогенные газофазные реакции.

Исследовано влияние кинетической модели на точность описания результатов эксперимента. Наибольшая точность выявлена для модели произвольного расположения пор. С применением этой кинетической модели рассчитаны значения кинетических констант, позволяющих реализовать их дальнейшее использование для практических расчетов.

На основании соотношения массовых расходов топлива и пара и воздуха в дутье определялись химический состав синтез-газа на выходе из газогенератора, на основании которого определялась теплотворная способность генерируемого газа при условии полного отсутствия потерь тепла в системе (в адиабатических условиях). Также определялась адиабатическая температура процесса.

Созданная в рамках проекта уникальная научная база в виде Стенда комплексных испытаний, включающего экспериментальные образцы прямоточно-вихревой и горновой газогенераторных установок, позволит на заключительном этапе проекта на основе проведенных исследований отработать окончательные конструктивно-технологических решений для создания нового поколения газогенераторных установок.

Практическая значимость исследования
В результате выполненных работ были выявлены основные закономерности, влияющие на выход газообразных продуктов разложения при газификации энергетических углей в водо-воздушной среде.