Содержание к диссертации
Введение
1 Газификация твердых топлив и подходы к ее математическому описанию 11
1.1 Газификация твердых топлив 11
1.2 Эмпирико-балансные методики расчета процесса газификации 18
1.3 Кинетические модели горения и газификации твердых топлив 21
1.4 Термодинамическое моделирование термохимической конверсии твердых топлив 41
1.5 Термодинамические модели с учетом макрокинетики в явном виде 47
2 Термодинамическая модель обращенного газогенератора с макрокинетическими граничениями 52
2.1 Модель промежуточного равновесия в слое топлива 52
2.2 Описание кинетики сушки, пиролиза и газификации твердого топлива 57
2.3 Теплофизические свойства топлива и газа 67
3 Разработка вычислительного алгоритма 72
3.1 Модель теплообмена в слое твердых частиц при фильтрации газа 72
3.2 Структура вычислительного алгоритма 82
3.3 Алгоритм для расчета расхода топлива при заданной степени конверсии 86
4 Верификация модели с использованием экспериментальных данных 93
4.1 Экспериментальные измерения и численное моделирование распределения температур в инертном слое, продуваемом горячим газом 93
4.2 Экспериментальные измерения и численное моделирование обращенного процесса паровоздушной газификации азейского угля 100
5 STRONG Оптимизационные исследования ПГУ-STIG малой мощности с внутрицикловой
газификацией угля STRONG 106
5.1 Упрощенная модель газогенератора для оптимизационных расчетов ПГУ 108
5.2 Технологическая схема ПГУ-STIG 111
5.3 Постановка задачи оптимизации 114
5.4 Результаты оптимизационных расчетов 115
5.5 Сопоставление экономической эффективности ПГУ-STIG с газификацией угля малой мощности с альтернативными вариантами энергоустановок мини-ТЭС 119
Список литературы
- Эмпирико-балансные методики расчета процесса газификации
- Описание кинетики сушки, пиролиза и газификации твердого топлива
- Структура вычислительного алгоритма
- Экспериментальные измерения и численное моделирование обращенного процесса паровоздушной газификации азейского угля
Введение к работе
Актуальность темы исследования связана с перспективами применения технологий газификации для энергетики. Внедрение газогенераторов может стать решением некоторых задач малой и распределенной энергетики за счет возможности получать электроэнергию на местном твердом топливе (бурые угли, биомасса и т.д). Проектирование и разработка газогенераторов эмпирическим путем требует больших временных и материальных затрат. Для того, чтобы сократить эти затраты, необходимо комбинировать методы физического и математического моделирования. Важной задачей является построение инженерной методики расчета газогенератора, которая позволила бы существенно упростить переход от установок лабораторных масштабов к промышленным. Такая методика позволит более реалистично подходить к оценке эффективности технологий газификации на стадии предпроектных разработок и анализировать конкурентоспособность при рассмотрении альтернативных технологий. Основой для такой методики должны стать, безусловно, физико-химические модели процессов газификации твердых топлив - термодинамические и диффузионно-кинетические. Существующие модели обладают рядом недостатков: это большое количество нужной для расчета информации и высокая вариабельность кинетических параметров для диффузионно-кинетических моделей; низкая информативность и переоценка степени завершенности химических реакций для традиционных термодинамических моделей.
Диссертация посвящена разработке и применению термодинамической модели «гибридного» типа, которая включает макрокинетические ограничения на скорость гетерофазных реакций твердого топлива в плотном слое. При этом удается существенно упростить задачу, сохранив при этом возможности диффузионно-кинетических моделей за счет разбиения слоя на последовательность элементарных объемов, в каждом их которых решается задача поиска промежуточного равновесия.
Степень разработанности научной проблемы. Простейшие варианты задачи расчета газогенератора путем физико-химического моделирования для слоя чистого углерода были решены (и доведены до простых инженерных формул) З.Ф. Чухановым, Б.В. Канторовичем, Х.И. Колодцевым и В.В. Померанцевым в 40-60-х годах 20-го века. Однако упрощенность теоретических предпосылок и сложность учета в рамках диффузионно-кинетических моделей выхода летучих и их дальнейших превращений потребовали использования методов вычислительной математики (Hobbs, De Souza-Santoz, Di Blasi). Более сложные модели, однако, не всегда дают адекватные результаты и часто требуют для обеспечения согласия с экспериментом эмпирической «настройки». Большое число «настроечных» параметров превращает их в ad hoc-
инструменты, которые хорошо объясняют наблюдаемые явления лишь в узких диапазонах условий.
Автор в диссертационном исследовании основывается на подходе, развиваемом в лаборатории термодинамики ИСЭМ СО РАН (модели экстремальных промежуточных состояний, МЭПС). Это равновесные модели, которые могут учитывать ограничения на скорость процессов переноса и химическую кинетику. Их использование позволяет сократить число кинетических параметров, которые являются наиболее неопределенными величинами для процессов, детальный механизм которых малоизучен (гетерогенные реакции твердых топлив являются как раз такими процессами). Кроме того, применение МЭПС позволяет свести физико-химическую задачу к задаче на экстремум термодинамического функционала с дополнительными макрокинетическими ограничениями. Такие модели неоднократно использовались для термодинамического анализа процессов горения (Б.М. Каганович, СП. Филиппов). Естественно предположить, что МЭПС будут эффективны и при решении задач неполного сжигания.
Цели и задачи диссертационного исследования:
Целью работы является разработка и применение вычислительного инструмента для предпроектного исследования процессов и режимов слоевой газификации твердых топлив в плотном слое. В соответствии с целью работы были поставлены задачи:
-
построение математической модели процесса слоевой газификации твердых топлив;
-
верификация модели с использованием имеющихся экспериментальных данных;
-
применение этой модели для расчета режимов работы слоевого газогенератора в составе мини-ТЭС.
Объект и предмет исследования. Объектом моделирования является обращенный процесс газификации твердого топлива в плотном слое. Предметом моделирования является совокупность физико-химических процессов, протекающих в слое топлива, включая процессы переноса.
Научная новизна результатов исследования.
1. Предложен новый подход к моделированию физико-химических превращений в распределенных системах, в соответствии с которым реакционный объем разбивается на значительное число малых («элементарных») объемов, связанных между собой материальными и тепловыми потоками. Расчет физико-химического процесса проводится в два этапа. На первом этапе решается система уравнений, выражающая материальный и тепловой балансы всей совокупности «элементарных» объемов. На втором этапе рассчитывают состояния термодинамического равновесия в каждом из объемов. Между двумя этапами осуществляется итерационная увязка. Подход развит на основе работ по термодинамическому моделированию
необратимых процессов с помощью МЭПС и применен для создания модели слоевой газификации угля.
2. Разработан эффективный численный алгоритм, реализующий данный подход для расчета
стационарных режимов работы газогенератора. Предложен способ корректировки расхода топлива
в процессе расчета для достижения заданной степени конверсии топлива на выходе.
Интенсивность процесса по топливу, таким образом, становится величиной определяемой, а не
задаваемой из опыта. Такой алгоритм позволяет находить оптимальные режимы работы
газогенератора без проведения обширных вариантных расчетов.
3. С помощью созданной модели получены расчетные оценки технико-экономических
показателей парогазовой мини-ТЭС с газовой турбиной, работающей на продуктах газификации
угля.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новая модификация термодинамических моделей, разработанная на основе
предложенного подхода применительно к процессу газификации твердого топлива в плотном
слое.
-
Результаты численного моделирования газификации твердых топлив в плотном слое.
-
Технологическая схема ПГУ-STIG малой мощности с газификацией угля и результаты оптимизационных расчетов этой установки.
Научное и практическое значение работы состоит в том, что построенная модель может быть использована в качестве основы для создания инженерных методов расчета газогенераторного оборудования. С ее помощью можно получить оценки важных при проектировании газогенераторов параметров, таких как размеры реакционных зон, расходы дутья и топлива, качество генераторного газа, тепловые потоки в реакторе и т.д. Использование этих оценок вместо экспериментально получаемых значений позволит сократить затраты при создании подобных энергоустановок. Результаты расчетов газогенераторной установки в составе оборудования малой ТЭЦ позволит дать технико-экономическое обоснование аналогичным проектам.
Личный вклад автора: Постановка задачи и выбор основных направлений ее решения проводился автором совместно с д.т.н. А.В. Кейко и к.х.н. В.А. Шаманским. Автором разработан подход для описания гетерогенных превращений твердого топлива, а также реализован численный алгоритм для расчетов с помощью полученной модели. Расчеты на модели проводились также лично автором. Структура модели разработана автором совместно с коллективом лаборатории. Экспериментальные исследования проводились совместно с Д.А. Свищевым и А.Н. Козловым.
Разработка технологической схемы ПГУ-STIG и оптимизационные исследования этой установки проводились совместно с к.т.н А.Ю. Маринченко.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2010-2014 гг); на 39-ой конференции Североамериканского термоаналитического общества (De Moines, Iowa, 2011); на 15-ом международном конгрессе «ICTAC» (International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry, Higashi-Osaka, Japan, 2012); на 11-ой международной конференции «Sustainable Energy Technologies» (Vancouver, Canada, 2012); на 8-ой Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012); на 8-ом Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013).
Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, перечень которых приведен в конце автореферата. В том числе 2 работы опубликованы в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК.
Структура работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах текста, включающего 33 рисунка и 7 таблиц, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 292 наименований.
Эмпирико-балансные методики расчета процесса газификации
Обращенная подача дутья осуществляется с потоком топлива. В этом случае зона горения расположена ниже зоны подготовки, поэтому образующиеся смолы частично разлагаются под действием высокой температуры. Ниже зоны горения располагается зона восстановления, где продукты горения топлива и летучих восстанавливаются до горючих газов. Таким образом можно получать генераторный газ с небольшим содержанием смол. Однако в таком случае имеет место менее эффективная, чем в прямом процессе, подготовка топлива. Поэтому обращенный способ подачи дутья ограничен по влажности и по зольности топлива.
Комбинированный способ предполагает одновременную подачу дутья сверху и снизу в слой топлива. При этом в нижней части слоя реализуется прямой процесс, а в верхней - обращенный. Генераторный газ отводится на границе зон восстановления. Очевидно, что управлять таким процессом не просто. Перекрестная газификация проводится при подаче дутья сквозь слой сбоку. Зоны располагаются в этом случае аналогично прямому процессу, однако зонирование происходит по сечению слоя. Из-за сложности управления и отсутствия явных преимуществ перед прямым и обращенным процессами, комбинированный и перекрестный способы подачи дутья используются редко.
Для улучшения состава газа (повышение химического КПД, уменьшение содержания смол и твердых частиц) могут использоваться другие способы организации слоевых процессов, например, ступенчатая, или многозонная газификация [8]. Ступенчатая газификация подразумевает разделение разных стадий процесса газификации в различные аппараты или зоны одного аппарата. Это разделение достигается разнесением частей аппарата для проведения разных процессов или направленной подачей дутья в разные зоны слоя. Таким образом, процесс становится более управляемым, а состав газа - более однородным и устойчивым, чем в одностадийном процессе.
Для топлив с высокой влажностью и значительным содержанием балласта применение обращенного процесса, как уже говорилось, затруднено. Однако проведение процесса в противоточном режиме за счет рекуперации теплоты дает возможность достигать значительных температур реакции при невысокой калорийности исходного топлива. Такой эффект достигается при реализации самоподдерживающейся волны горения, когда твердый остаток после сжигания отдает тепло набегающему потоку газа. Поскольку эффективность теплоотдачи в режиме фильтрации высока, газ поступает в зону реакции уже нагретым до высоких температур. Этот предварительный нагрев реагентов позволяет дополнительно увеличить температуру в узкой зоне фронта реакции. В результате наблюдается явление, называемое сверхадиабатическим горением [9], когда температура в зоне горения превышает адиабатическую. Недостатком такой схемы, как и у других прямых процессов, является высокое содержание смол в выходящем газе при газификации низкосортных топлив [10], хотя и меньшее, чем у традиционных. Такой способ газификации особенно актуален для топлив с низким содержанием горючей части, и эффективен при переработке веществ, традиционная утилизация которых затруднена (например, твердые бытовые отходы).
Известен также способ, называемый «Термококс» [И], при котором газификация производится в реакторе периодического действия. Слой угля зажигается сверху, дутье же подается снизу. В этих условиях может возникать фронт горения, движущийся по слою топлива сверху вниз. При этом пиролитический газ, как и в обращенном процессе, проходит через слой горящих частиц топлива, что способствует частичному разложению смолистых веществ.
Газификация процессов в кипящем слое происходит при непрерывном перемешивании частиц твердой фазы, движущихся вместе с потоком дутья. При этом удается значительно интенсифицировать процессы тепло- и массопереноса. Основной проблемой процессов кипящего слоя является унос мелких частиц топлива и золы с потоком газа. Поэтому генераторный газ нуждается в первую очередь в очистке от твердых частиц. Как правило, унос содержит некоторое количество горючей части, поэтому его обычно возвращают в слой - такую схему выделяют под названием циркулирующего кипящего слоя. Недостатками этих процессов являются энергетические затраты на создание достаточных для осуществления «кипения» расходов дутья, а также абразивный износ поверхностей. Серьезную проблему представляет также обеспечение устойчивости кипящего слоя при изменении технических характеристик топлива.
Газификация в спутном потоке позволяет достигать еще больших интенсивностей процессов переноса, поэтому позволяет увеличить скорость срабатывания топлива. За счет создания высоких температур получаемый генераторный газ практически не содержит смол, поэтому может использоваться по назначению без значительных очистных мероприятий. Недостатками поточной технологии являются большие габариты газогенераторов и использование обогащенного кислородом дутья. Такое обогащение затратно и не всегда приемлемо (а как указывается в работе [12], не всегда обосновано).
Выбор технологии газификации определяется, во-первых, используемым топливом, во-вторых, назначением генераторного газа (или других продуктов газификации). Например, для прямого сжигания генераторного газа в топке котла содержание смол не является критическим параметром, и при правильной организации возможно сжигание смол без образования ПАУ. Однако если генераторный газ используется в газовой турбине, твердые частицы и смола могут привести к сильному износу и шлакованию оборудования. Для проведения химических синтезов газ должен быть очищен от соединений серы, которые могут негативно сказаться на состоянии катализаторов.
Описание кинетики сушки, пиролиза и газификации твердого топлива
Уравнение (3) и неравенство (4) выражают ограничения материального баланса. Уравнения (5) и (6) выражают приближения идеальной газовой и конденсированной фазы соответственно.
Классические термодинамические модели не учитывают структуру материальных и тепловых потоков, поэтому выводы, которые можно сделать на основе термодинамических расчетов, в равной мере можно распространить на любую технологию термохимической конверсии при любой организации процесса.
В низкотемпературных процессах термохимической конверсии твердых топлив, как правило, полное равновесие не достигается. В этом случае можно говорить только об общих тенденциях протекания процессов и их предельных характеристиках. Тем не менее, такие оценки также могут оказаться полезными.
Расчеты на термодинамических моделях для поиска оптимальных условий газификации твердых топлив (угля, биомассы, ТБО) проводились в многочисленных работах (например, [188-197]). Расчеты, как правило, направлены на поиск оптимума калорийности газа или химического КПД, однако в некоторых случаях критерием оптимальности может быть выход одного из горючих компонентов [198-200]. Оптимум ищут обычно в пространстве переменных температура - состав дутья, если модель равновесия изотермическая, либо состав дутья - теплопотери, если модель энтропийная. Координаты оптимума меняются в зависимости от элементного состава органической части топлива, а также его влажности и зольности. В работах [201, 202] термодинамические расчеты использовались для оптимизации условий газификации биомассы в присутствии оксида кальция для поглощения С02, где варьировали также общее давление газа.
В работе [190] варьировали состав и температуру дутья таким образом, чтобы суммарный тепловой эффект процесса газификации (при адиабатических условиях) был близким к нулю. Таким образом можно организовать эффективный процесс с минимальными потерями химической энергии топлива на нагрев продуктов. Авторы указывают на идеальность такого случая - в условиях реального процесса часть энергии топлива всегда теряется.
В работе [203] были проведены вариантные расчеты газификации биомассы. Было показано, что в координатах относительного состава дутья существует узкая зона, в пределах которой адиабатическая температура процесса меняется скачком. Небольшие изменения реакционных параметров при этом могут существенно изменить течение процесса. Как показал анализ, существующие реализованные процессы газификации биомассы лежат близи этой зоны. Было также обнаружено существование более выгодных режимов, чем существующие. Как показали дальнейшие исследования, достижение этих выгодных режимов встречает сложности, связанные с макрокинетическими особенностями системы.
Анализ процесса газификации с помощью термодинамического моделирования в серии работ [204-206] указал на существование максимума эффективности процесса по преобразованию химической энергии топлива в химическую энергию газа при варьировании химического состава. Этот экстремум связан с существованием «границы образования углерода» («carbon boundary point»), т.е. границы между областями составов, где в равновесии присутствует конденсированный углерод и где таковой отсутствует (или же присутствует в пренебрежимо малом количестве). Закономерность обусловлена тем фактом, что в отсутствие конденсированного углерода газообразный окислитель расходуется в реакциях с горючими компонентами генераторного газа, уменьшая таким образом его химическую энергию и, как следствие, химический КПД. Такая зависимость эффективности от состава характерна для всех углеродсодержащих топлив и видов дутья.
В работах [207-209] равновесная термодинамическая модель применялась для расчета технологических схем энерготехнологического использования углей с получением тепла, электроэнергии, кокса и метанола.
Термодинамические модели, будучи основанными на надежных физических представлениях, позволяют исследовать физико-химические системы без информации о кинетике и механизмах элементарных процессов. Это обстоятельство дает возможность получать оценки для предельных характеристик в случаях, когда процессы изучены в недостаточной мере для построения кинетических моделей, или же когда расчеты на кинетических моделях трудноосуществимы. Например, в работах [210, 211] в диффузионно-кинетической модели газификации угля и биомассы в кипящем слое для расчета состава летучих использовался термодинамический блок. Такой подход позволил существенно упростить задачу, не прибегая к построению гипотез о механизме разложения топлива. Отметим, что возможность такого применения термодинамических моделей была предложена еще в работе [40]. Там же обосновывается справедливость предположения о равновесии реакции водяного газа (СО + Н20 = С02 + Н2) в слое угля. Таким образом, предполагалось исключить эту реакцию из системы кинетических уравнений.
Как уже указывалось, равновесные модели могут быть применены к описанию высокотемпературных процессов и процессов в активных средах, где кинетические ограничения практически не значимы. Это, во-первых, процессы в плазме. Эксперименты по плазменной газификации твердых топлив показывают, что экспериментальный состав газа близок к рассчитанному на равновесной модели [212-214]. Во-вторых, это сверхадиабатическое горение твердых топлив. В работе [215] была использована модель, в которой состав газа за фронтом горения углерода был принят равновесным. При этом в зависимости от содержания топлива в шихте удалось получить адекватную экспериментальным данным зависимость температуры горения и состава газа. В-третьих, равновесные модели дают хорошее соответствие экспериментальным данным при газификации топлив в около- и сверхкритических растворителях (вода, органические вещества и т.д.) [216-218].
Термодинамические модели широко применяются для анализа поведения минеральной части. Подробный теоретический анализ в данном случае затруднен, поэтому равновесные оценки оказываются полезными для анализа разложения и плавления золы и шлакования энергетического оборудования [219-221]. Важными задачами, при решении которых применяется термодинамическое моделирование, также являются выбросы токсичных элементов в окружающую среду [222, 223] и возможность извлечения ценных веществ из шлаков (в т.ч. катализаторов) [224, 225]. В работах [226, 227] показано, что термодинамические расчеты могут давать удовлетворительное согласие с экспериментом при анализе поведения элементов минеральной части.
Существование макрокинетических ограничений на достижение полного равновесия приводит к тому, что равновесные модели дают лишь качественное представление о поведении процесса газификации, и для придания им имитационных свойств требуется их модификация. Такая модификация сохраняет преимущества термодинамического подхода в простоте структуры модели и вычислительных алгоритмов [228, 229].
Ли с соавт. предложили равновесную модель газификатора для низкокачественных углей [230]. Они проводили равновесный расчет состава газа при выходе летучих и газификации с использованием минимизации энергии Гиббса. Авторами был предложен эмпирический коэффициент полноты достижения равновесия /?, учитывающий кинетические ограничения на срабатывание топлива. Согласно предположению авторов, все элементы кроме углерода успевают достичь равновесного распределения между фазами. Таким образом, для более адекватного описания процесса необходимо вместо исходного количества углерода в топливе xC ввести в расчеты величину fixC. Значение коэффициента ft было найдено в виде эмпирической зависимости от внешних параметров процесса - температуры и коэффициента избытка окислителя. Такой подход позволил уточнить решение, получаемое с помощью классической термодинамической модели (без ограничений), однако требует эмпирических зависимостей, которые могут различаться для разных реакторов и топлив. В работе [231] аналогичный подход был применен при моделировании газификации биомассы, однако здесь потребовалось введение дополнительного эмпирического коэффициента для водорода.
Структура вычислительного алгоритма
Принципиальным вопросом является вид функции F. Из очевидных соображений следует, что если степень конверсии топлива на выходе на г -ой итерации больше, чем оптимальная, то расход топлива надо увеличить, и наоборот, уменьшить расход, если степень конверсии меньше оптимальной. О величине изменения расхода топлива априорной информации нет. Если при малом изменении степени конверсии изменение F велико, то в процессе решения можно достичь колебательного процесса, когда происходит переход между двумя расходами топлива, которые располагаются на примерно равном расстоянии от оптимального в сторону больших и меньших значений. Если сделать изменение F гарантированно малым, то количество итераций, необходимых для достижения оптимального расхода, будет неоправданно велико. Поэтому значение F должно подстраиваться под ситуацию в зависимости от предыстории итерационного процесса. Поскольку изменение расхода происходит при нестационарном распределении температур, значение F должно также зависеть от критерия стационарности.
Предложена следующая процедура. Первые несколько итераций расход топлива не меняется. На первых итерациях происходит быстрое изменение температурного поля, поэтому необходимо пропустить их, чтобы далее работать с относительно устойчивыми профилями. Затем расход топлива начинает меняться. Расход топлива на (й-І)-ой итерации рассчитывается с учетом информации о предыдущих итерациях. В зависимости от знака разности ( - ) расход топлива будет уменьшаться или увеличиваться. Алгоритм для расчета расхода топлива представлен на рис. 21.
Следует выделить некоторые особенности алгоритма. Во-первых, используются разные варианты расчета для случаев, когда текущая степень конверсии топлива на выходе больше и меньше оптимальной. Это обусловлено тем, что при низком расходе топлива степень его конверсии на выходе достигает 1, однако не может превысить это значение. Поэтому использовать простую пропорцию, как это сделано для случая 1 - 1 0 (с использованием некоторых качественных соображений о зависимости Q = Д#), в данном случае неэффективно, особенно при значениях , близких к 1 - изменение расхода будет слишком медленным. Неожиданной особенностью оказался тот факт, что в этом случае при расчете расхода топлива важен только знак разности а не ее абсолютное значение. Величина поправки к расходу в большей степени определяется критерием стационарности температурного профиля max\TiA\.
Условие \Qi+1 - Qt\ \Qi - QiA\ является аналогом условия (32). Оно предупреждает ситуации, в которых резкое изменение расхода топлива приводит к резкому изменению режима протекания процесса. Например, увеличение расхода может привести к затуханию реакции из-за увеличения потерь теплоты с твердым остатком. ч нет Выполняется условие \_ да\QM- Qi \Qi - би I Qi+i = aQi+i + (\-a)Qi T Скорректированный расход топлива Qui
Процедура для расчета расхода топлива с использованием информации о предыдущих итерациях. 4 Верификация модели с использованием экспериментальных данных 4.1 Экспериментальные измерения и численное моделирование распределения температур в инертном слое, продуваемом горячим газом
С помощью разработанной модели можно рассчитать интересующие конструктора характеристики стационарных режимов, такие как максимальная температура процесса, состав газа, тепловые потоки, расходы топлива и газа, геометрические размеры реакционных зон и т.д. Пример такого расчета представлен на рис. 22.
Расчетные кривые, характеризующие стационарное состояние процесса газификации: а - температурные профили, б - состав газа (% об.), в - степень конверсии топлива, г - источники теплоты (в % от теплотворной способности топлива). По оси абсцисс - расстояние от фурм. На рис. 22 показаны профили температур, концентраций и тепловых потоков по высоте слоя для воздушной газификации азейского угля. Картина газификации, даваемая моделью, вполне логична. Подаваемое на входе топливо прогревается и сушится благодаря отводу теплоты из зоны реакции по стенке, затем выделяет летучие и газифицируется, достигая высоких степеней конверсии (ок. 80-90%). При этом высокие температуры и наличие продуктов сгорания летучих способствует протеканию реакций газификации с С02 и Н20, в которых газификация доходит до конца (до 97% конверсии топлива). Образование метана на хвосте реактора -следствие предположения о равновесности состава газовой фазы, т.е. переоценки степени завершенности реакций. Использование подходящих макрокинетических ограничений может устранить такой дефект в решении. Переоценка степени завершенности также приводит к полному отсутствию неравновесных форм в зоне пиролиза топлива. Таким образом, основные недостатки модели связаны, судя по всему, с кинетикой газофазных реакций.
Картина процесса на рис. 22 соответствует адиабатическому реактору. Для того, чтобы верифицировать модель, необходимо выяснить условия теплообмена реального аппарата с окружающей средой. Для этого были проведены специальные эксперименты.
Для верификации модели теплообмена под руководством Д.А. Свищева были проведены эксперименты на лабораторном стенде. В ходе эксперимента стационарный слой инертных частиц продували горячим газом. С помощью установленных на разной высоте слоя термопар измеряли температуру газа. Всего провели две серии экспериментов - с теплоизоляцией стенки реактора и без таковой.
Лабораторный стенд представляет собой выполненную из стали экспериментальную установку для воспроизведения обращенного процесса слоевой газификации твердых топлив в широких диапазонах значений управляющих параметров [252, 288]. Высота слоя топлива в реакторе составляет 49 см, диаметр 8 см, толщина стенки реактора 4 мм. На расстоянии 20 см от фурменного пояса и ниже располагается газоотборный пояс, в котором теплоизоляция отсутствовала во всех опытах (рис. 23). В качестве инертного материала использовался керамзит, фракция 4-6 мм. Насыпная плотность керамзита составила 460 кг/м3. Масса навески керамзита после прокаливания при температуре 800С в течение 4 часов не изменялась. В качестве теплоизоляции использовали изовер, толщина теплоизоляции составила 10 см.
Слой керамзита продували продуктами сгорания пропан-бутановой смеси. Сжигание смеси проводили в камере сгорания (рис. 24). Из камеры сгорания газ поступал в фурменный пояс. В зависимости от расхода смеси в камере сгорания устанавливался определенный уровень теплопотерь, при меньших расхода теплопотери были большими, чем для больших. Поэтому температура продуктов сгорания на входе в слой зависела от расхода.
Установление стационарного распределения температур в слое определялось по ходу температурный кривых во времени. На рис. 25 показан ход кривых для опытов без теплоизоляции. Наблюдаются три стационара, соответствующие разным расходам газа.
Значения параметров, которые наблюдались в экспериментах, представлены в табл. 2. Эти значения были использованы как исходные данные в модели теплообмена. В результате расчетов были получены теоретические стационарные распределения температур по высоте слоя для всех экспериментальных условий. Сравнение теоретических и измеренных профилей представлено на рис. 26.
Экспериментальные измерения и численное моделирование обращенного процесса паровоздушной газификации азейского угля
В настоящей главе приводятся результаты оптимизационных исследований энергоблока парогазовой мини-ТЭС с газогенератором плотного слоя. Вопросам исследования технико-экономической эффективности установок с внутрицикловой газификацией угля посвящено множество работ. Большая их часть связана с крупными установками (от 100 МВт до 1 ГВт), работающими по парогазовому циклу. Эти работы были связаны с проектированием и строительством подобных установок на мощных тепловых электростанциях по всему миру.
Целью настоящей работы является исследование технико-экономических показателей работы установки небольшой мощности с внутрицикловой газификацией угля в плотном слое. Актуальность такого исследования обусловлена перспективой использования технологий газификации для нужд малой энергетики. Технологии газификации имеют лучшие экологические показатели (по сравнению со сжиганием) и позволяют более эффективно использовать топливо (в т.ч. непригодное для сжигания), однако требуют более сложных технологических схем для получения электроэнергии.
Оценка технико-экономических показателей (КПД установки, капитальные затраты, стоимость энергии) позволяет сравнить ряд конкурирующих проектов. Естественно, что такая оценка должна проводиться по единой методике для всего ряда. Однако если технологии сжигания известны достаточно давно и распространены достаточно широко, то опыт использования технологий газификации в теплоэнергетике России намного более скуден.
Для исследования технологических схем теплоэнергетических установок, для которых нет большого опыта практических испытаний, наиболее подходящим методом является математическое моделирование. Моделирование позволяет оптимизировать параметры установки для получения наибольшего эффекта (в зависимости от критерия оптимизации - технического или экономического). Процессы, протекающие в теплоэнергетических установках (за исключением газификации), исследованы в достаточной степени, чтобы с инженерной точностью предсказать результаты их протекания. Сложности могут возникнуть, однако, при описании процессов газификации.
При больших значениях избытка окислителя сжигание происходит, как правило, до конца, и состав продуктов с большой точностью можно рассчитать из стехиометрических соотношений. Как уже упоминалось в настоящей работе (разд. 1.4), при моделировании установок с газификацией топлив состав продуктов принимают обычно равновесным. Такой подход вполне пригоден для высокотемпературных процессов (таких как парокислородная газификация под давлением в мощных газогенераторах), однако для небольших установок дает значительные погрешности. Многие факторы, такие как, например, изменение нагрузки, колебания свойств топлива и т.д. могут существенно повлиять на протекание процесса газификации. В этом случае поддержание устойчивого процесса может потребовать изменения условий его проведения (подогрева дутья, рецикла продуктов сгорания и т.д.). Чтобы учесть эти особенности, необходимо использовать более сложные модели процессов в реакторе, чем модели конечного равновесия.
В работе [291] исследовалась установка с газификацией угля в плотном слое (прямой процесс) мощностью около 6 МВт(т). Реактор газификации авторы рассчитывали в предположении достижения конечного равновесия. В расчетной схеме присутствовала емкость для хранения сжатого генераторного газа. С помощью коммерческого комплекса программ ASPEN PLUS была построена модель установки. Расчеты проводились при варьировании стоимости топлива, коэффициента использования установленной мощности и особенностей графика нагрузки. Сравнивали два варианта получения электроэнергии - при сжигании в камере сгорания газовой турбины и газопоршневого двигателя. При стоимости топлива 90-100 /т стоимость энергии оказалась равной 175-225 /МВтч для турбины и 120-155 /МВтч для двигателя.
Эмпирико-балансные модели учитывают особенности протекания процесса газификации путем введения эмпирических коэффициентов и правил составления материального баланса. Использование более сложных моделей возможно, однако это приводит к большому времени счета, поскольку их применение требуется на каждой итерации при оптимизации технологической схемы в целом. Из работ в этом направлении можно выделить статью [292], в которой для расчета и оптимизации режимов работы поточного газогенератора в составе оборудования ТЭС применялась упрощенная CFD-модель. В данной работе применяется разработанная выше модель газификации в плотном слое.
Инструментом для моделирования ПГУ в настоящем исследовании выступает система машинного построения программ (СМПП), разработанная в ИСЭМ СО РАН. Для создания математической модели установки в целом необходим набор моделей ее отдельных элементов (реакторов, теплообменников, компрессоров и т.д.), которые позволяют описать происходящие в них процессы (горение, тепломассообмен, расширение и сжатие газа). В настоящей работе использовались ранее разработанные в ИСЭМ СО РАН модели основных элементов технологической схемы ПГУ: газовой турбины, воздушного компрессора и компрессора генераторного газа, теплообменников на продуктах газификации и продуктов их сгорания [209].
Упрощенная модель газогенератора для оптимизационных расчетов ПГУ Для того, чтобы провести оптимизацию энергетической установки, в составе которой работает газогенератор, необходимо включить математическую модель газогенератора в систему моделей элементов установки. Для этого необходима в первую очередь взаимная увязка работы моделей по входящим и выходящим переменным, которыми обмениваются модели в процессе расчета.
Поскольку при численном решении задач оптимизации энергетических установок требуется вызов модели газогенератора на каждой итерации расчета, необходимо максимально сократить время расчета процесса газификации. Исходный код для моделирования процесса газификации, реализованный в среде MATLAB, не оптимизировался с точки зрения вычислительного времени и поэтому неприемлем для подобных расчетов. Кроме того, возникают некоторые технические проблемы при стыковке программных средств различного происхождения. Поэтому для оптимизационных расчетов была принята упрощенная модель процесса газификации.
Похожие диссертации на Моделирование и оптимизация режимов работы газогенератора плотного слоя для парогазовой мини-ТЭС
