Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и постановка задачи 9
1.1 Анализ методов исследования термического распада биомассы 9
1.2 Анализ калорийности и состава газа 20
1.3 Анализ установок пиролиза биомассы 26
1.4 Анализ установок газификации биомассы 33
1.5 Анализ методов оценки воздействия вредных выбросов на окружающую среду, применяемых в передовых странах 40
1.6 Постановка задачи 47
2. Экспериментальные исследования термогравиметрических характеристик биомассы и продуктов ее термической конверсии 48
2.1 Описание экспериментальной установки 48
2.2 Результаты термогравиметрических экспериментов 49
2.3 Обработка результатов термогравиметрического анализа 53
2.4 Проведение экспериментов по оценке состава продуктов пиролиза 64
2.5 Выводы по главе 66
3. Теоретические исследования продуктов пиролиза и газификации биомассы 67
3.1 Разработка математической модели и методики расчета параметров термической конверсии углеродсодержащего топлива 67
3.2 Оценка равновесного состава газа, его объема и теплоты сгорания при пиролизе 78
3.3 Оценка равновесного состава газа, его объема и теплоты сгорания при газификации 83
3.4 Сравнение теоретических расчетов термической конверсии с литературными данными 88
3.5 Сопоставление теоретических расчетов процесса газификации с результатами экспериментальных исследований 94
3.6 Выводы по главе 97
4. Разработка системы использования биомассы для производства тепловой и электрической энергии 98
4.1 Выбор приоритетной схемы выработки тепловой и электрической энергии в ПГУ с пиролизером биомассы 98
4.2 Выбор приоритетной схемы выработки тепловой и электрической энергии в ПГУ с газификатором биомассы 105
4.3 Моделирование ПГУ с газификатором биомассы в компьютерной программе Aspen Plus. 108
4.4 Расчет тепловых нагрузок и выбор паровой турбины для ПГУ 111
4.5 Сравнение циклов на основе пиролиза и газификации биомассы 115
4.6 Сравнение расчетов схем ПГУ с литературными данными 116
4.7 Выводы по главе 118
5. Оценка системы выработки тепловой и электрической энергии на основе биомассы по экологическим и экономическим показателям 119
5.1 Сравнение ПГУ на основе газификации биомассы и ТЭЦ на угле 119
5.2 Расчет капиталовложений и сроков окупаемости ПГУ на основе газификации биомассы 126
5.3 Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала полученных результатов 129
5.4 Выводы по главе 139
Заключение 140
Список литературы 141
- Анализ установок пиролиза биомассы
- Обработка результатов термогравиметрического анализа
- Сравнение теоретических расчетов термической конверсии с литературными данными
- Расчет тепловых нагрузок и выбор паровой турбины для ПГУ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Общий запас древесины в России превышает 80 млрд. куб. м., благодаря чему наша страна занимает лидирующее место в мире по площади лесного фонда и его количеству на одного жителя. Потенциал использования биомассы в России составляет: валовый (467 млн. тут/год), технический (129 млн. тут/год), экономический (69 млн. тут/год), включая отходы агропромышленного комплекса - до 80 млн. тут/год; отходы лесопромышленного комплекса - более 30 млн. куб. м. В то же время в районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири ежегодно завозится порядка 6-8 млн. тонн жидкого и 20-25 млн. тонн твердого топлива. В настоящее время доля возобновляемых ресурсов в производстве энергии в России, включая малые гидроэлектростанции, не превышает 2 %, при планируемом целевом показателе – 4,5 % к 2020 году. Использование биомассы в энергетических целях актуально также с точки зрения экологического аспекта, т.к. приведет к снижению выбросов парниковых газов в совокупности с утилизацией бытовых, промышленных, древесных и сельскохозяйственных отходов.
Переход на предлагаемый вид топлива для решения проблем энергоснабжения промышленности и ЖКХ должен сопровождаться применением передовых энергоэффективных технологий на базе пиролиза или газификации исходного сырья и последующей комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в цикле ПГУ.
Цель работы заключается в разработке тепловых схем использования биомассы в энергетических целях с применением современных технологий комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на основе непрерывного пиролиза или газификации исходного топлива.
Задачами работы являются:
анализ мирового опыта применения биомассы в качестве энергетического сырья;
рассмотрение процессов пиролиза и газификации растительных продуктов как одного из перспективного направления использования возобновляемых источников энергии в России, проведение термогравиметрического анализа разных видов биомассы;
математическое моделирование и описание процесса термической конверсии с получением кинетических параметров, отвечающих за данный процесс;
разработка методики оценки состава и энергетического потенциала продуктов пиролиза и газификации твердого углеродсодержащего топлива, а также создание вычислительного комплекса на ее основе;
оценка благоприятных режимных параметров работы установки непрерывного пиролиза или газификации биомассы;
разработка принципиальных схем когенерационных установок на основе ПГУ с внутрицикловым пиролизером или газификатором биомассы;
определение параметров системы комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в парогазовой установке с пиролизером или газификатором биомассы по энергетическим, экологическим и экономическим показателям.
Научная новизна
-
На основе термогравиметрического анализа выполнен расчет четырехкомпонентного состава биомассы с получением универсальных кинетических параметров, отвечающих за пиролиз древесных пород, широко распространенных на территории России.
-
Разработана методика и компьютерная программа (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013660842 от 20.11.2013) для расчета состава продуктов пиролиза и газификации твердого топлива, на основе которой получены оптимальные режимные характеристики реакторов термической конверсии биомассы.
-
Разработаны тепловые схемы ПГУ с пиролизером (заявка на полезную модель № 2013157316 от 25.12.2013) и газификатором биомассы с определением параметров производства тепловой и электрической энергии по энергетическим, экологическим и экономическим показателям.
Практическая значимость
-
Анализ термогравиметрических кривых термической конверсии биомассы позволяет, не проводя заново лабораторных испытаний, оценивать выход летучих, величину угольного остатка исследуемого образца.
-
Рассчитаны оптимальные режимные характеристики энергетической установки на основе биомассы, соответствующие температуре 850 – 900 С и давлению 1 атм для пиролизера, а также следующим параметрам для газификатора: 900 – 950 С, 20 атм при расходе воздуха 1,6 – 1,8 кг воздуха/кг сухой биомассы и расходе пара 0,4 – 0,6 кг пара/кг сухой биомассы.
-
Выбор и расчет оборудования для цикла ПГУ на основе пиролиза и газификации органического сырья позволяет сопоставить оба направления термической конверсии биомассы по энергетическим и экономическим показателям, с определением оптимальных диапазонов установленной мощности для каждого вида реактора. Применение пиролизера экономически обоснованно при мощностях от 1 до 10 МВт из-за более низких удельных вложений в оборудование, тогда как для газификатора приемлемы электрические нагрузки от 10 до 50 МВт.
-
Разработанная методика применима для расчета состава и свойств продуктов термической конверсии углеродсодержащего топлива при заданном элементарном составе исходного сырья, а также режимных параметрах реактора, что позволяет рассчитывать свойства получаемого газа, достигаемые при термодинамическом равновесии.
Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены применением положительно зарекомендовавших себя методик расчетов химических процессов, балансов теплоэнергетических установок и достоверных справочных данных, а также сравнением результатов с данными других авторов.
Личное участие
Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., профессора Султангузина И.А.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 – «Промышленная теплоэнергетика»
Пункты 1, 2 научной новизны соответствуют пункту 3 паспорта специальности – «Теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло – и массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло. Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов.», пункт 3 научной новизны соответствует пункту 2 паспорта – «Оптимизация схем энергетических установок и систем для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства» и пункту 5 паспорта – «Оптимизация параметров тепловых технологических процессов и разработка оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах».
Апробация работы
Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались на:
- 5 Российской национальной конференции по теплообмену (НИУ МЭИ, г. Москва, 2010 г.);
- 17, 18, 19, 20 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика» (НИУ МЭИ, г.Москва, 2011 – 2014 г.);
- XXVI Международной конференции «Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом» (КБГУ, г.Нальчик, 2011 г.);
- 8, 9 Межрегиональной (международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (филиал НИУ МЭИ, г.Смоленск, 2011 – 2012 г.);
- II Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: Энерго – 2012» (НИУ МЭИ, г.Москва, 2012 г.);
- Шестой Международной школе – семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (НИУ МЭИ, г.Москва, 2012 г.).
Публикации
Основное содержание выполненных исследований опубликовано в 19 журнальных статьях, тезисах, докладах и учебном пособии, в т.ч. 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 157 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа содержит 68 рисунков и 38 таблиц, 2 приложения, список использованных источников содержит 110 наименований.
Анализ установок пиролиза биомассы
Константа скорости реакции разложения каждого компонента, входящего в состав исходного сырья, описывается Аррениусовской зависимостью, как и в ранее упомянутой одноканальной модели, с той лишь разницей, что всем компонентам соответствуют свои значения параметров: Е, k0 и n. Экспериментально определенные пики выхода летучих из различных компонентов соответствуют температурам: для гемицеллюлозы – 290 С, для целлюлозы - 340С, для лигнина - 380С. Отметим, что деструкция лигнина, в отличие от других составляющих, происходит в существенно более широком диапазоне изменения температуры. В работе [82] процедура расчета идентична описанной выше многоканальной модели, но в отличие от [63], порядки реакции для гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина не вычисляются заново для каждого отдельного взятого образца, а фиксируются со значениями 1,1,3 соответственно. Такой подход объясняется результатами других исследователей, в частности [85, 95, 110], где проводятся эксперименты с химически выделенной гемицеллюлозой, целлюлозой и лигнином.
Использование различных катализаторов (FeSO4, ZnCl2) в процессе пиролиза позволяет, как правило, сдвинуть пики выхода компонентов на более низкий температурный уровень и сделать их заметно «острее», то есть увеличить скорость потери массы, что характерно прослеживается на ДТГ кривых [110].
В работе [22] авторы не придерживаются математического моделирования Аррениусовских зависимостей, а благодаря компьютерной программе SCIENTIST 3.0 MicroMath разделяют и подбирают необходимое количество пиков деструкции в мультиплете и оптимизируют их параметры (интенсивность разложения, полуширину, положение Tmax) до тех пор, пока среднеквадратичное отклонение подобранной и реальной кривых не будет минимальным в каждой точке. В результате полученная модель конверсии представляет собой набор N элементарных пиков, каждый из которых характеризуется четырьмя параметрами: полушириной максимума, интенсивностью, шириной и долей Лоренцева контура (формой полосы).
Бьяджини с соавторами [66] рассматривают процесс пиролиза сосновой щепы, биогранул (осадки сточных вод), каменного и бурых углей, как отдельно друг от друга, так и в разных сочетаниях. Проводя эксперименты в среде азота при темпе нагрева 20С/мин от 100 С до 900 С, ученые отмечают независимость протекания реакций распада угля и биомассы в предварительно приготовленной мелкодисперсной смеси. Иными словами, подчеркивается пренебрежительно малое взаимовлияние различных органических веществ, а также практически полное отсутствие вторичных реакций при процессе быстрого пиролиза экспериментальной смеси (рис. 1.2). Авторы работы проводят сравнение двух кинетических моделей описания реакции термораспада (одноканальной и многоканальной), используя Аррениусовскую зависимость для реакции первого порядка. Рисунок 1.2 - ТГ – кривые пиролиза смеси органических веществ (темп нагрева – 20 С/мин).
При этом утверждается, что многоканальный подход гораздо точнее описывает деструкцию вещества, состоящего из нескольких явно выраженных компонентов с получением набора химических констант для каждой независимой реакции разложения. Однако, несмотря на более низкую сходимость, важным преимуществом одноканальной модели является ее простота, универсальность и высокая скорость обработки данных в компьютерной среде.
Авторы статьи [97] проводят кинетический анализ пиролиза растительного сырья, описывая независимый распад четырех основных компонентов сырья (гемицеллюлозы, целлюлозы, лигнина, экстрактивных веществ) с первым порядком реакции для каждого процесса (табл. 1.2). Таблица 1.2 Кинетические параметры термораспада гемицеллюлозы и лигнина в составе сосновой щепы, эвкалипта, сосновой коры.
Ссылаясь на труды предшественников, Орфао с коллегами, обращают внимание, на схожесть структуры целлюлозы во всех органических веществах растительного происхождения. Проведя, предварительно эксперимент по термораспаду химически выделенной целлюлозы, специалисты приходят к выводу, что кинетические параметры конверсии этого компонента идентичны, как при деструкции «чистого» компонента, так и в составе исследуемых в работе материалов (ель, эвкалипт). При этом отмечается, что энергия активации целлюлозы во многих литературных источниках лежит в диапазоне 185 – 240 кДж/моль. На основе вышеперечисленных заключений, авторы статьи фиксируют кинетические параметры пиролиза целлюлозы, тем самым, выделяя один характерный пик на ДТГ кривой распада древесины и облегчая процесс компьютерного моделирования пиролиза. Кинетические параметры деструкции гемицеллюлозы, лигнина и экстрактивных веществ отличаются для разных сортов и видов сырья, как в работе [97], так и во многих других трудах. Авторы объясняют это различие индивидуальным строением и составом полимеров, образующих вышеперечисленные компоненты, в каждом, отдельно взятом образце биомассы [102].
В работе [86] исследуется влияние темпа нагрева биомассы на температурные пики разложения образцов (рис. 1.3). Варьируя скорости роста температуры в диапазоне от 1 С/мин до 100 С/мин, ученые приходят к выводу, что с повышением темпа нагрева происходит смещение пиков в сторону более высоких температурных областей для соответствующих видов растений и углей. Это обуславливается наличием температурного градиента поверхности образца, т.е. уменьшением времени реакции.
Обработка результатов термогравиметрического анализа
В ходе работы были исследованы несколько образцов древесных пород, наиболее часто встречающиеся в средней полосе России, среди которых береза, дуб, сосна.
Измерения проводились на базе ИНУМиТ при МГУ им. М.В. Ломоносова с помощью синхронного термического анализатора NETZSCH STA 449 C Jupiter, совмещённом с ИК-спектрометром Bruker Tensor 27 с газовой кюветой (рис. 2.1). Термоанализатор измеряет тепловой поток и изменение массы, являющиеся следствием химических превращений. Кювета соединена с обогреваемым тефлоновым капилляром, нагретым до 190 С, в самой кювете поддерживается температура 200 С. Образец древесины массой до 20 мг помещали в платиновый тигель, который ставили в ячейку для образца дифференциально сканирующего (ДСК) - сенсора. Во вторую ячейку помещали пустой тигель той же массы. Прибор закрывали, после чего проводили смену атмосферы в приборе, для этого измерительная камера вакуумировалась до давления 10 мм рт. ст., а затем заполнялась аргоном. Цикл откачка/заполнение повторяли, после чего начинали измерение. Измерения проводили в динамической атмосфере аргона, скорость потока составляла 150 мл/мин, скорость нагрева – 10 С/мин.
Указанный прибор позволял регистрировать потерю массы образца в процессе его нагрева, так называемые термогравиметрические кривые. Предельная чувствительность прибора по массе равна 0.1 мкг, по температуре – 0.001С.
В экспериментах нагревание проводилось в среде инертного газа (аргона) от комнатной температуры до температуры 1000С с темпом нагрева равным 10С/мин. Скорость прокачки газа через камеру нагрева составляла 150 см3/мин. При объеме камеры нагрева равном 50 см3 характерное время газообмена камеры нагрева не превышало 30 секунд. Нагрев осуществлялся благодаря электрической обмотке камеры, где находились образцы, то есть теплопроводностью и излучением. Температура измерялась специальными термопарами, размещенными в основании чашек, расположенных в каждом плече микровесов.
Термогравиметрические кривые (ТГ) для трех выше перечисленных древесных материалов, полученные с помощью термоанализатора, представлены на рис. 2.2, 2.3 и 2.4. TG /% 1001
Из представленных зависимостей видно, что качественно все они имеют сходный вид. Изменение массы образцов в процессе нагрева можно разбить на несколько характерных областей. Первая область, соответствующая интервалу температур от комнатной до 150 С, характеризуется незначительным изменением массы образцов (от 1 до 5 %), связанным с выходом физической воды с поверхности и из пористой структуры материала. Далее до температуры примерно 200 С масса образцов практически не меняется. При дальнейшем повышении температуры происходит достаточно быстрое уменьшение массы, обусловленное интенсивным выходом летучих и разложением целлюлозных и гемицеллюлозных составляющих. При достижении температуры порядка 400 С процесс термической деструкции замедляется, уменьшение массы образцов связано преимущественно с деструкцией лигнина. При температурах выше 600С изменение массы практически прекращается. Более наглядно скорость потери массы можно наблюдать, используя дифференциальную термогравиметрическую характеристику (ДТГ). Рассмотрим ее на примере образца из дуба (рис. 2.5). Рисунок 2.5 - ДТГ-кривая пиролиза дуба. Как было отмечено выше, на ДТГ характеристике отчетливо прослеживаются 4 пика, каждый из которых в основном может быть приписан одному из упоминавшихся выше компонентов: выход воды, термическое разложение гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина соответственно. Естественно, что некоторый относительно небольшой вклад в каждый пик, приписываемый конкретному компоненту, включает в себя процесс разложения других компонентов, входящих в состав исходного сырья. Пики наблюдаются при различных значениях температуры и характеризуют различную скорость потери массы. Наибольшую скорость разложения можно наблюдать у целлюлозного компонента (около 1,2 %/С) при значении температуры порядка 350 С. Наименьшую – у лигнина (примерно 0,1 %/С) при температуре 410 С. При этом важно иметь ввиду, что деструкция лигнина происходит почти на всем диапазоне изменения температуры и, в некотором роде, мешает идентифицировать другие составляющие исходного продукта, так как частично изменяет профиль соседних пиков.
В сводной таблице для трех видов древесных образцов (табл. 2.1) представлены основные параметры, полученные в результате термогравиметрического анализа.
Сравнение теоретических расчетов термической конверсии с литературными данными
Напротив, в случае низкотемпературной конверсии большее количество дутьевого агента способствует увеличению объема газа. На рис. приведены схожие результаты по исследованию выхода водорода.
Аналогичная тенденция наблюдается и для расчетов в данной диссертации (рис. 3.9), где рост температуры увеличивает выход горючих компонентов сырья. Причем, как подтверждается многими литературными источниками, данная зависимость характерна для всех видов биомассы.
Авторы работы [108] рассматривают научные и технические аспекты создания автономной установки по газификации органического сырья различного происхождения. В качестве образцов исследуются сосна, дуб, навоз и картон, которые участвуют в процессе непрерывной конверсии при температуре 800 С и атмосферном давлении. Предполагаемая электрическая мощность установки составляет 28,3 кВт. Авторы наряду с экспериментом проводят теоретические расчеты состава газа, основываясь на достижении термодинамического равновесия всей системы (рис. 3.15).
Как следует из рис. 3.15, результаты эксперимента по количественному составу газа уступают аналогичным расчетам, что обусловлено естественными погрешностями при исследованиях и недостижимостью на практике равновесного состояния системы. Эти данные целесообразно сопоставлять с результатами расчета газификации древесины, выполненные с помощью разработанной методики (рис. 3.9): при значении температуры 800 С газ имеет в своем объеме 22% водорода и 2% метана. Аналогичные расчеты на рис. 3.15 показывают следующие результаты: сосна (20,20 % водорода и 0 % метана), дуб (22,17 % водорода и 0% метана). Таким образом, несовпадения в расчетах не превышают 2 %, что свидетельствует о высокой точности методики, представленной в настоящей работе. По результатам сравнения теоретических расчетов термической конверсии с литературными данными, включающим показатели работы реакторов термической конверсии биомассы можно сделать следующие выводы:
Предложенная методика расчета разработана на основе фундаментальных законов химической физики и технической термодинамики с привлечением наиболее эффективных алгоритмов и программных средств, имеет высокую точность, подтверждаемую по данным открытых источников и позволяет, не проводя заново лабораторных испытаний, оценивать влажность, выход летучих и величину угольного остатка исследуемого образца;
Сопоставление теоретических расчетов и литературных данных при одинаковых режимах эксплуатации реактора термической конверсии (давление, температура в зоне реакции, расход дутьевого агента) доказывает высокую точность разработанной методики. Отклонения в количественном отношении равновесного состава газа и его объема находятся в пределах не более 5 % по сравнению с работами других ученых. Данное отклонение может быть обусловлено неоднородностью химического строения исследуемых образцов, а также отличиями в экспериментальных результатов в зависимости от типа и погрешности используемого лабораторного оборудования;
Результаты расчетов состава получаемого газа в зависимости от режимов эксплуатации реактора термической конверсии, выполненные с помощью настоящей методики, отображают качественные тенденции влияния режимных параметров на продукты пиролиза или газификации. В частности, путем сопоставления с расчетами других специалистов показано, что увеличение температуры биомассы в камере реакции приводит к росту доли выхода водорода и монооксида углерода, причем у водорода кривая идет значительно круче, а в зоне температур свыше 700 С наблюдается уменьшение количества метана. Также доказано, что с ростом температуры наблюдается преобладание газовой фракции над остальными продуктами пиролиза;
Показано, что в зоне высоких температур в образовании монооксида углерода при газификации твердого топлива преимущественно участвует кислород, содержащийся в сырье, поэтому рост расхода окислителя приводит к горению угарного газа и уменьшает выход СО. Данное утверждение подтверждается аналогичными результатами в открытых источниках информации.
Разработанная методика имеет высокую математическую точность и может применяться как для моделирования процессов пиролиза, так и газификации любого твердого органического топлива при заданных режимных параметрах реактора непрерывной конверсии.
Сопоставление теоретических расчетов процесса газификации с результатами экспериментальных исследований
В настоящей работе проведено сравнение теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований на установке непрерывной газификации твердого топлива кафедры ЭВТ НИУ МЭИ, оснащенной следующим оборудованием: - Газогенератор тепловой мощностью до 50 кВт с возможностью развития температуры в зоне горения до 1800С. - Циклон очиститель: расход газа не менее 2 м3/час; - Холодильник: температура газа на входе 250-300С; - Воздуходувка: максимальный расход воздуха 120 м3/час; - Горелка: мощность горелки - сжигание до 120 м3/час газа; - Смесительное устройство: возможность обеспечения от 0,4 до 1,1; - Двигатель внутреннего сгорания - 20-40 кВт электрической энергии, предназначенный для газификации древесины, резины и пластмассы из состава ТБО с получением генераторного газа для выработки тепловой и электрической энергии с возможностью ведения процесса при t = 600-1300 С, удельной тепловой нагрузке не менее 0,1 МВт/м3, при qF = 500-1000 кг/м2ч. Исходные данные и результаты эксперимента представлены в табл. 3.3, 3.4 соответственно.
Расчет тепловых нагрузок и выбор паровой турбины для ПГУ
Ключевым научным результатом текущей работы, имеющим потенциал для коммерциализации, вследствие чего являющимся объектом технико-экономической оценки, следует считать:
Программный комплекс Fuel Thermal Conversion (FTC), рассчитывающий на основе созданной математической модели и методики равновесный состав газа при заданных режимных параметрах, а также позволяющий оценивать химическую энергию газа, не проводя лабораторных испытаний.
Первым и основным назначением программного комплекса может быть помощь в проектировании установок, то есть его использование на рынке проектирования и разработок перспективных схем когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива. По аналогии с настоящей работой для любых других видов углеродсодержащего топлива можно получить расчеты равновесного состава газа и дать оценку химической энергии газа при заданных режимных параметрах и в условиях прочих ограничивающих факторов.
Это позволит повысить эффективность проектирования и разработок перспективных схем когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива за счет, с одной стороны, сокращения времени на расчеты параметров основных режимов, и, с другой стороны, помощи при подборе оптимальных схем когенерационных установок.
Другим назначением программного комплекса Fuel Thermal Conversion является его развитие и применение на рынке инвестиционного анализа, планирования и технико-экономического обоснования инвестиций.
Долгосрочные планы развития энергетики России до 2030 года предполагают увеличение выработки электроэнергии за счет местных и возобновляемых источников энергии. В связи с этим актуальна задача повышения эффективности проектирования за счет создания моделей оптимальных когенерационных установок и научного обоснования проектов возведения и эксплуатации данных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива.
Развитие комплекса Fuel Thermal Conversion как эффективного научного инструмента инвестиционного обоснования проекта и интегрирование в одной компьютерной системе существующей нормативной информации, методов расчетов и оптимизации проекта когенерационных установок обеспечит ее успешные продажи и использование не только среди инженеров и проектировщиков, но и инвесторов, в обязанности которых входит обеспечение эффективного, научно обоснованного предпроектного анализа и принятия решений на стадии обоснования инвестиций.
Третьим назначением и применением Программного комплекса Fuel Thermal Conversion может быть его использование в образовательном процессе или для прочих демонстрационных нужд.
При доработке системы визуализации можно в наглядной форме: ставить и решать задачи по изучению равновесного состава многокомпонентной системы, методов химической термодинамики, отдельных процессов термической конверсии углеродсодержащего топлива, зависимости эффективной конверсии и прочих результатов при изменении одного или нескольких параметров; демонстрировать не только принцип действия высокоэффективных схем когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза углеродсодержащего топлива, но и наглядно и обоснованно показывать недостатки неэффективных схем, причины, по которым экологические, энергетические и прочие показатели оказываются неудовлетворительными.
Дополнительным назначением программного комплекса Fuel Thermal Conversion может быть его использование при диагностике или разработке и эксплуатации систем управления непосредственно когенерационными установками.
Так как программный комплекс содержит модель расчета параметров термической конверсии местных видов углеродсодержащего топлива, то есть содержит зависимость параметров газа от элементного состава топлива и заданных режимных параметров, то при добавлении к расчетам оптимизационных алгоритмов, возможно его применение в автоматизированных системах управления энергетическими установками с применением технологий газификации и пиролиза углеродсодержащего топлива. Например, при установке автоматизированного контроля параметров поступающего углеродсодержащего топлива при их отклонений от номинала автоматизированная система управления когенерационной установкой может корректировать заданные режимы термической конверсии топлива в целях оптимизации протекающих процессов по энергетическим и экологическим показателям.
В соответствии с аналогичными рассуждениями программный комплекс может развиваться в направлении его использования в качестве диагностических стендов и систем, обеспечивающих анализ эффективности их работы с обоснованным предложением по их совершенствованию, например, при энергоаудите.
Таким образом, для программного комплекса Fuel Thermal Conversion имеются следующие возможные рынки применения: рынок проектирования и разработок перспективных схем когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива; рынок инвестиционного анализа, планирования и технико-экономического обоснования инвестиций в создание когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива; рынок образовательных технологий; рынок систем управления и диагностики когенерационных установок с применением технологий газификации и пиролиза твердого углеродсодержащего топлива.
Рынками для когенерационных установок на основе пиролиза/газификации биомассы то есть целевыми потребителями могут быть: Схемы с газификатором углеродсодержащих местных видов топлива и применением циклов ПГУ при электрических мощностях свыше 10 МВт могут быть использованы для утилизации отходов в виде биомассы, но следует учитывать, что для номинальной электрической мощности газовой турбины примерно 35-40 МВт расход биомассы составит около 25 т/ч, следовательно, одним из ограничивающих факторов применения подобных когенерационных установок является наличие топлива в значительных масштабах. Также большим преимуществом применения топлива с высокой теплотой сгорания является уменьшение расхода исходного сырья, а значит и доли удельных затрат энергии на собственные нужды генерирующей станции.
