Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме

• Автор: Кузнецов, Вадим Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Часто используемые условные обозначения

Введение

1. Обзор работ и промышленных проектов на тему плазменной газификации и конверсии

1.1. Обзор публикаций

1.2. Обзор некоторых промышленных проектов

1.3. Выводы

2. Технология плазменной газификации

2.1. Влияние состава топлива на процесс газификации

2.2. Организация движения материальных потоков

2.3. Использование плазменного дутья в традиционных системах

2.4. Основные преимущества процесса плазменной газификации
2.5. Выводы
3. Изучение сырья для плазменной газификации
3.1. Оценка органических веществ как сырья для газификации
3.2. Методика оценки перспективности некоторых распространенных видов сырья
3.3. Отходы и возобновляемые ресурсы
3.4. Легкодоступные ресурсы и продукты переработки отходов
3.5. Ископаемые твердые топлива
3.6. Выводы
4. Расчетное моделирование процесса плазменной газификации древесных отходов
4.1. Методика
4.2. Выбор рабочего газа
4.3. Влияние влажности древесины
4.4. Выводы
5. Оценка эффективности получения воздушной плазмы
в плазмотронах переменного тока
5.1. Плазмотроны переменного тока и их источники питания
5.2. Экспериментальная установка для определения теплопотерь
5.3. Методика расчета теплообмена в канале плазмотрона
5.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными..
5.5. Выводы
6. Экспериментальное исследование воздушно-плазменной газификации древесины
6.1. Описание экспериментальной установки
6.2. Методика экспериментальных исследований
6.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
6.4. Выводы
Заключение
Список литературы

Часто используемые условные обозначения
RDF — сокращение от Refuse Derived Fuel, полученное из отходов топливо; LHVM— низшая теплота сгорания рабочей массы сырья рассчитанная по формуле Менделеева;
А — содержание неорганической составляющей на' рабочую массу
сырья;
М — содержание воды на рабочую массу сырья; ц — молярная масса;
X — мольная доля;
w — массовая доля;
АН — стандартная энтальпия образования;
Ет — энергозатраты на единицу массы сырья;
Gm — выход продуктов газификации с единицы массы сырья;
Н — энтальпия;
Ох, — выход химической энергии с единицы массы сырья;
Oth — выход тепловой энергии с единицы массы сырья;
wQ — доля органической массы на рабочую массу сырья;
vtv — доля воды на рабочую массу сырья;
ТЭС — работающая на твердом топливе теплоэлектростанция;
Psc — выход электроэнергии с единицы массы сырья при использовании процесса прямого сжигания и парового цикла;
//sc — эффективность получения электроэнергии при использовании
прямого сжигания и парового цикла;
Рсс — выход электроэнергии с единицы массы сырья при- использовании процесса плазменной газификации и комбинированного цикла;
Псе — эффективность получения электроэнергии из синтез-газа в
комбинированном цикле;
Psc — скорректированное значение Psc,
Рсс — скорректированное значение РСс,
Psc — установленная мощность угольной электростанции;
Ре1 — выход электроэнергии с единицы массы сырья при использовании процесса плазменной газификации и комбинированного цикла;
Р,ь — выход тепловой энергии с единицы массы сырья при использовании
процесса плазменной газификации и комбинированного цикла;
(?sf -— выход жидкого топлива с единицы массы сырья;
Gsg — выход сухого синтез-газа с единицы массы сырья;
G;n — расход окислителя на единицу массы сырья;
Рnet — выход полезной электроэнергии с единицы массы древесины;
Gnir — удельный расход воздуха;
Nu — число Нуссельта;
Ре — число Пекле;
Re — число Рейнольдса;
Рг — число Прандтля;

Введение
Актуальность работы
Глобальный экономический рост и увеличение численности населения Земли приводит к обострению потребности в энергоресурсах и проблем загрязнения окружающей среды. Россия обладает одними из крупнейших запасов энергоресурсов в пересчете на душу населения, однако рост мировых цен на. энергоресурсы влечет за собой и рост цен на внутреннем рынке из-за глобализации экономики. Кроме того, дальнейшее увеличение техногенной нагрузки на биосферу, по мнению специалистов, способствует глобальному потеплению, у которого могут быть серьезные последствия. Энергетическое, использование ископаемых углеводородов приводит к росту концентрации углекислого газа в атмосфере, который является самым опасным парниковым газом. Еще одним техногенным источником углекислого газа являются пожары на свалках. Поэтому в настоящее время ведется изучение различных способов уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу Земли [1,2] и переработки отходов.
Перспективными способами снижения потребности в ископаемых энергоресурсах и техногенной нагрузки на биосфер}' является повышение эффективности использования первичной энергии (для топлив — энергии сгорания) и вовлечение в энергобаланс потребления отходов и возобновляемых источников энергии (таких как биомасса).
Самым эффективным промышленным способом преобразования первичной энергии в электричество является комбинированный парогазовый цикл. Этот процесс использует только газообразное топливо, поэтому для получения электроэнергии из твердых топлив их необходимо предварительно газифицировать, превратив в синтез-газ — смесь, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода. Это позволяет увеличить эффективность использования первичной энергии твердых топлив по сравнению с процессом прямого сжигания с использованием парового цикла. Кроме того, получаемый при газификации синтез-газ может быть сырьем для производства жидких топлив, водорода и других веществ химикотехнологического назначения.
Процессы газификации различают по способу подвода энергии на автотермический и аллотермический. В автотермическом процессе тепловая энергия для достижения необходимого температурного уровня поступает от сгорания части сырья, а в аллотермическом - подводится извне. В автотемическом процессе из-за низких температур и сжигания части топлива синтиез-газ загрезняется баластными примесями и вредными веществами, что снижает эффективность его дальнейшего использования. Применение низкотемпературной плазмы для аллотермической газификации позволяет получать чистый синтез-газ с пониженным содержанием примесей.
Наиболее эффективным устройством для получения низкотемпературной плазмы в промышленных масштабах яв.ляются плазмотроны переменного тока большой мощности, так как их системы

Общая схема процесса газификации в кипящем слое, за исключением положения точки ввода сырья, соответствует газификации в потоке (рис. 5 д). Обычно, реакционный объем газификаторов, работающих по этой схеме, имеет расширяющуюся к верху форму. В верхних слоях псевдоожиженного слоя находятся самые мелкие куски сырья, а в нижних самые крупные. Интенсивное перемешивание кусков топлива в псевдоожиженном слое способствует более равномерному распределению температур в реакционном объеме, (особенно в поперечном сечении реактора). Недостатками использования кипящего слоя являются — необходимость дополнительной подготовки топлива (измельчение, фракционирование и т. д.) и ограничения величины слоя по высоте (связанные с аэродинамикой частиц и характером обтекания). В зависимости от расположения точки ввода сырья этот метод будет обладать схожими характеристиками либо с прямым, либо с обращенным процессом. Если сырье вводится сверху, то за время падения и миграции куска в высокотемпературный нижний слой он успеет потерять часть своей влаги и летучих, что приведет к некоторому загрязнению синтез-газа смолами. То есть, в зоне восстановления происходит частичный пиролиз сырья. Если сырье вводится снизу, то выход летучих и испарение воды осуществляется в окислительной зоне, где смолы подвергаются крекингу. Однако, перемешивание затрудняет разложение продуктов пиролиза из-за миграции полукоксующихся кусков сырья в более холодные зоны реактора. Как и при газификации в потоке синтез-газ будет сильно загрязнен твердыми частицами. Их размер будет определяться наименьшей скоростью потока газа в верхней части газификатора и плотностью частиц. Газификация в псевдоожиженном слое проводится при температурах меньше, чем точка плавления золы. В зависимости от характерного размера образующихся в ходе газификации углерода частиц золы они будут выводиться либо сверху (вместе с газом), либо снизу.
2.3. Использование плазменного дутья в традиционных системах
В традиционных методах получение газа необходимого состава обеспечивается рациональным выбором состава дутьевых газов, а также направлением их движения относительно слоя топлива. Эти же приемы можно использовать для методов плазменной газификации, с учетом особенностей использования плазмы вместо холодного окислителя.
В отличие от автотермической газификации, при использовании плазмы возможно применение чистых пассивных окислителей (Н20, С02).
Окисление практически любых органических веществ пассивным окислителем сопровождается поглощением тепла. Поэтому, применительно к пассивным окислителям разделение процесса газификации на окислительную и восстановительную зоны не совсем корректно. В силу, различий в природе взаимодействия с сырьем пассивных и активных окислителей их влияние на процесс следует рассматривать по отдельности.
Если удельный расход плазмы, полученной из активного окислителя