Моделирование и оптимизация режимов работы газогенератора плотного слоя для парогазовой мини-ТЭС

• Автор: Донской, Игорь Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.14.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Газификация твердых топлив и подходы к ее математическому описанию

1.1 Газификация твердых топлив

1.2 Эмпирико-балансные методики расчета процесса газификации

1.3 Кинетические модели горения и газификации твердых топлив

1.4 Термодинамическое моделирование термохимической конверсии твердых топлив

1.5 Термодинамические модели с учетом макрокинетики в явном виде

2 Термодинамическая модель обращенного газогенератора с макрокинетическими ограничениями

2.1 Модель промежуточного равновесия в слое топлива

2.2 Описание кинетики сушки, пиролиза и газификации твердого топлива

2.3 Теплофизические свойства топлива и газа
3 Разработка вычислительного алгоритма
3.1 Модель теплообмена в слое твердых частиц при фильтрации газа
3.2 Структура вычислительного алгоритма
3.3 Алгоритм для расчета расхода топлива при заданной степени конверсии
4 Верификация модели с использованием экспериментальных данных
4.1 Экспериментальные измерения и численное моделирование распределения температур в инертном слое, продуваемом горячим газом
4.2 Экспериментальные измерения и численное моделирование обращенного процесса паровоздушной газификации азейского угля
5 Оптимизационные исследования ПГУ-ЗТГС малой мощности с внутри цикловой газификацией угля
5.1 Упрощенная модель газогенератора для оптимизационных расчетов ПГУ
5.2 Технологическая схема ПГУ-БТЮ
5.3 Постановка задачи оптимизации
5.4 Результаты оптимизационных расчетов
5.5 Сопоставление экономической эффективности ПГУ-БТЮ с газификацией угля малой мощности с альтернативными вариантами энергоустановок мини-ТЭС
Список литературы

Введение
Актуальность
Необходимость развития технологий газификации твердых топлив обычно связывают с уменьшением запасов дешевых ресурсов нефти и газа. Запасы твердого топлива (уголь, биомасса, торф) достаточно велики, а стоимость заметно ниже, чем для углеводородов. Кроме того, запасы твердых топлив распределены более равномерно, чем нефти и газа. Именно такими причинами были обусловлены всплески интенсивности работ но данной тематике в довоенные годы и после энергетического кризиса 1973 г. Несмотря на то, что прогнозы по истощению запасов углеводородов становятся все более оптимистическими, очевидно, что переход к газогенераторным технологиям позволит более эффективно использовать углеводородное сырье (например, в нефте- и газохимии).
Кроме того, газификация позволяет решить проблему переработки отходов лесной, целлюлозно-бумажной, сельскохозяйственной, углеобогатительной промышленности, твердых бытовых отходов, низкосортных углей. Несмотря на большие запасы таких энергоресурсов, их применение в энергетике путем традиционного сжигания затруднено, поскольку такие топлива обладают низкой теплотворной способностью, которая обусловлена низким содержанием углерода в горючей части, высокой влажностью, высокой долей негорючего балласта, токсичностью продуктов сгорания. Вместе с тем эти особенности не препятствуют переработке топлив путем пиролиза и газификации. Полученный в результате газификации генераторный газ является более качественным топливом (по сравнению с исходным), сжигание которого не приводит к подобным затруднениям. Поэтому применение неполного сжигания позволяет использовать в энергетических целях низкосортное твердое топливо. При этом переработка отходов дает возможность получить ряд ценных продуктов. Использование местных топлив в районах, отдаленных от центрального энергоснабжения, позволит получать тепло и электроэнергию автономно, делая потребителя независимым от внешних поставок традиционных энергоресурсов.
Часто низкосортное топливо имеет низкую концентрацию по территории, а также содержит большую долю балласта, поэтому сбор и транспорт таких топлив

описания пиролиза угля, том числе и в моделях газификации [140]. Развиваются аналогичные модели для пиролиза биомассы [141, 142].
Моделирование кинетики пиролиза биомассы с помощью детальной кинетической модели было проведено в работах [143, 144]. Для каждого компонента были записаны реакционные схемы, в которых исходные компоненты превращались в газы не напрямую, а через ряд промежуточных соединений, таких как окисленные моносахара, спирты и альдегиды. Такие схемы более точно соответствуют картине процесса [145]. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показывает удовлетворительное совпадение [143].
Недостатками детальных моделей пиролиза твердых топлив являются громоздкость реакционных схем и большое число кинетических констант, которые требуются для численных расчетов. Численные значения этих констант содержат неопределенные составляющие, связанные с гипотезами о механизме и экспериментальными погрешностями. Естественно, что большое количество неопределенных кинетических коэффициентов сделает еще более неопределенным получаемое решение.
При неоднородном прогреве частиц топлива на разном расстоянии от поверхности достигается разная степень превращения топлива. Неоднородность возникает при пиролизе крупных кусков угля, либо при высокоскоростном нагреве. В таких случаях нужны модели пиролиза с учетом распределения температур по сечению кусков топлива.
Описание неоднородности реакции по сечению топлива может быть проведено на основе модели движущегося фронта реакции. Например, в работе [146] рассматривалось прохождение фронта сушки и пиролиза в частице биомассы. В работе [147] время пиролиза частицы угля рассчитывалось из предположения о том, что скорость пиролиза лимитируется подводом теплоты, и фронт реакции совпадает с некоторой изотермической поверхностью, движущейся вглубь частицы. Такая постановка физически аналогична углублению фронта сушки [156]. Опыты по пиролизу при невысоких скоростях нагрева подтверждают возможность такого рассмотрения [149].