Интенсификация термохимических процессов поточной воздушной газификации угля применительно к энергетике : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

Актуальность исследования. Разработка высокоэффективных
теплоэнергетических установок на твердом топливе, безопасных для окружающей среды и климата, является предметом интенсивных исследований во всем мире. По оценкам большинства зарубежных и отечественных специалистов, один из наиболее перспективных способов использования твердого углеродсодержащего топлива для энергетики – конверсия в парогазовых установках с внутрицикловой газификацией (ПГУ-ВЦГ). Применение ПГУ-ВЦГ позволяет решить ряд ключевых задач, стоящих перед современной угольной энергетикой: повысить КПД электростанции до 50–55%; максимально снизить выбросы углекислого газа в атмосферу (при улавливании и захоронении углерода); повысить гибкость выработки электроэнергии совмещением электрогенерации с производством химических продуктов; использовать широкий спектр твердых топлив. В проекте Энергетической стратегии России на период до 2035 г. подчеркивается необходимость создания и применения ПГУ-ВЦГ с КПД нетто 50%. Принципиально ПГУ-ВЦГ отличаются от ПГУ, работающих на природном газе, структурой узла подготовки топливного газа, ключевым элементом которого является газификатор. Одним из наиболее эффективных типов газификаторов большой мощности считается воздушный поточный газификатор. Для повышения основных показателей работы газификатора (химического КПД, степени конверсии углерода топлива и др.) и его стоимости необходимо интенсифицировать термохимические процессы поточной воздушной газификации угля. Исследования в этой области осложнены нехваткой подробных экспериментальных данных и надёжных расчётных моделей.
Тема работы соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ (п. 08 – Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика), Перечню критических технологий РФ (п. 27 – Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе), основным научным направлениям УрФУ и кафедры Тепловые электрические станции.
5
Степень разработанности проблемы. Проблемами конверсии (сжигания и газификации) твёрдого топлива, в основном угля, занимались в разные периоды времени многие отечественные исследователи: Предводителев А.С., Вулис Л.А., Хитрин Л.Н., Канторович Б.В., Кнорре Г.Ф., Померанцев В.В., Франк-Каменецкий Д.А., Бабий В.И., Хзмалян Д.М., Головина Е.С., Баскаков А.П. и др. Конкретно вопросы, связанные с поточной газификацией твёрдого топлива, затрагивали следующие отечественные учёные: Накоряков В.Е., Ноздренко Г.В., Клер А.М., Тюрина Э.А., Мингалеева Г.Р., Николаев Ю.Е., Чернецкий М.Ю. и др. Из зарубежных авторов данной тематикой занимались: Грабнер М., Майер Б., Хигман К., Ватанабе Х., Майстренко А.Ю., Гиуффрида А., Оки И., Мессерле В.Е, Чернявский Н.В., Чен К., Кунзе К., Никритюк П., Вискеллари М., Хассе К., Кумар М., Гхонием А., Ли Х. и др. Исследования вышеперечисленных авторов посвящены эксперименту и его первичной обработке, либо моделированию работы установки в узком диапазоне входных параметров.
Цели и задачи исследования. Объект исследования – термохимические процессы, происходящие при поточной воздушной газификации угля в различных энергетических установках.
Предмет исследования – способы интенсификации термохимических процессов поточной воздушной газификации угля применительно к энергетике.
Цель работы – исследовать способы интенсификации термохимических процессов поточной воздушной газификации угля, позволяющие повысить теплоту сгорания и отношение H2/CO в синтез-газе (экологический показатель, рост которого снижает генерацию NOx при сжигании синтез-газа), с помощью комбинации экспериментальных и расчётных методов.
Задачи работы:
1) Адаптация и верификация по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модели поточной газификации, включающей в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.

6
2) Проведение экспериментальных исследований способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
3) Анализ полученных экспериментальных данных с помощью нульмерной термодинамической модели и адаптированной CFD-модели.
4) Определение чувствительности основных характеристик процесса поточной газификации к воздействию способов интенсификации термохимических процессов с помощью полученных экспериментальных данных и адаптированной CFD-модели.
5) Оценка эффекта от применения способов интенсификации воздушной поточной газификации угля, происходящей в промышленном газификаторе с использованием адаптированной CFD-модели.
Научная новизна:
1) Адаптирована и верифицирована по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модель поточной газификации, включающая в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
2) Получены экспериментальные данные по влиянию способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля на теплоту сгорания синтез-газа и отношение H2/CO в нём. Экспериментальные исследования включали в себя четыре крупных серии на трёх различных стендовых установках, на каждой из которых изучался свой перечень способов интенсификации. Обработка экспериментов проведена с помощью термодинамической модели и адаптированной CFD-модели.
3) Исследована эффективность применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящей в промышленном газификаторе с использованием адаптированной CFD-модели. Определена чувствительность теплоты сгорания синтез-газа и отношения H2/CO в нём к способам интенсификации термохимических процессов

7
воздушной поточной газификации угля. Предложен комплексный способ интенсификации термохимических процессов, позволяющий повысить отношение H2/CO до 0,75, при поддержании теплоты сгорания синтез-газа на уровне 5 МДж/м3.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1) Адаптированная и верифицированная по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модель поточной газификации может использоваться для исследования поточной газификации твёрдого топлива в достаточно широком диапазоне рабочих параметров, а также для разработки поточных газификаторов твёрдого топлива разного масштаба и режимов работы.
2) Экспериментальные результаты работы и их обработка с использованием термодинамической модели и адаптированной CFD-модели вносят свой вклад в понимание воздействия способов интенсификации термохимических процессов поточной газификации угля на основные параметры работы установок. С использованием экспериментальных результатов работы возможно проводить верификацию разномерных моделей поточной газификации твёрдого топлива.
3) Полученные значения чувствительностей основных параметров работы промышленного газификатора к способам интенсификации термохимических процессов целесообразно использовать при модернизации конструкции или режима работы полномасштабных газификаторов твёрдого топлива.
Результаты работы, приведённые в разделах 1.3.2 и 3.2.1, использованы в Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (гос. контракт No 14.516.11.0043 от 29.03.2013) по теме «Разработка технологии подготовки рабочего тела для перспективной ПГУ с внутрицикловой газификацией»; часть раздела 3.2.2 – в гранте Российского фонда фундаментальных исследований (No 14-08-01226 от 18.07.2013) по теме «Фундаментальные основы модернизации ПГУ для сжигания низкосортных твердых топлив»; разделы 2.1, 2.2, 4.1 и 4.2 – в гранте Российского научного фонда (проект No14-19-00524 от 4.03.2014) по теме «Решение проблемы

8
применения бедных промышленных и синтез-газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле»; разделы 2.3 и 4.3 – в гранте Российского фонда фундаментальных исследований (No16-38-50188 от 14.03.2016) по теме «Экспериментальное и численное исследование высокотемпературной паровоздушной газификации угля в поточной установке». Часть результатов внедрена и используется в НПО ЦКТИ, Институте теплофизики СО РАН, Сибирском федеральном университете, а также на кафедре ТЭС УрФУ в дисциплинах «Математическое моделирование», «Горение и газификация», «Высокие наукоёмкие технологии в теплоэнергетике и теплотехнике» и др.
Методология и методы исследования. Основными методами исследования являются:
1) Экспериментальный метод. Проведено несколько серий опытов на трёх экспериментальных установках.
2) Термодинамическое моделирование. Использован метод максимизации энтропии (экстремальный принцип максимальной скорости порождения энтропии).
3) Численное CFD-моделирование. Данное моделирование основано на CFD-методе (Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика).
Кроме того, применены методы измерения, сравнения, аналогии, обобщения, анализа, синтеза и специальные методы научного познания. Методология работы заключается в комбинировании и взаимодополнении экспериментальных исследований, термодинамического и CFD-моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Адаптированная и верифицированная по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модель поточной газификации, включающая в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.

9
2) Полученные экспериментальные данные по влиянию способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля на теплоту сгорания синтез-газа и отношение H2/CO в нём.
3) Результаты исследования эффективности применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящих в экспериментальных и в промышленном газификаторе с использованием адаптированной CFD-модели.
Личный вклад автора:
1) Проанализирована научно-техническая информация и поставлены задачи исследования.
2) Составлена программа исследований на трёх экспериментальных установках. Принято участие в проведении экспериментов.
3) Адаптирована и верифицирована по литературным и полученным экспериментальным данным CFD-модель поточной газификации.
4) Обработаны результаты проведённых экспериментов с помощью термодинамической модели и адаптированной CFD-модели.
5) Исследована эффективность и определена чувствительность применения способов интенсификации термохимических процессов воздушной поточной газификации угля, происходящих в экспериментальных и в промышленном газификаторе с использованием адаптированной CFD-модели.
Достоверность результатов работы:
1) При проведении экспериментальных исследований использовались апробированные методики измерений и метрологически поверенные приборы. Полученные экспериментальные результаты согласуются с литературными данными. Относительная погрешность измерительных приборов не превышала 5%.
2) Термодинамическое моделирование равновесного состава продуктов реагирования выполнено с помощью метода максимизации энтропии (экстремальный принцип максимальной скорости порождения энтропии). Метод

10
основан на фундаментальных законах термодинамики и неоднократно верифицировался в литературе при решении такого рода задач.
3) Адаптированная CFD-модель включает в себя подмодели, необходимые для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля. Верификация модели проведена с использованием как собственных экспериментальных результатов, так и литературных данных. Результаты CFD-моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, что говорит о применимости разработанной CFD-модели для исследования способов интенсификации термохимических процессов, происходящих при воздушной поточной газификации угля.
Апробация результатов. Основные результаты работы прошли апробацию на: Минском Международном Форуме по тепло- и массобмену (Минск, 2012, 2016); конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013); международной научно-технической конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла» (Москва, 2014, 2016); международной научно-практической конференции «Энергоэффективность энергетического оборудования» (Санкт-Петербург, 2014); Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2014, 2018); 31st Annual International Pittsburgh Coal Conference: Coal – Energy, Environment and Sustainable Development (Питтсбург, США, 2014); Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2014, 2016); всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2015, 2018); международной конференции “Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках” (Казань, 2015); International Seminar on Flame Structure (Новосибирск, 2017).
По теме диссертационного исследования опубликована 21 работа, 15 из которых напечатаны в изданиях перечня ВАК, 12 проиндексированы в

11
международной базе Scopus и 4 в Web of Science. В список работ также вошли 2 главы в коллективной монографии и 1 патент на полезную модель.
Структура работы. Работа изложена на 194 страницах, содержит 5 глав, 59 рисунков и 24 таблицы. При подготовке работы использовано 231 литературный источник.
Справки об использовании результатов диссертационной работы в НПО ЦКТИ, Институте теплофизики СО РАН, Сибирском федеральном университете и Уральском федеральном университете приведены в Приложениях 1-4, соответственно.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Рыжкову Александру Филипповичу за огромное количество великодушно потраченного времени и сил, а также ценные замечания и полезные советы. Автор также глубоко признателен всему коллективу кафедры ТЭС УрФУ и лично заведующему кафедрой, кандидату технических наук, доценту Богатовой Татьяне Феоктистовне за бесценную помощь и всестороннюю поддержку. Кроме того, автор выражает благодарность коллективу НПО ЦКТИ (зав. лабораторией No 54 Шестакову Н.С. и инженеру Шурчалину А.А.), коллективу ИТ СО РАН (гл. науч. сотр. Бурдукову А.П. и инженеру-исследователю Бутакову Е.Б.) за помощь в организации экспериментов, а также старшему преподавателю кафедры ТЭС УрФУ Осипову П.В. за предоставление ряда кинетических констант гетерогенных реакций используемых углей.