Влияние водяного пара на физико-химические процессы в парогазовой установке с внутрицикловой газификацией твердого топлива : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

Рост населения Земли и стремление к
повышению качества жизни приводит к непрерывному увеличению потребления энергии. Согласно отчету BP Statistical Review of World Energy за 2019 г., за последние 10 лет ежегодный мировой прирост выработки электрической энергии составил 2,5 %. В России ежегодный прирост составляет около 0,5 % (Отчет о функционировании ЕЭС России, 2019). Несмотря на бурное развитие возобновляемых источников энергии, их доля в энергетическом мировом балансе остается менее 10 %, а основная часть энергии вырабатывается на электростанциях, сжигающих ископаемое топливо. При этом образуется значительное количество углекислого газа, который способствует глобальному потеплению. Для снижения влияния на климат глобальной задачей является повышение эффективности выработки энергии из ископаемого топлива. Большая часть энергии (около 40 % от мирового потребления) вырабатывается на угольных ТЭС. При обычном сжигании угля в топках котлов образуется значительно больше выбросов вредных веществ (оксиды серы и азота, твердые частицы, тяжелые металлы), чем при сжигании других видов ископаемых топлив. Однако запасов угля на порядок больше, чем запасов нефти и газа. Поэтому, несмотря на тенденцию сокращения доли угольных ТЭС в развитых странах, отказаться от использования угля не представляется возможным.
Перспективной технологией производства энергии из угля, обеспечивающей наиболее высокую эффективность и минимальное негативное воздействие на окружающую среду, является парогазовый цикл с внутрицикловой газификацией твердого топлива (ПГУ-ВЦГ). Однако, несмотря на значительное количество проведенных исследований и наличие коммерческих установок, стоимость вырабатываемой на ПГУ-ВЦГ электроэнергии остается высокой, что требует дальнейшего совершенствования технологии и поиска новых научно-технических решений. Тема работы соответствует Перечню приоритетных направлений развития науки, технологии и техники РФ (п. 8), а также Перечню критических технологий РФ (п. 27).
6
Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные
исследования процессов газификации твердого топлива в разное время проводили Предводителев А. С., Канторович Б. В., Кнорре Г. Ф., Хитрин Л. Н., Франк- Каменецкий Д. А., Померанцев В. В., Бабий В. И., Хзмалян Д.М., Головина Е. С., Miura K., Solomon P. R., Bhatia S. K., Molina A., Niksa S., и др. Прикладные исследования поточной воздушной газификации угля выполняли Hara S., Watanabe H., Chen C., Choniem A., паровоздушной газификации в плотном и кипящем слое, а также в потоке – Колодцев Х. И., Баскаков А. П., Майстренко А. Ю., Дубинин А. М., Бурдуков А. П., Степанов С. Г., Исламов С. Р., Мингалеева Г. Р., Сучков С. И., Загрутдинов Р. Ш., Рыжков А. Ф., Донской И. Г., Upadhyay D., Wang D., Pinto F., Zhou H., Tian Y., Xiao R., Ju F., Oh G., Riaza J. Исследование сухой горячей сероочистки синтез-газа проводили Сучков С. И., Строков А. А., Рыжков А. Ф., Тупоногов В. Г., Gupta R., Kobayashi M., Meng X., Girard V., Ko T., Sun J., Jun H., Fan H. Исследования цикла ПГУ-ВЦГ с воздушной газификацией угля проводили Giuffrida A., Сучков С. И., Рыжков А. Ф. В работах указанных авторов исследовались отдельные режимы газификации твердого топлива и сероочистки синтез-газа, как правило в ограниченном диапазоне варьирования режимных параметров и без системного анализа влияния паросодержания на процессы в узле ВЦГ и на работу ПГУ-ВЦГ в целом.
Цель исследования: получить новые фундаментальные знания о физико- химических особенностях первичного взаимодействия водяного пара с частицами топлива в быстротекущем поточном процессе паровоздушной газификации и вторичного взаимодействия синтез-газа и водяного пара с частицами сорбента в узле сероочистки, а также количественно оценить влияние добавки водяного пара на вход ПГУ-ВЦГ (в газогенератор) на ее работу.
Задачи исследования:
1. Провести экспериментальное исследование влияния добавки водяного пара на процесс воздушной газификации каменного угля в поточной установке.
2. Разработать математическую модель двухступенчатого поточного газогенератора, верифицировать ее и определить зависимость параметров процесса

7
(состав синтез-газа, температура на выходе из газогенератора, степень конверсии
угля, химический КПД газогенератора) от добавки водяного пара в воздушное дутье.
3. Провести экспериментальное исследование влияния состава синтез-газа (добавки водяного пара) на термическую устойчивость сорбента для горячей сероочистки и определить кинетические константы реакций разложения сорбента.
4. Выполнить термодинамическую оценку остаточного содержания соединений серы в синтез-газе и определить зависимость температуры горячей сероочистки от добавки водяного пара в газогенератор с учетом условий термической устойчивости сорбента и остаточного содержания соединений серы.
5. Выполнить оценку влияния добавки водяного пара на вход ПГУ-ВЦГ на эффективность и материалоемкость ПГУ-ВЦГ.
Научная новизна:
1. Проведены экспериментальные исследования паровоздушной газификации кузнецкого каменного угля марки Д в поточном реакторе в широком диапазоне соотношения пар/уголь при постоянном времени пребывания частиц угля в реакторе.
2. Предложена и верифицирована одномерная модель двухступенчатого поточного газогенератора, учитывающая внутреннее реагирование, изменение размера частиц угля в ходе газификации, зависимость порядка реакции паровой газификации от концентрации Н2О, распределение частиц угля по размерам и рециркуляцию коксозольного остатка (КЗО).
3. Экспериментально определены кинетические константы реакций разложения сорбента на основе оксида цинка при взаимодействии с компонентами синтез-газа, предложена модель для расчета предельной температуры процесса горячей сероочистки синтез-газа по условию термической устойчивости сорбента, и получены новые данные по предельной температуре сероочистки.
4. Выполнена количественная оценка влияния добавки водяного пара на вход в ПГУ-ВЦГ на эффективность и материалоемкость ПГУ-ВЦГ с воздушной газификацией угля и горячей сероочисткой синтез-газа.

8
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные
экспериментальные результаты вносят вклад в понимание физико-химических процессов, происходящих при газификации твердого топлива и сероочистке синтез-газа, и могут быть использованы при верификации результатов математического моделирования указанных процессов. В результате экспериментальных и расчетных исследований выявлен немонотонный характер зависимости эффективности газификации твердого топлива от добавки водяного пара в газогенератор, что приводит к немонотонному изменению параметров всех последующих узлов ПГУ-ВЦГ. Выявлены диапазоны добавки водяного пара, оказывающие положительный эффект на процессы газификации угля, сероочистки синтез-газа и эффективность ПГУ-ВЦГ в целом.
Адаптированная и верифицированная модель двухступенчатого поточного газогенератора позволяет с использованием результатов лабораторных анализов проб твердого топлива рассчитать режимные параметры паровоздушной и парокислородной газификации твердого топлива. Полученные зависимости режимных параметров ПГУ-ВЦГ от добавки водяного пара на вход ПГУ-ВЦГ (в газогенератор) могут быть использованы при разработке перспективной ПГУ для производства электрической и тепловой энергии с высокой эффективностью и минимальными выбросами вредных веществ.
Результаты исследования влияния водяного пара на поточную газификацию кузнецкого каменного угля получены и использованы в рамках НИР по гранту РФФИ No19-38-50071. Одномерная модель газогенератора использована при разработке опытно-промышленной печи для производства активированного угля методом паровоздушной газификации древесного угля.
Методология и методы исследования. В работе используются как общенаучные (теоретические и эмпирические), так и специальные методы исследования. Применяются методы анализа, синтеза, аналогии, сравнения и обобщения. Использованы основные теоретические положения термодинамики, тепло- и массообмена и физической химии. Физико-химические процессы при газификации твердого топлива и сероочистке синтез-газа рассматриваются

9
применительно к ПГУ-ВЦГ последовательно и совместно. В результате
объективно оценивается влияние подачи водяного пара на вход ПГУ-ВЦГ (в газогенератор) на ее эффективность. При исследовании паровоздушной газификации и горячей сероочистки проводятся поисковые эксперименты в широком диапазоне режимных параметров, затем с использованием математических моделей определяются зависимости параметров процесса от добавки водяного пара, которые в дальнейшем применяются при расчете ПГУ- ВЦГ. Экспериментальные исследования газификации угля выполнены на поточном реакторе ИТ СО РАН. Экспериментальные исследования разложения сорбента при взаимодействии с компонентами синтез-газа выполнены методом термогравиметрического анализа на приборе NETZSCH STA 449 F3 с масс- спектрометрическим анализом продуктов реакции на квадрупольном масс- спектрометре QMS 403C Aëolos. Модель газогенератора основана на расчете скорости гетерогенных реакций по диффузионно-кинетической теории и состава газа по термодинамическому равновесию. Расчет цикла ПГУ-ВЦГ проводится на основе материального и теплового баланса и теории термодинамических циклов. Расчеты выполнены в программе Microsoft Excel.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования влияния добавки водяного пара на развитие процесса воздушной газификации кузнецкого каменного угля в поточной установке.
2. Адаптированная и верифицированная модель двухступенчатого поточного газогенератора промышленного масштаба.
3. Результаты расчетного исследования влияния добавки водяного пара на процесс газификации каменного угля в промышленном поточном газогенераторе.
4. Результаты экспериментального исследования влияния состава синтез-газа на термическую устойчивость сорбента на основе оксида цинка и расчетная зависимость температуры процесса сероочистки синтез-газа от его состава.
5. Результаты расчетного исследования влияния подачи водяного пара в газогенератор на эффективность ПГУ с внутрицикловой газификацией угля.

10
Личный вклад автора. Общее направление работы задавалось совместно с
научным руководителем, проф., д.т.н. Рыжковым А. Ф. Автором лично проведен анализ научно-технической литературы, выполнено планирование, проведение, обработка и анализ результатов экспериментов по паровоздушной газификации кузнецкого каменного угля в модернизированной по плану автора поточной установке ИТ СО РАН и по разложению сорбента на основе оксида цинка при взаимодействии с компонентами синтез-газа на приборе термогравиметрического анализа NETZSCH STA 449 F3 УрФУ, выполнена модификация и верификация одномерной модели поточного двухступенчатого газогенератора, проведены расчеты паровоздушной газификации угля, сероочистки синтез-газа и цикла ПГУ- ВЦГ, выполнен анализ полученных результатов. Обсуждение результатов и формулирование окончательных выводов проводилось совместно с научным руководителем.
Степень достоверности результатов исследования. При выполнении расчетов использованы общепринятые методики и признанные эмпирические параметры и константы. При проведении экспериментальных исследований применялись апробированные методики измерений и высокоточные средства измерений, прошедшие метрологическую поверку, выполнялись параллельные серии экспериментов. Хорошее соответствие результатов расчетов и экспериментов при сопоставлении с литературными данными показывает высокую достоверность полученных результатов.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2017, 2018, 2019), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2017, 2019), Международной молодежной научной конференции «Физика. Технологии. Инновации» (Екатеринбург , 2018, 2019), Всероссийской специализированной научно-практической конференции молодых специалистов (с международным участием) «Современные технологии в энергетике» (Москва, 2018), VII Международном российско-казахстанском

11
симпозиуме «У глехимия и экология К узбасса» (Кемерово, 2018), Седьмой
российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2018), X Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2018), Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Системные исследования в энергетике» (Иркутск, 2019), 5th International Workshop on Heat/Mass Transfer Advances for Energy Conservation and Pollution Control (Новосибирск, 2019), Всероссийской конференции XXXVI Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск, 2020), XV Всероссийский симпозиум по горению и взрыву (Москва, 2020).
Публикации. По теме исследования опубликовано 10 научных работ в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК и Аттестационным советом УрФУ и входящих в международные системы цитирования Scopus и Web of Science. Получен 1 патент РФ на полезную модель.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника по пунктам:
Пункт 3 (из паспорта специальности). Исследование термодинамических процессов и циклов применительно к установкам производства и преобразования энергии.
Пункт 7 (из паспорта специальности). Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие смеси.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 191 источник, и девяти приложений. Диссертация изложена на 196 страницах, включает 66 рисунков и 46 таблиц.

12
Благодарности
Автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность к.т.н. Бутакову Е. Б. за организацию и помощь при проведении экспериментов в ИТ СО РАН; д.т.н. Тупоногову В. Г., к.т.н. Донскому И. Г., к.т.н. Абаимову Н. А., Каграманову Ю. А. за обсуждение результатов работы и ценные замечания; д. ф.-м. н. Стрижаку П. А. за неоценимый опыт, полученный при совместной работе; к.т.н. Козлову А. Н. и Осипову П. В. за обучение работе на приборе термогравиметрического анализа и полезные советы.
Автор глубоко признателен научному руководителю проф., д.т.н. Рыжкову А. Ф. и зав. каф. ТЭС УрФУ, доц, к.т.н. Богатовой Т. Ф. за всестороннюю поддержку и создание благоприятных условий для проведения научных исследований.