автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация режимов работы газогенератора плотного слоя для парогазовой мини-ТЭС

На правах рукописи

Донской Игорь Геннадьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРА ПЛОТНОГО СЛОЯ ДЛЯ ПАРОГАЗОВОЙ МИНИ-ТЭС

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005549571

г г идп гон

Иркутск - 2014

005549571

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук

(ИСЭМ СО РАН)

Научный руководитель - Кейко Александр Владимирович, доктор технических наук

Официальные оппоненты: Елсуков Владимир Константинович, доктор

технических наук, доцент, кафедра промышленной теплоэнергетики ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», доцент

Сушко Светлана Николаевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра теплоэнергетики ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», доцент

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится "27" июня 2014 года в 13® часов на заседании диссертационного совета Д003.017.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 130, каб. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: ул. Лермонтова, 130, каб. 407, и на сайте: http://sei.irk.ru/dissert/counsil 1

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д003.017.01

доктор технических наук, профессор Клер Александр Матвеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования связана с перспективами применения технологий газификации для энергетики. Внедрение газогенераторов может стать решением некоторых задач малой и распределенной энергетики за счет возможности получать электроэнергию на местном твердом топливе (бурые угли, биомасса и т.д). Проектирование и разработка газогенераторов эмпирическим путем требует больших временных и материальных затрат. Для того, чтобы сократить эти затраты, необходимо комбинировать методы физического и математического моделирования. Важной задачей является построение инженерной методики расчета газогенератора, которая позволила бы существенно упростить переход от установок лабораторных масштабов к промышленным. Такая методика позволит более реалистично подходить к оценке эффективности технологий газификации на стадии предпроектных разработок и анализировать конкурентоспособность при рассмотрении альтернативных технологий. Основой для такой методики должны стать, безусловно, физико-химические модели процессов газификации твердых топлив - термодинамические и диффузионно-кинетические. Существующие модели обладают рядом недостатков: это большое количество нужной для расчета информации и высокая вариабельность кинетических параметров для диффузионно-кинетических моделей; низкая информативность и переоценка степени завершенности химических реакций для традиционных термодинамических моделей.

Диссертация посвящена разработке и применению термодинамической модели «гибридного» типа, которая включает макрокинетические ограничения на скорость гетерофазных реакций твердого топлива в плотном слое. При этом удается существенно упростить задачу, сохранив при этом возможности диффузионно-кинетических моделей за счет разбиения слоя на последовательность элементарных объемов, в каждом их которых решается задача поиска промежуточного равновесия.

Степень разработанности научной проблемы. Простейшие варианты задачи расчета газогенератора путем физико-химического моделирования для слоя чистого углерода были решены (и доведены до простых инженерных формул) З.Ф. Чухановым, Б.В. Канторовичем, Х.И. Колодцевым и В.В. Померанцевым в 40-60-х годах 20-го века. Однако упрощенность теоретических предпосылок и сложность учета в рамках диффузионно-кинетических моделей выхода летучих и их дальнейших превращений потребовали использования методов вычислительной математики (НоЬЬэ, Эс Зоига-ваМог, ГЛ В1аз1). Более сложные модели, однако, не всегда дают адекватные результаты и часто требуют для обеспечения согласия с экспериментом эмпирической «настройки». Большое число «настроечных» параметров превращает их в ас1 Иос-

инструменты, которые хорошо объясняют наблюдаемые явления лишь в узких диапазонах условий.

Автор в диссертационном исследовании основывается на подходе, развиваемом в лаборатории термодинамики ИСЭМ СО РАН (модели экстремальных промежуточных состояний, МЭПС). Это равновесные модели, которые могут учитывать ограничения на скорость процессов переноса и химическую кинетику. Их использование позволяет сократить число кинетических параметров, которые являются наиболее неопределенными величинами для процессов, детальный механизм которых малоизучен (гетерогенные реакции твердых топлив являются как раз такими процессами). Кроме того, применение МЭПС позволяет свести физико-химическую задачу к задаче на экстремум термодинамического функционала с дополнительными макрокинетическими ограничениями. Такие модели неоднократно использовались для термодинамического анализа процессов горения (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов). Естественно предположить, что МЭПС будут эффективны и при решении задач неполного сжигания.

Цели и задачи диссертационного исследования:

Целью работы является разработка и применение вычислительного инструмента для предпроектного исследования процессов и режимов слоевой газификации твердых топлив в плотном слое. В соответствии с целью работы были поставлены задачи:

1) построение математической модели процесса слоевой газификации твердых топлив;

2) верификация модели с использованием имеющихся экспериментальных данных;

3) применение этой модели для расчета режимов работы слоевого газогенератора в составе мини-ТЭС.

Объект и предмет исследования. Объектом моделирования является обращенный процесс газификации твердого топлива в плотном слое. Предметом моделирования является совокупность физико-химических процессов, протекающих в слое топлива, включая процессы переноса.

Научная новизна результатов исследования.

1. Предложен новый подход к моделированию физико-химических превращений в распределенных системах, в соответствии с которым реакционный объем разбивается на значительное число малых («элементарных») объемов, связанных между собой материальными и тепловыми потоками. Расчет физико-химического процесса проводится в два этапа. На первом этапе решается система уравнений, выражающая материальный и тепловой балансы всей совокупности «элементарных» объемов. На втором этапе рассчитывают состояния термодинамического равновесия в каждом из объемов. Между двумя этапами осуществляется итерационная увязка. Подход развит на основе работ по термодинамическому моделированию

необратимых процессов с помощью МЭПС и применен для создания модели слоевой газификации угля.

2. Разработан эффективный численный алгоритм, реализующий данный подход для расчета стационарных режимов работы газогенератора. Предложен способ корректировки расхода топлива в процессе расчета для достижения заданной степени конверсии топлива на выходе. Интенсивность процесса по топливу, таким образом, становится величиной определяемой, а не задаваемой из опыта. Такой алгоритм позволяет находить оптимальные режимы работы газогенератора без проведения обширных вариантных расчетов.

3. С помощью созданной модели получены расчетные оценки технико-экономических показателей парогазовой мини-ТЭС с газовой турбиной, работающей на продуктах газификации угля.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новая модификация термодинамических моделей, разработанная на основе предложенного подхода применительно к процессу газификации твердого топлива в плотном слое.

2. Результаты численного моделирования газификации твердых топлив в плотном слое.

3. Технологическая схема ПГУ-STIG малой мощности с газификацией угля и результаты оптимизационных расчетов этой установки.

Научное и практическое значение работы состоит в том, что построенная модель может быть использована в качестве основы для создания инженерных методов расчета газогенераторного оборудования. С ее помощью можно получить оценки важных при проектировании газогенераторов параметров, таких как размеры реакционных зон, расходы дутья и топлива, качество генераторного газа, тепловые потоки в реакторе и т.д. Использование этих оценок вместо экспериментально получаемых значений позволит сократить затраты при создании подобных энергоустановок. Результаты расчетов газогенераторной установки в составе оборудования малой ТЭЦ позволит дать технико-экономическое обоснование аналогичным проектам.

Личный вклад автора: Постановка задачи и выбор основных направлений ее решения проводился автором совместно с д.т.н. A.B. Кейко и к.х.н. В.А. Шаманским. Автором разработан подход для описания гетерогенных превращений твердого топлива, а также реализован численный алгоритм для расчетов с помощью полученной модели. Расчеты на модели проводились также лично автором. Структура модели разработана автором совместно с коллективом лаборатории. Экспериментальные исследования проводились совместно с Д.А. Свищевым и А.Н. Козловым.

Разработка технологической схемы ПГУ-STIG и оптимизационные исследования этой установки проводились совместно с к.т.н А.Ю. Маринченко.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2010-2014 гг); на 39-ой конференции Североамериканского термоаналитического общества (De Moines, Iowa, 2011); на 15-ом международном конгрессе «ICTAC» (International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry, Higashi-Osaka, Japan, 2012); на 11 -ой международной конференции «Sustainable Energy Technologies» (Vancouver, Canada, 2012); на 8-ой Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012); на 8-ом Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013).

Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, перечень которых приведен в конце автореферата. В том числе 2 работы опубликованы в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах текста, включающего 33 рисунка и 7 таблиц, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 292 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий обзор рассмотренной в диссертации проблемы, выделены актуальность работы и новизна результатов исследования, дается краткое описание структуры и содержания работы.

В первой главе представлен обзор литературы по следующим направлениям: 1) современные процессы и проекты газификации твердых топлив; 2) макрокинетика и механизмы гетерогенных реакций твердого топлива; 3) физико-химическое моделирование процессов газификации твердых топлив; 4) развитие методов термодинамического моделирования применительно к анализу промежуточных состояний в теплоэнергетике. Предложена классификация моделей газификации твердых топлив (независимо от способа организации процесса) на эмпирико-балансные, кинетические, термодинамические и гибридные (сочетающие черты нескольких классов моделей). Показано, что основой кинетических моделей газификации твердых топлив является диффузионно-кинетическая теория горения чистого углерода, для наиболее полного описания процесса газификации в рамках диффузионно-кинетической теории необходимо знать большое число характеристик (пористая структура, реакционная поверхность, кинетические параметры и т.д.), однако эти характеристики часто являются функцией процесса, поэтому их исследование в лабораторных условиях может дать иную картину по сравнению с условиями реальных установок. H связи с этим детальный механизм реакций газификации не

исследован в достаточной степени, чтобы дать общую кинетическую модель химических превращений на поверхности топлива, а кинетические константы становятся главным источником неопределенности при моделировании процессов газификации. Пиролиз имеет значительное влияние на ход процесса газификации низкосортных твердых топлив, но его кинетическое описание также наталкивается на недостаточную исследованность твердофазных реакций твердых топлив. Попытки построить детальные кинетические модели пиролиза твердых топлив приводят к большому числу кинетических констант. Термодинамические модели удобны для описания процессов газификации твердых топлив, поскольку не требуют информации о кинетике и механизмах элементарных процессов. Однако традиционные термодинамические модели позволяют исследовать только состояние полного равновесия, которое в реальности достигается редко. Модифицированные термодинамические модели, в которых используются эмпирические зависимости без попытки выяснить их физический смысл, являются ad hoc инструментами. В отличие от них, МЭПС позволяют исследовать промежуточные равновесные состояния физико-химических систем с учетом ограничений на физическую и химическую кинетику. Уже имеется опыт применения моделей экстремальных промежуточных состояний для описания процессов горения, который может быть перенесен и на процессы неполного сжигания.

Вторая глава посвящена разработке термодинамической модели для расчета газообразования в объеме слоя достаточно малом, чтобы изменением температуры и давления в нем можно было пренебречь. Модель записывается следующим образом:

Найти minG(x)=G(xe'),

при условиях:

Ах = Ь,

, V/,

.v. „

G(x) = £>,

Здесь х - вектор химического состава системы, моль; в(х) - энергия Гиббса газовой фазы рассматриваемой системы, Дж; А, Ь - стехиометрическая матрица и вектор элементного состава

газовой фазы; - множество газообразных компонентов системы; - химический потенциал

]-го компонента, Дж/моль; а = - сумма молей газообразных компонентов системы, моль.

к

Равновесие в газовой фазе считается установившимся при заданном состоянии твердой фазы (топлива). Ограничение на массу топлива в малом объеме записывается следующим образом:

т' >т'0 -Ат'(х,Г,т,&

где то - начальная масса топлива, кг; Атг - масса органической части топлива и влаги, перешедшая в газовую фазу в результате сушки, пиролиза и газификации за время прохождения газа через слой, кг: Ат' - Атнр + Ат'^ + Ат{тГ. Эта величина зависит от химического состава

газовой фазы (х) и степени превращения топлива температуры (Г) и времени контакта газа с топливом (т).

При гетерогенных превращениях часть химических элементов топлива переходит в газовую фазу. Этим изменением элементного состава газовой фазы (вектора Ь) учитывается макрокинетика реакций топлива с дутьем. Зависимость между элементным составом и степенью конверсии топлива задается из экспериментальных данных, полученных с помощью термического анализа. Ниже приведены формулы для расчета скоростей гетерогенных процессов - сушки, пиролиза куска топлива с учетом неравномерного прогрева, реакций топлива с газами:

Ат"'0 - тр5(С^0 -СН;0),

Ат*"* = Мг£х° (1 -ехр(-5^т/К)).

I

Здесь т - время прохождения газа через слой, с; р - коэффициент внешнего массообмена

частиц в слое, м/с; Э - площадь поверхности частиц в слое, м2; сн,<> - концентрация паров воды в

газовом потоке, кг/м3; сн,о - равновесная концентрация паров воды при данном давлении и

температуре, кг/м3; - масса топлива после выхода летучих, кг; кпг - константа скорости пиролиза, с"'; ЬЛГ — молекулярная масса топлива, кг/моль; V - порозный объем слоя; - количество газообразного окислителя в этом объеме, моль; константы скорости гетерогенных реакции определяются из известного выражения диффузионной кинетики:

, ехР

Т л,

где Е- энергия активации, А, - предэкспоненциальный множитель константы скорости гетерогенной реакции су'-м окислителем.

При обработке термогравиметрических данных получены значения кинетических констант реакций азейского угля с кислородом, двуокисью углерода и водяным паром (табл. 1).

В главе также обсуждаются вопросы, связанные с аппроксимацией теплофизических свойств газа и топлива. Для смеси газов принимается аппроксимация вязкости и теплопроводности свойствами чистого азота, что вполне применимо для газа воздушной

к/ у

/ РТ

газификации, содержащего около 50% азота. Свойства топлива рассчитывают но опытным данным, полученным разными авторами.

Таблица 1

Кинетические константы гетерогенных реакций азейского угля, полученные методом термического анализа

Окислитель Предэкспоиенциальный множитель Энергия активации, кДж/моль

о2 4.88x10Ь м/с 177

со2 2.48x10" м/с 265.6

н2о 1.76x10" м/с 180

Пиролиз 3.38хЮ5 с'1 113.3

В третьей главе обсуждается модель газификации твердых топлив в плотном слое с учетом процессов теплопередачи в слое. Математическая модель теплопереноса в слое топлива может бьггь записана следующим образом:

pp-TS лт? _ 2а

(г*- r')--f (г*-Т') = о ,

Здесь индексы/ g, w, env обозначают принадлежность величины к характеристикам топлива, газа, стенки реактора и окружающей среды соответственно; индекс rad означает, что коэффициент теплопередачи относится к лучистому теплообмену, т.е. а'ы = eor , где е - коэффициент черноты, or — постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2/К4, Я — коэффициент теплопроводности, Вт/м/К; ср — удельная теплоемкость, Дж/кг/К; J - удельный массовый поток, кг/м2/с; Q - источник теплоты,

Вт/м ; а - коэффициент межфазного теплообмена,

Вт/м2/К; sa

- удельная внешняя поверхность топлива, м2/кг; р/- насыпная плотность топлива, кг/м3; R - радиус реактора, м; / - координата, направленная по оси реактора, м.

Для численных расчетов была составлена разностная схема. Значения коэффициентов теплопередачи приняты по рекомендованным в литературе данным. В узлах этой схемы протекают химические реакции, состав продуктов которых рассчитывается с помощью равновесной модели, развитой в предыдущей главе. Решение задачи стационарного распределения

температур и концентраций по высоте слоя находится итерационно (схожий алгоритм предложен В.И. Ковенским).

Рис. 1. Алгоритм для решения задачи с одновременными шагами по температуре и расходу топлива.

I

На каждой итерации попеременно решаются подзадачи расчета состава системы (расчет промежуточных равновесий в узлах сетки) и распределения температуры (решение задачи стационарного теплообмена при заданных источниках теплоты). Для решения первой подзадачи используется метод Ширкалина (модификация метода внутренних точек), для решения второй | подзадачи - метод Ньютона с коррекцией шага. Итерации заканчиваются, когда два последующих > решения отличаются по температуре меньше, чем на некоторую заданную величину (метод 1 релаксации). Рассматриваются различные варианты алгоритма, в т.ч. алгоритмы, которые ? позволяют рассчитать расход топлива при заданных условиях (при постоянном расходе дутья и | внешних тепловых источниках). Пример такого алгоритма приведен на рис. 1. Проводится 1 эмпирическая оптимизация алгоритма по независимым параметрам метода. Пример расчета слоевой газификации угля с помощью модели приведен на рис. 2. !

В четвертой главе приводятся данные натурного эксперимента по стационарному ! распределению температуры в слое инертных частиц и по паровоздушной газификации азейского, полученные на лабораторном стенде. Эти данные использованы для верификации модели теплообмена (выяснение условий теплообмена установки с окружающей средой) и для модели ,

газификации в плотном слое, развитой в предыдущей главе. Для натурного воспроизведения газификации использовался лабораторный стенд с реакционной зоной в виде цилиндра высотой 49 см и диаметром 8 см. В качестве топлива использовали азейский бурый уголь (фракция 4-6 мм). Характеристики экспериментов приведены в табл. 2. Достаточно точно модель предсказывает установившийся расход топлива (рис. 3).

Рис. 2. Расчетные кривые, характеризующие стационарное состояние процесса газификации: а - температурные профили, б - состав газа (% об.), в - степень конверсии топлива, г - источники теплоты (в % от теплотворной способности топлива). По оси абсцисс - расстояние от фурм.

Таблица 2

Экспериментальные режимные параметры

Условный номер эксперимента Расход воздуха, нм3/ч Расход пара, кг/ч Температура дутья, °С Степень конверсии топлива на выходе, %

103.2 1.38 0.12 368 60

104.1 0.90 0.09 373 75

104.2 1.14 0.10 387 73

105.1 1.64 0.15 339 71

105.2 1.90 0.17 340 76

106.1 0.75 0.07 342 55

106.2 1.40 0.13 365 67

£ 240 7<Ч'

|

=1 220 71 ♦ /

I 200 60

а

х 180 о: х

| 160 ф

и

£ 140

х

ф

| 120 CL

1 100

67

У

У

У

У

у

У

♦^3

/ ♦ 75 ♦ 55

100 120 140 160 180 200 220 240 Напряжение сечения из эксперимента, кг/м2/ч

Рис. 3. Сравнение рассчитанных и измеренных в опыте значений расхода топлива (число рядом с точкой - степень конверсии топлива на выходе из слоя).

Сравнение рассчитанных и измеренных значений температуры по высоте слоя показывает удовлетворительное совпадение (рис. 4).

Теоретический состав газа (табл. 3) качественно соответствует экспериментальному. Различие объясняется рядом причин, в том числе - неучтенными реакциями продуктов пиролиза, таких как смолистые вещества и углеводороды. Проведенное сравнение расчетных и измеренных данных позволяет сделать вывод о том, что разработанная модель достаточно реалистично описывает процесс слоевой газификации угля. Поэтому далее модель применяется для расчета режимов газификации угля при производстве электроэнергии на парогазовой установке малой мощности.

103.2

104.2

105.2

106.2

104.1

105.1

106.1

Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчетных температурных профилей: экспериментальные данные отмечены ромбами, расчетные - сплошными кривыми (по оси абсцисс - расстояние от места подачи дутья в слой, м; по оси ординат - температура газовой фазы, К).

Таблица 3

Расчетные и измеренный состав генераторного газа в различных экспериментальных

условиях (изм./расч.)

Условный номер эксперимента Состав газа', % об.

н2 Оя N2 СО СН4 со2 с,н4 С2Н6

103.2 11.86 18.58 2.59 0.00 55.09 47.09 11.28 16.23 1.89 1.01 12.09 10.86 0.73 0.00 1.32 0.00

104.1 12.84 17.64 2.53 0.00 52.48 47.96 12.07 10.54 2.03 1.37 12.84 13.55 0.73 0.00 1.32 0.00

104.2 13.99 18.45 2.66 0.00 52.68 46.50 14.73 17.41 0.00 1.46 10.74 10.65 0.73 0.00 1.32 0.00

105.1 16.73 18.01 2.83 0.00 49.40 47.59 14.07 17.13 1.98 0.72 10.80 10.62 0.73 0.00 0.30 0.00

105.2 14.16 19.09 3.17 0.00 52.22 46.18 15.02 18.39 1.38 0.59 10.08 9.89 0.73 0.00 0.08 0.00

106.1 12.54 14.66 2.94 О.ОО 56.71 49.20 8.53 14.85 1.24 3.07 14.40 13.15 0.00 0.00 0.47 0.00

106.2 13.77 19.17 3.17 0.00 Ш5 46.50 13.94 15.91 Ш 0.95 10.77 10.88 0.73 0.00 0.23 0.00

Пятая глава посвящена применению разработанной модели слоевой газификации при оптимизации ПГУ-БТЮ, работающей на продуктах газификации угля. Предложена схема такой установки (рис. 5). Основные отличия от предложенных ранее схем заключаются в использовании газогенератора, работающего при атмосферном давлении, что требует установки компрессора генераторного газа для его подачи в камеру сгорания газовой турбины. Это позволяет упростить конструкцию газогенератора и его эксплуатацию. Кроме того, для упрощения технологической схемы не предусмотрена установка предвключенной перед камерой сгорания паровой турбины. В данной схеме компрессор подает предварительно подогретый воздух в газогенератор, где происходит слоевая газификация угля. Полученный генераторный газ поступает в систему теплообменников, где охлаждается до температуры, при которой возможно его очистка. На стадии очистки из газа удаляются твердые частицы и нежелательные примеси (смола, соединения серы), после чего газ отправляется в камеру сгорания газовой турбины. После расширения в газовой турбине продукты сгорания генераторного газа поступают в систему теплообменников, в которых генерируется водяной пар. Пар, полученный при охлаждении продуктов газификации и продуктов сгорания, смешивается и впрыскивается в камеру сгорания для частичной регенерации теплоты уходящих газов и уменьшения генерации оксидов азота. Такая организация процесса позволяет увеличить КПД установки без значительных затрат, которые неприемлемы для малых мощностей.

На основе предложенной схемы с помощью разработанного в ИСЭМ СО РАН программного комплекса СМПП была построена математическая модель ПГУ-ЭТЮ, позволяющая

проводить оптимизацию по значениям расходных и термодинамических параметров в узлах установки.

Рис. 5. Схема установки с газовой турбиной, работающей на продуктах газификации угля. Обозначения: В - воздухонагнетатель, КВ- воздушный компрессор, ГГ - газогенератор, TOI -радиационный испаритель, Т02, Т06 - водяной экономайзер, ТОЗ, Т04 - пароперегреватель, Т07

— воздухоподогреватель, II - питательный насос, С - сепаратор, СМ - смеситель, ЗУ - сухой золоуловитель, CK - система мокрой очистки газа, КГ - компрессор генераторного газа, КС -камера сгорания, ГТ - газовая турбина; 1 - воздух, 2 - уголь, 3 - вода после химической очистки, 4

- отходящие газы.

Общая запись задачи оптимизации параметров установки может быть записана следующим образом:

Найти min F(xy^о),

при условиях:

Щх.у^о), G(xy,sо),

х>х>х.

Здесь F - целевая функция, х - вектор оптимизируемых параметров, у - вектор вычисляемых параметров, so - вектор исходных данных, G(x,y,So) - векторая функция ограничений-неравенств, H(x,y,so) - векторная функция ограничений-равенств, X, х -минимальная и максимальная граница вектора .г.

Решаются следующие задачи оптимизации:

1) минимизация удельного расхода топлива на единицу произведенной электроэнергии;

2) минимизация цены электроэнергии при цене топлива 100 долл./т.у.т. и заданной величине внутренней нормы возврата (IRR), равной 15%;

3) минимизация цены электроэнергии при цене топлива 200 долл./т.у.т. и IRR = 15%.

Результаты оптимизационных расчетов получены для установки, перерабатывающей 2 тонны в час угля с техническими характеристиками: Wp = 10%; Ad = 17%; Cdaf = 77.4%; Hdaf = 4.6%; Oiai = 18%; QBb,cnl - 21.7 МДж/кг; Vdaf = 44%; средний размер частиц 30 мм. Геометрические размеры реакционной зоны газогенератора заданы постоянными для всех расчетов (высота слоя 2 м, площадь сечения аппарата 3.14 м2). Предполагается, что установка работает 7000 часов в год в базовом режиме с производством только электроэнергии. Некоторые значения оптимизируемых параметров приведены в табл. 4. В расчете использовались две модели газогенератора - модель, основанная на методике, изложенной в настоящей диссертации (модель 1), и модель конечного термодинамического равновесия (модель 2). Использование двух моделей дает возможность оценить, насколько предлагаемая методика расчета газогенератора позволяет уточнить оптимальное решение по установке по сравнению с традиционной моделью.

Из табл. 4 видно, что при использовании при расчете газогенератора модели конечного равновесия оценки технико-экономических показателей получаются завышенными (на величину около 20% для полезной мощности и удельного расхода топлива, 10% для цены электроэнергии), что говорит о целесообразности использования методики расчета, изложенной в настоящей работе, при предпроектных исследованиях.

Для сравнения с технологией газификации были проведены расчеты для оценки технико-экономических показателей дизельной электростанции и паротурбинной установки со сжиганием угля при одинаковых экономических условиях (для IRR=15%). Полученные значения цены электроэнергии приведены в табл. 5. Проведенный расчет показывает, что цена электроэнергии для дизельной электростанции является наибольшей среди выбранных вариантов. Даже при том, что КПД преобразования энергии у дизель-генераторов выше, а удельные капиталовложения ниже, чем для других рассмотренных вариантов, затраты на топливо «съедают» технические преимущества таких установок и заставляют задуматься о других технологиях.

Сжигание и газификация угля позволяют получать электроэнергию по сопоставимым ценам, однако при одинаковой цене топлива производство электроэнергии на парогазовой установке оказывается выгоднее. Это связано с большей эффективностью парогазового цикла по сравнению с паровым (при расчете принимались параметры пара на выходе в турбину 35 атм и 435°С). Поскольку для м&чых паротурбинных установок переход на высокие параметры пара

встречает ряд трудностей, применение парогазового цикла становится перспективным направлением для установок малых мощностей.

Таблица 4

Оптимальные параметры установки ПГУ-БТЮ с внутрицикловой газификацией угля

Величина Размерность тах КПД тт Цээ

100 долл./т.у.т. 200 долл./т.у.т.

1 | 2 1 2 1 2

удельный расход воздуха на газификацию угля кг/кг 3.61 2.70 3.53 2.70 3.52 2.70

расход воздуха на входе в реакционную камеру кг/с 2.00 1.50 1.96 1.50 1.95 1.50

температура воздуха на входе в реакционную камеру К 305 326 403 416 400 410

температура газа на выходе из газогенератора К 1004 1065 1002 1108 1001 1106

температура газа на выходе из турбины К 964 952 960 945 956 947

площадь теплообменных поверхностей для охлаждения продуктов газификации м2 177 576 86 125 87 124

площадь теплообменных поверхностей для охлаждения продуктов сгорания м2 801 656 169 162 153 189

температура выхлопных газов К 327 344 405 421 407 414

полезная мощность установки МВт 4.03 5.02 3.81 4.73 3.84 4.74

удельные капиталовложения тыс. дол ./МВт 2156 1960 2115 2008 2122 2008

цена электроэнергии цент/кВт-ч 13.32 11.83 11.91 10.78 15.58 13.75

удельный расход топлива т.у.т./МВт-ч 0.351 0.282 0.371 0.298 0.368 0.298

Таблица 5

Принятые технико-экономические показатели и стоимость электроэнергии для дизельной

электростанции и электростанции со сжиганием угля

Характеристики варианта Размерность Дизельная Паротурбинная

ЭС угольная ЭС

удельные капиталовложения тыс. долл./МВт 700 2000

КПД % 40 25

цена топлива долл./т.у.т. 600 100 200

цена электроэнергии цент/кВтч 21.06 12.4 17.39

Таким образом, уточненные с помощью разработанной в диссертационном исследовании модели характеристики мини-ТЭС позволяют сделать вывод о конкурентоспособности парогазовых установок с газификацией угля среди теплоэнергетических установок малых мощностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен подход к описанию газификации в плотном слое путем представления процесса в виде последовательности равновесных состояний, определяемых условиями баланса потоков. Разработана математическая модель, учитывающая пространственную неоднородность процессов в частице топлива и в слое. Разработаны численные алгоритмы, которые позволяют использовать модель для расчетов режимных характеристик процесса газификации, таких как напряжение сечения по топливу.

2. Проведено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными. Показано, что модель адекватно воспроизводит картину процессов как в инертном слое, так и в слое топлива. Расчетные значения напряжения сечения процесса по топливу находятся в хорошем соответствии с измеренными. Состав газа воспроизводится моделью качественно.

3. Построенная модель газогенератора применена для оптимизационных расчетов ПГУ-ЭТЮ по техническому и экономическому критериям. Показано, что применение модели автора уточняет оптимальное решение в сравнении с традиционно используемыми моделями конечного равновесия. Проведено сравнение цены электроэнергии, полученной с использованием разных технологий (дизель-генератор, паротурбинная установка со сжиганием угля, парогазовая установка с газификацией угля), показано, что технологии газификации могут составить конкуренцию традиционным технологиям за счет возможности применения более эффективного парогазового цикла на продуктах газификации дешевого топлива.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах аз списка, рекомендованного ВАК

1. Исследование управляемости процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / A.B. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Теплоэнергетика. - 2012. - № 4. -

C. 40-47.

2. Расчет режимов слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями / И.Г. Донской, A.B. Кейко, А.Н. Козлов и др. // Теплоэнергетика. - 2013. - № 12. - С. 56-61.

Публикации в зарубежных журналах, индексируемых в системах Scopus и Web of Science Thermal analysis in numerical thermodynamic modeling of solid fuel conversion / A. Kozlov, D. Svishchev, I. Donskoy, A.V. Keiko // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2012. - V. 109. -No. 3.-P. 1311-1317.

Публикации в других изданиях и трудах конференций

1. Донской И.Г. Интерпретация термоапатитических данных с использованием термодинамических моделей // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - С. 149-154.

2. Управляемость процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / A.B. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Газогенераторные технологии в энергетике / Под ред. А.Ф. Рыжкова. - Екатеринбург: Сократ, 2010. - С. 483-495.

3. Донской И.Г., Козлов А.Н. Влияние газофазной химии на результаты термоаналитических измерений // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 41. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - С. 104-110.

4. Thermal analysis for numerical thermodynamic modeling of solid fuel conversion / A. Kozlov,

D. Svishchev, I. Donskoy, A.V. Keiko // Technical Program of the 39th North American Thermal Analysis Society Conference (August 7-10, 2011 - De Moines, Iowa) [Электрон, ресурс]. - De Moines: NATAS, 2011. - Электрон, опт. диск (CD-ROM).

5. Донской И.Г. Пространственно неоднородная МЭПС газификации угля // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 42. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012.-С. 118-125.

6. Равновесная модель слоевой газификации угля с распределенными параметрами / И.Г. Донской, В.А. Шаманский, A.B. Кейко и др. // Горение твердого топлива: Доклады VIII Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 13-16 ноября 2012 г. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012.-С. 39.1-39.8.

7. Донской И.Г., Шаманский В.А. Численное исследование процесса газификации угля и влияния режимных параметров на его интенсивность // Горение твердого топлива: Доклады VIII Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 13-16 ноября 2012 г. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012.-С. 38.1-38.7.

8. Донской И.Г., Шаманский В.А. Численное исследование процесса газификации угля и влияния режимных параметров на его интенсивность // Энергосбережение и энергоэффективность экономики Кузбасса. - 2012. -№ 12. - С. 27-31.

9. Studying the controllability of processes for thermochemical conversion of solid fuel in a bed / A.V. Keiko, D.A. Svishchev, A.N. Kozlov, I.G. Donskoi // Thermal Engineering. - 2012. - V. 59. - No. 4. - P. 302-309.

11. 12. Kinetics of thermochemical conversion of Azeisky coal / A. Kozlov, D. Svishchev, I. Donskoy, A.V. Keiko // 15th International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry (20-24 August 2012 in Kinki Univ., Higashi-Osaka, Japan). Technical program [Электронный ресурс]. - Higashi-Osaka: Kinki University, 2012. - Электрон, опт. диск.

12. Донской И.Г., Свищев Д.А. Расчет слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып. 43. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2013. - С. 104-110.

13. Calculation of the fixed bed coal gasification regimes by the use of thermodynamic model with macrokinetic constraints / I.G. Donskoi, A.V. Keiko, A.N. Kozlov et al. // Thermal Engineering. -2013. - V. 60. - No. 12. - P. 904-909.

Отпечатано в ИСЭМ СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130 Заказ № 59, тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное учреждение пауки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201459297

Донской Игорь Геннадьевич

Моделирование и оптимизация режимов работы газогенератора плотного слоя для

парогазовой мини-ТЭС

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. А.В. Кейко

Иркутск 2014

Оглавление

Введение.................................................................................................................................4

1 Газификация твердых топлив и подходы к ее математическому описанию..............11

1.1 Газификация твердых топлив...................................................................................1 ]

1.2 Эмпирико-балансные методики расчета процесса газификации..........................18

1.3 Кинетические модели горения и газификации твердых топлив...........................21

1.4 Термодинамическое моделирование термохимической конверсии твердых топлив................................................................................................................................41

1.5 Термодинамические модели с учетом макрокинетики в явном виде...................47

2 Термодинамическая модель обращенного газогенератора с макрокинетическими ограничениями.....................................................................................................................52

2.1 Модель промежуточного равновесия в слое топлива............................................52

2.2 Описание кинетики сушки, пиролиза и газификации твердого топлива.............57

2.3 Теплофизические свойства топлива и газа..............................................................67

3 Разработка вычислительного алгоритма........................................................................72

3.1 Модель теплообмена в слое твердых частиц при фильтрации газа......................72

3.2 Структура вычислительного алгоритма..................................................................82

3.3 Алгоритм для расчета расхода топлива при заданной степени конверсии..........86

4 Верификация модели с использованием экспериментальных данных.......................93

4.1 Экспериментальные измерения и численное моделирование распределения температур в инертном слое, продуваемом горячим газом.........................................93

4.2 Экспериментальные измерения и численное моделирование обращенного процесса паровоздушной газификации азейского угля.............................................100

5 Оптимизационные исследования ГЕГУ-БТЮ малой мощности с внутри цикловой газификацией угля.............................................................................................................106

5.1 Упрощенная модель газогенератора для оптимизационных расчетов ПГУ......108

5.2 Технологическая схема ПГУ-БТЮ........................................................................111

5.3 Постановка задачи оптимизации............................................................................114

2

5.4 Результаты оптимизационных расчетов................................................................115

5.5 Сопоставление экономической эффективности ПГУ-8ТЮ с газификацией угля малой мощности с альтернативными вариантами энергоустановок мини-ТЭС.....119

Список литературы............................................................................................................122

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 по 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

затруднен или малоэффективен. В связи с этим ограничена оправданная мощность газогенератора для переработки низкосортного твердого топлива - как правило, до 25 МВт. В условиях работы для нужд мелких потребителей такие установки должны быть неприхотливыми, т.е. работать эффективно при низких требованиях к обслуживанию, а желательно - в автоматическом режиме, при этом иметь приемлемую стоимость.

Проблема, которая стоит перед разработчиками оборудования для проведения газификации, состоит в отсутствии надежных инженерных методик расчета газогенераторного оборудования. По этой причине при разработке газогенераторов неоправданно большое значение имеет эмпирический подход, а предварительные технико-экономические исследования таких установок не позволяют адекватно оценить их потенциал. Для полного сжигания такие методики общеизвестны, поскольку состав продуктов достаточно просто оценить. В случае газификации состав продуктов определяется физико-химией протекающих процессов. Поэтому разработка математических моделей на основе анализа физико-химических особенностей процесса газификации и поиск новых подходов к их описанию является актуальной научной задачей, решение которой может существенно ускорить этапы проектирования таких установок. Проблемам разработки инженерных методик расчета слоевого горения углерода посвящены работы З.Ф. Чуханова, Х.И. Колодцева, Б.В. Канторовича, В.В. Померанцева. Моделированием процесса газификации реальных гоплив занимались такие исследователи, как М.Ь. НоЬЬб, С. В1а51, М.Ь. Ое Зоига-БапШБ, С.Г. Степанов и др.

Процессы превращения топлива в газообразные продукты обычно описывают с помощью приближенных кинетических схем, для которых характерна громоздкость, а иногда и несоответствие физической стороне явлений. Это связано с недостаточной разработанностью теории гетерогенных явлений при горении и газификации твердого топлива. Более простые модели - термодинамические - могут быть применены при соответствующем учете макрокинетических особенностей.

В настоящей работе предлагается гермодинамико-кинетическая модель процесса газификации, которая позволяет учесть кинетику горения топлива в условиях фильтрации окислителя через слой твердого топлива, при этом не требует

большого числа эмпирических коэффициентов за счет использования равновесных аппроксимаций для описания процессов, детальный механизм которых неизвестен. Данная модель построена с применением в лаборатории термодинамики ИСЭМ СО РАН подхода к равновесному моделированию необратимых процессов (модели экстремальных промежуточных состояний).

Результаты диссертационной работы находятся в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ (Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и перечнем критических технологий РФ (Технологии новых и возобновляемых источников энергии; Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе).

Цель диссер/псщнонного исследования

Целью работы является разработка вычислительного инструмента для предпроектного исследования процессов и режимов слоевой газификации твердых топлив. В соответствии с целыо работы были поставлены задачи:

1) построение термодинамической модели процесса слоевой газификации твердых топлив;

2) верификация модели с использованием имеющихся экспериментальных данных;

3) применение этой модели для расчета режимов работы слоевого газогенератора в составе мини-ТЭС.

Научная новизна

1. Предложен новый подход к моделированию физико-химических превращений в распределенных системах, при котором процесс рассматривается сначала как система тепловых и материальных потоков, а затем как последовательность равновесных состояний. Подход развит на основе работ по термодинамическому моделированию необратимых процессов с помощью МЭПС и применен для создания модели слоевой газификации угля.

2. Реализован численный алгоритм для расчета с помощью модели стационарных режимов работы газогенератора. Предложен способ корректировки расчетного расхода топлива для достижения заданной степени конверсии топлива на

выходе. Интенсивность процесса по топливу, таким образом, является величиной определяемой, а не задаваемой из опыта. Такой алгоритм позволяет находить оптимальные режимы работы газогенератора без проведения обширных вариантных расчетов.

3. С помощью созданной модели получены расчетные оценки технико-экономических показателей парогазовой мини-ТЭС с газовой турбиной, работающей на продуктах газификации угля.

Положения, выносимые на защиту

1. Новая модификация термодинамических моделей, разработанная на основе предложенного подхода применительно к процессу газификации твердого топлива в плотном слое.

2. Результаты численного моделирования газификации твердых топлив в плотном слое.

3. Технологическая схема ПГУ-STIG малой мощности с газификацией угля и результаты оптимизационных расчетов этой установки.

Личный вклад автора

Постановка задачи и выбор основных направлений ее решения проводился автором совместно с д.т.н. A.B. Кейко и к.х.н. В.А. Шаманским. Автором разработан подход для описания гетерогенных превращений твердого топлива, а также реализован численный алгоритм для расчетов с помощью полученной модели. Расчеты на модели проводились также лично автором. Структура модели разработана автором совместно с коллективом лаборатории. Экспериментальные исследования проводились совместно с Д.А. Свищевым и А.Н. Козловым. Разработка технологической схемы ПГУ-STIG и оптимизационные исследования этой установки проводились совместно с к.т.н А.Ю. Маринченко.

Практическая ценность

Построенная модель может быть использована в качестве основы для создания инженерных методов расчета газогенераторного оборудования. С ее помощью можно получить оценки важных при проектировании газогенераторов параметров, таких как размеры реакционных зон, расходы дутья и топлива, качество генераторного газа, тепловые потоки в реакторе и т.д. Использование этих оценок вместо

экспериментально получаемых значений позволит сократить затраты при создании подобных энергоустановок. Расчеты газогенераторной установки в составе оборудования малой ТЭС позволят дать технико-экономическое обоснование аналогичным проектам.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2010-2014 гг); на 39-ой конференции Североамериканского термоаналитического общества (De Moines, Iowa, 2011); на 15-ом международном конгрессе «1СТАС» (International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry, Iligashi-Osaka, Japan, 2012); на 11-ой международной конференции «Sustainable Energy Technologies» (Vancouver, Canada, 2012); на 8-ой всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012); на 8-ом Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1. Исследование управляемости процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / А.В. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Теплоэнергетика. - 2012. - № 4. - С. 40-47.

2. Расчет режимов слосвой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями / И.Г. Донской, А.В. Кейко, А.Н. Козлов, Д.А. Свищев, В.А. Шаманский // Теплоэнергетика. - 2013. - № 12. - С. 56-61.

3. Thermal analysis in numerical thermodynamic modeling of solid fuel conversion / A. Kozlov. D. Svishchev. 1. Donskoy, A.V. Keiko // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2012. - V. 109. - No. 3. - P. 1311-1317.

4. Studying the controllability of processes for thermochemical conversion of solid fuel in a bed / A.V. Keiko, D.A. Svishchev, A.N. Kozlov, I.G. Donskoi // Thermal Engineering. - 2012. - V. 59. - No. 4. - P. 302-309.

5. Calculation of the fixed bed coal gasification regimes by the use of thermodynamic model with macrokinetic constraints / l.G. Donskoi, A.V. Keiko. A.N. Kozlov, D.A. Svishchev, V.A. Shamanskii //Thermal Engineering. - 2013. - V. 60. - No. 12. - P. 904-909.

6. Донской И.Г. Интерпретация термоаналитических данных с использованием термодинамических моделей // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - С. 149-154.

7. Управляемость процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива / A.B. Кейко, Д.А. Свищев, А.Н. Козлов, И.Г. Донской // Газогенераторные технологии в энергетике / Под ред. А.Ф. Рыжкова. - Екатеринбург: Сократ, 2010. - С. 483-495.

8. Донской И.Г., Козлов А.Н. Влияние газофазной химии на результаты термоаналитических измерений // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 41. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - 222 с. - С. 104-110.

9. Thermal analysis for numerical thermodynamic modeling of solid fuel conversion / A. Kozlov, D. Svishchev, I. Donskoy, A.V. Keiko // Technical Program of the 39th North American Thermal Analysis Society Conference (August 7-10, 2011 - De Moines, Iowa) [Электрон, ресурс]. - De Moines: NATAS, 2011. - Электрон, опт. диск (CD-ROM).

10. Донской И.Г. Пространственно неоднородная МЭПС газификации угля // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Выпуск 42. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012. - С. 118-125.

11. Равновесная модель слоевой газификации угля с распределенными параметрами / И.Г. Донской, В.А. Шаманский, A.B. Кейко, А.Н. Козлов, Д.А. Свищев // Горение твердого топлива: Доклады VIII Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 13-16 ноября 2012 г. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012. - С. 39.1-39.8.

12. Донской И.Г., Шаманский В.А. Численное исследование процесса газификации угля и влияния режимных параметров на его интенсивность // Горение твердого топлива: Доклады V111 Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 13-16 ноября 2012 г. - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012. - С. 38.1-38.7.

13. Донской И.Г.. Шаманский В.А. Численное исследование процесса газификации угля и влияния режимных параметров на его интенсивность //

Энергосбережение и эпергоэффективность экономики Кузбасса. - 2012. - № 12. - С. 27-31.

14. Kinetics of thermochemical conversion of Azeisky coal / A. Kozlov, D. Svishchev, I. Donskoy, A.V. Keiko // 15th International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry (20-24 August 2012 in Kinki Univ., Higashi-Osaka, Japan). Technical program [Электронный ресурс]. - Higashi-Osaka: Kinki University, 2012. - Электрон, опт. диск.

15. Донской И.Г., Свищев Д.А. Расчет слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями // Системные исследования в энергетике. Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып. 43. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2013. - С. 104-110.

Структура работы

Диссертационная работа изложена на 148 страницах текста, включающего 33 рисунка и 7 таблиц, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 292 наименований.

1 Газификация твердых тоилив и подходы к ее математическому описанию 1.1 Газификация твердых топлив

Термохимическая конверсия твердого топлива имеет своей целью перевод химической энергии топлива в другие виды энергии, более удобные для использования. Это может быть тепловая энергия продуктов сгорания или химическая энергия продуктов частичного разложения. В зависимости от целей процесса используются разные принципы его проведения. Например, если целевым продуктом является теплота, то топливо сжигается при больших избытках окислителя с тем, чтобы наиболее полно использовать горючую часть топлива. В случае если процесс проводится для получения таких продуктов, как смола или кокс, проводится пиролиз топлива при низких значениях коэффициента избытка окислителя -частичное сжигание топлива проводится для того, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для осуществления процесса.

Газификация твердых топлив применяется тогда, когда целевым продуктом является горючий газ. Для этого топливо окисляют таким образом, чтобы наиболее полно перевести его химическую энергию в химическую энергию газа (т.е. его теплоту сгорания, которая определяется в основном наличием СО и Н2) 11]. Этот газ может б�