автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВА СВЕТЛАНА СЕРГЕЕВНА

005014167

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МД? 26:2

Казань

-2012

005014167

Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Мингалеева Гузель Рашидовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессо Сафин Рушан Гареевич

доктор технических наук, профессо Ваньков Юрий Витальевич

Ведущая организация: Государственный Научно-исследовательский

институт химических продуктов (ГосНИИХП

Защита диссертации состоится «29» марта 2012 г. в 14:00 на заседани диссертационного совета Д212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казански государственный энергетический университет» по адресу: 420066, г. Казань, ул Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого совета (ауд. Д-223).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, проси направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, ученом секретарю диссертационного совета Д212.082.02 проф. Зверевой Э.Р.

Тел.: (843) 519-42-53, факс: (843) 519-42-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казански" государственный энергетический университет»

С авторефератом можно познакомиться и на сайте www.kgeu.ru.

Автореферат разослан <<Л Ц» февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.02,

канд. хим. наук, профессор

Зверева Э.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Современные промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего затраты на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции составляют более 20%.

В настоящее время проблема надежного энергоснабжения промышленных предприятий или жилых районов в крупных и небольших городах может быть решена путем переоборудования котельных, отработавших свой ресурс или требующих реконструкции, в небольшие электростанции с газовыми турбинами. Модернизация котельной может быть осуществлена посредством установки отдельных систем ГТУ или надстройкой действующих котлов. При этом для обеспечения надежного энергоснабжения котельная может быть переведена на твердое топливо. В перспективе низкосортное твердое топливо может стать основным видом органического твердого топлива, поскольку Россия обладает большими его запасами. Однако увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду.

Основной проблемой при сжигании угля является образование гораздо большего количества вредных газообразных и твердых отходов по сравнению с использованием мазута и природного газа, а также необходимость тонкого измельчения угля и загрязнение поверхностей нагрева котла. Современные угольные технологии должны обеспечивать более полное преобразование химической энергии твердого топлива в тепловую и электрическую энергию, компактность основного оборудования и иметь высокую эффективность. К таким технологиям можно отнести пиролиз, газификацию, технологии приготовления и использования композиционных топлив (водоугольные, мазутоугольные суспензии и др.). Широкие перспективы имеют способы газификации под давлением, поскольку повышение давления газификации способствует увеличению теплотворной способности генераторного газа и интенсификации процесса в целом.

Применение на энергетических объектах технологий газификации твердого топлива под давлением выше атмосферного для энергообеспечения промышленных предприятий позволяет не только улучшить технико-экономические показатели за счет снижения доли затрат на тепловую и электрическую энергию в себестоимости продукции, но и использовать газотурбинные установки без дополнительного компремирования полученного газа. Однако при этом возрастают капитальные и эксплуатационные затраты на газогенератор, поэтому необходима комплексная оценка эффективности технологических схем с газификацией твердого топлива по энергетическим и технико-экономическим показателям.

Цель работы

Разработка и оценка эффективности технологической схемы энергообеспечения промышленных предприятий с газификацией угля под давлением на основе расчета процесса в газогенераторах поточного типа.

Основные задачи исследований включают:

1) получение зависимостей для определения состава генераторного газа при изменении давления;

2) создание методики расчета основных параметров процесса газификации угля под давлением в поточном газогенераторе;

3) разработка методики расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля;

4) разработка технологической схемы энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля и ее сравнительная оценка с существующими аналогами.

Научная новизна выполненных исследований:

- получены зависимости для определения состава генераторного газа при изменении давления газификации с учетом состава топлива для различных типов углей;

- создана методика расчета основных параметров процесса газификации угля в газогенераторе поточного типа, позволяющая определить время газификации с учетом размеров частиц, состава угля и окислителя;

разработана методика расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля в газогенераторах поточного типа, работающих под давлением.

Практическое значение результатов работы:

Методика расчета и оценки эффективности технологических схем с газотурбинными установками, сжигающими генераторный газ, полученный при газификации угля, может использоваться при разработке вариантов модернизации промышленных котельных или строительства энергетических объектов малой мощности до 25 МВт, предназначенных для автономного энергоснабжения промышленных предприятий.

Разработана технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля под давлением.

Предложены рекомендации по использованию поточных газогенераторов, работающих под давлением, в технологических схемах энергообеспечения промышленных предприятий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) зависимости для определения состава генераторного газа при изменении давления для различных типов углей;

2) методика расчета основных параметров процесса газификации угля под давлением в газогенераторе поточного типа;

3) методика расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля в газогенераторах поточного типа, работающих под давлением;

4) технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля под давлением;

5) рекомендации по использованию поточных газогенераторов, работающих под давлением, в технологических схемах энергообеспечения промышленных предприятий.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием при математическом моделировании и формировании методики классических подходов, основанных на фундаментальных законах технической термодинамики, сравнением с известными экспериментальными данными.

Реализация работы.

Результаты работы использованы при реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № 02.740.11.0062, № 02.740.11.0072), ФЦП «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный контракт № 02.516.11.6040), а также гранта РФФИ (№ 08-08-00233).

Проект по результатам диссертационной работы удостоен диплома лауреата конкурса 2010 года 50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан в номинации «Старт инноваций».

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены, доложены и обсуждены: на XIX Международной научно-практической конференции «Казантип-ЭКО-2011. Инновационные пути решения актуальных проблем базовых отраслей, экологии, энерго- и ресурсосбережения», г. Щелкино, Украина, июнь 2011 г.; на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России, Казань, июль 2009 г.; на X, XII Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, декабрь 2009, 2011 г.; на 21-ой, 23-ей Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, май 2009, 2011 г.; VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова, Казань, сентябрь 2010 г.; X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», Казань, май 2009 г; ежегодных итоговых научных конференциях Казанского научного центра Российской академии наук, Казань, 2009-2011 г.; ежегодных научных аспирантских семинарах Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, 2009-2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 статей, рекомендованных ВАК, зарегистрирован 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 176 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 41 рисунок и 17 таблиц, библиографический список литературы из 144 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, представлена ее общая структура, изложены цели и задачи исследований, определены основные научные положения диссертации, ее научная и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор литературы по систем энергообеспечения промышленных предприятий и способам газификации твердог топлива, возможным направлениям использования данной технологии, а такж методам расчета и моделирования процесса газификации. Обоснован выбо способа газификации угля в поточном газогенераторе для применения его пр производстве тепловой и электрической энергии в составе источнико энергоснабжения промышленных предприятий.

Рассмотрены перспективы использования ГТУ при переоборудовани: промышленных котельных, отработавших свой ресурс или требующи реконструкции, в небольшие электростанции, которые являются эффективны! решением тепло- и электроснабжения промышленных предприятий или жилы районов в крупных или небольших городах.

В настоящее время в России потребности в энергии промышленных объектов предприятий сельского и коммунального хозяйства покрываются почти 200 тыс котельных, которые представлены как мощными котельными установками, так ] котельными агрегатами небольшой производительности (до 50 т/ч). Котельны потребляют около 46 % топлива, при этом теряется высокотемпературны]" потенциал продуктов сгорания, который можно использовать в газовой турбине д котла. Перевод существующих котельных на комбинированное производств! электроэнергии и тепла может стать дополнением централизованноп энергоснабжения, повышающим надежность, стабильность и эффективное! существующих схем энергообеспечения.

Совместная работа газотурбинных установок с водогрейными и паровыми котлами в котельных позволяет обеспечить надежное электроснабжение собственных нужд, что в свою очередь повышает надежность теплоснабжения потребителей, а также снизить удельные расходы топлива на единицу получаемой тепловой и электрической энергии. Модернизация котельной может производиться двумя способами:

1) установка отдельных модулей ГТУ с газовыми подогревателями сетевой воды;

2) надстройка действующих водогрейных или паровых котлов газотурбинными установками.

В первом случае тепловая мощность котельной увеличивается, что целесообразно только при возрастании требуемой тепловой нагрузки. При постоянной работе ГТУ существующая часть котельной должна быть переведена в пиковый режим работы.

В случае надстройки действующих водогрейных котлов котельных ГТУ требуется полное согласование расхода выхлопного газа через котел и производительностью дымососов. В этом случае водогрейные котлы становятся котлами-утилизаторами.

Наиболее эффективной с точки зрения применения технологий газификации совместно с ГТУ, является газификация пылевидного топлива в потоке. Поточные газогенераторы обеспечивают высокую производительность и непрерывность процесса газификации, являются компактными, и могут включаться в технологические схемы с существующей системой пылеприготовления.

В результате анализа существующих методов расчета и математических моделей процесса газификации показана необходимость разработки методики расчета основных конструктивных, режимных и геометрических параметров поточного газогенератора и технологической схемы обеспечения промышленного предприятия тепловой и электрической энергией с использованием технологии газификации угля под давлением.

Во второй главе в соответствие с методологией приближенного моделирования и конструирования физико-химических систем детально рассмотрен процесс газификации твердого топлива при изменении давления, проведен анализ влияния давления газификации на состав и выход генераторного газа.

Состав генераторного газа при газификации угля определяется исходя из протекания основных реакций газификации в равновесной их форме. Образование основных компонентов газа зависит от характеристик исходного топлива (содержания влаги, летучих веществ, элементарного состава), организации процесса (слоевой или поточный аппарат), режимных параметров (давления, температуры), вида и свойств окислителя.

Уравнение для определения состава генераторного газа получено на основании известных данных и составлено с учетом того, что отношения водорода к кислороду в полученном газе и газифицирующей смеси равны между собой:

где Рш - давление газифицирующей смеси.

При газификации углей влага, входящая в состав исходного топлива, является дополнительным окислителем, поэтому величина Ра учитывает отношение водорода к кислороду в газифицирующей смеси и влаги в исходном топливе. На основании этого, уравнение (1) преобразовано к виду:

Состав генераторного газа определяется при решении уравнения (2) путем составления основных реакций газификации и определения констант равновесия.

На основании полученных зависимостей были проведены расчеты по определению состава и теплотворной способности генераторных газов, полученных для газификации различных углей при изменении давления. При расчетах предполагалось, что газификация осуществляется при температуре 1400°С на парокислородном дутье. Результаты расчетов представлены на рис. 1. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что на процесс газификации большое влияние оказывают характеристики исходного топлива и режимные параметры. Повышение давления способствует увеличению выхода полезных продуктов газификации (СО, СН4, Н2) и теплотворной способности генераторного газа. Анализ исходных характеристик топлив показал, что в качестве исходного сырья для газификации под давлением могут быть использованы любые виды твердого топлива, в том числе и низкокачественные, запасы которых в России достаточно большие.

I

(1)

I =

N

(2)

л r> 14000

5 J

2 3

Давление, МПа

Рис. 1. Зависимость теплотворной способности генераторного газа от давления для различных углей: 1 - Березовский бурый; 2 - Кузнецкий каменпый; 3 - Норильский каменный; 4 - Бикинский бурый; 5 - Ирша-бородипский бурый; б -теоретические расчеты B.C. Альтшулера для Ирша-бородинского бурого угля; результаты

экспериментальных исследований процесса газификации Ирша-

бородинского бурого угля: Г, 2', 3', 4" - опыт 1,2,3,4 соответственно

В работе были рассмотрены физико-химические основы процесса газификации твердого топлива. В качестве объекта исследования в первом приближении выбран вертикальный газогенератор поточного типа (рис. 2), что обосновано способностью аппарата перерабатывать твердые топлива с различными характеристиками, надежностью и непрерывностью работы, а также возможностью установки в систему энергообеспечения промышленного предприятия с имеющимся основным типовым оборудованием пылеприготовления топлива.

Топливо

Газ

рециркуляции

1 Зона-подсушка топлива^

// Зона-выделепие .u'myiux компонента«

Окислитель

Генераторный газ ^

Твердый остаток

Рис. 2. Схема поточного газогенератора

Поточный газогенератор

представлен в виде аппарата с зонами, выделенными в соответствие с происходящими в них основными процессами: прогрева частицы топлива с испарением влаги (I зона), выделения летучих компонентов (II зона) и газификации топлива (III). Дня повышения эффективности процесса газификации в рассматриваемом газогенераторе предложено нагревать частицы топлива, поступающего в аппарат, горячими газами, отбираемыми в зоне газификации.

Подготовленное топливо из системы сушки и пылеприготовления поступает в горелочные устройства поточного газогенератора, куда также направляются газы рециркуляции, отбираемые на

выходе из зоны газификации III. В I зоне происходит подсушка топлива за счет подвода тепла рециркулирующего генераторного газа с испарением физически связанной влаги из частицы топлива. В зоне II происходит термическая деструкция вещества угольной частицы, в результате которой выделяются гигроскопическая и химически связанная влага, С02, СО, Н2, Н28, Ы2 и СН4. В зоне III осуществляется подвод окислителя для проведения процесса газификации, который протекает при высокой температуре порядка 1500 °С и давлении, выше атмосферного. В качестве окислителя используется кислород либо его смесь с паром. Процессы, происходящие в зоне III, представляют собой газификацию коксового остатка и реагирование летучих, выделившихся в зоне II, диффундирующих к поверхности частицы.

На основе проведенного анализа создана методика расчета, которая позволяет определить основные параметры процесса газификации под давлением в поточном газогенераторе, и основана на уравнениях материального, теплового балансов, уравнения движения частицы в газовом потоке, испарения влаги, летучих веществ и газификации топлива, которые определяются химическими превращениями между твердыми частицами топлива и газовой фазой окислителя, а также взаимодействием продуктов газификации.

Для I зоны уравнения материального и теплового балансов могут быть представлены следующим образом:

0П +0РГ. =0У, +СРГ,> (3)

д, +ерг„ =еУ1 +а„, +0,,,, +&„■

Уравнение испарения физически связанной влаги имеет вид:

—— = -*„ (и„ -и„ ). (4)

Движение частицы переменной массы описывается уравнением Мещерского: Л Лтч /СЧ

т,„ —^ = + V —(5) *' с!т, & * ¿г,

Выделение летучих во II зоне описывается соответствующими уравнения для каждого компонента:

А- <6>

"ти "=1 )-1

В зоне III учитываются гомогенные и гетерогенные реакции газификации:

¿с Г" г п

~ = +^ксН^а/'ЯгОь- +

атш [„, у=\ «ы ^

+ ±ксХ1агс*-Хь- +£кж>1ЛХ°>Оь2> +±кх^'Хь\ 1-1 /=1 '=1 1

Обозначения в уравнениях (3)-(7): Оу и С>у - расход и теплота топлива, кг/с и

кДж/кг; Орг и С>рг - расход и теплота газа рециркуляции, кг/с и кДж/кг; Овли С>вл -расход и теплота влаги, кг/с и кДж/кг; Qп - тепловые потери, кДж/кг; ивл -концентрация влаги в топливе, кг/кг исходного топлива; ки_ - константа скорости испарения влаги из топлива, 1/с; т - время, сек; т„ - масса частицы топлива, кг; уч

к

- скорость частицы топлива, м/с; - силы, действующие на частицу топлива, Н

и

i=l,...k - количество сил, действующих на частицу; Vr - концентрация летучег

компонента, кг/кг; n=l,...m - количество учитываемых парогазовых компонентов j=l,...s - количество стадий выделения n-го компонента; kv> - константа скорост

испарения летучих компонентов из топлива, 1/с; Ог и Н20 - концентраци кислорода и водяного пара, кг/кг; с - концентрация углерода, кг/кг; r=l,...R - числ учитываемых парогазовых компонентов; y=l,...Y, d=l,...D - число реакций описывающих процесс газификации коксового остатка; z=l,...Z - число реакций составляющих процесс газификации нелетучего остатка; f=l,...F - число реакций составляющих горения продуктов неполного окисления; 1=1,...L - число реакций составляющих процесс образования продуктов газификации; i=l,...k - количеств сил, действующих на частицу; kVOj, kcll20, kctv kcX, кХОг, kxx - константь

скоростей реакций газификации и выгорания коксового остатка, 1/с; Ха и Хь концентрация полных и неполных продуктов газификации, кг/кг; а стехиометрический коэффициент. Индексы в уравнениях: 0 - вход газогенератора; I -1 зона; П - II зона; III - III зона.

Разработанная методика расчета позволяет определить продолжительность процесса в каждой зоне и общее время газификации, а также эффективность процесса газификации в зависимости от исходных характеристик топлива, режимных параметров и физико-химических факторов.

Были проведены расчеты процесса газификации на парокислородном дутье для различных углей в зависимости от давления и доли рециркуляции (рис. 3,4).

При расчетах предполагалось, что прогрев частиц топлива осуществлялся газом рециркуляции в количестве 1-10 % общего объема получаемого генераторного газа. Размер частиц топлива принимался 500 мкм. Расчеты были проведены при температуре газификации 1400 °С, атмосферном и повышенном давлении до 4 МПа.

Рис. 3. Зависимость времени процесса

газификации топлива с размером частиц 500 мкм на парокислородном дутье при температуре 1400 °С от давления для различных углей:

1 - Березовский бурый;

2 - Кузнецкий каменный;

3 - Норильский каменный;

4 - Бикинский бурый;

5 - Ирша-бородинский бурый

3 4 5 6 7 8 Доля рециркуляции, %

Рис. 4. Зависимость времени процесса газификации

Березовского бурого угля с размером частиц 500 мкм на парокислородном дутье при давлении 2МПа от доли рециркуляции генераторного газа

Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что повышенное давление в сочетании с высокими значениями температуры газификации и нагрев частиц топлива газами рециркуляции способствует увеличению теплотворной способности генераторного газа, уменьшению времени проведения процесса, что приводит к улучшению условий проведения процесса газификации. Полученные результаты могут быть рекомендованы при выборе условий проведения процесса газификации в поточном газогенераторе, компоновке технологической схемы производства энергии для энергообеспечения промышленных предприятий при использовании определенного типа угля.

В третьей главе приведена разработанная методика расчета и оценки эффективности технологической схемы с газификацией твердого топлива в газогенераторах, работающих под давлением. Общие принципы методики расчета технологической схемы энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией представлены в виде алгоритма (рис. 5).

Методика расчета и оценки эффективности позволяет оценить работу технологической схемы энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией твердого топлива под давлением в поточном газогенераторе, определить энергетическую и термоэкономическую эффективность, а также технико-экономические показатели.

При проведении термодинамического анализа технологической схемы используется эксергетический метод, согласно которому определяется общая эксергия материальных и тепловых потоков, поступающих в систему, а также электрическая мощность применяемого оборудования. Оценка эксергетической эффективности схемы состоит из следующих основных этапов расчета: определение расходов теплоносителей, составление материальных балансов для блоков технологической схемы, определение величин эксергии для отдельных аппаратов и всей схемы в целом, составление эксергетических балансов, определение технико-экономических показателей и эксергетического КПД по известным зависимостям.

Оценка технико-экономической эффективности схемы проводится с использованием термоэкономического анализа, который основан на комплексном учете технико-экономических и термодинамических показателей.

Рис. 5. Алгоритм расчета

технологической схемы

энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией твердого топлива

Термоэкономическая эффективность определяется посредством термоэкономического КПД, который отражает степень технико-экономического совершенства, и учитывает капитальные и эксплуатационные затраты в технологическую схему и стоимость введенной эксергии. На основании полученных результатов оценки эффективности технологической схемы проводится сравнительная оценка с существующими аналогами.

В четвертой главе представлена разработанная технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с использованием поточного газогенератора, работающего под давлением. Предлагаемая технологическая схема предполагает надстройку котельной газотурбинной установкой мощностью 1,5

МВт, работающей на искусственном газе, полученном путем газификации угля (рис. 6). В качестве системы подготовки искусственного газа выступают оборудование подготовки угля, окислителя и газификации топлива с системой пылегазоочистки. Основой энергоблока является ГТУ и котел-утилизатор.

Рис. 6. Технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией твердого топлива: 1,4 — бункеры топлива; 2, 5 — питатели топлива; 3 — мельница; 6, 22 — вентиляторы; 7 -воздухоразделительная установка; 8, 24, 28 — смесители; 9 -

теплообменник; 10 — компрессор; 11 —

газогенератор; 12 - циклон; 13 - газоохладитель; 14 -фильтры; 15 -система сероочистки; 16 - скруббер для очистки от СО2; 17 — камера сгорания; 18 -компрессор ГТУ; 19 -газовая турбина; 20 - генератор; 22,25 - шиберы; 23 - сетевой насос; 26 - котел-утилизатор; 27 - дымовая труба; I - сырой уголь; II и III - сушильный агент соответственно в мельницу и после мельницы; IV - угольная пыль; V, XVII, XX - воздух; VI - азот; VII - кислород; VIII - водяной пар; IX - окислитель в газогенератор; X - запыленный генераторный газ; XI - рециркуляция генераторного газа; XII - зола; XIII - катализатор; XIV - сера; XV - СОг; XVI - очищенный генераторный газ; XVIII - электроэнергия; XIX - уходящие газы; XXI -вода; XXII - пар; XXIII - питательная вода; XXIV - природный газ; XXV - дымовые газы; XVI - выработанный пар

Для предлагаемой технологической схемы была проведена оценка технико-экономической эффективности, результаты которой были сравнены с показателями для аналогичной схемы, работающей на природном газе (табл. 1). Термодинамические и технико-экономические показатели представлены в виде термоэкономической диаграммы (рис.7).

В результате оценки эффективности разработанной технологической схемы с газификацией угля под давлением получено значение термодинамического КПД около 41 %, что превышает известные значения на 7-10 % для аналогичных технологических схем, и показывает целесообразность применения данной технологии при модернизации существующих котельных.

Разработанная технологическая схема с газификацией позволит обеспечить надежное электроснабжение собственных нужд котельной и внешних потребителей, экономию газообразного топлива, снизить себестоимость производимой энергии, а также может быть использована в качестве автономного

бесперебойного источника энергоснабжения при аварийных ситуациях в централизованной энергосистеме.

Таблица 1. Сравнительные технико-экономические показатели

Технико-экономические показатели Промышленная котельная с ГТУ на природном газе Промышленная котельная с ГТУ и газификацией угля

Установленная мощность, кВт 1524 (2хГТЭ 1,6)

Годовая выработка электроэнергии, тыс. кВт • ч 15508,224 15508,224

Использование часов установленной мощности, час 5088 5088

Приведенные затраты, тыс. руб 116587 36334

Удельные капиталовложения, долл/кВт 450 1300

Себестоимость электроэнергии, руб/ кВт ■ ч 7 2,28

Стоимость топлива 3500 (руб/тыс. иг1) 1500 (руб/т)

Срок окупаемости, год 2,4 4

) 1 ; ! I 1

Рис. 7. Термоэкономнческая диаграмма

Заключение содержит выводы по результатам выполненной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получены зависимости для определения состава генераторного газа при изменении давления с учетом свойств углей и состава дутья.

2. Создана методика расчета основных параметров процесса газификации угля под давлением в газогенераторе поточного типа с рециркуляцией продуктов газификации.

3. Представлены результаты расчетов времени процесса газификации под давлением в газогенераторе поточного типа для каменных и бурых углей.

4. Разработана методика расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля в газогенераторах поточного типа, работающих под давлением.

5. Разработана технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с использованием технологии газификации угля под давлением, выступающая в качестве технологического решения модернизации промышленной котельной.

6. Представлены результаты оценки эффективности технологической схемы энергообеспечения промышленного предприятия с использованием технологии газификации угля под давлением, термодинамический КПД схемы составляет порядка 41 %, что превышает известные значения на 7-10 % для аналогичных технологических схем. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой в технологической схеме, составляет 2,28 руб/ кВт ■ ч.

7. Разработаны рекомендации по использованию поточных газогенераторов, работающих под давлением, в технологических схемах энергообеспечения промышленных предприятий. .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Вандышева, С.С. Исследование термодинамических параметров процесса газификации под давлением в поточном газогенераторе / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. -№2.-С. 171-176.

2. Афанасьева, О.В. Оценка эффективности мини-ТЭС, работающих на твердом топливе / О.В. Афанасьева, С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - №6. - С. 122-126.

3. Тимофеева, С.С. Термоэкономическая эффективность технологической схемы с газификацией твёрдого топлива под давлением / С.С. Тимофеева, Г.Р. Мингалеева // Энергетик. - 2011. - №4. - С. 31-34.

4. Тимофеева, С.С. Исследование режимных параметров поточного газогенератора при газификации твердого топлива / С.С. Тимофеева, Г.Р. Мингалеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №16. - С. 216-224.

5. Мингалеева, Г.Р. Анализ возможности утилизации и захоронения СО2 в России / Г.Р. Мингалеева, А.Н. Николаев, О.В. Афанасьева, С.С. Вандышева, Э.В. Шамсутдинов // Экология и промышленность России. - 2010. - №2. - С. 42-46.

6. Николаев, А.Н. Перспективные технологические схемы утилизации углекислого газа / А.Н. Николаев, Г.Р. Мингалеева, С.С. Тимофеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №4. - С. 169-176.

7. Пат. 2408660 Российская Федерация. Способ поддержания заданного режима газификации водоугольной суспензии / Э.В. Шамсутдинов, Г.Р. Мингалеева, О.В. Афанасьева, С.С. Вандышева. Опубл. 10.01. 2011. Бюл. №1.

8. Вандышева, С.С. Оценка эффективности системы подготовки угля газификацией под давлением / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Материаль конференции IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика : современном мире». - Чита, 2009. - С. 57-63.

9. Вандышева, С.С. Влияние давления процесса газификации на длин; реакционной зоны газогенератора / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Сборни] материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля окружающей среды, веществ, материалов и изделий». - Казань, 2009. - С. 117-119.

10. Vandysheva, S.S. Research of thermodynamic parameters of gasification process under pressure in line gasifier / S.S. Vandysheva, G.R. Mingaleeva // XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. - Kazan, 2009. - C. 168.

11. Вандышева, С.С. Оценка способов утилизации углекислого газа в зависимости от уровня развития промышленности регионов РФ / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева, Э.В. Шамсутдинов // Сборник материалов международной конференции Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование. - Красноярск, 2009. - С. 712 - 723.

12. Вандышева, С.С. Оценка эффективности технологической схемы производства энергии с газификацией угля под давлением / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Труды X Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в Республике Татарстан». - Казань, 2009. - С. 307-313.

13. Вандышева, С.С. Определение времени прогрева частицы твердого топлива в газогенераторе поточного типа / С.С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева // Материалы докладов VII Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань, 2010. - С. 303-306.

14. Тимофеева, С.С. Технологическая схема автономной энергоустановки с газификацией водоугольного топлива / С.С. Тимофеева, Г.Р. Мингалеева // Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля окружающей среды, веществ, материалов и изделий». - Казань, 2011. - С. 123-124.

15. Тимофеева, С.С. Способ утилизации углекислого газа на ТЭС / С.С. Тимофеева, Г.Р. Мингалеева // Сборник трудов XIX Международной научно-практической конференции «Казантип-ЭКО-2011. Инновационные пути решения актуальных проблем базовых отраслей, экологии, энерго- и ресурсосбережения». - Щелкино, 2011.-С. 70-76.

Подписано в печать 21.02.2012. Формат 60x84 1/16. Тираж 100 экз. Гарнитура «Тайме». Бумага ксероксная.

Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 02/201. Печать ризографическая. «----------*

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве «ИГМА-пресс» ИП Маликовой И.Г. ОГРН 308169031500136 Казань, ул. Московская, д.31, офис 215. Тел. 526-03-69.

61 12-5/1985

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПРОБЛЕМ ЭНЕРГЕТИКИ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО

УЧРЕЖДЕНИЯ НАУКИ КАЗАНСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВА СВЕТЛАНА СЕРГЕЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Мингалеева Г.Р.

Казань 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1 Опыт и перспективы применения процесса газификации твердого топлива под давлением в системах энергообеспечения промышленных предприятий 9

1.1 Системы энергообеспечения промышленных предприятий 10

1.2 Применение систем газификации твердого топлива при реконструкции промышленных отопительных котельных для когенерационной выработки энергии 17

1.3 Современные технологии газификации твердых топлив в газогенераторах, работающих под давлением 36

1.4 Методы расчета процесса газификации под давлением 44 Глава 2 Физико-химические основы процесса газификации твердого топлива в поточном газогенераторе 57

2.1 Исследование влияния давления на состав генераторного газа 57

2.2 Расчет состава генераторного газа при изменении давления 73

2.3 Методика расчета основных параметров процесса газификации

угля в газогенераторе поточного типа 81

2.3.1 Физико-химические процессы преобразования твердого топлива в поточном газогенераторе 81

2.3.2 Основные зависимости методики расчета основных параметров процесса газификации угля в газогенераторе поточного типа 86

2.4 Результаты численных исследований газификации различных углей

в газогенераторе поточного типа 94

Глава 3 Разработка методики расчета и оценки эффективности технологической схемы газификации твердого топлива в газогенераторах, работающих под давлением 100

3.1 Алгоритм и основные этапы методики расчета 100

3.2 Методика расчета и оценки эффективности технологической схемы газификации твердого топлива в газогенераторах, работающих под

давлением 105

Глава 4 Разработка способа модернизации промышленной котельной с использованием газогенератора, работающего под давлением 123

4.1 Технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с использованием поточного газогенератора, работающего под давлением 123

4.2 Технико-экономическая оценка эффективности технологической схемы с использованием поточного газогенератора, работающего под давлением 130

4.3 Рекомендации по использованию поточного газогенератора при модернизации промышленной котельной 137 Заключение 141 Список использованной литературы 143 Приложение 157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Современные промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего затраты на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции составляют более 20 %.

В настоящее время проблема надежного энергоснабжения промышленных предприятий или жилых районов в крупных и небольших городах может быть решена путем переоборудования котельных, отработавших свой ресурс или требующих реконструкции, в небольшие электростанции с газовыми турбинами. Модернизация котельной может проводиться путем установки отдельных систем ГТУ или надстройкой действующих котлов. При этом для обеспечения надежного энергоснабжения котельная может быть переведена на твердое топливо. В перспективе низкосортное твердое топливо может стать основным видом органического твердого топлива, поскольку наша страна обладает большими его запасами. Однако увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду.

Основной проблемой при сжигании угля является образование гораздо большего количества вредных газообразных и твердых отходов по сравнению с использованием мазута и природного газа, а также необходимость тонкого измельчения угля и загрязнение поверхностей нагрева котла при сжигании. Современные угольные технологии должны обеспечивать более полное преобразование химической энергии твердого топлива в тепловую и электрическую энергию, компактность основного оборудования и иметь высокую эффективность. К таким технологиям можно отнести пиролиз, газификацию, коксование, технологии приготовления и использования композиционных топлив (водоугольные, мазутоугольные суспензии и др.). Широкие перспективы имеют способы газификации под давлением, поскольку

повышение давления газификации способствует увеличению теплотворной способности генераторного газа и интенсификации процесса в целом.

Соотношение цен на газ и уголь служит ориентиром для определения эффективности использования газового или угольного топлива для производства энергии на энергетических объектах и по вводу новых генерирующих мощностей на том или ином виде топлива. Для получения угольной генерацией конкурентного преимущества природный газ должен быть дороже угля минимум в 3 раза, при этом, чтобы избежать ухудшения экологической ситуации при увеличении доли твердого топлива в топливно-энергетическом балансе, переход энергетических объектов на его использование должен осуществляться путем применения технологий переработки с получением заменителей природного газа.

Применение на энергетических объектах технологии газификации твердого топлива под давлением выше атмосферного для энергообеспечения промышленных предприятий позволяет не только улучшить технико-экономические показатели за счет снижения доли затрат на тепловую и электрическую энергию в себестоимости продукции, но и использовать газотурбинные установки (ГТУ) без дополнительного компремирования полученного газа. Однако при этом возрастают капитальные и эксплуатационные затраты на газогенератор, поэтому необходима комплексная оценка эффективности технологических схем с газификацией твердого топлива по энергетическим и технико-экономическим показателям.

Целью работы является разработка и оценка эффективности технологической схемы энергообеспечения промышленных предприятий с газификацией угля под давлением на основе расчета процесса в газогенераторах поточного типа.

Непосредственные задачи исследования включали: • получение зависимостей для определения состава генераторного газа при изменении давления;

• создание методики расчета основных параметров процесса газификации угля под давлением в поточном газогенераторе;

• разработку методики расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля;

• разработку технологической схемы энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля и ее сравнительная оценка с существующими аналогами.

Научная новизна выполненных исследований:

• получены зависимости для определения состава генераторного газа при изменении давления газификации с учетом состава топлива для различных типов углей;

• создана методика расчета основных параметров процесса газификации угля в газогенераторе поточного типа, позволяющая определить время газификации с учетом размеров частиц, состава угля и окислителя;

• разработана методика расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля в газогенераторах поточного типа, работающих под давлением.

Практическое значение результатов работы:

Методика расчета и оценки эффективности технологических схем с газотурбинными установками, сжигающими генераторный газ, полученный при газификации угля, может использоваться при разработке вариантов модернизации промышленных котельных или строительства энергетических объектов малой мощности до 25 МВт, предназначенных для автономного энергоснабжения промышленных предприятий.

Разработана технологическая схема энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля под давлением.

Предложены рекомендации по использованию поточных газогенераторов, работающих под давлением, в технологических схемах энергообеспечения промышленных предприятий.

Достоверность_полученных_результатов подтверждается

использованием при математическом моделировании и формировании методики классических подходов, основанных на фундаментальных законах технической термодинамики, сравнением с известными экспериментальными данными.

Автор защищает:

• зависимости для определения состава генераторного газа при изменении давления для различных типов углей;

• методику расчета основных параметров процесса газификации угля под давлением в газогенераторе поточного типа;

• методику расчета и оценки эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий с использованием технологии газификации угля в газогенераторах поточного типа, работающих под давлением;

• технологическую схему энергообеспечения промышленного предприятия с газификацией угля под давлением;

• рекомендации по использованию поточных газогенераторов, работающих под давлением, в технологических схемах энергообеспечения промышленных предприятий.

Реализация работы.

Результаты работы использованы при реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № 02.740.11.0062, № 02.740.11.0072), ФЦП «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный контракт № 02.516.11.6040), а также гранта РФФИ (№ 08-08-00233).

Проект по результатам диссертационной работы удостоен диплома лауреата конкурса 2010 года 50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан в номинации «Старт инноваций».

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены, доложены и обсуждены: на XIX Международной научно-практической конференции «Казантип-ЭКО-2011. Инновационные пути решения актуальных проблем базовых отраслей, экологии, энерго- и ресурсосбережения», г. Щелкино, Украина, июнь 2011 г.; на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России, Казань, июль 2009 г.; на X, XII Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, декабрь 2009, 2011 г.; на 21-ой, 23-ей Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, май 2009, 2011 г.; VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова, Казань, сентябрь 2010 г.; X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», Казань, май 2009 г; ежегодных итоговых научных конференциях Казанского научного центра Российской академии наук, Казань, 2009-2011 г.; ежегодных научных аспирантских семинарах Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, 2009-2011 г.

ГЛАВА 1

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПОД ДАВЛЕНИЕМ В СИСТЕМАХ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

Согласно Энергетической стратегии до 2030 года главной целью развития отечественной энергетики является решение проблемы энергетической безопасности и надежного энергоснабжения страны. В России основную долю в структуре производства промышленной продукции занимают электроэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение и металлообработка, а также химическая и нефтехимическая промышленность, которые характеризуются высоким ростом темпов промышленного производства каждый год, что требует обеспечения промышленных предприятий дополнительными энергетическими мощностями. При ежегодных темпах роста ВВП в 6-7 % необходимо вырабатывать 1620 млрд. кВтч электроэнергии, что требует ежегодного увеличения объема технического перевооружения энергетических мощностей на уровне 4000-6000 МВт [1].

Известно, что энергоемкость российского ВВП более чем в 3 раза превышает соответствующий показатель в развитых странах. Климатический фактор России имеет коэффициент не выше 1,5. Остальное связано с технологическим отставанием. Сегодня особенно остро встает вопрос о снижении издержек производства, и в первую очередь — энергозатрат [2].

Современные промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего статья расходов на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции занимает основную долю затрат [3].

В связи с этим развитие отечественной промышленности и энергетики должно основываться на техническом обновлении энергетики на основе ее модернизации, включающей изменение конструкций основного

энергетического оборудования, а также техническое перевооружение и реконструкцию действующих мощностей. В современных условиях функционирования промышленного производства существенно изменяется подход к управлению использованием энергетических ресурсов предприятий. Если ранее в условиях увеличения объемов выпуска продукции основной целью для обеспечения потребности в энергии являлось наращивание ее производства, то в настоящее время и на ближайшую перспективу первоочередной задачей является экономное расходование энергетических ресурсов и повышение эффективности их использования на всех стадиях производства и потребления. Крупные промышленные предприятия могут не только приобретать электроэнергию у различных поставщиков, действующих на розничном рынке, но и вырабатывать более дешевую электроэнергию с использованием собственных источников энергоснабжения.

Стабильность существования и возможность работы любых отраслей промышленности определяются безопасностью и надежностью тепло- и электроснабжения. Потребности в тепловой и электрической энергии обеспечиваются многочисленными энергетическими предприятиями, которые представлены как небольшими районными котельными, так и крупными теплоэлектростанциями.

1.1 Системы энергообеспечения промышленных предприятий

Промышленное предприятие является сложным механизмом, включающим в себя различные технические системы и устройства. Промышленные предприятия являются крупными потребителями тепловой и электрической энергии, так, в России на долю промышленного теплопотребления приходится более 50 % всех произведенных топливно-энергетических ресурсов (рис. 1.1, 1.2). Структура затрат энергетических ресурсов различных видов на производство продукции зависит от профиля предприятия, требований технологического регламента и т.д. [3].

Рис. 1.2. Крупнейшие потребители электрической энергии в России

Для обеспечения потребностей промышленных предприятий в энергетических ресурсах требуемого качества и в необходимом количестве существуют теплоэнергетические системы, которые представляют собой комплекс установок и агрегатов, генерирующих, транспортирующих и распределяющих тепловые энергоресурсы между потребителями, сосредоточенными на территории предприятия [3].

11

Нужды потребителей тепловой энергии на промышленных предприятиях подразделяются на технологические, отопительно-вентиляционные и санитарно-технические (горячего водоснабжения).

Различают сезонных и круглогодичных потребителей: технологические и санитарно-технические потребители относятся к круглогодичным, отопительно-вентиляционные - к сезонным.

К первой группе относятся предприятия, например, легкой промышленности и машиностроения, в структуре затрат тепловой энергии которых более 40 % имеют нагрузки систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; затраты теплоты на технологию составляют менее 60 %. К третье группе относятся предприятия с превалирующей долей затрат тепловой нагрузки на технологические нужды - более 90 %. Затраты теплоты потребителями других категорий очень малы - менее 10 % [3].

Источники тепловой энергии, обеспечивающие промышленные предприятия паром и горячей водой, можно разделить на две группы:

- внешние источники теплоты (заводские и районные ТЭЦ, котельные);

- внутренние источники теплоты (технологические агрегаты, в которых образуются вторичные энергоресурсы (ВЭР)). При необходимости ВЭР преобразуются в пар или горячую воду в специальных утилизационных установках.

Крупные промышленные предприятия от внешних источников получают в основном перегретый пар. От ТЭЦ и крупных центральных котельных поступает пар, перегретый относительно температуры насыщения на 50—100 °С, чтобы покрыть тепловые потери при транспорте теплоносителя. При поиске решений по организации эффективных систем пароснабжения пром�