автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка и оптимизация процесса внутрицикловой экологически чистой пирогазификации твердого топлива на ТЭС

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ / Технический университет /

• На правах рукописи

НГУЕН ВАН ЛОК

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВКУТРЩИКЛОВОИ ЭКОЛОГИЧЕСКИ . ЧИСТОЙ ПИРОГАЗИФИХАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ТЭС

Специальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции

(тепловая часть)

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических'наук

МОСКВА - 1994 г.

- г -

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте

Научный руководитель — кандидат технических наук. проф.

Бвлосельский Б. С.

Официальные оппонента: - доктор технических наук, проф.

Бродянский В.М. - канди;:ит технических наук,

ведущий н.сотр. Стельмах Г.П.

Ведущая организация: - Государственный институт

азотной промышленности ЛОДП/

Защита состоится 1994 г. в

час.^Оиин.

в аудитории Б 207 на заседании специализированного совета"

К.053.16.01 Московского Энергетического Института по адресу: : Москва, Красноказарменная ул.,д.17. ... ■■■

С диссертацией южно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы, заверешше печатью организации . просим присылать по адресу: 105835 ГСП., Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14,

Ученый Совет МЭИ. ,'. ■ : '' : : ;;

Автореферат разослан

"3/ " О1994г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., ст.н.сотр.

Андршин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Одним из наиболее перспективных направлений развития современной энергетики является применение пэро-: газовцх установок, Для их работы требуется чистое энергетическое ;топливо -шдкоз или газовоз. При использовании на ТЭС с ГЕГ.У твердого топлива необходима организация его внутрицикловой высокотемпературной переработки с получением энергетического газа, позволяющей повысить КГЩ использования топлива и решить взетую экологическую задачу защиты о кружащей среды от Ередных выбросов С ДЫМОВЫМИ Г83ЯМИ. ■

Сегодня это направление использования твердого топлива представляет большой интерес и для энергетики Вьетнама,где среднегодовое потребление электроэнергии составляет всего 130 кВт.ч/чел в год. Для ускорения развития экономики страны . планируется в ближайшее время построить ряд ТЭС на угле и на газе с учетом дальнейшей возможной замены газа на уголь. .

Второй не менее важной задачей Вьетнама язляется улучшение снабжения населения коммунально-бытовым топливом. В настоящее время в большинстве сельских и горных районов страны еще нэ существует-системы централизированнсго знергоснабжения и более 90% семей используют древесное -топливо. Это ведет к резкому ухудшению окружающей среды и быстрому истощению запасов лесов. . Поэтому замена их на более современные источники энергии такие,-' наприглер/как угольные брикеты, мазут, электричество яеля&тся жизненно важной задачей для Вьетнама.

■Реиить поставленные Быше ' задачи можно, ориентируясь на комплексное использование топлива путем его газификашш или •пиролиза. Получаемые при этом продукты можно использовать как для выработки электроэнергии, так и для приготовления коммунально-бытового топлива, производства строительных материалов.

Исходя из этого, задача разработки и оптимизации процесса внутрщдикловой высокотемпературной переработки твердого топлива на электростанциях является весьма актуальной. .'.-■ Целью работы является разработка и оптимизация процесса пи-

роГазификащш твердого топлива (угля и торфа ) для получения электроэнергии и коммунально-бытового топлива в условиях Вьетнама.

■ Основными задачами , решаемыми в диссертации, являются:

1. Оценка потенциальных, запасов основных видов твердого топлива во Вьетнаме, пригодного для крупномасштабной термической переработки.

2. Обоснование возможности в условиях ТЭС с ПГУ организации высокотемпературной подготовки топлива в режимег пкрогазификации, позволяющей получать наряду с чистым- энергетическш топливом-' смешанным газом пиролиза и газификации.ценные.смолопродкты-сырье для производства жидких моторных топлив, а также коксобрикеты -высококалорийное бытовое топливо. . ■

3. • Исследование возможностей управления процессом и оптимизации режимов пиролиза бурого угля и торфа при больших скоростях нагрева от 10йдо 10е °С/с гас зим теплоносителем.

4. Проведение эксергетического. анализа процессов .."газификации и пирогазификации топлива, включенных в тепловую схему ТЭС с ПГУ с целью оптимизации и выбора состава дутья.

5. Разработка алгоритма расчета ПГУ с внутрицикловой высокотемпературной переботкой твердого топлива на ТЭС^ на Сазе эксергетического анализа. .азработка комплекса программ на Фортране, в рамках которого возмомю одределение оптимальных условий для проведения процессов газификации и пирогазифякацик твердого топлива, включен^ в схему ПГУ, а также работы ПГУ с внутрицикловой газификацией и пирогазификацией твердого топлива на, ТЭС. ..-i;:'- íC;

6. Технико-экономический расчет процесса пирогазификации твердого топлива(угля и торфа) для получения электроэнергии и коммунально-бытового топлива в условиях Вьетнама.

Методы исследования: Поставленные. задачи решались с помощью методов математического моделирования с применением, вычислительной техники, а также экспериментально на лабораторном стенде ЭНИН им. Г.М. Кржижановского.

Научная новизна: Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа развития энергетики Вьетнама определены перспективные направления использования энергетического . твердого топлива. . ■ '.•';■■'■

2. Определены условия окт:малького режима работы ТЭО с внутрицикловой газификагдаей я иирогазкфккацдей твердого топлива. . Обоснован выбор типа дутья.при газификация топлива.

3. Получены данные, по высокоскоростному пиролизу угля и

торфа при нагреве их газовым теплоносителем по методу ЭНИНа с целью производства наряду с энергетическим топливом брикетов полукокса и другой ценной продукции.

4.Разработана новая схема внутрицикловоЯ пирогазифшсацик 'твердого топлива, в которой в качестве теполоносителя используется газ газификации полукокса, получаемого в процессе пиролиза.

5. На основе эксергетического метода на базе системного анализа предложен более эф£ективн!й способ решения задачи минимизации совокупного расхода топлива при его переработка на ТЭС.

6. Разработаны алгоритм и комплекс программ на ФОРТРАНе для оптимизации процессов газификации и пирогазифдаашга твердого топлива, включенных в схему ПТУ, а также работы ИГУ с внутрици-:кловой газификацией и .пирогазификацией твердого топлива на ТЭС.

Достоверность и обоснованность результатов: Данные и выводы

из них обоснованы теоретическим анализом основанном на научно достоверной базе технической термодинамики и физической химии, корректным использованием современной вычислительной техники. Экспериментальные результаты получены с использованием научно-обоснованных .методик исследовании. Анализы полученных в ходе экспериментов продуктов( газа, смол, полукоса выполнены в соответствии с Государственными стандартами.

. Практическая ценность и реализации подученных результатов:

I. Практическая значимость работы состоит в разработке методов, алгоритмов и программ "для анализа процессов внутрици-кловой газификации и пирогазификацил твердого топлива на ТЭС.

2. Предложенный критерий системного эксергетического КПД позволяет повышать эффективность. решения задачи минимизации совокупного расхода топлива при его переработке на ТЭС.

3.Полученный результат по оптимизации процесса высокотемпературной подготовки топлива на ТЭС может найти пременение во

.Вьетнаме

"■. Публикации: Материалы работы отражены в двух работах, принятых к публикации в .журнале Теплоэнергетика N 6 и N 9 в 1994 г.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и список литературы. Работа изложена на 123 страницах основаного текста и I приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Всмзведекии обосновывается актуальность и новизна теш диссертации» кратко излагается содержание работы, ее предмет и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе ,имещей толуобзорный характер,' описаны актуальность, состояние новых высокотемпературных методов подготовки твердого топлива в энергетике..

Проведен анализ роли твердого топлива в энергетике Вьетнама; технические и экологические проблемы при его использовании.

Проведен аналитический обзор литературы по газификации твердого топлива в энергетике. ■

Проведен анализ состояния работ в области ПГУ с внутрици-кловой подготовкой топлива. .

Во второй главе проведен анализ состояния комплексного энэрготехнологического использования твердого топлива в энергетике. ■ ■■.:.'■."•■■■.■ ^

Проведен аналитический обзор публикации по пиролизу - твердого топлива в энергетике ,' •; ;

Проведен анализ современных и перспективных схем комплексного энерготехнологаческого использования твердого топлива на базе ТЭС Проведен анализ состояния комплексного энерготехнолоШческого использование твердого топлива на ТЭС с ПГУ. . .>.■:■■■■;

Проведен анализ перспективы комплексного использования твердого топлива в энергетике Вьетнама. ' . ,

В третьей главе приведены результаты экспериментальной работы по высокоскоростному процессу пиролиза бурого угля и торфа при больших скоростях нагрева газовым теплоносителем.

Эксперименты проводились с бурыми углями Канско-Ачинского бассейна( Ирша-Бородинского, Березовского месторождения) и торфом Подмосковного месторождения, которое по своему составу и ; свойствам близки к бурыми углям и торфам Вьетнама.

Проведенные исследования высокоскоростного пиролиза бурого угля и торфа в реакторе-пиролизере с- секущими, струями, газового теплоносителя показали преимущества нового способа нагрева пиро-лизуемых частиц топлива

. - Процесс пиролиза осуществлялся с весьма высокой скоростью нагрева частиц ¡легализируемого топлива 105-106град/с.

- За время 0.03-0.3 с при температуре реагирования 5Ю-700°С выход летучих вещэст& из достаточно крупных (0.2-0.05мм) частиц топлива, составляет более SOS на горшую массу, при этом остаточное содержание летучих в. Полукоксе превышает 30%. Полученный полукокс обладает высокой реакционной способностью. Активность полуйоса по Йоду tía вйходо из реактора составила до 39% без какой

^ лйбо дополнительной активации. Эти свойства полукокса позволяют рассматривать его как хорошое сырье для газификации или пригото-Ёленйя Срикетоз - бнтобого топлива высокого качества.

- В соответствии с теорией высокоскоростного пиролиза осуществленное^ реакторе с секувдми струями газового теплоносителя увеличение скоростй Нагрева привело к увеличению выхода смола в 3-6 раз по сравнению с выходом ее в стандартной реторте стакера для бурого.угля и 2-3 раза для торга, причем выход смолы увеличивается с скоростью нагрева.

..,.'.■.■Зависимость- выхода, смолопродукт'ов от скорости нагрега показана на рис.1 »

50 40 30 20 10

■ i 1

xí • 1

/__i—

ь—{ • i . -í • •

1 -.'■-.■■ ..f. ■ -1 • i

105«С/е

Берсэогсккл Тор»

Йрша-БородииС'С^и

Рис. 1; Зависимость выхода смолопродуктов от скорости нагрева

- а -

В четвертой глазе'разработаны.методика расчета й оптимизации процессов Енутркцикловой газификации и пирогазификацки твердого топлива (ВГГ и ПГТТ), включенных в схеме ТЭС с ПТУ, на основе системного эксергетического анализа. Проведено сравнение полученного системного эксергетического КПД процессов внутрицикловой газифи- ; кации и пирогазлфикацки твердого.топлива с энергетическим К1Щ.

При разработке методики расчета и оптимизации процессов внутрициклоБоЯ газификации и пирогазифякацик твердого топлива используется следующая идея ' . ■:'. ■

Оценка эффективности процесса внутряцикловой . термической-подготовки (переработки) твердого тогитва на TSC до его энергетическому КПД процесса ч9;т' не показательна, так как в этих , уело-, виях исключаются потери анергии при газифкацяи к трогйзифосации топлива и энергетический КПД независим от параметров процесса./ Значительно более информативным критерием может служить эксерге-таческий КЦЦ, особенно если учесть, что главной задачей ПГУ-ВГТ и ПГУ-ПГТТ являются, преврати я энергии всех еыходящкх -ротонов в электроэнергию. Эксергия этих потоков как раз и.показывает, ; сколько работы, а значит и электроэнергии из кях, можно получить в пределе - при использовании идеализированных обратимых процессов.

Лри этом эксэргетяческие балансы при сравнительном анализе, вариантов газификацконных установок и •'. пиролизеров.■'- :. необходимо рассчитывать с учетом системного подхода. - . .

Для оценки ' системных затрат на подготовку кгадого поступающего на газификацию(пиролиз) потока необходимо ; "предложить е данный критерий оценки. В качестве такого критерия выбран расход исходного топлива, необходимый для обеспечения заданных, параметров потока, так как '-эффективность'-.' газификационной установки (пиролизера)непосредственно связана с расходом топлива на единицу выходящей из установки эксергии. Соответственно, системную эксер-ги» каждого потока следует оценивать через эксергию исходного топлива.

Такой критерий позволяет минимизировать совокупный расход топлива, свяваншй с функционированием газификатора заданной мощности (производительности) . При этом затраты на топливо ■■ являются главной составляющей суммарных затрат. На рис.2 показана, прикиципиальная схема потоков газогенераторной установки.

Системный эксергетический КПД определяется по формуле.. .

^ье = ееых / Еспст.вх ' где Есист вх ,ЕВЬ1Х суммарная эксергия входящих потоков и полезных выходящих потоков соответственно. При этом

Есист.вх= Ет + 1 Ет^ •

где Ет - секундный расход эхсергни топлива, непосредственно поступающего в газификатор(пкролизер);

£ Е,^ - секундный суммарный расход эксергии топлива, необходимого для подготовки всех других ( .1-ых) потоков, входящих в газификатор (суммарная системная расходуемая эксергия). В част-

Рис.2.Схема потеков в газогенераторной установке'

ности, расход эксергии топлива (системной. эксергии) ' на производство кислородного дутья В„/дк при заданном расходе дутья вда находим по удельному расходу электроэнергии на производство сжатого кислорода вэ/ск и удельному расходу условного топлива на..: производство электроэнергии ВуТ/э.по формуле г.. .

Кт/дк " 0дк-1'з/ск-вут/э-ет / эг -

Здесь Эт - энергетический эквивалент используемого"реального топлива, кг у.т/кг. ■■■.•■■■ ■ ■ ■■".■■•■

Расход эксергии топлива на подготовку воздуха определялся по секундному расходу электроэнергии на привод компрессора ; для скатил воздуха. При этом предполагалось, что при сжатии температур;.'. воздуха приобретает заданное- значение и дополнительного; . расхода энергии и эксергии на нагревание не требуется , . ;

Секундный расход эксергии топлива■■'(■;;. системная :эксергия:/': дутьевого воздуха) определялся по формуле

№. в . е <■

... уТ/9: т :■.■-.•■:';■; .у-".'-с;:::;-

т/да 3600.эт Л/, г

где (V- мощность привода воздушного компрессора, кВт . :

Расход аксерпш тошиба на подготовку нагретой вода и водя ного пара, подаваемых в газификатор, определялся исходя из соответствующиХ: секундных массовых расходов (&ви Ода): и удельной

энтальпии потоков (нв и н^) по формулам ■ \ -' ;"';'Л-'. '•■•'.. '

ЕВ ■ °в-11в"вут/теП-ет ' эт •

'Ет/До_ адпЬДПБУТ/теп-°т • ,-■ ..':Ч;';.^'ЧЩЙ^''-'Ч^• - :

Здесь ВуГ/.Т0П- - удельный расход условного топлива на отпуск тепловой энергии, кг у.т/кДу.. : .•;■■■'.•"■

Проведены расчеты зависимости эффективности газификации твердого топлива в газогенераторной установке факельного типа -с жидким шлакоудэлением.от, давления и концентрации кислорода , в дутье при фиксированной пропускной способности системы охлаждения ; и очистки генераторного газа, равней 100 тйс.м^/ч по обьему,. Давление в газификаторе при дома лось от 1.47 МПа до 2.94 Ша,

В качестве основного дутья принята азот-кислородная смесь с различной объемной'долей кислорода ф-: от 0.21/г:сздух/ до 0.24 ■/технический кислород/..Кроме того, для постоянной продувки кисло-

родной линии ' предусмотрен ввод в газифжатор Зт/ч водяного пара , с температурой 350°С. Температура исходного топлива принята равной 50°С, температура азот-кислородной смеси 120°С.

На рис.3 и табл.1 показаны -результаты исследования зависимости системного эксергетического КПД газкфикацконноЯ установки •рассматриваемого типа от основах параметров соотношения между : воздухом-кислородом и водяным паром в дутье 1 Получение таких - зависимостей позволяет обоснованно выбирать оптимальные значения перечисленных параметров и количественно оценивать влияние каждого из них на совокупный расход топлива.

.Изменение системного эксергетического КПД наиболее достоверно характеризует изменение интенсивности первичного преобразования ■■/энергии".исходного топлива /энергоносителя/. Наиболее, наглядно такие изменения отражаются через совокупный удельный расход исходного топлива, затрачиваемый на единицу эксергии /I МДж/ выходящих из газогенератора потоков. На основании данных, приведенных на рис. 3, можно утверждать, что максимальное содержание кислорода в ; дутье обеспечивает минимальный удельный расход тошшеэ; при доле кислорода в дутье, равной 0.5 расход топлива при прочих равных условиях возрастает в.1.05 - 1.1 раза ; в случае воздушного дутья .

.Таблица 1. Влияние давления и состава дутья на величину, эксерге-: тического КПД и системного эксергетического КПД процесса газифи- . . кации бурого угля

Р.МПа . . Доля 02 в дутье <р

0.94 0.75 0.50 0.35 0.30 0.21

Эксергетический ШЩ газификации -ре

1.47 72,12 70.90 67.40 61.90 53.81 44.65

1.96 72.61 71.45 68.69 63.51 .60.69 49.13

2.45 73.46 72.44 69.37 64.48 61 .87 50.28

2.94 73.70 72.55 69.73. 64.99 62.52 51.53

. .. Системный эксергетический КПД газификации

1.47 64.37 63.77 60.63 55.85 ' 53.12 40.70

. 1.96 2.45 65.43 66.31. 64.39 65.42 62.05 62.75 57.56 58.55 55.08 56.27 46.47 46.25

2.94 66.58- 65.62 . 63.14 59.10 56.97 47.51

P • l.S Иг1- P - 2.0 IQh

P =2.5 ИШГ»- r>U ЫП.

80 100

Содержание кислорода, %

Рис.3. Зависимость '¿^процесса газификаипи Сурого угля от состава дутья и давления

V

: ■

— а D«0.8 ir П=2.0 ах 0*1.2 кг - 11=2.4 кг —-

■ го «о во во II

Лоля содержания кислорода,%

Рис.5. Влияние состава дутья и расхода вара иа процесса пирогазификацни бурого угля

/<р=0.21/ расход топлива, увеличивается в 1.4 - 1.9 раза и сущест венно влияет.на топливную составляющую эксплуатационных расходов.

В процессе ВСП в качестве газового теплоносителя используется газ, получаемый при газификации части полукокса или Есего полукокса. При этом процесс моено вести на дутье разного вида (паровоздушном или паровоздушном, обогащенном кислородом). Изменение состава дутья в конечном счете ведет к изменению теплоты сгорания как газа—теплоносителя, так и смеси его с газом пиролиза.

. Принципиальная схема внутрицикловой пирогазифккацик о твердого топлива показана на , рис.4. Смешанный газ после очистки от сероводорода является подходящим топливом для ПГУ.

Дымовой газ ' „

900 С

Топливо ф 120ос ,->

1 2

300°С

•4

В атмосферу

В ПГУ

Смешанный газ

600°С

а'а д

шлак

В ПГУ

Смолопродукты

пар*

Полукокс

| обогащенный воздух кислородом

легко-средняя фракция

Тяжелая смола

Брикет.

Рис.4. Принципиальная схема пирогэзификации - твердого топлива: I - Размол и сушка топлива; 2 - промежуточный нагрев оплзшной пыли; 3 - реактор-пиролизер; 4 - узел охлаждения и разделения продуктов пиролиза; 5 - узел разделения смолопродуктов; 6. - газификатор полукокса; 7 - узел брикетирования полукокса.

Расчеты зависимости эксергетического КГЩ пирогазификации от состава дутья в газификаторе приведены при температуре пиролиза '600°С, температуре газификации 950°С. В качестве основного дутья принято паровоздушное дутье,, обогащенное кислородом. Объемная доля кислорода в дутье ф изменяется от 0.21 / воздух / до 0.95 / технический кислород /. Температура водяного пара принята ЗБ0°С. На рис. 5 приведении результаты исследования зависимости систем- • ного эксергетического КПД пирогазификации бурого угля и торфа от состава дутья

Как видно из рис.5 содержание кислорода в дутье фактически не влияет на системный эксергетический КПД процесса пирогазификации бурого угля к торфа. *

Системный эксергетический КГЩ процесса уменьшается по мере повышения расхода пара в дутье.

Внутрицикловая Газификация топлива. особенно эффективна на ТЭС с ПГУ, так как в этом случае повышение К!Щ теплового цикла частично или полностью компенсирует снижение КПД топливоподготовки вследствие включение в нее газификаторов.

Расчеты зависимости эффективности ПГУ с ВГТ от температуры перед газовой турбиной и вида дутья проведены для двух схем ПГУ: ПГУ с высоконапорным парогенератором и ПГУ с котлом-утилизатором. При этом тешэратура перед газовой турбиной принята . зной 950°С, И00°С, 1250°С. В качестве дутья принята азот-кислородная смесь с различной обьемной долей кислорода ф: от 0.21 до 0.95.

Результаты расчета представлены на табл.2 и рис. 6 ,7 . Повышение содержания кислорода в дутье ведет к повышению " системного эксергетического КЦД и электрической мощности _ для обоих - типов ПГУ. • . '

Характер влияния начальной температуры перед газовой турбиной для ПГУ с КУ и ПГУ с ВПГ не одинаков. По мере повышения начальной температуры перед газовой турбиной системный эксергетический КПД и мощность у ПГУ с КУ возрастают, а у ПГУ с ВПГ снижаются. Это изменение также сильно связано с содержанием кислорода в дутье.

Давление дутья, слабо влияет на системный эксергетический КПД. С ростом давления повышаются систеквшй эксергетический КПД и электрическая мощность у ПГУ обоих типов.

По мере повышешш доли кислородного дутья-доля мощности ГТУ в составе ПГУ с КУ возрастает,а у "ПГУ с.ВПГ. уменьшается.

— г я 050 оС

Г »1100 оС

Т =1250 оС

20 40 60 ВО 100

Содержание кислорода, 7.

Ряс. в. Зависимость ?5е ПГУ с КУ от состава дутья при Р=2.5 МПа

900 г——

~— Т = 950 оС

250 - -*- т =1100 ОС

т =1250 оС

200

100

40 60 80 100

Содержание кислорода, %

Рис.7. Зависимость мощности ПГУ с КУ от состаЕа дутья при Р=2.5 МПа

Как видно из рис. 7 мощность ПТУ с газификатором, имеющим фиксированные размеры, с изменением состава дутья может изменяться в 2.2 раз, что должно соответственно отражаться на удельных капиталовложениях.

Таблица 2.

Показатели расчета процесса внутрицикловой газификации на ТЭС с ПГУ с КУ при Тгт= 1250°С

Давление Содержание °2 Расход топлива Мощность ПГУ КЦД ПГУ с. ГГ Системный эксеоге-тический КОД ПГУ с •ГГ Отношение мощности ГТУ к ПТУ

МПа % кг/с МВт % %

95 21.17 239.21 48.20 47.99 1.19

■ 75 19:55 218.45 47.64 47.46 1.15

1.5 50 16.11 175.48 46.39 : 46.26 1.06

35 12.58 133.20 45.06 44.98 0.93

30 10.97 113.23 43.91 43.83 0.87

95 21.19 242.63 48.83 48.62 1.29

75 19.58 221.69 48.27 48.10 1.25

2.0 50 16.28 180.59 47.26 47.14 1.9

35 12.82 138.98 46.15 46.05 1.05

■зо 11.25 118.78 44.92 44.83 1 ;00

95 ' 21.27 245.53 49.24 . 49.04 1.39

75 19.66 225.05 48.80 •48.63 1.36

2.5 50 16.33- 182.58 47.61 47.5СГ 1.29

35 12.94 141.57 46.56 46.47 . 1.16

30 11.41 122.48 45.69 45.58 1.13

95 • 21.25 .246.48 49.48 49.27 1 .44

75 ' 19.72. 227.99 49.29 49.13 1 .40

3.0 50 16.38 184.41 47.95 47.82 1 .35

35 13.05 144.95 47.27 47.19 1.22

30 11.52 125.60 46.40 46.30 1.19

Главным недостатком газификации.. исходного топлива следует 1 считать традиционный односторонний подход"~~-*^нем, как .источнику;

тепловой энергии. Сегодня такой подход не отвечает требованиям ресурсосбережения и, как и нефть, уголь уке не только топливо, а ценнейший сырьевой ресурс, нужный всему народному хозяйству . 'В .случае комплексного использования топлива газификации могут подвергаться некоторые продукты пиролиза, например весь или часть полукокса. >

На рис.7 показаны результаты исследования зависимости системного эксергетического КЦД ПГУ с КУ с пирогазификацей бурого угля и торфа от состава дутья.

, Как видно из рис.8 содержание кислорода в дутье слабо влияет на КПД и системный эксергетический КПД ПГУ с КУ с пирсгазифпка-цией бурого угля и торфа. С повышением доли кислорда 9 от 0.21 до 0.-1 системный эксергетический КЦД возрастает, а при 9 > 0.4 системный эксергетический К1Щ практически не измяется.

По мере, повышения расхода пара в дутье уменьшаются системный эксергетический КПД ПГУ с пирогазификацизй.

Применение кислородного дутья в процессе газификации в сочетании с 11ГУ позволяет уменьшать удельный расход топлива и при одинаковом размере газификатора увеличить мовдость ПГУ.

По мере повыигеншз начальной температуры перед ГТУ эффективнее . применение схемы ПГУ с КУ , а по кере уменьшения начальной' температуры перед ГТУ эффективнее применение схемы ПГУ с ВПГ.

Применение кислородного дутья в процессе гшрогазификации не . дает выигрыш удельного расхода топлива. В случае пирогазкфикации лучьше применить паровоздушное дутье.

. В пятой главе проведена технико-экономическая оценка эффективности процесса высокотемпературной переработки твердого топлива на ТЭС.

;' .'Оценка' экономической эффективности применения кислородного . дутья для газификации топлива проведена путем сравнения приведенных затрат для этого варианта с базовым вариантом- газификацией на паровоздушном дутье с содержанием кислорода до 30',?.

Результаты расчетов покрывают, что применении кислородного дутья в процессах переработки топлива дает экономнее ску1-" эффективность 10 млн. долл /год для блока ПГУ с КУ мощностью 1.0 МВт.

: Для оценки удельных приведенных затрат главной продукта принято, что побочная продукция'реализуется по минимальной стоимости данного ее вида по прейскуранту.

В качестве примера рассматриваются 3 реяжма' высокотомпора-

^ебог

— п=о.в ХГ~<— п=1.г кг

55 —— -ч- 11=2.0 иг— П=2.4 кг

20 40 60 . 90

Сш«рха|1|1Я кислорода, % Рис.8. Влияние состава дутья и ' расхода пара на '/5е. ПГУ с КУ с пирогаэификацися Сурого угля

100

Змлн.долл/год

30,-----£-1-

0 200 400 600 ООО 1000 1200 1400 1600 Расстояние, км

—ПГУеВГТ м мтут^— ТЭСеВГТ и» тгрлпагг. ПГУсПГТТ ш мазуяг ТЭСсППТ на лжг^лш'гс

Рис.9. Экономическая эффективность на ТЭС с ВГТ и ПГТТ

турной подготовки топлива I) пирогазификация с максимальной выработкой электроэнергии ( с включением в схему ПГУ);2) режим с максимальным приготовлением брикетов ( ПГУ и газификатор отсутствуют), 3) режим с одновременной выработкой электроэнергии и - ' производством брикетов ( с включением в схему ПГУ) .

Расчеты экономических показателей схемы ПГУ с пирогазифи-К8ЦИ0Й бурого угля показывают, что энерготехнологическая схема для приготовления брикетов имеет большую перспективу для получения высококачественных топлив. Удельные приведенные затраты на производстю Орикетов оцениваются от. 22 до 98 долл /т у.т. в за: висимости от схемы переработки » что существенно ниже, чем затраты на их производство во Вьетнаме по ныне применяемой технологии ( до 150 долл/т у.т).

Проведена оценка экономического эффекта использования внутри-цикловой газификации и пирогазификащщ низкокачественных топлив на ТЭС, замещающих дизельное топливо или антрацит во Вьетнаме ■' путем определения разности годовых приведенных затрат в соответствующих вариантах. Результаты оценки показаны на рис.9.

.' "Вывода

1) Одним из наиболее перспективных направлений использования . низкосортных твердых энергетического топлив является их комплек-

..-■■ сная высокотемпературная переработка- на ТЭС с парогазовыми

: установками, позволяющая получить электроэнергию с более высоким . . энергетическим КПД.:а также другую товарную продукцию . в условиях Вьетнама в качестве товарных продуктов наиболее зфективным является приготовление брикетов-бытового топлива, в котором в. настоящее время ощущается особенно острый дефицит ..

2) Приведенные эксперименты по высокоскоростному пиролизу топлива и расчеты разработанной схемы внутрицикловой пирогазификация . твердого топлива, в которой в качестве теполоносителя используется газ газификации полукокса, получаемого; в процессе пиролиза, показали возможность и преимущества вклзочени. этой схемы в

. топливной цикл ТЭС.с парогазовым установкам. , 3) Применение усовершенствованных способов нагрева тс.-.г.геа при проведении высокоскоростного пиролиза (ВСП) позволяет увеличить . выход смолопродуктов до 2955 для бурого угля и до 45% для тор£а в расчете на горючую массу топлива, что делает этот процесс экономичным для использования низкосортных топлив. В. этой связи бурый ■ уголь и торф должны рассматриваться не только как'топливо, но и

-го- .■■•:■■■

как ценнейший сырьевой ресурс, нужный всому народному хозяйству.

4) Полученный при ВСП полукокс характеризуется повышенным., выходом летучих веществ и обладает высокой реакционной способностью. Активность полукоса по йоду на выходе из реактора-пиролиза достигает 39% у бурого угля и 25 * у торфа без какой либо дополнительной активации. Эти свойства полукокса позволяют рассматривать его как хорошое сырье для газификации или приготовления бри- ■ кетов а также в качестве дешевого сорбента для очистки сточных вод от нефтепродуктов.

5) Одним из наиболее эффективных критериев оптимизации процесса газификации и пирогазификации твердого топлива является системный эксергетический КПД, позволяющий минимизировать совокупные затраты топлива и определить оптимальный состав дутья при газификации. ;.. '

6) Кислородное дутье целесообразно использовать в ПТУ с внутри-цикловой газификацией топлива. Паровоздушное дутье более целесообразно использоватьдля ПГУ с пирогазифшсацяей . При этом расход •пара для ощушествления процесса пиролиза должны быть минимальным.

7) Внутрицикловая газификация и пирогазификация низкосортных топлива позволяет успешно решить также проблему защиты атмосферы, от вредных выбросов оксидов серы и азота а также летучей золы.

8) В условиях Вьетнама ПГУ с внутрицикловой газификацией и пи- -рогазификацией бурого угля и торфа имеет большую ь^ономическую эфиктивность по сравнению ПГУ на мазуте, а также по• сравнению ПГУ на антраците. ПГУ с внутрицикловой газификацией бурого угля имеет • более высокую экономическую эффективность по сравнению ПГУ на антраците только при определенных расстояниях перевозки антрацита.

Подлисдну к печати . Л— /л/1 //V/

И.ч. .1. -/СО

.. • Тиногуафин НЭП, Крдсиокмврксщия, 13,

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. НОВЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЭНЕРГЕТИКЕ.

1.1 Роль твердого топлива в энергетике мира и во Вьетнаме; технические и экологические проблемы при его использовании.

1.2 Аналитический обзор литературы по газификации твердого топлива в энергетике.

1.3 Состояние работ в области ПГУ с внутрицикловой подготовкой топлива.

Выводы по главе I

ГЛАВА 2. КОМПЛЕКСНОЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЭНЕРГЕТИКЕ.

2.1 Аналитический обзор публикаций по пиролизу твердого топлива в энергетике.'.—

2.2 Современные и перспективные схемы комплексного энерготехнологического использования твердого топлива на базе ТЭС.

2.3 Комплексное энерготехнологическое использование твердого топлива на ТЭС с ПГУ.

2.4 Перспективы комплексного использования твердого топлива в энергетике Вьетнама.

Выводы по главе

ПЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО

ПИРОЛИЗА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА.

3.1 Постановка задачи и экспериментальная установка.

3.2 Методика подготовки и проведения экспериментов.

3.3 Результаты экспериментальных исследований BCII бурого угля и торфа.

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ВНУТРИЦИКЛОВАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ И ПИРОГАЗИФИКАЩЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ТЭС С ПГУ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ.

4.1 Особенности и преимущества организации внутрицикловой газификации и пирогазификации твердого топлива на

ТЭС с ПГУ.

4.2 Методика расчета и оптимизации процесса газификации и пиролиза твердого топлива.

4.3 Методика расчета эксергетического баланса газификационной и пирогазификационной установок.

4.3.1 Методика расчета эксергетического КПД газификационной и пирогазификационной установок.

4.3.2 Методика расчета системного эксерге тиче ского КПД энергоиспользующих установок.

4.4 Математические модели и схемы расчета эффективности процессов газификации и пирогазификации твердого топлива

4.4.1 Математическая модель и схема расчета эффективности процесса газификации.

4.4.2 Математическая модель и схема расчета процесса пирогазификации

4.5 Анализ и оптимизация комплекса внутрицикловой пирогазификации твердого топлива в сочетании с ПГУ на основе расчета системного эксергетического КПД.

4.5.1 Оптимизация комплекса внутрицикловой газификации твердого топлива в сочетании с ПГУ

4.5.2 Оптимизация комплекса внутрицикловой пирогазификации твердого топлива в сочетании с ПГУ.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕРЕРАбОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА. 105 5.1 Методика оценки эффективности схемы ПГУ с пирогазификацией твердого топлива.

5.2 Экономическая оценка эффективности применения кислородного при внутрицикловой газификации твердого топлива.на ТЭС с ПГУ.

5.3 Экономическая оценка эффективности схемы ПГУ с гшрогазификацией твердого топлива.

Выводы по главе 5.ИЗ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Тепловые электрические станции на органическом топливе составляют основу современной мировой энергетики, вырабатывая более 40% электроэнергии. Основной тип электроустановок в современной электроэнергетике- мощные паротурбинные блоки, совершенствование которых обеспечило прогресс в энергетике в прошедшие годы. Однако в настоящее время возможности совершенствования традиционного паротурбинного цикла практически исчерпаны.Вместе с тем повышается актуальность экологических проблем. Это связано с возрастающими вредными выбросами в атмосферу и ужесточением требований по охране окружающей среды. Угольные ТЭС XXI в. должны быть достаточно экономичными и экологически приемлемыми. ТЭО постепенно будут превращаться в комплексы с производством помимо электроэнергии и тепла также химического сырья и других товарных продуктов.

Одним из наиболее перспективных направлений современной энергетики являются газификация и пиролиз топлива с использованием получаемого на ТЭС газа в парогазовых установках (ПГУ). С помощью таких ПГУ реализируется новая энергетическая технология, обеспечивающая по сравнению с наиболее совершенными энергетическими блоками снижение на 15-20 % удельного расхода топлива, примерно на 30% снижение удельных капитальных вложений и ряд других преимуществ. Экологические показатели ПГУ с газификацией твердого топлива при очистке получаемого газа от вредных примессей в поль-ной мере удовлетворяют требованиям действующего закондательства в области охрана окружающей среды.

Хотя в настоящее время развитие энергетики Вьетнама опирается в основном на гидроэнергетику, в дальнейшем планируется ускоренное развитие и теплоэнергетики. Сегодня во Вьетнаме ощущается острый дефицит электроэнергии, среднегодовое потребление электроэнергии составляет 130 кВт.ч/чел в год, что тормозит развитие экономики страны. Поэтому стоит задача уже в ближаишее время построить ряд ТЭС на угле и на газе с учетом возможной замены газа на уголь, а в перспективе сооружения на ТЭС ПТУ.

Второй не менее важной задачей страны является снабжение населения коммунально-бытовым топливом. В настоящее время в большинстве сельских и горных районов Вьетнама еще не существует системы централизованного энергоснабжения и более 90% семей используют древесное топливо. Это ведет к резкому ухудшению окружающей среды и быстрому истощению запасов лесов. Поэтому широкое использование более современных источников энергии, таких, например,как угольные брикеты, мазут, электричество является жизненно важной задачей для народного хозяйства Вьетнама.

Решить две поставленных выше задачи можно с помощью газификации или пиролиза твердого топлива с использованием получаемых продуктов как для выработки электроэнергии, так и для приготовления коммунально-бытового топлива.

Исходя из этого, задача разработки и оптимизации процесса внутрицикловой высокотемпературной переработки твердого топлива на электростанциях с ПГУ является весьма актуальной.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка и оптимизация объединенного процесса пирогазификации твердого топлива( угля и торфа) для получения электроэнергии и коммунально-бытового топлива в условиях Вьетнама.

ЗАДАЧАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ являлись: I. Оценка потенциальных запасов основных видов твердого топлива во Вьетнаме, пригодного для крупномасштабной термической переработки в режимах газификации или пирогазификации.

2. Исследование процесса высокоскоростного пиролиза(ВСП) этих топлив как первой стадии метода их пирогазификации.

3. Проведение эксергетического анализа процессов газификации и пирогазификации топлива, включенных в тепловую схему ТЭС с ПГУ с целью оптимизации и выбора состава дутья.

4. Разработка алгоритма расчета ПГУ с внутрицикловой высокотемпературной переботкой твердого топлива на ТЭС на базе эксергетического анализа. Разработка комплекса программ на Фортране, в рамках которого возможно определение оптимальных условий для проведения процессов газификации и пирогазификации твердого топлива, включенных в схему ПГУ, а также работы ПГУ с внутрицикловой газификацией и пирогазификацией твердого топлива на ТЭС.

5. Технико-экономический расчет процесса пирогазификации твердого топлива( угля и торфа) для получения электроэнергии и коммунально-бытового топлива в условиях Вьетнама.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленные задачи решались экспериментально, а также теоретически с помощью методов математического моделирования с применением вычислительной техники.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Результаты экспериментального исследования процесса ВСП бурых углей и торфа по методу ЭНИН.

2. Методика расчета и оптимизации процесса внутрицикловой газификации твердого топлива на ТЭС на основе эксергетического анализа.

3. Методика расчета и оптимизации процесса пирогазификации твердого топлива для получения коммунально-бытовых топлив и электроэнергии .

4. Методика расчета и оптимизации процесса внутрициклового пиролиза топлива с газификацией полукокса на ТЭС с ПГУ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. На основе анализа развития энергетики Вьетнама определены перспективные направления использования энергетического твердого топлива.

2. Определены условия оптимального режима работы ТЭС с внутрицикловой газификацией и пирогазификацией твердого топлива. Обоснован выбор типа дутья при газификации топлива.

3. Получены данные по высокоскоростному пиролизу угля и торфа при нагреве их газовым теплоносителем по методу ЭНИНа с целью производства наряду с энергетическим топливом брикетов полукокса и другой ценной продукции.

4.Разработана новая схема внутрицикловой пирогазификации твердого топлива, в которой в качестве теполоносителя используется газ газификации полукокса, получаемого в процессе пиролиза.

5. На основе эксергетического метода на базе системного анализа предложен более эффективный способ решения задачи минимизации совокупного расхода топлива при его переработке на ТЭС.

6. Разработаны алгоритм и комплекс программ на ФОРТРАНе для оптимизации процессов газификации и пирогазификации твердого топлива, включенных в схему ПГУ, а также работы ПГУ с внутрицикловой газификацией и пирогазификацией твердого топлива на ТЭС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ:

I. Практическая значимость работы состоит в разработке методов, алгоритмов и программ для анализа процессов внутрицикловой газификации и пирогазификации твердого топлива на ТЭС.

2. Предложенный критерий системного эксергетического КПД позволяет повышать эффективность решения задачи минимизации совокупного расхода топлива при его переработки на ТЭС.

3.Полученные результаты по оптимизации процесса высокотемпературной подготовки топлива на ТЭС будут использованы при разработке и сооружении ТЭС с ПТУ во Вьетнаме

ПУБЛИКАЦИЯ. Результаты исследований опубликованы в журнале " Теплоэненргетика (1994г. N6) и приняты к публикации в том же журнале 1994г. N9.

ОБЬЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, пяти глав , заключения, список использованной литературы и приложения. Общим объема 162, стр.

Выводы по главе 5

I. Результаты экономических расчетов показывают, что применение кислородного дутья в процессах переработки топлива дает увеличение экономической эффективности на 10 млн. долл /год для блока ПГУ с КУ мощностью 150 МВт.

2. Расчеты экономических показателей схемы ПГУ с пирогазифи-кацией бурого угля показывают, что энерготехнологическая схема для приготовления брикетов имеет большую перспективу для получения высококачественных топлив. Удельные приведенные затраты на