Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Выполнен аналитический обзор 91 научно-информационного источника, из них 70 за предшествующий 5-летний период. Анализ конкурентных технологий показал, что одним из перспективных направлений развития угольной генерации являются ПГУ с внутрицикловой газификацией (ПГУ-ВЦГ). Их основные достоинства: возможность достижения высокой эффективности при комплексном решении экологических проблем и реализации энерготехнологии (полигенерации). Присущие недостатки: относительно низкий химический КПД, сложная система газоподготовки и связанные с ней значительные термодинамические потери, высокие затраты на создание кислородной станции, надёжная эксплуатация только на кондиционных энергетических углях, низкий коэффициент надежности и готовности и др. Анализ технологических решений, позволяющих повысить эффективность ПГУ с ВЦГ перспективных параметров показал, что основными методами преодоления недостатков и повышения эффективности ПГУ-ВЦГ могут быть: переход на горячую систему очистки топливного газа, совершенствование воздухоразделительной установки, использование СО2 для подачи топлива в реактор, перевод реактора на воздушное дутье, разгрузка острова газификации. Наиболее эффективны переход к воздушной конверсии совместно с мероприятиями по повышению ее эффективности и по частичному замещению (разгрузке) острова газификации. При этом, наряду с повышением общей эффективности подготовки рабочего тела ГТУ, заметно ослабляется действие недостатков технологической части IGCC, связанных с переводом реактора на воздушное дутье. Разработка данных мероприятий составляет основную тематику исследования. Проведена классификация бедных промышленных (тип А) и синтез-газов (тип Б), пригодных для использования в качестве топлива для ГТУ. Выполнен сравнительный анализ свойств бедных газов с целью определения возможности их применения в парогазовом цикле с использованием стандартного оборудования. Показаны границы развития парогазовых технологий при использовании бедных газов, определяемые способностью воспламенения и устойчивого горения. В результате выполненного анализа выявлено, что наиболее целесообразно энергетическое использование искусственных газов в парогазовом цикле с оборудованием высоких параметров. Бедные искусственные промышленные и генераторные синтез-газы близки по свойствам и могут сжигаться в камерах сгорания ГТУ по единым технологиям. Сформулированы основные направления модернизации стандартной ГТУ при переходе на сжигание бедных газов. Приведен объем необходимой модернизации ГТУ в зависимости от теплоты сгорания топлива; определена поузловая необходимость модернизации оборудования ГТУ, изначально рассчитанного на сжигание природного газа. По результатам проведенных исследований определены ключевые элементы, которые необходимо модифицировать и разработать вновь. Для модифицируемых и/или вновь создаваемых объектов разработки были выбраны целесообразные методы исследования: расчетно-аналитические, экспериментальные лабораторные, стендовые или опытно-промышленные исследования, математическое моделирование. Для конкретизации объектов НИР были проведены предварительные расчетные исследования по определению возможности повышения эффективности термохимической конверсии угля на основе воздушного дутья и присадок кислорода и по выбору оптимальной конфигурации узла подготовки рабочего тела ГТУ. Результаты расчетных исследований показали, что при любой концентрации кислорода нагрев дутья повышает химический КПД реактора, причем с увеличением температуры дутья эффективность от присадки кислорода уменьшается. Таким образом, в области температур 800-900°С и выше нагрев дутья имеет технологическое преимущество над присадкой кислорода. Узел подготовки рабочего тела ГТУ в гибридной ПГУ-ВЦГ состоит из трех основных узлов, соединенных по смешанной параллельно-последовательной схеме: газификатора с коэффициентом термохимической конверсии ηх, нагревателя циклового воздуха с КПД брутто η2 и камеры сгорания газовой турбины с термическим КПД η3. Поскольку величина η3 всегда больше ηх и η2, компоновочное решение зависит от конкурентного соотношения ηх и η2. С учетом полученных на сегодняшний день поисковых оценок по достижимому уровню эффективности газификатора и температуры нагрева циклового воздуха в исследовании будет рассмотрен вариант с наличием газификатора и воздушного котла в качестве базового. Разрабатываемая технология позволяет достичь по тепловой экономичности следующих показателей: расчетный КПД ПГУ при достигнутом уровне газопаротурбинной техники на газах типа А – не менее 50-55%, на газах типа Б – не менее 44-45%, при использовании перспективных газовых и паровых турбин КПД ПГУ на газах типа А – 57-60%, на газах типа Б – 50–55% с экологическими показателями на уровне принятых международных нормативов. По результатам проведенных исследований определены ключевые элементы, которые необходимо разработать вновь – поточный реактор термохимической конверсии, трубный элемент узла нагрева дутьевого и циклового воздуха и узел нагрева дутьевого и циклового воздуха, а также элементы, которые необходимо модифицировать – а систему охлаждения генераторного газа, узел догрева циклового воздуха – камеру сгорания, систему очистки генераторного газа, газовую турбину, котёл-утилизатор и схему гибридной ПГУ с ВЦГ в целом. Проведено сравнение в новом топливном сегменте свойств низкокалорийных газов типа А (промышленные газы) и Б (синтез-газы) со среднекалорийными газами кислородной газификации и природным газом. Основным свойством рабочих тел газотурбинного цикла является теплоемкость рабочих тел, от которой зависят удельные работы компрессоров и турбины, количества подведенных и отведенных теплот, а, следовательно, термодинамическая эффективность цикла. Анализ показал, что теплоемкость продуктов сгорания при изменении температуры после камеры сгорания от 1000 °С до 1500 °С может как увеличиваться, так и уменьшаться. Неоднозначное поведение теплоемкости связано с различной зависимостью теплоемкостей компонентов продуктов сгорания от температуры и изменением состава продуктов сгорания при различных избытках воздуха. Проведены расчетные термодинамические исследования парогазового цикла при работе на газах А и Б для трех моделей парогазового цикла. Показано, что повышение доли трехатомных газов в составе рабочего тела газовой турбины повышает КПД комбинированного цикла. Таким образом, результаты термодинамических исследований показали, что на термодинамическую эффективность цикла влияет состав топливного газа и теплоемкость продуктов сгорания. С учетом этого термодинамическая эффективность ПГУ с ВЦГ для данного энергетического оборудования будет практически полностью определяться эффективностью технологической части – «острова газификации» – его химическим КПД и особенностями интегрирования ТЧ в тепловую схему ПГУ, оказывающими непосредственное влияние на степень бинарности комбинированного цикла. Предложенные расчетные модели позволяют учесть особенности расчетов для различных схем использования в качестве топлива газов типа А и Б. С целью получения кинетических характеристик проектных топлив проводились исследования на приборе комплексного термического анализа. На основания результатов обработки 80 экспериментов с навесками антрацита, каменного и бурого угля при различных режимных параметрах были сделаны выводы о граничных условиях, при которых процесс протекает с минимальными внешнедиффузионными ограничениями. Конечной целью описанных опытов является имплементация полученных экспериментальных данных в численную модель процесса термохимической конверсии угля в поточном реакторе на воздушном дутье. Обработка данных ТГА эксперимента проводилась с помощью методик, учитывающим различные модели превращения частицы топлива: модель объемного реагирования, модель сжимающейся частицы, модель хаотически расположенных пор. Исполнителями была разработана программа Solid Fuel Conversion, предназначенная для выполнения математической обработки результатов экспериментального исследования термохимической конверсии угля, выбора наилучшей аппроксимации для трех описанных моделей конверсии, расчета кинетических характеристик процесса на основе данных ТГА. Научные задачи по проекту в 2014 г. выполнены полностью. Получены следующие результаты: 1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов по проблеме повышения эффективности ПГУ с ВЦГ на искусственных газах перспективных параметров – не менее 30 научно-информационных источников за предшествующий 5-летний период. 2. Проведено аналитическое исследование топливной базы бедных газов, получаемых в виде побочных продуктов промышленных производств и в установках внутрицикловой газификации. 3. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. 4. Выполнен анализ технологических решений, позволяющих повысить эффективность ПГУ с ВЦГ перспективных параметров. 5. Выполнено обоснование выбора направления НИР, выбор объектов исследования НИР (процессы или элементы, которые необходимо модифицировать и/или разработать вновь для достижения цели НИР). 6. Осуществлен выбор целесообразного метода исследований для каждого из модифицируемых и/или вновь создаваемых объектов разработки: расчетно-аналитические, экспериментальные лабораторные, стендовые или опытно-промышленные исследования, математическое моделирование. 7. Проведены сравнительные термодинамические расчёты газотурбинного и парогазового циклов при работе на бедных газах с учётом специфики их применения (переменной массы, химического состава и неравновесности отдельных стадий). 8. Проведен комплексный термический анализ, объединяющий методы термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии для получения кинетических констант гетерофазных и топохимических реакций с участием твердого топлива. 9. Определены кинетические параметры процессов термохимической конверсии по результатам обработки данных комплексного термического анализа. 10. Выполнены обоснование и разработка целей моделирования. 11. Выполнено обоснование необходимости проведения экспериментальных исследований, выбор вида экспериментальной реализации. 12. Подготовлены и поданы 2 заявки на объекты интеллектуальной собственности: • заявка на полезную модель «Высокотемпературный теплообменный элемент с внутренней вставкой», которая может быть использована в теплообменных и теплопередающих устройствах, размещаемых на стенках топок и предназначенных, преимущественно, для высокотемпературного теплообмена газообразных сред. • заявка на программу для ЭВМ «Solid Fuel Conversion», предназначенную для выполнения математической обработки первичных результатов экспериментального ТГА исследования, применительно к исходному углю и коксовому остатку угля. 13. Подготовлены и опубликованы по результатам выполненных исследований 4 статьи, 4 доклада, 1 тезисы, представлено 2 сюжета в прессе и ни ТВ. Научные результаты по проекту были представлены на 4 конференциях. 14. Защищена кандидатская диссертация. 15. Разработан проект технического задания на выполнение прикладных исследований по разработке перспективной ПГУ с внутрицикловой газификацией при участии организаций-партнеров.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В экспериментальной части проекта использовались два проектных каменных угля марки Д Кузнецкого месторождения (уголь №1 – Wa=2,9%, Ad=23,7%, Vdaf=39,2%, Qsdaf=33МДж/кг, уголь №2 – Wa=5,4%, Ad=22,3%, Vdaf=44,7%, Qsdaf=31 МДж/кг. По результатам экспериментов на приборе синхронного термического анализа получены данные по скорости конверсии коксовых остатков указанных углей в среде кислорода, водяного пара и двуокиси углерода. По экспериментальным данным рассчитаны кинетические характеристики: энергия активации, порядок реакции и предэкспоненциальный множитель. По результатам эксперимента рассчитаны кинетические характеристики: энергия активации, порядок реакции и предэкспоненциальный множитель. Для реакции с кислородом воздуха энергия активации составила для угля №1 - 106 кДж/моль, угля №2 - 108 кДж/моль, порядок реакции близок единице. Для реакции газификации с H2O энергия активации составила для угля №1 - 232 кДж/моль, угля №2 - 207 кДж/моль, порядок реакции около 0,6. Для реакции газификации с CO2 энергия активации составила для угля №1 - 220 кДж/моль, для угля №2 - 208 кДж/моль, порядок реакции около 0,4. Кинетические константы использованы при CFD моделировании работы двух поточных установок термохимической конверсии. В результате отработки метода получения синтез-газа требуемых параметров из стандартной пыли проектного угля №1 с использованием установки под давлением НПО ЦКТИ получен устойчивый процесс паровоздушно-кислородной безостаточной газификации в высокотемпературном дутье. Определена степень изменения состава синтез-газа в сторону увеличения водорода в результате протекания реакции сдвига водяного газа в секции водяного квенчинга, которая работает в режиме первой ступени шифт-реактора. Шифт-процесс не меняет содержание CO2 в рабочем теле газовой турбины, а значит, не повышает эффективность работы ГТУ. По результатам экспериментальной серии на огневом стенде ИТ СО РАН предложена модификация метода двухступенчатой конверсии проектного угля №2. Экспериментальные температуры на выходе из реакционной камеры составили 1200-1500°C, что позволяет создать стадию паровой газификации в хвостовой части второй ступени. Подвод пара приведет к гарантированному снижению температуры синтез-газа до 1100°C, частичному вытеснению угля газификации, уменьшению выхода СО и увеличению выхода H2. Указанные компоненты являются целевыми показателями топливной смеси для ГТУ. Проведены экспериментальные исследования методов повышения жаропрочных свойств высокотемпературных поверхностей нагрева циклового воздуха на существующем оборудовании. Для защиты нержавеющих сталей и легированных хромоникелевых сплавов, используемых в воздухонагревателе (ВН), разработана специальная эмаль №1. Металлы, покрытые эмалью №1, обладают следующими свойствами: прочность сцепления с металлической поверхностью – 76-92,5%; прочностные свойства увеличиваются на 4-7%; средняя скорость убыли массы покрытия – 0,0075 г/(м2∙ч); коэффициент термического расширения КТР=123∙10^(-7) 1/c; выдерживает более 100 теплосмен по циклу 20-900-20°С без отколов; сплошность покрытия на электропробой не менее 1 кВ; увеличение коррозионной стойкости в 6-8 раз при температуре 950-980°С. Металлы, покрытые эмалью №1 могут быть рекомендованы к промышленному опробованию. Для защиты углеродистых сталей разработана эмали №2 и №3. Углеродистые стали, покрытые эмалями №2 и №3, обладают следующими свойствами: выдерживают нагрев до 1000°С без образования трещин, чешуи и пузырей; высоковольтная дефектоскопия нарушений сплошности не выявила; коэффициент термического расширения КТР=96-100∙10^(-7) 1/c; прочность сцепления – 6,03 МПа; температура начала размягчения – 850°С; диэлектрическая сплошность, до 1,65 кВ; увеличение коррозионной стойкости в 10-12 раз при температуре 950°С. Углеродистые стали, покрытые эмалями №2 и №3, могут быть рекомендованы к промышленному опробованию. Возможность использования углеродистых сталей с указанными покрытиями при температурах до 1000°С, позволила предложить для дальнейшей разработки конвективный теплообменный жаростойкий биметаллический (углеродистая сталь-жаростойкий сплав) трубный элемент с наружным оребрением и защитным покрытием. В пакете CFD создана и верифицирована модель гладкотрубного теплообменного элемента из жаростойкого сплава с защитным покрытием. Интенсификацию внешнего теплообмена трубного элемента конвективной секции узла нагрева циклового воздуха предложено обеспечить за счет оребренной биметаллической трубы из жаростойкого сплава (оребрение из нелегированной углеродистой стали с защитным покрытием). Расчет модели такой трубы показал увеличение теплового потока в 1,5 раза по сравнению с гладкой жаропрочной трубой. В пакете SigmaFlow создана и верифицирована модель радиационной секции ВН сечением 12х12м и высотой 30м. Определены αв=700 Вт/(м2∙К) и скорость воздуха 45 м/с, необходимые для обеспечения температуры металла не более 1000°С. Разработана модель поточного реактора термохимической конверсии, позволяющая вырабатывать механизмы воздействия на состав синтез–газа и эффективность термохимической конверсии твёрдого топлива в поточном газификаторе под давлением с различной концентрацией кислорода в дутье с учётом экспериментально полученных структурно–кинетических показателей. На основе верификации отдельных подмоделей по экспериментальным литературным данным разработана модель камеры сгорания (узла догрева циклового воздуха), позволяющая отрабатывать конструктивные решения, обеспечивающие эффективное сжигание газа определённого состава при соблюдении экологических требований в камере сгорания газовой турбины. В пакете CFD создана и верифицирована модель теплообменного элемента охладителя генераторного газа перед газоочисткой, получен коэффициент теплоотдачи от генераторного газа к поверхности труб 984 Вт/(м2∙К). Используя результаты расчета охладителя генераторного газа в пакете ThermoFlex рассчитаны площади поверхностей охлаждения: для 1-ой секции – 126 м2; для 2-ой секции охлаждения – 170 м2. Разработаны, верифицированы по экспериментальным данным и подготовлены к целям моделирования структурные аналитические модели холодной газоочистки синтез-газа, газовой турбины и котла-утилизатора, тепловой схемы ПГУ с внутрицикловой газификацией. Выявлен диапазон повышения КПД ПГУ при переходе на горячую систему газоочистки, который составляет 1,75-2,5%. Найдены значения констант скорости реакции и энергии активации для реакции поглощения сероводорода оксидом цинка и для реакции поглощения кислорода сульфидом цинка. Произведено предварительное моделирование химической реакции с использованием finite rate laminar модели. Разработанные структурные схемы ГТУ, КУ, тепловой схемы ПГУ обеспечивают исследование работы установки на бедных промышленных и синтез-газах внутрицикловой паровоздушной газификации при различных режимах работы отдельных элементов и узлов схемы без потери связи с остальными элементами. Разработка технологической схемы и технических решений по рекуперативному нагревателю компримированного воздуха с параметрами р=2-3 МПа, t=800-1000 °С. Разработаны следующие технические решения: • использование труб с меньшим, чем принято, диаметром (10-30 мм), что позволяет снизить металлоемкость поверхностей нагрева; • топка должна быть адиабатной, а нагрев циклового воздуха рекомендуется осуществлять только в конвективной секции ВН; • после адиабатной топки используется камера смешения, где к потоку продуктов сгорания подмешиваются газы рециркуляции в объеме, необходимом для получения температуры продуктов сгорания на выходе из нее ~ 1000°С (по условиям полного исключения шлакования); • предложено осуществлять течение воздуха по трубам при скоростях 2-5 м/с. Это позволяет получить оптимальный уровень удельных инвестиций, учитывающих капитальные затраты на металл и эксплуатационные расходы (на электроэнергию для прокачки воздуха). В результате сформировалась технологическая схема: в адиабатной топке сжигается твердое топливо, затем в камере смешения к потоку продуктов сгорания подмешиваются газы рециркуляции до получения температуры продуктов сгорания на выходе из нее ~ 1000°С, далее следует собственно конвективная секция (где осуществляется нагрев компримированного воздуха), затем регенеративный воздухоподогреватель (для нагрева низконапорного воздуха на горелки топки). Разработка технологической схемы и технических решений по рекуперативному газоохладителю с понижением температуры газов от 1100-1200°C до 500-600°С и получением насыщенного или слабоперегретого водяного пара давлением 10-12 МПа. На основании проведенного ранее обзора и выполненных расчетов в пакете CFD программы, приняты следующие технические решения по рекуперативному газоохладителю (ГО): • теплообменные элементы выполнены в виде вертикальных трубных спиралей разного диаметра. Все витки в спиралях соединены между собой вертикальными мембранными перемычками. • в радиальном направлении между спиралями образуются кольцевые каналы, по которым течет генераторный газ. • ГО состоит из двух секций, в 1-ой секции производится перегретый пар высокого давления, во второй – пар среднего давления. В результате сформировалась технологическая схема: по кольцевым каналам течет генераторный газ и отдает теплоту воде и пару, протекающим по спиралевидным трубам. ГО состоит из двух секций, в 1-ой секции производится перегретый пар высокого давления, во второй – пар среднего давления. Поточные газогенераторы на воздушном дутье наиболее эффективны в двухступенчатом режиме, примером реализации которого является газогенератор MHPS (бывший MHI). Проведенные в развитие работ 2014 года расчеты газотурбинного цикла показали, что полезная работа цикла зависит от состава рабочего тела. Для повышения эффективности газотурбинной установки необходимо максимально увеличить содержание водяного пара рабочем теле при уменьшении доли СО2 в нем. Эффект может быть достигнут за счет: • увлажнения топливного газа; • использования shift-реактора; • изменения режимных параметров конверсии. Для синтез-газов паровоздушной внутрицикловой газификации увлажнение топливного газа не применяется из-за возникающих при этом проблем со стабилизацией горения. Применение shift-реактора для коррекции состава газа нецелесообразно, поскольку положительный эффект от увеличения содержание водорода нивелируется повышением затрат на собственные нужды ПГУ. Наиболее технологичным является изменение состава синтез-газа за счет режимных параметров газогенератора за счет реализации следующих принципов повышения эффективности паровоздушной конверсии: • ввод водородосодержащего реагента, • снижение концентрации углеродсодержащих газов (за счет уменьшения расхода угля) • интенсификация процессов тепло- и массообмена. • организация регенеративных потоков, Указанные принципы осуществлены в следующих технических решениях: • ввод водяного пара из газоохладителя во вторую ступень реактора (при этом вытесняется часть угля) • подача в первую ступень высоконагретого воздуха для замещения части угля; • интенсификация процессов за счет обогащающей присадки технического кислорода; • организация внутри реактора активного гидродинамического режима. На примере газогенератора тепловой мощностью 500 МВт, работающего на буром угле, проведены исследования эффективности предлагаемых технических решений. Получено, что при изменении температуры дутьевого воздуха с 500 до 1200°C, концентрации кислорода в дутье в диапазоне 21-95% химический КПД установки газификации составляет 77-81%. Повышение температуры дутьевого воздуха корректирует состав получаемого синтез-газа, выход водорода возрастает на 8-10% при сокращении выхода СО2 на 5-7%, что соответствует требованиям со стороны газотурбинного цикла. На основе разработанной структурной схемы ГТУ создана технологическая схема для работы на бедных газах металлургических производств и газах паровоздушной газификации бурых и каменных углей и оценены технические решения, применяемые для адаптации работы турбины в этих условиях. На примере модели ГТУ типа M701F исследована работа в указанных режимах. Исследование технологии получения и состава бедных металлургических газов показало, что возможность коррекции состава газа согласно сформулированным требованиям при использовании данных газов отсутствует. Изменение состава рабочего тела за счет предварительного нагрева циклового воздуха перед камерой сгорания в этом случае не приводит к повышению эффективности ГТУ. При работе газовой турбины на продуктах внутрицикловой газификации угля существует возможность коррекции состава топливного газа согласно сформулированным требованиям. В результате исследования работы ГТУ на газах внутрицикловой газификации угля получено, что при изменении температуры дутьевого воздуха в диапазоне 650-1200°С КПД ГТУ возрастает на 1,2% (абс.). Использование предварительного нагрева циклового воздуха перед камерой сгорания не оказывает существенного влияния на эффективность газотурбинного цикла, изменение КПД не превышает 0,5%, но за счет изменения структуры тепловых потоков в схеме энергетическая эффективность тепловой схемы ПГУ возрастает. Разработан комбинированный гибридный цикл ПГУ с ВЦГ для промышленных и синтез-газов с учётом специфики их применения и определены конкретные требования к проведению отдельных процессов для реализации максимального синергетического эффекта от объединения в общем процессе элементов узла подготовки рабочего тела (газогенератор, газоохладитель, воздухонагреватель) и энергоустановки (ГТУ, КУ, ПТУ). На примере ПГУ мощностью 500 МВт, построенной на разработанных структурных моделях, оценен разработанный цикл для двух режимов: работа на промышленных газах, работа на синтез-газах внутрицикловой паровоздушной конверсии угля. Для ПГУ на газах металлургических производств получено, что при работе на доменном газе КПД брутто/нетто составляет 57/53% при мощности брутто/нетто 450/400 МВт. Для режима работы ПГУ на газах внутрицикловой газификации угля рассмотрены следующие диапазоны изменения параметров: температуры дутьевого и циклового воздуха 500-1000°С, концентрации кислорода в дутье 21-95%. Получено, что в режиме без нагрева циклового воздуха изменение температуры дутьевого воздуха в исследованном диапазоне повышает КПД нетто ПГУ на 1% за счет роста степени бинарности. При нагреве циклового воздуха до 1000°С КПД ПГУ нетто возрастает на 2,5-3% по сравнению с режимом без нагрева и составляет 50-52%.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Разработаны с использованием ранее разработанных и откалиброванных CFD-моделей механизмы и режимы работы ключевого объекта ПГУ-ВЦГ - поточного реактора термохимической конверсии (модель 1.1). Разработанный механизм заключается в перераспределении потоков теплоты за счёт повышения количества теплоты, вносимой в газификатор с реагирующими средами, что позволяет повысить тепловую мощность газификатора по синтез-газу на 25% и его химический КПД на 7,7% по отношению к принятому в качестве аналога газификатору MHI. Разработанный режим представляет собой паровоздушную газификацию в средах (паре и воздухе) с повышенной температурой, что приводит к коррекции состава синтез-газа (растёт отношение H2/CO с 0,344 до 0,602). Проведена модернизация модели поточного реактора с организацией подачи пара 900°C на уровне ввода вторичного угля, а также дополнительного нагрева дутьевого воздуха до 900°C. В результате проведения многовариантных расчётов и термодинамического моделирования на проектном топливе получены зависимости температуры на выходе из газификатора и энергетического КПД от коэффициента избытка воздуха, исследовано влияние количества подаваемого пара на химический КПД, температуру на выходе из газификатора и состав синтез-газа. Разработана для обеспечения оптимальных режимов работы узла нагрева циклового воздуха (модель 1.3) конструкция трубного элемента (модель 1.2) в виде биметаллической трубы с двухсторонним продольным оребрением, обеспечивающим минимальные золовые отложения на поверхностях нагрева. Внутренняя труба конструкции выполняется из материала, способного обеспечить прочность конструкции при высокой температуре. Наружная оребренная труба выполняется из углеродистой стали с защитным покрытием (разработанным Уральским институтом металлов), при этом обеспечивается: жаростойкость до 1050°С при низких механических напряжениях; низкая стоимость (по сравнению с жаропрочным сплавом); пониженное (по сравнению с исходной гладкой трубой) термическое сопротивление теплоотдачи от продуктов сгорания. С целью совершенствования режимов работы разработана оптимальная схема и конструкции элементов системы охлаждения генераторного газа (модель 1.4) и выполнена модификация аналога (конвективный газоохладитель с мембранными трубными спиралями), с изменением компоновки секций высокого и среднего давления с вертикальной на двойной корпус. В результате характерный размер (высота) системы охлаждения генераторного газа составил 40 м, что в 4 раза меньше, чем у аналога той же тепловой мощности. Расчетные результаты моделирования работы КС на синтез-газе паровоздушной газификации кузнецкого угля показали большие зоны перегрева в продольном сечении КС и чрезмерное содержание NOx в продуктах сгорания. Модернизация конструкции горелочного устройства позволила обеспечить более равномерное распределение температур по сечению камеры сгорания, снизить выход NOх до 30 мг/нм3 при поддержании СО до 0,2 мг/нм3, что соответствует перспективным требованиям экологической безопасности. Проведены с использованием созданных и откалиброванных CFD-моделей численные исследования ключевых элементов ПГУ-ВЦГ с целью оптимизации их работы. Численные исследования поточного реактора ТХК (модель 1.1) позволили определить оптимальный угол наклона верхнего яруса горелок первой ступени (15°) разработанного газификатора для обеспечения бесшлаковочного режима работы без существенного изменения гидродинамики установки. Численные исследования узла нагрева циклового воздуха (модель 1.3) и его трубного элемента (модель 1.2) показали, что при нагреве компримированного воздуха до 900°С (при указанных выше параметрах) выполняется условие обеспечения температуры материала, не превышающей 1000°С, в том числе во всех точках ребер. В результате расчетов удельных затрат (капитальных и эксплуатационных) на передачу одного кВт теплоты выбраны оптимальные конструктивные параметры и скорость компримированного воздуха. По выделенным температурным режимам сжигания искусственных газов составлена карта температурных режимов компонентов ТВС, включающая 5 режимов, различающихся сочетанием температур компонентов ТВС, поступающих в камеру сгорания. Применение коррекции теплоты сгорания неочищенного от нитросодержащих соединений синтез-газа позволяет достичь выход NOx ≈ 20 мг/нм3, что ниже нормативного уровня. Для получения выхода NOx<20 мг/нм3 необходима очистка синтез-газа от азотосодержащих соединений, что требует, наряду с сероочисткой, установки перед ГТУ блока каталитической нитроочистки. Соотношение Н2/СО влияет на выход NOх на порядок слабее, чем теплота сгорания. Анализ способов коррекции характеристик синтез-газа показал, что организация разбавления синтез-газа перед подачей газового топлива в КС ГТУ или за счет изменения газогенераторного режима более целесообразна, чем разбавление непосредственно в КС из-за меньшего объема модификации КС и горелок. Разработана технологическая схема узла горячей (среднетемпературной) очистки синтез-газа из проектного кузнецкого угля разрабатываемой ПГУ-ВЦГ, основными элементами которой являются высокотемпературные фильтры и блок сероочистки с реакторами ЦКСД для десульфуризации сырого синтез-газа и регенерации мелкодисперсного сорбента. Термогравиметрическим методом определены характеристики сорбентов – чистого оксида цинка и Katalco 32-4 Johnson&Matthey в процессах поглощения сероводорода. По результатам CFD моделирования определены расход сорбента, необходимый для очистки угольного синтез-газа разрабатываемой ПГУ от H2S с 320 ppm до требуемых 20 ppm, конструктивные параметры адсорбера ЦКСД для горячей сероочистки синтез-газа. Разработаны на основе проведенных численных исследований технологическая схема котла-утилизатора и технические решения, обеспечивающие оптимизацию площади поверхностей нагрева по критерию минимизации площади пароперегревателя и максимизации КПД ПГУ-ВЦГ. В результате исследования в пинч-точке параметров испарителей высокого, среднего и низкого давления получены оптимальные значения температурного напора и давления. По результатам проведенного исследования модифицирована высокотемпературная часть разработанной ранее технологической схемы котла-утилизатора. Использование параллельной схемы движения потоков разного давления обеспечивает по сравнению с последовательной схемой снижение металлоемкости высокотемпературной части КУ для рассматриваемого случая на 22%. Для обеспечения максимального синергетического эффекта от объединения структурных моделей основных элементов и узлов в технологической схеме ПГУ с ВЦГ выполнен ряд оптимизационных исследований. По результатам экспериментальных и расчетных исследований гидродинамики и теплообмена реакторов, входящих в систему среднетемпературной очистки синтез-газа, определено гидравлическое сопротивление и тепловые потери системы. На основе этих данных в программном пакете Thermoflow разработана структурная схема очистки синтез-газа (модель 2.1). Модификация структурной модели ГТУ показала (модель 2.2), что при использовании интеграционных связей ГТУ с газогенератором необходимость в изменении конструкции циклового компрессора отсутствует. Использование вала ГТУ для привода дожимного компрессора привело к снижению мощности установки на 11% по сравнению с работой на природном газе. По итогам численного исследования котла-утилизатора (модель 2.3) выявлено, что использование выбранных значений давления в контурах и организация параллельного движения потоков в высокотемпературной части повышает КПД ПГУ на 0,5%. Использование оптимизированных структурных моделей основных узлов и элементов при реализации структурной модели ПГУ с ВЦГ (модель 2.4) обеспечивает следующие расчетные энергетические показатели работы схемы: мощность брутто/нетто – 460/445 МВт, КПД брутто/нетто – 54,59/52,86%. Технологическая схема ПГУ с ВЦГ мощностью 300-400 МВт на базе парогазотурбинного оборудования достигнутых параметров базируется на моноблочной компоновке с модифицированным поточным газогенератором тепловой мощностью 500 МВт и ГТУ класса F мощностью 180-240 МВт с модифицированной камерой сгорания, в которой откорректированный водяным паром топливный газ сжигается в режиме Б2 – температура циклового воздуха/топливного газа 500/500ºС. При использовании ГТУ типа GE 9331 FA, трехконтурного КУ и ПТУ конденсационного типа с промежуточным перегревом пара получены следующие энергетические показатели ПГУ: мощность брутто/нетто 373/343 МВт, КПД брутто/ нетто 52,5/49,0 %. Технологическая схема ПГУ с ВЦГ мощностью 600-700 МВт на базе парогазотурбинного оборудования достигнутых и перспективных параметров создана на основе моноблочной компоновки на базе модифицированного поточного газогенератора тепловой мощностью 500 МВт, ГТУ класса F-J мощностью 300-500 МВт с модифицированной КС, в которой откорректированный водяным паром топливный газ сжигается в режиме В – температура циклового воздуха/топливного газа 900/500ºС, и вновь разработанного рекуперативного теплообменника – пылеугольного воздушного котла. При работе на парогазотурбинном оборудовании достигнутых параметров (ГТУ M701F) КПД брутто/нетто – 54,06/52,49%. При переходе на перспективные параметры парогазотурбинного оборудования (ГТУ класса J, повышенные параметры паротурбинного цикла) энергетические показатели достигнут значений (брутто): мощность – 718 МВт, КПД – 58%. В результате расчета составленного графа для режима полной нагрузки получено, что с ростом температуры газоочистки мощность ПГУ-ВЦГ снижается вследствие разгрузки паротурбинной части. Максимальное значение мощности соответствует режиму работы с холодной газоочисткой без использования нагрева паровоздушного дутья и составляет 510 МВт. Переход к среднетемпературной очистке понижает мощность ПГУ до 483 МВт или на 5,3 %. Дальнейший рост температуры газоочистки до 900 ºС уменьшит мощность до 450 МВт. Повышение температуры циклового воздуха приведет к снижению мощности на 30 (при холодной газоочистке) или на 13 МВт (при высокотемпературной очистке). КПД брутто/нетто ПГУ-ВЦГ с ростом температуры газоочистки возрастает за счет уменьшения расхода топлива, обусловленного ростом теплосодержания топливного газа. При этом наблюдается скачок по КПД брутто/нетто (~3–4 %) при переходе от холодной к среднетемпературной очистке синтез-газа. При переходе к горячей (высокотемпературной) газоочистке КПД брутто достигнет максимального уровня в 54,72 %. Оценены режимы частичной нагрузки ПГУ, лимитирующим фактором которых являются режимы работы газогенератора и нагревателя циклового воздуха (минимальная нагрузка – 80%). Снижение мощности ПГУ брутто/нетто при такой разгрузке составляет 24%. КПД брутто/нетто при этом уменьшится с 54,7/52,5% до 52,6/50,2%. Эксергетический анализ ПГУ для «готовой» топливной смеси (20% Н2, 40% СО, 40% N2 по объему) для установки с подогревом воздуха в воздушном котле до 800°С и без такового и сравнение результатов этого анализа с эксергетической эффективностью ГТУ на природном газе показал, что наибольшие эксергетические потери в КС: 23% в цикле без подогрева воздуха, 22% в цикле на природном газе и 12,5% в установке с воздушным котлом. Нагрев циклового воздуха может быть целесообразен в установках с энергозатратной подготовкой топливной смеси. На основе проведенных исследований сформулирован проект технического задания на выполнение ОКР по созданию ОПУ ПГУ с ВЦГ мощностью 25-30 МВт на базе отечественного оборудования. Проект включает в себя требования к конструктивному оформлению основных узлов и элементов ПГУ с учетом основных результатов, полученных в ходе исследования работы основных узлов общей технологической схемы ПГУ с ВЦГ. Подготовлен проект задания на выполнение НИР в 2017-2018 гг., включающий разработку фундаментальных принципов работы элементов и узлов с привлечением полученных в рамках планируемой НИР экспериментальных и расчетных данных.