КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-79-00147
НазваниеЭкспериментальном и численном исследование физико-химических процессов при газификации угольного топлива с механохимической активацией применительно к энергетике и получению топливного газа
РуководительБутаков Евгений Борисович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2021 |
Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе
Ключевые словаГазификация, крупномасштабные тепловые стенды, термический анализ, механоактивация, пылеугольное топливо, реакционная способность, самовоспламенение, ТЭЦ, термический анализ, масс-спектрометрия, газовая хроматография.
Код ГРНТИ44.31.31
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В России и в мире все больше внимания уделяется проблеме развития высокоэффективных и экологически чистых технологий получения электрической и тепловой энергии из органических топлив, в частности угля. В настоящее время перспективным направлением развития твердотопливной электрогенерации наряду с разработками высокоэффективных пылеугольных энергоблоков на суперсверхкритических параметрах (USC) является разработка парогазовых установок с внутрицикловой газификацией твёрдого топлива (IGCC). IGCC являются более экологичными и эффективными по сравнению с традиционными пылеугольными энергоблоками, но на ~10-20% уступает парогазовым установкам на природном газе (NGCC) при работе на действующем и перспективном оборудовании. Поэтому, в настоящее время основной задачей, стоящей перед разработчиками IGCC, является снижение разрыва в энергетической эффективности между IGCC и NGCC при сопоставимых экологических показателях. Снизить разрыв в энергетической эффективности между IGCC и NGCC можно путём повышения КПД отдельных узлов, например, газификатора, газотурбинной установки (ГТУ) и т.д.
Наибольшим КПД обладают IGCC с воздушными и паровоздушными газификаторами. Однако, в отличие от процесса горения, процессы воздушной газификации характеризуются низкой концентрацией окислителя и низкой скоростью конверсии. Традиционно на IGCC используется пылеугольное топливо стандартного фракционного состава (тонины помола), однако для повышения реакционной способности топлива целесообразно подвергать его высоконапряженному измельчению (механоактивация). Применение механоактивированного топлива на газификаторах позволит существенно повысить их химический КПД и степень выгорания углерода и существенно понизить массогабаритные характеристики оборудования.
В проекте будут выполнены с использованием современных средств и методов научного исследования и высокопроизводительных вычислительных машин экспериментальные и численные исследования процессов получения и сжигания синтез-газов воздушной и паровоздушной поточной газификации механоактивированного пылеугольного топлива. Кинетические константы для численного моделирования поточной газификации механоактивированного пылеугольного топлива будут получены методом термогравиметрического анализа.
В результате выполнения проекта планируется получить обширные данные об особенностях воздушной и паровоздушной потоковой газификации механоактивированного пылеугольного топлива, с последующим применением для развития методов достоверного математического моделирования, необходимых для разработки более эффективных и экологически безопасных технологий газификации угольного топлива.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения Проекта будут получены экспериментальные и расчётные данные, направленные на повышение эффективности и экологичности получения на основе воздушной и паровоздушной газификации механоактивированного пылеугольного топлива. Результаты исследования кинетических характеристик механоактивированного пылеугольного топлива методом термогравиметрического анализа (ТГА) позволят оценить степень повышения реакционной способности механоактивированного угля по сравнению с углём стандартного фракционного состава, а также они будут использованы при численном моделировании газификаторов. Результаты экспериментальных исследований работы воздушного и паровоздушного газификатора позволят определить влияние изменения тонины помола, температуры дутья, расхода пара и коэффициента расхода окислителя на основные характеристики работы установок (состав синтез-газа, хим. КПД, степень выгорания углерода). Результаты химического анализа продуктов горения угля, механоактивированного и после штатной мельницы, методами масс-спектрометрии (МС) и газовой хроматографии (ГХ) позволят определить относительные концентрации легких и тяжелых компонентов отводимых газов.Совокупность рассматриваемых мероприятий позволит получить более полную информацию о влиянии эффекта механоактивации на газификацию пылеугольного топлива. С использованием CFD-моделирования будет исследована работа экспериментальных установок, а также влияние замены угля стандартного фракционного состава на механоактиворованный на характеристики работы промышленного двухступенчатого поточного газификатора на воздушном и на паровоздушном дутье разной температуры. Совокупность рассматриваемых мероприятий (механоактивация угля, высокотемпературный нагрев дутья, подача пара) позволит повысить эффективность работы газификатора (хим. КПД) на более чем 7-8%, и ГТУ на получаемом синтез-газе более чем на 1-2% по сравнению с достигнутым мировым уровнем. Повышение отношения H2/CO в синтез-газе повысит эффективность его сжигания и позволит снизить количество образующихся оксидов азота. Эффективность и экологичность IGCC с такими узлами приблизится к параметрам NGCC. Использование высокоэффективных и экологически чистых IGCC в энергетике России сократит расход топлива и количество вредных выбросов угольных.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проекта нацелен на получение экспериментальных и расчётных данных, направленных на повышение эффективности и экологичности процесса поточной газификации механоактивированного пылеугольного топлива
В рамках выполнения проекта проведена серия изотермических опытов термического разложения угольного топлива, прошедшего механохимическое измельчение. Методом синхронного термического анализа показано, что горение образцов в основном осуществляется в 2 стадии, получены значения по выделению газообразных продуктов на данных стадиях. Масса несгораемого остатка в случае бурого угля составляет 13,1 %, антрацита 8,1 %, каменного угля 15 %. В результате измельчения углей происходит изменение химической структуры исследуемых образцов и полноты выгорания угольного топлива.
Модернизирован экспериментальный стенд мощностью до 1 МВт системой подачи измельченного топлива и улиточным завихрителем. Проведены экспериментальные исследования поточной воздушной газификации механоактивированного угольного топлива. Получены экспериментальные данные по протеканию реакции газификации по длине реакционной камеры, средние значения концентрации для угля измельченного на высоконапряженной мельнице типа дезинтегратор составили H2 -4,5 об.% и CO = 9,4 об.%. При идентичных условиях проведения опытов, для образцов различной механической подготовки, концентрации газов и распределение температурных зон сильно зависят от того, на оборудовании какого типа проводилась обработка.
С использованием полученных экспериментальных данных проведена адаптация комплексной математической модели для процессов поточной газификации механоактивированного топлива. Получены значения концентраций газов по длине реактора, при различных режимах работы газификатора
Публикации
1. Абаимов Н.А., Бутаков Е.Б., Бурдуков А.П., Осипов П.В., Рыжков А.Ф. Investigation of air-blown two-stage entrained-flow gasification of micronized coal Fuel, Volume 271, Номер статьи 117487 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117487
2. Бурдуков А.П., Бутаков Е.Б., Чернова Г.В. Замещение мазута для растопки и подсветки пылеугольного котла механоактивированным углем микропомола Journal of Engineering Thermophysics, Год 2020 том 29 номер 4 (год публикации - 2020)
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект нацелен на получение экспериментальных и расчётных данных, направленных на повышение эффективности и экологичности процесса поточной паровоздушной газификации механоактивированного пылеугольного топлива
В рамках выполнения проекта проведена серия опытов паровоздушной газификации угольного топлива измельченного на мельницах типа дезинтегратор, виброцентробежной на тепловом стенде до 1 МВт при различных стехиометрических соотношениях топливо-воздух-пар с изменением зоны введения пара в камеру газификации и температуры подачи перегретого пара. Модернизирован экспериментальный стенд мощностью до 1 МВт системой подачи пара в камеру газификации. Проведены экспериментальные исследования поточной паровоздушной газификации механоактивированного угольного топлива.
Впрыск пара осуществлялся по центру камеры газификации на расстоянии 0,1; 0,25 м. При перемещении от начальной зоны воспламенения угля, наблюдался рост температуры по длине камеры газификации. Концентрация горючих газов в конце камеры газификации увеличивалась от H2(об.%) c 4,7 до 5,2, для CO(об.%) c 12,5 до 14. При идентичных условиях проведения опытов, для образцов различной механической подготовки, концентрации газов и распределение температурных зон сильно зависят от того, на оборудовании какого типа проводилась обработка.
С использованием полученных экспериментальных данных проведена адаптация комплексной математической модели для процессов поточной паровоздушной газификации механоактивированного топлива. Получены значения концентраций газов по длине реактора, при различных режимах работы газификатора
Публикации
1. Е.Б. Бутаков, В.А. Кузнецов, А.В. Минаков, А.А. Дектерев, С.В. Алексеенко Численное исследование диффузионного горения угольной пыли в газовой струе Прикладная механика и техническая физика, - (год публикации - 2021)
2. Никитин А.Д., Абаимов Н.А., Бутаков Е.Б., Бурдуков А.П., Рыжков А.Ф. Investigation of multistage air-steam-blown entrained-flow coal gasification Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1677/1/012043
Возможность практического использования результатов
Поточный пылеугольный газификатор для получения синтез газа.