Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский государственный технический университет - УПИ, Екатеринбург

Повышение эффективности пгу на твердом топливе

Т.Ф. Богатова, А.В. Попов, А.Ф. Рыжков

Аннотация

В связи с необходимостью выбора и промышленного освоения новых для отечественной энергетики эффективных угольных и биотопливных технологий выполнен аналитический обзор и проведены расчетно-экспериментальные исследования по повышению технологической эффективности конверсии низкосортных топливно-энергетических ресурсов (торф, древесина, бурый уголь) в кондиционный топливный газ для энергоустановок.

1. Анализ эффективности технологических схем ПГУ-Т

Основным видом твердого топлива для энергетики являются забалластированные золой, влагой и кислородом ископаемые и возобновляемые низкосортные ТЭР с тенденцией ухудшения качества на долгосрочную перспективу при увеличении объемов его переработки, повышении экологических требований. Это ограничивает конкурентные преимущества традиционного направления, основанного на технологии прямого сжигания, и требует пристального внимания к развитию новых технологий, основанных на твердотопливных ПГУ (ПГУ-Т).

Укрупнено комбинированная энергоустановка состоит из двух частей -- технологической (ТЧ) и энергетической (ЭЧ). Общая эффективность ПГУ брутто рассчитывается по формуле:

1.1 Технологическая часть

Технологическая часть (ТЧ) включает комплекс оборудования по переводу органической части твердого топлива в энергетический газ. Основными элементами ТЧ являются система термохимической конверсии твердого топлива (котел, карбонизатор или газификатор с газоохладителем) и система газоочистки. В общем случае в качестве продукции из технологической части могут выходить два вида энергетических потоков -- очищенный компримированный горючий или дымовой газ, направляемый в газовую турбину, насыщенный или перегретый пар среднего и высокого давления из системы испарителя-охладителя реактора и из охладителя генераторного газа. Здесь Ьь Ь2 - удельные энергетические потоки в соотношении Ж>й+Ж>2=1 без учета потерь. Потерями технологической части в общем случае являются потери с механическим недожогом в шлаке q4, через ограждающие конструкции q5 и с теплом шлака q6 (рис. 1).

Наиболее важным энергетическим показателем технологической части является удельная газовая нагрузка Ъ\. Она характеризует физико-химическую энергию газа, выходящего из ТЧ после очистки и охлаждения:

Неполнота бинарности напрямую связана со спецификой работы газификатора как основного узла технологической части ПГУ-Т, химический КПД которого у лучших установок компаний Shell, Siemens, Prenflo составляет 82-85%. Это не позволяет современным ПГУ-Т при равных исходных условиях конкурировать по эффективности с ПГУ на природном газе, имеющем т|тч=1. Таким образом, необходимо приближать химический КПД к пределу зч=100%, который может быть достигнут в термонейтральном процессе идеальной паровоздушной или парокислородной газификации.

2. Эффективность термохимической конверсии натуральных топлив

топливо конверсия энергетический газ

Для анализа процессов газификации натуральных топлив рассмотрим влияние органической горючей массы топлива на тепловой баланс термохимической конверсии, выбрав в качестве переменных относительные молярные доли кислорода О /С и водорода Нг/Сг (рис. 2).

Поскольку реакции газификации -- эндотермические, основной проблемой в газификаторах является выделение энергии на поддержание рабочей температуры, необходимой для быстрого и полного протекания реакций. Для этого в адиабатном реакторе выдерживается соответствующий баланс реакций горения и газификации.

Основной процесс -- «сухая» (воздушная, кислородная) газификация. Для газифицируемых топлив с (ОГ/СГ)<(О /Сг)кр этот процесс протекает с экзотермическим эффектом и может давать идеальный состав (без балластных компонентов в продуктах газификации СОг и НгО) (рис.2). В этой области (зоне «А») возможно развитие автотермических режимов идеальной газификации на СО и Нг. Для топлив, расположенных в зоне «Б» с (ОГ/СГ)>(О /Сг)кр, тепловой эффект «сухой» газификации отрицателен и для проведения идеальной газификации необходим подвод энергии извне. Ценность продуктов конверсии таких топлив может оказаться выше, чем у исходного топлива. Критический состав топлива (Ог/Сг)кр определяет границу между идеальным автотермическим и аллотермическим режимами.

Представим автотермический процесс в газогенераторе в виде термонейтрального с некоей добавкой дополнительного топлива для разогрева реагентов до температуры, необходимой для протекания этого процесса. Топливо, поступающее в газификатор, можно разделить на две части: d\ -- топливо, конвертируемое в синтез-газ в термонейтральном (Т) процессе; d-ч -- топливо, идущее на обслуживание первого процесса. Теплоподвод может осуществляться по одному из двух сценариев: d{ -- когда углерод добавочной части топлива газифицируется до СО с й2 = do («а» на рис. 3) и Ь-А -- когда он сжигается до СОг с а.2 = 1. («б» на рис. 3). Топливный водород в первом случае выходит в молекулярном виде (Нг), а во втором -- в виде паров пирогенной влаги (Н2О).

2.1 Термонейтральный процесс

В свою очередь, процессы, протекающие в термонейтральном реакторе, можно представить как совокупность процессов окисления и восстановления, комбинация которых определяется составом газифицируемого топлива (рис. 4).

Для топлив, у которых этот процесс протекает с выделением тепла (О /С <0,6), термонейтральность может быть обеспечена за счет проведения паровой конверсии (рис. 4а). В этом случае устанавливается режим идеальной термонеитральнои конверсии, в результате которой из реактора выходит газ состава СО + Нг (зона «А»). Увеличение содержания СО в газе происходит за счет того, что с ростом (Ог/Сг) до (Ог/Сг)кр растет выход «собственного» СО. Для натуральных топлив (Н /С =var), где содержание водорода в топливе растет приблизительно пропорционально изменению кислорода, содержание СО и Нг в идеальном газе меняется незначительно (рис. 5).

При «критическом» составе топлива (О /С )кр происходит переход к режиму неидеальной термонейтральной конверсии. За счет разбавления нераз-ложившимися продуктами пиролиза СОг и НгО содержание горючих компонентов в зоне «Б» уменьшается. Однако это не снижает эффективности процесса, поскольку они уже находятся в топливе в связанной форме (что и учитывается, например, при определении теплоты сгорания по формуле Менделеева Q = 81-С+246-Н--26-О). А поскольку суммарный тепловой эффект процесса равен нулю и вся энергия топлива переходит в химическую энергию газа, химический КПД термонейтрального процесса формально составляет 100% независимо от состава топлива.

Коэффициент б в термонейтральном процессе при всех (О /С ) не зависит от типа дутья (одинаков как для воздушного, так и для кислородного дутья). С нарушением термонейтральности окислителя при воздушном дутье требуется больше, чем при кислородном, и с ростом температуры эта разница растет (рис. 6).

2.2 Автотермический процесс

Увеличение температуры на выходе из реактора приводит к нарушению условия термонейтральности. В зоне «А» происходит переход от термонейтральной к идеальной «мокрой» (паровоздушной, паро-кислородной) газификации, а коэффициент ао возрастает от 0,2 до 0,4 (граница (Ог/Сг)кр, рис. 6). В зоне «Б» рост температуры приводит к увеличению в генераторном газе количества СОг и Н2О, снижению концентрации горючих компонентов в пределе до нуля, переходу к режиму полного сгорания (коэффициент ао меняется до 1). При любом значении ао из диапазона (О7СГ)< (070%, состав газа идеальный (СО и Нг), а химический КПД максимальный для данной температуры и изменяется от 100% (идеальная термонейтральная газификация) до 80% (идеальная автотермическая газификация) (значение зч = 0,8, а не 0,7 при (О /С ) = 0 обусловлено условием расчета(Н /С ) = 1) (рис. 7). В зоне «Б» рост температуры приводит к снижению концентрации горючих и к падению зч от 100% до нуля.

Реализация идеальной автотермической газификации с применением кислорода возможна для широкой гаммы топлив (зона «А1» на рис. 7а). В случае воздушного дутья идеальная автотермическая газификация достижима в существенно более узком диапазоне высокоуглеродистых топлив (рис. 76). Переход к режиму с дожиганием (зона «Б») происходит при «критическом» составе топлива (О /С )Кр, определяемом температурой процесса (О /С )Кр = =/(7р") и не зависящем от вида дутья (воздух, кислород).

Балансовые расчеты хорошо соответствуют термодинамическим при температуре в активной зоне более 900°С. Однако и при Гр"<900°С (до О °С) они могут не противоречить термодинамике, если реализация таких температур на выходе из реактора обеспечивается механизмами физической регенерации тепла, влекущими соответствующее увеличение температуры в рабочей зоне.

2.3 Аллотермический процесс

Носителями основных собственных ресурсов повышения эффективности газификации являются физическое тепло синтез-газа и «недоиспользованные» газифицирующие агенты. Возврат физического тепла отходящих продуктов в реактор при наличии свободных газифицирующих агентов позволяет углубить конверсию нелетучего углерода и нераз-ложившихся углеводородов углекислотой и водяным паром. Для этого в тепловых схемах установок газификации предусматривают рециркуляцию высокотемпературной (до 900°С) твердотопливной дисперсной фазы, выполняющей функции промежуточного теплоносителя, подогрев воздушно-кислородного дутья, работу на полученных в зоне промежуточного перегрева (до 1100°С и более) собственном водяном паре и высокотемпературном коксовом остатке.

При проектировании электрогенерирующих газогенераторных установок на базе газовых турбин и ДВС весьма эффективна глубокая интеграция с энергетической частью с использованием для нужд подготовки топлива (сушка, пиролиз) и газификации физического тепла отходящих от тепловых двигателей дымовых газов.

Выводы

Расчетно-экспериментальные работы в направлении повышения технологической эффективности зч конверсии низкосортных ТЭР (торф, древесина, бурый уголь) в кондиционный топливный газ для энергоустановки (ГТУ, ДВС) позволили сформулировать и апробировать ряд инженерных решений по дутью, декомпозиции процесса, химической и физической регенерации тепла, дающих прирост Дзч = = 12--15% и повышающих з36с перспективных ПГУ-Т и ТЭС-ДВС на 7-10%.

Список литературы

1. Попов А.В., Силин В.Е., Рыжков А.Ф., Рыжков О.И. Эффективность технологической части ПГУ-Т // Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях: Сб. трудов XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН A.M. Леонтьева. Г. Жуковский, 2009 г. С. 116-117.

2. Рыжков А.Ф., Богатова Т. Ф., Рыжков О. И. Перспективы развития ПГУ на твердом топливе // Технологии эффективного и экологически чистого использования угля: Сб. докладов международной научно-технической конференции. М.: ОАО «ВТИ», 2009. С. 195-204.

3. Попов А.В., Рыжков А.Ф., Силин В. Е., Богатова Т.Ф. Совершенствование газогенераторного процесса для ПГУ-Т // Технологии эффективного и экологически чистого использования угля: Сб. докладов международной научно-технической конференции. М.: ОАО «ВТИ», 2009. С. 213-219.

Размещено на Allbest.ru