Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Необходимость развития технологий газификации твердых топлив обычно связывают с уменьшением запасов дешевых ресурсов нефти и газа. Запасы твердого топлива (уголь, биомасса, торф) достаточно велики, а стоимость заметно ниже, чем для углеводородов. Кроме того, запасы твердых топлив распределены более равномерно, чем нефти и газа. Именно такими причинами были обусловлены всплески интенсивности работ по данной тематике в довоенные годы и после энергетического кризиса 1973 г.

Газификация позволяет решить проблему переработки отходов лесной, целлюлозно-бумажной, сельскохозяйственной, углеобогатительной промышленности, твердых бытовых отходов, низкосортных углей. Несмотря на большие запасы таких энергоресурсов, их применение в энергетике путем традиционного сжигания затруднено, поскольку такие топлива обладают низкой теплотворной способностью, которая обусловлена низким содержанием углерода в горючей части, высокой влажностью, высокой долей негорючего балласта, токсичностью продуктов сгорания. Вместе с тем эти особенности не препятствуют переработке топлив путем пиролиза и газификации.

1. Актуальность темы

Проблема, которая стоит перед разработчиками оборудования для проведения газификации, состоит в отсутствии надежных инженерных методик расчета газогенераторного оборудования. По этой причине при разработке газогенераторов неоправданно большое значение имеет эмпирический подход, а предварительные технико-экономические исследования таких установок не позволяют адекватно оценить их потенциал. Для полного сжигания такие методики общеизвестны, поскольку состав продуктов достаточно просто оценить. В случае газификации состав продуктов определяется физико-химией протекающих процессов. Поэтому разработка математических моделей на основе анализа физико-химических особенностей процесса газификации и поиск новых подходов к их описанию является актуальной научной задачей, решение которой может существенно ускорить этапы проектирования таких установок. Проблемам разработки инженерных методик расчета слоевого горения углерода посвящены работы З.Ф. Чуханова, Х.И. Колодцева, Б.В. Канторовича, В.В. Померанцева.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Из актуальности методик расчета процессов газификации вытекает актуальность создания математических моделей таких процессов, которые должны быть достаточно универсальны. Под универсальностью в данном случае понимается то, что при изменении параметров процесса (таких как технические характеристики топлив, размеры аппарата, расходы дутья и топлива) в пределах интересующих конструктора значений структура модели не менялась бы.

Детальные диффузионно-кинетические модели, которые дают основу для расчетов гетерогенного горения, не всегда могут быть использованы в таких широких диапазонах параметров. Это связано, как уже указывалось, с трудностями в детальном описании протекающих при газификации твердых топлив явлений, многие из которые изучены лишь в небольшой степени. Поэтому для расчетов с помощью кинетических моделей приходится вводить большое число допущений и упрощений, применимость которых не всегда можно оценить. В связи с этим кинетическая модель насыщается неопределенной информацией. Можно «настроить» кинетическую модель таким образом, чтобы можно было объяснить поведение системы в некотором узком диапазоне условий, однако при этом модель часто теряет универсальность.

Традиционные равновесные термодинамические модели позволяют рассчитывать процессы, детальный механизм которых неизвестен. Однако, в отличие от процессов полного сжигания, при газификации полное равновесие практически не достигается. Кроме того, при этом отсутствует привязка к конкретному виду аппарата и используемой технологии. Поэтому некоторые из эффектов не могут быть исследованы с помощью классических термодинамических моделей.

3. Обзор исследований и разработок

Процессы превращения топлива в газообразные продукты обычно описывают с помощью приближенных кинетических схем, для которых характерна громоздкость, а иногда и несоответствие физической стороне явлений. Это связано с недостаточной разработанностью теории гетерогенных явлений при горении и газификации твердого топлива. Более простые модели – термодинамические – могут быть применены при соответствующем учете макрокинетических особенностей.

Газификация твердых топлив применяется тогда, когда целевым продуктом является горючий газ. Для этого топливо окисляют таким образом, чтобы наиболее полно перевести его химическую энергию в химическую энергию газа (т.е. его теплоту сгорания, которая определяется в основном наличием СО и Н2)

gen

Генераторный газ может быть использован для различных энергетических нужд – например, для сжигания в отопительных целях или для получения электроэнергии в газотурбинных установках. Для низкосортных топлив, которые часто не могут быть использованы для прямого сжигания из-за присущих им особенностей (повышенные зольность, влажность, токсичность), газификация может стать наиболее целесообразным путем термохимической конверсии.

Существуют различные варианты организации процесса газификации твердого топлива. Это технологии плотного слоя, технологии кипящего слоя, поточные технологии. Отдельно выделяется подземная газификация угля, которая происходит в канале, пробитом в угольном пласте.

По химическому составу дутья (т.е. газа, подаваемого в газогенератор) газификация может быть воздушная, паровоздушная, кислородная, парокислородная, паровая, углекислотная. Процессы газификации могут быть автотермическими (т.е. способными устойчиво протекать за счет собственной теплоты) и аллотермическими (т.е. требующими для осуществления теплоты извне).

Технологии плотного слоя являются наиболее простыми с технической точки зрения. В плотном слое топлива возможны различные варианты подачи дутья по отношению к потоку топлива. Это прямая подача дутья (против направления потока топлива), обращенная подача (в направлении потока топлива), комбинированная (в обоих направлениях) и перекрестная (в перпендикулярном направлении) В прямом процессе дутье подается снизу, и в месте его подачи образуется зона горения, в которой происходят в основном экзотермические реакции. Далее нагретый газ поступает в зону восстановления, где продукты сгорания частично восстанавливаются до горючих газов. После этого газы поступают в зону подготовки топлива. В этой зоне температура и концентрация окислителя недостаточны для горения, но происходит сушка и пиролиз исходного топлива. В этом случае выходящий газ содержит калорийные продукты термического разложения, однако при газификации низкосортных топлив содержит также большое количество смолы. Для создания высоких температур в зоне горения применяется горновой способ газификации – для этого с дутьем в слой подается топливная пыль .Горение пыли создает высокие температуры, достаточные для осуществления жидкого шлакоудаления. Благодаря этому интенсивно протекают реакции в восстановительной зоне. Таким образом, удается достичь высокой скорости срабатывания топлива.

Обращенная подача дутья осуществляется с потоком топлива. В этом случае зона горения расположена ниже зоны подготовки, поэтому образующиеся смолы частично разлагаются под действием высокой температуры. Ниже зоны горения располагается зона восстановления, где продукты горения топлива и летучих восстанавливаются до горючих газов. Таким образом можно получать генераторный газ с небольшим содержанием смол. Однако в таком случае имеет место менее эффективная, чем в прямом процессе, подготовка топлива. Поэтому обращенный способ подачи дутья ограничен по влажности и по зольности топлива.

Комбинированный способ предполагает одновременную подачу дутья сверху и снизу в слой топлива. При этом в нижней части слоя реализуется прямой процесс, а в верхней – обращенный. Генераторный газ отводится на границе зон восстановления. Очевидно, что управлять таким процессом не просто. Перекрестная газификация проводится при подаче дутья сквозь слой сбоку. Зоны располагаются в этом случае аналогично прямому процессу, однако зонирование происходит по сечению слоя. Из-за сложности управления и отсутствия явных преимуществ перед прямым и обращенным процессами, комбинированный и перекрестный способы подачи дутья используются редко.

Наиболее освоенной в промышленных масштабах является технология плотного слоя Lurgi. Такие газогенераторы широко использовались ранее как в энергетических целях, так и для нужд химической промышленности. На настоящий момент в мире в промышленных масштабах используется около 100 таких газогенераторов. Большая часть из них расположена в ЮАР.

В данной работе рассматривается плотный слой с обращенным дутьем.

Одной из причин высокой удельной стоимости газогенерирующих установок являются затраты на их разработку. Поскольку надежных инженерных методик расчета процесса газификации пока не предложено, разработка технологий происходит в основном эмпирическим путем, методом последовательного масштабирования. Это связано с тем, что элементарные процессы превращения твердого топлива изучены в недостаточной степени для создания общей теории явлений в слое. Основными инструментами поэтому являются балансные и равновесные методы расчета, которые не всегда оправдывают ожидания разработчиков газогенераторного оборудования.

Выводы

Таким образом более целесообразной является разработка гибридных моделей, которые, с одной стороны, позволяют описать (пусть даже приближенно) макрокинетическое поведение системы, с другой – не перегружать модель неопределенными входящими данными и использовать по возможности простые равновесные аппроксимации для стадий с неизвестным механизмом.

Список источников

  1. Кравцов В.В. Экономическое использование угля в теплоэнергетике/ В.В. Кравцов, А.Г. Махмудов, А.В. Харченко – Донецк: ДонГТУ, 1999.-320с.
  2. Шиллинг Г.-Д. Газификация угля / Г.-Д. Шиллинг, Б. Бонн, У. Краус. –М.: Недра, 1968. – 175 с.
  3. Парахін М.Ф. Спеціальні питання спалення та термічної переробки палива / М.Ф. Парахін, В.І. Шелудченко, В.В. Кравцов.– Донецьк: РІА ДонДТУ, 1999.– 252с.
  4. Кравцов В.В. Разработка методики по определению температуры в зоне активного горения твердого топлива при добавках к воздушному дутью воды или пара/ В.В. Кравцов, Г.Г. Махов, В.И. Шелудченко, А.Б. Бирюков // Сборник научных трудов Донбасского горно-металлургического института. Выпуск 15.Алчевск: ДГМИ, 2002.-С.29-30
  5. Кравцов В.В. Теплотехника термической переработки твердых топлив: учебное пособие / В.В. Кравцов, А.Б. Бирюков, И.П. Дробышевская. – Донецк: Изд-во «Ноулидж», 2011. – 170 с.
  6. Бирюков А.Б. Методика расчета и исследование процесса газификации твердого топлива по смешанной схеме / А.Б. Бирюков // Металлургическая и горнорудная промышленность: Научно-технический и производственный журнал. – 2014/1. – № 3. – С. 115-119.
  7. Сафьянц C.M. Разработка и анализ способов получения пара для формирования паровоздушного дутья в системах производства смешанного генераторного газа / C.M. Сафьянц, А.Б. Бирюков, А.С. Сафьянц // Металлургическая теплотехника: сб. науч. тр. – Вып. 6 (21). – Депропетровск: Новая идеология, 2014. – С. 58-65.