Аннотация
Проектирование новых парогазовых установок с газификацией угля требует развития инструментов для расчета параметров процесса конверсии топлива. В частности, для выбора оптимальных параметров установки требуется знать состав газа и его выходную температуру. Для расчета этих величин необходимы соответствующие математические модели, учитывающие физико-химические особенности процесса. В статье рассматривается математическая модель процесса газификации угля в потоке. Процесс, аналогичный предложенному фирмой Mitsubishi Heavy Industries (MHI), включает две ступени превращений топлива.
На первой ступени подается топливо и окислитель в соотношении, достаточном для полного сгорания. На вторую ступень подается топливо и продукты сгорания с первой ступени. Организация ступенчатого процесса позволяет снизить температуру генераторного газа на выходе, а рециркуляция твердого остатка второй ступень на сжигание в первую ступень позволяет использовать низкие концентрации кислорода в дутье. Построенная модель пространственно одномерная, учитывает рециркуляцию недожога и раздельную подачу топлива на разной высоте реактора. Скорость гетерогенных превращений рассчитывается с использованием диффузионно-кинетической теории горения твердого топлива, состав газа в каждый момент принимается локально равновесным. Распределение температур рассчитывается с применением разностной схемы с расщеплением по физическим процессам. Разработан алгоритм для численных расчетов. Проведена верификация математической модели с применением экспериментальных данных. С помощью модели рассчитан ряд режимов, которые оказались оптимальными в результате термодинамического анализа процесса газификации. Получены границы применимости термодинамических оценок эффективности режимов работы ступенчатого газогенератора.
Ключевые слова: газификация угольной пыли в потоке, ступенчатая газификация, воздушное дутье, математическое моделирование, диффузионная кинетика, тепломассоперенос, термодинамико-кинетические модели, химический КПД
Список литературы
1. Газогенераторные технологии в энергетике / под ред. А.Ф. Рыжкова. – Екатеринбург: Сократ, 2010. – 610 с.
2. Теплосиловые системы. Оптимизационные исследования / А.М. Клер, Н.П. Деканова, Э.А. Тюрина, З.Р. Корнеева, А.Ю. Маринченко. – Новосибирск: Наука, 2005. – 235 с.
3. Накоряков В.Е., Ноздренко Г.В., Кузьмин А.Г. Исследования угольных ПГУ ТЭЦ с комбинированным производством электро-, теплоэнергии, синтез-газа и водорода // Теплофизика и аэромеханика. – 2009. – Т. 16, № 4. – С. 545–551.
4. Guiffrida A., Romano M.C., Lozza G. Thermodynamic analysis of air-blown gasification for IGCC applications // Applied Energy. – 2011. – Vol. 88, iss. 11. – P. 3949–3958. – doi: 10.1016/j.apenergy.2011.04.009.
5. Development of coal gasification system for producing chemical synthesis source gas / T. Hashimoto, K. Sakamoto, K. Ota, T. Iwahashi, Y. Kitagawa, K. Yokohama // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. – 2010. – Vol. 47, N 4. – P. 27–32.
6. Hanjalic K., Sijeric K. Application of computer simulation in a design study of a new concept of pulverized coal gasification. Pt. 1. Rationale of the concept and model of hydrodynamics and heat transfer in the reactor // Combustion Science and Technology. – 1994. – Vol. 97, iss. 4–6. –
P. 331–350. – doi: 10.1080/00102209408935384.
7. Sijeric M., Hanjalic K. Application of computer simulation in a design study of a new concept of pulverized coal gasification. Pt. 2. Model of coal reactions and discussion of results // Combustion Science and Technology. – 1994. – Vol. 97, iss. 4–6. – P. 351–375. – doi: 10.1080/00102209408935385.
8. Watanabe H., Otaka M. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier // Fuel. – 2006. – Vol. 85, iss. 12–13. – P. 1935–1943. – doi: 10.1016/j.fuel.2006.02.002.
9. Modeling and simulation of coal gasification on an entrained flow coal gasifier with a recycled CO2 injection / H. Watanabe, K. Tanno, H. Umetsu, S. Umemoto // Fuel. – 2015. – Vol. 142. –
P. 250–259. – doi: 10.1016/j.fuel.2014.11.012.
10. Monaghan R.F.D., Ghoniem A.F. A dynamic reduced order model for simulating entrained flow gasifiers. Pt. 2: Model validation and sensivity analysis // Fuel. – 2012. – Vol. 94. – P. 280–297. – doi: 10.1016/j.fuel.2011.08.046.
11. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 502 с.
12. Донской И.Г., Шаманский В.А. Применение моделей последовательных равновесных состояний для описания газификации твердых топлив: доклад № 8-2-08 // Всероссийская конференция XXXI «Сибирский теплофизический семинар», посвященный 100-летию со дня рождения академика С.С. Кутателадзе, 17–19 ноября 2014, Новосибирск, Россия: доклады. – Новосибирск: ИТ СО РАН, 2014. – С. 196–199.
13. Ковенский В.И. Об одном методе расчета слоевого горения коксового остатка твердого топлива // Теоретические основы химической технологии. – 2012. – Т. 46, № 2. – С. 216–228.
14. Расчет режимов слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями / И.Г. Донской, А.В. Кейко, А.Н. Козлов, Д.А. Свищев, В.А. Шаманский // Теплоэнергетика. – 2013. – № 12. – С. 56–61.
15. Махвиладзе Г.М., Мелихов В.И. Численный метод исследования процессов медленного горения газов // Математическое моделирование. – 1989. – Т. 1, № 6. – С. 146–157.
16. Снытников В.Н., Юрченко Е.М. Схема расщепления для задач фильтрации газа с химическими реакциями // Вычислительные технологии. – 2001. – Т. 6, № 5. – С. 95–105.
17. Донской И.Г. Математическое моделирование ступенчатой газификации угля в плотном слое // Горение и плазмохимия. – 2013. – Т. 12, № 4. – С. 376–382.
18. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J.G. Thermodynamics of gas-char reactions: first and second law analysis // Chemical Engineering Science. – 2003. – Vol. 58, iss. 3–6. – P. 1003–1011. – doi: 10.1016/S0009-2509(02)00641-3.
19. Технология термодинамического моделирования. Редукция моделей движения к моделям покоя / Б.М. Каганович, А.В. Кейко, В.А. Шаманский, И.А. Ширкалин, М.С. Зароднюк. – Новосибирск: Наука, 2010. – 236 с.
