Математическое моделирование ступенчатой газификации угля в плотном слое

И.Г. Донской

doi:10.18321/

Авторы

И.Г. Донской Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, ул. Лермонтова 130, 664033, Иркутск

DOI:

https://doi.org/10.18321/

Ключевые слова:

математическая модель, процесс, реактор, газификация

Аннотация

Работа посвящена разработке математической модели процесса ступенчатой газификации угля в плотном слое. Ступенчатая газификация предполагает разделение процесса переработки топлива на несколько стадий. В настоящей работе рассматривается процесс, в котором топливо последовательно подвергается пиролизу (полукоксованию) и газификации. При газификации в качестве дутья используются продукты сгорания пирогаза. Теплота, необходимая для пиролиза угля, получается при сжигании части произведенного синтез-газа. Такая организация процесса позволяет получать бессмольный газ (за счет сжигания смолистых веществ после стадии пиролиза) и избавиться от дорогостоящих систем очистки. В связи с этим появляется задача расчета и оптимизации режимов работы газогенераторов ступенчатого процесса. Поскольку в схеме процесса есть рециркулирующий поток, решение находится путем многократного расчета схемы, при котором уточняются стационарные значения режимных параметров. Расчет реакторов пиролиза исходного угля и газификации полукокса производится на основе разработанной автором модели слоевой термохимической конверсии твердых топлив. При расчете реакторов горения горючих газов применяется термодинамическая модель конечного равновесия при постоянных давлении и энтальпии. Построенная модель применяется для исследования влияния управляющих параметров–коэффициента рециркуляции синтез-газа и коэффициента избытка окислителя в камере сгорания пирогаза. Расчеты показывают, что существуют диапазоны изменения этих параметров, в пределах которых эффективность процесса (химический КПД) является достаточно пологой их функцией. Уменьшение коэффициента рециркуляции ниже оптимального значения (около 6-7%) приводит к нехватке теплоты для осуществления пиролиза и, как следствие, к резкому снижению эффективности процесса. При увеличении доли сжигаемого синтез-газа выше 15% увеличивается общий избыток окислителя в системе, что также уменьшает КПД газификации. Изменение избытка окислителя при сжигании пирогаза в широких пределах (1-1,8) практически не влияет на эффективность процесса, что связано с полезным использованием избыточного кислорода в реакторе газификации.

Библиографические ссылки

(1) Кейко А.В., Ширкалин И.А., Свищев Д.А. Перспективные режимы газификации низкосортного твердого топлива // Известия АН. Энергетика. – 2006. – № 3. – С. 55–63.

(2) Кейко А.В., Свищев Д.А., Козлов А.Н., Донской И.Г. Исследование управляемости процессов слоевой термохимической конверсии твердого топлива // Теплоэнергетика. – 2012. – № 4. – С. 40–47.

(3) Рыжков А.Ф., Попов А.В., Рыжков И.В., Силин В.Е. Исследование процессов многозонной газификации биомассы // Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос. конф. (Новосибирск, 8–10 ноября 2006 г.). – Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2006. – Ч. 3. – С. 126–136.

(4) Попов А.В., Рыжков А.Ф. Управляемый процесс газификации биомассы // Промышленная энергетика. – 2008. – № 1. – С. 27–31.

(5) Загрутдинов Р.Ш., Нагорнов А.Н., Рыжков А.Ф., Сеначин П.К. Технологии газификации в плотном слое: Монография / под ред. П.К. Сеначина. – Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. – 296 с.

(6) Van de Steene L., Tagutchou J.P., Mermoud F., Martin E., Salvador S. A new experimental continuous fixed bed reactor to characterise wood char gasification // Fuel. – 2010. – Vol. 89. – P. 3320–3329.

(7) Henriksen U., Ahrenfeldt J., Jensen T.K., Gobel B., Bentzen J.D., Hindsgaul C., Sorensen L.H. The design, construction and operation of a 75 kW two-staged gasifier // Energy. – 2006. – Vol. 31. – P. 1542–1553.

(8) Gomez-Barea A., Leckner B., Perales A.V., Nilsson S., Cano D.F. Improving the performance of fluidized bed biomass/waste gasifiers for distributed electricity: A new three-staged gasification system // Applied Thermal Engineering. – 2013. – Vol. 50. – P. 1453–1462.

(9) Gobel B., Henriksen U., Jensen T.K., Qvale B., Houbak N. The development of a computer model for a fixed bed gasifier and its use for optimization and control // Bioresource Technology. – 2007. – Vol. 98. – P. 2043–2052.

(10) Keiko A.V., Svishchev D.A., Kozlov A.N., Ryzhkov A.F. Modelling a solid-fuel staged gasification process // Proc. 11th Int. Conf. on Sustainable Energy Technologies (SET-2012), 2–5 September 2012, Vancouver, Canada. – 12 p.

(11) Донской И.Г., Кейко А.В., Козлов А.Н., Свищев Д.А., Шаманский В.А. Расчет режимов слоевой газификации угля с помощью термодинамической модели с макрокинетическими ограничениями // Теплоэнергетика. – 2013. – № 12. – С. 56–61.

(12) Чуханов З.Ф. Некоторые проблемы топлива и энергетики. – М.: Изд-во АН СССР, 1961. – 480 с.

(13) Ковенский В.И., Теплицкий Ю.С. О теплопроводности зернистого слоя // Инженерно-физический журнал. – 2008. – Т. 81, № 5. – С. 956–962.

(14) Ковенский В.И. Об одном методе расчета слоевого горения коксового остатка твердого топлива // Теоретические основы химической технологии. – 2012. – Т. 46, № 2. – С. 216–228.