Разработка энергоэффективного и ресурсосберегающего способа газификации водоугольного топлива

Планируемое, согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г., повышение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны и использование «чистых» угольных технологий может осуществляться путем развития газификационных процессов и получения синтез-газа. Однако ввиду больших запасов природного газа и нефти и сложившейся экономической ситуации использование синтез-газа в качестве альтернативного топлива для производства тепловой и электрической энергии является малоэффективным. Перспективным является использование синтез-газа в качестве исходного сырья в термохимическом каталитическом синтезе широкого спектра химической продукции: метанол, аммиак, жидкие синтетические топлива, монооксид углерода и др. Применение технологий газификации подразумевает разработку надежных методик расчета процесса в зависимости от режимных параметров, физико-химических характеристик термического превращения топлива, тепломассообменных процессов в объеме реактора и динамики движения капли водоугольного топлива (ВУТ). Решение данной задачи должно применяться на этапе проектирования газогенератора. В настоящее время отечественными и зарубежными учеными созданы научные основы процесса газификации различных видов топлив: описаны физико-химические превращения топлива, предложены различные математические модели процессов, происходящих в объеме газогенератора. В 1940-х - 1960-х гг. изучением газификации занимались такие ученые, как Б.В. Канторович, Г.Н. Делягин, З.Ф. Чуханов и др. В последние годы разработкой и совершенствованием процессов газификации, получения и использования водоугольного топлива занимаются Б. Хигман, А.Ф. Рыжков, Г.Г. Ольховский, Ю.В. Овчинников и др. Промышленными компаниями разработано множество газогенераторов, работающих в широком диапазоне режимных параметров. Однако до сих пор не существует единой методики расчета процессов газификации и конструктивных параметров газогенератора. Кроме того, не разработана конструкция газогенератора, в котором осуществляется аллотермический процесс бескислородной газификации водоугольного топлива за счет теплоты сгорания части полученного синтез-газа. Цель исследования - разработка энергоэффективного и ресурсосберегающего способа газификации водоугольного топлива на основе математической модели тепломассообменных процессов, происходящих с движущейся частицей топлива в объеме газогенератора при наиболее целесообразных режимных параметрах. В результате теоретического исследования термического преобразования коксового остатка выявлены химические реакции образования компонентов синтез-газа и определены их термодинамические функции. На основании рассчитанного состава синтез-газа определены наиболее целесообразные режимные параметры газификации водоугольного топлива, позволяющие получить газ заданного состава для использования в термохимическом каталитическом синтезе. Разработана математическая модель тепломассообмена между каплей ВУТ и потоком греющего газа в объеме газогенератора для определения количества теплоты, необходимого для термического преобразования водоугольного топлива в синтез-газ, и времени пребывания капли ВУТ в газогенераторе. Разработана модель поточного газогенератора с вертикальными дымогарными трубами для обеспечения теплотой процесса газификации, рассчитаны его конструктивные параметры (патент на полезную модель №172709 от 21.07.2017 г.). Разработана методика конструктивного расчета газогенератора, основанная на результатах математического моделирования процесса газификации водоугольного топлива. Получены результаты расчета себестоимости синтез-газа, полученного при газификации ВУТ. Результаты работы реализованы в виде практического применения методики расчета состава газов и методики конструктивного расчета газогенератора на ООО НПФ «Промприбор» и ООО «Производственная компания «МАХИМ».