Экспериментальное и численное исследование высокотемпературной паровоздушной газификации угля в поточной установке

Создание новых энергетически эффективных и экологически чистых технологий поточной паровоздушной газификации угля для получения электрической и тепловой энергии представляет важную научную проблему.В настоящее время вопросы повышения энергоэффективности угольных электростанций с использованием технологии газификации угля находят все больший интерес среди исследователей [Higman C. State of the Gasification Industry –the Updated Worldwide (2013) International Pittsburgh Coal Conference Beijing, CHINA, September 16 – 19], [Minchener A. Challenges and opportunities for coal gasification in developing countries (2013) IEA Clean Coal Centre. 76 p.]. Поточный газификатор является основным узлом таких станций - парогазовых установок с внутрицикловой газификацией (ПГУ-ВЦГ), так как во многом определяет режим работы газотурбинной установки (ГТУ). Эффективность работы ГТУ определяется соотношением работы сжатия и расширения. Газогенератор оказывает двойственное влияние на работу ГТУ. С одной стороны, повышение теплоты сгорания синтез-газа приводит к увеличению расхода воздуха и, соответственно, работы его сжатия при постоянном расходе рабочего тела, с другой стороны, изменение состава синтез-газа приводит к коррекции теплофизических свойств рабочего тела, определяющих работу расширения. Предварительные расчеты газотурбинного цикла показали, что СО2 уменьшает удельную работу расширения, а Н2О – повышает. Повысить концентрацию водяного пара в рабочем теле можно в общем случае тремя способами. Один из способов – подача пара в камеру сгорания ГТ – снижает стабильность горения и поэтому, как правило, не рассматривается. Таким образом, повышать концентрацию водородсодержащего агента возможно двумя способами – введением пара в шифт-реактор [Lu X., Wang T. Water–gas shift modeling in coal gasification in an entrained-flow gasifier. Part 1: Development of methodology and model calibration (2013) Fuel, 108, pp. 629–638], либо подачей пара в газификатор. Однако шифт-процесс, хотя и повышает содержание Н2, но теплота сгорания получаемого газа снижается [Lu X., Wang T. Water–gas shift modeling in coal gasification in an entrained-flow gasifier – Part 2: Gasification application (2013) Fuel, 108, pp. 620–628]. Кроме того, суммарное количество углерода в газообразной форме (СО и СО2), передаваемое в камеру сгорания ГТ, не изменяется, следовательно, не изменится и количество конечного углеродсодержащего газа СО2, что не даст выигрыша в работе расширения в ГТ. Наиболее целесообразно корректировать состав газа за счет изменения режима конверсии твердого топлива в воздушном поточном газификаторе. Подача пара в верхнюю часть (зону газификации) повышает содержание Н2 в синтез-газе и частично вытесняет подаваемый на горение уголь, что приводит к снижению выхода СО при восполнении необходимой для поддержания заданного уровня температур теплоты за счет подачи горячего воздуха. Таким образом, чтобы поднять КПД ПГУ-ВЦГ в целом необходимо повысить химический КПД газификатора и скорректировать состав синтез-газа для поднятия КПД ГТУ. С целью коррекции состава синтез-газа и повышения содержания водорода разрабатываются перспективные конструктивные [Douglas B. TPRI Technologies and our Projects Updates (2010) Gasification technologies conference. Washington DC] и схемные решения [Kiso F., Matsuo M. A simulation study on the enhancement of the shift reaction by water injection into a gasifier (2011) Energy. 36. pp. 4032-4040]. Последние годы комплексный подход, включающий в себя как экспериментальные исследования разного масштаба, так и численное моделирование, стал основным среди лидеров отрасли [Vascellari M., Roberts D.G., Hla S.S., Harris D.J., Hasse C. From laboratory-scale experiments to industrial-scale CFD simulations of entrained flow coal gasification (2015) Fuel. 152. pp. 58-73]. В России в рамках Технологической платформы также ведутся работы по созданию высокоэффективных газогенераторов синтез-газа.