doc - ЮРГПУ(НПИ)

Резюме проекта, выполняемого
в рамках ФЦП
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»
по этапу №2
Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.574.21.0018.
Тема: «Разработка метода интенсификации процесса газификации низкореакционного
угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя».
Приоритетное
энергетика.
направление:
Энергоэффективность,
энергосбережение,
Критическая технология: Технологии энергоэффективного
преобразования энергии на органическом топливе.
ядерная
производства
и
Период выполнения: с 09.06.2014 по 31.12.2015г.
Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный
политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова".
Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «ТеплоПроект».
Ключевые слова: тепловые электростанции, струйно-вихревая газификация,
генераторный газ, газификатор, твердое топливо, нанокатализатор, моделирование.
1.
Цель проекта
1.1 Создание научно-технического задела в области разработки способа
газификации низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке
окислителя.
1.2 Повышение эффективности использования низкореакционного угля в процессах
газификации в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
2.
Основные результаты проекта
1) Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальную
установку газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с
восходящим потоком окислителя.
2) Изготовлена экспериментальная установка газификации низкореакционного угля
в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя.
3) Разработана программа и методики исследовательских испытаний на
экспериментальной установке газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом
газификаторе с восходящим потоком окислителя.
4) Получены результаты исследовательских испытаний установки газификации
низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком
окислителя.
5) Получены результаты исследований процессов газификации низкореакционного
угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя.
6) Получены результаты сравнительного анализа результатов экспериментальных
исследований с результатами математического моделирования.
В ходе проведения исследовательских испытаний установки газификации
низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком
окислителя, установлено, что экспериментальная установка газификатора угля
2
соответствует требованиям, заданным ТЗ. Полученные результаты исследовательских
испытаний: температура в камере газификатора, T = (973,3 ± 29,854) ˚С, при a = 0,95,
E = 3,067 %; давление в камере газификатора, p = (100,5 ± 0,2609) кПа, при a = 0,95,
E = 0,259 %; габариты установки, l*b*h = 1,954*0,624*1,721 м, соответствуют заданным в
ТЗ значениям показателей и их допущениям. Установка для газификации
низкореакционного угля способна создать условия для реализации процесса газификации
угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
В результате проведения исследований процессов газификации низкореакционного
угля в струйно-вихревом газификаторе с восходящим потоком окислителя, установлено,
что разработанный метод газификации позволяет обеспечить: возможность использования
любой марки углей; коэффициент использования топлива до 60 %; удельную теплоту
сгорания генераторного газа не менее 5,0 МДж/м3; получение генераторного газа
следующего состава (СО - 20…70 %; Н2 - 1,5…60 %; СО2 - 5…30 %). Полученные
результаты испытаний соответствуют заданным в ТЗ значениям показателей и их
допущениям.
Экспериментальная
способна
реализовать
метод
газификации
низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя.
В ходе анализа результатов математического моделирования и исследовательских
испытаний установлено что количество полезных компонентов генераторного газа
( СО , Н 2 , СН 4 ) с увеличением температуры в камере газификации увеличивается:
объемные доли СО с 32,4 % при 700 ºС до 70,2 % при 1000 ºС; доля Н 2 соответственно
с 3,5 % до 15,2 %; доля СН 4 увеличилась с 0,1 % до 4,0 % (коэффициент избытка воздуха
  0,2 ), что объясняется повышением констант скорости химических реакций. В том
числе такие константы увеличиваются и для реакций горения (окисления) СО , Н 2 и
СН 4 , но скорости этих реакций ограничиваются малой концентрацией кислорода из-за
небольшого избытка воздуха.
Полученные зависимости объемных долей СО , Н 2 и СН 4 от коэффициента
избытка воздуха  показывают, что при постоянстве температуры объемные доли
СО , Н 2 , СН 4 убывают. Это связано с возрастающей концентрацией кислорода и,
соответственно, с увеличивающийся скоростью химических реакций выгорания данных
компонентов.
Характер изменения концентраций СО , Н 2 , СН 4 в зависимости от температуры
одинаковый: при увеличении температуры в камере газификации объемные доли СО ,
Н 2 , СН 4 увеличиваются, что свидетельствует об адекватности математической модели.
Организация встречного движения горячего воздуха и топлива, а также добавление в
воздушную среду активного окислителя – синглетного кислорода позволяют увеличить
выход полезных составляющих элементов генераторного газа в диапазоне температур от
700-1000 0С (для СО 1,5-5,8%; для Н2 7,9-20%; для CO2 3-40%).
3.
Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД),
полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной
разработки
На
втором
этапе
выполнении
интеллектуальной деятельности не получено.
4.
ПНИ
охраноспособных
результатов
Назначение и область применения результатов проекта
1) Метод по газификации углей в струйно-вихревом газификаторе с восходящим
потоком окислителя, активированного нанокатализатором, может быть использован на
уже существующих котельных установках. Установка предвключенного газификатора
3
позволяет полностью или частично отказаться от дополнительного топлива (мазута или
газа), подаваемого в топку для подсветки. В то время как сейчас на котлах вместе с
основным топливом (твердым, низкореакционным) в горелки подается 7-10 % мазута или
природного газа. Энерготехнологическая установка на основе данного метода позволит
заменить природный газ более дешевым генераторным газом при переоборудовании
газотурбинных установок.
Полученные в ходе выполнения проекта результаты можно использовать в
масштабах энергетической отрасли. Кроме того, генераторный газ может быть
использован также на крупных предприятиях химической промышленности для
получения синтез-газа, метана, аммония, жидких моторных топлив и других ценных
химических продуктов и соединений.
Внедрение предлагаемого метода газификации углей на угольных ТЭС и в
котельных позволит отказаться от использования дорогого «подсветочного» топлива
(мазута и газа) при сжигании низкореакционных твердых топлив, обеспечить устойчивую
работу котла в диапазоне изменения нагрузки от 50 до 100 %; повысить надежность
работы котлоагрегата. Кроме того, возможность незначительной модернизации
существующего оборудования ТЭС при внедрении метода с точки зрения
капиталовложений выглядит более привлекательно и конкурентоспособно по сравнению с
другими предлагаемыми технологиями сжигания топлив в котлах.
Из-за нечувствительности к качеству исходного угля и наличию балластов
(минеральных примесей и влаги) в нем предлагаемый метод найдет широкое применение
на электростанциях и в котельных, работающих на низкосортных видах топлива. Кроме
того, полученное газообразное топливо при сжигании выделяет значительно меньшее
количество вредных веществ, нежели при прямом сжигании твёрдого топлива, что
повысит экологическую и производственную безопасность современных пылеугольных
ТЭС.
2) несмотря на технико-экономическую привлекательность и тенденцию
увеличения объемов использования твердого топлива низкого качества, применение в
топливном балансе непроектных видов топлива существенно сказывается на
эффективности их сжигания, а в некоторых случаях становится практически
невозможным. В сложившихся обстоятельствах метод газификации твердых топлив в
восходящем струйно-вихревом потоке окислителя, активированного нанокатализатором
весьма обнадеживающе выходит на передний план.
Потенциальными потребителями разрабатываемого метода являются:
- тепловые электростанции и котельные, требующие перевода дорого и
дефицитного природного газа на твердое топливо;
- газотурбинные установки, требующие применения газообразных топлив;
- предприятия химической промышленности, на которых генераторный газ после
газификации может быть использован для получения синтез-газа, метана, аммония,
жидких моторных топлив и других целей.
На сегодняшний день результатами ПНИ заинтересованы: специализированная
организация по проектированию наружных тепловых сетей ООО « ТеплоПроект» и
ОАО ОГК-2 филиал «Новочеркасская ГРЭС», г. Новочеркасск. Обсуждается возможность
апробации и внедрения запланированных результатов.
3) Результаты ПНИ имеют перспективные направления применения для
дальнейших исследований и разработок в поиске путей и методов прямого
преобразования тепловой, световой и химической энергии в электрическую.
5.
Эффекты от внедрения результатов проекта
Применение метода газификации низкосортных углей в струйно-вихревом
газификаторе с восходящим потоком окислителя, активированного нанокатализатором,
должно привести к повышению эффективности работы энергетических установок за счет:
4

возможность использования любой марки углей;

компактность и простоту конструкции по сравнению с аналогами;

повышение коэффициента использования топлива до 60 %;

получение генераторного газа следующего состава: СО - 20…70 %;
Н2 -1,5…60 %; СО2 - 5…30 %.
6.
Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Одним из наиболее критических этапов реализации эффекта новшества является
его коммерциализация. Она представляет собой процесс превращения идеи, замысла в
прибыльно продаваемый товар и охватывает все стадии разработки и внедрения товара в
сферу реализации. Для того чтобы новшество имело успех на рынке, оно должно обладать
неоспоримыми аргументы в пользу его покупки. На стадии теоретических исследований
процесса газификации низкореакционного угля в струйно-вихревом газификаторе с
восходящим потоком окислителя такие результаты отсутствуют. Возможные формы
коммерциализации полученных результатов будут разработаны на последующих этапах
выполнения ПНИ, после экспериментальной апробации.
7.
Наличие соисполнителей
Соисполнители работ по проекту отсутствуют.
Проректор по научной работе и
инновационной деятельности ЮРГПУ(НПИ)
М.П.
Руководитель работ по проекту,
зав. кафедрой ТЭСиТ ЮРГПУ (НПИ)
О.А. Кравченко
Н.Н. Ефимов