Анализ эффективности процесса газификации пылеугольного топлива в высокотемпературном потоке O2/N2 и O2/CO2 с помощью математического моделирования

Abstract

Актуальность исследования связана с обостряющимися вопросами регулирования углеродных выбросов при сжигании твердого топлива и повышением экологических требований к теплоэнергетическим станциям. Цель: с помощью математического моделирования исследовать перспективы рециркуляции СО2 на угольных электростанциях с внутрицикловой газификацией, провести анализ эффективности процесса газификации топлива в условиях oxyfuel, определить оптимальные режимы переработки каменного угля и оценить возможность реализации этих режимов с точки зрения технологических ограничений. Объект: процесс газификации угольной пыли в дутье с разным составом и начальной температурой. Метод: математическое моделирование процесса термохимической конверсии угольной пыли в одномерной стационарной постановке. Результаты. Построены расчетные зависимости характеристик процесса газификации (химический КПД, температура выходящего газа) от удельного расхода дутья ([alpha]=0,1-0,7), концентрации кислорода в нем (20-30 %) и начальной температуры (373-1373 К) для смесей O2/N2 и O2/CO2. Определены оптимальные значения удельных расходов и максимальные значения химического КПД во всем диапазоне параметров. Оценен вклад теплофизических и реакционных свойств газа в изменение химического КПД процесса при смене состава дутья. Для исследования эффективности нагрева дутья используется критерий, учитывающий внешний подвод теплоты. Анализ показывает что, перегрев воздушного дутья не дает положительного эффекта на состав продуктов газификации из-за существования жестких стехиометрических ограничений; перегрев углекислотного дутья позволяет не только повысить химический КПД, но и улучшить стабильность процесса при низких значениях удельного расхода дутья.

The relevance of the study is associated with growing issues of regulating carbon emissions of solid fuel combustion and increasing environmental requirements for heat power plants. The aims of the study are investigation of CO2 recycling prospects at coal-fired power plants with internal gasification using mathematical modeling based on an analysis of the fuel conversion processes efficiency, determination of the coal processing optimal modes and evaluation of possibility of implementing these modes from the point of view of technological limitations. Object of the study is pulverized coal gasification in the atmospheres with different composition and initial temperature. Research method: mathematical modeling of the process of pulverized coal thermochemical conversion in one-dimensional stationary statement. Results. The author has plotted the calculated dependences of gasification characteristics (cold gas efficiency, temperature of the produced gas) on the specific flow rate of the gasification agent ([alpha]=0,1-0,7), oxygen concentration (20-30 %) and the initial temperature (373-1373 K) for O2/N2 and O2/CO2 mixtures. The optimal values of specific flow rates and the maximum values of cold gas efficiency in the entire range of parameters are determined. The author estimated the contribution of the thermophysical properties and gas reactivity to the change in the cold gas efficiency of the process when changing the composition of the gasification agent. To study the efficiency of heating oxidizer, the author used the criterion that takes into account heat external supply. The analysis shows that air overheating does not give a positive effect on composition of gasification products due to the strict stoichiometric restrictions; overheating of carbon dioxide allows not only increasing cold gas efficiency, but also improving process stability at low values of specific oxidizer consumption.