Теплоэнергетика, 2021, № 9, стр. 43-50

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Подробное описание концепции полигенерации (энерготехнологическая схема – ЭНТЕС) представлено в [7, 8]. Ее основой являются способ получения перегретого пара и нетрадиционное перераспределение потоков между паровым котлом и паровой турбиной (рис. 1).

Рис. 1.

Принципиальные схемы получения перегретого водяного пара при использовании конденсационной турбины (a) и турбины с противодавлением (б). 1 – паровой котел; 2 – конденсационная или теплофикационная турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – регенеративный теплообменник; 6 – электрогенератор; 7 – турбина с противодавлением (значения давлений и температур показаны в качестве возможного варианта)

Из парового котла 1 перегретый пар подается в паровую турбину (может быть любого типа) 2 или 7. Из нее перегретый пар с пониженными давлением и температурой снова возвращается в котел, где в изобарном процессе повторно нагревается до более высокой температуры. Далее он направляется на газификацию. При этом температура пара, поступающего на газификацию, может составлять до 1000°С, а давление не должно превышать 3 МПа.

В России существует государственный стандарт [9], в котором описаны различные материалы и сплавы, предназначенные для применения при температуре менее 1000°С и давлении до 3 МПа. Срок службы этих материалов может составлять от 1 года и более в зависимости от температуры пара. Например, если в дополнительном парогенераторе температура пара будет около 850°С, то ожидаемый срок его службы может составить около 11 лет. Возможными материалами для изготовления такого дополнительного пароперегревателя может быть, например, сталь 40Х25Н20 или сплав 40Х20Н35.

Моделирование процессов полигенерации при использовании турбины с противодавлением выполнено в программном комплексе Aspen Plus. Он обладает большими функциональными возможностями и потому широко используется для моделирования химико-технологических систем [10].

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для моделирования энерготехнологической схемы процесса горения в котле при производстве перегретого пара и газификации в ЭНТЕС использовали биомассу в виде буковых опилок.

Исходные данные для расчета

Биомасса (буковые опилки) имеет следующие характеристики (обозначения даны в соответствии с [11, 12]):

Влажность W  ar, % ...........................................7.4

Зольность Ad, % ..............................................0.9

Выход летучих веществ V  d, % ......................84.2

Связанный углерод, % ..................................14.9

Содержание, %:

углерода Сd ............................................ 49.5

водорода Hd .............................................6.1

кислорода Od .........................................43.4

азота Nd .................................................. 0.13

серы Sd ...................................................0.01

Низшая теплота сгорания Qн, МДж/кг ........15.5

Расход биомассы для ведения процесса горения принимали равным 1 кг/с, для непосредственного процесса газификации – 3 кг/с. Соотношение биомасса : водяной пар для моделирования газификации составляло 0.55 (при учете суммарного расхода пара в обе камеры газогенератора, модель которого приведена на рис. 2).

Рис. 2.

Модель двухстадийного газогенератора в Aspen Plus. 1 – первая камера двухстадийного газогенератора, предназначенная для предварительной газификации биомассы перегретым паром; 2 – вторая камера газогенератора для непосредственной газификации перегретым паром; линии 3 и 5 – коксовый остаток и зола соответственно; 4 – циклон для отделения твердых частиц от газовой смеси; 6 – парогазовая смесь, в которой содержатся синтез-газ и твердые частицы

Для моделирования процесса паровой газификации принят двухстадийный газогенератор [13]. Газогенератор в моделировании имеет две камеры, и в модели каждая камера моделируется как отдельный реактор. В качестве модели для первой и второй камер газогенератора взяты реакторы RGibbs, которые обеспечивают моделирование равновесных реакций без необходимости ввода стехиометрических уравнений и количественного задания выходов продуктов реакций. Расчеты основываются на минимизации свободной энергии Гиббса ΔG всех возможных химических реакций в модели

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S,$

где ΔH – изменение энтальпии химической реакции, кДж/кг; T – температура, К; ΔS – изменение энтропии химической реакции, кДж/(кг · К). При этом заранее определяются вещества-реагенты и возможные продукты, образующиеся в этих реакциях.

Первый реактор RGibbs моделирует образование нелетучего углерода при недостатке перегретого пара для полного протекания газификации биомассы. В этом процессе происходит удаление из биомассы летучих веществ и влаги вследствие подвода тепловой энергии с перегретым паром. Параметры перегретого пара на входе в первый реактор варьировались следующим образом: температура от 750 до 965°С, давление от 0.1 до 3.0 МПа. Все горючие вещества, полученные при предварительной газификации биомассы (камера 1 на рис. 2), сжигались для производства тепловой и электрической энергии [7]. Снижение температуры и давления перегретого пара перед первой и второй камерами газогенератора моделировалось при использовании редукционно-охладительной установки путем дросселирования пара и добавления холодной воды.

Второй реактор RGibbs моделирует процесс непосредственной газификации в среде перегретого пара (камера 2 на рис. 2). Температура и давление перегретого пара во втором реакторе такие же, как и на входе в первый. Расход перегретого пара во второй реактор подобран с условием максимизации содержания водорода, CO и CH₄ в получаемом синтез-газе.

ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для подтверждения достоверности результатов математического моделирования состава синтез-газа после второй камеры газогенератора (взаимодействие коксового остатка и перегретого водяного пара) их сравнивали с собственными экспериментальными данными, а также литературными данными других авторов.

В ранее проведенных экспериментальных исследованиях (методика приведена в [14]) получены результаты по паровой бескислородной газификации смеси древесных опилок при атмосферном давлении и температуре t₂ в слое газифицируемого материала около 845°С (кривая 1 на рис. 3). Смесь древесных опилок имеет следующие характеристики, %:

Рис. 3.

Зависимости от времени и температуры объемной доли компонентов газовой смеси V_V, измеренные поточным газоанализатором, при газификации коксового остатка смеси древесных опилок (1 –при t₂ = 845°С)

Полученные параметры удовлетворительно описывают содержание углекислого газа, метана, CO и водорода, что согласуется с результатами математического моделирования (интерполяция данных табл. 2 и 4). В итогах эксперимента, как и в результатах моделирования, можно отметить высокое содержание CO₂ в объеме получаемого газа. Такое содержание CO₂ в синтез-газе характерно в целом для биомассы [15].

Было проведено сравнение состава синтез-газа, полученного в результате математического моделирования, с литературными данными, в частности с [13]. В этой работе приведен обзор по паровой газификации биомассы в двухстадийных газификаторах и показаны типичные составы получаемого в них газа [13, рис. 11 ].

Также можно отметить, что результаты работы [13] удовлетворительно согласуются не только с экспериментальными данными автора (см. рис. 3), но и с итогами математического моделирования (см. табл. 2, 4) по определенным элементам. Различия в составе газа по отдельным компонентам связаны с тем, что в двухстадийных газогенераторах в первой камере для получения нелетучего углерода используется воздух, тогда как в предлагаемой концепции ЭНТЕС предварительная газификация осуществляется перегретым паром. Таким образом, имеется различие в способе подготовки газифицируемого материала.

В работе [16] на образцах белой бумаги и желтой сосновой щепы проведены исследования паровой бескислородной газификации не только с внутренним, но и с внешним подводом тепла. Состав синтез-газа, полученного при 900–950°С в результате этих экспериментов, представлен на рис. 4. Эти данные также удовлетворительно согласуются с результатами математического моделирования, особенно по содержанию H₂ и CO₂.

Рис. 4.

Состав синтез-газа при газификации бумаги (а) и древесины (б) [16]

Таким образом, можно отметить, что результаты математического моделирования в Aspen Plus для буковых опилок при заданных условиях моделирования удовлетворительно согласуются с результатами экспериментальных исследований и могут быть использованы, например, для технико-экономической оценки стоимости синтез-газа и получаемых из него различных веществ. При сравнении результатов моделирования с собственными экспериментальными данными автора (по методике исследований, представленной в [14]), а также с литературными данными можно отметить расхождение по концентрации компонентов не более 15% (в собственных экспериментальных исследованиях автора погрешность измерения концентрации компонентов в составе синтез-газа составила не более 5%).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По данным табл. 1–4 можно сделать следующие выводы.

Концентрация метана при увеличении давления существенно возрастает – более чем в 2 раза в объеме получаемой смеси. Наличие большого количества метана при повышении давления в ЭНТЕС позволит значительно увеличить выработку электрической и тепловой энергии либо сэкономить исходное топливо. Достигнуть этого можно сжиганием горючей смеси, состоящей в основном из метана. Например, при давлении перегретого пара 3 МПа теплота сгорания метана при известном его расходе (см. табл. 1, 2) может составлять

При газификации биомассы в среде перегретого водяного пара и разделении процесса газификации на две зоны (предварительная и основная) в составе синтез-газа после второй зоны отмечается довольно высокое содержание CO₂ и относительное низкое содержание CO. Так как в процессе синтеза химических веществ основные строительные элементы – это CO и Н₂, то даже при условии большого количества водорода в газовой смеси (см. табл. 1–4) более значимую роль играет наличие CO в составе синтез-газа. При этом изменение давления перегретого водяного пара весьма незначительно влияет на изменение концентрации CO₂ в составе синтез-газа. Поэтому употребление биомассы для генерации синтез-газа и использования его в нетопливной сфере может иметь существенные ограничения.

Повышение температуры благоприятно сказывается на понижении концентрации CO₂ в объеме газовой смеси (см. табл. 3, 4). При этом, как и при повышении давления, снижение образования CO₂ не столь значительно.

Энергетическое направление. В газогенераторе необходимо обеспечить повышенное давление и пониженную температуру для получения наиболее калорийного газа, в основном благодаря повышенному содержанию метана в объеме газовой смеси. В отдельных режимах (по результатам моделирования) после выделения водорода из синтез-газа концентрация метана в объеме газовой смеси может достигать почти 25% (табл. 5).

Химическое направление. В газогенераторе необходимо поддерживать давление близкое к атмосферному при максимально возможной температуре. Тогда в синтез-газе будет наибольшее содержание CO и H₂.

При этом следует отметить как минимум два фактора, ограничивающих выработку синтез-газа как в том, так и в другом направлении. Во-первых, плавкостные характеристики золы, которые определяют максимальную температуру в газогенераторе. При этом температура перегретого пара зависит также от материала труб и условий теплообмена между дымовыми газами и перегретым паром. Во-вторых, давление перегретого водяного пара. По условиям прочности труб пароперегревателя оно не должно превышать 3 МПа, тогда как нижнее его значение должно быть таким, чтобы обеспечивалась возможность транспортировать синтез-газ по трубам в пределах ЭНТЕС и проводить с ним различные технологические операции. По объективным причинам давление синтез-газа не может быть равно атмосферному давлению, оно всегда должно его превышать, чтобы максимально снизить затраты на установку компрессорного оборудования, которое должно иметь взрывобезопасное исполнение из-за транспортируемой среды. Кроме того, повышение давления позволяет снизить стоимость синтез-газа благодаря сокращению капитальных и эксплуатационных издержек.

ВЫВОДЫ

1. Разработанная концепция полигенерации с реализацией паровой бескислородной газификации биомассы позволяет получать синтез-газ с различным содержанием CO, H₂, CO₂ и CH₄. Чтобы синтез-газ имел требуемый состав, можно изменять температуру и давление перегретого водяного пара, используемого при его получении.

2. Изменяя температуру и давление перегретого водяного пара в процессе газификации, можно менять характеристики синтез-газа в зависимости от его целевого назначения. Можно выделить энергетическое и химическое направления использования синтез-газа, получаемого в процессе паровой бескислородной газификации в условиях полигенерации.