авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Эффективность энергетических комплексов на основе поточных газификаторов твердого топлива с парокислородным дутьем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МРАКИН Антон Николаевич

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
НА ОСНОВЕ ПОТОЧНЫХ ГАЗИФИКАТОРОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПАРОКИСЛОРОДНЫМ ДУТЬЕМ

Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Николаев Юрий Евгеньевич
Официальные оппоненты: Щинников Павел Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», профессор кафедры «Тепловые электрические станции» Малов Валерий Тимофеевич кандидат технических наук, доцент, ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Теплотехника,
теплогазоснабжение и вентиляция»
Ведущая организация: ОАО «Всероссийский дважды ордена
Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт», г. Москва

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 23 » марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Ларин Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 г. предусматривается ежегодное увеличение доли твердых видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны. К началу XXI века наполнение федерального бюджета РФ происходит в основном за счет экспортных поставок нефти и газа. Это положение усугубляется решением ОАО «Газпром» о снижении поставок природного газа на внутренний рынок с целью выполнения обязательств по коммерческим контрактам с европейскими государствами. В связи с этим намечено увеличение доли используемого угля в энергообеспечении национального хозяйства. Однако покрытие роста энергопотребления за счет прямого сжигания угля не представляется возможным, поскольку при этом возрастает негативное воздействие на окружающую среду, ухудшаются экономические показатели производства энергоносителей. Решение поставленных проблем может быть достигнуто при сооружении энергетических комплексов (ЭК) с газификацией топлива, которые комбинированным способом могут вырабатывать электрическую и тепловую энергию, синтез-газ (водород), а так же ряд побочных продуктов в виде серосодержащих компонентов, гранулированного шлака, технического азота. В силу специфики работы энергетических установок, требований современной техники по маневренности и надежности, а также учитывая мировой опыт, наиболее перспективными являются поточные газогенераторы. Применение парокислородного дутья обусловлено соображениями достижения максимальной теплоты сгорания получаемого газа.



Целью исследования является повышение энергетической и экономической эффективности энергетических комплексов с поточной парокислородной газификацией твердого топлива для комбинированного производства энергоносителей и материалов в современных экономических условиях страны.

В соответствии с целью определены основные задачи исследования:

  • математическое описание реактора газификации твердого топлива с определением геометрических размеров и времени пребывания частицы топлива в нем для обоснования рациональной схемы энергетического комплекса и определения его характеристик;
  • разработка математической модели расчета характеристик и показателей эффективности ЭК с газификацией угля;
  • оценка тепловой экономичности вариантов использования синтез-газа, обоснование рабочих параметров паросилового цикла;
  • технико-экономическое определение дальности транспорта синтез-газа и теплоты;
  • расчет себестоимости энергоносителей на базе эксергетической методологии;
  • определение экономических показателей ЭК при комбинированном производстве энергоносителей.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

  1. Разработана методика определения характеристик и показателей эффективности ЭК с парокислородной газификацией топлива в поточных реакторах.
  2. Произведено дополнение методики расчета характеристик газогенераторного процесса с определением времени пребывания частицы топлива и геометрических размеров газификатора.
  3. Предложена новая схема энергетического комплекса с парокислородной газификацией угольной пыли для получения водородосодержащего газа, электроэнергии и теплоты, защищенная патентом РФ.
  4. Разработаны рекомендации по выбору параметров паросилового цикла, экономически обоснованной дальности транспорта синтез-газа и горячей воды.
  5. Определены показатели энергетической и экономической эффективности ЭК с комбинированным производством электроэнергии, теплоты, синтез-газа (водорода).

Практическая ценность результатов работы заключается в использовании методических подходов, математического описания газогенераторного процесса, эффективности вариантов использования синтез-газа. Полученные результаты могут служить информативной базой при технико-экономическом обосновании строительства новых ЭК или реконструкции угольных ТЭС с применением газогенераторных технологий. Полученные результаты использованы в учебном процессе СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров теплоэнергетического направления.

На защиту выносятся методические положения, математическое описание и блок-схема расчета характеристик и показателей эффективности ЭК, результаты расчетов его энергетической и экономической эффективности, рекомендации по эффективному применению установок с комбинированным производством энергоносителей.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием методики системных термодинамических и экономических исследований, фундаментальных положений технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности теплоэнергетического оборудования и корреляцией полученных зависимостей и показателей с работами других авторов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в 2008-2012 гг., Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2008, 2010), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), V и VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010, 2011), 17 и 18 ежегодных Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011, 2012), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24» (Саратов, 2011), VII Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях по рекомендуемому списку ВАК РФ. Получен патент Российской Федерации на изобретение №2428459.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем 152 стр., включая 38 рисунков и 28 таблиц. Список использованной литературы содержит 163 наименования, в том числе 12 иностранных и 8 электронных адресов сайтов сети Интернет.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены объект, цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая ценность. А так же указаны методические положения, выносимые на защиту, конференции, где проходила апробация материалов, вошедших в диссертацию.

В первой главе «Состояние вопроса и выбор направления исследования» дан анализ современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса Российской Федерации, рассмотрены основные технологии, характеристики процессов газификации твердого топлива, приведен краткий анализ исследований по применению технологий газификации на ТЭС и промпредприятиях.

Вопросам эффективного использования топливно-энергетических ресурсов страны уделяется особое внимание как со стороны вузовской, академической науки, так и производственных предприятий, фирм и правительства. Значительный вклад в развитие комплексного использования топлива, системного анализа энергоустановок внесли В.С. Альтшулер, А.А. Беляев, Д.Б. Гинзбург, Е.С. Головина, В.Г. Каширский, В.Ф. Симонов, А.Ф. Рыжков, А.И. Андрющенко, Р.З. Аминов, А.И. Попов, Ю.М. Хлебалин, А.М. Клер, Г.В. Ноздренко, П.А. Щинников и др., трудами которых в XX-XXI веках была создана теоретическая основа для создания установок с газификацией угля и комбинированным производством энергоносителей. Анализ выполненных работ по проблемам использования твердого топлива выявил необходимость проведения дополнительных исследований по выбору рациональных схем и параметров ЭК на базе парокислородных газификаторов угольной пыли, обоснованию параметров установки, выбора направления использования получаемых продуктов и возможности выделения водорода из синтез-газа.

Во второй главе «Методические основы исследования энергетических комплексов с газификацией твердого топлива» представлены показатели для определения топливной и экономической эффективности ЭК с учетом технологических особенностей процессов газификации, надежности систем газо- и электроснабжения. Разработано математическое описание расчета характеристик и показателей эффективности ЭК для различных направлений использования получаемого синтез-газа.

Оценку энергетической эффективности комбинированного производства энергоносителей на базе ЭК предлагается выполнять с использованием критерия системного эксергетического КПД:

, (1)

где , , , – эксергия отпущенной потребителям электрической энергии, синтез-газа, теплоты и золошлакового материала, кВт; , , , – удельная эксергия потребленного топлива, воздуха, воды и реагента сероочистки, кДж/кг; , , , – расход топлива, воздуха, воды и реагента сероочистки в ЭК, кг/с; , , – недовыработка эксергии электроэнергии, синтез-газа и теплоты в сравнении с базовым вариантом, кВт; , , – эксергетические КПД замещающих КЭС, газогенераторной энерготехнологической установки и котельной.

Технико-экономическая эффективность ЭК определялась с использованием следующих критериев: интегрального эффекта (чистый дисконтированный доход), индекса доходности, внутренней нормы доходности и срока окупаемости первоначальных инвестиций. Величина интегрального эффекта с учетом приведения вариантов к равному энергетическому эффекту определена по формуле, руб.:

, (2)




где , , , – результат от реализации синтез-газа, электрической и тепловой энергии, золошлакового материала, руб./год; – эксплуатационные затраты на топливо, ремонт основного и вспомогательного оборудования, заработную плату персонала, прочие виды расходов, обеспечение надежности и защиты окружающей среды, затраты на приобретение электроэнергии и синтез-газа от замещающих установок, руб./год; – норма дисконта, 1/год; t – номер расчетного шага (0, 1, 2…); – расчетный срок службы объекта, лет; – коэффициент учитывающий налог на прибыль; – приведенные капиталовложения в осуществление инвестиционного проекта, руб.; – капитальные вложение в объект строительства в год t, руб.

Обеспечение заданного уровня надежности энергоснабжения потребителей от ЭК требует учета дополнительных затрат в резервные установки по производству электроэнергии и синтез-газа. Эти затраты определялись по следующим зависимостям, руб.:

, (3)
, (4)

где , – годовой отпуск электроэнергии и синтез-газа от ЭК, кВтч/год и м3/год; , – удельные расходы топлива резервными установками на производство электроэнергии и синтез-газа, кг/кВтч и кг/м3; – стоимость резервного топлива, руб./кг; – коэффициент, учитывающий отчисления от капиталовложений в резервные установки, 1/год; – аварийный резерв в энергосистеме; , – электрическая мощность ЭК и производительность по синтез-газу, кВт и м3/с; , – удельные капитальные затраты в резервные установки, руб./кВт и руб./(м3/с); – норма дисконта, 1/год; – срок службы ЭК, лет.

Затраты, связанные со снижением вредных выбросов и компенсацией негативных последствий от загрязнения окружающей среды (при условии не превышения предельно-допустимых выбросов), рассчитаны по формуле, руб.:

, (5)

где – затраты на подавление в t году y-го выброса, руб./год; – годовой расход синтез-газа ЭК, м3/год; – суммарный удельный объем продуктов сгорания, м3/м3; – плата в t год за выброс y-го загрязнителя, руб./кг; – концентрация в t году вредного y-го ингредиента в продуктах сгорания синтез-газа, мг/м3.

Для определения характеристик, показателей энергетической и экономической эффективности вариантов тепловых схем ЭК разработана математическая модель, блок-схема которой представлена на рис. 1.

 Блок-схема расчета технологических-52

Рис. 1. Блок-схема расчета технологических и экономических показателей ЭК

Расчет газогенераторного процесса парокислородной газификации пылеугольного топлива выполнен для определяющих реакций:

. (6)

Дополнив систему (6) реакцией встречной диффузии СО+Н2О=СО2+Н2 и уравнением константы равновесия в зависимости от температуры процесса Кр=f(tгазиф) по методу проф. Беляева А.А. рассчитан состав генераторного газа.

Время пребывания частицы топлива в газификаторе оценивается по наиболее медленной химической реакции. Для принятых условий такой реакцией является реакция Будуара, поэтому время рассчитывается по выражению, с:

, (7)

где – предэкспоненциальный множитель, м/с; – энергия активации реакции, Дж/моль; Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная; – температура процесса, К.

Для реакции Будуара в принятых условиях Дж/моль и .

Поскольку конструктивно газификатор выполняется из двух цилиндрических горизонтальных частей с торцевыми горелками, то его диаметр определяется при заданной интенсивности процесса из соотношения, м:

, (8)

где – суммарный расход топлива, т/ч; – интенсивность процесса газификации, т/м2ч.

Общая длина реактора, обеспечивающая протекание химических реакций, определяется по выражению, м:

, (9)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.