РФФИ

Грант РФФИ №17-08-00295 А «Системный и термодинамический анализ функционирования мини-ТЭС с производством энергии и побочных продуктов».

Срок выполнения проекта 2017-2019 гг.

Руководитель: доцент каф. ЭМС Афанасьева О.В.

В рамках проекта структурирована информация по запасам углей, горючих сланцев, проведено ранжирование регионов России по целесообразности использования данных видов топлив для нужд малой энергетики. Для каждого региона рассчитаны приведенные характеристики (отношение добычи на валовой региональный продукт, запасов топлива на душу населения и площадь рассматриваемых регионов), при этом учитывалось количество топлива, потребляемого электрическими станциями и, соответственно, неиспользуемого централизованной энергосистемой.

Исследованы технологии комплексной переработки твердых ископаемых топлив с получением побочных продуктов для возможности внедрения на мини-ТЭС. Основными продуктами термопереработки сланцев являются: сланцевый газ, смола, газовый бензин, зольный остаток. Что касается угольного топлива, то основными побочными продуктами являются золошлаковые материалы, сера, полученная при очистке генераторного газа, смола, полукокс и активированный уголь. В качестве критерия минимальной целесообразной производительности выбрана электрическая мощность мини-ТЭС. Диапазон мощностей при комплектации малых электростанций отечественным оборудованием лежит в следующих пределах: 0,2-0,8 МВт и 4-25 МВт. Однако возможно использование нескольких единиц оборудования различной мощности для покрытия неохваченного диапазона.

Выстроена иерархическая структура, включающая в себя три иерархических уровня, и проведен системный анализ мини-ТЭС с учетом производства тепловой, электрической энергии и побочных продуктов. Проведено математическое моделирование "типовых" процессов для объектов малой распределенной энергетики, работающих на продуктах переработки углей и горючих сланцев: сушки, измельчения твердого топлива, очистки полученного в процессе газификации генераторного газа с получением товарной серы, выработки электрической энергии в газотурбинных установках и тепловой энергии в котлах-утилизаторах и утилизационных теплообменниках. Определена тепловая эффективность участков термохимической переработки угля и горючих сланцев.

Проведено математическое описание процесса полукоксования в реакторе с псевдоожиженным слоем на примере Волжского сернистого горючего сланца. Разработана математическая модель тепломассообмена между частицей угля и потоком греющего газа в объеме газогенератора.

Проведен анализ способов утилизации золы и шлака для объектов малой распределенной энергетики, проведено математическое описание процессов транспортировки шлака.

Проведено математическое описание процессов утилизации сероводорода с использованием активированного угля в качестве сорбента, определено количество получаемой товарной серы, а также выполнена технико-экономическая оценка данного процесса.

Для термической переработки сернистых горючих сланцев в схемах мини-ТЭС предложена конструкция аппарата головного процесса термопереработки – реактора псевдоожиженного слоя. Для высокозольных молодых топлив (горючие сланцы) рассмотрена технология термической переработки с использованием твердого (зольного) теплоносителя, где основным технологическим аппаратом является горизонтальный вращающийся барабанный реактор. В ходе работы получены результаты численного моделирования процесса полукоксования горючего сланца в барабанном реакторе с определением конструктивных характеристик.

Что касается разработки конструкции газогенератора, то для обеспечения требуемой теплотой каждой зоны реактора была предложена конструкция газогенератора с вертикальными дымогарными трубами.

Для осуществления процесса получения активированного угля в условиях мини-ТЭС рассмотрен и рассчитан реактор с кипящим слоем. В качестве прототипа установки выбрана конструкция реактора с кипящим слоем. Проведен гидродинамический и тепловой расчет аппарата.

На основании математического моделирования процессов и разработки конструкции аппаратов, с учетом требований по экологической составляющей по выработке энергии из твердого топлива, были разработаны технологические схемы объектов распределенной генерации с производством электрической, тепловой энергии и побочных продуктов. В качестве технологического решения для объектов малой распределенной энергетики при работе на горючих сланцах предложена упрощенная технология комплексной переработки горючего сланца методом твердого теплоносителя и технологическая схема переработки сернистого горючего сланца с использованием реактора псевдоожиженного слоя.

На примере разработанных схем мини-ТЭС, работающих на угле, был проведен анализ их структурной организации, выявлены взаимосвязи элементов. В соответствии с основными положениями структурного анализа и на основании описанных технологических решений, составлены информационные блок-схемы и определены «условно» разрываемые потоки.

Определена энергетическая эффективность технологических схем объектов малой распределенной энергетики, работающих на местных видах топлива: уголь и горючие сланцы с возможностью получения побочной продукции. Для угольного топлива расчет схем проводился при разных мощностях мини-ТЭС- 6МВт, 15,2 МВт и 29,7 МВт. В качестве побочных продуктов рассматривались: активированный уголь, товарная сера и золошлаковые материалы. Согласно расчетам наибольшая эксергетическая эффективность -49% у мини-ТЭС с получением активированного угля, что объясняется высоким значением эксергии активированного угля по сравнению с другими побочными продуктами. При этом мощность станции, имеющей наивысший КПД, является мощность 6МВт. Для мини-ТЭС с получением золошлаковых материалов, наивысший эксергетический КПД для станции мощностью также 6 МВт – 45%, а при получении товарной серы- 30% при мощности 29,7 МВт.

Для схем при работе на горючих сланцах получены результаты расчета различного оформления энергоблока на базе ТЭЦ с паротурбинной установкой (эксергетический КПД составил 37,55%), газовой турбиной (эксергетический КПД составил 34,43%) и двигателями внутреннего сгорания (эксергетический КПД составил 48,7%).

Для схем при работе на горючих сланцах получены результаты расчета различного оформления энергоблока на базе ТЭЦ с паротурбинной установкой, газовой турбиной и двигателями внутреннего сгорания. Для наглядного представления технологических процессов и их энергетической эффективности для ряда рассчитанных схем построены эксергетические диаграммы Сэнки.

Получены результаты оптимизации структуры энергетического объекта малой мощности и режимным параметрам отдельных процессов.

На основании полученных результатов по проекту, выполненному анализу разработаны комплексные рекомендации по размещению объектов малой распределенной энергетики, работающих на продуктах переработки углей или горючих сланцев с выпуском побочной продукции, по регионам РФ с учетом дефицита энергообеспечения и доступности данных видов топлива.

Результаты проекта представлены в 21 публикации в российских и зарубежных журналах, зарегистрирована 1 программа для ЭВМ, состоялось 10 выступлений на конференциях российского и международного уровня.