W ramach Części Tematu Badawczego nr 5.2. zrealizowano następujące zadania:

Transkrypt

1 Część zadania badawczego wykonywana w Politechnice Śląskiej składa się z następujących części tematów badawczych: 1. Część tematu badawczego nr p.t.: Kinetyka procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 w tym procesie 2. Część tematu badawczego nr 4.2. p.t.: Opracowanie modeli palników dostosowanych do spalania gazów o niskiej wartości opałowej 3. Część tematu badawczego nr 5.2. p.t.: Model numeryczny (CFD) reaktora zgazowania z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym 4. Część tematu badawczego nr 5.4. p.t.: Modelowanie i optymalizacja kogeneracyjnego bloku energetycznego opartego o układ IGCC W ramach Części Tematu Badawczego nr zrealizowano następujące zadania: 1) wykonanie rankingu i zgromadzenie surowców, 2) dobór modeli kinetycznych dla procesu zgazowania różnych nośników pierwiastka C za pomocą CO2. Po analizie dostępności do badań wytypowano następujące węgle: KWK Piast (Kompania Węglowa), KWK Ziemowit (Kompania Węglowa), ZG Janina (Południowy Koncern Węglowy/Południowy Koncern Energetyczny), KWB Turów. Z pozyskanych próbek węgli, po pobraniu i przygotowaniu próbek analitycznych do wykonania niezbędnych analiz, wydzielono frakcje ziarnowe 3-10 mm. Próbki węgli o takim uziarnieniu poddane zostały termopreparacji w retorcie Jenknera, przyjmując końcowe temperatury procesu odpowiednio: 600 C, 800 C i 1000 C. W wyniku termopreparacji przygotowano po ok g karbonizatów do dalszych badań. Wykonano wstępne eksperymenty procesu ekstrakcji nadkrytycznej węgli wobec CO2, które przyniosły ciekawe i obiecujące rezultaty. Badania przeprowadzono w różnych wariantach temperatury ( C) oraz ciśnienia procesu (8-10 MPa) w autoklawach o pojemności 500 cm3. Zastosowano różne proporcje surowca (węgla brunatnego) do CO2, które w przeliczeniu na stosunki masowe wynosiły od 0,2 do 3,5. Ditlenek węgla wprowadzano do reaktora w postaci suchego lodu. Rys. 1. Krzywe TG próbek węgli brunatnych po ekstrakcji nadkrytycznej za pomocą CO2 i próbki wyjściowej (linie przerywane dla N2, linie ciągłe dla CO2).

2 Uzyskane produkty węglowe (próbki o symbolach WB1, WB2 i WB3), jak również węgiel wyjściowy (WB) poddano analizie termograwimetrycznej w dynamicznej atmosferze N2 oraz CO2 (100 сm3/min), w zakresie temperatury C, przy szybkości ogrzewania q=12 K/min (rys. 1). W celu potwierdzenia wyników wstępnych badań planuje się dalszą, wielostronną analizę procesu uwzględniającą różne wpływy czynnikowe. Przewiduje się osiągnięcie podobnych rezultatów jak w badaniach wstępnych. Rozszerzenie części analitycznej będzie pomocne w szczegółowym wyjaśnieniu zjawisk zachodzących w efekcie działania ditlenku węgla na strukturę węgla brunatnego. Wstępne analizy prowadzone w ramach doboru modeli kinetycznych pozwoliły na wytypowanie 10 form równań kinetycznych o różnym stopniu komplikacji, opisujących jedynie szybkość konwersji fazy stałej. W oparciu o wytypowane modele estymowano parametry kinetyczne procesu zgazowania wykorzystując dane eksperymentalne ze zgazowania w warunkach laboratoryjnych trzech surowców o zróżnicowanej reakcyjności wobec CO2. Spośród analizowanych modeli najlepsze dopasowanie dla wszystkich badanych próbek i temperatur prowadzenia procesu wykazuje model konwersji homogenicznej. α = 1 exp( kτ ) s Przeprowadzono porównanie danych eksperymentalnych oraz obliczonych wartości stopnia przemiany fazy stałej w oparciu o model konwersji homogenicznej dla badanych surowców. W ramach Części Tematu Badawczego nr 4.2. zrealizowano następujące zadania: badania wpływu parametrów gazów niskokalorycznych z podziemnego zgazowania węgla na ich właściwości palne, ocena znanych konstrukcji palników do spalania niskokalorycznych gazów palnych. W ramach części tematu Wpływ parametrów gazów niskokalorycznych z podziemnego zgazowania węgla na ich właściwości palne opracowano: analizę aspektów technicznych wymienności paliw gazowych, obliczono właściwości palne gazów z podziemnego zgazowania węgla, opracowano charakterystykę energetyczną gazów niskokalorycznych o wartości opałowej poniżej 6000 kj/m3n. Stosowane dotychczas w przyborach gazowych metody Delbourga, Weavera oraz Duttona nie mogą być zastosowane w przypadku spalania niskokalorycznych gazów w urządzeniach cieplnych, w których zarówno paliwo gazowe, jak i powietrze są wstępnie podgrzewane. Z tego względu stosowane są głównie palniki dyfuzyjne, w których należy uwzględnić konsekwencje technologiczne spowodowane wpływem paliwa gazowego na płomień. Składy chemiczne analizowanych gazów z GPZW, z prób wykonanych przez Główny Instytut Górnictwa, zmieniają się w szerokim zakresie, co powoduje, że m.in. wartość opałowa zmienia od 3882 do 9816 kj/m3n. W ramach części tematu Ocena konstrukcji palników do spalania niskokalorycznych gazów palnych wykonano zestawienie charakterystyk dziesięciu konstrukcji palników przemysłowych - tablica. Dokonano ich oceny w oparciu o dostępne dane literaturowe oraz doświadczenia własne. Sprawozdanie z Części Tematu Badawczego nr 4.2. wykonano w oparciu o informację o rozpoczęciu realizacji. W ramach Części Tematu Badawczego nr 5.2. zrealizowano następujące zadania: Opracowanie zestawu równań fizycznych opisujących hydrodynamikę złoża fluidalnego

3 Symulacja zjawisk przepływowych w złożu fluidalnym z wykorzystaniem kodu CFD i porównanie z wynikami dostępnymi z literatury Badania mają posłużyć Instytutowi Chemicznej Przeróbki Węgla do opracowania zmian konstrukcyjnych reaktora zgazowania węgla pod kątem pracy przy podwyższonym ciśnieniu. Efektywność zgazowania w złożu fluidalnym zależy przede wszystkim od jego hydrodynamiki. Zatem pierwszą, a zarazem podstawową, częścią zagadnienia jest modelowanie hydrodynamiki cyrkulacyjnego złoża fluidalnego. Najczęściej stosowane modele hydrodynamiki cyrkulacyjnych złóż fluidalnych można podzielić na trzy grupy: Modele pozwalające na przewidywanie zmienności udziału fazy rozproszonej wzdłuż wysokości złoża [1] Modele pozwalające na przewidywanie zmienności udziału fazy rozproszonej wzdłuż wysokości i promienia złoża [2] Modele oparte na równaniach fundamentalnych (zachowania) pozwalające na przewidywanie wszystkich parametrów przepływu zagadnień wielowymiarowych w stanach ustalonych i nieustalonych. W modelach tej grupy rozwiązywane są równania zachowania bilansu masy, pędu i energii pozwalające na uwzględnienie przepływu wielu faz. Do rozwiązania tych równań wykorzystuje się narzędzia numerycznej mechaniki płynów (ang. CFD). Celem tego etapu pracy był dobór równań opisujących zjawiska zachodzące w cyrkulacyjnych złożach fluidalnych i ich implementacja do kodu CFD o nazwie Fluent. Narzędzie to zawiera już szereg wbudowanych funkcji, które zostały wykorzystane. W dalszych badaniach przeprowadzona zostanie analiza której ostatecznym rezultatem będzie wybór finalnego modelu hydrodynamiki złoża fluidalnego. Rozwiązywane równania transportu Równania bilansu masy dla fazy gazowej i stałej. Równania bilansu pędu fazy stałej i gazowej. Równanie transportu energii fluktuacji fazy rozproszonej (KTGF). Modele domykające Równania konstytutywne stanowiące modele tensora naprężeń fazy stałej. Równania stanowiące modele interakcji międzyfazowej. Rys. 2. Chwilowe pole udziału objętościowego fazy stałej w złożu fluidalnym dla modelu interakcji HKL [22] Na Rys. 2. przedstawiono przykładowe wyniki wstępnej symulacji i testu modelu HKL

4 (Benyahia S. i in. Extension of Hill Koch Ladd drag correlation over all ranges of Reynolds number and solids volume fraction, Powder Technology 162 (2006), ) W ramach realizacji Części Tematu Badawczego 5.4 przeprowadzono analizę stanu wiedzy układów IGCC w aspekcie integracji z układem elektrociepłowni. Technologia zgazowania węgla jest od dawna wykorzystywana w przemyśle chemicznym[16]. Jednak dopiero w połowie lat osiemdziesiątych XX wieku powstały projekty, a potem realizacje układów bloków energetycznych zintegrowanych z instalacjami zgazowania węgla (IGCC). W latach 90-tych ubiegłego stulecia zbudowano 4 energetyczne bloki gazowo-parowe IGCC jako tzw. obiekty flagowe w dwóch przypadkach dofinansowane przez Departament Energii USA (Wabash River i Tampa Electric) a w pozostałych dwóch przez Unię Europejską (Demkolec Buggenum w Holandii i Elcogas Puertollano w Hiszpanii)[10,11]. Wszystkie wymienione wcześniej flagowe układy IGCC bazują na zgazowaniu tlenowym. Są to układy jednocelowe wytwarzające elektryczność. O ile układy gazowo-parowe zintegrowane z instalacjami zgazowania węgla i przeznaczone do produkcji elektryczności mają już blisko dwudziestoletnie doświadczenia, o tyle układy IGCC przeznaczone do produkcji ciepla i elektryczności w skojarzeniu są na początku rozwoju. Najczęściej opisywane w literaturze przypadki dotyczą zgazowania biomasy. Doświadczenia pozyskane w skojarzonych układach gazowo-parowych ze zgazowaniem biomasy mogą być przeniesione na przypadki układów IGCC ze zgazowaniem węgla. W układach IGCC CHP będzie wykorzystywane także ciepło z chłodzenia międzystopniowego sprężarek tlenowni i instalacji sprężania CO2. Wiele szczegółów technicznych omawianych dla układów IGCC jest aktualne również w przypadku IGCC CHP. Układy IGCC projektowane głownie jako układy służące do produkcji elektryczności oraz produktów chemicznych np. metanolu, posiadają również potencjał do produkcji ciepła. W układach IGCC występują potencjalne miejsca poboru ciepła, które pozwalają na wytwarzanie elektryczności i ciepła w skojarzeniu. Źródła te można podzielić na dwie grupy, a mianowicie: grupę źródeł ciepła odpadowego, grupę źródeł tradycyjnych, jak w klasycznych elektrociepłowniach. Do pierwszej grupy można zaliczyć: dochładzanie spalin przed kominem i chłodzenie gazyfikatora chłodzenie sprężonego powietrza oraz produktów tlenowni, chłodzenie syngazu i chłodzenie międzystopniowe w instalacji sprężania CO2. Natomiast w drugiej grupie znajdują się: pobór pary z upustu regeneracyjnego turbiny parowej zasilającej wymienniki ciepła (uciepłownienie bloku kondensacyjnego IGCC), zastosowanie turbiny ciepłowniczej zamiast turbiny kondensacyjnej (realizacja skojarzonego układu gazowo-parowego). Na świecie istnieją już instalacje IGCC wytwarzające elektryczność i ciepło w skojarzeniu. W większości są to jednak instalacje zgazowujące biomasę lub odpady. Dotychczas nie została jeszcze zbudowana żadna instalacja kogeneracyjna IGCC wykorzystująca węgiel kamienny jako jedyne paliwo dostarczane do gazyfikatora. Liczne kogeneracyjne układy IGCC zgazowujące biomasę, bądź inne paliwa stałe, są dowodem na to, że jest możliwa zarówno produkcja elektryczności jak i ciepła w takich układach. Można stwierdzić, że budowa takich układów w oparciu o zgazowanie węgla kamiennego jest również możliwa. W układach tych występuje także szereg potencjalnych miejsc poboru ciepła do ciepłownictwa (np. chłodzenie sprężarek). Tym bardziej warto pogłębiać dany temat, jeżeli warunki ekonomiczne i najbliższe otoczenie elektrociepłowni stwarzają możliwości do budowy wspomnianych układów. Należy oczekiwać, że wskaźnik

5 PES (Primary Energy Savings) będzie również dla układów kogeneracyjnych IGCC równie korzystny jak dla NGCC (Natural Gas Combined Cycle).