Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме

Кузнецов, Вадим Алексеевич

Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Кузнецов, Вадим Алексеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме»

Автореферат диссертации на тему "Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме"

УДК 66.011:533.9

Кузнецов Вадим Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ ПО ОБРАЩЕННОЙ СХЕМЕ

01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2011

4845437

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, академик РАН, Рутберг Филипп Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Коликов Виктор Андреевич

кандидат технических наук, Косогоров Сергей Леонидович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д.Ф.Устинова

Защита состоится 31 мая 2011 года в 15:30 на заседании диссертационного совета ДМ 002.131.01 Учреждения Российской академии наук Института электрофизики и электроэнергетики РАН по адресу: г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, тел. 315-17-57.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН. Автореферат разосланапреля 2011 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Киселев А.А.

I. Общая характеристика работы

Актуальность работы

Глобальный экономический рост и увеличение численности населения Земли приводит к обострению потребности в энергоресурсах и проблем загрязнения окружающей среды. Россия обладает одними из крупнейших запасов энергоресурсов в пересчете на душу населения, однако рост мировых цен на энергоресурсы влечет за собой и рост цен на внутреннем рынке из-за глобализации экономики. Кроме того, дальнейшее увеличение техногенной нагрузки на биосферу, по мнению специалистов, способствует глобальному потеплению, у которого могут быть серьезные последствия. Энергетическое использование ископаемых углеводородов приводит к росту концентрации углекислого газа в атмосфере, который является самым опасным парниковым газом. Еще одним техногенным источником углекислого газа являются пожары на свалках. Поэтому в настоящее время ведется изучение различных способов уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу Земли и переработки отходов.

Перспективными способами снижения потребности в ископаемых энергоресурсах и техногенной нагрузки на биосферу является повышение эффективности использования первичной энергии (для топлив - энергии сгорания) и вовлечение в энергобаланс потребления отходов и возобновляемых источников энергии (таких как биомасса).

Самым эффективным промышленным способом преобразования первичной энергии в электричество является комбинированный парогазовый цикл. Этот процесс использует только газообразное топливо, поэтому для получения электроэнергии из твердых топлив их необходимо предварительно газифицировать, превратив в синтез-газ - смесь, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода. Это позволяет увеличить эффективность использования первичной энергии твердых топлив по сравнению с процессом прямого сжигания с использованием парового цикла. Кроме того, получаемый при газификации синтез-газ может быть сырьем для производства жидких топлив, водорода и других веществ химико-технологического назначения.

синтиез-газ загрезняется баластными примесями и вредными веществами, что снижает эффективность его дальнейшего использования. Применение низкотемпературной плазмы для аллотермической газификации позволяет получать чистый синтез-газ с пониженным содержанием примесей.

Наиболее эффективным устройством для получения низкотемпературной плазмы в промышленных масштабах являются плазмотроны переменного тока большой мощности, так как их системы питания позволяют избежать активных потерь при работе плазмотрона и могут быть собраны из стандартного оборудования. Кроме того, плазмотроны переменного тока просты в изготовлении.

Переработка древесной биомассы - наиболее перспективное направление развития технологий плазменной газификации, так как Россия обладает одними из самых крупных лесных ресурсов в пересчете на душу населения, а древесина является экологически чистым возобновляемым источником энергии и обладает низким содержанием неорганических составляющих.

Объект и предмет исследования

Объектами исследования диссертационной работы являются обобщенные схемы плазменных газификаторов, процесс плазменной газификации, экспериментальная установка и плазмотроны переменного тока, использующиеся для плазменной газификации.

Предметом исследования диссертационной работы являются основные параметры плазменной газификации, организация подачи плазмы в плазменный газификатор, а также процессы теплообмена и параметры электрической дуги в разрядных каналах плазмотронов.

Цель работы

— Поиск наиболее эффективного способа подачи плазмы в плазменный газификатор.

— Изучение влияния состава сырья на основные параметры плазменной газификации.

— Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров и вида плазмообразующего газа на процесс плазменной газификации биомассы.

— Создание программы для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотронов переменного тока на режимах, оптимальных для плазменной газификации биомассы, с целью оптимизации их конструкций.

Методы исследований

Использовались методы теоретического анализа, расчетного и экспериментального моделирования. Применялась программа для расчета равновесного состава продуктов газификации и плазмы. Измерительное оборудование включало в себя: термоэлектрические преобразователи температуры, счетчики газа, ротаметры, датчики давления, времяпролетный масс-спектрометр, первичные датчики токов и напряжений.

Научная новизна

— Исследована проблема перспективности использования различных видов сырья для плазменной газификации. Эффективность получения электроэнергии из сырья с использованием плазменной газификации увеличивается с ростом содержания водорода в сырье при постоянном содержании кислорода (если эффективность получения электрической энергии из синтез-газа выше 44 %). Эффективность плазменной газификации увеличивается с ростом температуры процесса.

— Изучено влияние вида плазмообразующего газа и влажности древесной биомассы на основные параметры процесса плазменной газификации. Воздушная плазма, полученная в плазмотронах переменного тока, является наиболее перспективным окислителем для газификации древесной биомассы с влажностью 0-30 %. При воздушноплазменной газификации удельные выходы химической и тепловой энергий линейно зависят от влажности древесной биомассы.

— Создана программа для расчета процессов теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока в широком диапазоне параметров его работы, позволяющая оптимизировать режимы работы плазмотронов для плазменных газификаторов биомассы. Создана программа для оценки величины теплопотерь при течении воздушной плазмы в цилиндрических каналах плазмотронов переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы. Программа дает завышенную оценку теплопотерь, ее точность уменьшается с увеличением среднемассовой температуры (расчетные значения КПД плазмотронов отличаются от экспериментальных на 1-10% в диапазоне удельного среднемассового вклада энергии в плазму -2-5 МДж/кг). Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур

2500-10000 К. Потери энергии связанные с излучением не превышают ~1 % от мощности, выделяющейся в дуге. Установлено, что при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, вклад диссоциации кислорода в теплопроводность оказывает существенное влияние на результаты моделирования при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму более 4МДж/кг. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

— Проведено экспериментальное исследование газификации древесной биомассы с влажностью 20 % воздушной плазмой. Использование воздушной плазмы вместо холодного воздуха позволяет увеличить эффективность (в -1,4-1,8 раз) и производительность (в -1,6-2,1 раза) газификатора. Достигнуты режимы, на которых с 1 кг древесины получено -13,5-14,8 МДж химической и -2,8-3,1 МДж/кг тепловой энергии при энергозатратах -2,1-3,1 МДж/кг. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

Практическая ценность

На основе теоретических исследований схем плазменной газификации разработаны рекомендации по организации подачи плазмы в газификатор. Выявлены наиболее перспективные виды сырья для энергетики на основе плазменной газификации и комбинированного цикла, даны общие рекомендации по выбору сырья. Получены результаты расчетного моделирования процесса плазменной газификации древесной биомассы различными окислителями. Показано, что для газификации древесной биомассы оптимальным окислителем является воздушная плазма. Создана программа для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций. Выполнено экспериментальное исследование

воздушноплазменной газификации древесной биомассы, результаты которого удовлетворительно согласуются с расчетными оценками. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании промышленных установок для плазменной газификации древесной биомассы.

Личный вклад автора

— Участие в анализе эффективности использования энергии плазмы в процессе газификации для различных схем организации движения материальных потоков.

— Расчеты основных параметров плазменной газификации в зависимости от параметров сырья и вида плазмообразующего газа и анализ результатов этих расчетов.

— Участие в создании программы для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотронов переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций.

— Участие в проведении опытов по воздушноплазменной газификации древесной биомассы. Обработка экспериментальных данных и анализ результатов эксперимента. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений.

Основные положения выносимые на защиту

— Обоснована перспективность воздушно плазменной газификации древесной биомассы для нужд энергетики в обращенном и комбинированном процессах газификации.

— Созданы методики для оценки основных параметров плазменной газификации и для анализа экспериментальных данных.

— Создана программа для оценки величины теплопотерь при течении воздушной плазмы в цилиндрических каналах плазмотронов переменного тока, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций, в том числе на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы.

— Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур 2500-10000 К.

— Результаты экспериментального исследования газификации древесины с влажностью 20 % воздушной плазмой и согласованность этих результатов с расчетными значениями.

Апробация работы и научные публикации

По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:

1. The 34th IEEE International Conference on Plasma Science, June 17-22, 2007 2007, Albuquerque, New Mexico, USA.

2. Всероссийская (с международным участием) конференция "Физика низкотемпературной плазмы - 2007", 24-28 июня 2007, г. Петрозаводск, Россия.

3. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, July 15-20,

2007, Prague, Czech Republic.

4. 10th High-Tech Plasma Processes Conference, July 7-11, 2008, Patras, Greece.

5. V Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, 3-8 Сентября 2008, г. Иваново, Россия.

6. Всероссийская XII Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 23-27 ноября 2008, г. Звенигород, Россия.

7. Международная научно-техническая конференция по вопросам энергоэффективности "Энергоэффективность-2008", 6-8 октября 2008, г. Киев, Украина.

8. European Materials Research Society 2009 Spring Meeting, June 8-12, 2009, Strasbourg, France.

9. 11th High-Tech Plasma Processes Conference, from June 27 to July 2, 2010, Brussels, Belgium.

10. European Materials Research Society 2010 Fall Meeting, September 13-17, 2010, Warsaw, Poland.

11. Международная научно-техническая конференция "Энергоэффективность-2010", 19-21 октября 2010, г. Киев, Украина.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 132 страницах, содержит 16 таблиц, 41 рисунок и список литературы, включающий 143 наименования.

II. Содержание работы

Из выполненного обзора следует, что работы по плазменной конверсии газообразных углеводородов представлены довольно широко. Основные параметры процессов конверсии изучаются численно (в равновесном и кинетическом приближениях) и экспериментально. Изучается воздействие различных типов плазмы и разряда на перерабатываемое сырье. Результативность использования неравновесной плазмы сильно зависит от типа плазмы и величины переносимой ею энергии. Если необходимые энергозатраты на осуществление процесса значительны, то использование неравновесной плазмы приводит к их увеличению по сравнению с использованием

термической плазмы.

Большинство рассмотренных работ по плазменной газификации твердых топлив посвящено газификации углей и переработке отходов. В качестве окислителя для углей используется воздушная и паровая плазма. Причем величины энергозатрат существенно разнятся (в некоторых случаях величины энергозатрат на воздушноплазменную газификацию превышают затраты на пароплазменную). Для переработки отходов используется пиролиз на расплаве или плазменная газификация кислородом, воздухом или водяным паром. В частности, в ИЭЭ РАН проводились исследования плазменной газификации твердых бытовых отходов, RDF и древесины.

Суммарный выход водорода и монооксида углерода при плазменной газификации кокса достигает своего максимума при 1400 К, а степень газификации кокса достигает 100 % при температуре: 1000 К при использовании воздушной среды и 1050 К - паровой. Так как, это установлено только для частного случая, в диссертационной работе было принято сопоставлять все параметры плазменной газификации при температуре 1500 К.

Из обзора публикаций по данному вопросу следует, что зависимости параметров процесса плазменной газификации твердых топлив от удельного расхода окислителей и параметров этих топлив изучены недостаточно. Кроме того, не рассматривается влияние основных параметров плазменной газификации на основные параметры процесса, для которого используется получаемый синтез-газ. То есть, задача поиска наиболее эффективного способа использования плазмы для заданного сырья не решена.

При рассмотрении промышленных проектов было установлено, что большинство установок предлагаемых на рынке используют технологию жидкого шлакоудаления и схему движения материальных потоков аналогичную прямому процессу, несмотря на то, что для прямого процесса характерно получение синтез-газа загрязненного продуктами низкотемпературного пиролиза, а поддержание расплава в жидком состоянии требует значительных энергозатрат. Во всех технологических схемах получаемый синтез-газ подвергается дополнительной очистке (даже после так называемой плазменной полировки).

Таким образом, при исследовании воздушно-плазменной газификации биомассы наряду с другими важными проблемами, следует изучить эффективность использования энергии плазмы в различных схемах организации движения материальных потоков и преимущества применения

плазменных технологий для газификации; сравнить характеристики различных видов сырья и перспективность их использования для плазменной газификации; определить влияние параметров плазмы и влажности сырья на эффективность его энергетического использования; исследовать эффективность получения плазмы в плазмотронах переменного тока; экспериментально подтвердить применимость сделанных в расчетных оценках допущений.

Во второй главе проводится теоретический анализ процесса плазменной газификации.

Повышенное содержание воды и неорганической компоненты приводит к пропорциональному снижению теплоты сгорания сырья и росту энергозатрат на его газификацию. Негативное воздействие воды больше чем у шлака, так как обычно теплоемкость шлака в два раза ниже, чем у пара, а температура фазового перехода основных его составляющих либо выше, либо на уровне температуры процесса. Однако, плавление шлака приводит к замедлению гетерогенных реакций.

Увеличение содержания летучих компонентов в сырье увеличивает его реакционную способность, а рост содержания углерода - снижает, так как скорости газофазных реакций значительно больше, чем гетерогенных.

Традиционные схемы организации движения материальных потоков при газификации могут быть использованы для плазменного процесса с учетом его особенностей.

а)

■

Сырье #

б)

Сырье"

в)

ПИРОЛИЗ

. •

тмспаж

4 щ

ПИРОЛИЗ «

ОКИСЛЕНИЕ г > Ф

¡■•к 1 1-\: 14 1 • :: в

0 [5] ф

пиролиз

Е'Мк Н.НИЕ ВОСС ГАНОШЁНИЕ 1ф ОКИСЛЕНИЕ

Рисунок 1. Основные схемы газификации твердых топлив с использованием плазмы: а - прямой процесс; б - обращенный процесс; в — комбинированный метод; г - поперечный процесс; д - газификация в потоке.

В прямом процессе ввод плазмы вместо «холодного» окислителя одновременно со снижением его расхода приводит к росту температуры в точке ввода окислителя и снижению содержания негорючих примесей в продуктах восстановления. Газообразные продукты пиролиза не проходят через зону ввода плазмы, поэтому полученный синтез-газ будет загрязнен смолами.

В обращенном процессе ввод энергии с плазмой за счет повышения температуры позволяет интенсифицировать восстановительные реакции и повысить степень конверсии смол и мелких фракций сырья, находящихся во взвешенном состоянии. Это приведет к увеличению удельного выхода химической энергии и снижению содержания негорючих компонентов в синтез-газе. Использование плазмы в обращенном процессе может позволить получать синтез-газ, не содержащий балластных примесей (N2, СО2, Н20).

Комбинированный процесс отличается от обращенного дополнительной (нижней) точкой ввода плазмы. Подача плазмы в эту точку позволяет повысить температурный уровень в реакторе и глубину превращения сырья.

Использование плазмы в поперечной схеме приводит к усилению асимметрии поля температуры, снижению содержания балластных примесей в синтез-газе и увеличению степени конверсии смол. Так как смолы не проходят через высокотемпературную зону их глубокая конверсия невозможна.

Применение плазмы при газификации в потоке позволяет увеличить глубину превращения сырья за счет повышения температур. Однако, достижение высоких степеней конверсии сырья затрудняется ограниченностью его времени пребывания в реакторе.

При газификации в псевдоожиженном слое энергия плазмы будет быстро распределяться по слою благодаря интенсивному перемешиванию. Однако, перемешивание затрудняет разложение продуктов пиролиза из-за миграции полукоксующихся кусков сырья в более холодные зоны реактора.

Увеличение давления в 40 раз при 1500 К приводит к росту скорости реакции восстановления С02 на углероде в -5,3 раза, а при увеличении температуры с 1500 К до 1900 К она возрастает в -7,8 раза при давлении -0,1 МПа. Энергозатраты на повышение давления и температуры составляют -1,6 и -0,5 МДж/кг, соответственно. То есть, использование плазмы для повышения производительности в -4,7 раза эффективнее увеличения давления.

Расчеты показывают, что если для газификации древесных отходов с влажностью 20 % использовать воздушную плазму с теплосодержанием 1-9 МДж/кг вместо холодного воздуха, то доля негорючих компонентов в

составе синтез-газа уменьшится до 23,2-61,0%, затраты энергии на нагрев продуктов газификации до температуры процесса сократятся на 17,4-46,5 %, а удельный выход химической энергии возрастет на 39,7-106%. Это позволит увеличить производительность на 18,4-72,5 %.

Использование плазменного дутья в обращенном и комбинированном процессах (при условии подачи основного потока плазмы в верхнюю точку ввода) позволяет увеличить температуру, скорости физико-химических превращений, степень конверсии топлива, время пребывания газов в реакционном объеме, содержание водорода и монооксида углерода в синтез-газе, теплонапряженность реакционного объема и удельную производительность.

В третьей главе выполняется поиск наиболее перспективного сырья для плазменной газификации.

По данным об элементном составе, зольности, влажности и теплоте сгорания сырья оценены потенциально достижимые параметры плазменной газификации.

Дифференциальный анализ зависимости параметров плазменной газификации от содержания углерода, водорода и кислорода в условном сырье, теплота сгорания которого определяется по формуле Менделеева, показал, что эффективность получения электроэнергии из сырья с использованием плазменной газификации увеличивается с ростом содержания водорода в сырье при постоянном содержании кислорода (если эффективность получения электрической энергии из синтез-газа выше -44 %).

Для оценок основных параметров плазменной газификации использовалось уравнение баланса энергии (1).

шу+Е^к.-с^-^-т^+д^+Сп.^Щт^-н^)) (1)

где, ЬНУ- низшая теплота сгорания сырья (Дж/кг); м>\ - массовая доля золы в сырье (кг/кг); срЛ - удельная теплоемкость золы (Дж/кгхК); Т2 - температура процесса (К); Т\ - начальная температура (К); Qí.h - удельный выход химической энергии (Дж/кг); Ст - удельный выход продуктов газификации (кг/кг); м?, - массовая доля ¡-го составляющего влажного синтез-газа (кг/кг); /г, -энтальпия ¡-го составляющего влажного синтез-газа (Дж/кг), п - число компонентов влажного синтез-газа.

Показано, что эффективность воздушноплазменной газификации (по сравнению с автотермической) увеличивается с ростом температуры процесса

(см. рис. 2).

Для стехиометрической газификации (весь кислород окислителя и сырья расходуется на однократное окисление всего углерода окислителя и сырья) воздушной плазмой 1 кг древесины с влажностью 12-20 % расход воздуха составляет порядка 0,038-0,395 кг, энергозатраты - 6,57-5,90 МДж, а выход химической энергии в синтез-газе - 17,85-18,46 МДж. При использовании синтез-газа в комбинированном цикле удельный выход электроэнергии будет порядка 4,14-5,18 МДж/кг (против 3,48-3,91 МДж/кг для процесса на основе сжигания древесины и парового цикла).

2,1 2,0 1,9

•о

& 1.7 О

1,6 1.5 1.4 1.3

Рисунок 2. Зависимость частной производной удельного выхода химической энергии по энергозатратам для воздушно-плазменной газификации от температуры процесса (при окислении вводимым воздухом Нг и СО).

В четвертой главе выполняется расчетное моделирование плазменной газификации.

Состав дутьевых газов, удельные энергозатраты и влажность древесины оказывают значительное влияние на связь между составом и энергетической стоимостью синтез-газа, которые определяют перспективность плазменной газификации.

С увеличением теплосодержания плазмы возрастает удельный выход

Температура процесса (К)

химической энергии, содержание Нг и СО в синтез-газе, снижается удельный выход балластных газов. Это приводит к росту эффективности получения электроэнергии в комбинированном цикле, так как она зависит от адиабатной температуры сгорания используемого газа.

1 2 3 4 5 6 Энергозатраты (МДж/кг)

Рисунок 3. Воздушноплазменная газификация древесины.

Энергозатраты (МДж/кг)

Рисунок 4. Газификация древесины различными видами плазмы.

в; г

2 4 6 8 10 12

Энергозатраты (МДж/кг)

Рисунок 5. Получение электроэнергии из древесины при ее газификации различными видами плазмы.

1 2 3 4 5 6

Энергозатраты (МДж/кг)

Рисунок 6. Получение электроэнергии из древесины при ее воздушноплазменной газификации.

Наиболее подходящим окислителем для плазменной газификации древесных отходов является воздух, так как на 1 МДж введенной с плазмой энергии выход химической энергии синтез-газа увеличивается на ~1,55 МДж. Удельные выходы химической и тепловой энергии при

воздушноплазменной газификации линейно зависят от энергозатрат и влажности.

Максимальная эффективность получения электроэнергии из древесины с влажностью 0-30 % в системе на основе плазменной газификации и комбинированного цикла достигается при использовании плазмы с теплосодержанием более 0,89-2,25 МДж/кг.

В пятой главе описывается способ и представляются результаты расчета теплообмена в разрядных каналах плазмотронов переменного тока. Оценивается влияние эрозии медных электродов на концентрацию электронов.

Наличие меди в потоке воздушной плазмы не оказывает существенного влияния на величины теплопроводности и вязкости, так как ее содержание мало по сравнению с другими компонентами.

Рисунок 7. Фотографии однофазного (а) и трехфазного (б) высоковольтных плазмотронов переменного тока со стержневыми электродами.

■& 62 СО

Рисунок 8. Концентрации основных заряженных частиц в равновесной воздушной плазме с примесью меди 10,00 мг/кг.

2 3 4 5 6

Удельный вклад энергии (МДж/кг)

Рисунок 9. КПД плазмотрона: ехр -эксперимент; 1 и 2 - расчеты без учета и с учетом диссоциативного вклада в теплопроводность соответственно.

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Температура (К)

В воздушной плазме с примесью меди основной вклад в ее проводимость обеспечивают электроны, полученные за счет ионизации частиц Си, N0, О и N. Из них основными источниками электронов являются Си, N0 и N.

Наличие меди в воздушной плазме сказывается на проводимости плазмы при температурах меньше 2500 К за счет низкого потенциала ионизации меди (Си -7,79 эВ, N0 -9,32 эВ, О -13,68 эВ, N -14,61 эВ). В диапазоне температур от 2500-7000 К основным источником электронов проводимости является монооксид азота, а при температурах выше 8000 К - атомарные азот и кислород.

Величины теплопотерь рассчитанные по разработанной модели получаются несколько больше чем измеренные в экспериментах. Потери энергии связанные с излучением не превышают -1 % от мощности, выделяющейся в дуге. Вклад диссоциации кислорода в теплопроводность оказывает существенное влияние на результаты моделирования при удельном среднемассовом вкладе энергии в воздушную плазму более 4 МДж/кг. Рассчитанные значения эффективности отличаются от экспериментальных на -1-10 % в диапазоне 2-5 МДж/кг среднемассового удельного вклада энергии для трех типов плазмотронов разной мощности.

Различие между экспериментальными данными и расчетными величинами связанно с тем, что не учтены потери в электроды, не учитывается влияние на теплообмен зоны замыкания дуг за торцом плазмотрона. Учет потерь энергии через электроды приведет к увеличению расчетных потерь энергии. Если учесть наличие участка дуги за пределами каналов плазмотрона, то общая длина дуги увеличится. Следовательно, количество энергии, выделяющейся в каналах, и средняя температура плазмы в каналах снизятся. Это приведет к снижению интенсивности теплообмена в каналах. Если снижение теплового потока в каналах окажется больше чем интенсивность теплообмена через торец плазмотрона, то учет влияния зоны замыкания дуг может привести к снижению расчетных теплопотерь.

С увеличением средней температуры течения точность моделирования уменьшается. Таким образом, модель применима для грубых оценок влияния геометрических, расходных и мощностных параметров работы плазмотрона на его эффективность при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму менее 4 МДж/кг.

В шестой главе представлены результаты экспериментов по плазменной газификации древесной биомассы.

20 40 60 80 100 120 140 Время (мин)

Рисунок 11. Температуры: Teq -равновесная; TW(X) - на стенке в зоне

восстановления, X - расстояние от точки ввода плазмы (см); Т011, - синтез-газа на выходе из реактора.

20 40 60 80 100 120 140 Время (мин)

Рисунок 12. Состав сухого синтез-газа на выходе из реактора.

Опыты по воздушно-плазменной газификации древесины проводились на экспериментальной установке ИЭЭ РАН.

Первичный разогрев реактора осуществлялся посредством плазменной газификации древесного угля (загружаемого периодически) в течение 9-10 ч. За это время было израсходовано 300-340 кг древесного угля с теплотой сгорания ~30 МДж/кг. С плазмой за это время подводилось ~2,4 ГДж энергии.

Рисунок 10. Схема экспериментальной установки для плазменной газификации: 1- реактор; 2- плазмотрон; 3- дожигатель; 5- система очистки.

1200 1150 О 1100 g 1050 Í5 1000 § 950 н 900 850

Во время экспериментов осуществлялся непрерывный мониторинг состава

сухого синтез-газа на выходе из газификатора. Регистрировались температуры, давления и расходы дутьевых газов, а также электрические параметры работы генераторов плазмы.

На нескольких промежутках времени экспериментальные значения основных параметров процесса плазменной газификации древесины с влажностью 20 % были усреднены и сгруппированы в табл. 1, в которой также представлены результаты расчетов. Расчет произведен с использованием допущений о термодинамическом равновесии продуктов газификации, химической нейтральности неорганической части сырья и отсутствии теплопотерь.

Таблица 1. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

Режим I (эксп.) I (расч.) II (эксп.) II (расч.)

л н2 28,74 26,20 30,03 25,35

« й га и ю о со 27,03 26,37 25,39 29,26

й л О N2 36,75 38,11 35,49 38,01

и Я Аг 0,44 0,45 0,42 0,45

о С02 6,67 8,84 8,23 6,90

Уд. выход синтез-газа, м3/кг 2,386 2,303 2,396 2,243

Низ. тепл. сгорания, МДж/м3 5,967 5,645 5,905 5,896

ег Дерево 113,1 113,1 72,1 72,1

О X Воздух 152,5 152,5 94,4 94,4

я 2 Ш Сумма 265,6 265,6 166,5 166,5

Синтез-газ 239,1 241,4 152,6 149,3

# 1 о Вода 25,6 23,3 13,3 16,6

3 ё И Зола 0,9 0,9 0,6 0,6

Сумма 265,6 265,6 166,5 166,5

Доп. водород в сырье, % 0,965 0 0,768 0

ег Дерево 466,1 436,8 293,3 278,5

щ 5 ы о X Плазма 71,0 71,1 66,8 66,8

н ® щ Сумма 537,1 507,9 360,1 345,3

в4 „ я к Синтез-газ хим. 447,3 408,7 283,4 264,8

£ « и а ч Синтез-газ тепл. 85,1 86,6 50,7 68,6

а, Й V п * Вода 13Д 12,4 6,3 11,7

£0 И Зола 0,2 0,2 0,1 0,2

Сумма 545,7 507,9 340,5 345,3

¿> 3 На стенке (77 мм) 1138 - 993 -

я Р< 2 С О о На стенке (115 мм) 1043 - 911 -

н а На выходе 895 928 833 1166

Характерное время установления состояния, близкого к равновесному (отличия по концентрациям основных компонентов ~10 %), в газовой фазе для процессов конверсии углеводородов при температуре ~1500К составляет порядка 1-2 с. На рассмотренных режимах время пребывания газовой фазы в реакторе составляет ~0,53-0,93 с при температурах порядка 1322-1472 К. Также существенное влияние на состав синтез-газа может оказывать процесс паровой конверсии монооксида углерода. Этим объясняется расхождение между расчетными и экспериментальными данными по концентрациям водорода, монооксида и диоксида углерода, а также по выходу водяного пара. Отличия удельного выхода химической энергии в расчетных и экспериментальных данных, могут быть обусловлены погрешностью определения влажности сырья.

Если сравнивать экспериментально полученные производительности с производительностью газификатора работающего в автотермическом режиме при аналогичных температурах, то получится что производительность плазменного газификатора примерно в 1,6-2,1 раза выше. При этом удельный выход химической энергии синтез-газа для плазменной газификации будет в 1,4-1,8 раза выше.

Максимальное значение разности между суммарными входящим и исходящим потоками энергии составляет -20 кВт, в то время как расчетная величина теплопотерь в реакторе в стационарном режиме составляет 11-25 кВт (при температуре на внешней стенке 60-90 °С). То есть потери энергии плазмы во время ее перемещения из плазмотрона в шахту реактора (в стационарном режиме) составляют не более 9 кВт.

В экспериментах достигнуты режимы, на которых с 1 кг древесины (с влажностью -20 %) получено -13,5-14,8 МДж химической энергии при энергозатратах -2,1-3,1 МДж/кг. По оценкам, при использовании системы на основе плазменной газификации и комбинированного цикла удельный выход электроэнергии составит -5,7-6,8 МДж/кг, а эффективность преобразования первичной энергии древесины в электрическую составит -38,9-45,9 %.

Экспериментальные данные подтверждают обоснованность сделанных в расчетах допущений.

В заключении обобщаются основные результаты выполненных исследований.

III. Основные результаты работы

— Выполнен обзор литературы и рассмотрены проекты действующих

установок для плазменной газификации. Использование плазменных технологий для газификации и конверсии твердых и газообразных углеводородных материалов является перспективным. Для энергоемких процессов конверсии газообразных углеводородов и газификации твердого сырья применение термической плазмы эффективнее использования неравновесной плазмы. Процессы плазменной конверсии и газификации необходимо рассматривать с учетом потребностей технологий использования синтез-газа. Конструкция большинства промышленных установок не оптимальна.

— Произведен анализ основных способов организации движения материальных потоков. Энергия плазмы наиболее эффективно используется в обращенном и комбинированном процессах газификации.

— Исследована проблема перспективности использования различных материалов для плазменной газификации. Эффективность получения электроэнергии из сырья с использованием плазменной газификации увеличивается с ростом содержания водорода в сырье при постоянном содержании кислорода (если эффективность получения электрической энергии из синтез-газа выше ~44 %). Эффективность воздушноплазменной газификации (по сравнению с автотермической) увеличивается с ростом температуры процесса. Переработка древесной биомассы - наиболее перспективное направление развития технологий плазменной газификации, так как Россия обладает одними из самых крупных лесных ресурсов в пересчете на душу населения, а древесина является экологически чистым возобновляемым источником энергии и обладает низким содержанием неорганических составляющих.

— Изучено влияние вида плазмообразующего газа и влажности древесины на основные параметры процесса плазменной газификации и зависимость эффективности использования синтез-газа в технологиях получения электроэнергии и синтеза жидких топлив от этих параметров. С увеличением теплосодержания плазмы возрастает эффективность и удельная производительность газификации (с меньшими энергозатратами, по сравнению с методом повышения давления), увеличивается содержание Н: и СО в синтез-газе, снижается удельный выход балластных газов, возрастает эффективность получения электроэнергии и синтеза жидких топлив. Воздушная плазма с теплосодержанием 0,89-2,25 МДж/кг, полученная в плазмотронах переменного тока, является наиболее перспективным окислителем для газификации

древесных отходов с влажностью 0-30 %. Плазмотроны переменного тока позволяют получать плазму с теплосодержанием —2,3 МДж/кг и более с высокой эффективностью (90-95 %). Удельные выходы химической и тепловой энергии при воздушноплазменной газификации линейно зависят от энергозатрат и влажности. Эффективность использования древесной биомассы в системе на основе плазменной газификации и комбинированного цикла можно увеличить, если использовать часть промежуточных или конечных продуктов для сушки используемой древесины.

— Создана программа для расчета процессов теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока в широком диапазоне параметров его работы. Выполнена оценка теплопотерь в разрядных каналах плазмотрона на оптимальных для плазменной газификации биомассы режимах его работы. Программа дает завышенную оценку теплопотерь, ее точность уменьшается с увеличением среднемассовой температуры (расчетные значения КПД плазмотронов отличаются от экспериментальных на 1-10% в диапазоне удельного среднемассового вклада энергии в плазму -2-5 МДж/кг). По световому диаметру, который в основном соответствует токовому диаметру, и напряженности дуги можно определить ее температуру. Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур 2500-10000 К. Основной вклад в процесс передачи энергии дуги плазмообразующему газу вносит конвективный теплообмен. Потери энергии связанные с излучением не превышают -1 % от мощности, выделяющейся в дуге. Установлено, что при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, вклад диссоциации кислорода в теплопроводность оказывает существенное влияние на результаты моделирования при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму более 4 МДж/кг. Программа применима для грубых оценок влияния геометрических, расходных и мощностных параметров работы плазмотрона на его эффективность при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму менее 4 МДж/кг.

— Проведено экспериментальное исследование газификации древесины с влажностью 20 % воздушной плазмой. Использование воздушной плазмы вместо холодного воздуха позволяет увеличить эффективность (в ~1,4-1,8 раз) и производительность (в -1,6-2,1 раза) газификатора. Достигнуты режимы, на которых с 1кг древесины получено -13,5-14,8 МДж химической и -2,8-

3,1 МДж/кг тепловой энергии при энергозатратах ~2,1-3,1 МДж/кг, а удельные выходы электроэнергии и низкопотенциальной тепловой энергии могут составить 5,7-6,8 МДж/кг и 4,9-5,4 МДж/кг, соответственно. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

— На основании полученных данных технологию воздушно-плазменной газификации древесины следует считать перспективной для создания промышленных установок.

IV. Публикации по теме работы

Основной материал диссертации опубликован в 15 работах: 11 статей, 8 из которых 8 в рецензируемых изданиях, и 4 тезисов докладов.

1. Братцев А.Н., Кузнецов В.А., Овчинников Р.В., Попов В.Е., Уфимцев А.А., Штенгель С.В. Экспериментальная установка плазменной газификации твердой органики. Первые результаты. Перспективы применения / М-лы Всероссийской (с междунар. участием) конф. Физика низкотемпературной плазмы, 24-28 июня 2007 г. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2007. - Т. 1. - С.220-224.

2. Bratsev A.N., Glezin I.L., Kovshechnikov V.B., Kumkova I.I., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Experimental Research of Air Gasification of Waste. The first results / Proc. of XXVIII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, July 15-20, 2007. Prague: Publ. by Institute of Plasma Physics AS CR, Czech Republic, 2007. - P. 1848-1851.

3. Kuznetsov V.A., Bratsev A.N., Kovshechnikov V.B., Kumkova I.I., Popov V.E., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Distinctive features of biomass gasification using ac plasma generators working on air / Proc. of 2007 IEEE Pulsed Power Conf.. Madison: Publ. by Omnipress, WI USA, 2007. - P. 1223-1226.

4. Кузнецов В.А., Уфимцев A.A., Братцев A.H., Попов В.Е., Штенгель С.В. Об эффективности конверсии метана в плазме водяного пара / Сб. тр. V Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, 3-8 Сентября 2008 г. Иваново: ИГХТУ, 2008. - Т. 1 - С. 277-280.

5. Кузнецов В.А., Уфимцев А.А., Братцев А.Н., Попов В.Е., Штенгель С.В. Эффективные режимы конверсии метана в плазме водяного пара / Тез. XII Школы молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школы-семинара «Инновационные аспекты фундаментальных исследований», 23-27 ноября 2008 г. М.:ФИАН 2008. - С. 86-87.

6. Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel S.V.

Estimation of perspectivity of steam-plasma methane conversion // High temperature material processes. 2009. - Vol. 13. - № 2. - P. 241-246.

7. Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Rutberg A.Ph., Ufimtsev A.A., Shtengel S.V. Experimental development of methods on plasma gasification of coal as the basis for creation of liquid fuel technology // High temperature material processes. 2009. - Vol. 13. - № 2. - P. 147-154.

8. Bratsev A.N., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Kuznetsov V.A, Kumkova I.I. Plasma gasification of waste as a method of energy saving and reduction in C02 emission / Abstr. of European Materials Research Society 2009 conf., Spring Meeting, June 8-12,2009. Strasbourg, France, 2009. - P. 55-57.

9. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Kuznetsov V.A. Plasmachemical gasification as a method of deep processing of energy raw material / Abstr. of European Materials Research Society 2009 conf., Spring Meeting, June 812,2009. Strasbourg, France, 2009. - P. 59.

10. Кузнецов B.A., Рутберг Ф.Г., Братцев A.H., Попов В.Е., Уфимцев А.А., Штенгель С.В., Лернер А.С., Субботин Д.И. Газификация отработанных автомобильных шин воздушной и паровой плазмой / Тез. докл. межд. науч.-тех. конф. Энергоэффективность-2010, 19-21 октября 2010 г. Киев: Институт газа НАНУ, Украина, 2010. - С. 172-173.

11. Popov V.E., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Plasma gasification of waste as a method of energy saving // Journal of Physics: Conference Series. 2011. - Vol. 275.-012015.

12. Rutberg Ph.G., Kuznetsov V.A., Bratsev A.N., Popov V.E., Shtengel' S.V., Ufimtsev A.A. Use of carbon dioxide in the chemical synthesis technologies, plasma gasification and carbon production // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011.-Vol. 19-012003.

13. Bratsev A.N., Kumkova I.I., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Shtengel' S.V., Ufimtsev A.A. Air plasma gasification of RDF as a prospective method for reduction of carbon dioxide emission // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011.-Vol. 19-012004.

14. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel' S.V. On efficiency of plasma gasification of wood residues // Biomass and Bioenergy. 2011. - Vol. 35. - № 1. - P. 495-504.

15. Братцев A.H., Кузнецов В.А., Попов B.E., Уфимцев A.A. Плазменная газификация биомассы на примере отходов древесины // Теплофизика высоких температур. 2011. - Т. 49. - № 2. - С. 251-255.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 18.04.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 7485Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Кузнецов, Вадим Алексеевич

Часто используемые условные обозначения.

Введение.

1. Обзор работ и.промышленных проектов на тему плазменной газификации и конверсии.

1.1. Обзор публикаций.

1.2. Обзор некоторых промышленных проектов.

1.3. Выводы.

2. Технология плазменной газификации.

2.1. Влияние состава топлива на процесс газификации.

2.2. Организация движения материальных потоков.

2.3. Использование плазменного дутья в традиционных системах.

2.4. Основные преимущества процесса плазменной газификации.

2.5. Выводы.

3. Изучение сырья для плазменной газификации.

3.1. Оценка органических веществ как сырья для газификагщи.

3.2. Методика оценки перспективности некоторых распространенных видов сырья.

3.3. Отходы и возобновляемые ресурсы.

3.4. Легкодоступные ресурсы и продукты переработки отходов.

3.5. Ископаемые твердые топлива.

3.6. Выводы.

4. Расчетное моделирование процесса плазменной газификации древесных отходов.

4.1. Методика.

4.2. Выбор рабочего газа.

4.3. Влияние влажности древесины.

4.4. Выводы.

5. Оценка эффективности получения воздушной плазмы в плазмотронах переменного тока.

5.1. Плазмотроны переменного тока и их источники питания.

5.2. Экспериментальная установка для определения теплопотерь.

5.3. Методика расчета теплообмена в канале плазмотрона.

5.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными

5.5. Выводы.

6. Экспериментальное исследование воздушно-плазменной газификации древесины.

6.1. Описание экспериментальной установки.

6.2. Методика экспериментальных исследований.

6.3. Экспергшентальные результаты и их обсуждение.

6.4. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование воздушно-плазменной газификации биомассы по обращенной схеме"

Актуальность работы

Глобальный экономический рост и увеличение численности населения Земли приводит к обострению потребности в энергоресурсах и проблем загрязнения окружающей среды. Россия обладает одними из крупнейших запасов энергоресурсов в пересчете на душу населения, однако рост мировых цен на. энергоресурсы влечет за собой и рост цен на внутреннем рынке из-за глобализации экономики. Кроме того, дальнейшее увеличение техногенной нагрузки на биосферу, по мнению специалистов, способствует глобальному потеплению, у которого могут быть серьезные последствия. Энергетическое-использование ископаемых углеводородов приводит к росту концентрации углекислого газа в атмосфере, который является самым опасным парниковым газом. Еще одним техногенным источником углекислого газа являются пожары на свалках. Поэтому в настоящее время ведется изучение различных способов уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу Земли [1,2] и переработки отходов.

Перспективными способами снижения потребности в ископаемых энергоресурсах и техногенной нагрузки на биосферу является повышение эффективности использования первичной энергии (для топлив — энергии сгорания) и вовлечение в энергобаланс потребления отходов и возобновляемых источников энергии (таких как биомасса).

Самым эффективным промышленным способом преобразования первичной энергии в электричество является комбинированный парогазовый цикл. Этот процесс использует только газообразное топливо, поэтому для получения электроэнергии из твердых топлив их необходимо предварительно газифицировать, превратив в синтез-газ — смесь, состоящую в основном из водорода и монооксида углерода. Это позволяет увеличить эффективность использования первичной энергии твердых топлив по сравнению с процессом прямого сжигания с использованием парового цикла. Кроме того, получаемый при газификации синтез-газ может быть сырьем для производства жидких топлив, водорода и других веществ химико-технологического назначения.

Процессы газификации различают по способу подвода энергии на автотермический и аллотермический. В автотермическом процессе тепловая энергия для достижения необходимого температурного уровня поступает от сгорания части сырья, а в аллотермическом — подводится извне. В автотемическом процессе из-за низких температур и сжигания части топлива синтиез-газ загрезняется баластными примесями и вредными веществами, что снижает эффективность его дальнейшего использования. Применение низкотемпературной плазмы для аллотермической газификации позволяет получать чистый синтез-газ с пониженным содержанием примесей.

Переработка древесной, биомассы - наиболее перспективное направление развитияV технологий плазменной газификации, так как Россия обладает одними из самых крупных лесных ресурсов1 в пересчете на душу населения, а древесина является экологически чистым возобновляемым источником энергии и обладает низким содержанием неорганических составляющих.

Объект и предмет исследования'

Объектами исследования диссертационной работы являются обобщенные схемы плазменных газификаторов, процесс плазменной газификации, экспериментальная установка и плазмотроны переменного* тока, использующиеся для плазменной газификации.

Предметом исследования диссертационной работы являются основные параметры плазменной газификации, организация подачи плазмы в плазменный- газификатор, а также процессы теплообмена и параметры электрической дуги в разрядных каналах плазмотронов.

Цель работы

Поиск наиболее эффективного способа подачи плазмы в плазменный газификатор.

Изучение влияния состава сырья на основные параметры плазменной газификации.

Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров и вида плазмообразующего газа на процесс плазменной газификации биомассы.

Создание программы для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотронов переменного тока на режимах, оптимальных для плазменной» газификации биомассы, с целью оптимизации их конструкций.

Методы исследований

Научная новизна

Исследована проблема перспективности использования различных видов сырья для плазменной газификации. Эффективность получения электроэнергии . из сырья с использованием плазменной газификации увеличивается с ростом содержания водорода в сырье при постоянном содержании кислорода (если эффективность получения электрической энергии из синтез-газа выше 44 %). Эффективность плазменной газификации увеличивается с ростом температуры процесса. Изучено влияние вида плазмообразующего газа и влажности древесной биомассы на основные параметры процесса плазменной газификации. Воздушная плазма, полученная в плазмотронах переменного тока, является наиболее перспективным окислителем для газификации древесной биомассы с влажностью 0-30 %. При воздушноплазменной газификации удельные выходы химической и тепловой энергий линейно зависят от влажности древесной биомассы.

Создана- программа для расчета процессов теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока в широком диапазоне параметров его работы, позволяющая оптимизировать режимы работы плазмотронов для плазменных газификаторов биомассы. Создана программа для оценки величины теплопотерь при течении воздушной плазмы в цилиндрических каналах плазмотронов переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы. Программа дает завышенную оценку теплопотерь, ее точность уменьшается с увеличением среднемассовой температуры (расчетные значения КПД плазмотронов отличаются от экспериментальных на 1-10% в диапазоне удельного среднемассового вклада энергии в плазму —2-5 МДж/кг). Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур 2500-10000 К. Потери энергии связанные с излучением не превышают ~1 % от мощности, выделяющейся в дуге. Установлено, что при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, вклад диссоциации кислорода в теплопроводность оказывает существенное влияние на результаты моделирования при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму более 4 МДж/кг. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

Проведено экспериментальное исследование газификации древесной биомассы с влажностью 20 % воздушной плазмой. Использование воздушной плазмы вместо холодного воздуха позволяет увеличить эффективность (в -1,4-1,8 раз) и производительность (в -1,6-2,1 раза) газификатора. Достигнуты режимы, на которых с 1 кг древесины получено —13,5-14,8 МДж химической и —2,8-3,1 МДж тепловой энергии при энергозатратах —2,1-3,1 МДж/кг. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

Практическая ценность

На основе теоретических исследований схем плазменной газификации разработаны рекомендации по организации подачи плазмы в газификатор. Выявлены наиболее перспективные виды, сырья для энергетики на основе г плазменной газификации- и комбинированного цикла, даны общие рекомендации по выбору сырья. Получены результаты расчетного моделирования процесса плазменной газификации древесной биомассы различными окислителями. Показано, что для газификации древесной биомассы оптимальным окислителем является воздушная плазма. Создана программа для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций. Выполнено экспериментальное исследование воздушноплазменноЙ газификации древесной биомассы, результаты которого удовлетворительно согласуются с расчетными оценками. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании промышленных установок для плазменной газификации древесной биомассы.

Личный вклад автора

Участие в анализе эффективности использования энергии плазмы в процессе газификации для различных схем организации движения материальных потоков.

Расчеты основных параметров плазменной газификации в зависимости от параметров сырья и вида плазмообразующего газа и анализ результатов этих расчетов.

Участие в создании программы для расчета теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотронов переменного тока на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций.

Участие в проведении опытов по воздушноплазменноЙ газификации древесной биомассы. Обработка экспериментальных данных и анализ результатов эксперимента. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений.

Основные положения выносимые на защиту

Обоснована перспективность воздушно плазменной газификации древесной биомассы для нужд энергетики в обращенном и комбинированном процессах газификации.

Созданы методики для оценки основных параметров плазменной газификации и для анализа экспериментальных данных.

Создана программа для оценки величины теплопотерь при течении воздушной плазмы в цилиндрических каналах плазмотронов переменного тока, которая позволяет выполнять оптимизацию их конструкций, в том числе на режимах оптимальных для плазменной газификации биомассы.

Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур 2500-10000*К.

Результаты экспериментального исследования газификации древесины с влажностью 20 % воздушной плазмой и согласованность этих результатов с расчетными значениями.

Апробация работы и научные публикации

По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:

1. The 34th IEEE International Conference on Plasma Science, June 17-22, 2007 2007, Albuquerque, New Mexico, USA (34-я Международная конференция науки о плазме на базе Института инженеров по электротехнике и электронике, 17-22 июня, 2007, Альбукерке, Нью-Мексико, США).

3. XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, July 15-20, 2007, Prague, Czech Republic (28-я Международная конференция по явлениям в ионизованных газах, 15-20 июля, 2007, Прага, Чехия).

4. 10th High-Tech Plasma Processes Conference, July 7-11, 2008, Patras, Greece (10-я международная конференция по Высокотехнологичным плазменным процессам, 7-11 июля, 2008, Патры, Греческая Республика).

5. V Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, 3-8 Сентября 2008, г. Иваново, Россия.

6. Всероссийская XII Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 23-27 ноября 2008, г. Звенигород, Россия.

8. European Materials Research Society 2009 Spring Meeting, June 8-12, 2009, Strasbourg, France (Международная конференция Европейского общества по исследованиям материалов 2009 весенний съезд, 8-12 июня,

2009, Страсбург, Франция).

9. 1 Ith High-Tech Plasma Processes Conference, from June 27 to July 2, 2010, Brussels, Belgium (11-я международная конференция по Высокотехнологичным плазменным процессам, с 27 июня по 2 июля,

2010, Брюссель, Бельгия).

10. European Materials Research Society 2010 Fall Meeting, September 13-17,

2010, Warsaw, Poland (Международная конференция Европейского общества по исследованиям материалов 2009 осенний съезд, 13-17 сентября, 2010, Варшава, Польша). 11. Международная научно-техническая конференция

Энергоэффективность-2010", 19-21 октября. 2010, г. Киев, Украина.

Публикации

Основной материал диссертации опубликован в 15 работах: 11 статей, 8 из которых в рецензируемых изданиях, и 4 тезисов-докладов. Статьи, в рецензируемых изданиях:

1. Bratsev A.N., Glezin I.L., Kovsheclmikov V.B., Kumkova I.I., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Shtengel S:V., Ufimtsev A.A. Experimental Research of Air Gasification of Waste. The first results / Proc. of XXVIII Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, July 15-20, 2007. Prague: Publ. by Institute of Plasma Physics AS CR, Czech Republic, 2007. - P. 1848-1851.

2. Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel S.V. Estimation of perspectivity of steam-plasma methane conversion // High temperature material processes. 2009. - Vol. 13. — № 2'. - P. 241-246.

3. Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Rutberg A.Ph., Ufimtsev A.A., Shtengel S.V. Experimental development of methods on plasma, gasification of coal as the basis for creation of liquid fuel technology // High temperature material processes. 2009.-Vol. 13.-№2.-РГ 147-154.

4. Popov V.E., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Plasma gasification of waste as a method' of energy saving // Journal, of Physics: Conference Series. 2011. - Vol. 275. - 012015.

5. Rutberg Ph.G., Kuznetsov V.A., Bratsev A.N., Popov V.E., Shtengel' S.V., Ufimtsev A.A. Use of carbon dioxide in the chemical synthesis technologies, plasma gasification and carbon production // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011. — Vol. 19 - 012003.

6. Bratsev A.N., Kumkova I.I., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Shtengel1 S.V., Ufimtsev A.A. Air plasma gasification of RDF as a prospective method for reduction of carbon dioxide emission // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011. - Vol. 19 - 012004.

7. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel' S.V. On efficiency of plasma gasification of wood residues // Biomass and Bioenergy. 2011. - Vol. 35. -№ 1. - P. 495-504.

8. Братцев A.H., Кузнецов B.A., Попов B.E., Уфимцев A.A. Плазменная газификация биомассы на примере отходов древесины // Теплофизика высоких температур. 2011. - Т. 49. -№ 2. — С. 251-255.

Статьи в не рецензируемых изданиях: 1. Братцев А.Н., Кузнецов В.А., Овчинников Р.В., Попов В.Е., Уфимцев А.А., Штенгель С.В. Экспериментальная установка плазменной газификации твердой органики. Первые результаты. Перспективы применения / М-лы Всероссийской (с междунар. участием) конф. Физика низкотемпературной плазмы, 24.-28 июня 2007 г. Петрозаводск:

Изд-во ПетрГУ, 2007. - Т. 1. - С.220-224. 2. Kuznetsov V.A., Bratsev A.N., Kovshechnikov V.B., Kumkova I.I., Popov V.E., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Distinctive features of biomass gasification using ac plasma generators working on air / Proc. of 2007 IEEE Pulsed Power Conf. Madison: Publ. by Omnipress, WI USA, 2007. -P: 1223-1226.

3: Кузнецов B.A., Уфимцев A.A., Братцев A.H., Попов В.Е., Штенгель С.В. Об эффективности конверсии метана в плазме водяного пара / Сб. тр. V Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, 3-8 Сентября 2008 г. Иваново: ИГХТУ, 2008. — Т. 1 — С. 277-280. Тезисы докладов:

1. Кузнецов В.А., Уфимцев А.А., Братцев А.Н., Попов В.Е., Штенгель С.В. Эффективные режимы конверсии метана в плазме водяного пара / Тез. XII Школы молодых ученых "Актуальные проблемы физики" и II Школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований", 23-27 ноября 2008 г. М.:ФИАН 2008. - С. 86-87.

2. Bratsev A.N., Popov V.E., Ufimtsev А.А., Kuznetsov V.A, Kumkova I.I. Plasma gasification of waste as a method of energy saving and reduction in C02 emission / Abstr. of European Materials Research Society 2009 conf., Spring Meeting, June 8-12, 2009. Strasbourg, France, 2009. - P. 55-57.

3. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Kuznetsov V.A. Plasmachemical gasification as a method of deep processing of energy raw material / Abstr. of European Materials Research Society 2009 conf., Spring Meeting, June 8-12,2009. Strasbourg, France, 2009. - P. 59.

4. Кузнецов B.A., Рутберг Ф.Г., Братцев A.H., Попов В.Е., Уфимцев А.А., Штенгель С.В., Лернер А.С., Субботин Д.И. Газификация отработанных автомобильных шин воздушной и паровой плазмой / Тез. докл. межд. науч.-тех. конф. Энергоэффективность-2010, 19-21 октября 2010 г. Киев: Институт газа НАНУ, Украина, 2010. - С. 172-173.

Структура диссертации и краткая аннотация глав

Введение предшествует основному содержанию диссертационной работы, изложенному в шести главах (с выводами по каждой из них) и заключении, в конце работы представлен список цитируемой литературы.

В первой главе представлены обзор публикаций посвященных исследованию применения плазменных технологий в процессах газификации и конверсии и критический анализ проектов промышленных установок, которые были реализованы в виде демонстрационных или опытно-промышленных установок. В обзоре основное внимание уделяется величинам удельных энергозатрат и выхода продуктов в плазменном процессе, а также параметрам и типу используемой плазмы. При анализе основное внимание уделяется способу использования плазменных технологий в процессе газификации. На основании результатов обзора и анализа определяется направление исследований, результаты которых излагаются в последующих главах.

Во второй; главе проводится теоретический анализ процесса плазменной* газификации: Рассматривается влияние содержания в сырье влаги, летучих веществ* неорганической; компоненты» и: углеродного остатка на; процесс газификации. Анализируются различные: способы, организации- движениям материальных потоков; в? процессе плазменной? газификации: Оцениваются основные; преимущества? использования! плазменного- метода; Обосновывается выбор обращенной схемы для плазменной газификации.

В третьей главе выполняется поиск наиболее перспективного сырья,для: плазменной газификации. Проводится обобщенная оценка влияния вида: и; характеристик: сырья на основные параметры-; процесса: плазменной1 газификации. Обосновывается выбор древесной биомассы; в качестве сырья для плазменной газификации;

В четвертой главе выполняется расчетное моделирование плазменной> газификации. Изучается" влияние вида плазмообразующего газа и влажности древесной биомассы на' основные параметры плазменной газификации. Обосновывается использование воздушной плазмы и оцениваются оптимальные значения ее теплосодержания;

В а пятой главе описывается способ и представляются результаты расчета теплообмена: в разрядных каналах плазмотронов переменного тока; Оценивается влияние эрозии . медных электродов на концентрацию электронов. Результаты расчетов сравниваются- с опытными; данными. Обосновывается использование плазмотронов- переменного; тока для газификации древесной биомассы.

В шестой главе представлены результаты экспериментов по плазменной газификации; древесной биомассы. Опытные данные сравниваются? с расчетными значениями; Подтверждается обоснованность принятых^ в расчетных оценках допущений:

В заключении обобщаются основные результаты выполненных исследований.

Объем диссертации

Диссертационная работа1 изложена на 132 страницах, содержит 16 таблиц, 41 рисунок и список литературы, включающий 143 наименования.

Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"

6.4. Выводы'

Максимальное значение разности между суммарными входящим* и исходящим потоками энергии составляет —20 кВт, в то время как расчетная величина, теплопотерь в реакторе в стационарном режиме составляет 11-25 кВт (при температуре на внешней стенке 60-90 °С). То есть потери энергии плазмы во время ее перемещения из плазмотрона в шахту реактора (в стационарном режиме) составляют не более 9 кВт.

Использование воздушной плазмы вместо холодного воздуха позволяет увеличить эффективность (в - 1,4-1,8 раз) и производительность (в -1,6-2,1 раза) газификатора.

Газификация1 воздушной плазмой является наиболее простым, и-перспективным способом совершенствования технологии получения^ горючего газа, из древесных отходов для его энергетического использования.

В экспериментах достигнуты режимы, на которых с 1 кг древесины (с влажностью-20 %) получено —13,5-14,8 МДж химической энергии-при энергозатратах —2,1-3,1 МДж/кг. Соотношение выхода химической энергии и энергозатрат составляет -4,8-6,4.

По оценкам, при использовании системы на основе плазменной' газификации и комбинированного цикла удельный выход электроэнергии составит -5,7-6,8 МДж/кг, а эффективность преобразования первичной энергии древесины в электрическую составит -38,9-45,9 %. Удельный выход тепловой энергии составит 2,8-3,1 МДж/кг от синтез-газа, 4,9-5,4 МДж/кг от комбинированного цикла, что в целом-дает 8,0-8,3 МДж/кг.

Температура продуктов плазменной газификации составляет -800-900 °С и может достигать -1100-1300 °С (в зависимости от режима). В отличие от тепловой энергии полученной1 в комбинированном цикле, тепловая энергия продуктов газификации может быть использована, для получения электроэнергии в дополнительном паровом цикле.

Экспериментальные данные подтверждают обоснованность сделанных в расчетах допущений.

Заключение

Выполнен обзор литературы и рассмотрены проекты действующих установок для- плазменной газификации. Использование плазменных технологий для газификации и конверсии твердых и газообразных углеводородных материалов является перспективным. Для энергоемких процессов конверсии газообразных углеводородов и газификации твердого сырья применение термической плазмы эффективнее использования неравновесной плазмы. Процессы плазменной конверсии и газификации необходимо рассматривать с учетом потребностей технологий использования синтез-газа. Конструкция большинства промышленных установок не оптимальна.

Произведен анализ основных способов организации движения материальных потоков. Энергия плазмы наиболее эффективно используется в обращенном и комбинированном процессах газификации.

Исследована проблема перспективности использования различных материалов для плазменной газификации. Эффективность получения электроэнергии из сырья с использованием плазменной газификации увеличивается с ростом содержания водорода в сырье при постоянном содержании кислорода (если эффективность получения электрической энергии из синтез-газа выше -44 %). Эффективность воздушноплазменной газификации (по сравнению с автотермической) увеличивается с ростом температуры процесса. Переработка древесной биомассы - наиболее перспективное направление развития технологий плазменной газификации, так как Россия обладает одними из самых крупных лесных ресурсов в пересчете на душу населения, а древесина является экологически чистым возобновляемым источником энергии и обладает низким содержанием неорганических составляющих.

Изучено влияние вида плазмообразующего газа и влажности древесины на основные параметры процесса плазменной газификации и зависимость эффективности использования синтез-газа в технологиях получения электроэнергии и синтеза жидких топлив от этих параметров. С увеличением теплосодержания плазмы возрастает эффективность и удельная производительность газификации (с меньшими энергозатратами, по сравнению с методом повышения давления), увеличивается содержание Н2 и СО в синтез-газе, снижается удельный выход балластных газов, возрастает эффективность получения электроэнергии и синтеза жидких топлив. Воздушная плазма с теплосодержанием 0,89-2,25 МДж/кг, полученная в плазмотронах переменного тока, является наиболее перспективным окислителем для газификации древесных отходов с влажностью 0-30 %. Плазмотроны переменного тока позволяют получать плазму с теплосодержанием -2,3 МДж/кг и более с высокой эффективностью (90-95 %). Удельные выходы химической и тепловой энергии при воздушноплазменной газификации линейно зависят от энергозатрат и влажности. Эффективность использования древесной биомассы в системе на основе плазменной газификации и комбинированного цикла можно увеличить, если использовать часть промежуточных или конечных продуктов, для сушки используемой древесины.

Создана программа для расчета процессов теплообмена в цилиндрических разрядных каналах плазмотрона переменного тока в широком диапазоне параметров, его работы. Выполнена оценка теплопотерь в разрядных каналах плазмотрона на оптимальных для плазменной газификации биомассы режимах его работы. Программа дает завышенную оценку теплопотерь, ее точность уменьшается с увеличением среднемассовой температуры, (расчетные значения КПД плазмотронов отличаются от экспериментальных на 1-10 % в диапазоне удельного среднемассового вклада энергии в плазму —2-5 МДж/кг). По световому диаметру, который в основном соответствует токовому диаметру, и напряженности дуги можно определить ее температуру. Определены основные источники носителей электрического тока в воздушной плазме, определяющие проводимость столба дуги для плазмотронов переменного тока (используемых в процессе плазменной газификации биомассы), в диапазоне температур 2500-10000 К. Основной вклад в процесс передачи энергии дуги плазмообразующему газу вносит конвективный теплообмен. Потери энергии связанные с излучением не превышают ~1 % от мощности, выделяющейся в дуге. Установлено, что- при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, вклад диссоциации кислорода в теплопроводность оказывает существенное влияние на результаты моделирования при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму более 4 МДж/кг. Программа применима для грубых оценок влияния геометрических, расходных и мощностных параметров работы плазмотрона на его эффективность при удельном среднемассовом вкладе энергии в плазму менее 4 МДж/кг.

Проведено экспериментальное исследование газификации древесины с влажностью 20 % воздушной плазмой. Использование воздушной плазмы вместо холодного воздуха позволяет увеличить эффективность (в -1,4-1,8 раз) и производительность (в —1,6-2,1 раза) газификатора. Достигнуты режимы, на которых с 1 кг древесины получено -13,514,8 МДж химической и -2,8-3,1 МДж/кг тепловой энергии при энергозатратах —2,1-3,1 МДж/кг, а удельные выходы электроэнергии и низкопотенциальной тепловой энергии могут составить 5,7-6,8 МДж/кг и 4,9-5,4 МДж/кг, соответственно. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с расчетными оценками.

На основании полученных данных технологию воздушно-плазменной газификации древесины следует считать перспективной для создания промышленных установок. t

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Кузнецов, Вадим Алексеевич, Санкт-Петербург

1. Yun S.H., Kim G.J., Park D.*W. Decomposition and Conversion of Carbon Dioxide Into Synthesis Gas Using Thermal Plasma // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 1997. Vol. 3. - № 4. - P. 293-297.

2. Liu C.J., Mallinson R.G., Lobban L.L. Nonoxidative Methane Conversion to Acetylene over Zeolite in a Low Temperature Plasma // Journal of Catalysis. 1998.-Vol. 179.-№ 1.-P. 326-334.

3. Тынников Ю.Г., Генкин В.Н. Газокинетическая схема высокоэнергетического воздействия на поток метана // Письма в Журнал Технической Физики. 2000. Т. 24. - № 24. - С. 64-69.

4. Булат А.Ф., Волошин А.И., Кудинов П.И. Технология плазменной подготовки пылеугольного топлива / Тр. III российской национальной конференции по теплообмену, 21-25 октября 2002. М: Изд. МЭИ. — 2002. Т. 3. - С.173-176.

5. Deminsky М., Jivotov V., Potapkin В., Rusanov V. Plasma assisted production of hydrogen from hydrocarbons // Pure and Applied Chemistry. 2002. Vol. 74. -№ 3. - P. 413-418.

6. Дзюба В.Л. Экономическая эффективность плазмохимической переработки угля / М-лы Межд. инвест, науч.-практ. конф.

7. Производство синтетического моторного топлива из угля Донецкого бассейна, как составляющая энергетической безопасности Европы, 11-14 октября 2005 г. Луганск, Украина. 2005. С. 2.38-2.40.

8. Баранов И.Е., Ошейко Ю.В. Химико-технологические модули для получения синтез-газа на базе АТЭС БН ГТ-300 // Межд. науч. журн. Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 9. — С. 27-32.

9. Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Хан JI., Предтеченский М.Р. Плазменно-паровая. газификация петрококса / Сб. тр. IV Международного симпозиума- по теоретической и прикладной плазмохимии, 13-18 мая 2005 г. Иваново: ИГХТУ, 2005. С. 600-605.

10. Аскарова A.C., Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Плазмохимическая активация горения и газификации угля / Сб. тр. IV Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, 13-18 мая 2005 г. Иваново: ИГХТУ, 2005. С. 35-41.

11. Предтеченский М.Р., Аныиаков A.C., Тухто О.М., Кузьмин М.Г. Плазмотермический реактор с жидкометаллическими электродами // Электрометаллургия. М.: Изд-во МЭИ. (ТУ). 2005. № 7. - С. 8-13.

12. Carabin P. Holcroft G. Plasma resource recovery technology converting waste to energy and valuable products / Proc. 13th North American Waste to Energy Conference, May 23-25, 2005. Orlando, Florida USA. - P. 71-79.

13. Шарафутдинов P.T., Зарвин A.E., Мадирбаев В.Ж., Гагачев В.В., Гартвич Г.Г. Получение водорода из метана в электронно-пучковой плазме // Письма в Журнал Технической Физики. 2005. Т. 31. — № 15. — С. 23-28.

14. Словецкий Д.И. Плазмохимическая переработка углеводородов: современное состояние и перспективы / Сб. тр. IV Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии, 13-18 мая 2005« г. Иваново: ИГХТУ, 2005. С. 42-46.

15. Wang Y.F., Tsai С.Н., Shih M., Hsieh L.T., Chang W.C. Direct Conversion of Methane into Methanol and Formaldehyde in an RF Plasma Environment II: Effects of Experimental Parameters // Aerosol and Air Quality Research. 2005. Vol. 5. - № 2. - P. 211-224.

16. Петров C.B., Маринский Г.С., Чернец A.B., Коржик B.H., Мазунин В.М. Утилизация органических, в том числе медицинских и других опасных отходов путем их пиролиза с применением пароплазменного процесса

17. Плазер" / М-лы 3-й Межд. конф. Сотрудничество для решения проблемы отходов, 7-8 февраля 2006 г. Харьков. С. 71-73.

18. Братцев А.Н., Попов В.Е., Рутберг А.Ф., Штенгель С.В. Установка для плазменной газификации различных видов отходов // Теплофизика высоких температур. 2006. Т. 44. -№ 6. - С. 832-837.

19. Mountouris A., Voutsas Е., Tassios D> Solid waste plasma gasification: Equilibrium model development and exergy analysis // Energy Conversion and Management. 2006. Vol. 47. -№ 13-14. - P. 1723-1737.

20. Пушкарев-А.И., Ремнев Г.Е., Пономарев Д.В., Ежов В.В., Гончаров Д.В. Использование импульсных электронных пучков в плазмохимии // Изв. Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. — № 2. — С. 103-108.

21. Matveev I.B., Serbin S.I. Modeling of the Coal Gasification Processes in a Hybrid Plasma Torch // IEEE Transactions on Plasma Science. 2007. — Vol. 35.-№6. -P. 1639-1647.

22. Бородин В.И., Трухачева В.А. Термодинамический анализ высокотемпературной переработки естественного полимера — древесины // Современные наукоемкие технологии. 2007. — № 1. С. 47-49.

23. Carabin P., Gagnon, J.R. Plasma Gasification and Vitrification of Ash-Conversion of Ash into Glass-like Products and Syngas / Proc. of World of Coal Ash Conf. 2007, may 7-10, 2007. Covington, Kentucky USA. — P: 1-11.

24. Чебаньков Ф.Н., Бабарицкий А.И. Плазменный микроволновый конвертор метана в синтез-газ / Сб. Физика экстремальных состояний вещества 2007. Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007. - С. 313-314.

25. Вабарицкий А.И. Энергозатраты на получение синтез-газа при парциальном окислении углеводородов, стимулированном плазмой электрического разряда / Сб. Физика экстремальных состояний вещества 2007. Черноголовка: ИПХФ РАН, 2007. - С. 311-313.

26. Lavrichshev О.А., Messerle V.E., Osadchaya E.F., Ustimenko A.B. Plasmagasification of coal and petrocoke / Proc. of 35th EPS Conference on Plasma Physics, 9-13 June, 2008. Hersonissos, Crete, Greece. ECA — Vol. 32D. O-2.018.

27. Щедрине А.И., Левко Д.С., Черняк В.Я., Юхименко В.В., Наумов В.В. Влияние воздуха на концентрацию молекулярного водорода при конверсии этанола посредством неравновесной плазмы // Письма в Журнал Технической Физики. 2008. Т. 88. - № 2. - С. 107-110.

28. Indarto A., Coowanitwong N., Choi J.W., Lee H., Song H.K. Kinetic modeling of plasma methane conversion in a dielectric barrier discharge // Fuel Processing Technology. 2008. Vol. 89. - № 2. - P. 214-219.

29. Щедрин А.И., Левко Д.С., Черняк В.Я., Юхименко В.В., Наумов В.В., Конверсия смеси воздуха с парами этанола и воды в неравновесной плазме газового разряда // Письма в Журнал Технической Физики. 2009. -Т. 35.-№10.-С. 18-24.

30. АРР Company Brochure // URL: http://www.advancedpIasmapower.com/index.php?action=AdminDownloadP rocess&type=PDF&id=68 (дата обращения: 13.01.2011)

31. Alter NRG Annual General Meeting Presentation June 18, 2010 // URL: http://alterni-g.com/sites/default/files/content/all/AlterNRGAGM20100.pdf (дата обращения: 13.01.2011).

32. EER brochure // URL: http://www.eer-pgm.com/Media/Uploads/EERbrochure.pdf (дата обращения: 13.01.2011).

33. InEnTec.com Process Details // URL: http://www.inentec.com/pemtm-technology/process-details.html (дата обращения: 13.01.2011).

34. The Fiasco Process // URL: http://wvvw.plascoenergygroup.com/our-technology/the-plasco-process/ (дата обращения: 13.01.2011).

35. Our Innovative Process // URL: http://www.solenagroup.com/science (дата обращения: 13.01.2011).

36. Sattho Т., Yamsaengsung R. Vacuum drying of rubberwood / Proc. PSU-UNS> International Conference on Engineering and Environment 2005, May 19-21,2005. Novi Sad, Serbia. - Paper No. T11-3.4. - P. 1-5.

37. Гордон Л.В., Скворцов C.O., Лисов В.И. Технология и оборудование лесохимических производств: учеб. для техникумов 5-е изд., пепеоаб. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 360 с.

38. Rezaiyan J., Cheremisinoff N.P. Gasification Technologies: A Primer for Engineers and Scientists, Boca Raton: CRC Press, FL USA, 2005. 336 p.

39. Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel S.V. Estimation of perspectivity of steam-plasma methane conversion // High temperature material processes. 2009. Vol. 13. - № 2. - P. 241-246.

40. Головина E.C. Высокотемпературное горение и газификация углерода. М.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с.

41. Reed Т.В., Das A. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems: Report № SERI/SP-271-3022. Golden: Solar Energy Research Institute, Colorado USA, 1988. 140 p.

42. Rutberg Ph.G. Plasma Pyrolysis of Toxic Waste // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2003. Vol. 45. - № 6. - P. 957-970.

43. Rutberg Ph. Physics and Technology of High Current Discharges in Dense

44. Gas Media and Flows. Hauppauge: Nova Science Publishers, NY USA, 2009: 214 p.

45. Yun Y., Chung S.W., Yoo Y.D. Syngas quality in gasification of high moisture municipal solid wastes // Prepr. Papers of American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 2003. Vol. 48; - № 2. - P. 823-824.

46. Green D.W., Perry R.H., Perry's* Chemical Engineers' Handbook: 8th ed. McGraw-Hill, USA, 2007. 2400 p.

47. Oxywise: PSA oxygen^ generators // URL: http://www.oxywise.com/downloads/oxywiseoxygengenerator.pdf (дата обращения: 10.08.2010):

48. Oxywise: oxygen filling stations // URL: http://www.oxywise.com/downloads/oxywiseoxyfillingeng.pdf (дата обращения: 10.08.2010).

49. GRASYS: membrane and adsorption oxygen1 plants and stations // URL: http://www.grasys.com/upload/iblock/23foxygeneng.pdf (дата обращения: 09.08.2010).

50. RNAS: Cost Of Oxygen Delivery // URL: http://www.rnasinc.com/o2zone/productdescriptiom/CostOfOxygenDelivery (дата обращения: 09.08.2010).

51. EIA: Average Retail Price of Electricity to Ultimate Customers // URL: http://www.eia.doe.gov/electricity/epm/table56b.html (дата обращения: 09.08.2010).

52. Рабинович B.A., Хавин З.Я. Краткий химический справочник: изд. 2-е, испр. и доп. JL: Химия, 1978. 392 с.

53. Bellman D.K. Power Plant Efficiency Outlook, Working Document of the NPC Global Oil & Gas Study, 2007 // URL: http://www.npc.org/StudyTopicPapers/4-DTG-ElectricEfficiency.pdf (дата обращения: 09.08.2010).

54. Biomass for Power Generation and CHP (№ 3 January 2007) // URL: http://www.iea.org/techno/essentials3.pdf (дата обращения: 06.08.2010).

55. Ichinose Т., Hishida M., Ito E. Approach to Highly Efficient Power Generation // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2008. Vol. 45. -№ l.-P. 7-10.

56. Ito E., Tsukagoshi K., Muyama A., Masada J., Torigoe T. Development of Key Technology for Ultra-high-temperature Gas Turbines // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2010. Vol. 47. - № 1. - P. 19-25.

57. Thipkhunthod P., Meeyoo V., Rangsunvigit P., Kitiyanan В., Siemanond K., Rirksomboon T. Predicting the heating value of sewage sludges in Thailand from proximate and ultimate analyses // Fuel. 2005. Vol. 84. - № 7-8. - P. 849-857.

58. Масаев И.С., Пермяков Б.А. Топливо из бытовых и растительныхотходов. М.: ОАО "Нефтяник", 20021 146с.

59. Environmental Factors of Waste Tire Pyrolysis, Gasification, and Liquefaction. By CalRecovery, Inc., Report № 1364, California 1995 // URL: http://www.calrecycle.ca.gov/pubIications/Tires/62095001 .pdf (дата обращения: 06.08.2010).

60. Клименко B:B., Терешин, А.Г., Микушина О.В. Мировая энергетика и климат планеты в XXI веке в контексте исторических тенденций // Российский химический журнал. 2008. Т. LII. - № 6. — С. 11-17.

61. Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики // Успехи физических наук. 2000. Т. 140. - № 4. - С. 419-445.

62. Мастепанов Г.С. Уголь сырье для получения продуктов топливного и химико-технологического назначения // Химия твердого топлива. 2001. - № 4. - С. 3-29.

63. Williams В. Debate over peak-oil issue boiling over, with major implications for industry, society // Oil and Gas Journal. 2003. Vol. 101. - № 27. - P. 18-37.

64. Patumsawad S. The Journal of King Mongkut's Institute of Technology North Bangkok. 2002. Vol. 12. - № 4. - P. 19-25.

65. Попель O.C. Туманов' В.JI. Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы развития // Междунар. науч. журн. Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2. — С. 135-148.

66. Kumar A., Flynn P., Sokhansanj S. Biopower generation from mountain pine infested wood in Canada: An economical opportunity for greenhouse gas mitigation // Renewable Energy. 2008. Vol. 33. - № 6. - P. 1354-1363.

67. Huber G.W., Dale B.E. Grassoline at the Pump // Scientific American. 2009. -Vol. 301.-№ l.-P. 52-59.

68. Lewis N., Crabtree G. Basic research needs for solar energy utilization. 2005. 260 p. // URL: http://www.er.doe.gov/bes/reports/files/SEUrptprint.pdf (дата обращения: 25.10.2010).

69. Zhu X.G., Long S.P., Ort D.R. What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass? // Current Opinion in Biotechnology. 2008. Vol. 19. - № 2. - P. 153-159.

70. Sperling D., Gordon D.1, Two Billion Cars: Transforming a Culture // TR News Magazine. 2008. Vol. 259. - November-December. - P. 3-8.

71. Численность парка легковых автомобилей в Российской Федерации по состоянию на 01.01.2007 г. // URL: http://www.fcppbdd.ru/statistic/newsdetail.php?ID=3002 (дата обращения: 25.10.2010).

72. World Rubber & Tire, Industry Study with Forecasts for 2011 & 2016. Study #2282 February 2008 // URL: http://www.freedoniagroup.com/brochm-e/22xx/2282smwe.pdf (дата обращения: 17.11.2010).

73. Monthly World population figures // URL: http://www.census.gov/ipc/www/popclockworld.html (дата! обращения: 17.11.2010).

74. Маслов С.Г., Инишева Л.И., Торф как растительное сырье и направления его химической переработки // Химия растительного сырья. 1998. — № 4. С. 5-7.

75. Mineral commodity summaries 2009. 195 p. // http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2009/mcs2009.pdf обращения: 17.11.2010).

76. Raniere F.D., Combs L.P., Falk A.Y. Experimental investigation of peat hydrogasification // URL: http://www.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/243WASHING TON09-790064.pdf (дата обращения: 25.10.2010).

77. Stournas S., Papachristos M., Kyriakopoulos G.B. Copper catalyzed low-temperature pyrolysis as a means for upgrading low-rank solid fuels // Prepr. Papers of American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1987. -Vol. 32. № 3. - P: 227-233.

78. Raghunathan K., Bruce K.R. Control of Emissions from Cofiring of Coal and RDF, 1997. 25 p. // URL: http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy97/26036.pdf (дата обращения: 25.10.2010).

79. Cioni M., La Marca C., Riccardi J. RDF Gasification in a Circulating Fluidized Bed Gasifier: Characterization of Syngas and Ashes / Proc. of Conf. on Gasification: the Clean Choice for Carbon Management, 08-10 April, 2002. Noordwijk, The Netherlands.

80. Coal Database // URL: http://www.et.byu.edu/4arryb/CoalDatabase.htm (дата обращения: 13.11.2010).

81. Bilitewski В. State of the art and new developments of waste to energy1. URL: (датаtechnologies / Proc. of the Venice 2006 biomass and waste to energy symposium, from November 29 to December 1 2006. IWWG. & CISA, Venice, Italy.

82. Caputo A.C. and Pelagagge P.M. RDF production plants: II Economics and profitability // Applied Thermal Engineering. 2002. Vol. 22. - № 4. - P. 439-448.

83. Nithikul J. Potential of refuse derived fuel production from bangkok municipal solid waste / Master of Engineering degree thesis. Asian Institute of Technology, Thailand, December 2007. 75 p.

84. RDF Processing systems for alternative fuels // URL: http://www.l-rt.com/index.php?id=60&no cache=l&L=l&cid=640&did=534&sechash=af f925cf (дата обращения: 17.11.2010).

85. Chen D., Zhai X., Zhou G. Life Cycle Assessment of RDF Production from Aged MSW and its Utilization System / Proc. of the International Conference on Sustainable Solid Waste Management, 5-7 September, 2007. Chennai, India.-P. 406-414.

86. Holopainen H. Lomellina II — A New-Generation RDF Power Plant in Italy / Proc. of Power-Gen Europe 2006, May 30 June 1, 2006. Cologne, Germany.

87. Speight J.G. Handbook of coal analysis. Wiley-Interscience, 2005. 222 p.

88. Siritheerasas P., Bunyakiat K., Osuwan S. Emissions of Sulphur Dioxide during Coal Briquette Burning in a Thai Traditional Cooking Stove // Thammasat International Journal of Science and Technology. 2000. Vol. 5. - № 2. - P. 34-42.

89. Hong S.S., Hwang K.S., Choi B.S. Comparision of Combustion Characteristics of the Different Property Coal in Cyclone Combustor // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 1994. Vol. 5. - № 2. - P. 337-344.

90. Lee S.H., Shon E.K., Park S.W. Changes in Organic Structure of Coals after Treatment with Molten Caustic Leaching // Hwahak Konghak. 1995. Vol. 33,-№6.-P. 675-683.

91. Bak Y.C., Lee S.S. Thermal Analysis Study on Kinetics and Heats of Carbonization Reaction for the Imported Coking Coals // Hwahak Konghak. 2003. Vol. 41. - № 4, - P. 530-536.

92. Belin F., В о lumen A.G., Walker D.J., Babichev L.A., Levin M.M., Volkovitskaya P.I. 200 MW CFB Boiler Burning High-Ash Anthracite / Proc. of PowerGen International conf., December 4-6, 1996. Orlando, Florida USA.

93. Garcia-Mallol J.A., Kukoski A.E., Winkin J.P. Anthracite Firing at Central Power Stations for the 21st Century / Proc. of Pittsburgh Coal Conference, October 11-15, 1999. Pittsburgh, Pennsylvania US A.

94. Ishikawa M, Terauchi M, Komori T, Yasuraoka J. Development of High

95. Efficiency Gas Turbine Combined Cycle Power Plant // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review. 2008. Vol. 45. - № 1. - P. 15-17.

96. Ph G Rutberg, A A Safronov, S D Popov, A V Surov and Gh V Nakonechny, Multiphase stationary plasma generators working on oxidizing media // Plasma-Physics and Controlled Fusion. 2005. Vol. 47. - № 10. - P. 16811696.

97. Грановский В:Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.544 с.

98. Петухов Б.С., Шиков В.К. (ред.) Справочник по теплообменникам: в 2-х томах. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1987. 558 с.

99. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. пособие для неэнергетических специальностей вузов. М. "Высшая школа", 1975.496 с.

100. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.Л., Топкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

101. Зубарев В.Н., Козлов А. Д., Кузнецов В'.М и др. Тепло физические свойства технически важных газов при. высоких температурах и давлениях: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1989. 232 с.

102. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. (ред.) Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

103. Варгафтик Н.Б. Справочник по теллофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

104. Колесников В.Н. Дуговой разряд в инертных газах / Труды ФИАН. 1964. -Т. XXX.-С. 66-157.

105. Дыхне A.M. Теория одномерной контракции дуг / В кн.: Некоторые вопросы исследования газоразрядной плазмы и создания сильных магнитных полей. Л.: Наука, 1970. С. 84-94.

106. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1985. 152 с.

107. Райзер Ю.П., Физика газового разряда: Учебное руководство: Для вузов 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1992. 536 с.

108. Братцев А.Н., Попов В.Е., Рутберг А.Ф., Штенгель С.В. Установка для плазменной газификации различных видов отходов // Теплофизика высоких температур. 2006. Т. 44. - № 6. - С. 832-837.

109. Bratsev A.N., Popov V.E., Shtengel S.V., Rutberg A.Ph. Some Aspects of Development and Creation of Plasma Technology for Solid Waste Gasification // High temperature material processes. 2006. Vol. 10. - № 4. -P. 549-556.

110. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Ufimtsev A.A. Plasmochemical technologies for processing the hydrocarbonic raw material with syngas production // Hightemperature material processes. 2004. Vol. 8. - № 3. - P. 433-445.

111. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции): Пер. с англ. М.: Лесная пром-сть, 1988. 512 с.

112. Popov V.E., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Shtengel S.V., Ufimtsev A.A. Plasma gasification of waste as a method of energy saving // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 275. - 012015.

113. Rutberg Ph.G., Bratsev A.N., Kuznetsov V.A., Popov V.E., Ufimtsev A.A., Shtengel' S.V. On efficiency of plasma gasification of wood residues // Biomass and Bioenergy. 2011.- Vol. 35. № 1. - P. 495-504.

114. Братцев A.H., Кузнецов В.А., Попов B.E., Уфимцев A.A. Плазменная газификация биомассы на примере отходов древесины // Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49. - № 2. - С. 251-255.