автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация параметров реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья на основе установок с твердым теплоносителем

СЕЛИВАНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТОРНОГО БЛОКА ДЛЯ ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ НА ОСНОВЕ УСТАНОВОК С ТВЕРДЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Специальность-05.14.04. Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г О МАЯ 2015

Саратов 2015

005569174

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Симонов Веннамин Федорович

Официальные оппоненты: Мингалеева Гузель Рашидовна

доктор технических наук, Исследовательский центр проблем энергетики ФГБУН «Казанский научный центр РАН, заведующая лабораторией моделирования систем производства энергии

Малов Валерий Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», доцент кафедры «Строительство и теплогазоснабжение»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский государственный

энергетический университет», г. Казань

Защита состоится «30» июня 2015 г. в 9:30 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « » мая 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

^ г. Ларин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно принятой Правительством РФ энергетической стратегии России до 2030 года важную роль в топливно-энергетическом секторе должны занимать твердые и низкосортные горючие ископаемые. При этом Россия занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев. Поэтому проблема освоения богатейших месторождений с включением горючих сланцев в практическую хозяйственную деятельность может считаться сегодня актуальной для нашей страны в целом и Поволжского региона, в частности.

С учетом высокого содержания серы в поволжских сланцах особое внимание необходимо акцентировать на технологиях комплексного использования, которые базируются на процессах термической переработки. При этом основным товарным продуктом является сланцевая смола, состоящая из смеси жидких углеводородов, горючий газ и прокаленный зольный остаток. Такое использование горючих сланцев позволит развивать инфраструктуру регионов с диверсифицированием их топливно-энергетического баланса, а также повысить энергетическую безопасность страны в целом.

В составе сланцевой смолы содержатся ценные химические соединения, получение которых напрямую сдерживается как техническими трудностями, так и экономическими соображениями. Получение этих продуктов приобретает особую актуальность в свете политики импортозамещения Российского государства. Удовлетворение растущих потребностей национальной экономики в энергетическом сырье за счет горючих сланцев позволит направить высвобождающиеся запасы традиционных углеводородов (нефть, газ) на экспорт с целью валютного пополнения бюджета. Решение поставленных задач в Поволжье может быть достигнуто путем сооружения энерготехнологических комплексов с переработкой сернистых горючих сланцев на базе установок с твердым теплоносителем (УТТ), зарекомендовавших себя при переработке эстонских кукерситов. Однако сернистые сланцы Поволжья имеют отличные от эстонских кукерситов состав и теплотехнические характеристики. Поэтому задача поиска оптимальных параметров в энерготехнологической схеме первичной переработки сернистых горючих сланцев Поволжья, поставленная в настоящей работе, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы: научное обоснование оптимальных рабочих параметров и массогабаритных характеристик основного и вспомогательного оборудования реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья на основе установок с твердым (зольным) теплоносителем.

Объект исследования: система аппаратов для реализации процесса первичной переработки сернистого сланца в барабанном реакторе полукоксования с зольным теплоносителем.

Задачи исследования:

1. Разработка математических моделей, алгоритмов и программ расчета отдельных аппаратов основного и вспомогательного оборудования

реакторного блока с учетом особенностей протекания физико-химических процессов при полукоксовании сернистых горючих сланцев в установке с твердым теплоносителем.

2. Программная реализация комплексного математического описания полной энерготехнологической системы аппаратов реакторного блока с учетом закономерностей совместной работы основного и вспомогательного оборудования.

3. Создание и программная реализация многофакторной экономико-математической модели реакторного блока.

4. Многовариантная технико-экономическая оптимизация схемы и рабочих характеристик аппаратов реакторного блока в зависимости от качественных характеристик исходного сланца и рыночных цен на энергоносители и конструкционные материалы.

Научная новизна:

1. Предложена научная гипотеза о преобладающей роли конвективного переноса теплоты от зольного теплоносителя к частицам сланца через разделяющую их парогазовую прослойку.

2. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета процесса полукоксования полидисперсного горючего сланца во вращающемся барабанном реакторе с зольным теплоносителем, одновременно учитывающая механизмы химических превращений органического вещества с постадийным выделением компонентов парогазовой смеси и изменяющимися теплофизическими свойствами.

3. Разработан и программно реализован алгоритм процесса дожигания остаточного углерода сланцевого полукокса полифракционного состава в аэрофонтанной технологической топке с учетом наличия камеры горения крупных частиц в псевдоожиженном слое и основного фонтанирующего объема.

4. Разработана комплексная математическая модель взаимодействия элементов в рамках рассмотренной технологической схемы первичной переработки горючего сланца с головным процессом полукоксования в барабанном реакторе с зольным теплоносителем, позволяющая на основе многофакторной оптимизации при принятом количестве влияющих факторов, заданном уровне цен на сырье и энергоресурсы, а также качественных характеристиках исходного сланца определить оптимальные массогабаритные характеристики оборудования и технологические режимы работы.

Теоретическая н практическая значимость работы:

1. Разработанная математическая модель полукоксования сернистого горючего сланца в барабанном реакторе может иметь универсальный характер с точки зрения масштабного перехода к аппаратам различной тоннажное™ и возможности прогнозных экономических оценок установок термической переработки твердых видов топлива при предварительном определении качественных характеристик сырья и исследовании закономерностей химического превращения органического вещества с определением констант скоростей основных реакций.

2. Раскрыты закономерности теплового взаимодействия сернистого горючего сланца и зольного теплоносителя в условиях постоянного перемешивания в барабанном реакторе с учетом выделяющихся парогазовых продуктов с изменяющимися теплофизическими свойствами.

3. Разработана экономико-математическая модель реакторного отделения с головным процессом полукоксования сернистых сланцев в барабанном реакторе, позволяющая определять оптимальные схемные решения, рабочие параметры, массогабаритные характеристики оборудования в зависимости от рыночных условий в регионе, цен на топливно-энергетические ресурсы и исходных качественных характеристик сырья.

4. На основе разработанных математических описаний основного оборудования (барабанный реактор и аэрофонтанная технологическая топка) и комплексного математического описания реакторного блока созданы программные продукты для ЭВМ в среде программирования Delphi, зарегистрированные в Роспатенте.

Положения, выносимые на защиту: закономерности теплового взаимодействия зернистых частиц сланца и зольного теплоносителя при наличии параллельно протекающих процессов термической деструкции органического вещества; закономерности процесса регенерации зольного теплоносителя путем дожигания остаточного углерода полукокса в аэрофонтанной топке; методика технико-экономической оптимизации реакторного блока с полукоксованием сернистого сланца твердым теплоносителем; результаты численных исследований, полученных с использованием разработанной модели.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных зависимостей и выводов обосновывается использованием в работе фундаментальных законов термодинамики, теории горения, теплопередачи и химии, а также подтверждается совпадением данных, полученных на математических моделях с результатами физических экспериментов других авторов в сопоставимых условиях.

Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на конференции с международным участием «VII Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2009); Международной научной конференции «Современные научно- технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010, 2012, 2014); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 2009).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 157 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 34 рисунка, 25 таблиц. Список литературы включает 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы, показаны степень разработанности и апробация.

В первой главе «Обзор исследований по полукоксованию сернистых сланцев Поволжья» приведены основные перспективные месторождения сернистых горючих сланцев Волжско-Печерской сланценосной провинции, а также особенности состава их органической и минеральной части. Показано, что сернистые горючие сланцы, при использовании их в качестве органоминерального сырья, могут служить источником получения смолы, сланцевого газа, ценных химических соединений таких как тиофен и его производные (2-метилтиофен, 2-5-диметилтиофен), бензольных углеводородов (бензол, толуол, ксилол), а также элементарной серь: и прокаленного зольного остатка. Приведен краткий обзор способов термической переработки горючих сланцев с анализом их основных преимуществ и недостатков. Показано, что наиболее целесообразным является использование в качестве головного процесса полукоксования в барабанном реакторе с твердым теплоносителем.

На основании проведенного обзора теоретических и экспериментальных работ по процессам полукоксования сернистого горючего сланца выявлена серьезная недоработка в вопросах моделирования теплообмена при взаимодействии полидисперсного сланца и зольного теплоносителя в условиях постоянного перемешивания в барабанном реакторе (БР) и активного выделения парогазовых продуктов, а также в отсутствие данных по выделению компонентов парогазовой смеси (ПГС) при термической деструкции органического вещества сернистого горючего сланца. Кроме того, очень важным является вопрос регенерации зольного теплоносителя путем дожигания остаточного углерода полукокса в аэрофонтанной технологической топке (АФТ).

Выполненный анализ схемы реакторного блока (рисунок 7) позволил выявить следующие особенности взаимодействия основного и вспомогательного оборудования. При заданной нагрузке по сухому сланцу необходимо определиться с расчетным содержанием условной органической массы, остаточным содержанием углерода в сланцевом полукоксе и температурой зольного теплоносителя. Все эти параметры влияют на размеры БР и зависят от результатов расчета динамики теплообмена и выделения летучих компонентов ПГС в соответствии с кинетическими характеристиками процесса. Остаточное содержание углерода в сланцевом полукоксе является, по существу, определяющим показателем для результатов работы АФТ. Чем больше содержание остаточного углерода в полукоксе (рассчитывается по фракциям исходного сланца), тем выше может быть температура продуктов догорания после АФТ и соответственно меньше кратность циркуляции зольного теплоносителя. На температуру догорания коксозольной смеси в АФТ

влияет и степень подогрева воздуха в зольном теплообменнике, которая зависит от температуры выводимого из реакторного блока зольного остатка и от принятого коэффициента расхода воздуха. Заметим при этом, что конечная температура догорания в АФТ имеет ограничение, зависящее от температуры размягчения золы перерабатываемого сланца.

С учетом вышеизложенного для системной оценки эффективности функционирования всех аппаратов реакторного блока в рассматриваемой технологической схеме переработки сернистых горючих сланцев Поволжья было разработано комплексное математическое описание, учитывающее особенности протекания физико-химических процессов в основном и вспомогательном оборудовании с учетом связей и взаимодействия между отдельными элементами схемы при изменяющихся качественных характеристиках исходного сланца.

Во второй главе «Математическое описание процесса полукоксования сернистого сланца в барабанном реакторе с зольным теплоносителем» приводятся основные положения и особенности разработанного и программно реализованного математического описания процесса полукоксования сернистого горючего сланца в барабанном реакторе с зольным теплоносителем, учитывающее качество и фракционный состав исходного сырья, условия теплового взаимодействия сланца и зольного теплоносителя, особенности постадийного выделения летучих компонентов при термодеструкции органического вещества.

Известно, что нагрев топливных частиц определяется совокупностью действия двух процессов: непосредственно передачей теплоты от теплоносителя к поверхности частиц и распространения теплоты от поверхности к центру. Для фракции частиц сланца размером менее 5 мм (доля которой в общей массе составляет 84%) с учетом пластинчатой формы частиц с параметрами: 1г = 0,54а, 1 = 1.43а, Ь~а определяющим размером при расчете величины критерия Био будет служить половина высоты пластины: Л/2 = 0,94 мм. Для предварительно принятых значений коэффициента теплоотдачи в интервале (15-75 Вт/м2 °С) и известной теплопроводности сланца Х=0,266, Вт/м°С будет выполняться соотношение £/<0,1-0,2. Поэтому можно с уверенностью утверждать об отсутствии внутреннего температурного градиента у подавляющего большинства частиц сланцезольной смеси.

С учетом данных по гранулометрическому составу и информации о геометрической форме частиц, выражение для определения тепловоспринимающей поверхности запишется в виде

где / - удельная поверхность фракций, м2/кг; - масса частиц /-й фракции, кг; р, - действительная плотность материала частиц ;'-й фракции, кг/м3; Ф,—фактор формы частиц /-й фракции, количественно определяющий отличие реальной формы частицы от идеальной сферы.

Наиболее сложным и малоизученным является вопрос, связанный с определением механизма переноса теплоты от частиц теплоносителя к нагреваемому материалу в условиях непрерывного перемешивания и активного газовыделения. На рисунке 1 показана схема движения сланцезольной смеси при вращении барабанного реактора.

Рис. 1. Схема материальных потоков в барабанном реакторе

При известных расходах сланца и зольного теплоносителя механизм взаимодействия частиц в условиях вращения барабанного реактора может быть представлен в виде известной модели реактора идеального вытеснения. При этом объем каждого элементарного участка будет определяться исходя из следующего соотношения, м3:

К =

(1-е)

ТГ-О? , 3

=-*-■/, м

(2)

где ga, - соответственно, расход сланца и зольного теплоносителя, кг/с;

кажущаяся плотность сланца и зольного теплоносителя, кг/м3; е -порозность движущегося слоя сланцезольных частиц; т,. - временной интервал расчета, с; - внутренний диаметр барабана, м.

В условиях равномерного перемешивания сланца с зольным теплоносителем при активном выделении газообразных продуктов можно предположить интенсивную фильтрацию выделяющихся парогазовых продуктов через разрыхленный слой постоянно перемешивающихся частиц. При этом можно говорить о преобладании конвективной составляющей в результирующем коэффициенте теплопередачи, количественно определяющем интенсивность переноса теплоты от зольного теплоносителя к сланцу через разделяющую их парогазовую прослойку (рисунок 2).

Рис. 2. Схема взаимодействия частиц сланца и зольного теплоносителя

Поэтому для описания конвективного переноса теплоты от частиц теплоносителя к частицам сланца в качестве основополагающего было принято эмпирическое критериальное уравнение, полученное Крамерсом на основе обобщения экспериментальных данных по обтеканию газовой средой засыпки керамических шаров малого диаметра. Опыты проводились при значениях 12<Яе<2100.

N11 = 2+1 .зрс5+о,ббЯе;:;15 - Рг,;;31 -С—) (З)

Значения теплофизических свойств взяты при средней температуре пограничного слоя газа: ;т=(/ст+/пгс)/2. Аналогичные зависимости приводятся в работах А.П. Баскакова, В.Н. Тимофеева. Приведенное соотношение позволяет оценить влияние скорости газового потока, а также размера частиц на коэффициент теплоотдачи

V

= (4)

где у„ - суммарный объем выделившихся продуктов полукоксования на расчетном участке, м3/с; / = £„■/ - средняя площадь фильтрации элементарного участка (рисунок 1), м2.

Число Рейнольдса вычисляется по формуле г. 4- »V

Яе = (5)

/„'V

где /, =/(1-с) — поверхность частиц в единице объема слоя, м\

Суммарный объем выхода летучих будет складываться из значений удельных объемов парогазовых и смоляных продуктов в соответствии с температурой в заданном промежутке с учетом массового расхода, м3/с:

Г» =¿8 Г-Ч". (6)

I

где g,"'"' - выход продуктов полукоксования на ¡-м участке, кг/с; и;"' -удельный объем парогазовых продуктов полукоксования на ¡-м участке, м3/кг Теплота разложения органического вещества в первом приближении может быть учтена при расчете кратности циркуляции зольного теплоносителя в барабанном реакторе, кг/с:

_ -С.» Л,с -С,„с -'с, + 9„„,„ +g„ -(<Рюи -<Рс)'Ч,М ПV

8' ^ •(/,-/„) ' ( '

где 8,,gL1 , , - расход, соответственно, зольного теплоносителя, сухого сланца, парогазовых продуктов полукоксования и полукокса, кг/с; <?„,„„ -потери теплоты в окружающую среду, кВт; <РУт,, <РС - доля, соответственно, органического вещества в сухом сланце и остаточного углерода в полукоксе, кг/кг с.е.; ц.тЛ - величина эндотермического эффекта разложения органической массы сланца, кДж/кг; с<.,,с3,спк,спгс — массовые теплоемкости соответственно сланца, зольного теплоносителя, полукокса и ПГС, кДж/кг " С.

В качестве экспериментального материала, использованного для получения кинетических показателей, нами были привлечены данные по полукоксованию сланца Перелюб-Благодатовского месторождения на стендовой установке с твердым теплоносителем пропускной способностью 15 кг/ч сланца1.

В соответствии с положениями химической кинетики скорость образования суммарных летучих продуктов полукоксования сланца может быть записана в виде

с«)

где dg¡— количество образующихся летучих продуктов (кг/с сухого сланца) за время с1т;, ч, на ¡-м участке расчета от начала разложения; К0 -предэкспоненциальный множитель, 1/с; Е - энергия активации, кДж/кмоль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/кмоль-К; Т - температура термического разложения, К (средняя по массе, подвергающихся полукоксованию частиц сланца); - начальное содержание условного органического вещества в сухом сланце, кг/с.

Основные результаты обработки экспериментальных данных стендовой установки представлены в таблице 1.

Таблица 1

Обработка данных по полукоксованию сланца Перелюб-Благодатовского _месторождения _

Наименование показателя, ед. измерения № опыта

1 2 3 4

Производительность по сланцу, кг/ч 15 15 15 15

Соотношение сланец/теплоноситель 0,27 0,34 0,567 0,3315

Расход твердой фазы, кг/ч 70,55 59.11 4!,45 60,24

Температура теплоносителя, К 891 925 1023 933

Температура в реакторе, К 766 767 763 775

Газы дезоксидации (СО;, 1ЬО, НгБ), % масс 11,16 10,57 6,62 11,15

Легкие газы (Н2, СО, СН4, ХСтН„), % масс 2,8 3,87 3,9 9,75

Смола, % масс. 20,62 18,6 12,56 6,7

Сумма, % масс. 34,58 33,04 23,08 27,6

Остаточное содержание ОВ в полукоксе, % масс. 6,82 8.36 18,32 13,8

г, с 1188 1144 799 954

С'1 2,5311 2,5096 2,5123 2,5081

ч"1 0,9286 0,9201 0,9212 0,9195

Ниже приведены кинетические зависимости для определения выхода летучих продуктов основных стадий процесса термической деструкции УОМ сланца, полученные нами в результате численной обработки экспериментальных данных на математической модели:

'Определение основных технологических параметров термической переработки сланца Перелюб-Благодатовского месторождения на стендовой установке с твердым теплоносителем (УТТ) / Е.И. Казаков, В.И. Мамай, В.А. Мишанин, Ю.В. Спирин, Г.П. Стельмах // Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлив: межвуз. науч. сб. / СПИ. Саратов, 1982. С. 101-105.

- газы дезоксидации: =0,027-е1 >> ■ дг (е,-<рут1 ; (9)

Г 10556 1

-легкиегазы: <рт= 0,029-е^ хДт (е,; (10)

[. "ш )

- смола: <ра„ = 0,0035-е1 >хАт-(е, -</>н)и, (11)

где (Е, ёсл <Руш~Ч- движущая сила процесса полукоксования, определяемая остаточным содержанием УОМ в сланце; е, -доля ¡-й фракции сланца.

Для проверки правильности полученных кинетических констант выхода основных компонентов ПГС, а также подобранных соотношений для описания процесса теплового взаимодействия сланца и зольного теплоносителя с учетом парогазовой прослойки необходимо проведение численных экспериментов. В качестве исходных данных были приняты результаты переработки сернистого горючего сланца Перелюб-Благодатовского месторождения. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Сопоставление результатов численного эксперимента, полученных на математической

модели с опытными данными физического эксперимента Е.И. Казакова

Показатели, ед. измерения № оп ( ыта (численный эксперимент/ шзический эксперимент)

1 2 3 4

Время полукоксования, с 1198/1188 1036/1144 512/799 769/954

Газы дезоксидации (С02; Н20, Н28), % масс 33,27/32,27 32,93/32,00 31,98/28,7 32,1/40,4

Легкие газы (Н2, СО, СН.,, С„Н„), % масс 9,69/8,1 9,65/11,7 9,4/16,9 9,51/35,3

Смола, % масс. 57,03/59,6 57,41/56,3 58,6/54,4 56,3/24,3

Средняя относительная погрешность, % 1,71 1.36 4,99 22,03

Общая относительная погрешность, % 7,52

На рис. 3, 4 представлены кривые прогрева сланца полифракционного состава, полученные в результате численного эксперимента на математической модели на основе исходных данных первого опыта (табл. 1) и динамика выхода парогазовых продуктов по времени.

Рис. 3 Кривые прогрева сланца Рис.4. Динамика выхода компонентов ПГС:

полифракчионного состава: 1 - зольный 1 - смола, кг/с; 2 - газы дезоксидации, кг/с; 3 теплоноситель с!=1 мм; 2- фракция сланца 0-3 -легкие газы, кг/с мм; 3 - фракция сланца 3-7 мм; 4- фракция сланца 7-11 мм; 5 - фракция сланца 11-15 мм

Анализируя характер кривых прогрева частиц сланца, можно видеть наличие перегрева у наиболее мелких фракций, которые, в свою очередь, дополнительно будут играть роль теплоносителя для остального сланца. Через 50(К600 с после подачи исходного сланца наступает режим теплового равновесия, и дальнейший процесс полукоксования проходит в режиме изотермической выдержки. Наблюдаемое при этом незначительное понижение температуры сланцезольной смеси на 20-25 °С обусловлено протеканием эндотермических реакций разложения органического вещества. Кроме того, как следует из рисунка 3, скорость теплообмена значительно превышает скорость выделения парогазовых продуктов. Поэтому качественное и количественное регулирование работы барабанного реактора и аэрофонтанной топки, а, следовательно, и вспомогательного оборудования (сушилки исходного сланца, зольного теплообменника и котла-утилизатора) может осуществляться путем уменьшения или увеличения времени взаимодействия сланцезольной смеси, которое способно существенно изменять долю остаточного углерода в сланцевом полукоксе.

В третьей главе «Математическое моделирование аэрофонтанной технологической топки с разработкой алгоритма и программы расчета» представлено математическое описание АФТ. Основное предназначение топки (рисунок 5) состоит в нагреве зольного теплоносителя за счёт теплоты, выделяющейся при дожигании сланцевого полукокса после барабанного реактора полукоксования. В соответствии со схемой реакторного блока (рисунок 7) температурный уровень в АФТ определяет условия работы котла-утилизатора, сушилки исходного сланца и зольного теплообменника, в котором осуществляется подогрев воздуха для АФТ. Последнее обстоятельство, в свою очередь, влияет на работу АФТ.

Рис. 5. Схема аэрофонтанной технологической топки. 1 -шнековая подача сланцевого полукокса и зольного теплоносителя после барабанного реактора полукоксования; 2 -подача воздуха; 3 - зольный остаток в продуктах горения. I - камера горения крупных частиц полукокса; 11 - разгонно-транспортный участок (РТУ); 111 - коническая

часть аэро(1юнтанной камеры (КАФ); IV -аэро фонтанная камера; V-стабилизатор (СТ); VI - камера отвода дисперсного потока

В условиях взаимодействия углерода и кислорода в кинетической области образование диоксида и оксида углерода на поверхности реагирования может быть выражено с помощью двух реакций:

1) С + Ог =СОг,

2) 2С + Ог= 2СО (12)

Количество остаточного углерода в сланцевом полукоксе может быть записано, S = S-S>.-P< (13)

где S - толщина пленки углерода на пористой (внешней и внутренней) поверхности минеральной основы полукокса, м; Su — удельная массовая поверхность, м2/кг; рс - плотность углерода, кг/м3.

При выражении количеств кислорода и углерода в кмолях по концентрации кислорода в кинетической области реагирования можно записать

Ks = (К1+2К2)СоГх, (14)

где Ki и К2 - константы скорости реакций 1 и 2 (12), 1/с; С« -концентрация кислорода в объеме газовой фазы, кмоль/м1; х - доля остаточно углерода в сланцевом полукоксе после частичного выгорания.

Обзор теоретических и экспериментальных работ по процессам выгорания углерода в фонтанирующем слое позволил определить основные соотношения для расчета процесса выгорания углерода, равномерно распределенного по пористой структуре сланцевого полукокса, диапазон изменения кинетических характеристик образования оксида и диоксида углерода: Л"о,=(0,6-7,9)10'л//с; Ко1 =(10,8-12,6)10\и/с, =(40-120)-ltf^/кшчь; Е, = (55-110) ■\0i кДж/кмоль, а также разложения карбонатов: для СаС03 Е,=(178-182)-105 кДж/кмоль; Koi=(l,33-1,35)-106 1/с; п=0,75; для MgC03 Е2=(133-136) 103 кДж/кмоль; Ко;=(4,28-4,33)-10б 1/с; п=0,56.

Для поинтервального расчета объема реагирования элементов АФТ по времени можно записать следующее соотношение:

д<5 = _ W+2/T,) _ g )(&1 - f Д^,) • Дг (15)

PrSc i i

i-i

где Дг - выбранный интервал расчета по времени, с; ^Ag, - количество

i

прореагировавшего углерода за время, предшествующее расчетному интервалу, кг/с; g0 - расход углерода с исходным сланцевым полукоксом, кг/с; Собо - концентрация кислорода в исходном дутьевом воздухе, кмоль/м3; ¿г,,- снижение содержания кислорода в газовой фазе за время,

г

предшествующее расчетному интервату, кмоль/м3.

Далее приведены балансовые уравнения для расчета температуры газовой фазы в основных частях АФТ: камере горения крупных частиц полукокса в кипящем слое (16); выход из разгонно-транспортного участка (17); горение углерода полукокса в основном объеме АФТ в фонтанирующем слое (18).

• С, + 'V ■ Рг ■ сг • 'о = • т-Ц;• Ост +x-gr :~-Qco г„. =----- (16)

^ ~8; ~ )■ с„, + У,- ■ Рг ■ с,-]■■ V + [0 -• (&-, -) ■ с,. + Я,'с,]• С, 17)

* - г, -хёс)- сш+к,- ■ р]. ■ с,. + (1 -■ -г,)-сш+• с,

■ = [-(&-., - ) ■ + (1 - -) ■ (&» - £, - • с, + 8, ■ с, + и; • рг ■ с,. ] ■

* -(«с - 8уом ) ■ <•'„« +[l-z)■{ga-g„-Ag,)■c,+g,■c,^-Vr■ рг • с,

1 /, ; (18) • ■ +■ - ■ ^ • о*, - ^ •

-(£„ ~ Жюи) • + (!--)■ " £," )' с> + & ' с, + К,. ■ р,. ■ С,, где г - доля частиц полукокса в камеру I; - количество выделившихся летучих в барабанном реакторе, кг/с; г0 - температура воздуха на горение в АФТ, °С; V,., рг, с, - объем, м3/с; плотность, кг/м3 и теплоемкость, кДж/кг °С газовой фазы на расчетном интервале; Ь - соотношение СО к С02 в продуктах сгорания; <2т1, ()со - теплота сгорания углерода с образованием, соответственно СОг и СО, кДж/кг; - количество углерода

прореагировавшего за счет разложения карбонатов, кг/с; £) л - теплота разложения карбонатов, кДж/кг.

На рисунке 6 представлены схема топки, экспериментальные" и расчетные данные по составу газовой фазы и температурам по высоте АФТ.

Рис. 6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по составу газовой фазы и температуре в АФТ

.......— расчетные данные

по составу и температуре;

--экспериментальные

по составу и температуре

Обращает на себя внимание значительное расхождение в количестве израсходованного кислорода на участке 0-3 (рисунок 6) (объемная доля кислорода в экспериментах в сечении 3 около 5,4%, в наших расчетах около 18%). Такое расхождение может объясняться тем, что доля сланцевого полукокса с размером частиц >3 мм, попадающих в камеру I, в наших расчетах составляет всего 14,5%, а в экспериментах A.B. Перепелкина эта доля =48%. Подтверждают такой вывод и сопоставления расчетных и экспериментальных данных по температуре газовзвеси и содержанию диоксида углерода в газовой фазе в сечении 3. Стоит отметить, что,

2Перепелкин А. В Исследование аэрофонтанной топки для сжигания коксозольного остатка термической

переработки горючего сланца методом твердого теплоносителя // Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлив: межвуз. науч. сб Вып. 7. Саратов: СПИ, 1979. С. 69-74.

несмотря на отсутствие подогрева воздуха перед АФТ в эксперименте, температура газовзвеси в сечении 3 превышает расчетные данные (700 °С против 659 °С по расчету).

В четвертой главе «Разработка алгоритмов функционирования вспомогательных элементов реакторного блока, адаптированных для включения в технологическую схему УТТ» представлены математические модели и алгоритмы расчета вспомогательного оборудования (зольного теплообменника, котла-утилизатора и сушилки исходного сланца) которые представляют собой стандартные устройства. При этом они играют существенную роль в формировании комплекса оптимальных технологических параметров работы всей схемы.

В пятой главе «Разработка обобщенного алгоритма расчета реакторного блока для оптимизации параметров и обоснования массогабаритных характеристик оборудования» приведен выбор критерия технико-экономической оптимизации, разработано и программно реализовано комплексное математическое описание реакторного блока. В зависимости от качества исходного сланца, уровня цен на сырье и энергоносители выполнена оптимизация массогабаритных характеристик и параметров работы системы аппаратов реакторного блока.

Показано, что эффективность сланцеперерабатывающего комплекса (СПК) определяется максимальной прибылью, полученной в результате реализации товарной продукции. Выделение конечных продуктов комплексной переработки сланцев обусловливается работой отделения конденсации ПГС, в состав которого входят стандартные тепло-, массообменные устройства. При этом основным фактором, влияющим на количественные и качественные характеристики продукции, а, следовательно, и на величину прибыли является состав ПГС. В свою очередь, условия пребывания и взаимодействия исходного горючего сланца с зольным теплоносителем в реакторном блоке УТТ определяют сам состав ПГС.

При проведении оптимизации энерготехнологической схемы реакторного блока нами было принято допущение о постоянстве выхода и состава парогазовых продуктов, которое осуществлялось путем количественного регулирования расхода исходного сланца в барабанный реактор. В качестве критерия оптимальности была выбрана величина чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ). Если учесть, что разность текущих затрат между сравниваемыми вариантами постоянна на каждом I-том шаге и может возрастать только в связи с инфляционным ростом цен, максимум показателя ЧДД будет соответствовать минимуму величины, определяемой выражением,

3 'С-)',.¿г-Цг + ^-Ет-Чг' (19>

где 3 - дисконтированные затраты для рассматриваемого варианта, руб.; X - эксплуатационные издержки, не зависящие от уровня капиталовложений, руб./год.; К - изменяющаяся часть капитальных вложений, руб.

Для определения независимого числа оптимизируемых параметров был проведен обстоятельный анализ работы реакторного отделения, принципиальная схема которого представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема реакторного блока для полукоксования сланца с твердым (зольным) теплоносителем: Материальные потоки: 1 - карьерный сланец, II - сухой сланец, III - сланцевый

полукокс, IV - зольный теплоноситель, V - дымовые газы, VI - прокаленный зольный остаток, VII - воздух, VIII - парогазовая смесь (ПГС) от полукоксования, IX - питательная вода в КУ, X - пар из КУ; XI - электроэнергия от стороннего источника

........ . условная граница

реакторного блока

Задача оптимизации характеристик оборудования и рабочих параметров блока полукоксования горючего сланца может быть записана в следующем виде:

3 = /(<рг;/,;а) -» min 4% <(/>.. <10%

(20)

400 "С < /„ < 600 С 1,4<а <2

Выбор интервалов варьирования для остаточного углерода в полукоксе <рс и температуры воздуха /„ обусловлен реальными режимами работы оборудования на установках типа УТТ. Увеличение количества остаточного углерода в сланцевом полукоксе выше 10% приведет к росту температуры зольного теплоносителя до значений, близких к размягчению. Увеличение коэффициента расхода воздуха а выше 2 приводит к снижению температурного уровня в основном объеме АФТ за счет существенных затрат теплоты на его нагрев, и тем самым, значительно повышается количество зольного теплоносителя, подаваемого в барабанный реактор. Все это приводит к увеличению размеров основного оборудования, а, следовательно, капитальных и текущих затрат.

На рисунке 8 показано влияние стоимости исходного сланца на температуру воздуха, подаваемого в АФТ, и на остаточное содержание углерода в сланцевом полукоксе. Повышение эксплуатационных затрат на исходное сырье приводит к необходимости снижения расхода сланца в барабанный реактор путем увеличения времени пребывания сланцезольной смеси в аппарате и более полному разложению органического вещества.

а б

Рис. 8. Зависимость а) оптимальной температуры воздуха в АФТ и б) оптимальной величины остаточного углерода в полукоксе от стоимости сланца

На рисунке 9 показано влияние стоимости электроэнергии на технологические параметры работы аэрофонтанного устройства.

а б

Рис. 9. Зависимость а) оптимальной температуры воздуха в АФТ и б) коэффициента расхода воздуха в АФТ от стоимости электроэнергии

Повышение стоимости электроэнергии приводит к необходимости компенсации текущих затрат за счет снижения количества подаваемого на горение воздуха, а это, в свою очередь, сказывается на характеристике процесса в аэрофонтанной топке. Уменьшение коэффициента расхода воздуха ведет к увеличению соотношения СО/СОг в продуктах сгорания, а следовательно, к снижению тепловыделения за счет увеличения выхода СО с более низким экзотермическим эффектом реакции (23350 кДж/кг против 34000 кДж/кг). Это обстоятельство прямым образом сказывается на работе барабанного реактора (увеличение кратности циркуляции зольного теплоносителя) и вспомогательного оборудования (котла-утилизатора, барабанной сушилки и зольного теплообменника).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методические положения расчета характеристик и показателен эффективности реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья на основе установок с твердым теплоносителем.

2. Доказана гипотеза о доминирующей роли конвективного переноса теплоты в барабанном реакторе при активном газовыделении в слое непрерывно перемешивающейся сланцезольной смеси с последующей фильтрацией парогазовой смеси через этот слой, косвенным подтверждением которой служат результаты сравнения расчетных данных вычислительного эксперимента с опытными данными Е.И. Казакова

3. Разработан и программно реализован алгоритм математического описания процесса термодеструкции органического вещества сернистого горючего сланца в установке с твердым теплоносителем. Расчетно-аналитическими исследованиями обоснованы массогабаритные характеристики и эксплуатационные параметры работы барабанного реактора производительностью 500 т/сут.: длина реактора, диаметр, время пребывания, кратность циркуляции зольного теплоносителя. Так, при увеличении длины реактора с 5 м до 7,5 м доля остаточного углерода в полукоксе сократится с 8% до 4%.

4. Путем проведения численных экспериментов на математической модели установлено, что фракция сланца размером 1-7 мм прогревается в течение 30^60 сив дальнейшем служит источником теплоты для более крупных частиц. Кроме того, через 500-600 с после подачи исходного сланца наступает режим теплового равновесия и дальнейший процесс полукоксования проходит в режиме изотермической выдержки. Наблюдаемое при этом незначительное понижение температуры сланцезольной смеси на 20-25°С обусловлено протеканием эндотермических реакций разложения органического вещества.

5. Выполнено математическое описание аэрофонтанной технологической топки для регенерации теплоносителя за счет дожигания остаточного углерода полукокса, позволяющее оценить время фонтанирования частиц коксозольного остатка, температуру и состав газовзвеси, а также получить комплекс исходных данных для проведения конструкторского расчета. Разработаны алгоритмы функционирования вспомогательных элементов реакторного блока: зольного воздухоподогревателя, барабанной сушилки и котла-утилизатора, адаптированные для включения в обобщенное математическое описание системы аппаратов реакторного блока.

6. На основе разработанного комплексного математического описания технологической системы аппаратов реакторного блока УТТ выполнена оптимизация массогабаритных характеристик и режимов работы аппаратов схемы реакторного блока с учетом текущих и прогнозных значений цен на сырье и энергоносители. Выявлено влияние стоимости исходного сланца, электроэнергии, металла на независимые параметры в указанных диапазонах.

Установлено, что в случае двукратного увеличения стоимости электроэнергии по сравнению с тарифом 2015 г оптимальная температура воздуха, подаваемого на горение в АФТ, должна быть снижена с 432 °С до 420 °С, а коэффициент расхода воздуха с 1,42 до 1,4. Установлено влияние изменения стоимости сланца и металла на оптимальные технологические режимы работы и массогабаритные характеристики основного и вспомогательного оборудования.

7. На основе обобщения результатов численных экспериментов, выполненных на разработанной математической модели, показана возможность получения оптимального технологического профиля и рабочих параметров реакторного блока в сложившейся экономической обстановке и с учетом ее динамики.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Селиванов, A.A. Влияние условий выгорания полукокса на состав оборудования реакторного блока при энергоэффективной переработке сернистых сланцев Поволжья / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 1-2. С. 18-27.

2. Селиванов, A.A. Концепция комплексной оптимизации реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 1.№3(54). С. 132-136.

3. Селиванов, A.A. Динамика термического разложения сланца с учетом эндотермического эффекта / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 3 (67). С. 141-145.

4. Селиванов, A.A. Анализ эффективности полукоксования сернистых сланцев при формировании энергетических и экономических показателей /

A.A. Селиванов, А.Н. Мракин // Энергетика Татарстана. 2013. № 4. С. 33-38.

Свидетельства на программы для ЭВМ

5. Программа расчета барабанного реактора полукоксования горючего сланца с использованием твердого (зольного) теплоносителя / A.A. Селиванов,

B.Ф. Симонов, А.Н. Мракин // Программа для ЭВМ заявка №2014664256 от 22.12.2014.

6. Программа расчета аэрофонтанной технологической топки для дожигания остаточного углерода в полукоксе в технологической схеме УТТ / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов, А.Н. Мракин // Программа для ЭВМ № 2015612536 от 22.12.2014.

7. Программа оптимизации схемы комплексной переработки сернистого горючего сланца с головным процессом полукоксования в реакторе с твердым (зольным) теплоносителем / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов, А.Н. Мракин // Программа для ЭВМ № 2015612304 от 19.12.2014.

В других изданиях

8. Селиванов, A.A. Математическое описание аэрофонтанной топки для решения задач оптимизации технологии переработки сернистых сланцев Поволжья / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов // Горение твердого топлива: сб. докл. VII Всерос. конф. с междунар. участием. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2009. Т. 3. С. 50-57.

9. Селиванов, A.A. Кинетическое описание процесса полукоксования сернистых сланцев на основе экспериментальных исследований / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов, В.Г. Прелатов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. /СГТУ. Саратов, 2010. С. 132-139.

10. Селиванов, A.A. Производство тиофено-ароматического бензина при термокаталитической переработке сернистых сланцев / A.A. Селиванов, В.Г. Прелатов, J1.B. Левушкина // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 99-104.

11. Селиванов, A.A. Моделирование теплообмена при коксовании сланца в реакторе с твердым теплоносителем / A.A. Селиванов, В.Ф.Симонов, В.Г. Прелатов// Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2012. Вып. 1. С. 219-224.

12. Селиванов, A.A. Комплексное математическое описание реакторного блока УТТ для полукоксования сернистого горючего сланца/ A.A. Селиванов, А.Н. Мракин, A.A. Морев// Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2014. Вып. 3. С. 401-405.

13. Селиванов, A.A. Термохимическая конверсия горючих сланцев Поволжья для выработки энергоносителей / A.A. Селиванов, А.Н. Мракин, A.A. Морев// Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2014. Вып. 3. С. 319-324.

14. Селиванов, A.A. Комплексная оптимизация установки с твердым теплоносителем для полукоксования сернистых сланцев Поволжья / A.A. Селиванов, В.Ф. Симонов, В.Г. Прелатов// Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К.: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-22: в 2 т. Т. 2. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 195-197.

Подписано в печать 22.04.15 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 50 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru