автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и оптимизация реакторного блока для комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое

На правах рукописи

МОРЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕАКТОРНОГО БЛОКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Специальность - 05.14.04. Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548162

Саратов 2014

005548162

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 Вениамин Федорович

Официальные оппоненты: Мингалеева Гузель Рашидовна

доктор технических наук, заведующая лабораторией моделирования систем производства энергии Исследовательского центра проблем энергетики ФГБУН Казанского научного центра РАН

Малов Валерий Тимофеевич

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

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита состоится «10» июня 2014 г. в 14:00 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 научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан «17» апреля 2014 г.

Ученый секретарь /7

диссертационного совета ЛаРин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Россия занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев, общие геологические ресурсы которых оцениваются более чем в 700 млрд. тонн. До настоящего времени эти запасы являются невостребованными. Начавшаяся зарождаться в СССР сланцеперерабатывающая отрасль не смогла пережить последствия распада Советского Союза и экономический кризис, полностью прекратив своё существование в современной России. В немалой степени этому способствовало и увеличение объемов добычи нефти и природного газа, экспорт которых является главной составляющей бюджета нашей страны. Однако истощение запасов нефти и газа диктует необходимость использования новых источников углеводородного сырья, в частности горючих сланцев, запасы которых в пересчете на эквивалентное топливо в десятки раз превышают ресурсы нефти и природного газа.

За последние пять лет в мире наблюдается значительное повышение интереса к использованию потенциала горючих сланцев. Колоссальные темпы добычи сланцевого газа в странах Северной Америки, начало освоения сланцевых месторождений в странах Европы и Китае позволили говорить о начале «сланцевой революции». Тем не менее значительные экологические проблемы добычи сланцевого газа и его относительно высокая себестоимость требуют поиска новых технологий добычи и методов переработки горючих сланцев.

В России на территории Поволжского региона сосредоточены крупнейшие месторождения горючих сланцев. Главной отличительной особенностью Волжских сланцев является высокое содержание серы в составе органического вещества, которая не может быть удалена при обогащении. Это обстоятельство ограничивает применение сернистых горючих сланцев в качестве топлива, однако их огромный экономический потенциал может быть реализован путем использования сланцев как сырья для получения ценных химических веществ, в том числе тиофека.

Создание новых, экологически чистых технологий переработки сернистых горючих сланцев и вовлечения их потенциала в экономику Саратовской области и России в целом позволило бы сократить отставание РФ в этом вопросе от ведущих мировых держав, а также уменьшило зависимость бюджета нашей страны от объемов экспорта нефти и природного газа, что является актуальной на данный момент проблемой, требующей незамедлительного решения.

Создание современных технологий переработки твердых топлив немыслимо без применения методов математического моделирования процессов термодеструкции органического вещества, позволяющих решить проблему аппаратурного оформления головных процессов. Решению этих задач и посвящена данная работа.

Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в изучение проблемы переработки сернистых горючих сланцев внесли ученые кафедры промышленной теплотехники (ПТ) СГТУ. Необходимо особо отметить фундаментальный вклад профессора В.Г. Каширского в изучение процессов и создание новых технологий комплексной переработки сернистых горючих сланцев. Многолетние экспериментальные исследования, выполненные коллективом кафедры ПТ, отражены в многочисленных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работах по вовлечению в хозяйственную деятельность месторождений горючих сланцев, расположенных на территории Саратовской области.

Однако следует отметить, что большая часть этих исследований была выполнена в конце прошлого столетия и не отражает современных тенденций в области переработки твердых топлив. Работы, выполненные коллективом кафедры ПТ, не могут быть в чистом виде применены для описания кинетики разложения органического вещества сернистых сланцев, так как не содержат глубоких исследований процессов термодеструкции с применением современных методов термического анализа.

Недостаточная научная проработанность вопросов математического моделирования полукоксования сернистых горючих сланцев с использованием псевдоожиженного слоя обусловила необходимость создания математического описания этого процесса и определила выбор цели, задач и предмета исследования.

Цель работы: разработка и научное обоснование схемы реакторного блока теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в реакторе полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Объект исследования: теплотехнологическая установка для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Задачи исследования:

1. Разработка и апробация комплекса математических моделей: головного процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя; догорания сланцевого полукокса в объеме циклонной топки; сушки сырья карьерной добычи и утилизации теплоты зольного теплоносителя в рекуперативном теплообменнике с движущимся плотным слоем золы.

2. Обоснование принципиальной схемы предлагаемой теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора псевдоожиженного слоя с разработкой обобщенной математической модели, учитывающей структурные взаимосвязи между элементами.

3. Технико-экономический анализ и оптимизация рабочих параметров оборудования реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое на экономико-математической модели.

4. Выявление диапазона возможных изменений основных конструктивных и эксплуатационных характеристик реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоносители и материалы на основе многовариантных оптимизационных расчетов.

Научная новизна:

1. Представлена научная гипотеза, объясняющая механизм интенсивного термического разложения органического вещества сернистого горючего сланца в аппаратах псевдоожиженного слоя под воздействием высокой скорости нагрева, которая являемся одним из главных факторов, влияющих на количественный и качественный состав конечных продуктов термодеструкции.

2. Получены зависимости, позволяющие определить качественный и количественный состав продуктов термопереработки сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевдоожиженном слое, и описаны стадии процесса разложения природного высокополимера сернистого горючего сланца с точки зрения формальной химической кинетики.

3. Разработаны математические описания условий реализации основных физико-химических процессов при полукоксования Поволжского сланца в реакторе псевдоожиженного слоя, учитывающие характеристики горючего сланца карьерной добычи и величину эндотермического эффекта разложения, а также изменяющиеся в процессе термодеструкции теплофизические параметры частиц сланца и кинетику разложения органического вещества.

4. Разработана экономико-математическая модель и реализована • процедура многофакторной оптимизации рабочих параметров реакторного

блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое, на основе которой обоснованы экономически целесообразные параметры оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработаны математические модели и методика расчета комплекса взаимосвязанных физико-химических процессов применительно к условиям термического разложения сернистых сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя, которые могут служить научной основой для обоснования расчетных параметров реакторного блока в предлагаемой технологической схеме.

2. Предложена принципиальная технологическая схема для комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в аппарате псевдоожиженного слоя, позволяющая значительно сократить капиталовложения в оборудование реакторного блока по сравнению с реактором УТТ.

3. Раскрыты закономерности влияния температуры и времени процесса полукоксования на качественный и количественный состав продуктов термодеструкции сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевдоожиженном слое, на основе которых получены расчетные зависимости.

4. На основе многофакторной оптимизации определены оптимальные значения рабочих параметров оборудования реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы.

Методология и методы исследования

Методологической основой диссертации являются методы формализации и математического моделирования последовательных и параллельных процессов, происходящих в реакторе псевдоожиженного слоя при полукоксовании сернистого горючего сланца, а также процессов во вспомогательном оборудовании реакторного блока. В диссертации были применены фундаментальные законы тепломассообмена, термодинамики и химической кинетики. Использование метода численного эксперимента на математической модели и дальнейшее сравнение результатов математического моделирования с опубликованными экспериментальными данными других авторов позволило подтвердить достоверность выдвинутых предположений о закономерностях термодеструкции органического вещества сернистого сланца.

Положения, выносимые на защиту: схемные решения блока полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое; кинетические закономерности процесса разложения органического вещества сернистого сланца в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое; методика технико-экономической оптимизации оборудования и рабочих параметров полукоксования сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое, адаптированная к особенностям предлагаемой технологической схемы; результаты численных исследований и оптимизации блока полукоксования.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); VI Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 2011); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25» (Саратов, 2012).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 7 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработка и обоснование схемного решения блока полукоксования сернистого горючего сланца на основе реализации головного процесса в реакторе с псевдоожиженным слоем.

2. Разработка обобщенного математического описания и математическое моделирование процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое с учетом влияния комплекса сопутствующих физико-химических процессов, происходящих во всех дополнительных элементах предложенной схемы реакторного блока.

3. Разработка методики и алгоритма оптимизации рабочих параметров и характеристик оборудования предложенной схемы реакторного блока.

4. Выполнение многовариантных оптимизационных расчетов, определяющих характеристики оборудования и рабочие параметры основного и всех вспомогательных процессов в элементах предложенной схемы в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы.

5. Подготовка и публикация основных результатов выполненной работы, написанных единолично либо в соавторстве с научным руководителем; апробация результатов исследования на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 23 рисунка, 10 таблиц. Список использованных источников включает 77 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Перспективные направления и способы переработки сернистых сланцев Поволжья» приводится краткая характеристика месторождений Волжско-Печорской сланценосной провинции, показана возможность карьерной добычи горючего сланца на Коцебинском и других месторождениях. Рассмотрены проблемы вовлечения потенциала сланцев Поволжья в экономику региона- и проанализированы современные технологии переработки сернистых сланцев. Показана целесообразность использования реакторов псевдоожиженного слоя для полукоксования горючих сланцев.

Огромные запасы горючих сланцев Волжского сланцевого бассейна до настоящего времени остаются невостребованными. Прежде всего, это связано с высоким содержанием серы в составе органического вещества Волжского сланца. Это обстоятельство препятствует применению сланца в качестве топлива из-за высокого содержания оксидов серы в дымовых газах. Вместе с тем термическая обработка сланца в режиме полукоксования позволяет перевести большую часть органического вещества

в смолу с содержанием серы до 7-8%. В составе образующейся в результате полукоксования парогазовой смеси (ПГС) содержатся ценные сераорганические соединения - тиофен, 2-метилтиофен, 2-5-диметилтиофен. Указанные продукты в настоящее время в Российской Федерации и странах СНГ не производятся. Вместе с тем эти вещества находят широкое применение при синтезах медицинских и ветеринарных препаратов, гербицидов, пестицидов, фунгицидов.

Процесс полукоксования горючих сланцев может быть реализован в установке с твёрдым теплоносителем (УТТ) и в реакторе псевдоожиженного слоя (ПС). По сравнению с УТТ реактор псевдоожиженного слоя обладает рядом преимуществ, главное из которых- высокая интенсивность процессов тепло- и массообмена материала с ожижающей средой и вследствие этого увеличение производительности установки и уменьшение капитальных затрат в оборудование реакторного блока.

Таким образом, разработка принципиальной технологической схемы реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев в псевдоожиженном слое и оптимизация рабочих параметров процесса представляется актуальной задачей, решение которой целесообразно производить на основе методов математического моделирования.

Во второй главе «Обзор экспериментальных и теоретических исследований по применению псевдоожиженного слоя в технологии подготовки и переработки твёрдых топлив» рассматриваются особенности применения аппаратов с псевдоожиженным слоем для осуществления гетерогенных технологических процессов с твердой фазой. Показана возможность применения псевдоожиженного слоя для полукоксования сернистого горючего сланца.

Экспериментальные исследования по возможности применения псевдоожиженного слоя для полукоксования горючего сланца начались ещё в середине XX века. Работы, выполненные в научно-исследовательском институте сланцев г. Кохтла-Ярве, показали, что для мелкозернистого сланца метод полукоксования в псевдоожиженном слое является более эффективным по сравнению с промышленно освоенным способом переработки в реакторе с твердым теплоносителем.

В третьей главе «Теоретические основы и разработка математического описания процессов полукоксования сернистых сланцев в псевдоожиженном слое» приводятся основные положения разработанной и программно реализованной математической модели процесса полукоксования горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое, учитывающей характеристики горючего сланца карьерной добычи как твердой фазы псевдоожиженного слоя, особенности гидродинамики и теплообмена в псевдоожиженном слое, а также позволяющей определять качественный и количественный состав образующихся продуктов полукоксования.

Сернистый горючий сланец карьерной добычи характеризуется широким полифракционным составом. Эквивалентный диаметр полифракционной смеси определяется по формуле для средней гармонической величины:

где Л! - массовая доля в смеси частиц размера .

Ряд параметров слоя (например, площадь поверхности теплообмена) зависит от формы частиц. Величина поверхности сферических частиц однозначно определяется по их диаметру. Поверхность несферической частицы всегда больше поверхности равного по объему шара. Для учета этого различия вводится понятие о факторе формы частицы Ф, количественно определяющего отличие реальной формы частицы от идеальной сферы. В результате пересчета систематизированных значений Ф было получено значение фактора формы частиц горючего сланца карьерной добычи (г/, = 2,5 + 11,2 мм) Ф=0,653.

Твердые топлива характеризуются действительной и кажущейся плотностью. Действительная плотность горючего сланца зависит от плотности его органической массы, от содержания и характера минеральных примесей и может быть рассчитана по уравнению:

"00 р,

А=-т^-(2)

Ю0-/11 •

\ р.......

где ра - плотность органической массы сланца, кг/м?; Ас - выход золы на

сухую массу сланца, %; р......- плотность минеральных примесей горючего

сланца, кг/м\

Расчеты движения и теплообмена топливных частиц в газовых потоках проводятся с использованием значений кажущейся плотности. Если известна пористость топлива П, определяемая как отношение объема пор частицы к полному её объему, то кажущаяся плотность для сухого сланца определяется как:

рк=р,г{\-П). (3)

При полукоксовании горючего сланца происходит интенсивное выделение летучих и уменьшение содержания органического вещества в частицах нагреваемого сланца. В результате пористость топлива увеличивается. Данное обстоятельство учитывается при моделировании процессов термической деструкции топлива, так как изменение пористости, а следовательно и кажущейся плотности частиц ведёт к изменению поверхности теплообмена. Поэтому для расчета кажущейся плотности горючего сланца нами использована модифицированная

зависимость (4), позволяющая учесть уменьшение плотности частиц горючего сланца в процессе выделения летучих:

р: =А-О-!«). (4)

где ~ суммарный удельный выход летучих (масса выделяющихся летучих веществ в расчете на 1 кг сланца), к г7 к г.

Выражение для расчета удельной поверхности частиц /, м2/кг, может быть записано с использованием полученных ранее значений эквивалентного диаметра частиц, кажущейся плотности сланца и фактора формы:

/ (5)

Уравнение теплового баланса процесса полукоксования горючего сланца в реакторе псевдоожиженного слоя имеет вид:

с„ • с„ • С + С, ■ <■•, • К - • = • • + ■ ■ /„, + С_, ■ с, ■ г„,, (6) где Сс1, С., С,„., С„,с - расход соответственно сланца, газа псевдоожижения, полукокса и ПГС, кг/с; сс,п с,, спк, сЯЛ. - массовые теплоемкости соответственно сланца, газа псевдоожижения, полукокса и ПГС, кДж/кг-°С; соответственно температура горючего сланца и газа

псевдоожижения на входе в реактор псевдоожиженного слоя, °С; г,№ -температура полукоксования горючего сланца, °С; ()т1 - суммарный удельный эндотермический эффект разложения горючего сланца, кДж/кг сух. сл.

Для моделирования разложения горючего сланца по законам формальной химической кинетики необходимо знать температуру частиц нагреваемого сланца на каждом временном интервале. Для решения этой задачи используются уравнения теплового баланса и теплоотдачи, совместное решение которых позволяет получить зависимости поинтервального (по времени) изменения температуры горючего сланца и газа псевдоожижения:

• + ■ ) + а ■ / ■ дГ

(7)

где г', и г* - температура сланца соответственно на входе и на выходе из рассматриваемого элементарного временного интервала, °С; г' и г* -температура газа соответственно на входе и на выходе из рассматриваемого элементарного временного интервала, °С; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-°С; Дг- величина элементарного временного интервала, с; А£>.,м -величина удельного эндотермического эффекта, отнесенная к количеству разложившегося органического вещества горючего сланца на /-м интервале расчета, кДж/кг.

/

Таким образом, выражения (7) и (8) позволяют получить значения температур сланца и газа псевдоожижения на любом элементарном интервале расчета и учесть изменяющиеся во времени теплофизические свойства взаимодействующих фаз, изменение поверхности теплообмена и коэффициента теплоотдачи, а также величину эндотермического эффекта разложения органического вещества горючего сланца.

Для определения количества выделившихся летучих продуктов полукоксования используются положения формальной химической кинетики. В соответствии с положениями химической кинетики скорость образования суммарных летучих продуктов при полукоксовании сланца может быть записана в виде:

^ = (9)

ат1 м>

где количество образующихся летучих продуктов (кг/100 кг сух. сл.) за время <7 г,, (с) на /-м участке расчета от начала разложения; К0 -предэкспоненциальный множитель, 1/с; Е- энергия активации, кДж/моль; /?-универсальная газовая постоянная, кДж/моль'К; Г-температура термического разложения, К (средняя по массе подвергающихся полукоксованию частиц сланца); - начальное содержание условного органического вещества (УОМ) в сухом сланце, кг/100 кг сух. сл.; п - порядок реакции.

Для определения неизвестных в выражении (9) данных об энергии активации, предэкспоненциальном множителе и порядке реакции нами были использованы экспериментальные данные по полукоксованию сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое. Совместное использование кинетических параметров позволило преобразовать выражение (9) к виду, пригодному для количественной оценки образовавшихся в результате полукоксования продуктов с учётом их качественного состава:

- газы дезоксидации (ССЬ, НоО, НгБ):

1(1525

— = 7,03• с ' (8о-][>)», (Ю)

Дг

- «легкие» газы (Н2, СО, СН4, С2Н4):

7е... 11X44

— = 79,88-е < (И)

Дг

- смоляные продукты:

сч 12497

= 6204 • е < (во-2>>а7. (12)

Дг ^

Одним из важнейших параметров, оказывающих влияние на количественный и качественный состав продуктов полукоксования является скорость нагрева исходного сланца. Важным обстоятельством является учёт влияния скорости нагрева на динамику выхода отдельных групп летучих продуктов и их качественные характеристики.

В результате анализа выполненных ранее исследований установлено, что при увеличении скорости нагрева происходит смещение температур начала разложения к более высоким значениям. Также происходит смещение в сторону увеличения и температуры, соответствующей максимальному выходу летучих.

На основании выполненного анализа реализуется следующая последовательность выделения компонентов летучих продуктов в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое:

-температурный интервал 100-350 "С: летучие представлены газами дезоксидации;

- температурный интервал 350-400 °С: летучие представлены «легкими» газами;

- температурный интервал 400-600 "С: летучие представлены смоляными продуктами.

Стоит отметить, что в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое выход отдельных групп летучих не лимитируется приведенными выше температурными интервалами, а продолжает осуществляться согласно уравнениям химической кинетики (10), (11), (12) вплоть до полного разложения органического вещества.

Для проверки адекватности полученного математического описания процесса полукоксования сернистого горючего сланца Поволжья в псевдоожиженном слое и сопоставления с экспериментальными данными был проведен численный эксперимент. Исходными данными являлись результаты экспериментальных исследований полукоксования сланца Коцебинского месторождения в псевдоожиженном слое. При заданных характеристиках горючего сланца (<!„ = 1,25-2,5 мм, £0 =27,26 кг/100 кг сух. сл.), заданной температуре в реакторе и остаточном содержании органики в полукоксе было определено количество (табл. 1), динамика (рис. 1) выхода отдельных компонентов ПГС, а также получено среднее время разложения твердого топлива до заданной степени выгазовывания.

Таблица 1

Сравнение экспериментальных данных и результатов численных экспериментов

Показатели Опыт№1 Опыт №2

эксп. модел. эксп. модел.

Время выгазовывания, мин 14,25 15,7 8,9 8,08

Состав парогазовой смеси, кг/100 кг сух. сл.

Газы дезоксидации 11,45 13,46 ! 15,23 13,5

«Легкие» газы 0,58 0,77 1,6 1,04

Смола 7,46 5,26 | 6,4 8,7

Средняя абсолютная погрешность выхода компонентов ПГС 1,5 кг/100 кг сух. сл.

Средняя относительная погрешность выхода компонентов ПГС 27%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Время, мин

Рис. 1. Выход летучих в зависимости от времени прогрева (опыт №1): 1 - выделение газов дезоксидации; 2 - выделение «легких» газов; 3 - выделение смолы

Кроме того, были получены температурные графики динамики нагрева частиц сланца в реакторе псевдоожиженного слоя (рис. 2).

о

1000 900 800 700 о. 600 5 500

и

I 400

¡и

- 300 200 100 0

температура газа

температура сланца

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 Время, мин

Рис. 2. Зависимость изменения температуры частиц сланца от времени (опыт № 1)

Согласно рис. 2, температуры газа и сланца быстро выравниваются и теплообмен в псевдоожиженном слое можно считать завершенным (что согласуется с экспериментальными данными многих ученых). Кроме того, можно наблюдать небольшое снижение температуры сланца на протяжении всего времени полукоксования. Данный факт является следствием эндотермического эффекта при разложении органического

вещества горючего сланца. Следовательно, можно сделать вывод, что скорость теплообмена в псевдоожиженном слое значительно превышает скорость разложения органической массы и процесс деструкции горючего сланца практически полностью протекает при заданных (конченых) условиях нагрева, что позволяет предотвратить разложение органического вещества при низких температурах и способствует увеличению выхода смоляных продуктов, образование которых термодинамически наиболее вероятно при конечной температуре полукоксования. Данный прием позволяет управлять процессом диспропорционирования элементов исходного органического вещества горючего сланца при формировании новых соединений за счет изменения скорости нагрева.

В четверной главе «Обоснование схемы и математическое описание процессов во вспомогательных аппаратах блока полукоксования сланца в псевдоожиженном слое» представлена принципиальная технологическая схема реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое (рис. 3). Разработано математическое описание процесса догорания сланцевого полукокса в циклонной топке, приведена методика расчета рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем зольного теплоносителя и сушилки горючего сланца с псевдоожиженным слоем.

ПГС

В атмосферу Ж

Сланец

д©

•ЕНЗ-г-И-

Газ на внутреннее потребление

го

!Я ! = 3 I 3

со ; О сЗ ;Ю

о и

ят

е

! т а 0

1----------В'

1М1

£

Л V

- ©

] 7

Воздух

Рис. 3. Принципиальная технологическая схема реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое: I - сушилка; 2 - реактор псевдоожиженного слоя; 3 - система конденсации смолы; 4 - блок выделения газового бензина; 5 - блок сероочистки; 6 - топка сжигания сланцевого газа; 7 - циклонная топка; 8 - зольный теплообменник; 9 - теплообменник нагрева газа псевдоожижения

Процесс выгорания углерода из сланцевого полукокса происходит во всем объеме исходных частиц. Процесс выгорания представлен в виде двух реакций:

С + 02=С07, (13)

2С + Ог = 2СО. (14)

Для описания процессов в циклонной топке могут быть использованы теоретические положения гетерогенного горения. При этом в качестве рабочей гипотезы принят вариант описания процесса догорания углерода, равномерно распределенного в процессе полукоксования по зольной поверхности сланцевого полукокса.

Если принять цилиндрическую форму пор с диаметром с1п, то уравнение для определения удельной (м2/м3) поверхности коксозольных частиц 5,, можно записать в следующем виде:

=<*£- + -!-), (15)

11

где с1к! - средний диаметр коксозольных частиц, м; д - пористость коксозольного остатка, %.

Используя положения теории гетерогенного горения, получена зависимость, пригодная для по интервального (по времени) расчета уменьшения толщины 6 пленки углерода на пористой поверхности полукокса:

дг=_(К'+ 2К> > (с„г<> - X см х8о -1 да,) ■ д г, (16)

Рс8 в 1 >

где К, и Кг - константы скорости реакций (13) и (14), м/с; Дг - выбранный

интервал расчета по времени, с; ^А^, - суммарное количество

1

догоревшего углерода за время, предшествующее расчетному интервалу, кг/100 кг сух. сл.; go - содержание углерода в исходном сланцевом полукоксе, кг/100 кг сух. сл.; С,,,-,о - концентрация кислорода в исходном

дутьевом воздухе, кмоль/м"; - снижение содержания кислорода в

1

газовой фазе за время, предшествующее расчетному интервалу, кмоль/м3; рс - плотность углерода, кмоль/м3.

Для определения значений констант скорости реакций (13) и (14) использованы следующие значения предэкспоненциального множителя и энергии активации:

Кы =0,6-10' м/с; Кт =10,810' м/с;

£, =110-10' кДж/кмоль; Ег =130-10' кДж/кмоль. Уравнение теплового баланса процесса догорания сланцевого полукокса показано ниже:

(«:, ■ с+у."- о ■=(«,»■ • с+к'-'-:) • >'+е,„ - е.„„,, (17)

где (' и /" - температура газовзвеси соответственно в начале и в конце временного интервала, °С; и д"к - расход сланцевого полукокса, соответственно в начале и в конце временного интервала, кг/100 кг сух. сл.; с'т и с* - теплоемкость полукокса соответственно в начале и в конце

временного интервала, кДж/кг-К; V' и V' - объем газовой фазы соответственно в начале и в конце временного интервала, mV100 кг сух. сл.; с, и с* - теплоемкость газовой фазы соответственно в начале и в конце временного интервала, кДж/м3-К; Qm - суммарный экзотермический эффект догорания углерода по реакциям (13) и (14), кДж/100 кг сух. сл.; Q„u, ~ суммарный эндотермический эффект разложения карбонатов кальция и магния по реакциям:

СаСО, = CaO + С02 -(?,.„, (18)

MgCOз = MgO + С02 - Qslg. (19)

Количество разложившихся карбонатов кальция и магния определялось на основе уравнений формальной химической кинетики.

Для нагрева воздуха, поступающего в циклонную топку, используется теплота золы, полученной при сжигании полукокса в топке. Передача теплоты от золы к воздуху происходит в зольном теплообменнике. Использование для этих целей регенеративных теплообменных аппаратов (в частности, аппаратов с продуваемым плотным слоем) сопряжено со значительными трудностями, связанными с широким полифракционным составом зольного теплоносителя и наличием большого числа мелких частиц золы, уносимых из слоя. По мнению автора, для передачи теплоты от зольного остатка к воздуху целесообразно использовать рекуперативные теплообменники, выполненные в виде шахтного аппарата с гладкотрубным шахматным пучком, поперечно омываемым средой (золой).

В пятой главе «Обобщенное математическое описание и оптимизация энерготехнологической установки для переработки сернистого сланца» приведено обоснование критерия технико-экономической оптимизации характеристик оборудования и рабочих параметров процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое. Представлен алгоритм расчёта и оптимизации реакторного блока. Выполнена оптимизация характеристик оборудования и рабочих параметров процесса полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое в зависимости от цен на сырье, энергоресурсы и материалы.

Для оптимизации характеристик оборудования реакторного блока полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое была использована методика, согласно которой критерием оптимальности является величина чистого дисконтированного дохода (ЧДД), представляющая собой разность между дисконтированными результатами и затратами в проект. При выполнении оптимизационных расчетов было принято допущение о постоянстве результатов проекта (R = const), вследствие чего выражение для расчета критерия оптимальности было существенно упрощено путем сведения к переменной части дисконтированных затрат.

В результате проведения глубокого анализа схемы реакторного блока, представленной на рис. 3 были выявлены наиболее значимые независимые факторы, определяющие условия полукоксования горючего сланца в реакторе псевдоожиженного слоя и влияющие на совместную работу всего оборудования реакторного блока. Такими факторами являются: температура полукоксования горючего сланца tm, температура газа псевдоожижения на входе в реактор г', а также температура подогретого воздуха, поступающего в циклонную топку rj,„. Допустимые интервалы варьирования имеют следующие ограничения:

i500°C < tm: < 600°С

•¡800°С<г;<1100°С (20)

¡400°С<4, < 600°С

Представленный в (20) интервал изменения температуры полукоксования горючего сланца 500-600 °С соответствует максимальному выходу ценных продуктов термической переработки. Ограничения температуры поступающего в реактор псевдоожиженного слоя теплоносителя продиктованы существенным увеличением расхода газа псевдоожижения (при (' <800°С) и размягчением минеральной части частиц горючего сланца (при t\ > 1100°С). Доверительный интервал изменения температуры подогретого в зольном теплообменнике воздуха, идущего на горение в циклонную топку, обусловлен кинетикой выгорания углерода с поверхности коксозольной частицы, а также условиями эксплуатации теплообменника в зимний период.

Оптимизация осуществлялась методом покоординатного спуска (метод Гаусса-Зейделя). В качестве исходной точки были выбраны минимальные граничные условия поиска.

На основе вышеописанной методики разработаны алгоритм расчета и оптимизации характеристик оборудования и рабочих параметров процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое. Программа реализована в среде Visual Basic.

В качестве иллюстрации работы программы показано влияние стоимости электроэнергии на величину оптимизируемых параметров (рис. 4). Расчеты произведены применительно к

сланцеперерабатывающему предприятию производительностью 500 тонн сухого сланца в сутки.

Из рис. 4 (а) видно, что при увеличении стоимости электроэнергии происходит увеличение оптимальной температуры полукоксования. Это связано с тем, что при увеличении стоимости электроэнергии возрастают эксплуатационные затраты на привод нагнетателей, в том числе нагнетателя газа псевдоожижения. Уменьшение этих затрат достигается уменьшением высоты псевдоожиженного слоя, а следовательно, увеличением оптимальной температуры полукоксования.

Из рис. 4 (б) следует, что увеличение стоимости электроэнергии сопровождается увеличением оптимальной температуры газа псевдоожижения до её предельного значения (1100 °С).

510 ? 508 2 506 ¡504

| 502 | 500

§498 - 496 494

1

/

/

/ /

/

/

ннж няя г эанш (а по ге.чнс Л0П1 ¡еско му рс глам :нту

4—

2 2,5 3 3,5

Стоимость электроэнергии, руб./кВт-ч

з 1120

Ё Ш0

Р- ^ 1100

С'

£ 2" 1090

1 1 1080 8 | 1070

1 1060

I I 1050

| " 1040

с 1030

1 вер шяя ■ран! ЦЯ ПС техн >ЛОГ| ческс му р( глам :нгу

/

/

/ )

/

/

4- - -

2 2.5 3 3.5

Стоимость электроэнергии, руб. кВт-ч

Рис. 4. Зависимость оптимальной температуры полукоксования (а) и газа псевдоожижения (б) от стоимости электроэнергии (при Цжт=300 руб./кг; Ц„„д= 100 руб./т)

Данное обстоятельство объясняется тем, что при увеличении стоимости электроэнергии возрастают эксплуатационные затраты на привод нагнетателя газа псевдоожижения. Для их уменьшения происходит увеличение сопровождающиеся уменьшением расхода газа псевдоожижения и следовательно уменьшением необходимой мощности нагнетателя.

Таким образом, совместный анализ данных рис. 4 (а) и (б) позволяет сделать вывод о решающем влиянии на эксплуатационные затраты мощности, потребляемой нагнетателем газа псевдоожижения. Уменьшение затрат на привод нагнетателя при увеличении стоимости электроэнергии достигается вначале увеличением оптимальной температуры газа псевдоожижения до её максимально возможного значения, а затем увеличением оптимальной температуры полукоксования.

Изменение стоимости электроэнергии не оказывает влияния на величину оптимальной температуры воздуха на входе в циклонную топку, значение которой на всем рассматриваемом интервале находится на минимальном уровне (400 °С).

На рис. 5 представлена зависимость минимума функции дисконтированных затрат от содержания УОМ в горючем сланце при стабилизации остальных внешних и внутренних факторов. Также на дополнительной оси показаны оптимальные значения оптимизируемых параметров.

380

370

360 -

in

о. 350 -

i 340 -

Е 330 -

Г-ч

<1

320 -

310 -

300 -

Ч

A3"1

Ч

К

к

ч

X.

ч

С

ч

1200

lOOOg.

£ 800 §" с S

600 ^ о

я °

400 | 2

25 26 27 28 29 30 Содержание УОМ в горючем сланце,

Рис. 5. Зависимость минимума функции дисконтированных затрат от содержания УОМ в исходном сланце (при Ц„=2 руб./кВт-ч; Цмет= 100 руб./кг; Ц1Ю11= 100 руб./т)

Из рис. 5 видно, что при увеличении содержания органики в сланце происходит уменьшение минимума критерия оптимальности. Это обстоятельство объясняется тем, что при увеличении УОМ в сланце происходит уменьшение производительности установки по сланцу (исходя из требований постоянства выручки от реализации продукции R = const) и соответственно уменьшение капитальных вложений и эксплуатационных издержек в аппараты реакторного блока. При этом оптимальные значения оптимизируемых параметров i„„., t', t'am остаются неизменными. Это объясняется тем, что с увеличением содержания УОМ в карьерном сланце возрастает время пребывания частиц в реакторе псевдоожиженного слоя и следовательно увеличиваются затраты в реактор. Вместе с тем уменьшение расхода сланца (при увеличении УОМ) приводит к снижению капитальных вложений и эксплуатационных издержек, что компенсирует возрастание затрат из-за увеличения времени пребывания сланца в реакторе. Поэтому значения оптимизируемых параметров остаются на прежнем уровне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований выявлены недостатки и преимущества установок различного типа для переработки твердого топлива. Установлено, что для полукоксования сернистых горючих сланцев наиболее целесообразно применение реакторов псевдоожиженного слоя, обеспечивающих значительное сокращение капитальных затрат в оборудование реакторного блока и позволяющих увеличить выход ценных (смоляных) продуктов термодеструкции.

2. Приведены механизмы термодеструкции сернистого горючего сланца в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое. Определены значения энергии активации, предэкспоненциального множителя и порядка реакции для различных стадий разложения природного высокополимера сернистого сланца. Показано, что в интервале температур полукоксования 5004-600 °С достигается наибольший выход ценных продуктов термопереработки.

3. Разработана математическая модель процесса полукоксования сернистого горючего сланца в реакторе псевдоожиженного слоя, учитывающая характеристики горючего сланца карьерной добычи, величину эндотермического эффекта разложения и кинетику термодеструкции органического вещества и позволяющая определять качественный и количественный состав образующейся при полукоксовании парогазовой смеси с точностью до 1,5 кг/100 кг сух. сл.

4. С использованием разработанной математической модели выявлено влияние характеристик горючего сланца карьерной добычи и условий реализации процесса полукоксования на конструктивные параметры реактора псевдоожиженного слоя. В частности, установлено, что изменение содержания условной органической массы в сернистом сланце в пределах 254-30 кг/100 кг сух. сл. не оказывает существенного влияния на требуемый диаметр и высоту реактора, повышение температуры полукоксования от 500 до 600 °С, напротив, приводит к значительному сокращению высоты псевдоожиженного слоя.

5. Разработано математическое описание процесса догорания сланцевого полукокса в объеме циклонной топки, сушки сырья карьерной добычи и утилизации теплоты зольного теплоносителя в рекуперативном теплообменнике с движущимся плотным слоем золы, позволяющее создать обобщенную математическую модель реакторного блока, учитывающую структурные взаимосвязи между элементами.

6. Разработана экономико-математическая модель, с использованием которой выполнена оптимизация рабочих параметров оборудования реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое, и выявлено влияние изменяющейся стоимости энергоресурсов и материалов на числовые значения оптимизируемых

параметров. Установлено, что при увеличении стоимости электроэнергии происходит возрастание оптимальной температуры полукоксования и газа псевдоожижения, совершенно обратная тенденция наблюдается при увеличении стоимости стали. Изменение стоимости карьерной добычи сернистого сланца в пределах 1004-250 руб./т не оказывает влияния на значение оптимизируемых параметров, а оптимальное значение температуры воздуха, поступающего в циклонную топку, неизменно и составляет 400 °С.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Морев A.A. Оптимизация энерготехнологической установки для переработки сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое / A.A. Морев, В.Ф. Симонов // Известия вузов. Проблемы энергетики 2014 №1/2. С. 81-87.

2. Морев A.A. Исследование влияния характеристик сернистого сланца карьерной добычи на габаритные размеры реакторов полукоксования в псевдоожиженном слое / A.A. Морев, В.Ф. Симонов И Вестник Саратовского государственного технического университета 2013 №2 (70). С. 132-141.

3. Морев A.A. Перспективные направления и способы переработки сернистых горючих сланцев Поволжья / A.A. Морев // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6; URL: www.science-education.ru/113-11638.

4. Морев A.A. О влиянии скорости нагрева горючих сланцев на динамику выделения летучих продуктов и их качественный состав / A.A. Морев, В.Ф. Симонов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4 (59). С. 182-186.

5. Морев A.A. Математическое описание блока полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое / A.A. Морев, Б.А. Семенов, В.Г. Прелатов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1 (54). С. 74-81.

6. Морев A.A. Методика выбора требуемой скорости газообразного теплоносителя в реакторе полукоксования Поволжских сланцев с псевдоожиженным слоем / A.A. Морев, Б.А. Семенов, М.А. Агеев // Вестник Саратовского государственного технического университета 2011. Ш (54). С. 126-134.

7. Морев A.A. Определение кинетических характеристик процесса полукоксования Поволжских сланцев в реакторе с псевдоожиженным слоем / A.A. Морев, Б.А. Семенов, В.Г. Прелатов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1 (54). С. 38-45.

В других изданиях

8. Морев A.A. Математическое описание и оптимизация энерготехнологических установок термокаталитической переработки сернистых сланцев с использованием псевдоожиженного слоя / A.A. Морев // Теплофизика и энергетика: сб. тезисов докладов VIII Всероссийского семинара вузов по теплофизике и энергетике. Екатеринбург, 2013. С. 110.

9. Морев A.A. Моделирование процесса термической переработки сернистых горючих сланцев с использованием псевдоожиженного слоя / A.A. Морев, В.Ф. Симонов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. Саратов, 2012. С. 6-9.

10. Морев A.A. Инновационная технология переработки горючих сланцев Коцебинского месторождения на основе полукоксования в псевдоожиженном слое / A.A. Морев [и др.] // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, 23-25 марта 2011 г.: в 2 ч. / СГАУ. Саратов, 2011.4. 1.С. 126-127.

11. Морев A.A. Влияние скорости нагрева горючих сланцев на процесс деструкции в псевдоожиженном слое / A.A. Морев // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2012. С. 153-158.

12. Морев A.A. Система выделения продуктов при термокаталитической переработке сернистых горючих сланцев Поволжья и направления их использования / A.A. Морев, В.Г. Прелатов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2010. С. 114-119.

13. Морев A.A. Анализ результатов вычислительного эксперимента на математической модели полукоксования Поволжских сланцев в реакторе с псевдоожиженным слоем / A.A. Морев, В.Ф. Симонов, В.Г. Прелатов// Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2011. Вып. 1. С. 242-248.

14. Морев A.A. Получение кинетических характеристик процесса полукоксования сланцев в реакторе с псевдоожиженным слоем на основе математической обработки объединенного массива экспериментальных данных / A.A. Морев, Б.А. Семенов, В.Г. Прелатов // Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2011. Вып. 1. С. 219-224.

15. Морев A.A. Принципы выбора рабочей скорости теплоносителя для процессов полукоксования сланцев в псевдоожиженном слое / A.A. Морев, Б.А. Семенов, В.Г. Прелатов // Проблемы теплоэнергетики: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2011. Вып. 1. С. 229-234.

16. Морев A.A. Использование поволжских сланцев в малой энергетике / A.A. Морев, Э.М. Атоян, P.C. Агаларов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2012. С. 104-109.

Подписано в печать 07.04.14 Формат 60x84 1/16

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

Тираж 100 экз. Заказ 44 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

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

МОРЕВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕАКТОРНОГО БЛОКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Симонов В.Ф.

Саратов 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ............................11

Выводы и постановка задач исследования.............................................................24

ГЛАВА 2. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ...................................................................................................................26

2.1 Использование псевдоожиженного слоя для подготовки и термической обработки твёрдых топлив перед сжиганием.........................................................26

2.2 Использование псевдоожиженного слоя для полукоксования горючих сланцев........................................................................................................................32

2.3 Выводы.................................................................................................................40

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ В

ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ.........................................................................41

3.1 Характеристики сернистого горючего сланца карьерной добычи как твёрдой фазы псевдоожиженного слоя. Структура псевдоожиженного слоя...................42

3.2 Теплообмен в псевдоожиженном слое при термическом разложении горючего сланца........................................................................................................46

3.3 Кинетические характеристики процесса полукоксования сернистого горючего сланца в реакторе с псевдоожиженным слоем.............................48

3.4 Комплексное математическое описание процесса полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое и сопоставление с экспериментальными данными................................................................................57

3.5 Выводы.................................................................................................................72

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ БЛОКА ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЛАНЦА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ.........................................................................................................................74

4.1 Математическое описание процесса догорания сланцевого полукокса

в циклонной топке.....................................................................................................76

4.2 Математическое описание рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем зольного теплоносителя................................................................88

4.3 Математическое описание сушилки горючего сланца с псевдоожиженным слоем...........................................................................................................................96

4.4 Выводы...............................................................................................................100

ГЛАВА 5. ОБОБЩЕННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТОГО СЛАНЦА....................................................102

5.1 Обоснование критерия технико-экономической оптимизации....................102

5.2 Обобщённый алгоритм расчёта и оптимизации реакторного блока

для полукоксования в псевдоожиженном слое....................................................107

5.3 Выводы...............................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.............................................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................125

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Россия занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев, общие геологические ресурсы которых оцениваются более чем 700 млрд. тонн. До настоящего времени эти запасы являются невостребованными. Начавшаяся зарождаться в СССР сланцеперерабатывающая отрасль не смогла пережить последствия распада Советского Союза и экономический кризис, полностью прекратив своё существование в современной России. В немалой степени этому способствовало и увеличение объемов добычи нефти и природного газа, экспорт которых является главной составляющей бюджета нашей страны. Однако истощение запасов нефти и газа диктует необходимость использования новых источников углеводородного сырья, в частности горючих сланцев, запасы которых в пересчете на эквивалентное топливо в десятки раз превышают ресурсы нефти и природного газа.

За последние пять лет в мире наблюдается значительное повышение интереса к использованию потенциала горючих сланцев. Колоссальные темпы добычи сланцевого газа в странах Северной Америки, начало освоения сланцевых месторождений в странах Европы и Китае позволили говорить о начале «сланцевой революции». Тем не менее значительные экологические проблемы добычи сланцевого газа и его относительно высокая себестоимость требуют поиска новых технологий добычи и методов переработки горючих сланцев.

В России на территории Поволжского региона сосредоточены крупнейшие месторождения горючих сланцев. Главной отличительной особенностью волжских сланцев является высокое содержание серы в составе органического вещества, которая не может быть удалена при обогащении. Это обстоятельство ограничивает применение сернистых горючих сланцев в качестве топлива, однако их огромный экономический потенциал может быть

реализован путем использования сланцев как сырья для получения ценных химических веществ, в том числе тиофена.

Создание новых, экологически чистых технологий переработки сернистых горючих сланцев и вовлечение их потенциала в экономику Саратовской области и России в целом, позволило бы сократить отставание РФ в этом вопросе от ведущих мировых держав, а также уменьшило зависимость бюджета нашей страны от объемов экспорта нефти и природного газа, что является актуальной на данный момент проблемой, требующей незамедлительного решения.

Создание современных технологий переработки твердых топлив немыслимо без применения методов математического моделирования процессов термодеструкции органического вещества, позволяющих решить проблему аппаратурного оформления головных процессов. Решению этих задач и посвящена данная работа.

Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в изучение проблемы переработки сернистых горючих сланцев внесли ученые кафедры Промышленной теплотехники (ПТ) СГТУ. Необходимо особо отметить фундаментальный вклад профессора В.Г. Каширского в изучение процессов и создание новых технологий комплексной переработки сернистых горючих сланцев. Многолетние экспериментальные исследования, выполненные коллективом кафедры ПТ, отражены в многочисленных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работах по вовлечению в хозяйственную деятельность месторождений горючих сланцев, расположенных на территории Саратовской области.

Однако следует отметить, что большая часть этих исследований была выполнена в конце прошлого столетия и не отражает современных тенденций в области переработки твердых топлив. Работы, выполненные коллективом кафедры ПТ, не могут быть в чистом виде применены для описания кинетики разложения органического вещества сернистых сланцев, так как не содержат

глубоких исследований процессов термодеструкции с применением современных методов термического анализа.

Недостаточная научная проработанность вопросов математического моделирования полукоксования сернистых горючих сланцев с использованием псевдоожиженного слоя обусловила необходимость создания математического описания этого процесса и определила выбор цели, задач и предмета исследования.

Цель работы: разработка и научное обоснование схемы реакторного блока теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в реакторе полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Объект исследования: теплотехнологическая установка для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Задачи исследования:

1. Разработка и апробация комплекса математических моделей: головного процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя; догорания сланцевого полукокса в объеме циклонной топки; сушки сырья карьерной добычи и утилизации теплоты зольного теплоносителя в рекуперативном теплообменнике с движущимся плотным слоем золы.

2. Обоснование принципиальной схемы предлагаемой теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора псевдоожиженного слоя с разработкой обобщенной математической модели, учитывающей структурные взаимосвязи между элементами.

3. Технико-экономический анализ и оптимизация рабочих параметров оборудования реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое на экономико-математической модели.

4. Выявление диапазона возможных изменений основных конструктивных и эксплуатационных характеристик реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоносители и материалы на основе многовариантных оптимизационных расчетов.

Научная новизна:

1. Представлена научная гипотеза, объясняющая механизм интенсивного термического разложения органического вещества сернистого горючего сланца в аппаратах псевдоожиженного слоя под воздействием высокой скорости нагрева, которая является одним из главных факторов, влияющих на количественный и качественный состав конечных продуктов термодеструкции.

2. Получены зависимости, позволяющие определить качественный и количественный состав продуктов термопереработки сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевдоожиженном слое, и описаны стадии процесса разложения природного высокополимера сернистого горючего сланца с точки зрения формальной химической кинетики.

3. Разработаны математические описания условий реализации основных физико-химических процессов при полукоксовании Поволжского сланца в реакторе псевдоожиженного слоя, учитывающие характеристики горючего сланца карьерной добычи и величину эндотермического эффекта разложения, а также изменяющиеся в процессе термодеструкции теплофизические параметры частиц сланца и кинетику разложения органического вещества.

4. Разработана экономико-математическая модель и реализована процедура многофакторной оптимизации рабочих параметров реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое, на основе которой обоснованы экономически целесообразные параметры оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработаны математические модели и методика расчета комплекса взаимосвязанных физико-химических процессов применительно к условиям

термического разложения сернистых сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя, которые могут служить научной основой для обоснования расчетных параметров реакторного блока в предлагаемой технологической схеме.

2. Предложена принципиальная технологическая схема для комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в аппарате псевдоожиженного слоя, позволяющая значительно сократить капиталовложения в оборудование реакторного блока по сравнению с реактором УТТ.

3. Раскрыты закономерности влияния температуры и времени процесса полукоксования на качественный и количественный состав продуктов термодеструкции сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевдоожиженном слое, на основе которых получены расчетные зависимости.

4. На основе многофакторной оптимизации определены оптимальные значения рабочих параметров оборудования реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы.

Методология и методы исследования

Методологической основой диссертации являются методы формализации и математического моделирования последовательных и параллельных процессов, происходящих в реакторе псевдоожиженного слоя при полукоксовании сернистого горючего сланца, а также процессов во вспомогательном оборудовании реакторного блока. В диссертации были применены фундаментальные законы тепломассообмена, термодинамики и химической кинетики. Использование метода численного эксперимента на математической модели и дальнейшее сравнение результатов математического моделирования с опубликованными экспериментальными данными других авторов позволило подтвердить достоверность выдвинутых предположений о закономерностях термодеструкции органического вещества сернистого сланца.

Положения, выносимые на защиту: схемные решения блока полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое; кинетические закономерности процесса разложения органического вещества сернистого сланца в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое; методика технико-экономической оптимизации оборудования и рабочих параметров полукоксования сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое, адаптированная к особенностям предлагаемой технологической схемы; результаты численных исследований и оптимизации блока полукоксования.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); VI Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 2011); XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25» (Саратов, 2012).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 7 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработка и обоснование схемного решения блока полукоксования сернистого горючего сланца на основе реализации головного процесса в реакторе с псевдоожиженным слоем.

2. Разработка обобщенного математического описания и математическое моделирование процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое с учетом влияния комплекса сопутствующих физико-

химических процессов, происходящих во всех дополнительных элементах предложенной схемы реакторного блока.

3. Разработка методики и алгоритма оптимизации рабочих параметров и характеристик оборудования предложенной схемы реакторного блока.

4. Выполнение многовариантных оптимизационных расчетов, определяющих характеристики оборудования и рабочие параметры основного и всех вспомогательных процессов в элементах предложенной схемы в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы.

5. Подготовка и публикация основных результатов выполненной работы, написанных единолично либо в соавторстве с научным руководителем; апробация результатов исследования на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит 23 рисунка, 10 таблиц. Список использованных источников включает 77 наименований.

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплотехника» в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» под руководством доктора технических наук, профессора Симонова Вениамина Федоровича, которому автор выражает благодарность за внимательное руководство и неоценимую помощь при выполнении работы. Автор признателен коллективу кафедры «Промышленная теплотехника» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» за ценные советы и замечания, высказанные в процессе подготовки и обсуждения диссертации.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ

Потребность мировой экономики в первичных энергоресурсах возрастет за 2010-2035 годы на 54%. Такой прогноз содержится в распространенном ежегодном докладе ОПЕК о среднесрочных и долгосрочных перспективах развития мирового нефтяного рынка. Вместе с тем в начале XXI века перед человечеством возникла огромная проблема, обусловленная быстрым исчерпанием мировых запасов нефти и природного газа. Особенно этот вопрос актуален для России, поскольку для �