CC BY
39
УДК 662.749
В.Ф.Симонов, А.А.Селиванов
КОНЦЕПЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РЕАКТОРНОГО БЛОКА ДЛЯ ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ
Рассматривается реакторный блок для полукоксования сернистых сланцев Поволжья отделение установки с твердым теплоносителем. Показано взаимное влияние основных и вспомогательных элементов взаимодействие аппаратов реакторного блока, выделены внешние и внутренние факторы. В связи с этим сформулирована концепция комплексной оптимизации, позволяющая обеспечить направленную разработку математического описания отдельных элементов и реакторного блока в целом.
Реакторный блок, кинетические характеристики, полукоксование, псевдоожиженный слой, сернистые горючие сланцы, теплообмен
V. F. Simonov, A.A. Selivanov THE CONCEPT OF COMPLEX OPTIMIZATION OF THE REACTOR BLOCK FOR SEMICOKINGS OF SULPHUROUS SLATES OF THE VOLGA REGION
The reactor block for semicoking of sulphurous slates of the Volga region branch of installation with the firm heat-carrier is considered. Mutual influence of the basic and auxiliary elements interaction of devices of the reactor block is shown, external and internal factors are allocated. In this connection the concept of the complex optimization is formulated, allowing to provide the directed working out of the mathematical description of separate elements and the reactor block as a whole.
Reactor block, the kinetic characteristics, semicoking, fluidized bed, sulfur shale oil, heat transfer
Многомиллиардные запасы сернистых горючих сланцев в Поволжье до сего времени практически не востребованы. Вместе с тем условия залегания сланцев по ряду наиболее крупных и в достаточной мере разведанных месторождений позволяют вести их добычу открытым (карьерным) способом с хорошими экономическими показателями. В первую очередь это касается Коцебинского и Перелюб-Благотатовского месторождений, находящихся на территории Саратовской (в основном) и частично Самарской и Оренбургской областей. По данным Саратовского проектно-производственного предприятия «Горняк» карьерная добыча сланца в районе участка «Рассыпновский» Коцебинского месторождения позволяет обеспечить при суммарном коэффициенте вскрыши около 4 себестоимость добычи 100-120 руб. за кубический метр полезной карьерной массы (данные 1998г. с корректировкой на сегодняшний уровень цен). При этом усредненное содержание условной органической массы находится в пределах 25-31 % масс. на сухой сланец.
Горючие сланцы Коцебинского и Перелюб-Благодатовского месторождений являются типичными представителями сланцев Волго-Печерской сланценосной провинции и характеризуются по сравнению со сланцами Прибалтики и Ленинградской области достаточно высокой зольностью и большим содержанием серы, большая часть которой входит в состав органического вещества. В связи с этим топливное направление использования сланцев Поволжья затруднено и может оказаться экономически целесообразным к 2025-30 годам при сохранении сегодняшних темпов роста цен на газ [1].
Несмотря на это исследованиями, выполненными в Саратовском государственном техническом университете в течение продолжительного времени, обоснована возможность использования сернистых горючих сланцев как местного топлива. При этом сохранение темпов роста мировых цен на газ позволяет уже к 2025 году создавать в Заволжье экономически конкурентоспособные и экологически безопасные ТЭС на основе парогазовых установок с внут-рицикловой газификацией сланца под давлением и получением сернистой облегченной смолы в качестве побочной товарной продукции.
Более радикальным и экономически целесообразным в нынешней экономической ситуации является использования сернистых горючих сланцев в качестве органоминерального сырья. Ранними работами кафедры промтеплотехники СГТУ (проф. Каширский В.Г.) было показано, что продукты термического разложения сернистых сланцев Поволжья могут служить источником получения тиофена и его простейших производных, а также бензольных углеводородов, серы и активного прокаленного зольного остатка с широкой сферой промышленного применения и высокой рыночной востребованностью [2]. Запатентованная [3] технология переработки сернистых сланцев предполагает в качестве головного процесса полукоксование, которое может быть осуществлено в хорошо освоенной на прибалтийских сланцах установке с твердым (зольным) теплоносителем (УТТ). В условиях крупнотоннажного производства с учетом специфики сланцев Поволжья такие установки должны быть обстоятельно рассмотрены с оптимизацией массогабаритных характеристик и рабочих параметров оборудования, учетом переменных режимов работы.
Принципиальная схема реакторного блока представлена на рис. 1.
Основным входящим технологическим продуктом блока является усредненный по составу карьерный сланец с рабочей влажностью I. Основными выходящими технологическими потоками являются: парогазовая смесь от полукоксования сланца VIII, передаваемая для обработки в последующие технологические установки, зольный остаток IV, являющийся одним из конечных продуктов технологии, и водяной пар VI, получаемый в котле-утилизаторе за счет избыточной, при определенных условиях, теплоты дымовых газов из аэрофонтанной топки. Все остальные материальные потоки являются внутренними и должны обеспечивать с наилучшими качественными и количественными показателями получение ПГС в результате полукоксования сланца.
Основным входящим технологическим продуктом блока является усредненный по составу карьерный сланец с рабочей влажностью I. Основными выходящими технологическими потоками являются: парогазовая смесь от полукоксования сланца VIII, передаваемая для
обработки в последующие технологические установки, зольный остаток IV, являющийся одним из конечных продуктов технологии, и водяной пар VI, получаемый в котле-утилизаторе за счет избыточной, при определенных условиях, теплоты дымовых газов из аэрофонтанной топки. Все остальные материальные потоки являются внутренними и должны обеспечивать с наилучшими качественными и количественными показателями получение ПГС в результате полукоксования сланца.
Рис. 1. Принципиальная схема реакторного блока для полукоксования сланца с твердым
(зольным) теплоносителем.
Материальные потоки: I - карьерный сланец, II - сухой сланец, III - сланцевый полукокс,
IV - зольный остаток, V - дымовые газы, VI - водяной пар, VII - воздух, VIII - парогазовая смесь
(ПГС) от полукоксования.
---------- условные границы реакторного блока.
Важнейшим элементом схемы является барабанный реактор, размеры которого определяются количественными и качественными характеристиками всех входящих и выходящих материальных потоков. При заданной нагрузке по сухому сланцу необходимо определиться с расчетным содержанием условной органической массы, в первом приближении с остаточным содержанием углерода в сланцевом полукоксе, степенью заполнения барабана сланцезольной смесью или с относительными размерами подпорного кольца, с температурой зольного теплоносителя. Все эти параметры влияют на размеры барабанного реактора 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 аэрофонтанной технологической топки (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 в системе “барабанный реактор - АФТ”. На температуру догорания коксозольной смеси в АФТ также оказывает влияние степень подогрева воздуха в зольном теплообменнике, которая в свою очередь зависит от температуры выводимого из реакторного блока зольного остатка, и от принятого коэффициента расхода воздуха по отношению к теоретическому расходу для полного догорания углерода. Заметим при этом, что конечная температура догорания в АФТ имеет ограничение, зависящее от температуры размягчения золы перерабатываемого сланца. Такое простое рассмотрение влияющих факторов очевидно указывает на необходимость оптимизации температуры догорания углерода из сланцевого полукокса в АФТ и связанных с этим показателем остаточного содержания углерода в сланцевом полукоксе по фракциям исходного сланца,
коэффициента расхода воздуха в АФТ и температуры подогрева воздуха в зольном теплообменнике. В результате определяются оптимальные массогабаритные характеристики основных элементов схемы реакторного блока (барабанный реактор - АФТ - зольный теплообменник) и оптимальный выход основного продукта - парогазовой смеси от полукоксования сланца.
При решении общей задачи комплексной оптимизации реакторного блока при названном независимом переменном и связанных с ним других параметров определенное внимание должно быть уделено котлу-утилизатору и сушильному устройству (рисунок 1). В обобщенном алгоритме расчета реакторного блока эти аппараты должны рассчитываться совместно. Связано это с тем обстоятельством, что температура газовой фазы после котла-утилизатора определяет потенциал влагопоглощения этого потока и зависит от количества влаги, удаляемой из доставляемого на установку карьерного сланца “при условии подачи в барабанный реактор сухого сланца”. Используя известные соотношения материально и теплового балансов процесса сушки, а также стехиометрические соотношения для процесса догорания углерода полукокса, получим “на 100 кг. исходного сланца”:
8,89а'Ео 'р0 ' св ' (*ку - * ух ) 'Лос = W ' (1 - ^ ' *сл) (1Х
где а - коэффициент расхода воздуха в суммарном процессе догорания углерода (АФТ и дожигающее оксид углерода устройство (рис. 1)); е0 - остаточный углерод в сланцевом полукоксе, кг/100 кг. сухого сланца; р0, св - плотность и изобарная теплоемкость воздуха, соот-
3 0
ветственно кг/н.м и кДж/кг- С; W - количество удаляемой из рабочего сланца влаги, кг/100 кг. сухого сланца; 1ку , *ух - температуры сушильного агента на входе в сушилку (после котла-утилизатора) и на выходе, 0С; *сл - температура карьерного сланца, поступающего в реакторный блок (I рис. 1), 0С; г - энтальпия водяного пара при парциальном давлении в газовой фазе на выходе из сушилки и температуре 1ух, кДж/кг; ^ - теплоемкость воды, кДж/кг- С.
Для обеспечения приемлемого потенциала переноса тепло и влаги в сушильной камере температура 1ух может быть принята ~ 1500С. В этом случае и при рабочей влажности исходного сланца в расчете на сухой 5%, Е0=4 кг/100 кг сухого сланца, *сл =100С, а =1 получим
температуру 1 =4000С. При тех же условиях, но а =0,7 , 1 =5200С. Существенное влияние
на значение температуры газовой фазы между котлом-утилизатором и сушильной камерой оказывает рабочая влажность исходного сланца. При вышеприведенных условиях и рабочей влажности на сухую массу 8% температура газовой фазы после котла-утилизатора должна быть соответственно 550~7500С. В этом случае практически теряется смысл включения котла-утилизатора в реакторный блок или требуется пересмотр величины остаточного углерода сланцевого полукокса.
Таким образом, создание технологии переработки сернистых сланцев Поволжья как органоминерального сырья в части получения парогазовой смеси от полукоксования связано с необходимостью комплексной оптимизации реакторного блока. В качестве критерия оптимизации может быть использована затратная часть чистого дисконтированного дохода “методика Юнидо [4]” или в более простом варианте - расчетные затраты по методике [5]. В любом случае комплексная оптимизация предполагает математическое описание реакторного блока с учетом большого количества внешних и внутренних связей, показанных в настоящей работе. Отметим при этом сложность поставленной задачи из-за очень ограниченного количества экспериментальных работ в условиях особых характеристик сернистых сланцев Поволжья по сравнению с хорошо изученными процессами полукоксования сланцев Прибалтики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Симонов В.Ф. Возможности использования парогазовых установок с газификацией сернистых горючих сланцев Поволжья / В.Ф. Симонов, А.В. Янов // Теплоэнергетика. 2007. №6.
С. 58-62.
2. Горючие сланцы - альтернативный источник топлива и сырья: материалы Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2007. 174 с.
3. Пат. №2094447. RU, МКМ С1 6 С 10 В 53/06. Способ термической переработки сернистых сланцев / В.Ф.Симонов, В.Г. Прелатов // Б.И. 1997.№30
4. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования: официальное издание / Госстрой России, Минэкономики, Минфин РФ. М., 1994. 54 с.
5. Попов А.И. Критерии сопоставления и оптимизации энергосберегающих решений в рыночных условиях / А.И. Попов, В.Ф. Симонов, Р.А. Попов // Материалы межвуз. научного семинара по проблемам теплоэнергетики. Саратов, 1996. С. 87-91.
BIBLIOGRAPHY
1. Simonov V.F. The possibility of using combined-cycle plants with gasification of sulfur Volga oil shale / V.F. Simonov, A.V. Janov // Teploenergetika. 2007. № 6. P. 58-62.
2. Oil shale - alternative source of fuel and raw materials: Proceedings of the international conference. Saratov: SSTU, 2007. 174 p.
3. Pat. № 2094447. RU, MKM C1 6 C 10 B 53/06. Method of thermal processing of gray-grained oil shale / Simonov V.F., Prelates V.G. // B.I. 1997. № 30.
4. Methodical recommendations on the evaluation of investment projects and their selection for financing. The official publication of Russian State Committee for Construction, Ministry of Economic, minfinansov Russia. M., 1994. 54 p.
5. Popov A.I. Criteria of comparison and optimization of energy-saving solutions in the market conditions / A.I. Popov, V.F. Simonov, R.A. Popov // Proceedings of Intercollege. Scientific Seminar of the power system. Saratov, 1996. Р.87-91.
Симонов Вениамин Федорович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Селиванов Алексей Александрович -
аспирант 2-ого года обучения, ассистент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Simonov Veniamin Fyodorovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University
Selivanov Alexey Aleksandrovich -
Postgraduate second year of study, Assistant Department of «Industrial Heat Engineering» of Saratov State Technical University
