CC BY
22
Вестник КГЭУ, 2017, № 2 (34) УДК 662.731
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ МЕТОДОМ ТЕРМОПЕРЕРАБОТКИ
ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
А.А. Морев, А.Н. Мракин, А.А. Селиванов
aamorev@gmail.com
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
г. Саратов, Россия
Резюме. Приведена принципиальная схема получения технологических газов методом термопереработки горючих сланцев. Разработана и программно реализована методика оптимизации характеристик оборудования и рабочих параметров процесса термопереработки сернистых горючих сланцев на основе полукоксования в реакторе псевдоожиженного слоя. На основе использования в качестве критерия оптимизации переменной части дисконтированных затрат показано влияние цен на энергоресурсы и материалы на величину оптимизируемых параметров.
Ключевые слова: горючий сланец, оптимизация, полукоксование, псевдоожиженный слой, реакторный блок, технологический газ, тиофен.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта №15-48-02313 «р поволжье а».
DETERMINATION OF THE OPTIMAL REGIME PARAMETERS OF THE PROCESS OF OBTAINING THE TECHNOLOGICAL GASES BY CONVERSION OIL
SHALE
A.A. Morev, A.N. Mrakin, A.A. Selivanov
aamorev@gmail.com
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia
Abstract. Shows a schematic flow diagram for the process gases by conversion oil shale. Developed and implemented in software optimization technique equipment characteristics and operating parameters of the conversion sulfur oil shale in a fluidized bed reactor. On the basis of the use as a criterion for optimization of the variable part of the discounted costs shows the effect of energy prices and materials on the optimized parameters.
Keywords: oil shale, optimization, conversion, fluidized bed, reactor unit, technological gas, thiophene.
Acknowledgments: The study was carried out with the financial support of the RFBR and the Government of the Republic of Tatarstan within the framework of the scientific project №15-48-02313 «r_povolge_a».
Запасы горючих сланцев Поволжья, отличительной особенностью которых является высокое содержание серы в составе органического вещества (до 6-10%), составляют порядка 55 млрд тонн [1]. В состав образующихся в результате термопереработки сернистых сланцев технологических газов входят предельные и непредельные углеводороды, смола, сланцевая нефть, а также газовый бензин, содержащий в своем
50
составе ценные сераорганические соединения - тиофен, 2-метилтиофен, 2-5-диметилтиофен [2]. Указанные продукты в настоящее время в Российской Федерации и странах СНГ не производятся [3].
На рис. 1 представлена принципиальная схема получения технологических газов и выделения товарных продуктов на основе первичной термопереработки сернистых сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя [4].
Рис. 1. Принципиальная схема получения технологических газов методом термопереработки горючих
сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя: 1 - сушилка; 2 - реактор псевдоожиженного слоя; 3 - пылеосадительная камере; 4 - скруббер; 5, 9, 10, 11 - ректификационная колонна; 6 - конденсатор-охладитель; 7 - сепаратор; 8 - блок выделения газового бензина; 12 - блок выделения сероводорода и диоксида углерода; 13 - топка; 14 -теплообменник; 15 - циклонная топка; 16 - зольный теплообменник
Установка для переработки сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое представляет собой совокупность технологических процессов и аппаратов, оптимизация совместной работы которых позволяет существенно сократить эксплуатационные и капитальные затраты в оборудование сланцеперерабатывающего комплекса. При этом особого внимания заслуживает вопрос оптимизации рабочих параметров и характеристик оборудования реакторного блока, так как в отличии от секции выделения и очистки, в состав которой входит стандартное оборудование нефтехимии и нефтепереработки, реакторный блок целиком состоит из вновь проектируемых аппаратов и устройств.
В состав реакторного блока входят: сушилка псевдоожиженного слоя 1, где осуществляется процесс сушки при температуре 100 °С поступающего после добычи горючего сланца, размером частиц 1-10 мм; реактор псевдоожиженного слоя 2, в котором осуществляется процесс термодеструкции сернистого сланца; теплообменник подогрева теплоносителя 14; циклонная топка дожигания коксозольного остатка 15; зольный теплообменник 16, предназначенный для нагрева атмосферного воздуха, поступающего в циклонную топку.
Для оптимизации работы оборудования реакторного блока полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое была использована методика [5], согласно которой в качестве критерия оптимизации была выбрана переменная часть дисконтированных затрат:
Ta 1
A3 = А3*-У—!— + AK > (1)
у (1 + E)'
где A3 - переменная часть дисконтированных затрат, руб.; A3 * - переменная часть годовых эксплуатационных издержек, не зависящих от уровня капиталовложений, руб./год; АК -переменная часть капитальных вложений, руб.; Е - норма дисконта, год-1; t - номер шага расчета; T - горизонт расчета, лет.
При этом было принято допущение о постоянстве результатов реализации проекта и все сравниваемые варианты были приведены к единой производительности по выходу полезного продукта, что дало возможность оптимизации технологических параметров в условиях неопределенности цен на продукцию [6]. Для расчета оборудования реакторного блока использовалось математическое описание, приведенное в [7; 8].
В результате проведения анализа схемы реакторного блока, а также эксплуатационных издержек и капитальных вложений, входящих в функцию дисконтированных затрат, 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 ¿ик, температура газа
11
псевдоожижения на входе в реактор псевдоожиженного слоя tг, а также температура подогретого воздуха, поступающего в циклонную топку tеоз.
Таким образом, задача оптимизации характеристик оборудования и рабочих параметров блока полукоксования горючего сланца в псевдоожиженном слое может быть записана в следующем виде:
'A3 = f (t пк; t [; t'eo3) ^ min
500°С < t„K < 600°С (2)
800°С <tг <1100°С 400°С < t'eo3 < 600°С
Оптимизация осуществлялась методом покоординатного спуска (метод Гаусса-Зейделя) [9]. В качестве исходной точки были выбраны минимальные граничные условия поиска.
На основе вышеописанной методики разработаны алгоритм расчета и оптимизации состава оборудования и рабочих параметров процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое. Программа реализована в среде Visual Basic. Последовательность расчета аппаратов реакторного блока представлена на рис. 2.
Ниже приведены результаты оптимизации при различных исходных стоимостных и технологических характеристиках производства. На рис. 3 показано влияние стоимости электроэнергии на величину оптимальной температуры полукоксования (а) и газа псевдоожижения (б).
Рис. 2. Последовательность расчета аппаратов реакторного блока полукоксования сернистого сланца
512
га 510
гт о 508
Р-.
у 506
ш Н са 504
3 О 502
Я
Л 1 500
ч о 498
£ к 496
О 494
ниж няя г эанш [а по гехнс логи 1еско му р< глам !НТу
2 2,5 3 3.5
Стоимость электроэнергии, руо./кВт-ч
1120 1110
; О поо , а 1090 I 1080
| 1070 о 1060 | 1050 С 1040 1030
вер хняя граш; ца по техн шоги ческс муре глам ;нту
У
/
/
2 2,5 3 3,5
Стоимость электроэнергии, руб./кВт-ч
б
Рис. 3. Зависимость оптимальной температуры полукоксования (а) и газа псевдоожижения (б) от стоимости электроэнергии (при Циет=300 руб./кг; Цдоб=100 руб./т)
Диапазон изменения стоимости электроэнергии выбран исходя из действующих тарифов, а также с учетом прогнозируемого повышения цен на услуги по электроснабжению. Использовались следующие исходные данные: горючий сланец Коцебинского месторождения [10]; производительность установки 500 тонн сухого сланца в сутки; содержание условной органической массы (УОМ) в сланце - 27,26 кг/100 кг сух. сл.; годовое число часов использования установленной мощности - 7000; норма дисконта £=0,1 год-1; горизонт расчета 7=15 лет.
Совместный анализ данных рис. 3 (а) и (б) позволяет сделать вывод о решающем влиянии на эксплуатационные издержки затрат на электроэнергию для привода нагнетателя 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.
Структура функции переменной части дисконтированных затрат при различной стоимости электроэнергии представлена в табл. 1.
а
Таблица 1
Структура функции переменной части дисконтированных затрат при различной стоимости _электроэнергии_
Стоимость электроэнергии, руб./кВт*ч АЗ', млн руб./год АК, млн руб. АЗ, млн руб.
2,0 19,117 722,093 862,924
2,5 19,664 866,948
3,0 20,210 870,972
3,5 20,756 874,996
4,0 21,302 879,020
На рис. 4 показано влияние стоимости металла (стали) на величину оптимизируемых параметров.
1120
Стоимость метатга (стали), руб./кг Стоимость металла (стали). руб./кг
а б
Рис. 4. Зависимость оптимальной температуры полукоксования (а) и газа псевдоожижения (б) от стоимости металла (стали) (при Цээ=2 руб./кВт-ч; Цдоб=100 руб./т)
Совместный анализ данных рис. 4 (а) и (б) позволяет сделать вывод о решающем влиянии капитальных затрат в теплообменник нагрева газа псевдоожижения. Уменьшение данных затрат при увеличении стоимости металла достигается вначале уменьшением оптимальной температуры полукоксования до её минимально возможного значения (500 °С), а затем уменьшением температуры газа псевдоожижения на входе в реактор.
Структура функции переменной части дисконтированных затрат при различной стоимости металла представлена в табл. 2.
Таблица 2
Структура функции переменной части дисконтированных затрат при различной стоимости
металла
Стоимость АЗ , млн АК, АЗ,
металла, руб./кг руб./год млн руб. млн руб.
100 19,117 240,698 381,529
150 361,046 501,878
200 481,395 622,227
250 601,744 742,576
300 722,093 862,924
На рис. 5 представлена зависимость минимума функции дисконтированных затрат от содержания условной органической массы в горючем сланце при стабилизации остальных внешних и внутренних факторов. Также на дополнительной оси показаны оптимальные значения оптимизируемых параметров.
Из рис. 5 видно, что при увеличении содержания УОМ в сланце происходит уменьшение минимума критерия оптимальности. Это обстоятельство объясняется тем, что при увеличении УОМ в сланце происходит уменьшение производительности установки (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 t„„, t', t' остаются неизменными.
380
370 360
IQ
350
к
5 340
о
<
330
>
]
320 310 300
£
A31
-- 1000
1200
о
800 600 400 200 0
25 26 27 28 29 30 Содержание УОМ в горючем сланце, кг/100 кг сух. сл.
Рис. 5. Зависимость минимума функции дисконтированных затрат от содержания УОМ в исходном сланце (при Цээ=2 руб./кВтч; Цмет=100 руб./кг; Цдоб=100 руб./т)
Выводы
1. Разработана методика оптимизации рабочих параметров и характеристик оборудования реакторного блока полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое, основанная на использовании в качестве критерия оптимизации переменной части дисконтированных затрат.
2. Показано влияние цен на энергоресурсы и материалы на величину оптимизируемых параметров. Выявлено, что при увеличении стоимости электроэнергии происходит возрастание оптимальной температуры полукоксования и газа псевдоожижения. Обратная тенденция наблюдается при увеличении стоимости стали.
3. Выявлено отсутствие влияния содержания УОМ в исходном горючем сланце в пределах 25-30 кг/100 кг сух. сл. на оптимальное значение оптимизируемых параметров, что позволяет производить переработку сланца различного качества при неизменных технологических параметрах оборудования реакторного блока.
Литература
1. Илясов В.Н. Бесшахтная экологически безопасная добыча горючих сланцев. Материалы Международной научной конференции «Горючие сланцы - альтернативный источник топлива и сырья. Фундаментальные исследования. Опыт и перспективы». Саратов, 2007. С 131-137.
2. Kashirskii V.G., Koval А.А. Oil shales - an alternative source of fuel and raw materials // Oil Shale. 2007. Vol. 24, No. 4. pp. 497-498.
3. Каширский В.Г., Коваль А.А. Горючие сланцы Поволжья: прошлое, настоящее, будущее: монография. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. 156 с.
4. Способ термической переработки высокосернистых горючих сланцев: заявка 2016147851 Рос. Федерация; заявл. 06.12.2016.
5. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М.: Информэлектро, 1994. 81 с. (в редакции, утвержденной Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ по строительной, архитектурной и жилищной политике 21.06.1999 № ВК 477).
6. Попов А.И., Симонов В.Ф., Попов Р.А. Критерии сопоставления и оптимизации энергосберегающих решений в рыночных условиях. Межвузовский научный семинар по проблемам теплоэнергетики: сб. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 1996. С. 87-91.
7. Морев А.А. Разработка и оптимизация реакторного блока для комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04 / Морев Александр Александрович. Саратов, 2014. 132 с.
8. Morev A.A., Mrakin A.N., Selivanov А.А. Modeling of Low-Temperature Carbonization of Sulfur-Bearing Oil Shales in a Fluidized-Bed Retort // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2017. Vol. 53, Issue 1. pp 38-44.
9. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. М.: Издательство «Факториал Пресс», 2002. 824 с.
10. Семенов Б.А. Создание методологии расчета и оптимизации теплотехнологических процессов полукоксования в не имеющей аналогов малоотходной технологии переработки волжского сернистого сланца: отчет о НИР. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. 145 с.
References
1. Ilyasov V.N. Besshakhtnaya ekologicheski bezopasnaya dobycha goryuchikh slantsev. Materialy Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii «Goryuchie slantsy - al'ternativnyi istochnik topliva i syr'ya. Fundamental'nye issledovaniya. Opyt i perspektivy». Saratov, 2007. P 131-137.
2. Kashirskii V.G., Koval A.A. Oil shales - an alternative source of fuel and raw materials // Oil Shale. 2007. Vol. 24, No. 4. pp. 497-498.
3. Kashirskii V.G., Koval A.A. Goryuchie slantsy Povolzh'ya: proshloe, nastoyashchee, budushchee: monografiya. Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t, 2007. 156 p.
4. Sposob termicheskoi pererabotki vysokosernistykh goryuchikh slantsev: zayavka 2016147851 Ros. Federatsiya; zayavl. 06.12.2016.
5. Metodicheskie rekomendatsii po otsenke effektivnosti investitsionnykh proektov i ikh otboru dlya finansirovaniya. M.: Informelektro, 1994. 81 p. (v redaktsii, utverzhdennoi Ministerstvom ekonomiki RF, Ministerstvom finansov RF, Gosudarstvennym komitetom RF po stroitel'noi, arkhitekturnoi i zhilishchnoi politike 21.06.1999 № VK 477).
6. Popov A.I., Simonov V.F., Popov R.A. Kriterii sopostavleniya i optimizatsii energosberegayushchikh reshenii v rynochnykh usloviyakh. Mezhvuzovskii nauchnyi seminar po problemam teploenergetiki: sb. tr. / Sarat. gos. tekhn. un-t. Saratov, 1996. P. 87-91.
7. Morev A.A. Razrabotka i optimizatsiya reaktornogo bloka dlya kompleksnoi energotekhnologicheskoi pererabotki sernistykh goryuchikh slantsev v psevdoozhizhennom sloe: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.14.04 / Morev Aleksandr Aleksandrovich. Saratov, 2014. 132 p.
8. Morev A.A., Mrakin A.N., Selivanov A.A. Modeling of Low-Temperature Carbonization of Sulfur-Bearing Oil Shales in a Fluidized-Bed Retort // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2017. Vol. 53, Issue 1. PP. 38-44.
9. Vasil'ev F.P. Metody optimizatsii. M.: Izdatel'stvo «Faktorial Press», 2002. 824 p.
10. Semenov B.A. Sozdanie metodologii rascheta i optimizatsii teplotekhnologicheskikh protsessov polukoksovaniya v ne imeyushchei analogov malootkhodnoi tekhnologii pererabotki volzhskogo sernistogo slantsa: otchet o NIR. Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t, 2009. 145 p.
© А.А. Морев, А.Н. Мракин, А.А. Селиванов Авторы публикации
Морев Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Мракин Антон Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Селиванов Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Authors of the publication
Alexander A. Morev - Cand. Sci. (techn.), assistant professor of Heat-Power Engineering Department of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Anton N. Mrakin - Cand. Sci. (techn.), assistant professor of Heat-Power Engineering Department of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Alexey A. Selivanov - Cand. Sci. (techn.), assistant professor of Heat-Power Engineering Department of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Дата поступления 22.05.2017.
