CC BY
49
УДК 662.732
Э.М. Атоян, Б.А. Семенов, С.С. Назаров
ПИРОГАЗИФКАЦИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Предложена схема переработки горючих сланцев для получения электрической энергии, проведен анализ работы данной схемы, представлено описание метода добычи, а так же математическая модель реактора-пиролизера, приведены сведения о полученных продуктах пиролиза и выработки электроэнергии.
Г орючие сланцы, пирогазификация, реактор, смешанный газ, котел, турбина, электроэнергия, топливо, математическая модель
E.M. Atoyan, B.A. Semyonov, S.S. Nazarov
PIROGAZIFICATION OF OIL SHALE OF THE VOLGA AND THE USE OF END-PRODUCTS FOR ELECTRICITY AND HEAT
The authors are proposing the scheme for processing oil shale to produce electrical energy, an analysis of the scheme, a description of the method of extraction, as well as the mathematical model of the reactor-pyrolyzer are given information about the derived pyrolysis products and electricity generation.
Oil shale, pirogazifiсation, reactor, mixed gas, boiler, turbine, electricity, fuel, a mathematical model
В условиях истощения запасов органического сырья (нефти и газа) следует обратить внимание на богатейшие месторождения горючих сланцев Саратовской области.
Эти месторождения были открыты в 1910 г. в результате геологоразведочных работ, проводившихся под руководством А.Н. Розанова. Исследование горючих сланцев с целью получения их качественной оценки были выполнены учеными Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского, что позволило в 30-е годы прошлого века начать освоение месторождений с целью использования горючих сланцев в двух направлениях. Во-первых, был сооружен и в 1932г. введен в эксплуатацию сланцеперегонный завод в окрестностях г. Сызрани. Во-вторых, в г. Саратове в октябре 1934 г. была введена в эксплуатацию ТЭЦ-1, рассчитанная на применение горючих сланцев Поволжья в качестве топлива.
Особенностью Поволжских сланцев является повышенное содержание серы, что делает нецелесообразным их непосредственное использование в качестве топлива без предварительной переработки. Научные работы, выполненные на кафедре Промышленная теплотехника Саратовского политехнического института (ныне Саратовского государственного технического университета) в период с 1965 г. по настоящее время показывают, что наиболее рациональным способом использования технологического потенциала сернистых сланцев Поволжья может быть термическая переработка в режиме пиролиза с получением газов пиролиза.
В данный момент промышленная добыча и переработка сланца Поволжских месторождений не ведется из-за необходимости значительных инвестиций в создание новой отрасли промышленности. Поэтому для того, чтобы начать процесс вовлечения сернистых горючих сланцев в экономику Поволжья, на первом этапе предлагается малозатратная упрощенная схема, представленная на рис. 1. Данная схема, разработанная на кафедре «Промышленная теплотехника» СГТУ совместно с инженерами ООО «Перелюбская горная компания», предложена на рассмотрение комиссии ЕврАзЭС в качестве первого этапа реализации плана освоения сланцевых месторождений, залегающих на территории России, Балоруссии и Казахстана. Эта схема позволит получать минимальный спектр продукции в небольших объемах и таким образом начать процесс освоения богатейших запасов органоминерального сырья.
Рис. 1. Предлагаемая принципиальная технологическая схема сланцепереработки первого этапа
Описание схемы, способа и устройств, необходимых для реализации предлагаемой технологии приводятся ниже.
На первом этапе освоения Коцебинского месторождения предлагается использовать бесшахтный способ добычи (метод В.Н. Илясова) как требующий наименьших затрат в организацию производства, не ухудшающий экологическую обстановку в районах добычи и обеспечивающий получение средств для дальнейшего развития крупномасштабного производства. Сравнительные показатели различных способов добычи представлены в табл. 1.
Промышленные испытания одного передвижного модуля показали возможность добычи сланца в объеме 30000 т/год. Фракция, получаемая в результате использования технологии бесшахтной добычи - (0,01-1,4 мм), может быть использована для получения экологически чистого энергоносителя, стройматериалов, материалов для дорожного строительства.
Сланец из склада сланца 1 поступает в сушку 2, где из него удаляется влага до 5%. В процессе сушки сланец нагревается до 100 0С и в размельченном состоянии подается в ре-актор-пиролизер 3. В реакторе при температуре 8000С происходит выделение продуктов пиролиза: сланцевый газ 217.3 кг/т с.с. (кг/т сухого сланца), газовый бензин 23 кг/т с.с. кокс 632 кг/т с.с. и др.
Требуемая температура в реакторе поддерживается за счет газового теплоносителяЁ получаемого в циклонной топке 4 в результате дожигания коксового остатка.
Сланцевый газ, смешанный с коксом, подается в циклонный фильтр 5, в котором происходит отделение коксового остатка, который направляется на дожигание в циклонную топку 4.
Очищенный сланцевый газ поступает на сжигание в паровой котел 6, после чего дымовые газы с зольным остатком поступают в фильтр 7, в котором последний выделяется и отправляется в циклонную топку 4.
Таблица 1
Сравнительные показатели различных методов добычи сланца
Наименование показателей Способы добычи
Шахтный Карьерный Передвижными модулями Илясова В.Н.
Средняя мощность пластов 0,6-0,7 м (Коцебинское, Кашпирское, Перелюбское месторождения)
Время от начала работ до подъема сланца 1-2 года До 1 года 4-10 суток
Загрязнение поверхности межпластовыми породами и межпластовыми водами Приток межпласто-вых вод 1500-2000 м3/сут на тонну сланца > 400% от объема добываемого топлива Приток межпласто-вых вод 1500-2000 м3/сут на тонну сланца > 700% от объема добываемого топлива 0 %
Затраты на крепление от себестоимости работ 25 % - Около 2%
Себестоимость добычи (2007) 3000 руб/т 100-250 рубё/т (глубина залегания 20-30 м) 167-230 руб/т (затраты на вскрышные работы - 0)
Гранулометрический состав и размеры фракций добываемого сланца Кусковой сланец Кусковой сланец Мелкая фракция (01,4 мм)
Рис. 2. Предлагаемая схема установки по переработке горючих сланцевб 1 - склад сланца, 2 - сушка, 3 - реактор-пиролизер, 4 - циклонная топка, 5,7 - циклон, б - паровой котел с ПТУ
Оставшаяся в циклонной топке 4 зола применяется в качестве одного из компонентов при производстве строительных материалов.
Для обоснования работоспособности схемы использован метод математического моделирования. Математическое описание, использованное при разработке модели реактора пиролизера, являющегося главным элементом технологической схемы, представлено ниже.
В основу модели положены следующие принципы: движение твердой частицы в потоке сплошной среды в общем виде подчиняется второму закону Ньютона:
Ш
где т- масса частиц, кг,
Ш
&
вектор ускорения частицы;
(1)
^ Б - вектор равнодействующей всех сил (сила аэродинамического сопротивления, сила тяжести, центробежная сила и др.).
При движении частиц в восходящем потоке в отсутствие других сил, кроме силы тяжести и аэродинамического сопротивления, уравнение движения имеет вид
&
2У1 Р т
(2)
Ш
где - ускорение частицы, ^ - площадь поперечного сечения твердой частицы,
&
V, - объем твердой частицы.
пё2 пё3
С учетом 1( = —— и 1( =^— уравнение (2) можно записать в виде
4
б
&и = 3 ^ - и)
& = Сг • 4 • р т • &
где ', и - соответственно скорость газового потока и твердой частицы, м/с; рг, рт - плотность газа и твердых частиц, кг/м ; й, - диаметр твердой частицы, м;
С - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы неправильной формы:
Кп •
д • сп
2
где К д - динамический коэффициент формы частицы, который зависит от геометрического
форм-фактора и критерия Рейнольдса. Этот коэффициент определяется экспериментальным путем для различных материалов. Для сланцевых частиц можно принять Кд=2 [4]. сш - коэффициент аэродинамического сопротивления шара, зависящий от числа Рейнольдса и диаметра частиц, определяемый согласно [5] как
24 072
с =-------(1 + 0.125Яет-72) (4)
^ш Яе т
Подставив (4) в (3) и учитывая, что К д = 2 получим в окончательном виде уравнение движения частицы:
dU_ 36 л , nioCD о.72Ч 3 рг (W - U)
2
= .(1 + 0.125Ке" )• — ' -g (5)
Яет 4 рт
Уравнение теплового баланса имеет вид
- вгсгйг = втстй т (6)
или
в с
^г =- ^ •— * т (6)
вг сг
поделив обе части уравнения (6) на йт получим
^ = -ц. ^ (7)
¿т сг ёт
dt г dt т
где —-, —- - соответственно скорости изменения температуры газа и частицы; dT dT
сг, ст - значения теплоемкостей газа и твердых частиц, кДж/(кг-°С);
G т
ц = —- - концентрация твердых частиц в потоке газа;
G г
G г, G т - массовые расходы газа-теплоносителя и топливных частиц, кг/с.
Пренебрегая лучистой составляющей, которая не превышает 2% от суммарного коэффициента теплоотдачи, количество теплоты, передаваемое конвекцией от газа к частицам, равно
dqт =aF(tг -1т )dT (8)
С другой стороны, количество теплоты, воспринятое частицей, равно
dq т = G тст dt т (9)
Приравняв правые части уравнений (8), (9), а также поделив на dT и проведя преобра-
зования, получим
^ - a(t r -1,) (10)
dT Gт ст
с 2
где F - тепловоспринимающая поверхность частиц, м .
F
Отношение f = — - представляет собой расчетную поверхность 1 кг частиц, которая
G т
вычисляется по формуле
f = —6— (11)
dт -Рт
Учитывая данные соотношения, а также, что
Рис. 3. Схема алгоритма расчета реактора-пиролизера
Ми .X г
а =
получим
ёдт _ 6Ми. Xг
ёт ^ст .р/'г 'т'
где X г - коэффициент теплопроводности газового потока,
Вт м • К
ё т - диаметр твердой частицы, м;
ст - теплоемкость твердой частицы,
рт - плотность твердой частицы, кг/м .
Дж кг. К
3
(12)
В области низких значений критерия Рейнольдса (Яет = 0 ^ 200) наиболее широко
применяется экспериментально полученное критериальное уравнение теплообмена Соколовского и Тимофеева[6]:
Ми = 2 + 0.16Кет67. (14)
Следует отметить, что это уравнение справедливо для нестесненного потока, т.е. при достаточно низких концентрациях дискретной фазы. При истинной объемной концентрации частиц в > 0.35. 10-3 в [7] рекомендуется пользоваться соотношением
= 0.033р-0'43, (15)
Ми
где Ми ст, Ми - соответственно критерий Нуссельта для стесненного и свободного потока га-зовзвеси.Уравнение (13) справедливо при нагреве частиц, для которых выполняется условие Б1 т < 0.2. В том случае, если частицы не являются «тонкими» в тепловом отношении, т.е. Б1 т > 0.2 дополнительное влияние на скорость нагрева оказывает термическое сопротивление теплопроводности частиц. Это следует учитывать умножением правой части уравнения
(13) на коэффициент
где и=1.5+2Б1 т.
Таким образом, получена система дифференциальных уравнений (5), (7), (13), относительно неизвестных функций и, 1:г, 1:т которая может быть решена численным методом.
Для решения данной задачи был разработан алгоритм и составлена программа на языка С++. Схема алгоритма представлена на рисунке:
В результате численного эксперимента, выявлено, что данная установка может вырабатывать до 2.55 нм3/с смешанного газа. Его состав: СН4 - 8.3%, С2Н4 - 2.6% М2 - 57.7%, СО2
- 13.6%, Н2Б - 0.5%, Н2 - 7.7%, СО - 9.8%. Теплота сгорания 7584 кДж/м3.
Дальнейшими расчетами установлено, что полученный газ может быть использован для сжигания в котельном агрегате типа ДЕ-25 с целью получения пара, который может быть использован в паротурбинной установке для получения электрической и тепловой энергии. Расчетная генерирующая мощность при этом должна составить 6 МВт электрической энергии, что может обеспечить собственные потребности производства и электроснабжение небольшого поселка.
Выводы
1. Предложена принципиальная схема переработки сланцев, адаптированная к условиям добычи передвижными модулями ООО «Перелюбская горная компания»
2. Разработана математическая модель реактора-пиролизера, с использованием которой выполнен численный эксперимент.
3. В результате численного эксперимента доказана работоспособность предлагаемой схемы и получены сведение качественном составе и количественных характеристиках сланцевого газа и параметрах оборудования для выработки пара и получения электрической энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исследование волжских высокосернистых сланцев как технологического сырья для получения топлив: Отчет №01820071364. Саратов, 1983. 46 с.
2. Горючие сланцы Перелюб-Благодатовской площади и перспективы их промышленного использования. Отчет СГТУ. Госрегистрация № 770141179. 1987.
3. Разработка научных основ создания малоотходной технологии переработки сернистых сланцев: Отчет №01200703635.
4. Горбис З.Р. Теплообмен и гидродинамика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. 428 с.
5. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. М.: Энергия, 1974. 168 с.
6. Бабуха Г.Л., Рабинович М.И. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзве-си. Киев: Наукова думка, 1969. 218 с.
7. Горбис З.Р., Календерьян В.А. Теплообменники с проточными теплоносителями. М.: Энергия, 1975. 296 с.
BIBLIOGRAPHY
1. Investigation of the Volga sour oil shale technology as a rawmaterial for fuels Report number 01820071364. Saratov, 1983. 46 p.
2. Oil shale Perelyub-Blagodatovskoy area and the prospects for their industrial use. Report SSTU. State registration number 770141179. 1987.
3. Developing the scientific basis for creation of low-waste technology of processing sulfurous oil shales: Report number 01200703635.
4. Gorbis Z.R. Heat Transfer and Hydrodynamics of dispersed cross-flows. M.: Energiya, 1970. 428 p.
5. Ushakov S.G., Zverev N.I. Inertial separation of dust. M.: Energiya, 1974. 168 p.
6. Babuha G.L., Rabinovich M.I. Mechanics and heat transfer flow of a polydisperse gas suspension. Kiev: Naukova Dumka, 1969/ 218 p.
7. Gorbis Z.R., Kalenderyan V.A. Heat exchangers with flow coolants. M.: Energiya, 1975. 296 p.
Семёнов Борис Александрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Атоян Элла Моисеевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Назаров Сергей Сергеевич -
магистрант кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета
Semyonov Boris Aleksandrovich -
Doctor of Technical Sciences,
Professor of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University Atoyan Ella Moiseevna -Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Industrial Heat Engineering» of Saratov State Technical University Nazarov Sergei Sergeyevich -Graduate Department of «Industrial Heat Engineering», Saratov State Technical University
