научная статья по теме КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 4, с. 66-70

УДК 611.321

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА © 2015 г. А. Н. Мракин, Г. А. Акимова

ФГБОУВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

E-mail: anton1987.87@mail.ru Поступила в редакцию 05.05.2014 г.

В статье изложены результаты аналитического исследования термодинамической и экономической эффективности энерготехнологических установок, использующих в качестве головного процесса парокислородную газификацию угля. Целевыми продуктами газификации являются синтез-газ, электрическая и тепловая энергия. В основу исследования положена методика системных исследований в теплоэнергетике, позволяющая определять целесообразность и своевременность реализации указанной технологии с учетом перспективного топливно-энергетического баланса страны и внешнеэкономических факторов. Выполнено определение рациональных областей применимости предлагаемой установки.

DOI: 10.7868/S0023117715040076

Широкое развитие и применение в современной химической технологии получили процессы, основанные на проведении газокаталитических реакций [1]. К таким процессам относят синтез аммиака, углеводородов, метанола и др. Исходным сырьем для промышленных газокаталитических синтезов в органической и неорганической технологии являются прежде всего Н2, СО и N2. Так, для синтеза 1 т метанола требуется до 3000 нм3 смеси Н2 и СО; для получения безводного изобутанола-сырца уже потребуется 6000— 6800 нм3 смеси Н2 и СО, а при производстве углеводородов по методу Фишера—Тропша на кобальтовом катализаторе — 6800—7500 нм3 смеси Н2 и СО [2].

В [3] указывается на целесообразность создания установок, вырабатывающих наряду с электроэнергией и горючий газ, используемый в различных отраслях народного хозяйства. Отличительная особенность этой схемы — наличие электрогазификатора твердого топлива, работаю-

щего на провальной электроэнергии, промышленное освоение потребует дополнительных финансовых и временных затрат. Разработанная схема [4] лишена этих недостатков, поскольку в качестве головного процесса предполагается использовать отработанный газогенератор системы Копперса—Тотцека для организации поточной парокислородной газификации угольной пыли. При этом вырабатывается высокотемпературный горючий генераторный газ с содержанием СО до 48% и Н2 до 39%. Тепловая схема указанной технологии отвечает современным требованиям экономичности, надежности и рационального природопользования, описание которой представлено в [5].

Оценку энергетической (термодинамической) эффективности комбинированного производства энергоносителей на базе энерготехнологического комплекса (ЭК) предлагается выполнять с использованием системного эксергетического кпд

П =_ЕХээ + ЕХсг + Ехтепд + ЕХзШ__(1)

d f f f ^ЕХээ ДЕХст ДЕхтеПл

В • еХт + Овозд • еХвозд + "HjO ' еХН20 + Ореаг ' еХреаг + кё^ + эГ^ + ют

ПеХ ПеХ ПеХ

где Ехээ, Ехсг, Ехтепл, Ехзш — эксергия отпущенной потребителям электрической энергии (очищенного генераторного газа), теплоты синтез-газа и золошлакового материала, кВт; ехт, ехвозд, ехНгО, ехреаг — удельная эксергия потребляемого топлива, воздуха, подпиточной воды и реагента систе-

мы сероочистки, кДж/кг; В, Овож, СНгО, Среаг — расход топлива, воздуха, воды и реагента, кг/с; АЕхээ ДЕхсг, АЕхтепл — недовыработка эксергии электроэнергии, синтез-газа, теплоты в сравнении с ба

зовым вариантом, кВт; п

кэс эту кот

, ПеХ^ ПеХ - эксерГети-

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК

67

ческие кпд замещающих КЭС, газогенераторной энерготехнологической установки и котельной.

Обязательное условие в исследовании эффективности предлагаемых технологий — расчет экономических показателей установки, характеризующий спрос на получаемую продукцию, социальный и народно-хозяйственный эффект.

В проведенных расчетах было принято предположение о полном использовании всех вырабатываемых продуктов. Детальные результаты расчета технико-экономической эффективности ЭК представлены в [5]. Поскольку синтез-газ можно использовать для производства электроэнергии, выделения водорода либо для передачи технологическому потребителю (в качестве полупродукта для дальнейших этапов передела), необходимо приведение вариантов в сопоставимый вид путем учета дополнительных затрат в замещающие установки. Величина интегрального эффекта определяется по формуле (руб.)

Эин - X((г + + ^тепл + ^зш - З1) Х

I=0

(2)

1

(1 - н) - К,

знг = X [(1 - Кт) • К

• Ърез • Срез + р • К рез

ит * 'т Ррез ' эту

I=0

(3)

1

, Крез

I ' -^-эту

(1 + Е)1

где Д.г, Яээ, Лтепл, ^зш — экономический результат (прибыль) от реализации синтез-газа, электрической и тепловой энергии, золошлакового материала, руб./год; З, — эксплуатационные издержки (финансовые затраты) на топливо, ремонт, заработную плату, прочие виды расходов, обеспечение надежности и защиты окружающей среды, затраты на приобретение электроэнергии, теплоты и синтез-газа от замещающих установок, руб./год; Е — норма дисконта, 1/год; Тсл — срок службы объекта, лет; н — коэффициент, учитывающий налоговые сборы; К — суммарные приведенные капиталовложения при осуществлении инвестпроекта, руб.

Аналитические выражения для расчета затрат в обеспечение заданного уровня надежности электроснабжения потребителей (в том числе и электроприемников предприятия, использующего синтез-газ в производственных целях), в снижение вредных выбросов и компенсацию негативных последствий выбраны согласно рекомендациям, представленным в [6], вариантные расчеты приведены в [5].

Для предотвращения или снижения экономического ущерба от прекращения газоснабжения промпотребителей на ЭК устанавливается соответствующее резервное оборудование, при этом необходимо стремиться к повышению коэффициента готовности основного оборудования как наиболее совершенного. Затраты по обеспечению надежности газоснабжения от ЭК определяются по следующей зависимости (руб.):

(1 + Е)1

где Кг — коэффициент готовности; Ксгг — годовое

потребление синтез-газа, м3/год; Ъгрез — удельный расход топлива резервными установками по производству синтез-газа, кг/м3; Срез — стоимость резервного топлива, руб./кг; ррез — коэффициент, учитывающий отчисления от капиталовложений в резервные установки, 1/год; Крту — капиталовложения в резервные установки по производству синтез-газа, руб.

Для определения характеристик, показателей энергетической и экономической эффективности вариантов тепловых схем ЭК разработана математическая модель, блок-схема которой представлена в [5].

Математическая модель расчета технологических и экономических показателей ЭК включает уравнения материальных и энергетических балансов, теплопередачи и аэродинамических сопротивлений отдельных элементов энергетического комплекса (газогенераторов, котлов-утилизаторов, паротурбинной и парогазовой установок, компрессоров синтез-газа и пр.), критерии оценки энергетической и экономической эффективности, ограничения на технически достижимые параметры сред, температурные напоры в котлах-утилизаторах и др.

Расчет состава генераторного газа и габаритов газификатора основан на методике А.А. Беляева (МЭИ), которая была скорректирована и дополнена для использования применительно к установкам парокислородной газификации [5]. Расчет газогенераторного процесса парокислород-ной газификации пылеугольного топлива выполнен для определяющих реакций:

С + О2 ^ С02

С + С 02 ^ 2 СО

С + 2Н20 С02 + 2Н2.

(4)

Дополнив систему (4) реакцией СО + Н2О = = СО2 + Н2 и уравнением константы равновесия в зависимости от температуры процесса Кр = = /(,газиф), выполнили расчет состава генератор -ного газа.

В ходе предварительных исследований установлено, что время пребывания частицы топлива в газификаторе оценивается по наиболее медленной химической реакции. Для принятых условий такова реакция Будуара (2СО ^ С + СО2), поэтому время рассчитывается по выражению (5)

Таблица 1. Результаты расчета газогенераторного процесса

Показатель

Диаметр газогенератора, м

Длина газогенератора, м

Время пребывания топливной частицы, с

Объемная производительность реактора, ту/м3 ■ ч

Интенсивность газификации, ту/м2 ■ ч

Выработка генераторного газа, м3 газа/с

Удельный расход угля, кгу/м3 газа Удельный выход газа, м3 газа/кгу

Величина

5.24 8.48 2.5

0.659

2.79

73.14

0.458 2.183

1 Е

■■ — ■ ехрI-

, . „ (5)

к0 \ят!

где к0 — предэкспоненциальный множитель, м/с; Еакт — энергия активации реакции, Дж/моль; Я = 8.314 Дж/(моль • К) — универсальная газовая постоянная; Т — температура процесса, К.

Для реакции Будуара в принятых условиях Еакт = 367400 Дж/моль и lgк0 = 0.2 • 10-4 • Еакт + 2.

Принимая во внимание, что конструктивно газификатор выполняется из двух горизонтальных цилиндрических частей с торцевыми горелками, его диаметр (м) определяем при заданной интенсивности процесса из соотношения

Б =

'2 • В

п- у'

(6)

где В — суммарный расход топлива, т/ч; у — интенсивность процесса газификации, т/м2 • ч.

Общая длина (м) реактора, обеспечивающая протекание химических реакций, определяется по выражению

4 • Кг-т

I = ■

п- Б1

(7)

где Угг — выработка генераторного газа, м3/с.

С использованием разработанного математического описания и формул (4)—(7) проведен расчет состава синтез-газа, при использовании в ка-

честве топлива Кузнецкого каменного угля с низшей теплотой сгорания 27420 кДж/кг. Образующийся синтез-газ имеет следующий состав: С02 = 2.5%; СО = 48.0%; Н2 = 38.9%; N = = 1.3%; Н2О = 9.3% и менее 0.1% Н^.

Расчет газогенераторного процесса выполнен при следующих данных: расход Кузнецкого каменного угля на один газогенератор 33.5 кг/с; удельный расход кислорода 0.493 кг^кг угля; удельный расход водяного пара 0.483 кгп/кг угля; степень чистоты кислорода — 0.95; потери от механической неполноты выгазовывания топлива — 2.0%; размер угольной частицы — 0.08 мм. Результаты расчетов приведены в табл. 1—3.

Выбор давлений пара в котлах-утилизаторах проводили на основе технико-экономических расчетов [7]. Увеличение давления вырабатываемого пара приводит к росту экономической эффективности и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком