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.