Оптимизация параметров реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья на основе установок с твердым теплоносителем

• Автор: Селиванов, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОЛУКОКСОВАНИЮ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ

1.1 Перспективы использования сернистых сланцев

1.2 Обзор экспериментальных и теоретических исследований

по полукоксованию сернистых сланцев

1.3 Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТОГО СЛАНЦА В БАРАБАННОМ РЕАКТОРЕ С ЗОЛЬНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

2.1 Анализ методов описания

2.2 Описание теплообмена в барабанном реакторе с зольным теплоносителем

2.3 Моделирование термического разложения сернистых сланцев

по соотношениям формальной химической кинетики
2.4 Разработка алгоритма и программы расчета барабанного реактора.
2.5 Выводы по главе
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОФОНТАННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОПКИ (АФТ) С РАЗРАБОТКОЙ АЛГОРИТМА
И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА
3.1 Математическое описание АФТ
3.2 Разработка алгоритма расчета АФТ. Численный эксперимент
3.3 Выводы по главе
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РЕАКТОРНОГО БЛОКА, АДАПТИРОВАННЫХ ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ СХЕМУ УТТ
4.1 Математическое описание зольного воздухоподогревателя
4.2 Описание совместной работы барабанной сушилки и котла-утилизатора
4.3 Выводы по главе
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОГО АЛГОРИТМА РАСЧЕТА РЕАКТОРНОГО БЛОКА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
И ОБОСНОВАНИЯ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ
5.1 Выбор критерия оптимизации
5.2 Особенности методики комплексной оптимизации состава оборудования
и рабочих параметров блока УТТ
5.3 Комплексная оптимизации реакторного блока для полукоксования сернистого горючего сланца в барабанном реакторе
5.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Согласно принятой правительством энергетической стратегии России до 2030 года важную роль в топливно-энергетическом секторе должны занимать твердые и низкосортные горючие ископаемые. При этом наша страна занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев. Поэтому проблема освоения богатейших месторождений с включением горючих сланцев в практическую хозяйственную деятельность может считаться сегодня актуальной для нашей страны в целом и Поволжского региона в частности.
С учетом высокого содержания серы в Поволжских сланцах особое внимание необходимо акцентировать на технологиях комплексного использования, которые базируются на процессах термической переработки. При этом основным товарным продуктом является сланцевая смола, состоящая из смеси жидких углеводородов, горючий газ и прокаленный зольный остаток. Такое использование горючих сланцев позволит развивать инфраструктуру регионов с диверсифицированием их топливно-энергетического баланса, а также повысить энергетическую безопасность страны в целом.
В составе сланцевой смолы содержатся ценные химические соединения, получение которых напрямую сдерживается как техническими трудностями, так и экономическими соображениями. Получение этих продуктов приобретает особую актуальность в свете политики импортозамещения Российского государства. Удовлетворение растущих потребностей национальной экономики в энергетическом сырье за счет горючих сланцев позволит направить высвобождающиеся запасы традиционных углеводородов (нефть, газ) на экспорт с целью валютного пополнения бюджета. Решение поставленных задач в Поволжье может быть достигнуто путем сооружения энерготехнологических комплексов с переработкой сернистых горючих сланцев на базе установок с твердым теплоносителем (УТТ), зарекомендовавших себя при переработке эстонских кукерситов. Однако сернистые сланцы Поволжья имеют отличные от эстонских кукерситов состав и теплотехнические характеристики. Поэтому задача поиска
оптимальных параметров в энерготехнологической схеме первичной переработки сернистых горючих сланцев Поволжья, поставленная в настоящей работе, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель настоящей работы — научное обоснование оптимальных рабочих параметров и массогабаритных характеристик основного и вспомогательного оборудования реакторного блока для полукоксования сернистых сланцев Поволжья на основе установок с твердым (зольным) теплоносителем.
Объектом исследования является система аппаратов для реализации процесса первичной переработки сернистого сланца в барабанном реакторе полукоксования с зольным теплоносителем.
В связи с этим основными задачами исследования являются:
1. Разработка математических моделей, алгоритмов и программ расчета отдельных аппаратов основного и вспомогательного оборудования реакторного блока с учетом особенностей протекания физико-химических процессов при полукоксовании сернистых горючих сланцев в установке с твердым теплоносителем.
2. Программная реализация комплексного математического описания полной энерготехнологической системы аппаратов реакторного блока с учетом закономерностей совместной работы основного и вспомогательного оборудования.
3. Создание и программная реализация многофакторной экономикоматематической модели реакторного блока.
4. Многовариантная технико-экономическая оптимизация схемы и рабочих характеристик аппаратов реакторного блока в зависимости от качественных характеристик исходного сланца и рыночных цен на энергоносители и конструкционные материалы.
Научная новизна:
1. Предложена научная гипотеза о преобладающей роли конвективного переноса теплоты от зольного теплоносителя к частицам сланца через разделяющую их парогазовую прослойку.

теплоотдачи, скорости движения потока, диаметра барабана, а также изменения плотности исходя из потери массы при термическом разложении по соотношениям химической кинетики. Коэффициент ак определен из принятого значения критерия Nu=18, полученного при исследовании теплообмена в условиях топливной засыпки для непродуваемого слоя, при том, что частота вращения барабана в опытах достигала 16 об/мин. Повышение интенсивности теплообмена авторы объясняют результатом ускоренного перемешивания греющего и нагреваемого материала.
При описании теплообмена частиц сланца и теплоносителя во вращающемся пиролизере для упрощения авторами [16] используется так называемый случай «засыпки» при Nu=l. Предполагается, что смешение частиц зольного теплоносителя и сланца происходит мгновенно и равномерно на входе в реактор. В уравнении теплового баланса отсутствует значение теплового эффекта термического разложения органической массы, который, по мнению авторов, достаточно мал, при том, что существует ряд работ [14, 64], где экспериментально были определены значения эндотермического эффекта разложения органического вещества сланцев. В исследованиях [14] теплота разложения органической массы эстонского сланца в интервале 200-550°С, включая теплосодержание свободно удаляющихся летучих, была определена методом количественной термографии и оказалась равной 530±8 кДж/кг. Опыты с калориметрическим определением теплоты полукоксования сухого сланца [64] (конечная температура 580 °С) дали следующие результаты: с конденсацией смолы и воды в бомбе (420±80) кДж/кг органического вещества; без конденсации смолы и воды (по расчету) - около 720 кДж/кг органического вещества. Поэтому учет теплового эффекта термической деструкции органической массы сланца при математическом описании необходим и возможен на стадии формирования материальных потоков на входе в реактор, а также при определении температур различных фракций при поинтервальном (по времени) расчете с учетом выделившихся летучих.