Введение к работе
Актуальность проблемы. Ресурсы ископаемого топлива, которые ныне удовтетво-ряют до 85% мировой потребности в энергоресурсах, не возобновляются, богатые и доступные месторождения быстро исчерпываются К тому же растущие выбросы парниковых газов в атмосферу оказывают необратимое воздействие на климат планеты Гтавное направление глобальной энергетической стратегии на долгосрочную перспективу вырисовывается довольно отчетливо все более широкая замена ископаемого топлива альтернативными, возобновляемыми, экологически безопасными источниками энергии, к которым принадлежит и водородная энергия, отходом использования которой явтяется обыкновенная вода К этому будет подталкивать и реализация Киотского протокола
Среди альтернативных экологически чистых топлив водород явтяется универсальным энергоносителем Водород перспективен для использования в двигателях внутреннего сгорания, дтя выработки электроэнергии в топчивных элементах, для производства синтетических жидких топлив (СЖТ) и др В связи с этим возникает задача поиска и исстедования технологий крупномасштабного получения водорода, характеризующиеся высокими энергетическими, экологическими и экономическими показателями
Из существующих в настоящее время техно тогий производства водорода экономически наиботее эффективными являются технологии на основе органических топтав Следует отметить, что в восточных регионах России находятся крупнейшие месторождения угля, которые по энергетическому эквиваленту существенно превосходят месторождения жидких и газообразных углеводородов Фактором, обусловливающим ограниченность спроса на твердое топливо, является невозможность его прямого использования у значительной части потребителей автомобильного, водного, железнодорожного транспорта и др Поэтому крупномасштабное производство водорода на базе угля, а также синтез СЖТ на его основе позволит увеличить объем добычи, сократить уровень вредных выбросов и выбросов парниковых газов в окружающую среду, перейти на прогрессивные технологии производства электрической и механической энергии (топливные элементы, высокотемпературные газовые турбины и др)
Следует отметить, что получение водорода из органического топлива осуществляется, как правило, в одноцетевых установках В данных установках производится утилизация тепла, выделившегося в процессах парокистородной конверсии природного газа или газификации угля, а также охлаждения уходящих газов При этом получается пар, который испотьзует-ся в основном на собственные нужды технологии Такие процессы характеризуются невысоким КПД Существенно более эффективным является комбинированное производство водорода и электроэнергии в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) В этом случае возникает возможность утилизации высокотемпературного тепла и горючих газов для производства электроэнергии В результате повышается КПД процесса производства синтетического топлива (СТ), сокращаются удельные капиталовложения Кроме того, есть все основания по-
лагать, что использование прогрессивных способов выдетения водорода из синтез-газа, основанных на применении палладиевых мембран, позволит существенно повысить энергетическую и экономическую эффективность энерготехнологического производства водорода
ЭТУ производства водорода и электроэнергии характеризуются высокой сложностью технологических схем, многообразием физико-химических процессов, протекающих в элементах, а также практическим отсутствием какого-либо опыта их проектирования Поэтому основной путь исследования таких установок - математическое моделирование и проведение численных экспериментов на моделях
Разработки методов математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок ведутся как в нашей стране, так и за рубежом на протяжении нескольких десятилетий Здесь в первую очередь следует отметить работы таких ученых, как Г.Б Левен-таль, Л С Попырин, А А Палагин, Л А Шубенко-Шубин, Г Б Усынин, В П Бубнов, Ю В Ыаумов, А М Клер, Н П Деканова, М A El-Masn, W F Stoecker, V Grovic, С Frangopoulos и
В монографии Э Э Шпильрайна и соавторов освещен широкий круг вопросов, относящихся к водородной энергетике, включая традиционные и перспективные методы получения водорода, его хранения и транспорта, использования в качестве энергоносителя и сырья
Интересные результаты расчетных исследований, проектных разработок и испытаний опытно-промышленных установок комбинированного производства электроэнергии и СТ представлены в работах СГТУ (А И Андрющенко) В этом же направлении выполнены комплексные исследования экологически перспективных энерготехнологических блоков электростанций с новыми технологиями использования углей в НГТУ (Г В Ноздренко)
Оригинальный подход к долгосрочному прогнозированию энергетических технологий, основанный на сочетании технико-экономического исследования схем и циклов конкурирующих установок и их системной эффективности с физико-химическим анализом процессов превращения вещества топлива, изложен в работах под руководством Б М Кагановича
Большая часть исследований по технологиям переработки твердого топлива в синтетические жидкие и газообразные топлива в мире и России посвящена изучению отдетьиых процессов и аппаратов При исследовании комбинированных технотогий производства из угля квалифицировашюго синтетического топлива, выполненных в ИВТ РАН, ЭНИН, ИГИ, Sasol, Shell, Mobil, Bechtel, EPRI и др, в основном проводится термодинамический анализ эффективности Конструктивные характеристики установок определяются, как правило, для одного варианта, полученного на основе термодинамического анализа Комплексный технико-экономический анализ таких технологий и реализующих их установок не проводится В то же время без такого анализа невозможно получение оптимальных технических решений и достаточно объективных экономических показателей, позволяющих определить условия конкурентоспособности изучаемых технологий
В институте систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН в течение значительного времени ведутся работы по математическому моделированию и технико-экономическим оптимизационным исследованиям энерготехнологических установок для производства СЖТ и электроэнергии Разработаны методы автоматизации математического моделирования установок и оптимизации их параметров Указанный методический задел является базой для построения математических моделей энерготехнологических установок получения водорода на основе органического топлива и проведения оптимизационных исследований на моделях
Один из важнейших вопросов, возникающих при исследовании технологий получения СТ в свете Киотских соглашений по сокращению выбросов парниковых газов, связан с определением стоимости продукции установок с учетом затрат на удаление С02 Несмотря на то, что в мире уделяется значительное внимание проектам удаления и захоронения С02 (Норвегия, Канада, Алжир), до настоящего времени этот вопрос остается открытым
Анализ проводимых исследований в отмеченных направлениях позволяет выявить некоторые нерешенные вопросы, которые возникают при комплексном рассмотрении технологий переработки энергоресурсов в СТ Работы, связанные с переработкой энергоресурсов в СТ, большей частью посвящены эксперимеитальпочу и теоретическому изучению Выбору обоснованных схем и параметров экологически перспективных энерготехпологических установок с новыми технологиями испотьзования энергоресурсов, определению областей их экономической эффективности с применением подробных математических моделей не было уделено достаточною внимания Часто не учитывается нелинейный характер зависимостей, не проводится оптимизация параметров с применением строгих математических методов, не учитываются затраты, связанные с удалением С02
В связи с отмеченным цели диссертационной работы заключаются в следующем
разработка методического подхода к решению задачи комплексных исследований ЭТУ комбинированного получения водорода и электроэнергии из органического топлива с учетом затрат в системы удаления С02>
создание согласованной системы математических моделей процессов и отемен-тов энергетической и технологической частей ЭТУ комбинированного получения водорода и электроэнергии из различных видов органического топлива и систем удаления С02,
создание эффективных в вычислительном плане математических моделей ЭТУ производства водорода и электроэнергии с системами удаления С02 в целом,
проведение комплексных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии на основе угля и природного газа с получением их оптимальных параметров и условий конкурентоспособности с учетом затрат в системы удаления С02
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на
защиту следующие наиболее важные результаты
-
Постановка и схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований энерготехнодогических установок комбинированного производства водорода и электроэнергии из угля и природного газа с учетом затрат на удаление С02
-
Математические модели ЭТУ производства водорода и электроэнергии из угля с различными технологиями газификации и природного газа с системами удаления СО2, созданные на основе согласованной системы математических моделей энергетических и технологических элементов с использованием методов математического моделирования
-
Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства водорода и электроэнергии, перерабатывающих уголь, природный газ, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределенности экономической информации и показывающие условия конкурентоспособности данной технологии
-
Сравнительная эффективность ЭТУ производства водорода и ЭТУ производства экологически чистых СЖТ (метанола и диметилового эфира) с учетом затрат на удаление С02
Разработанные в рамках данной диссертационной работы математические модели реализованы в виде программ, используемых в составе созданного в ИСЭМ СО РАН программно-вычислительного комплекса СМПП для персональных компьютеров
Практическая ценпость работы заключается в возможности получения с помощью разработанных математических моделей оценки технической и экономической эффективности ЭТУ производства водорода и электроэнергии по сравнению с установками других типов, принятая оптимальных схемно-параметрических решений по установке и выработке рекомендаций для проектирования установок данного типа Разработанные математические модели систем удаления диоксида углерода из продуктов сгорания могут быть применены при исследовании теплоэнергетических установок
Апробация работы. Результаты исследований опубликованы в павах 5 4 и 5 5 монографии Теплосиловые системы оптимизационные исследования /AM Клер, Н П Деканова, Э А Тюрина и др - Новосибирск Наука, 2005 - 326 с , а также в 14 печатных работах, 2-х отчетах о научно - исследовательской деятельности и обсуждались
на конференциях паучной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008),
на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и испотьзования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2005,2007),
на IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, 2005),
на Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направ іешио «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006),
на XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и техно чогии СТТ 2007» (Томск, 2007),
на III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007),
на XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008)
Лпчный вклад автора Постановка задач исследований и анализ выводов, касающихся содержания работы, осуществлены с научным руководителем Самостоятельно автором разработаны новые математические модели элементов, блоков ЭТУ (конвертора природного газа, конвертора СО, мембранной установки выделения водорода, блока водорода, блока удаления СОг) Все исследования по теме диссертации выполнены автором лично под руководством научного руководителя
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (84 наименования) Общий объем диссертационной работы 147 сгр , в том числе список литературы - 9 стр , 11 рис и 22 таблицы
