Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор направлений энергетического использования сернистых горючих сланцев поволжья. постановка задач исследования 10
Глава 2. Математическое моделирование процесса газификации горючих сланцев под давлением 26
2.1. Обзор литературных источников по экспериментальному изучению процесса газификации твёрдых топлив 27
2.2. Обзор литературных источников по математическому моделированию процесса газификации твёрдых топлив 40
2.3. Моделирование процесса газификации горючих сланцев Поволжья в стационарном слое под давлением 48
Глава 3. Обоснование структуры схемы подготовки генераторного газа для использования в парогазовой установке. основы математического описания процессов 85
3.1. Структура схемы очистки генераторного газа от смоляных продуктов.. 86
3.2. Структура схемы очистки генераторного газа от кислых газов 99
3.3. Использование генераторного газа в парогазовой установке 104
Глава 4. Оптимизация и сопоставление схем и рабочих параметров газификации сернистых горючих сланцев для использования с ПГУ 113
4.1. Обоснование выбора критерия оптимизации 113
4.2. Особенности методики общеэкономической оптимизации состава оборудования и рабочих параметров газификации сланцев Поволжья для использования с ПГУ 121
4.3. Надёжность системы газификации сланцев для использования с ПГУ.,.128
4.4. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации горючих сланцев для использования с ПТУ 134
Глава 5. Экономическая эффективность газификации сернистых сланцев при использовании с пгу. сопоставление с альтернативным вариантом 144
Заключение и выводы 153
Список использованных источников 155
- Обзор литературных источников по математическому моделированию процесса газификации твёрдых топлив
- Структура схемы очистки генераторного газа от кислых газов
- Особенности методики общеэкономической оптимизации состава оборудования и рабочих параметров газификации сланцев Поволжья для использования с ПГУ
- Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации горючих сланцев для использования с ПТУ
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с Энергетической стратегией
России на период до 2020 года одним из приоритетных направлений является
решение задач эффективного использования топливно-энергетических
ресурсов (ТЭР) и создание условий для перевода экономики на
энергосберегающий путь развития. Согласно стратегии развития энергетики
предполагается увеличение доли твёрдых видов топлива в топливно-
энергетическом балансе страны. В настоящее время использование твёрдых
топлив в энергетике страны находится на невысоком уровне по ряду причин.
Традиционной проблемой теплоэнергетики является обеспечение
приемлемых экономических и экологических показателей
топливоиспользования, что весьма трудно достичь при современной политике цен на природный газ и уголь, ужесточении экологических норм, техническом совершенстве действующего оборудования и ухудшении качества топлива. Одним из наиболее перспективных направлений решения указанных проблем является широкое внедрение в энергетику прогрессивных парогазовых технологий. Наряду с этим, в интересах региональной энергетики следует признать целесообразным вовлечение в топливно-энергетический баланс местных видов топлива. Для Поволжья актуальной является проблема использования многозольных сернистых горючих сланцев.
На территории России разведаны десятки месторождений горючих сланцев. Залежи сланцев только в европейской части страны составляют более 60 млрд. тонн. Наиболее перспективными и крупнейшими являются месторождения Волго-Печорской сланценосной провинции, простирающейся от Саратовской области до республики Коми. Условия залегания благоприятствуют в ряде случаев открытому способу добычи сланцев, что обеспечивает относительно низкую себестоимость топлива.
Для использования горючих сланцев Поволжья в энергетике необходима разработка методов предварительной подготовки топлива, на основе которых возможно комплексное многоцелевое производство газового топлива для использования с ГТГУ, сланцевой смолы, ряда дефицитных химических продуктов (тиофен, метилтиофен, сланцевый бензин и др.), а также разнообразных строительных материалов. Одним из направлений применения твёрдых топлив является их газификация. В силу качественных особенностей газификация сланцев на паровоздушном (парокислородном) дутье под давлением методом Лурги (в плотном слое) наиболее полно отвечает условиям использования низкосортных многозольных топлив.
Использование газификации волжского сланца под давлением с ГТГУ
ставит ряд задач, связанных с оптимизацией схем и рабочих параметров
установок, сопоставлением различных вариантов по экономическим
критериям и показателям надёжности, прогнозированием
конкурентоспособного производства при непрерывном росте цен на природный газ.
Цель работы: анализ и оптимизация схем и рабочих параметров газификации топлива для использования с ПГУ применительно к сернистым сланцам месторождений Саратовской области.
Объект исследования: теплотехнологические установки газификации сернистого сланца под давлением, очистки парогазовой смеси от смоляных продуктов, водяного пара и кислых газов.
Задачи исследования:
1. Математическое моделирование процесса газификации горючих сланцев в плотном слое под давлением, а также описание последующих установок для очистки генераторного газа от смоляных продуктов, сланцевого бензина и кислых газов с целью использования при общеэкономической оптимизации исследуемого комплекса.
Выбор и обоснование критерия общеэкономической оптимизации и сопоставления схем газификации горючих сланцев Поволжья для использования с ПГУ.
Разработка и программное оформление экономико-математической модели газификации горючих сланцев для использования с ПГУ, позволяющей рассчитывать установки с учетом особенностей взаимосвязей элементов системы и их влияния друг на друга.
Оптимизация схем и рабочих параметров, единичной мощности газогенераторного оборудования при различных вариантах исходных данных.
Прогнозная оценка экономической эффективности газификации сланцев Поволжья при использовании с ПГУ как альтернативы использованию природного газа.
Научная новизна:
Разработана и программно реализована математическая модель процесса газификации горючих сланцев Поволжья в плотном слое под давлением с учётом кинетики протекания процессов реагирования с газифицирующими агентами, термического разложения, сушки топлива при согласовании с условиями тепломассообмена.
Обоснован критерий общеэкономической оптимизации состава оборудования и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ, на основе которого разработаны методические положения оптимизации с использованием системного подхода, позволяющие учесть условия работы в энергосистеме, факторы надёжности и особенности совместной работы элементов комбинированных установок.
Разработана и программно реализована экономико-математическая модель газификации горючих сланцев для использования с ПГУ, позволяющая производить расчёты с учетом особенностей взаимосвязей элементов системы.
4. Определены оптимальные схемные решения и рабочие параметры комбинированной системы, единичные мощности газогенератора в зависимости от экономических факторов и показателей надёжности.
Практическая ценность:
1. Представленная математическая модель газификации сланцев под
давлением может быть использована в перспективе при решении задач,
j^ связанных с газификацией других низкосортных топ лив.
2. Разработана экономико-математическая модель газификации
сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ, позволяющая
Л
~ определять оптимальные схемные решения и рабочие параметры, единичную
мощность комбинированных установок в зависимости от рыночных условий
в регионе, цен на топливно-энергетические ресурсы и оборудование.
3. Результаты оптимизации состава оборудования и рабочих
параметров газификации горючих сланцев для использования с ПГУ,
показатели экономической эффективности могут быть использованы при
создании и внедрении установок не только в Поволжье, но и для других
регионов со своими особенностями экономической ситуации, качественными
характеристиками местного топлива.
Автор защищает: результаты численных исследований и оптимизации
состава оборудования и рабочих параметров газификации горючих сланцев
.Ц, для использования с ПГУ; методические положения оценки экономической
эффективности газификации горючих сланцев Поволжья при использования
с ПГУ.
Личный вклад автора заключается в следующем: 1. Разработаны математическая модель процесса газификации горючих сланцев в плотном слое под давлением, а также описание последующих установок для очистки генераторного газа от смоляных продуктов, сланцевого бензина и кислых газов с целью использования при общеэкономической оптимизации исследуемого комплекса.
Разработаны и уточнены методические положения оценки общеэкономической оптимизации и сопоставления схем газификации сернистых сланцев пир использовании с ПГУ
Разработана и реализована экономико-математическая модель газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ, позволяющая рассчитывать комбинированные установки с учетом особенностей взаимосвязей элементов системы и их влияния друг на друга.
Выполнена оптимизация состава оборудования и рабочих параметров, единичной мощности газогенераторного оборудования в зависимости от цен на оборудование, характеристик топлива и экономической ситуации.
С использованием интегральных показателей определена экономическая эффективность внедрения комбинированных установок на базе ПГУ с внутрицикловой газификацией сланцев Поволжья. Выполнена прогнозная оценка экономической эффективности газификации горючих сланцев Поволжья как альтернативы использованию природного газа в ПГУ.
Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплотехника» в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» под руководством доктора технических наук, профессора Симонова Вениамина Федоровича.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета, кафедры «Гидравлика и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета, на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» (г. Самара, 21-22 апреля 2004 г.), а также на Научно-техническом Совете отделения парогенераторов и топочных устройств Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского института (ОАО «ВТИ», г. Москва).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 печатных работах [117-122],
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 167 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 63 рисунка, 17 таблиц. Список использованных источников включает 124 наименования.
Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность
своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору
Симонову Вениамину Федоровичу за внимательное руководство и
неоценимую помощь при выполнении работы. Автор весьма признателен
доктору технических наук, профессору Каширскому Владимиру
Григорьевичу за постоянные консультации, а также коллективу кафедры
«Промышленная теплотехника» Саратовского государственного
технического университета за ценные советы и замечания, высказанные в процессе подготовки и обсуждения диссертации.
Обзор литературных источников по математическому моделированию процесса газификации твёрдых топлив
Целью моделирования является разработка математического аппарата для исследования газогенератора при учёте большого количества факторов. Общий результат моделирования должен соответствовать реальной картине процесса (эксперименту), а модель должна проверяться на устойчивость (чувствительность) при анализе данных численного эксперимента. Качественный анализ данных необходим для выявления особенностей процесса и определения важнейших факторов, и может быть осуществлён обработкой экспериментальных данных. Однако применение эмпирических выражений при моделировании газификации правомерно лишь к условиям, подобным опытам. В этом случае удаётся описать процесс в узком диапазоне исходных данных. При решении задач оптимизации или вопросов регулирования процесса газификации необходимо проводить количественный анализ, требующий более высокой точности. Кроме того, в таких вопросах как оптимизация, модель должна быть универсальна в применении, т. е. предусматривать любой вариант исходных данных. Моделированию газификации твёрдых топлив посвящено достаточно небольшое количество работ, но, тем не менее, их обзор позволяет выявить основные принципы организации модели. В данном разделе проводится анализ некоторых из них.
В работе [27] рассматриваются вопросы моделирования газификации угля в кипящем слое под давлением. Авторы принимают работу реактора в режиме идеального перемешивания. При этом выделяются следующие основные реакции в процессе газификации: С+О2++СО2; С02+С+- 2СО;С+ 2Н2О(пар) СО2+2Н2;С И2О(пар) С0+Н2;СО+Н2О(пар) СО2+Н2;С+Н2 СН4.
Для математического описания протекающих в газогенераторе процессов используют степень реагирования кислорода в слое: и впотоке, /? и л - характеристики слоя (плотность и кратность газообмена), К - безразмерная константа скорости реакции окисления углерода топлива.
Причём константа К выражается также через число Шервуда и различные характеристики псевдоожижения.
Исследования УПИ проводились с целью оптимизации конструктивных характеристик газогенератора с кипящим слоем [143]. Отметим, что для паровоздушной газификации для этих условий принимается реакция C+R20+02+3,76N2 r- -C02+H20+3,76N2+Q. Авторы исследований допускают, что по вертикальной оси газогенератора температура меняется слабо, в силу высоких коэффициентов перемешивания. В данном случае используют опытные данные (энергия активации и предэкспоненциальный множитель) для определения константы указанной реакции по формуле Аррениуса.
В Институте горючих ископаемых исследователями предложена модель автотермической газификации высокозольного топлива при двухстадийном сжигании во взвешенном слое [21]. Отметим, что при описании процесса предполагается, что в процессе встречной диффузии на фронте горения частиц устанавливается равновесие гомогенной реакции с водяными парами. В результате такого допущения состав получаемого синтез-газа определяется исходя из законов формальной кинетики,
В работе [100] для газификации в потоке принимается, что газогенератор является реактором идеального перемешивания, а газовая фаза находится в термодинамическом равновесии. В качестве брутто-реакций приняты следующие: С+02 - С02; С02+С - 2СО; С+Н20(шр) -+СО+Н2. При решении задач теплообмена учитывается стефановский поток, причём считается, что тепловыделение локализовано в твёрдой фазе. В модели приняты допущения, в результате которых рассматривается система уравнений изменения расходов, энергии, уравнения состояния для двухфазного многокомпонентного стационарного потока (одномерная задача). Вследствие решения системы уравнений определяются профили температур и коэффициенты реакционного и диффузионного массообмена по каждому компоненту генераторного газа. В [100, 101, 49] приводится также X. сравнение с экспериментальными исследованиями, с которыми хорошо согласуются результаты моделирования. В более поздних исследованиях Герасимова Г. Я. и Богачёвой Т. М. \ [33] указывается, что при рассмотрении процесса газификации не достаточно рассмотрения одномерной задачи. В этой работе представлена трёхмерная задача в цилиндрической системе координат, а уравнения газодинамики в частных производных учитывают полидисперсность топлива, турбулентный характер потока. Как и в вышеприведённой работе оперируют коэффициентами газообмена. Следующей стадией моделирования здесь является описание кинетических процессов (термическая деструкция (разложение), пиролиз летучих, взаимодействие кокса с газовой фазой). Отметим, что термическое разложение представлено реакцией первого порядка, для которой кинетика выражается уравнением: где С- текущая концентрация углерода; т- время пребывания в зоне реагирования; к- константа скорости реакции. v / Константа скорости реакции, имеющей место при термическом разложении полимера, описывается уравнением Аррениуса. Кинетика реакций газификации описывается уравнениями скорости в одномерной постановке задачи. В [41] приводится описание математической модели реактора газификации угольной пыли с жидким шлакоудалением. В основу модели заложено, что средний состав газовой фазы может быть оценён в состоянии равновесия. При этом определяющей реакцией процесса принимается реакция реконверсии СО+Н20(пар)- С02+Н2. С учётом материальных балансов по элементам и теплового баланса системы, а также особенностей теплообмена в условиях жидкого шлакоудаления производился расчёт выходов горючих компонентов и других показателей процесса в зависимости от содержания кислорода в дутье и температуры плавления шлака. На рис. 2.7 показаны основные результаты численного эксперимента на представленной модели. Температуры в различных зонах определялись методом последовательных приближений.
Структура схемы очистки генераторного газа от кислых газов
Для использования генераторного газа требуется проводить очистку не только от H2S, но и от СО . Для такой очистки применяют преимущественно растворы органических оснований и некоторые нейтральные органические растворители. К недостаткам хемосорбционных методов извлечения кислых компонентов из газа следует отнести высокую коррозионную активность реагентов при высоких температурах (например, для случая очистки газа горячими растворами поташа), а также значительный расход пара на десорбцию извлекаемых газов [78]. Вследствие этого на современных газоочистных заводах используются преимущественно физическая абсорбция. Отметим, что низкую стоимость очистки газов таким методом обусловливают следующие факторы:- регенерация абсорбента при снижении давления, использование тепловой регенерации лишь на последних ступенях десорбции;- извлечение ряда компонентов одним растворителем;- высокая поглотительная способность абсорбента;- одновременная осушка газа;- небольшие технологические потери абсорбента.При абсорбции мольная доля газа в растворе JC,- выражается закономГенри:где pi - парциальное давление газа над раствором, Па; Кр - константаГенри, Па.Константа Генри Кр представляет собой постоянную величину, котораязависит от природы вещества и температуры:где А - коэффициент, зависящий от природы вещества, и определяется опытным путём; АН - теплота растворения газа, кДж/моль.
Очевидно, что факторами, обеспечивающими наилучший результат абсорбции, являются повышенное давление и низкая температура.Автором был проведён обзор методов очистки газа, основанных на физической абсорбции [17, 77, 78], который показал, что для одновременного удаления кислых компонентов и органических сернистых соединений из газа, а также при избыточном давлении 0,5-5 МПа, наиболее эффективным является метод очистки метанолом «Ректизол». Этот метод получил широкое применение на газогенераторных станциях таких стран как Германия, Чехия, ЮАР. Недостаток этого метода заключается в относительной громоздкости технологической схемы. С понижением температуры абсорбционная способность метанола резко возрастает. На рис. 3.8 показаны графики зависимостей констант Генри от температуры абсорбции для растворов H2S и С02 в метаноле [78]. Как видно из графиков, растворимость сероводорода в метаноле значительно выше растворимости в нём диоксида углерода. В процессе «Ректизол» на основании этого реализуется селективное разделение кислых газов. Неочищенный газ при температуре порядка 40С проходит теплообменники, в которых охлаждается до -40С. Таким образом, генераторный газ освобождается от несконденсированных паров газового бензина и водяных паров.
Далее охлаждённый газ поступает в двухступенчатый абсорбер, представляющего собой колонну с колпачковыми тарелками. На первой ступени очистки газ контактирует с основным потоком метанола, охлаждённого до температуры порядка -(70-75) С. Здесь удаляется практически весь сероводород, остатки сераорганических соединений и часть диоксида углерода. Далее газ направляется на вторую ступень абсорбера, где при температуре -(60-65) С поглощается оставшаяся часть СОг- Таким образом, в расчёте можно не учитывать влияние газовых компонентов на растворимость в абсорбенте, а проводить расчёт первой ступени по сероводороду, а вторую - по диоксиду углерода. Причём в расчёте второй ступени необходимо учитывать потери давления в первой.
Расход абсорбента может быть найден из закона Генри следующим образом:где Lj и Gj- соответственно расходы абсорбента и генераторного газа, кг/с; Р- давление абсорбции (газа); г}иа- степень приближения к равновесию в абсорбере (0,7-0,8).Диаметр колонны определяется по выражению:где V- объёмный расход очищаемого генераторного газа, м3/с; w скорость газа в свободном сечении колонны.
Основным вопросом здесь является задача определения допустимой или оптимальной скорости газовой смеси. Широкое распространение в ряде отраслей промышленности получило уравнение Саудерса и Брауна [97]:где рж и/)„- соответственно плотность жидкости и парогазовой смеси, кг/м3; С- коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и величины поверхностного натяжения.
При заданной степени очистки генераторного газа поверхность массопередачи тарелок в абсорбере определяется из уравнения массоотдачи:где М- расход передаваемого через поверхность массопередачивещества, кг/с, АХ - движущая сила, кг/кг. Коэффициент массоперередачи кхопределяется по критериальным уравнениям, которые приведены в [74].
Особенности методики общеэкономической оптимизации состава оборудования и рабочих параметров газификации сланцев Поволжья для использования с ПГУ
При расчёте изменяющейся части годовых расчётных затрат в систему важно учитывать изменения условий окружающей среды в течение года. Наиболее существенным фактором влияния климатических условий на режимы работы ПГУ является температура наружного воздуха. Для её учёта необходимо задавать изменение среднесуточной температуры Tj в течениегода и зависимость числа часов работы г. при этой температуре. В данномслучае, применительно к климатическим условиям Саратовской области, функцию типа г = f(T:) получаем посредством аппроксимациистатистических справочных данных (рис. 5.1) [103]. Отметим также, что здесь необходимо учитывать и технические характеристики оборудования: диапазоны изменения температуры наружного воздуха и температуры выходных газов ГТУ, условия работы котла-утилизатора. В данном случае ГТУ типа ГТЭ-160 (V94.2) надёжно эксплуатируется в интервале температур наружного воздуха -37...+37 С, температура выходных газов меняется незначительно [112]. В условия работы ПГУ выработка пара в КУ и его параметры остаются практически постоянными. Таким образом, основное влияние на работу ПГУ в изменяющихся условий окружающей среды оказывает газотурбинная часть. где ЗЭ - изменяющаяся часть годовых эксплуатационных затрат впериод стояния Tj среднесуточной температуры TJt рубУгод; р и P0QCJI доля затрат на амортизацию и обслуживание оборудования, зависящие от объёма капиталовложений, 1/год; ЛК - изменяющаяся часть капитальных затрат, руб.; A33aMj - затраты энергосистемы на замещаемую мощность,рубУгод; Зпоб j - прибыль от реализации побочных продуктов (золы, смолы,сланцевого бензина и серы), руб./год; k - число периодов стояния среднесуточной температуры Tj.
Применительно к рассматриваемому объекту исследования разработана экономико-математическая модель системы (см. рис. 4.2), в которой учитываются особенности газогенераторного процесса, режимы предварительной очистки генераторного газа от смолы и водяного пара, режимы физической абсорбции H2S и С02 метанолом в процессе «Ректизол», а также изменение вырабатываемой мощности ПГУ (в газотурбинной и паротурбинной частях) в зависимости от влияющих факторов. Предварительные расчёты показали, что основными факторами, влияющими на выходные параметры системы, являются давление газификации и степень обогащения кислородом воздуха дутья, а также рабочие характеристики топлива.где A3monj - затраты на топливо (карьерный сланец); ДЗшт; - затраты навспомогательные материалы (восполнение потерь абсорбента в процессе «Ректизол» и другие); A3m6j- - плата за вредные выбросы (в пределах ПДВ).
Удельная стоимость горючих сланцев зависит от глубины выработки карьера при открытом способе добычи и мощности пластов. В связи с этим, стоимость сланца, добываемого на разных месторождениях, может существенно различаться в силу отличающихся условий залегания ископаемого. Тем не менее, значительные ресурсы наиболее перспективных месторождений позволяют говорить об относительном постоянстве стоимости первичного топлива.где ЛКагр - капитальные затраты на технологическое оборудование потракту генераторного газа (от газогенератора (включительно) до ПТУ); ЛК капитальные затраты на установку производства серы методом Клауса; ЛКтп капитальные затраты на отделение топливоподготовки; AKgXC капитальныезатраты в систему очистки сточных вод; ЛКхс капитальные затраты нахолодильную установку; AKgpy- капитальные затраты навоздухоразделительные установки.
При определении капитальных затрат на газогенераторное оборудование и технологические аппараты системы очистки генераторного газа с учётом давления и характеристик парогазовой смеси целесообразно использовать металлоёмкость агрегатов, зависящую от габаритов и толщины стенки (в соответствие требованиям к механической прочности основных узлов и деталей химических аппаратов). В общем виде капитальные затраты на эти агрегаты ЛКагр могут быть выражены: где Магр - масса агрегата, т; Цмат удельная стоимость применяемогоматериала, руб./т; кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на изготовление и неучтённое оборудование (корректируется по действующим ценам на оборудование), ед.
Производство серы методом Клауса связано с получением утилизационного пара. Выходные показатели установки (количество серы и пара) определяются составом кислого газа после десорбции его в процессе очистки «Ректизол» и зависят от оптимизируемых факторов. Параметры утилизационного пара могут быть связаны с его использованием в абсорбционной холодильной установке и на конечной стадии десорбции кислого газа. Основными элементами установки являются каталитические конверторы и котлы-утилизаторы. В этих агрегатах отводится избыточное количество теплоты с выработкой пара среднего и низкого давлений. Удельные капитальные затраты на установку Клауса могут ориентировочно быть оценены величиной, отнесённой к количеству полученной серы [руб./(т. серы/ч)]. Капитальные затраты на отделение топливоподготовки ЛКтп определяютсяаналогично по удельному показателю, отнесенному к единичной производительности [руб./(т. сланца/ч)].
Современные технологии переработки топлива характеризуются высокими показателями безотходности использования комплексного сырья. Так, при переработке прибалтийских сланцев сточные воды (подсмольные и надсмольные) перерабатываются с целью выделения водорастворимых двухатомных фенолов и дальнейшего их использования. Необходимо отметить, что фенолы, получаемые при газификации волжского сланца, отличаются более высокой молекулярной массой и практически не пригодны для дальнейшей переработки. Поэтому сточные воды необходимо подвергать очистке биохимическим способом. Удельные капитальные затраты на сооружение соответствующих производств относят на 1000 м /ч сточных вод [23].
Для реализации процесса «Ректизол» принята температура испарения хладагента (аммиака) - (-6CR-70) С. Такие параметры холода могут быть достигнуты как в абсорбционных водоаммиачных холодильных установках (АВХМ), так и в паровых компрессионных холодильных машинах (КХМ). Поскольку в схеме ПТУ с ВЦГ рассматривается производство серы, то имеется дополнительный источник пара. Использование В ЭР в генераторе холодильной установки повышает экономичность, а приведённые затраты на выработку холода в АВХМ становятся ниже, чем в КХМ (см. рис. 4.3.) [73]. Таким образом, применительно к рассматриваемому случаю абсорбционные водоаммиачные установки являются более предпочтительными.
Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации горючих сланцев для использования с ПТУ
Комплексная оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации сланцев для использования с ПГУ имеет целью выбор рабочих параметров и схемы, которым соответствует минимум годовых расчётных затрат, а проведение её заключается в совместном изменении совокупности этих параметров в допустимом (доверительном) интервале значений. Доверительный интервал определяется системой ограничивающих условий, наложенных на оптимизируемые показатели, которые отражают требования к надёжности эксплуатации оборудования, технически допустимые значения параметров с учётом технологических и конструктивных особенностей элементов схемы, а также специфики технического выполнения. Таким образом формулировка задачи оптимизации состава оборудования и рабочих параметром может быть записана в следующем виде: где XQ2,XP,XмЄд - оптимизируемые параметры по содержанию кислорода в воздухе дутья, по давлению в газогенераторе и по его единичной производительности; кэг с - заданный энергосистемой уровень надёжности.
Доверительный интервал изменения давления в газогенераторе обусловлен тем, что при давлениях более 4 МПа металлоёмкость агрегата, сложность оборудования возрастают до уровня, когда капитальные затраты становятся неоправданно высокими. Очевидно, что при этом также следует ожидать существенного снижения надёжности агрегата. Что касается ограничивающих условий по единичной мощности газогенератора, то при производительности более 500 т/ч, коэффициент готовности такого агрегата таков, что для достижения системного показателя готовности потребуется увеличение кратности резервирования, что вызывает резкий рост капитальных затрат.
В целом задача оптимизации является сложной нелинейной,многофакторной задачей, которая может быть решена с помощью примененияметодов нелинейного программирования. Для оптимизации ПГУ с ВЦГ сбольшим числом варьируемых показателей могут применяться методынаправленного поиска. Характерным для них является использование воптимизационных задачах результатов каждого расчётного шага дляопределения направления изменения оптимизируемых параметров. При этомзначение целевой функции систематически уменьшается, что исключаетнеобходимость рассмотрения большого количества вариантов. В данном случаеавтором выбран метод покоординатного спуска (метод Гаусса-Зейделя). Сутьметода заключается в минимизации целевой функцииЛЗгад = /(Хо2,Х0р,Хмед), где X062,X0P,XN - параметры в исходной точке спуска. Очевидно, что в качестве исходной точки могут быть выбраны минимальные граничные условия. При этом изначально фиксируются значения всех параметров, кроме первого Х0 , и определяется его оптимальное значение, при котором значение целевой функции минимально. Аналогично определяются минимумы функции при последовательном изменении остальных параметров (при фиксировании оптимальных точек). Один цикл поиска, как правило, не позволяет однозначно определить глобальный оптимум, поэтому необходимо проводить повторения циклов оптимизации.
В настоящем исследовании поиск оптимальных параметров реализуется численными методами. В работах [45, 83] проанализированы различные методы определения оптимума, из которых выбран метод покоординатного спуска.
Ниже приведены результаты оптимизации при различных исходных стоимостных и технологических характеристиках производства. На рис. 4.8. приводятся оптимальные давление в газогенераторе и содержание кислорода в воздухе дутья в зависимости от стоимости металла, из которого изготовляются газогенераторы и основное оборудование отделений конденсации парогазовой смеси и очистки генераторного газа от кислых компонентов при различных ценах на карьерный сланец. При этом использовались следующие исходные данные: средний состав сухого сланца: А =55%, ОВ =35%, (СОг)кард=10%; годовое число часов использования установленной мощности 7500 часов; уровень налоговых отчислений в федеральный и местный бюджеты: ун — 60%; удельные капитальные затраты на ПТУ: 800 $USD/KBT установленной мощности.4.8. видно, что с увеличением стоимости металла оптимальное давление возрастает. В главе 2 в результате моделирования процесса газификации получено, что с увеличением давления в газогенераторе система находится в неоптимальных с позиции термодинамики условиях. Однако, при повышении давления в газогенераторе в реакционном объёме увеличивается плотность парогазовой смеси и уменьшается её линейная скорость. Соответственно уменьшаются габариты газогенератора, что сказывается на снижении капитальных затрат. Этим объясняется некоторое возрастание оптимального давления в газогенераторе с увеличением стоимости карьерного сланца и повышением влажности топлива. При повышении давления в газогенераторе увеличивается содержание водяных паров в генераторном газе, при этом увеличивается и нагрузка на конденсационное отделение. Поэтому с ростом рабочей влажности топлива, влияние удельной стоимости сланца на оптимальное давление проявляется в меньшей мере. Кроме того, при газификации сланцев для использования с ПТУ повышение давления в газогенераторе позволяет снизить расход электроэнергии на дожимной компрессор газа (снижаются собственные нужды), положительно сказывается на процессе очистки генераторного газа от кислых компонентов. Из. рис. 4.8. также видно, что оптимальным является применение паровоздушного дутья, Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, с увеличением степени обогащения воздуха возрастает и расход пара в газогенератор (температура в зоне горения не должна превышать температуру жидкоплавкого состояния), Таким образом, при увеличении содержания кислорода в воздухе дутья электрическая мощность ПТУ снижается. Наконец, использование воздухоразделительной установки значительно повышает расход электроэнергии на собственные нужды (разделение воздуха и компримирование кислорода) и вызывает дополнительные капитальные затраты.
На рис. 4.9. и 4.10 представлены графики зависимостей оптимальных давления в газогенераторе и степени обогащения воздуха дутья от стоимости топлива, используемого в замещаемой генерирующей мощности, и удельных капитальных затрат в замещаемую мощность. В качестве замещаемой мощности принимаем наиболее совершенную энергетическую установку - ПГУ на природном газе.
