Повышение эффективности процесса термической переработки твердого топлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Пятыгина, Мария Валерьевна

• Пятыгина, Мария Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пятыгина, Мария Валерьевна

Введение.

Глава 1. Принципы организации производственного процесса на промышленных предприятиях по переработке твердых топлив. £

1.1. Обзор существующих технологий термической переработки твердых органических топлив и оценка энергетических затрат на производство основных продуктов. £

1.2. Характеристики твердых топлив как сырья для производства энергии и химических продуктов.

Глава 2. Физико-химические и технологические основы процессов разложения органической массы твердого топлива.

2.1. Существующие методы расчета термодинамических функций соединений органической массы твердого топлива.

2.2. Выявление и моделирование структуры исходных соединений и продуктов разложения органической массы твердого топлива.

2.3. Направление реакций разложения органической массы твердого топлива. УО

2.4. Физико-химические и тепловые процессы, протекающие в аппарате-пиролизере. У

Глава 3 Моделирование процесса термического разложения органической массы твердого топлива. gg

3.1. Выявление возможных реакций первичного и вторичного распада соединений органической массы твердых топлив при различных способах переработки.

3.2. Расчет термодинамических параметров процесса разложения твердого топлива и оценка тепловых эффектов образования продуктов переработки.

3.3. Расчет кинетических параметров процесса разложения твердого топлива и оценка выхода целевых продуктов.

Глава 4 Создание методики расчета технологических схем с термическим разложением твердого топлива и разработка метода повышения эффективности процесса термической переработки. ^^

4.1. Выбор исходных данных. J

4.2. Основные этапы методики расчета и анализа эффективности схем энерготехнологической переработки твердого топлива.

4.3. Разработка способа и технологической схемы энерготехнологической переработки твердого топлива.

4.4 . Методика теплового расчета аппарата-пиролизера.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности процесса термической переработки твердого топлива»

Актуальность работы;

На сегодняшний день существуют различные схемы комплексной энерготехнологической переработки твердого топлива, разнообразие которых обусловлено видом применяемого топлива и его техническими характеристиками, а также целевым использованием конечных продуктов потребителями. Программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», предполагающая модернизацию, технологическое развитие и переход к рациональному и экологически ответственному использованию энергетических ресурсов, подразумевает внедрение и использование технологических схем переработки твердых топлив, основанных на процессах пиролиза, гидропиролиза, гидроочистки, сжигании в кипящем слое и плазмотермической переработки.

Для создания эффективных технологических схем и производств с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, а также комплексного использования получаемых продуктов переработки твердого топлива, необходимо исследование структуры органической массы твердых топлив, диапазона температур, стадий распада соединений, составляющих органическую массу твердого топлива и оценка влияния тех или иных промежуточных веществ на конечный качественный и количественный состав получаемых продуктов. Исследование физико-химических основ термического разложения твердых топлив позволит создать методику расчета технологических схем, реализующих эти процессы и повысить энергоэффективность переработки твердых топлив.

Цели работы:

Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов для технологического процесса термической переработки твердого топлива и разработка технологической схемы комплексной переработки твердого органического топлива с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества получаемых химических продуктов.

Основные задачи исследований включают:

- усовершенствование методики теплового расчета аппарата-пиролизера, предназначенного для термической переработки твердого топлива;

- выявление физико-химических основ термического разложения органической массы твердых топлив (ОМТТ) и моделирование процессов комплексной переработки твердых топлив;

- создание методики оценки эффективности технологических схем комплексной переработки твердых топлив на основе определения термодинамических и кинетических параметров соединений, моделирующих молекулярную структуру твердых топлив.

Научная новизна выполненных исследований:

- разработан новый способ термической переработки твердого топлива с последовательным отводом продуктов разделения;

- разработаны теоретические аспекты создания технологических схем комплексной термической переработки твердого топлива;

- разработана методика расчета технологических схем переработки твердых топлив с применением предложенного алгоритма моделирования процесса термического разложения твердого топлива, основанного на учете влияния химического состава ОМТТ различных видов твердого топлива, а также моделях процессов разложения твердых топлив, и проведена оценка их эффективности.

Практическое значение результатов работы: разработаны рекомендации по использованию полученных термодинамических и кинетических параметров процессов разложения твердых топлив при проектировании аппаратов для термического разложения твердых топлив и технологических схем на их основе и при создании научно-образовательных курсов (методические указания к практическим занятиям по исследованию процессов разложения твердых топлив) для подготовки специалистов по направлению «Теплоэнергетика»; создана методика расчета технологических схем на основе термодинамического анализа процесса разложения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- способ повышения эффективности процесса термической переработки твердого топлива с получением энергетического газа и смолопродуктов за счет последовательного отвода продуктов разделения;

- методика расчета технологических схем комплексной переработки твердых топлив;

- усовершенствованная методика теплового расчета аппарата-пиролизера, основанная на моделях процессов разложения твердого топлива и результаты расчетов тепловых, термодинамических и кинетических параметров процессов разложения.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием при определении химического состава органической массы твердого топлива и процессов его разложения данных, полученных на промышленных предприятиях по переработке твердых топлив и производству целевых продуктов, а также известных подходов, основанных на законах химической термодинамики.

Реализация работы.

Результаты работы использованы при выполнении НИР по Программе фундаментальных исследований государственных академий наук до 2012 г. (№01200904734), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты №П2055, 02.740.11.0062), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы» (госконтракт № 02.516.11.6040), а также гранта РФФИ (№ 08-08-00233а), разработанная методика расчета технологических схем комплексной переработки твердых топлив используется при выполнении фундаментальных и прикладных исследований в Казанском научном центре РАН.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались: на 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CMS A 2010, 28 August -1 September 2010, Prague; XVII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT 2009, 29 июня-3 июля 2009г., г. Казань; X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», 12-16 мая 2009г., г. Казань; XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, октябрь 2008г., г. Москва; VI, VII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова, Казань, сентябрь 2008, 2010г.; ежегодных итоговых научных конференциях Казанского научного центра Российской академии наук, 2007-20Юг.; Ежегодных научных аспирантских семинарах Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, 2006-20 Юг.

Публикации.

Основные результаты исследований представлены в 10 научных трудах автора, включающих 5 статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, патент на изобретение, 3 материала докладов международных и всероссийских научных конференций и методические рекомендации.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 234 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений. Работа содержит 61 рисунок и 18 таблиц, библиографический список литературы из 109 наименований.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Пятыгина, Мария Валерьевна

Выводы л I

Анализ технологической схемы проводится поэтапно схеме, представленной на рис. 4.1. В результате^проведенных исследований процессов переработки твердых топлив были получены различные типы данных для расчета технологических схем и определения способов повышения их эффективности, включающие: \ V

- модели молекулярной структуры твердых топлив;

- модели процессов разложения твердых топлив и их термодинамические параметры (тепловой эффект, энергия Гиббса);

- кинетическая модель процесса разложения твердого топлива и оценка выхода целевых продуктов; 3

- возможность отвода промежуточных продуктов;

- уровень и режим нагрева. \ л г

На основании этих данных была разработана технологическая схема с отводом промежуточных продуктов, включающая в себя ступенчатое охлаждение в конденсаторах. Основными критериями эффективности данной схемы являются: ^

- экономия исходных ресурсов (твердого топлива, воды);

- возможность использования продуктов переработки (нафталина и гидроксинафталина) внутри схемы; |

-г

- возможность улавливания химических продуктов;

- контроль качества сульфата аммония и поглотительного масла;

- повышение КПД оборудования блока очистки коксового газа. Тепловая эффективность участка очистки газа в типовой схеме составляет около 5%. Связано это с отсутствием целенаправленного отвода продуктов и последующего использования их в данной схеме при обычной переработке твердого топлива. Негативное влияние на работу блока очистки оказывает:

- загрязнение нафталином аппаратов^;

- из-за значительной разницы в температуре на выходе из реактора 0 пиролиза (800°С) и охлаждения до 85°С в газосборнике тепловой КПД составляет 17% за счет компонентов тяжелой смолы;

- большие затраты воды на охлаждение парогазовой смеси и выделения из нее конденсата (смол). I

§

В разработанной схеме повышение эффективности достигается за счет следующих мероприятий. |

1. Тепловая эффективность 1

В разработанной схеме наряду с газосборником используются конденсаторы охлаждения, тепловой £ КПД которых равен 36 и 88% к" соответственно, в результате чего тепловая нагрузка на газосборник снижается, а КПД увеличивается. Кроме того в конденсаторах, расположенных перед газосборником, происходит выделение: подавляющей части парообразной смолы, которое в традиционной схеме происходит только на этапе охлаждения в первичных холодильниках. |

2. Эффективность использования продуктов переработки Конденсат, отводимый из газосборникй, может использоваться для получения каменноугольного масла, однако требует; предварительной очистки. Нафталин, являющийся основой каменноугольного масла, выделяют в первичных холодильниках, что вызывает загрязнение ранее стоящего оборудования и повышает его износ. В предлагаемой схеме нафталин и гидроксинафталин выделяются на II ступени отвода промежуточных продуктов и могут использоваться не только при получении каменноугольной смолы без дополнительной очистки, но также позволяют снизить уровень загрязнения нафталином оборудования блока очистки коксового газа. На этапе У конденсаторов могут быть выведены;, и другие продукты конденсации, отводимые обычно с помощью нагнетателя. 3. Экономическая эффективность $

В традиционной схеме основным ресурсом, требующим высоких затрат, является вода, подаваемая на охлаждение парогазовой смеси и конденсацию химических продуктов, так как расход угля является величиной постоянной, а на получаемые продукты оказывает влияние способ переработки и режимные

-л параметры. С введением в схему двух конденсаторов охлаждения расход воды сокращается в 1,5 раза, за счет чего достигается экономия ресурсов.

Основных капиталовложений требуют конденсаторы, включенные в схему. Помимо стоимости самих конденсаторов необходимо учитывать затраты на электроэнергию, потребляемую данным оборудованием и амортизационные отчисления. Срок окупаемости за счет экономии воды составит не более 4-х лет. >'

Проведенный анализ эффективности технологической схемы подтверждает необходимость совершенствования не только самих участков процесса переработки твердого топлива с получением горючего газа, но и разработки технологических решений дополнительной более глубокой очистки Г газа от таких примесей, как смолы и частицы несгоревшего топлива, которые существенно влияют на качество сжигаемого газа и износостойкость оборудования. | У 7

Таким образом, в ходе проведенных исследований была создана методика расчета технологических схем с термическим разложением твердого топлива, алгоритм которой представлен на рис.| 4.2 и разработан метод повышения эффективности процесса термической переработки твердого топлива технологическая схема комплексной ¡термической переработки твердого 4 топлива с последовательным отводом продуктов разделения (рис. 4.7).

Разработанная методика теплового расчета аппарата-пиролизера позволяет определить влияние состава твердого топлива на значение теплоты внутренних источников @вн (£2х.Р.) Для различных |процессов термического разложения (пиролиза, гидропиролиза, гидрогенолиза) с использованием в качестве реагента водорода, выделяющегося в процессе взаимодействия водяного пара с поверхностью угольных частиц и регулировать такие режимные параметры как температура, скорость нагрева топлива, а также количество топлива, необходимого для поддержания кипящего слоя с образованием конечных целевых продуктов. |

Проведена оценка влияния содержания физически связанной влаги на эффективность процесса разложения твердого топлива. V I I

I I ■ь I I I I

I 183 й'

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы был проведен анализ^еуществующих способов термической переработки, выявлено, что такие процессы как пиролиз, гидропиролиз, гидрогенолиз мало используются вл связи с низкой энергетической эффективностью и большими затратами на ресурсы (топливо, вода для охлаждения образующейся парогазовой смеси).

Для оценки эффективности процессов разложения необходим глубокий анализ состава исходного топлива и моделирование процессов разложения с участием соединений органической массы твердого топлива, подвергаемого переработке. | i

Процессы разложения протекают в* аппаратах-пиролизерах и для оценки эффективности их работы необходимо рассматривать тепловой баланс с учетом влияния состава топлива и способа переработки, в связи с чем был усовершенствован метод теплового расчета аппарата-пиролизера.

В работе было проведено моделирование структурных фрагментов исходных соединений и продуктов разложения органической массы твердого топлива для определения их термодинамических характеристик. На основании i строения соединении, моделирующих структуру угля и по значениям энергии связи Есв были выделены возможные пути протекания реакций разложения основных функциональных групп органической массы угля с использование методов химической термодинамики, определены тепловые эффекты основных реакций разложения твердого топлива для различных процессов разложения. Выявленные физико-химические | закономерности рассматриваемых л процессов, а также полученные значения термодинамических функций iисходных соединении органической массы твердого топлива позволили получить общий алгоритм расчета всего процесса для любого твердого топлива. При этом необходимо учитывать такие параметры как влажность топлива, содержание функциональных групп, площадь поверхности частицы топлива, влияющие на кинетические параметры процесса и выход целевых продуктов.

Благодаря модели процесса разложения можно подобрать режимные V параметры проведения процесса: температуру и время отвода соединений, ведущих к образованию нежелательных продуктов разложения (углекислый i газ, аммиак и т.д.). I 7 V

Особенности разложения торфа показали сложность при его использовании в энергетике, так как данный вид топлива содержит очень большое количество влаги и требует использования различных щелочей для г' облагораживания топлива перед сжиганием.

На основании выполненных вычислений даны рекомендации по повышению эффективности ведения процесса разложения органической массы угля. Наибольшим значением эндотермического эффекта обладают реакции с участием ди- и тетраметиларенов, в связи с чем предлагается их отвод уже при 400 °С, а после охлаждения до 300 °С разложение за счет частичного подвода тепла, выделившегося при нагреве остальной части органической массы угля до 550 °С. При этом происходит выделение горючего газа - метана. Необходимо многоступенчатое охлаждение продуктов разложения с отводом конкретных продуктов для дальнейшего их использования в технологической схеме комплексной энерготехнологической ¡¡[переработки твердого топлива, что i позволяет использовать различные видь1 топлива (торф, бурые и каменные угли, антрациты). Так, например, продукты каменноугольной смолы - нафталин, его производные метил- и диметилнафталины - могут использоваться в качестве поглотителя при очистке коксового газа от бензола.

Исследование физико-химических процессов разложения ОМУ позволило создать методику расчета технологической схемы переработки твердого топлива и разработать технологическую схему комплексной термической переработки твердого топлива с последовательным отводом продуктов разделения, а также оценить ее эффективность. I I ц г