авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

МОРЕВ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕАКТОРНОГО БЛОКА

ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

СЕРНИСТЫХ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Симонов В.Ф.

Саратов 2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ........................... Выводы и постановка задач исследования............................................................. ГЛАВА 2. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ................................................................................................................... 2.1 Использование псевдоожиженного слоя для подготовки и термической обработки твёрдых топлив перед сжиганием......................................................... 2.2 Использование псевдоожиженного слоя для полукоксования горючих сланцев....................................................................................................................... 2.3 Выводы................................................................................................................. ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ......................................................................... 3.1 Характеристики сернистого горючего сланца карьерной добычи как твёрдой фазы псевдоожиженного слоя. Структура псевдоожиженного слоя................... 3.2 Теплообмен в псевдоожиженном слое при термическом разложении горючего сланца........................................................................................................ 3.3 Кинетические характеристики процесса полукоксования сернистого горючего сланца в реакторе с псевдоожиженным слоем……………………….





. 3.4 Комплексное математическое описание процесса полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое и сопоставление с экспериментальными данными................................................................................ 3.5 Выводы................................................................................................................. ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ БЛОКА ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЛАНЦА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ......................................................................................................................... 4.1 Математическое описание процесса догорания сланцевого полукокса в циклонной топке..................................................................................................... 4.2 Математическое описание рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем зольного теплоносителя................................................................ 4.3 Математическое описание сушилки горючего сланца с псевдоожиженным слоем........................................................................................................................... 4.4 Выводы............................................................................................................... ГЛАВА 5. ОБОБЩЕННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТОГО СЛАНЦА.................................................... 5.1 Обоснование критерия технико-экономической оптимизации.................... 5.2 Обобщённый алгоритм расчёта и оптимизации реакторного блока для полукоксования в псевдоожиженном слое.................................................... 5.3 Выводы............................................................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ............................................................................. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................... ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. Россия занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев, общие геологические ресурсы которых оцениваются более чем 700 млрд. тонн. До настоящего времени эти запасы являются невостребованными. Начавшаяся зарождаться в СССР сланцеперерабатывающая отрасль не смогла пережить последствия распада Советского Союза и экономический кризис, полностью прекратив своё существование в современной России. В немалой степени этому способствовало и увеличение объемов добычи нефти и природного газа, экспорт которых является главной составляющей бюджета нашей страны.

Однако истощение запасов нефти и газа диктует необходимость использования новых источников углеводородного сырья, в частности горючих сланцев, запасы которых в пересчете на эквивалентное топливо в десятки раз превышают ресурсы нефти и природного газа.

За последние пять лет в мире наблюдается значительное повышение интереса к использованию потенциала горючих сланцев. Колоссальные темпы добычи сланцевого газа в странах Северной Америки, начало освоения сланцевых месторождений в странах Европы и Китае позволили говорить о начале «сланцевой революции». Тем не менее значительные экологические проблемы добычи сланцевого газа и его относительно высокая себестоимость требуют поиска новых технологий добычи и методов переработки горючих сланцев.





В России на территории Поволжского региона сосредоточены крупнейшие месторождения горючих сланцев. Главное отличительной особенностью Волжских сланцев является высокое содержание серы в составе органического вещества, которая не может быть удалена при обогащении. Это обстоятельство ограничивает применение сернистых горючих сланцев в качестве топлива, однако их огромный экономический потенциал может быть реализован путем использования сланцев как сырья для получения ценных химических веществ, в том числе тиофена.

Создание новых, экологически чистых технологий переработки сернистых горючих сланцев и вовлечения их потенциала в экономику Саратовской области и России в целом, позволило бы сократить отставание РФ в этом вопросе от ведущих мировых держав, а также уменьшило зависимость бюджета нашей страны от объемов экспорта нефти и природного газа, что является актуальной на данный момент проблемой, требующей незамедлительного решения.

Создание современных технологий переработки твердых топлив немыслимо без применения методов математического моделирования процессов термодеструкции органического вещества, позволяющих решить проблему аппаратурного оформления головных процессов. Решению этих задач и посвящена данная работа.

Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в изучение проблемы переработки сернистых горючих сланцев внесли ученые кафедры промышленной теплотехники (ПТ) СГТУ. Необходимо особо отметить фундаментальный вклад профессора В.Г. Каширского в изучение процессов и создание новых технологий комплексной переработки сернистых горючих сланцев. Многолетние экспериментальные исследования, выполненные коллективом кафедры ПТ, отражены в многочисленных научно исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работах по вовлечению в хозяйственную деятельность месторождений горючих сланцев, расположенных на территории Саратовской области.

Однако следует отметить, что большая часть этих исследований была выполнена в конце прошлого столетия и не отражает современных тенденций в области переработки твердых топлив. Работы, выполненные коллективом кафедры ПТ, не могут быть в чистом виде применены для описания кинетики разложения органического вещества сернистых сланцев, так как не содержат глубоких исследований процессов термодеструкции с применением современных методов термического анализа.

Недостаточная научная проработанность вопросов математического моделирования полукоксования сернистых горючих сланцев с использованием псевдоожиженного слоя обусловила необходимость создания математического описания этого процесса и определила выбор цели, задач и предмета исследования.

Цель работы: разработка и научное обоснование схемы реакторного блока теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в реакторе полукоксования с псевдоожиженным слоем.

теплотехнологическая установка для Объект исследования:

комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Задачи исследования:

1. Разработка и апробация комплекса математических моделей: головного процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя;

догорания сланцевого полукокса в объеме циклонной топки;

сушки сырья карьерной добычи и утилизации теплоты зольного теплоносителя в рекуперативном теплообменнике с движущимся плотным слоем золы.

Обоснование принципиальной схемы предлагаемой 2.

теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора псевдоожиженного слоя с разработкой обобщенной математической модели, учитывающей структурные взаимосвязи между элементами.

3. Технико-экономический анализ и оптимизация рабочих параметров оборудования реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое на экономико-математической модели.

Выявление диапазона возможных изменений основных 4.

конструктивных и эксплуатационных характеристик реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоносители и материалы на основе многовариантных оптимизационных расчетов.

Научная новизна:

1. Представлена научная гипотеза, объясняющая механизм интенсивного термического разложения органического вещества сернистого горючего сланца в аппаратах псевдоожиженного слоя под воздействием высокой скорости нагрева, которая является одним из главных факторов, влияющих на количественный и качественный состав конечных продуктов термодеструкции.

2. Получены зависимости, позволяющие определить качественный и количественный состав продуктов термопереработки сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевжоожиженном слое, и описаны стадии процесса разложения природного высокополимера сернистого горючего сланца с точки зрения формальной химической кинетики.

3. Разработаны математические описания условий реализации основных физико-химических процессов при полукоксования Поволжского сланца в реакторе псевдоожиженного слоя, учитывающие характеристики горючего сланца карьерной добычи и величину эндотермического эффекта разложения, а так же изменяющиеся в процессе термодеструкции теплофизические параметры частиц сланца и кинетику разложения органического вещества.

Разработана экономико-математическая модель и реализована 4.

процедура многофакторной оптимизации рабочих параметров реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое, на основе которой обоснованы экономически целесообразные параметры оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработаны математические модели и методика расчета комплекса взаимосвязанных физико-химических процессов применительно к условиям термического разложения сернистых сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя, которые могут служить научной основой для обоснования расчетных параметров реакторного блока в предлагаемой технологической схеме.

2. Предложена принципиальная технологическая схема для комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в аппарате псевдоожиженного слоя, позволяющая значительно сократить капиталовложения в оборудование реакторного блока по сравнению с реактором УТТ.

3. Раскрыты закономерности влияния температуры и времени процесса полукоксования на качественный и количественный состав продуктов термодеструкции сернистого горючего сланца в условиях высокоскоростного нагрева в псевжоожиженном слое, на основе которых получены расчетные зависимости.

4. На основе многофакторной оптимизации определены оптимальные значения рабочих параметров оборудования реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы, а так же от состояния региональной экономики.

Методология и методы исследования Методологической основой диссертации являются методы формализации и математического моделирования последовательных и параллельных процессов, происходящих в реакторе псевдоожиженного слоя при полукоксовании сернистого горючего сланца, а также процессов во вспомогательном оборудовании реакторного блока. В диссертации были применены фундаментальные законы тепломассообмена, термодинамики и химической кинетики. Использование метода численного эксперимента на математической модели и дальнейшее сравнение результатов математического моделирования с опубликованными экспериментальными данными других авторов позволило подтвердить достоверность выдвинутых предположений о закономерностях термодеструкции органического вещества сернистого сланца.

схемные решения блока Положения, выносимые на защиту:

полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое;

кинетические закономерности процесса разложения органического вещества сернистого сланца в условиях скоростного нагрева в псевдоожиженном слое;

методика технико-экономической оптимизации оборудования и рабочих параметров полукоксования сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое, адаптированная к особенностям предлагаемой технологической схемы;

результаты численных исследований и оптимизации блока полукоксования.

Основные Степень достоверности и апробация результатов.

материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на конференции с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013);

Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010);

VI Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2011);

XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» (Саратов, 2011);

XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25» (Саратов, 2012).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 7 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработка и обоснование схемного решения блока полукоксования сернистого горючего сланца на основе реализации головного процесса в реакторе с псевдоожиженным слоем.

2. Разработка обобщенного математического описания и математическое моделирование процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в псевдоожиженном слое с учетом влияния комплекса сопутствующих физико химических процессов, происходящих во всех дополнительных элементах предложенной схемы реакторного блока.

3. Разработка методики и алгоритма оптимизации рабочих параметров и состава оборудования предложенной схемы реакторного блока.

Выполнение многовариантных оптимизационных расчетов, 4.

определяющих необходимый состав оборудования и рабочие параметры основного и всех вспомогательных процессов в элементах предложенной схемы в зависимости от цен на сырьё, энергоресурсы и материалы, а также от экономической ситуации в регионе.

5. Подготовка и публикация основных результатов выполненной работы, написанных единолично либо в соавторстве с научным руководителем;

апробация результатов исследования на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников.

Работа содержит 23 рисунка, 10 таблиц. Список использованных источников включает 77 наименований.

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплотехника» в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» под руководством доктора технических наук, профессора Симонова Вениамина Федоровича, которому автор выражает благодарность за внимательное руководство и неоценимую помощь при выполнении работы.

Автор признателен коллективу кафедры «Промышленная теплотехника»

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» за ценные советы и замечания, высказанные в процессе подготовки и обсуждения диссертации.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ Потребность мировой экономики в первичных энергоресурсах возрастет за 2010-2035 годы на 54%. Такой прогноз содержится в распространенном ежегодном докладе ОПЕК о среднесрочных и долгосрочных перспективах развития мирового нефтяного рынка. Вместе с тем в начале XXI века перед человечеством возникла огромная проблема, обусловленная быстрым исчерпанием мировых запасов нефти и природного газа. Особенно этот вопрос актуален для России, поскольку для экономической стабилизации в стране приходится увеличивать экспортную долю в добыче природного газа и нефти.

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до года предполагается уменьшение доли газообразного топлива и нефти и увеличение доли твёрдых видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны. Определяющим условием для расширения области использования твердого топлива является экономическая целесообразность его транспортировки. Поэтому для региональной энергетики актуальным является использование местных видов твердого топлива.

Для Поволжья определённое внимание следует уделить горючим сланцам, по запасам которых Россия занимает третье место в мире, уступая лишь США и Бразилии. Крупнейшими по потенциальным запасам являются месторождения Волжско-Печорской сланценосной провинции [65], простирающейся от Саратовской области до республики Коми. Горючие сланцы здесь залегают на глубине от 10 до 300 метров, а пласты расположены практически горизонтально. Мощность пластов колеблется от 0,7 до 5 метров, количество пластов в разрезе продуктивной толщи изменяется от 2 до 12.

Крупнейшими месторождениями Волжского бассейна являются:

Перелюбское, Коцебинское, Чаганское, Дергуновское и др. Из всех перечисленных месторождений выделяется Коцебинское, запасы горючих сланцев которого, по категориям А+В+С1 оцениваются в 40927 тыс. тонн [31].

Коцебинское месторождение является наиболее разведанным, позволяет вести карьерный метод добычи и имеет выгодное географическое положение.

Необходимо отметить также высокое качество горючего сланца (ГС) Коцебинского месторождения. Именно оно, таким образом, представляется наиболее перспективным. По административному положению площадь Коцебинского месторождения входит в состав Саратовской, Самарской, Оренбургской областей РФ и Уральской области Казахстана. Непосредственно участок предварительной разведки Коцебинского месторождения находится целиком на территории Перелюбского района Саратовской области. Восточной и северной границами этого участка служит граница Саратовской и Самарской областей.

Коцебинское месторождение расположено на площади 24,4 км2 (рис. 1.1).

Географические координаты участка 51°39 – 51°48' северной широты и 50°35' – 50°43' восточной долготы [31]. Ближайший административный районный центр с. Перелюб (Саратовская область) находится на расстоянии 20 км от западной границы Коцебинского месторождения. Районный центр Большая Черниговка (Самарская область) расположен в 20 км к северо-востоку от объекта работ.

Областные центры г. Саратов и Самара находятся на значительном удалении от месторождения, а именно г. Саратов – 430 км к юго-западу, г. Самара – 180 км к северу.

В 1998 г. ООО ППП «Горняк» были проведены технико-экономические расчеты по возможности освоения и открытой (карьерной) добыче горючего сланца на Коцебинском месторождении [30]. Карьерное поле под открытую разработку горючих сланцев выбрано на участке «Россыпновский» в контуре разведочных скважин 1017, 1018, 1022Г, 1023. На участке сланец залегает в пяти пластах мощностью по полезной горной массе соответственно 1 м, 1,7 м, 4 м, 0,9 м и 1,2 м.

Рис. 1.1. Схема Коцебинского участка недр Горногеологические условия залегания сланцев позволяют отрабатывать в карьере все 5 пластов со средним показателем вскрыши около 3,5 м3 вскрышных пород на 1 м3 полезной карьерной массы. Качественные характеристики полезной карьерной массы по пластам представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Качественные характеристики полезной карьерной массы сланца Коцебинского месторождения QНР, МДж/кг Пласт Выход смолы, % Зольность, % I 14,15 19,7 II 7,16 8,7 III 9,38 9,7 IV - V 8,00 10,4 Горно-геологические условия участка «Россыпновский» позволяют вести добычу сланца с одной внешней вскрышей (около 20 м) (включая почвенно растительный слой) и одной внутренней вскрышей между III и IV пластами около 4,5 м. При этом I добычный уступ будет иметь мощность 12,3 м и второй – около 4,3 м. Принята транспортная система разработки с перемещением вскрышных пород во внешние и внутренние отвалы автомобильным транспортом.

Гидрогеологические условия карьера характеризуются обводненностью, начиная с пласта III. При этом годовая амплитуда колебания уровня воды составляет 0,4-0,9 м. Согласно расчетам, общий суточный водоприток в начальный период эксплуатации составит 6,84 м3/км2 площади карьера, в конце эксплуатации – около 20 м3/км2. В связи с этим должны быть предусмотрены водоотливные решения и затраты на них.

При годовой производительности карьера по полезной горной массе тыс. т (в расчете на установку для последующего полукоксования УТТ-500) капитальные расходы на организацию производства затрат на (без приобретение оборудования) составляют около 30 млн. руб., включая оформление горного и земельного отводов, лицензирование, детальную разведку месторождения, проектные монтажные и пусконаладочные работы.

При определении затрат на оборудование учитывалось приобретение для работы карьера экскаваторов, бульдозеров, самосвалов типа БелАЗ, вспомогательного и хозяйственного транспорта, станков для буровых работ, насосов для водоотлива, элементов электроснабжения. Общие затраты на эти цели составляют ориентировочно по современным ценам около 60 млн. руб.

Общая численность промышленно-производственного персонала карьера составит около 50 человек при средней месячной зарплате 20 тыс. руб.

Себестоимость карьерной добычи горючего сланца составляет порядка 100-250 руб./т [31].

Для улучшения качества полезной карьерной массы по содержанию органического вещества, удельной теплоте сгорания, выходу смолы возможен вариант карьерной разработки месторождения на участке «Россыпновкий» в добычных уступах при двух внутренних вскрышных. В этом случае себестоимость сланцевой горной массы несколько возрастет (в пределах 5%) за счет увеличения количества экскаваторов (на 1) и обслуживающего персонала для них, увеличения платы за оформление земельного отвода и налога на землю.

Таким образом, на основании технико-экономических расчетов ООО ППП «Горняк» можно сделать вывод о возможности освоения и открытой (карьерной) добыче горючего сланца на Коцебинском месторождении с высокими экономическими показателями. По сравнению с шахтным способом добычи, где себестоимость достигает 3000 руб./т, открытый (карьерный) способ позволяет существенно снизить затраты на добычу горючего сланца.

Горючие сланцы представляют собой минеральную породу осадочного происхождения, в которой относительно равномерно распределено органическое вещество сапропелевой природы (кероген). Органическое вещество волжских сланцев имеет относительно постоянный химический состав и отношение С/Н (в пределах 8-8,85). Отличительной особенностью волжских сланцев является высокое содержание серы (от 2 до 6-10 %), большая часть которой входит в состав органического вещества сланца. Это обстоятельство является определяющим при разработке направлений и способов переработки сернистых сланцев Поволжья.

Исследования горючих сланцев Поволжья и их качественных характеристик позволили в 30-е годы прошлого столетия осуществить их крупномасштабное применение в двух направлениях. Во-первых, был сооружен и в 1932г. введен в эксплуатацию сланцеперегонный завод в окрестностях г. Сызрани. Во-вторых, в г. Саратове в октябре 1934 г. пущена ТЭЦ-1, рассчитанная на применение горючих сланцев Поволжья в качестве топлива.

Зародившаяся в Поволжье сланцехимическая промышленность не получила широкого развития. Сланцеперерабатывающий завод в г. Сызрани потреблял ежегодно не более 50 тыс. т сланца Кашпирского месторождения. На протяжении нескольких последних десятилетий ассортимент выпускаемой этим заводом продукции оставался неизменным. Это препараты медицинского (ихтиол) и ветеринарного (натрий ихтиол) назначения, а также пластификатор для изготовления полихлорвиниловых изоляционных лент и мягчитель для резины. Вместе с тем из-за больших выбросов оксидов серы, азота и летучей золы, связанных с высоким содержанием серы и устаревшей технологией сжигания сернистого сланца, применение его в качестве энергетического топлива на крупных энергогенерирующих установках было прекращено. Тем не менее опыт сжигания сланцев Поволжья в шахтно-мельничных топках положительно повлиял на развитие использования этого вида топлива в энергетике [52].

С начала промышленного освоения горючих сланцев это ископаемое рассматривалось и как топливо, и как технологическое сырье. Соответственно основными направлениями использования сланца являются энергетическое, технологическое и энерготехнологическое.

Исследованиями, выполненными в СГТУ ранее и в последнее время, обоснована возможность использования сернистых горючих сланцев как местного топлива. При этом, по прогнозам, сохранение темпов роста мировых цен на газ позволяет уже к 2025-2030 гг. создать в Заволжье экономически конкурентоспособные и экологически безопасные тепловые электрические станции на основе парогазовых установок с внутрицикловой газификацией сланца под давлением и получением побочных сернистых лёгких смоляных продуктов сложного состава [53]. 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.

Также интерес представляет технология пирогазификации пылевидного (до 50 мкм) горючего сланца с целью использования сернистых сланцев Поволжья для нужд малой энергетики. Анализ экспериментальных данных [43] по исследованию процесса пирогазификации волжского сланца в восходящем потоке газовзвеси на стендовой и пилотной установках позволил сделать вывод о возможности использования данного метода для термической переработки сланца. Существенным недостатком подобной технологии является проблема экологической безопасности, так как ещё недостаточно хорошо изучен процесс связывания сероводорода оксидом кальция, содержащимся в минеральной части коксового остатка, образующегося при термической переработке сланца.

Более радикальное и экономически целесообразное направление использования сернистого горючего сланца связано с его переработкой как органоминерального сырья [53]. Термическая обработка сланца в режиме полукоксования позволяет перевести большую часть органического вещества в смолу с содержанием серы до 7-8%. Этот продукт служит исходным материалом для производства востребованных на внутреннем и международном рынках веществ: ихтиола (в экспортном варианте – сульфоихтиола), натрий ихтиола, пластификатора, мастики типа СБН, битума [55].

Химический потенциал органического вещества Саратовских сланцев в большей степени реализуется при более глубоком термокаталитическом разложении смоляных продуктов парогазовой смеси, полученной при полукоксовании [39]. В этом случае появляется возможность промышленного производства сераорганических соединений – тиофена, 2-метилтиофена, 2-5-диметилтиофена. Указанные продукты в настоящее время в Российской Федерации и странах СНГ не производятся. Вместе с тем эти вещества находят широкое применение за рубежом при синтезах медицинских и ветеринарных препаратов, гербицидов, пестицидов, фунгицидов. Важным направлением использования тиофена и его гомологов является получение кремнийорганических полимеров. В кремнийорганических соединениях, содержащих тиофеновое кольцо, появляются новые и усилены известные важные технические свойства. Потребность в таких полимерах очень велика, и в ближайшем будущем это направление использования тиофеновых соединений может стать одним из крупнотоннажных производств.

В настоящее время разработаны удобные для промышленного использования способы получения различных марок смазочных масел, гидравлических и охлаждающих жидкостей с присадками на базе тиофена.

Масла обладают улучшенными смазывающими свойствами, могут использоваться в более широком температурном интервале, низколетучие.

Тиофен является также сырьем для производства уникальных силиконовых жидкостей, которые заменяют закупаемые по импорту низкотемпературные масла для криогенных установок различного назначения.

Наряду с сераорганическими соединениями при термокаталитической обработке парогазовых продуктов полукоксования в промышленных объемах могут быть получены бензол, толуол и ксилолы. Наиболее крупными производителями ароматических углеводородов из нефтяного сырья являются в настоящее время ОАО «Омскнефтеоргсинтез», ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Лукойл-Пермьнефтеоргсинтез», «Ставропольполимер». На уровне 1997 2000 гг. конъюнктура рынка бензола и его производных определялась как благоприятная для их производителей.

В процессах полукоксования и последующей термокаталитической обработки парогазовых продуктов образуется значительное количество сланцевого газа и формируется зольный остаток. На основе сероводорода, выделенного из газа, может быть развернуто производство газовой серы по методу Клауса. Очищенный сланцевый газ является отличным топливом, пригодным для полного обеспечения потребностей соответствующего предприятия и для работы газотурбинной установки с котлом-утилизатором.

Доля самообеспечения предприятия электроэнергией и тепловой энергией достигает при этом более 80%.

Одно из направлений использования прокаленного зольного остатка связано с добавлением его к цементному клинкеру при помоле. Такое решение давно практикуется в фирме «Рорбах-цемент», Дотернхаузен, Юго-Западная Германия. Более простой является отсыпка дорожного полотна при строительстве [55].

Для реализации технологии термокаталитической переработки сернистых сланцев Поволжья возможны несколько вариантов исполнения головного процесса термообработки – полукоксования горючего сланца.

Методы полукоксования твердого топлива определяются способом подвода теплоты в зону реакции. Существуют два способа подвода теплоты:

а) теплопередача через стенку печи от горячих дымовых газов, движущихся по каналам обогревательной системы печи полукоксования;

этому способу подвода теплоты соответствует метод полукоксования с внешним обогревом;

б) передача теплоты при непосредственном соприкосновении кусков топлива с газообразным или твердым теплоносителем;

этому способу подвода теплоты соответствует метод полукоксования с внутренним обогревом.

В качестве газообразных теплоносителей могут быть использованы газ полукоксования, водяной пар, генераторный газ, собственный газ процесса газификации или дымовые газы. Твердым теплоносителем может служить зольный остаток, предварительно подогретый в специальном аппарате до температуры 700800 оС.

С экономической и технической точек зрения процесс полукоксования с внутренним обогревом имеет следующие преимущества перед методом полукоксования с внешним обогревом.

1. Значительно уменьшаются затраты теплоты в связи с сокращением теплопотерь в окружающую среду (так как теплота теплоносителя передается непосредственно топливу в зоне реакции без каких-либо промежуточных элементов).

2. Ускоряется процесс полукоксования, так как повышение температуры происходит одновременно во всем объеме слоя топлива.

3. Предотвращается возможность чрезмерного перегрева отдельных частиц топлива, так как температура нагрева крупных частиц не может быть выше температуры газа теплоносителя. В печах с внешним обогревом слой топлива нагревается неравномерно. У стенок топливо нагрето до более высоких температур, чем в центре загрузки.

4. Ускоряется процесс удаления парогазовой смеси из области высоких температур в связи с уменьшением парциального давления выделяющихся газообразных продуктов полукоксования при их разбавлении газом теплоносителем. Это обстоятельство позволяет проводить полукоксование даже битуминозных топлив (сапропелевые угли, некоторые горючие сланцы), которые проходят стадию пластического состояния. В этом случае обычную конструкцию печи, развитую в высоту, изменяют в сторону увеличения поперечного сечения слоя топлива (туннельная печь для сланцев).

Быстрое удаление парогазовых продуктов из зоны высоких температур предохраняет их от вторичного разложения. Поэтому в печах с внутренним обогревом, как правило, выход смолы больше, чем в печах с внешним обогревом. Вторичный процесс разложения продуктов полукоксования в печах с внешним обогревом приводит к увеличению выхода легких бензиновых фракций в смоле.

5. Из-за отсутствия обогревательных каналов упрощается конструкция печи. В связи с этим уменьшаются капиталовложения на установку.

Печи с внутренним обогревом не лишены и недостатков. Смешение парогазовой смеси с газом-теплоносителем приводит к значительному увеличению общего объема газа, охлаждаемого в конденсационной системе.

Это приводит к необходимости значительного увеличения объема конденсационной аппаратуры.

Процесс полукоксования с внутренним обогревом может быть реализован в установках двух типов. Полукоксование возможно в установке с твёрдым теплоносителем (УТТ) и в реакторе псевдоожиженного слоя (ПС).

В предыдущие годы научным коллективом кафедры ПТ была проведена большая работа по созданию комплексной технологии переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса полукоксования в установке с твёрдым (зольным) теплоносителем [54, 20]. Такой выбор, прежде всего, определялся высокой степенью промышленного освоения подобного процесса применительно к сланцам Прибалтики бессернистым).

(практически Преимущества УТТ – непосредственный контакт частиц свежего топлива с теплоносителем и отсутствие разбавления парогазовой смеси, наблюдающееся при полукоксовании с газовым теплоносителем. Вместе с тем общеизвестно, что полукоксование в УТТ связано с большими трудностями и недостатками подобных установок, а именно:

1. Достаточно громоздким оборудованием УТТ и, как следствие, большими капитальными затратами в аппараты реакторного блока полукоксования горючего сланца. По оценкам [60], капиталовложения в УТТ составляют 20-25% от общих капиталовложений (включая систему выделения и очистки товарной продукции).

2. Низкой интенсивности теплообмена в барабанном реакторе УТТ, не позволяющей в полной мере управлять процессом полукоксования и препятствующей более полному использованию потенциала органического вещества сернистого сланца Поволжья.

Технологической сложностью блока полукоксования в УТТ, 3.

требующей организации дополнительных устройств по подготовке и транспортировке зольного теплоносителя.

4. Высоким расходом твердого теплоносителя (от 2:1 до 7:1), что приводит к снижению удельной производительности установки и увеличивает энергетические затраты на транспортировку теплоносителя.

Предположительно меньшим выходом смоляных продуктов 5.

полукоксования в результате пиролиза смоляной части ПГС на перегретом зольном теплоносителе.

В связи с указанными обстоятельствами полукоксование горючего сланца в УТТ является технологически несовершенным процессом, требующим больших капитальных затрат и не удовлетворяющим современные критерии энергоэффективности и энергосбережения. Поэтому для термической переработки горючего сланца необходимы другие, более современные методы.

Одним из таких методов является полукоксование в псевдоожиженном слое.

Технику псевдоожижения используют для процессов, связанных с контактированием твердых частиц со средой, когда требуется высокая эффективность межфазного тепло- и массообмена. Техника псевдоожижения обладает следующими преимуществами [13]:

1. Чрезвычайно большая поверхность взаимодействия твердых частиц со средой. Столь развитая поверхность позволяет получить высокие интенсивности тепло- и массообмена материала со средой.

Интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к 2.

практическому выравниванию температур и концентраций в объеме псевдоожиженного слоя. Благодаря этому, в частности, устраняется опасность локального перегрева твердых частиц, препятствующего оптимальному протеканию ряда тепловых, каталитических и других процессов.

3. Высокие значения коэффициентов эффективной теплопроводности и теплоотдачи. Эта важнейшая особенность псевдоожиженного слоя позволяет не только экономить поверхности теплообмена и рабочие объемы аппаратов, но также осуществлять химические и другие процессы с высокой тепловой нагрузкой при тонком температурном регулировании.

4. Возможность использования твердых частиц малых размеров, т.е.

твердой фазы с развитой удельной поверхностью, для понижения диффузионных торможений и повышения производительности аппаратов.

Применению мелких твердых частиц в аппаратах с неподвижным слоем твердой фазы часто препятствуют неравномерность температурного поля в поперечных и продольных сечениях слоя, высокое гидравлическое сопротивление и малоинтенсивный теплообмен коэффициенты (низкие теплоотдачи). В отличие от неподвижного слоя твердых частиц, где суммарная поверхность последних значительно превышает активную поверхность фазового контакта, в псевдоожиженном слое величины этих поверхностей заметно сближаются.

5. Подвижность («текучесть») псевдоожиженного слоя позволяет создать аппараты с непрерывным вводом свежей и отводом отработанной твердой фазы.

Относительно небольшое гидравлическое сопротивление и 6.

независимость его величины от скорости ожижающего агента в пределах существования псевдоожиженного слоя.

7. Широкий диапазон свойств применяемых твердых частиц и ожижающих агентов.

8. Сравнительно простое устройство аппаратов с псевдоожиженным слоем, легкость их механизации и автоматизации.

9. Более быстрое удаление продуктов термического разложения из реакционной зоны.

К перечисленным выше преимуществам использования установки с псевдоожиженным слоем можно добавить и заметное изменение количественных и качественных характеристик отдельных продуктов полукоксования ввиду высокой скорости теплообмена (в соответствии с представлениями З.Ф. Чуханова [67]). Все эти факторы свидетельствуют об технологической и экономической целесообразности применения установки с псевдоожиженным слоем для переработки сернистых горючих сланцев Поволжья по сравнению с альтернативными методами, в частности с полукоксованием в УТТ.

Выводы:

1. На основании современных тенденций в развитии мировой энергетики и огромной роли первичных энергоресурсов в экономике России показана необходимость использования твердых видов топлива в топливно энергетическом балансе РФ, в частности вовлечения сернистых горючих сланцев Поволжья в экономику Саратовской области.

2. Показана возможность начала освоения горючих сланцев Волжского бассейна, начиная с Коцебинского месторождения, как наиболее разведанного, позволяющего вести карьерный метод добычи и имеющего выгодное географическое положение.

3. На основании проведенного сравнения различных направлений переработки сернистого горючего сланца Поволжья показана целесообразность углубленной термокаталитической переработки ПГС от полукоксования Поволжских сланцев как метода, в наибольшей степени позволяющего реализовать потенциал органического вещества сланцев Поволжья и дающего возможность промышленного производства ценных сераорганических соединений – тиофена, 2-метилтиофена, 2-5-диметилтиофена.

Проведен сравнительный анализ различных установок для 4.

полукоксования твердых топлив. Показана целесообразность применения установки с псевдоожиженным слоем для переработки сернистых горючих сланцев Поволжья.

Таким образом, на основе проведенного анализа экспериментальных и теоретических исследований можно сделать вывод, что для полукоксования сернистых горючих сланцев наиболее целесообразно применение реакторов псевдоожиженного слоя. Однако до настоящего времени в опубликованной научной литературе не приводится готовых схемных решений по оформлению технологической схемы реакторного блока полукоксования сернистых сланцев в псевдоожиженном слое, а так же подробного математического описания всего комплекса исследуемых процессов, учитывающего взаимное влияние процессов гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, происходящих как в отдельных элементах, так и во всей технологической цепи.

В связи с этим главной целью настоящей работы является: разработка и научное обоснование схемы реакторного блока теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе головного процесса в реакторе полукоксования с псевдоожиженным слоем.

Задачи исследования:

1. Разработка и апробация комплекса математических моделей: головного процесса полукоксования сернистых горючих сланцев в реакторе псевдоожиженного слоя;

догорания сланцевого полукокса в объеме циклонной топки;

сушки сырья карьерной добычи и утилизации теплоты зольного теплоносителя в рекуперативном теплообменнике с движущимся плотным слоем золы.

Обоснование принципиальной схемы предлагаемой 2.

теплотехнологической установки для комплексной переработки сернистых горючих сланцев на основе реактора псевдоожиженного слоя с разработкой обобщенной математической модели, учитывающей структурные взаимосвязи между элементами.

3. Технико-экономический анализ и оптимизации рабочих параметров оборудования реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое на экономико-математической модели.

Выявление диапазона возможных изменений основных 4.

конструктивных и эксплуатационных характеристик реакторного блока в зависимости от цен на сырьё, энергоносители и материалы на основе многовариантных оптимизационных расчетов.

ГЛАВА 2. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ 2.1. Использование псевдоожиженного слоя для подготовки и термической обработки твёрдых топлив перед сжиганием Псевдоожижение является одним из наиболее прогрессивных методов осуществления гетерогенных технологических процессов с твердой фазой.

Применение аппаратов с псевдоожиженным слоем открывает широкие возможности совершенствования технологии различных производств. Поэтому при проектировании аппаратов для подготовки и переработки твердых топлив необходимо учитывать ряд особенностей, присущих псевдоожиженным системам, и осуществлять выбор расчетных зависимостей исходя из условий технологического процесса.

По мере увеличения скорости продувки слоя мелкодисперсного материала восходящим потоком газа наблюдается несколько последовательно меняющихся режимов: плотный слой;

однородный псевдоожиженный слой (когда верхняя граница слоя становиться горизонтальной);

пузырьковое псевдоожижение (в слое поднимаются газовые пузыри, внешне напоминающую кипящую жидкость);

при больших скоростях продувки ряд авторов выделяет турбулентный слой, в котором газовые пузыри сливаются в вихри [62]. Граница между пузырьковым и турбулентным слоями достаточно субъективна, поэтому логичнее вообще не выделять турбулентный слой как отдельный режим псевдоожижения [62].

Псевдоожижение зернистых материалов газами сопровождается, как сказано выше, появлением в слое газовых пузырей. Причинам образования пузырей в псевдоожиженных газом слоях посвящено больше число публикаций, но окончательной ясности в этом вопросе нет. Видимое образование пузырей обычно имеет место в случаях большой разности плотностей твердой фазы и ожижающего агента. Вероятность образования пузырей возрастает также при работе с более крупными частицами, более высокими порозностями слоя и с ожижающими средами, имеющими малую вязкость [9].

Наблюдения за слоями, псевдоожиженными газами, позволили Тумею и Джонстому выдвинуть гипотезу двухфазного псевдоожижения [16]. Согласно этой гипотезе, псевдоожиженный слой состоит из двух разнородных частей – «фаз». Первая фаза – «непрерывная»: образована из частиц материала, находящихся в состоянии минимального псевдоожижения и равномерно распределенных в поддерживающей их доле потока газа. Вторая фаза – «прерывная»: чистый газ, находящийся в виде пузырей, каналов, поршней.

Таким образом, согласно гипотезе, вся «избыточная» доля газа сверх необходимой для минимального псевдоожижения неизбежно прорывается, почти не контактируя с частицами [9, 16].

Анализ отдельных работ, привлекаемых иногда для подтверждения двухфазной теории, свидетельствует лишь о её приближенном соответствии опытным данным. Из этих же работ следует, что не весь избыток газа сверх необходимого для начала псевдоожижения проходит через слой в виде пузырей. Представляется более вероятным, что после достижения псевдоожиженного состояния слой в некотором диапазоне скоростей газа достаточно однороден, а пузыри начинают появляться при некоторой скорости газа, превышающей скорость начала псевдоожижения. Величина этой скорости, по-видимому, определяется не только физическими свойствами частиц и ожижающего агента, но также конструктивными особенностями аппарата, в частности конструкцией газораспределительного устройства [13].

Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что пока невозможно установить надежные зависимости для расчета неоднородности псевдоожиженных слоев, позволяющие количественно учесть влияние на структуру слоя таких факторов как форма и характер поверхности частиц, плотность материала и ожижающего агента, свойства газа, тип газораспределительного устройства, расстояние от него до рассматриваемой зоны слоя, диаметр частиц, скорость фильтрации и т.д. [16]. Задача тем более сложна, что важно знать прорыв газа на разных уровнях слоя, размер пузырей, иметь сведения о смене в них газа, знать интенсивность перемешивания материала в слое и подобные им детали. Поэтому вполне допустимо и практически целесообразно пользоваться для расчета процессов в псевдоожиженных слоях приближенными зависимостями, справедливость которых подтверждена большим числом экспериментальных исследований.

Нижней границей существования псевдоожиженного слоя можно считать скорость w начала псевдоожижения. Существует множество формул для кр расчета этой скорости. Необходимо отметить, что даже для монофракционных реальных слоев, являющихся в действительности слоями узких фракций частиц, должна иметься не одна критическая скорость, а целая область критических скоростей псевдоожижения. В этих условиях, по-видимому, не может быть точной ни одна формула, предполагающая наличие для данного слоя одной строго определенной критической скорости [16]. Кроме того, на начало псевдоожижения должны влиять, как отмечает Тодес с сотрудниками, такие факторы, как распределение частиц по размерам и форме, а подобные факторы практические невозможно учесть. Поэтому для слоев с небольшим показателем полидисперсности для определения первой критической скорости псевдоожижения целесообразно использовать наиболее удачную зависимость, предложенную Тодесом с сотрудниками [16]:

Ar Re =, (2.1) кр 1400 + 5,22 Ar где Reкр – число Рейнольдса, соответствующее первой критической скорости;

Ar – число Архимеда.

Для скорости уноса частиц те же авторы предложили зависимость [16]:

Ar Re =, (2.2) кр 18 + 0,61 Ar где Reкр – число Рейнольдса, соответствующее второй критической скорости.

При расчете скорости начала псевдоожижения полидисперсных слоев следует иметь в виду, что на взвешивание крупных фракций оказывают влияние уже ожиженные мелкие фракции (передают им часть своего количества движения) [7]. Для расчета скорости начала псевдоожижения полидисперсных систем можно воспользоваться зависимостью [7]:

Reкр = 0,0736 Ar 0, 625 кр (d max / d э ) 0,, (2.3) где кр – порозность слоя в момент начала псевдоожижения;

соответственно наибольший и эквивалентный диаметр d max, – dэ полидисперсной смеси, м.

При выборе рабочей скорости псевдоожижения следует руководствоваться особенностями технологических процессов, происходящих в псевдоожиженном слое. При переработке (газификации, полукоксовании, коксовании) твердых топлив в псевдоожиженном слое необходимо учитывать следующие особенности процесса.

1. Разрушение целостности частиц и уменьшение их размеров в результате трения частиц о поверхности других частиц и элементов конструкции аппарата, дробления при соударениях частиц или ударных столкновениях с поверхностями аппарата. Образующиеся при этом мелкие частицы, скорость уноса которых меньше рабочей скорости псевдоожижения, уносятся из слоя.

2. Фрагментация частиц твердого топлива в результате возникновения термических напряжений при быстром нагреве частицы, под действием внутреннего давления выделяющихся газов и паров. Так, в [28] отмечается, что при термической переработке бурого угля в псевдоожиженном слое интенсивный нагрев частиц крупнее 7-10 мм приводит к их дроблению за счет разрыва вскипающей влагой. Поэтому даже при использовании самых крупных частиц угля, например 10-15 мм, на выходе из аппарата получается кокс с размером частиц не крупнее 6-8 мм. Мелкодисперсные частицы, которые образуются в результате термодробления, подвержены уносу из кипящего слоя.

3. Увеличение пористости частиц твердого топлива и уменьшение их кажущейся плотности вследствие выделения летучих продуктов термопереработки. Данное обстоятельство способствует уменьшению скорости уноса частиц топлива.

4. Увеличение объёма псевдоожиженного слоя при выделении летучих продуктов термодеструкции. В результате фактическая скорость газа псевдоожижения возрастает.

5. При увеличении рабочей скорости псевдоожижения происходят расширение слоя, интенсивное образование пузырей, каналов, поршней.

Реальное время контакта струй газа с частицами твердого топлива уменьшается, возрастает неоднородность слоя, что снижает движущую силу процесса тепломассообмена [61].

Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что при переработке твердого топлива в ПС для уменьшения уноса мелких частиц из слоя и повышения интенсивности процесса тепломассообмена целесообразно использовать низкие скорости газа псевдоожижения, близкие к первой критической.

Как подчеркивают многие авторы, несмотря на относительно низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к частицам, подсчитанные по полной поверхности всех частиц слоя, псевдоожиженный слой способен обеспечивать достаточно эффективный теплообмен газа с материалом вследствие сильно развитой поверхности последнего (3000-45000 м2/м3) [9]. Тепловое равновесие (выравнивание средних температур газа и материала) достигается уже на небольшом расстоянии от газораспределительной решетки. Так, по И.М.

Федорову, даже для сравнительно крупных частиц (dэ=3 мм) при толщине слоя, соответствующей нагрузке на решетку 80 кг/м2, газы, выходящие из псевдоожиженного слоя, имеют температуру материала [16]. Таким образом, межфазный теплообмен не является лимитирующим фактором в большинстве процессов, осуществляемых в псевдоожиженном слое [9].

Большинство авторов [13, 62, 9, 16] отмечают, что для псевдоожиженных слоев высотой более 20-30 диаметров частиц нет необходимости в кинетическом расчете теплообмена материала со средой и можно ограничиться статическим балансовым расчетом, принимая, что температура газов, выходящих из псевдоожиженного слоя, будет равна температуре материала в слое. Теплообмен в этом случае считается завершенным, а определяемая величина (температура или расход теплоносителя) может быть просто найдена из уравнения теплового баланса:

G г с г (t г t г) = Gт с т (t т t т ) + Q хим, (2.4) где Gг, Gт – расходы газа псевдоожижения и топлива соответственно, кг/с;

о cг, cт – массовые теплоемкости газа и топлива соответственно, кДж/кг· С;

t г, t – температура газа псевдоожижения соответственно на входе и выходе из г слоя, оС;

о t т, t т – температура топлива соответственно на входе и выходе из слоя, С;

– коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду;

Qхим – суммарный тепловой эффект реакций в слое, кВт.

При решении задач моделирования процессов термодеструкции твердых топлив с учетом кинетики разложения органического вещества необходимо знать зависимость изменения температуры нагреваемых частиц от времени. Поэтому недостаточно ограничиться использованием в расчетах лишь уравнением теплового баланса. Для поинтервального (по времени) расчета межфазного теплообмена необходимы данные по всем составляющим уравнения теплопередачи, поэтому выбор критериального уравнения теплообмена является одной из важнейших задач математического моделирования.

Межфазному теплообмену в псевдоожиженном слое посвящено огромное число работ, и тем не менее полной ясности в этом вопросе нет, а данные разных авторов иногда различаются более чем на порядок [41].

Обобщение большого числа экспериментальных данных позволило авторам [13] рекомендовать для расчета межфазного теплообмена следующие зависимости:

1, при Re/ 200, Nu = 1,6 10 Pr1 / 3, Re (2.5) 2/ при Re/ 200, Nu = 0,4 Re Pr 1 / 3, (2.6) где Nu, Pr – соответственно числа Нуссельта и Прандтля;

– порозность слоя.

2.2 Использование псевдоожиженного слоя для полукоксования горючих сланцев Экспериментальные исследования возможности применения псевдоожиженного слоя для полукоксования горючего сланца начались ещё в середине XX века.

Исследования процесса полукоксования мелкозернистого сланца Прибалтийского бассейна в псевдоожиженном слое были выполнены в МХТИ им.

Д.И. Менделеева с использованием простейшей лабораторной установки, имеющей внешний обогрев [66]. Эти опыты показали возможность получения смолопродуктов путем полукоксования горючих сланцев в псевдоожиженном слое.

В установке с псевдоожиженным слоем [66] был проведен ряд опытов при различных условиях протекания процесса. Было установлено, что при температуре 500оС и времени полукоксования 10-14 минут происходит наилучший отгон летучих веществ. Кроме того, применение способа полукоксования в псевдоожиженном слое позволило осуществить равномерный нагрев сланца без местных перегревов, что исключило слипание сланца в печи.

В поисках более совершенного процесса полукоксования мелкозернистого сланца в 1973 г. в научно-исследовательском институте сланцев г. Кохтла-Ярве были начаты работы по созданию установки для полукоксования сланца в псведоожиженном слое. Работы, выполненные первоначально на установке периодического действия, показали, что для мелкозернистого сланца предлагаемый метод является более эффективным по сравнению с промышленно освоенным способом переработки в реакторе с твердым теплоносителем [18].

В соответствии с договором №1.1.685-91/393/91 от 24 апреля 1991г. с Саратовским политехническим институтом в научно-исследовательском институте сланцев г. Кохтла-Ярве (в НИИ сланцев) проведены исследования на стендовой установке для полукоксования сланца в псевдоожиженном слое пропускной способностью до 8 кг сланца в час [34]. Переработке была подвергнута партия мелкозернистого (1-4 мм) сланца Перелюб Благодатовского месторождения.

В качестве теплоносителя использовались продукты неполного сгорания пропан-бутана, поступающие в реактор полукоксования при температуре 800 900 оС.

Исследование процесса полукоксования мелкозернистого Волжского сланца на стендовой установке показало, что процесс протекает устойчиво, без битуминизации и шлакования материала. Выход продуктов на рабочий сланец (Wр = 6%) составил: смолы чистой 6,5%, газа (без теплоносителя) 160 м3/т, полукокса 64,7%, надсмольной воды (с водой горения и влагой смолы) 21,9%.

Стоит отметить, что полученный при полукоксовании газ отличается повышенным содержанием водорода (44%) и оксида углерода (15%).

Компонентный состав газа полукоксования (расчетный), %:

СО2 25, СО 14, Н2 44, метан 3, этан 1, пропан 0, этен 1, пропен 0, бутены 0, Н2S 8, Полукоксование сланца осуществлялось на стендовой установке непрерывного действия. К сожалению, время полукоксования различных партий сланца установить невозможно, поэтому использование полученных экспериментальных данных для формирования механизмов кинетики разложения Поволжских сланцев в псевдоожиженном слое не представляется возможным.

В 1994 году на кафедре ПТ СГТУ были проведены экспериментальные исследования основных закономерностей полукоксования сернистых сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое и последующего пиролиза парогазовой смеси, полученной при полукоксовании сланца [64, 39]. В работе были исследованы два варианта переработки горючего сланца:

1. Полукоксование сланца в псевдоожиженном слое в потоке продуктов неполного горения природного газа.

2. Полукоксование сланца в псевдоожиженном слое и последующий термокаталитический пиролиз полученной парогазовой смеси на катализаторе.

Схема пилотной установки и функциональное назначение основных и вспомогательных элементов представлены на рис. 2.1.

Установка включает узлы подготовки газового теплоносителя, бункер и шнековый питатель для подачи мелкозернистого сланца в реактор, собственно реактор со шнеком для выдачи полукокса, пылеосадительные устройства и систему конденсации для раздельного улавливания летучих продуктов (полукоксования).

С целью изучения влияния катализатора на механизм вторичных процессов превращения летучих продуктов полукоксования в состав установки входит устройство для дополнительного пиролиза парогазовой смеси на катализаторе.

В качестве сырья использованы валовая проба горючего сланца Коцебинского месторождения, добытого карьерным способом, и сланец Кашпирского месторождения (шахтный способ добычи). В качестве газового теплоносителя использовалась смесь продуктов неполного горения природного газа и обратного газа.

Основные условия проведения опытов и результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 2.1-2.4.

Рис. 2.1. Схема пилотной установки:

1 – бункер сланца;

2 – компрессор;

3 – воздухоподогреватель;

4 – эжектор;

5 – камера сгорания;

6 – шнек;

7 – реактор ПС;

8 – бункер для сбора пыли;

9 – бункер полукокса;

10 – циклон;

11 – реактор-пиролизер;

12 – воздушный холодильник;

13 – приемники жидких продуктов;

14 – колонка с хлористым кальцием;

15 – колонки с активированным углем;

16 – холодильник типа «труба в трубе»;

17 – вакуумный водокольцевой насос Таблица 2.1 – Характеристика пробы сланца Коцебинского месторождения [54] Наименование параметра Численное значение а Влажность, W, % 7, Содержание на сухое вещество, % Аd 58, Зольность, (СО2 ) d Углекислота карбонатная, 14, [(CO ) ] M Условная органическая масса, 100 + Ad d 27, 2M Std Сера общая, 5, МДж Qid Удельная теплота сгорания, 6, кг Сd 17, Углерод, d 3, Водород, Н Таблица 2.2 – Условия проведения опытов полукоксования сланца Коцебинского месторождения в псевдоожиженном слое [54] № опыта Показатели 1 2 Расход сухого сланца, кг/ч 3,74 3,59 4, Время полукоксования, мин 14,25 15,5 8, Температура парогазовой смеси 515 575 в реакторе полукоксования Таблица 2.3 – Основные результаты балансовых опытов полукоксования Коцебинского сланца в псевдоожиженном слое (без учета теплоносителя) [54] Номер опыта Показатели 1 2 Расход, кг/ 100 кг сухого сланца Полукокс 70,0 67,7 63, Унос 2,8 2,4 3, Летучие, кг 19,49 21,75 23, В т.ч.:

смола (сырая) 5,50 5,05 4, пирогенная вода 10,93 12,93 14, сланцевый бензин 0,96 1,08 1, высококипящая смола 1,00 0,69 0, газ полукоксования 1,10 2,00 2, Таблица 2.4 – Компонентный состав газа полукоксования [64] Номер опыта Содержание, об.% 1 2 H2 18,98 22 O2 0,17 0,15 0, N2 63,48 55,96 61, CO 10,09 15,08 10, CO2 6,35 4,91 5, H2S 0,44 0,69 0, CnH2n+2 0,35 0,99 0, CnH2n 0,14 0,22 0, На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Процесс полукоксования сланца в псевдоожиженном слое протекает весьма интенсивно. Расчет, произведенный на основании опытных данных, показывает, что средняя производительность установки в данной серии опытов составила 3,78 кг/ч. Напряжение реакционной зоны на единицу полезного объема составляло 1,37 г/см3 при полезном объеме реактора 2750 см3.

Следовательно, при напряжении 1,37 т/м3ч производительность аппарата диаметром 2,5 м и высотой слоя 1 м составит около 160 т сланца в сутки [39].

2. В связи с малым масштабом пилотной установки и повышенными теплопотерями удельный расход теплоносителя при испытаниях был выше, чем можно ожидать на опытно-промышленной установке. Повысить концентрацию сланцевого бензина в продуктовом газе можно путем снижения числа псевдоожижения и использования высококачественного сланца с содержанием органического вещества более 40%, а также осуществления последующего термокаталитического пиролиза парогазовой смеси на активной насадке [39].

3. С увеличением Sобщ в сланце следует ожидать повышения концентрации сераорганических соединений в сланцевом бензине.

К сожалению, представленные результаты опытов носят достаточно противоречивый характер и не до конца могут быть объяснены. Так, в составе газа полукоксования (табл. 2.4) содержится 55-63% азота и 0,06-0,17% кислорода, что является необъяснимым фактом и явно противоречит приведенным выше экспериментальным данным, полученным в НИИ сланцев г. Кохтла-Ярве.

Кроме того, некоторые условия проведения и результаты опытов носят противоречивый характер: при увеличении температуры парогазовой смеси в реакторе полукоксования (515 оС;

575 оС;

595 оС) увеличивается выход летучих веществ (19,49 кг/100 кг сух. сл.;

21,75 кг/100 кг сух. сл.;

23,23 кг/100 кг сух.

сл.), но время полукоксования при этом меняется неэквидистантно (14,25 мин;

15,5 мин;

8,9 мин). Таким образом, условия проведения опыта №2 являются достаточно сомнительными.

Тем не менее приведённые выше экспериментальные данные являются уникальными и ввиду отсутствия других исследований по полукоксованию Волжских сланцев в псевдоожиженном слое могут быть использованы при разработке математического описания процессов полукоксования Поволжских сланцев в псевдоожиженном слое. При соответствующей обработке и устранении явно противоречащих другим исследованиям данных результаты опытов (табл. 2.1-2.4) могут служить для описания механизмов разложения горючего сланца с точки зрения формальной химической кинетики с учетом характерного для псевдоожиженных систем высокоскоростного нагрева.

Для более точного описания кинетики разложения Волжского горючего сланца необходимо привлечение дополнительных экспериментальных данных.

Такими данными могут служить исследования [45]. В своей работе автор проводит изучение кинетики термоокислительной деструкции (ТОД) сланцев различных месторождений двумя независимыми методами: термогравиметрии и дифференциально-интегральной сканирующей калориметрии. Определялись величины энергии активации и порядка реакции основных стадий процессов разложения органического вещества горючего сланца в присутствии минеральной составляющей.

Для сланцев всех месторождений автор выделяет три основные стадии процесса термоокислительной деструкции: разложение керогена, крекинг термобитума и пиролиз сланцевой смолы.

Необходимо отметить, что автор проводил исследования ТОД горючих сланцев как в атмосфере воздуха, так и в атмосфере нейтральной среды – азота (табл. 2.5).

Таблица 2.5 – Порядок реакции процессов ТОД горючего сланца различных месторождений [45] Порядок реакции, n Месторождение 1 стадия 2 стадия 3 стадия Коцебинское (воздух) 1,3 1,6 1, Кашпирское (воздух) 1,7 1,2 1, Вурнарское (воздух) 1,6 1,4 1, Ленинградское (воздух) 1,2 1,5 1, Перелюб-Благодатовское (воздух) 1,5 1,4 1, Перелюб-Благодатовское (азот) 2,6 1,3 0, Из данных табл. 2.5 видно, что для процессов ТОД сланцев различных месторождений в атмосфере воздуха порядок реакции отличается незначительно и составляет 1,7-1,1. При этом кинетические параметры, полученные для сланца одного месторождения, но в разных средах, различаются достаточно сильно.

Таким образом, можно сделать вывод, что экспериментальные данные, полученные для горючего сланца Перелюб-Благодатовского месторождения в атмосфере азота, могут быть использованы для кинетического описания процессов разложения сланцев других месторождений при безокислительном нагреве, в частности для описания кинетики полукоксования горючего сланца.

Совместное привлечение экспериментальных исследований [54, 64, 39, 45] может быть использовано для описания механизмов полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое с точки зрения формальной химической кинетики, с учётом особенностей быстрого нагрева, присущих псевдоожиженным системам.

2.3 Выводы:

1. Псевдоожиженный слой характеризуется высокой интенсивностью процесса теплообмена. Зачастую теплообмен в псевдоожиженном слое носит законченный характер и не является лимитирующим фактором при проведении термических процессов в слое.

2. При осуществлении процессов термической переработки твердых топлив в псевдоожиженном слое необходимо использовать низкие скорости фильтрации (близкие к первой критической скорости) для уменьшения уноса мелких частиц и улучшения однородности слоя.

3. Процесс полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое характеризуется высокой интенсивностью, среднее время полукоксования в зависимости от условий процесса составляет порядка 9 – 14 минут.

4. Повышение концентрации ценных сераорганических соединений в сланцевом бензине может быть достигнуто путем снижения числа псевдоожижения, использования горючего сланца с высоким содержанием органического вещества и серы, а также за счет осуществления последующего термокаталитического пиролиза парогазовой смеси.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ СЛАНЦЕВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ Нагрев полидисперсной смеси сыпучих материалов в псевдоожиженном слое в настоящее время широко используется при энерготехнологической переработке различных видов твердого топлива. В частности, имеется положительный опыт промышленного использования установок с псевдоожиженным слоем в процессах сушки, обогащения, классификации, полукоксования, горения и др. Однако выполненный анализ литературных источников показал, что качественного математического описания, позволяющего учесть все особенности процесса полукоксования твёрдого топлива в ПС, в литературе не содержится.

Для создания математической модели расчета процесса полукоксования Поволжского сланца в ПС необходимо иметь строгое математическое описание, основанное на закономерностях трех одновременно происходящих процессов: нестационарной теплопередачи, массообмена и химической кинетики. Кроме того, при разработке математического описания необходимо обязательно учитывать физические характеристики топлива, реально существующие зависимости теплофизических параметров топлива от изменяющейся температуры, а также компонентный состав газа псевдоожижения и зависимость всех теплофизических параметров газа от температуры. С изменением температурного уровня процесса изменяется значение коэффициента теплоотдачи, а при изменении содержания органического вещества в топливе изменяется эндотермический эффект разложения горючего сланца. Все эти факторы должны быть обязательно учтены при математическом описании теплообмена в реакторе ПС.

3.1 Характеристики сернистого горючего сланца карьерной добычи как твёрдой фазы псевдоожиженного слоя. Структура псевдоожиженного слоя Параметрами, исчерпывающе описывающими геометрию слоя из сферических частиц одинакового размера, являются диаметр частиц и плотность их упаковки [13]. Однако при переработке твердого топлива приходится, как правило, иметь дело со смесями, составленными из частиц различного размера и формы, отличающейся от идеальной сферы.

Если смесь сыпучего материала представляет собой узкую фракцию, то определяющий размер частиц – их эквивалентный диаметр d э большинство авторов [13, 16] рекомендует принять равным среднему геометрическому:

d э = d1 d 2, (3.1) где d1, d 2 – наименьший и наибольший размеры частиц в смеси, м Сернистый горючий сланец карьерной добычи характеризуется широким полифракционным составом. Эквивалентный диаметр полифракционной смеси, как правило, определяется по формуле для средней гармонической величины [13]:

dэ =, (3.2) i d i где i – массовая доля в смеси частиц размера d i, вычисленного по формуле (3.1).

Ряд параметров слоя (например, площадь поверхности теплообмена) зависят от формы частиц. Величина поверхности сферических частиц однозначно определяется по их диаметру. Поверхность несферической частицы всегда больше поверхности равного по объему шара. Для учета этого различия вводится понятие о факторе формы частицы Ф, количественно определяющего отличие реальной формы частицы от идеальной сферы.

Согласно [13], фактор формы представляет собой квадратный корень из отношения площади равновеликой сферы Sр.с, м2, к наружной поверхности реальной частицы S0, м2:

S р.с Ц=. (3.3) S Выражение (3.3) лишь в редких случаях может быть использовано для расчета Ф, поскольку величина S0 может быть вычислена только для частиц правильной геометрической формы. Частицы горючего сланца напоминают прямоугольные пластины, и их форма близка к параллелепипеду с соотношением сторон 1:2:4. Расчетное значение фактора формы для параллелепипеда с таким соотношением сторон равно Ф = 0,831.

Очевидно, что для любых реальных частиц, напоминающих своими общими очертаниями какую-либо правильную форму, но имеющих на поверхности определенные неровности (выступы и впадины), значения Ф будут еще меньшими по сравнению с расчетными значениями частиц Ф геометрически правильной формы. Кроме того, фактор формы зависит не только от природы частиц, но и от их размеров. В табл. 3.1 представлены факторы формы частиц горючего сланца различных фракций, полученные в результате пересчета систематизированных [5] значений Ф, по данным разных авторов.

Таблица 3.1 – Осредненные значения Ф для частиц горючего сланца [5] № Наименование фракции горючего сланца Ф Cланец мелкая фракция (d = 2,5 11,2 мм) 1 0, Cланец средняя фракция (d = 5 25 мм) 2 0, Cланец крупная фракция (d = 34 62,5 мм) 3 0, Твердые топлива характеризуются действительной и кажущейся плотностью. Действительная плотность горючего сланца зависит от плотности его органической массы, а также от содержания и характера минеральных примесей и может быть рассчитана по уравнению [36]:

100 о д =, (3.4) o c 100 A мин где о – плотность органической массы сланца, кг/м3;

Ас – содержание золы на сухую массу сланца, %;

мин – плотность минеральных примесей горючего сланца, кг/м.

Расчеты движения и теплообмена топливных частиц в газовых потоках следует проводить с использованием значений кажущейся плотности. Если известна пористость топлива П, определяемая как отношение объема пор частицы к полному её объему, то кажущаяся плотность для сухого сланца определяется как к = д (1 П ). (3.5) При полукоксовании горючего сланца происходят интенсивное выделение летучих и уменьшение содержания органического вещества в частицах нагреваемого сланца. В результате пористость топлива увеличивается.

Данное обстоятельство необходимо обязательно учитывать при моделировании процессов термической деструкции топлива, так как изменение пористости, а следовательно, и кажущейся плотности частиц ведёт к изменению поверхности теплообмена.

К сожалению, в литературе не содержится каких-либо данных об изменении пористости горючего сланца в зависимости от остаточного содержания в нём органического вещества. К тому же сложно представить точные зависимости вида П = f (g ), так как содержание органической массы в горючих сланцах различных месторождений колеблется в достаточно широких пределах и единой корреляции изменения пористости от степени выгазовывания получить практически невозможно. Поэтому вполне допустимо и практически целесообразно использовать для расчета кажущейся плотности горючего сланца модифицированную зависимость (3.5), позволяющую учесть уменьшение плотности частиц горючего сланца в процессе выделения летучих:

к = к (1 g уд ), (3.6) g где – суммарный удельный выход летучих (масса выделяющихся летучих уд веществ в расчете на 1 кг сланца), кг/кг.

Выражение для расчета удельной поверхности частиц f, м2/кг, может быть записано с использованием полученных ранее значений эквивалентного диаметра частиц, кажущейся плотности сланца и фактора формы [13]:

f=. (3.7) к dэ Ц Ввиду отсутствия информации о теплоемкости Поволжских сланцев для расчета процесса теплообмена при полукоксовании горючего сланца в ПС можно воспользоваться эмпирической зависимостью, согласно которой величина теплоемкости частиц нагреваемого сланца кДж/кг°С, с ссл, содержанием органического вещества Вс, % равна [36] ссл = 0,582 + (0,00514 + 0,0000211 t ) B c + 0,00379 t. (3.8) Таким образом, приведенные выше зависимости основных физических и теплофизических параметров горючего сланца могут служить для моделирования неизотермического нагрева горючего сланца в ПС и позволяют учитывать изменение содержания органического вещества и температуры частиц нагреваемого топлива.

Для расчета гидродинамики и теплообмена в ПС, помимо данных об изменениях теплофизических свойств твердого топлива, необходимы точные зависимости теплофизических свойств газа псевдоожижения. При заданном составе ожижающего агента такие зависимости (большая часть которых базируется на известных соотношениях аддитивности) можно легко получить, используя многочисленные литературные данные [58, 12, 57, 10, 44].

На основании данных, полученных при расчёте теплофизических свойств газа и горючего сланца, выполняется расчёт гидродинамики псевдоожиженного слоя и определяется рабочая скорость псевдоожижения.

3.2 Теплообмен в псевдоожиженном слое при термическом разложении горючего сланца Следующим этапом создания математического описания процессов полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое, является математическое описание поинтервального (по времени) расчёта теплообмена в 2-фазном потоке «сланец – теплоноситель».

Одним из важнейших параметров, оказывающих влияние на количественный и качественный состав продуктов полукоксования, является скорость нагрева сланца. Особенно актуален вопрос влияния скорости нагрева для процессов, протекающих в аппаратах с псевдоожиженным слоем, где теплообмен носит законченный характер и скорость теплообмена значительно выше по сравнению с другими дисперсными системами. Так, при диаметре частиц сланца от 1 до 3 мм скорость нагрева до температуры полукоксования составляет порядка 900 С/мин. При этом критерий Био, характеризующий внутреннюю и внешнюю составляющие теплообмена, принимает значения около 0,03. Это обстоятельство указывает на слабое влияние внутреннего термического сопротивления частиц сланца и позволяет рассматривать процесс теплообмена в псевдоожиженном слое как внешнюю задачу, при которой среднеинтегральная температура частиц сланца принимается равной температуре поверхности частицы, а скорость роста температуры сланца будет определяться скоростью подвода теплоты от теплоносителя.

Уравнение теплового баланса процесса полукоксования горючего сланца в реакторе псевдоожиженного слоя имеет вид:

Gсл cсл t сл + G г c г t г Qэнд Gсл = G пк c пк t пк + G пгс c пгс t пк + G г c г t пк, (3.9) где Gсл, Gг, Gпк, Gпгс – расход соответственно сланца, газа псевдоожижения, полукокса и ПГС, кг/с;

массовые теплоемкости соответственно сланца, газа cсл, cг, cпк, cпгс – псевдоожижения, полукокса и ПГС, кДж/кг·оС;

t сл, t г – соответственно температура горючего сланца и газа псевдоожижения на входе в реактор ПС, оС;

о t пк – температура полукоксования горючего сланца, С;

Qэнд – суммарный удельный эндотермический эффект разложения горючего сланца, кДж/кг сух. сл.

Так как теплообмен в ПС является завершенным и температуры фаз на выходе из аппарата выравниваются, выражение (3.9) преобразуется к виду (3.10), позволяющему определить удельный расход газа-теплоносителя Gгуд, кг/кг:

(Gпк cпк + Gпгс cпгс ) t пк cсл t сл + Qэнд уд уд Gгуд =, (3.10) cг t г cг t пк где Gпк, Gпгс – удельный расход соответственно полукокса и ПГС, кг/кг сух. сл.

уд уд Эндотермический эффект разложения органического вещества горючего о сланца в интервале температур С, определенный методом 200- количественной термографии оказался равным кДж/кг [11] -524± органического вещества. Калориметрические определения эндотермического эффекта дали следующие результаты [38]: с конденсацией смолы и воды в бомбе -419±20 кДж/кг органического вещества;

без конденсации смолы и воды (по расчету) – около -720 кДж/кг органического вещества.

При моделировании полукоксования горючего сланца в ПС необходимо учитывать, что изменение остаточного содержания органического вещества в нагреваемом сланце приводит к изменению эндотермических эффектов, а следовательно, и к изменению температуры частиц сланца при его разложении.

Для моделирования разложения горючего сланца по законам формальной химической кинетики, необходимо знать температуру частиц нагреваемого сланца на каждом временном интервале. Для решения этой задачи воспользуемся уравнениями теплового баланса и теплоотдачи, совместное решение которых позволяет получить зависимости поинтервального (по времени) изменения температуры горючего сланца и газа псевдоожижения:

cсл t сл + f t г t сл =, (3.11) (G cпк + Gпгс cпгс ) + f уд уд пк Gгуд cг t г (Gпк cпк + Gпгс cпгс ) t сл + cсл t сл Qэнд уд уд t г =, (3.12) Gг c г уд где t сл, t сл – температура сланца (а также полукокса и ПГС) соответственно на входе и на выходе из рассматриваемого элементарного временного интервала, оС;

t – температура газа соответственно на входе и на выходе из tг, г рассматриваемого элементарного временного интервала оС;



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.