книги / Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола
..pdfРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
С И Б И Р С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е
ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА
А .М . КЛЕР Э .А . ТЮ РИНА
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СИНТЕЗА МЕТАНОЛА
Ответственный редактор
кандидат технических наук Ю.Б Наумов
НОВОСИБИРСК
"НАУКА** СИБИРСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ РАН
1 9 9 8
УДК 620.93 : 661.721 ББК 35.51
К 48
Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза мета нола / А.М. Клер, Э.А. Тюрина. — Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998. — 127 с.
ISBN 5—02—031 339—4.
В монографии рассматриваются методические вопросы математического моделирования и результаты технико-экономических исследований энерготех нологических установок, предназначенных для комбинированного производства электроэнергии и метанола из угля и природного газа. Найдены рациональные схемно-параметрические решения по установкам и соотношения производства метанола и электроэнергии. Даны оценки экономической эффективности энер готехнологической переработки органического топлива при различных внешних условиях. Выполнено сопоставление трубопроводного транспорта метанола и природного газа, показаны условия, при которых переработка газа в метанол и последующий трубопроводный транспорт метанола оказываются экономически оправданными.
Книга предназначена для специалистов, занимающихся вопросами энерго технологической переработки топлив, а также для аспирантов и студентов энергетических и химико-технологических специальностей.
Табл. 20. Ил, 15. Библиогр.: 92 назв.
Р е ц е н з е н т ы
доктора технических наук Б.М> Каганович, В.С. Степанов
Утверждено к печати ученым советом Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН
Книга издана при финансовой поддержке Сибирского отделения РАН
ТП—97—II—139
|
А.М. Клер, Э.А. Тюрина, 1998 |
ISBN 5-02-031339-4 |
Российская академия наук, 1998 |
Оформление. СП "Наука" РАН, 1998 |
Предисловие
Необходимость крупномасштабного вовлечения в топливноэнергетический баланс страны дешевых энергоресурсов Си бири, а также повышения экономической эффективности их экспортных поставок .обусловливает интерес к проблеме пере работки угля и природного газа в квалифицированное жидкое топливо. Такая переработка позволит существенно расширить рынок сбыта продукции угледобывающей промышленности восточных регионов, улучшить экологическую обстановку, по высить доход от экспорта, приходящийся на единицу извле ченных из недр энергоресурсов. Переработка природного газа в жидкое топливо дает возможность резко сократить затраты, связанные с транспортом единицы химической энергии топ лива, получить более ценный продукт и расширить рынок сбыта, покрывая фактически за счет газа потребности транс порта в моторном топливе, а также потребности мелких пот ребителей, расположенных с малой плотностью на значитель ной территории.
Одним их перспективных направлений переработки угля является его газификация с последующим каталитическим синтезом метанола. По близкой схеме происходит переработка природного газа, где его парокислородная конверсия заменяет газификацию угля.
Указанные технологии могут со значительным эффектом бьггь объединены с производством электроэнергии в единой энерготехнологической установке (ЭТУ). Основной способ изучения таких установок — математическое моделирование и технико-экономические исследования на математических мо делях.
В данной монографии отражены результаты многолетних исследований энерготехнологических установок синтеза мета нола, выполненных в Институте систем энергетики им. Л.А. Ме
з
выход горючих продувочных газов в процессе синтеза. Это тепло и горючие газы можно эффективно использовать в энерготехнологической установке для совместного производст ва метанола и электроэнергии.
Такая технология может быть эффективна и для перера ботки природного газа, причем переработка его в метанол на месте добычи позволит резко сократить транспортные затраты.
Большой интерес к исследованию энерготехнологических установок синтеза метанола вызван рядом причин:
—возникновением существенных технических, экономи ческих, экологических трудностей при крупномасштабном ис пользовании низкосортных углей для производства электро энергии на традиционных теплоэнергетических установках;
—незначительным объемом вредных выбросов ЭТУ в ат мосферу, обусловленным высокими технологическими требо ваниями к составу газа, необходимого для синтеза метанола;
—эффектом от комбинированного производства электро энергии и метанола;
—перспективностью использования метанола как эко логически чистого моторного и котельно-печного топлива, в качестве сырья для химических производств;
—техническими и экономическими преимуществами даль нейшего трубопроводного транспорта метанола по сравнению
странспортом природного газа, а также простотой его желез нодорожной и танкерной перевозки.
Таким образом, развитие процессов комбинированного производства метанола и электроэнергии определяется эко номической целесообразностью, технологической необходимо стью и условиями охраны окружающей среды.
ЭТУ синтеза метанола характеризуются высокой сложно стью технологических схем, многообразием физико-химичес ких процессов, протекающих в элементах, а также прак тическим отсутствием значительного опыта их проектирования. Основной путь изучения этих установок — математическое моделирование и проведение технико-экономических испы
таний на моделях.
Вопросам моделирования и исследования энергетических и химико-технологических установок посвящено большое коли чество работ. Значительный опыт математического модели рования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в СЭИ СО РАН [1—12].
Большой комплекс исследований в области оптимизации процессов и конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования проведен в Институте проблем машиностро ения АН Украины [13—16]. Интересной в этом направлении представляется методология в области математического мо делирования аэротермохимических процессов в энергоустанов ках, реализованная в автоматизированной системе модели рования (ACM) высокотемпературных процессов [17].
В химической технологии наибольшие достижения в облас ти методов математического моделирования и оптимизации химического оборудования и химических производств отраже ны в работах [18—22].
Интересные результаты расчетных исследований, проект ных разработок и испытаний опытно-промышленных устано вок, используемых в качестве исходных данных для про ектирования ТЭС с энерготехнологическими паротурбинными и парогазовыми блоками, представлены в работе Саратовского политехнического института [23]. В этом же направлении выполнены комплексные исследования экологически перспек тивных энерготехнологических блоков электростанций с но выми технологиями использования углей в Новосибирском электротехническом институте [24].
Оригинальный подход к долгосрочному прогнозированию энергетических технологий, основанный на сочетании технико экономического исследования схем и циклов конкурирующих установок и их системной эффективности с физико-хими ческим анализом процессов превращения вещества топлива, изложен в работах СЭИ СО РАН [25, 26].
Вопросы моделирования и исследования процессов энерго технологической переработки низкосортных топлив привлека ют все большее внимание специалистов в области энер гетических и химических производств, хотя и нашли меньшее отражение в литературе. Работы в этом направлении ведутся как у нас в стране: в Энергетическом институте (ЭНИН), Институте горючих ископаемых (ИГИ), Институте высоких температур (ИВТ) РАН, Научно-исследовательском и проект но-конструкторском институте по проблемам развития КанскоАчинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) [27—31], так и за рубежом [32—34].
Втечение длительного времени в СЭИ СО РАН совместно
сИНХС РАН ведутся работы по математическому модели-
рованию и технико-экономическому исследованию ЭТУ синте за метанола [35—40]. Настоящая монография является обоб щением той части исследований ЭТУ, которая выполнялась в СЭИ СО РАН.
Для проведения технико-экономических исследований ЭТУ необходимо создать подробную математическую модель уста новки, которая включала бы как энергетическую, так и техно логическую части. Для этого должны быть решены следующие задачи: разработана согласованная система математических мо делей технологических и энергетических элементов и под систем установки; решена проблема большой размерности технологических схем ЭТУ на уровнях моделирования элемен тов, расчета схем и технико-экономических исследований.
1. Постановка задачи комплексных технико-экономических
исследований ЭТУ синтеза метанола
1.1.Состояние технологий переработки твердых топлив
Вусловиях возрастающей потребности в сырье для химичес кой, металлургической и других отраслей промышленности вследствие уменьшения запасов нефти и природного газа все более актуальным становится комплексное использование твердых горючих ископаемых с получением из них как тепло вой энергии, так и ценных химических продуктов.
Крупнейшей сырьевой базой для переработки служат бурые угли Канско-Ачинского бассейна с разведанными ресурсами на уровне 600 млрд т, в том числе доступных для разработки открытым способом 140 млрд т [41]. Масштабное вовлечение канско-ачинских углей (КАУ) в топливно-энергетический ба ланс связано с необходимостью транспортировки значительных объемов этих углей в европейскую часть страны. Так как КАУ — низкосортные бурые угли с высоким содержанием влаги и золы, а также гетероатомов в органической части угля, то их транспортировка эффективна лишь после переработки на месте в синтетические жидкие, газообразные или облагорожен ные твердые топлива. На сегодняшний день промышленные технологии по переработке углей в синтетические топлива отсутствуют, поэтому использование бурого угля ограничивает ся в основном сжиганием в местах добычи для выработки тепло- и электроэнергии и экономически малоэффективной транспортировкой рядового угля.
Возможные направления использования углей представле ны на рис. 1.1.
Первое направление связано с непосредственным тра диционным сжиганием. Остальные предполагают переработку угля в облагороженные топлива. Для получения синтетических топлив из органической массы угля существуют различные
►j Теплоэнергия |
Прямое
ожижение
Газификация
Бурый уголь — ►
♦Пиролиз
♦ Термообработка |
Термоугопь j Рис. 1.1. Возможные направления использо |
|
вания бурых углей. |
методы, которые можно условно разделить на три основные группы: гидрогенизация, термическое разложение и газифи кация [42]. Первая из них предполагает прямой гидрокрекинг угля. При высоком давлении водорода и в присутствии ка тализатора происходит расщепление органического вещества угля и насыщение его водородом. К данной группе методов можно отнести и термическое растворение углей, заключающе еся в их обработке органическими растворителями при темпе ратуре около 400 °С.
Этому направлению переработки угля посвящено значи тельное количество работ, выполненных как у нас в стране, так и за рубежом. Наиболее перспективными .процессами такой группы переработки углей за рубежом считаются процессы Hygas, H-Coal, Synthoil, SKR-1, SKR-2, Bi-Gas, Consol, Synthane и др. [43, 44]. В нашей стране ведущая роль по созданию технологии гидрогенизации угля принадлежит ИГИ [45—47]. Процесс гидрогенизации угля совместно с нефтепродуктами для производства моторного, а также котельного топлива, сырья для химической промышленности отработан на лабора торной установке производительностью 40 кг угля в сутки. Полученные образцы бензина и дизельного топлива из дис тиллятных фракций продуктов ожижения угля по своим свой ствам аналогичны нефтяным. В 1985 г. сооружена укрупненная установка СТ-5 мощностью 2,25 тыс. т у.т. угля в год, предназ наченная для отработки технологического режима гидроге низации КАУ, проверки в едином технологическом цикле процессов от подготовки угля до получения товарных продук тов. На Березовском месторождении Канско-Ачинского бас сейна было предусмотрено строительство установки СТ-75 мощностью 21,1 тыс. т угля в год. Полученные на этой установке данные предполагалось положить в основу проекта промышленного предприятия СТ-500 для переработки 19,8 млн т КАУ в год.
Анализ проводимых исследований процессов гидрогени зации угля как у нас в стране, так и за рубежом позволяет оценить возможности и перспективы гидрогенизации угля как одного из важнейших методов в общей схеме переработки твердых топлив. Однако до организации промышленного про изводства синтетических жидких топлив предстоит выполнить большой комплекс исследовательских и конструкторских ра бот, направленных на создание высокопроизводительного спо-
п
соба жидкофазной гидрогенизации угля. В настоящее время многие проблемы подбора новых эффективных катализаторов, способов выделения шлама, зольных примесей и их перера ботки, регенерации катализаторов, создания высокопроизводи тельного и надежного оборудования во всем мире далеки от разрешения [48].
Другой путь получения жидких топлив — термическое разложение углей с получением смолы и газа. При этом большая часть (60—70 %) органической массы переходит в твердый остаток, который частично используется для полу чения водорода (методом газификации), а частично в качестве технологического или энергетического топлива. Выход смолы при пиролизе угля не превышает 15—20 % от органической массы. Однако смола не является готовым жидким топливом, равноценным продуктам нефтепереработки из-за недостаточ ной стабильности, меньшего отношения Н С и высокого содержания кислорода. Для приготовления топлив, равноцен ных нефтяным, необходима гидрогенизационная переработка смолы. За рубежом наиболее перспективными процессами данного направления переработки углей являются: COED, Carrent или Occidental, Toscoal, Coalcon, Lurgi-Duhrgas [32]. В нашей стране практическая схема переработки углей, совмеща ющая процессы переработки топлива методом высокоскорост ного пиролиза при 600—700 °С с производством электрической и тепловой энергии на ТЭС, была предложена ЭНИНом [49, 50]. Способ высокоскоростного пиролиза бурых углей по схеме с комбинированным теплоносителем, резко отличающийся от всех известных в промышленности, впервые в крупном масш табе был осуществлен и освоен на опытно-промышленных установках на ТЭЦ-2 в г. Твери и на заводе «Сибэлектросталь» в г. Красноярске производительностью соответственно 4 и 6 т/ч. На основе результатов исследований этих установок создана головная энерготехнологическая установка ЭТХ-175 мощностью 1,2 млн т КАУ в год на ТЭЦ-2 в г. Красноярске.
При анализе перспективности процессов термической пе реработки углей следует учитывать, что все они относительно мало селективны, особенно при переработке наиболее распро страненных и дешевых бурых углей. В любых вариантах про цесса одновременно получают твердые, газообразные и жидкие продукты сложного состава, в большой мере предопределенно го элементным составом исходного угля. Жидкие продукты