Комплексные исследования энерготехнологического производства синтетических жидких топлив из углей Сибири для электроснабжения удалённых потребителей

Актуальность работы. Россия является одним из мировых лидеров по запасам и производству угля. В то же время во внутреннем балансе потребления топлива доля угля, используемого на ТЭС, в настоящее время сокращается [1]. Вместе с тем, по оценкам большинства специалистов в скором времени возникнет дефицит природного газа [2−5], направляемого на производство электроэнергии, в европейских регионах Российской Федерации.

Прирост электропотребления может покрываться за счёт строительства новых Ь.

Ь АЭС и энергетического потенциала сибирских углей. Возможности атомного машиностроения для наращивания энергогенерирующих мощностей считаются ограниченными, поэтому основной прирост производства электроэнергии может быть осуществлён за счёт энергии бурых углей месторождений Сибири.

Однако увеличение потребления ископаемых углей вызывает рост экологической нагрузки на1 окружающую среду. Снизить ущерб окружающей среде от угольной энергетики можно переходом к использованию экологически более чистых видов топлива угольного происхождения. К ним относится облагороженный уголь, синтетические газообразные и жидкие топлива. В связи с этим возникает большой интерес к проблеме переработки углей в синтетическое жидкое топливо (СЖТ) как альтернативное энергетическое топливо.

Вместе с тем, одной из актуальнейших проблем использования Сибирских углей является проблема их дальнего транспорта, т.к. месторождения углей Сибири удалены на значительные расстояния от прогнозируемых центров энергопотребления. Поэтому возникает задача поиска оптимальных способов «доставки» энергии угля к конечным потребителям.

Могут быть использованы различные варианты преобразования и передачи энергии угля (так называемые технологические цепочки), которые нуждаются в технико-экономических исследованиях и сопоставлениях (производство электроэнергии на месте добычи на паротурбинных ТЭС и её передача по линиям постоянного токажелезнодорожный транспорт угля и производство электроэнергии на паротурбинных ТЭС в местах потребления). Перспективной является технологическая цепочка включающая переработку угля на месте добычи в экологически чистое СЖТ, трубопроводный транспорт СЖТ в район потребления и производство электроэнергии на энергетических установках, сжигающих СЖТ. Очевидно, что выбор наиболее эффективной, технологической цепочки переработки углей и передачи их энергии весьма актуален, поскольку может оказать существенное влияние на развитие всей энергетики страны. Такой выбор требует согласованного проведения математического моделирования и оптимизации звеньев каждой цепочки и сопоставления их технико-экономических показателей между собой. При этом наибольшие методические трудности возникают при исследовании технологической цепочки, связанной с переработкой угля в СЖТ.

Одной из наиболее перспективных технологий крупномасштабного производства СЖТ является технология получения метанола из синтез-газа, производимого в свою очередь из угля. Это связано с тем, что получение метанола является отработанным гетерогенно-каталитическим процессом: достаточно селективным, высокопроизводительным, непрерывным и технологичным. Метанол удобен для транспортирования и хранения, а также имеется возможность использовать его как экологически чистое моторное и котельно-печное топливо. Общая мощность существующих заводов производства метанола в мире составляет около 57 млн. т в год, при этом на Россию из них приходится 4 млн. тонн [6, 7].

Следует отметить, что традиционное получение метанола из угля осуществляется, как правило, в одноцелевых установках. В данных установках производится утилизация тепла, выделившегося в процессах газификации угля, а также охлаждения уходящих газов с получением пара, который используется в основном только на собственные нужды технологии (паротурбинный привод5 компрессоров и др.). Такие процессы характеризуются невысоким термическим КПД! Как показали проводимые в течение длительного времени в институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской Академии наук (ИСЭМ СО РАН) [8−19] исследования, технологий получения, СЖТ, наиболее эффективным является комбинированное производство СЖТ и электроэнергиив одной энерготехнологической. установке (ЭТУ). В? этом случае возникает возможность, утилизациивысокотемпературного тепла процесса газификации угляи горючих газов, получаемых после: синтеза СЖТ, для производства электроэнергии. В результате повышается К1Щ процесса производства СЖТ, сокращаются удельные капиталовложения 'за* счет совмещения функций части энергетического и технологического оборудования;

Большой интерес к исследованиям энерготехнологических установок производства СЖТ и электроэнергии обусловливается рядом причин:

1) существенными техническими, экономическими и экологическими трудностямипри крупномасштабном использовании низкосортных углей для производства. электроэнергии на традиционных паротурбинных установках;

2) значительным улучшениемэкологических показателей ЭТУ, связанным с технологическими требованиями;

3) энергетическим и экономическим эффектом. от комбинированного производства СЖТ и электроэнергии;

4) перспективностью* использования СЖТ в качестве экологически, чистого моторного и котельно-печного топлива, в специальных двигателях внутреннего сгорания, в топливных элементах, а также в качестве сырья для химических производств;

5) техническими и экономическими преимуществами дальнего трубопроводного транспорта СЖТ по сравнению с транспортом природного газа, а также простотой его железнодорожной и танкерной перевозки.

Таким образом, развитие процессов комбинированного производства СЖТ и электроэнергии определяется экономической целесообразностью, технологической необходимостью и условиями охраны окружающей среды.

Следует отметить, что в ранее проводимых в ИСЭМ СО* РАН' исследованиях ЭТУ, системы очистки продуктов газификации от Н28 и СОг рассматривались в упрощенном виде с использованием экспертных данных по удельным затратам энергии и капитальным вложениям. Поскольку данные системы являются весьма дорогостоящими и имеют значительное энергопотребление, их упрощенное представление не позволяет с необходимой точностью определить технико-экономические показатели ЭТУ в целом. Кроме того, при каталитическом синтезе СЖТ одним из основных требований со стороны катализаторов является отсутствие соединений серы, так как они способствуют их «отравлению» и снижают скорость образования СЖТ. Важным направлением исследований является определение оптимальных термодинамических ирасходных параметров установок и изменения их технико-экономических показателей в зависимости от степени удаления СО2 из продуктов газификации в системе очистки. Это обусловлено тем, что некоторая часть диоксида углерода участвует в реакциях синтеза метанола, что может увеличить его выход или выход, дополнительного количества оксида углерода в составе продувки синтез-газа, поступающего на сжигание в камеру сгорания газовой турбины. Второе обстоятельство может повлиять на выработку дополнительного количества электроэнергии.

Кроме того, важным моментом при исследовании технологических цепочек, электроснабжения удалённых потребителей на основе СЖТ из углей Сибири является оценка эффекта за счёт снижения затрат при переходе от транспорта угля к трубопроводному транспорту СЖТ. При этом возникает необходимость оптимизации пропускных способностей трубопроводов СЖТ для корректной оценки затрат на его транспорт. Также важно определить оптимальные технико-экономические показатели энергоустановок, использующих СЖТ в качестве топлива.

Решение отдельных вопросов указанных выше проблем привлекает внимание ученых как в нашей стране, так и зарубежом. Выполнено достаточно большое число работ поисследованию различных аспектов технологии производства СЖТ из. органического топлива, моделированию и исследованию энергетических и химико-технологических установок.

В работах Института нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской Академии наук (ИНХС РАН) [20−22] найдены оптимальные параметры процесса переработки синтез-газа, получаемого из органического топлива, в метанол. Показано, что метанол являетсяодним из наиболее перспективных. СЖТ в силу высокойселективности процесса' и большой-единичной производительности каталитических реакторов.

В работах ИСЭМ СО' РАН рассмотрены вопросы термодинамического моделирования процессов синтеза СЖТ различных видов и их сравнительной' эффективности [23−26], разработаны математические модели ЭТУ, выполнена, оптимизация, их параметров и показана высокая эффективность комбинированного производства СЖТ и электроэнергии в одной ЭТУ [15−18], обоснованацелесообразность использования СЖТ в топливно-энергетическом балансе РФ [27−29].

Комплексные исследования энерготехнологической переработки органических топлив проведены в Институте высоких температур Российской Академии наук (ИВТ РАН) [30]- Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) сотрудниками А. И. Андрющенко, А. И. Поповым [31];

Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) учёным Г. В. Ноздренко [32], в фирмах Sasol, Shell, Mobil, Bechtel, Methanex [33−37].

Значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок за долгие годы накоплен в ИСЭМ СО РАН в работах таких учёных как JI.C. Попырин, Г. Б. Левенталь, В. И. Самусев, В. В. Эпелыптейн, A.M. Клер, С. К. Скрипкин, Н. П. Деканова и др. 38−50].

Большой комплекс исследований в области оптимизации процессов и конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования проведен в Институте проблем машиностроения АН Украины в работах Л.А. Шубенко-Шубина, A.A. Палагина и коллег [51−55].

В работе Ф. А. Вульмана, Н. С. Хорькова [56] предложено построение математических моделей теплоэнергетических установок (ТЭУ) на основе принципов модульного программирования. Принципы технико-экономической оптимизации циклов и схем теплоэнергетических блоков ТЭС изложены в работе А. И. Андрющенко и соавторов [57].

В.' химической технологии наибольшие достижения в области методов математического моделирования и оптимизации химического оборудования и химических производств отражены в работах школы В. В. Кафарова, Л. С. Полака, Г. М. Островского и др. [58−62].

Сложные вопросы математического моделирования, оптимизации трубопроводных и других гидравлических систем уже давно решаются с применением теории гидравлических цепей, основные положения которой заложены и развиты в работах В. Я: Хасилева, А. П. Меренкова, Е. В. Сенновой и др: [63−66].

Совместное использование принципов термодинамики, моделей и методов теории гидравлических цепей дало возможность оценки пределов энергетического и экологического совершенствования технологий трубопроводного транспорта различных энергоносителей, представленной в работах Б. М: Кагановича и соавторов. 67, 68].

Анализ проводимых исследований в отмеченных направлениях позволяет выявить некоторые нерешенные вопросы, которые возникают при комплексном рассмотрении технологических цепочек электроснабжения удалённых, потребителей. В указанных работах не решён ряд важных для выбора оптимальной технологической цепочки преобразования и< передачи, энергии, угляшроблем: не сформулирована задача согласованной" оптимизации" звеньев технологических цепочек, не проводилась согласованная оптимизация ЭТУ, транспорта СЖТ и энергоустановок, сжигающих СЖТ. Работы по сравнительной эффективности' дальнего транспорта различных энергоносителей часто основываются на экономических оценках с применением аналитических или линейных зависимостей [69]. Не всегда учитывается нелинейный характер зависимостей, не проводится оптимизация параметров с применением строгих математических методов.

В связи с отмеченным целью диссертационной ^ работы> является разработка методического подхода, математических моделей и методов для получения комплексной оценки условий использования СЖТ, произведённых на ЭТУ из углей Сибири, для* электроснабжения удалённых потребителей и сопоставления, этоговарианта дальнего электроснабжения с другими вариантами, и включает следующие основные задачи:

1) разработка методики к согласованной оптимизации параметров звеньев технологических цепочек дальнего транспорта энергии, углей для-электроснабжения-удаленных потребителей, включающих ЭТУ производства.

СЖТ и электроэнергии, экологически чистые угольные ТЭС1, ПТУ на СЖТ, системы транспорта и т. д.;

2) разработка математических моделей звеньев технологических цепочек, включающих ЭТУ производства СЖТ иэлектроэнергии на базе угля с системой глубокой очистки продуктов газификации и ПТУ на СЖТ.

3) Проведение оптимизационных исследований на разработанных' математических моделях звеньев технологических цепочек, с получением^ оптимальных термодинамических и расходных параметров установок иих технико-экономических показателей в зависимости от условий* функционирования.

В итоге решения этих задач в диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1) Методический подход к оптимизации технологических цепочек переработки углей и транспорта их энергии для электроснабжения удаленных потребителей, основанный на последовательной оптимизации параметров звеньев технологических цепочекпо критерию минимума цены выходной продукции звена, при заданном (одинаковом для всех звеньев> и цепочек) уровне внутренней нормы возврата капиталовложений и заданной цене продукции предыдущего звена, полученной при его оптимизации.

2) Математические модели звеньев технологической' цепочки, использующей СЖТ: ЭТУ производства СЖТ и электроэнергии из угля с системой глубокой, очистки продуктов газификацииПТУ на СЖТсистема глубокой очистки продуктовтазификации от Н28 и СО2 методом Ректизол.

3) Результаты оптимизационных технико-экономических исследований: ЭТУ на угле с разной степенью удаления С02 из продуктов газификации с.

1 Экологически чистая угольная ТЭС — теплоэлектростанция, имеющая современные системы очистки газообразных продуктов горения [70 — 72]. учетом капитальных и энергетических затрат в систему глубокой очистки продуктов-газификацииИГУ, использующей в качестве топлива СЖТ.

4) Сравнительная* эффективность технологических цепочек, переработки углей и транспорта их энергии для электроснабжения удаленных потребителей, включающих цепочку производства СЖТ на ЭТУ, трубопроводный транспорт СЖТ и ПТУ на СЖТ, а также цепочку производства электроэнергии на месте добычина паротурбинных ТЭС, её передачу по линиям постоянного’тока-и I цепочку с железнодорожным транспортом угля и производством электроэнергии на паротурбинных ТЭС в местах потребления.

Практическая ценность заключается в возможности оценить условия крупномасштабного использования ЭТУ синтеза СЖТ на базе углей. крупных месторождений для электроснабжения удалённых потребителей. Также получены оптимальные параметры ЭТУ на угле с учётом затрат в систему глубокой очистки продуктов газификации, что позволяет вырабатывать рекомендации для проектирования установок данного типа. Разработанная математическая модель системы глубокой очистки продуктов газификации от диоксида углерода и соединений серы методом. Ректизол может быть, применена для исследования1 как энерготехнологических, так и различных теплоэнергетических установок.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

— на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2007 -2010);

— на XIV и XV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008, 2009» (Томск, 2008, 2009);

— на VII всероссийской конференции с международным участием «Горение твёрдого. топлива» (Новосибирск, 2009);

— на 41 международной конференции KRAFTWERKSTECHNISCHES KOLLOQUIUM 2009 (Dresden, 2009);

— на объединенном симпозиуме «Энергетика России в XXI веке — Энергетическая кооперация в Азии (АЕС-2010)» (Иркутск, 2010).

С 2009 г. по 2011 г. по теме диссертации проводились работы, по гранту МГ-2009/04/1 НП Фонда' «Глобальная энергия» в рамках проекта «Математическое моделирование и комплексные' исследования технологий комбинированного производства экологически чистых топлив и электроэнергии из твёрдого и газообразного органического топлива».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них две статьи" в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК.

Личный вклад автора. Постановка задач исследований, методика последовательной* оптимизации звеньев технологических цепочек, а также анализ результатов работы осуществлены совместно с научным-руководителем. Самостоятельно автором разработаны, математические модели технологических цепочек электроснабжения удалённых потребителей. Основное внимание уделено цепочке на основе ЭТУ: разработаны математические модели элементов ЭТУ (абсорбер, десорбер,.система очистки продуктов газификации методом Ректизол и др.) и установка в целом. Построенаматематическая модельПТУ, использующая в качестве топлива метанол. С использованием этих моделей автором самостоятельно проведены оптимизационные исследования технологических цепочек удалённого электроснабжения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения? и списка литературы из 147 наименований: Общий объём1 диссертационной работы- 156 странициз них 141 страниц основного текста, 19 таблиц и 19 рисунков.

Выход.

Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма нахождения равновесного состава абсорбента и растворяемого газа на секции абсорбера:

РСЮ — заданная точность вычисления- £>гтек, £>ГТ1 — текущее и уточнённое значение количества молей растворяемого газа на выходе из ступени. где — теплоёмкость поглощаемого компонента в конденсированной фазе (жидкости) — сг (() — теплоёмкость поглощаемого, компонента в неконден-сированной фазе (газе) — — дифференциальная теплота растворения газа- ~ расход, абсорбента (метанола), содержащего распределяемые компоненты, на входе и выходе из секции-, 27б! гвых, Ш&trade-, Ш&trade-* -суммарные расходы фаз на входе и выходе из ступени- — теплоёмкость чистого абсорбента- - относительная теплоёмкость газа на входе в аппарат.

Количество тепла, содержащегося в выходном потоке метанола с извлечёнными компонентами (НгЭ, С02).

Йх^Й.+^Г*. (2Л1).

Отсюда, полный тепловой баланс на секции абсорбции с учётом дифференциальной теплоты растворения.

Сгср • сг • - /гвьк- - О?. сь • - €) + бдиф = 0' (2.12).

Отметим, что расчёт термодинамического равновесия на секции абсорбции производится методом Ньютона с учётом ограничения по тепловому балансу (2.12).

Кроме того, разработана методика определения конструктивных характеристик абсорбера[129].

Нахождение конструктивных характеристик абсорбера.

Выбор типа насадки.

При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями: во-первых, конкретными условиями проведения процесса — нагрузками по пару и жидкости, различиями в физических свойствах систем, поверхностью контакта фаз, в единице объема аппарата и, т. д.- во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу — необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал устойчивой работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т. д.- в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению — создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т. д.

Следует отметить, что математическая модель абсорбера позволяет произвести расчет, используя любой тип насадки, поэтому исходя из вышеперечисленных факторов, автором используются керамические кольца Ра-шига размером 50×50×5 мм. Данная насадка показана на рис. 2.6, а её характеристика приведена в табл. 2.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённые в рамках диссертации исследования позволили сделать следующие выводы-, основанные на полученных в ходе работырезультатах.

1. Разработан методический подход к оптимизации технологических цепочек переработки органических топлив и транспорта их энергии для электроснабжения удаленных потребителей. Он основан на последовательной оптимизации параметров звеньев технологических цепочек по критерию минимума цены выходной продукции звена, при заданном (одинаковом для всех звеньев и цепочек) уровне внутренней: нормы возврата капиталовложений и заданной цене продукции предыдущего звенаполученной при его оптимизации. Исследования, проводимые с использованием данного подхода, позволяют провести декомпозицию задачи оптимизации параметров всех звеньев технологической цепочки на последовательность гораздо более простых задач оптимизации параметров каждого звена. Приэтом получается такой же результат, чтои при совместной оптимизации всех звеньев цепочки по критерию минимума цены продукции последнего звена при заданном уровне внутренней нормы возврата капиталовложений:

2. Разработаны математические модели звеньев рассматриваемых технологических цепочек и проведены их оптимизационные исследования для сравнения экономической эффективности технологий переработки углей Сибири и транспорта их энергии для электроснабжения удаленных потребителей. .

• Разработаны математические модели новых элементов системы очистки методом Ректизол (абсорбер и десорбер) и модель системы в целом, которая, была включена в математическую модель ЭТУ. На их основе проведены оптимизационные технико-экономические исследования ЭТУ с учетом затрат в систему очистки в зависимости от степени удаления СОг, которые показали, что существует оптимальный вариант с 50% удалением СО2, характеризующийся наибольшей эффективностью.

• Разработана математическая модель ПТУ, использующая в качестве топлива метанол. На её основе проведены оптимизационные технико-экономические исследования в зависимости от степени сжатия продуктов сгорания метанола на входе в газовую турбину, которые показали, что существует оптимальный уровень давлений 1,4 1,8 МПа. Он характеризуется термическим КПД производства электроэнергии 53 ^ 54% и ценой отпускаемой электроэнергии 8,3 цент/кВт' ч.

3. Получены результаты сравнительной экономической эффективности технологий переработки углей Сибири и транспорта их энергии для электроснабжения удаленных потребителей. Результаты исследований показали, что вариант производства СЖТ на ЭТУ и использования его для выработки электроэнергии на ПТУ имеет высокую конкурентоспособность по сравнению с другими рассматриваемыми вариантами электроснабжения удалённых потребителей за счёт энергии углей Сибири и экономически эффективен на расстояния свыше 2,5 тыс. км.