книги / Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола

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

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

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