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

термической переработки твердых, горючих ископаемых содер­ жат большие количества органических соединений, содер­ жащих кислород, азот и серу, и поэтому не могут быть непосредственно использованы в качестве синтетического жид­ кого углеводородного топлива. Следовательно, термическая переработка угля не может рассматриваться как самостоятель­ ный способ приготовления искусственных жидких топлив.

Третий путь — газификация твердого топлива с последую­ щей переработкой газа. В основе цроцесса, заключающегося во взаимодействии угля с кислородом, воздухом, водяным паром или смесью этих веществ, лежит реакция неполного окисления исходного органического продукта. Изменение соотношения указанных компонентов, условий процесса и применение ка­ тализаторов позволяет получать смеси СО и Н2 различного

состава (основные продукты), а также С 02, СН4 и C2Hfi.

Наиболее распространенным методом является парокислород­ ная газификация с получением СО и Н2 (синтез-газа). Синтез-

газ находит широкое применение для производства метанола и других спиртов, альдегидов, кетонов, простых и сложных эфиров, парафинов, олефиновых и ароматических углеводоро­ дов. В настоящее время в промышленном масштабе использу­ ются процессы газификации угля первого поколения — Lurgi, Koppers — Totzek, Winkler. Примером технологии, получившей промышленное применение, стал процесс Sasol, основанный на газификаторе Lurgi, использующийся в ЮАР для производ­ ства синтез-газа. Полученный синтез-газ преобразуется в мо­ торные топлива и химические продукты методом Фишера — Тропша. Мощность этого производства составляет 4,5 млн т в год искусственного жидкого топлива [51].

В результате возрастания в мировом масштабе интереса к углю как топливу и химическому сырью развертываются рабо­ ты по созданию новых методов газификации и усовершенство­ ванию существующих. Примерами таких процессов могут слу­ жить газификаторы Hygas, Cogas, Ruhr-100, Atgas и др. [52], находящиеся на опытной и опытно-промышленной стадии разработки. В нашей стране также имеется длительный опыт газификации углей [53]. В 1958 г. в стране работало свыше 350 газогенераторных станций с 2500 генераторами, на кото­ рых вырабатывалось 35 млрд м3 газов в год. Был успешно освоен процесс парокислородной газификации под давлением

для получения городского газа из высокозольных подмосков­ ных бурых углей, построен Щекинский газовый завод, который несколько лет обеспечивал газоснабжение Москвы. Здесь же были проведены промышленные опыты по газификации КАУ Уже более 30 лет на нефтехимическом предприятии в г. Ангарске осуществляется газификация черемховского полу­

кокса в слоевых газогенераторах. Получаемый газ используется для синтеза метанола, аммиака, а также производства водорода для целей гидрирования. Новый высокоинтенсивный процесс газификации различных углей в кипящем слое под давлением с высокотемпературной очисткой газа от пыли и сернистых соединений разработан в ИГИ. Построена и осваивается опыт­ ная установка по получению энергетического газа путем га­ зификации бурых углей при давлении до 3 МПа производидительностью 1000 нм3/ч. Работы по газификации угольной пыли развиваются в ИВТ РАН. Здесь разрабатываются два принципиально различных процесса. Первый представляет со­ бой аналог процёсса «Тексако» и предназначен для гази­ фикации водоугольной суспензии. На Щекинском ПО «Азот» функционирует опытная установка мощностью 1 т угля в час. Для отработки процессов газификации с жидким шлакоудалением создана установка У-25Г производительностью 5 т угля в час. Целью этих исследований являются сокращение удель­ ного расхода угля, увеличение скорости и удельной про­ изводительности процесса без повышения температуры, опти­ мизация состава целевого газа, упрощение очистки сырого газа, упрощение технологического оформления и т.д.

При сравнении процессов газификации угля с получением топлив на основе синтез-газа и непосредственной гидро­ генизации угля можно отметить, что в первом случае исполь­ зуются более умеренные давление и температура (на стадии синтеза). Очистка и разделение продуктов газификации осуще­ ствляется по известным и хорошо отработанным схемам. Поч­ ти все вредные вещества можно улавливать из газов и не загрязнять атмосферу. Это объясняет интерес к процессам переработки угля, основанным на его газификации с последу­ ющим превращением синтез-газа в искусственное жидкое топ­ ливо.

Следует отметить, что в конечном счете все усовершенст­ вования технологий переработки твердых топлив направлены на повышение термического и энергетического КПД процес­

сов, снижение капитальных и эксплуатационных расходов, расширение ассортимента перерабатываемых углей, улучшение качества продуктов, причем ни один из существующих про­ цессов не является совершенным и проводимые исследова­ ния направлены на их улучшение и создание промышленных процессов.

Технологические процессы переработки твердых топлив связаны с затратами большого количества энергии для нагре­ вания сырья, осуществления химических реакций и т.д. Сте­ пень использования тепла, т.е. энергетический КПД, в боль­ шинстве технологических процессов переработки твердых топ­ лив составляет в среднем не более 50 %. Степень же исполь­ зования тепла в энергетических процессах (получение, на­ пример, перегретого водяного пара в современных мощных энергоустановках) существенно выше и достигает 85 % и более. При комплексной переработке топлива, когда ком­ бинируются технологические процессы, связанные с выде­ лением тепла и образованием горючих отходов, с процессами производства тепла и электроэнергии энергетический КПД может быть повышен до 85—90 %. Метод комплексного ис­ пользования топлива путем комбинирования технологических процессов с энергетическими, направленными на производство энергоносителя, получил название энерготехнологической пе­ реработки топлив.

Анализ рассмотренных методов переработки твердых топ­ лив показывает, что наиболее исследован и отработан путь ожижения угля до СО и Н2 (синтез-газ) через его гази­

фикацию и последующий синтез искусственного жидкого топ­ лива. Одним из перспективных путей использования синтез-га­ за является синтез на его основе метанола. Метанол — многоцелевой полупродукт, на базе которого могут быть полу­ чены различные важные химические продукты, а также эко­ логически чистое жидкое топливо и растворитель. Он удобен для транспортирования и хранения. В последние годы зна­ чение матанола резко возросло. Оставаясь важнейшим хи­ мическим сырьем (полупродуктом), он может помочь решить большинство острых и актуальных проблем энергетики, транс­ порта, экологии, поскольку может служить универсальным энергоносителем, компонентом и сырьем для получения мо­ торных топлив, высокооктановых добавок, водорода, источ­ ником углерода для микробиологического синтеза белков [54].

Интерес к метанолу проявляется и при формировании долгосрочных энергетических стратегий, направленных в пер­ вую очередь на решение вопросов загрязнения окружающей среды и основанных на идее постепенного вытеснения углеро­ да из энергетики за счет увеличения доли водорода как замещающего топлива. Здесь имеется в виду, что среди жидких топлив метанол имеет наиболее высокое отношение H С. Применение метанола в качестве топлива означало бы более благоразумное использование углерода. Фактически метанол открывает новые возможности, в частности позволяет транс­ портировать и хранить водород в удобном виде и максимально возможных размерах. Поэтому метанол можно рассматривать как промежуточный вариант при переходе к водородной энер­ гетике [55].

Промышленный синтез метанола — один из отработанных гетерогенно-каталитических процессов: достаточно селектив­ ный, высокопроизводительный, непрерывный и технологич­ ный. До недавнего времени процесс синтеза метанола осуще­ ствляли при давлении 25—35 МПа и температуре 330—440 °С преимущественно на оксидных цинк-хромовых катализаторах [56]. В ходе развития и усовершенствования процесса установ­ лено, что помимо цинк-хромовых катализаторов можно приме­ нять медьсодержащие. Они могут работать при более низких давлениях и температурах, но требуют высокой предваритель­ ной очистки сырья от серы. Современная технология позволяет производить тонкую очистку синтез-газа, получаемого из угля, что экономически оправдывает использование медьсодержащих метанольных катализаторов. Процессы низкого давления, осу­ ществляющиеся в присутствии высокоактивных медьсодер­ жащих катализаторов, характеризуются невысокой температу­ рой порядка 220—270 °С. В этом случае достаточно давления 5—10 МПа, чтобы использовать устанавливающийся при таких низких температурах относительно высокий перепад концент­ раций реагентов и получать высокий выход метанола. Еди­ ничная мощность агрегатов доведена до 2000 т/сут, т. е. до 0,7—0,8 млн т в год. Сооружаются установки мощностью 1,6 млн т в год, разрабатываются технические проекты уста­ новки мощностью около 30 млн т в год [57, 58].

Изучаемые и разрабатываемые пути совершенствования процесса синтеза метанола весьма разнообразны [59]. Прежде всего они направлены на усовершенствование катализаторов

и

синтеза, на создание реакторов нового типа — с радиальным движением газа в слое катализатора, с отводом тепла водой, циркулирующей по трубам (т.е. с изотермическим процессом), на эффективную утилизацию тепла, выделяющегося в процессе синтеза.

Недостатками существующих процессов переработки угля в синтез-газ с последующим получением из него метанола явля­ ются низкий термический КПД и большие капитальные вло­ жения. Эффективным путем преодоления указанных недостат­ ков может стать создание энерготехнологических установок для комбинированного производства метанола и электроэнер­ гии, основанных на процессах газификации угля и последую­ щего синтеза метанола. В таком случае появляется возмож­ ность утилизации высокотемпературного тепла процесса гази­ фикации, а также тепла и горючих продувочных газов процесса синтеза в энергетической установке для производства электро­ энергии. За счет сочетания в одной установке процессов газификации, синтеза и выработки электроэнергии возникают дополнительные «степени свободы» в схемно-параметрических решениях. Возможно также существенно влиять на режим работы блока синтеза метанола за счет изменения доли проду­ вочных газов, отбираемых из него на энергетическую часть установки, и т.д. Данные обстоятельства обусловливают эко­ номическую эффективность комбинирования указанных про­ цессов.

В настоящее время во всем мире проявляется интерес к технологии переработки угля в метанол через его газификацию. В США при поддержке EPRI и министерства энергетики исследовались схемы ПГУ с газификацией угля с включением в часы провала электрической нагрузки установки производст­ ва метанола из синтез-газа. Были проведены испытания опыт­ ной установки мощностью 5 т/сут. Определена целесообразная доля энергии топлива, идущего на получение метанола (20— 50 %). Метанол успешно испытан в качестве топлива на ГТУ Для этого не потребовалось значительных изменений систем, уменьшился объем обслуживания и чисток оборудования, сок­ ратились выбросы NOa. [33].

Также в США фирмой Bechtel были проведены проработки систем базисных ПГУ с газификацией угля и производством метанола. Рассматривались базисный вариант установки, ва­ риант с резервным газификатором и вариант с резервным

газификатором и установкой производства метанола. Пред­ варительные результаты исследований свидетельствуют о том, что производство метанола может компенсировать затраты на резервный газификатор и повысить мощность ПГУ нетто по сравнению с базисным вариантом [34].

Исходя из изложенного, переработку твердого топлива в метанол в комбинированной энерготехнологической установке (ЭТУ) производства метанола и выработки электроэнергии можно считать одним из наиболее перспективных направлений использования угля.

1.2. Свойства метанола

Метанол (метиловый спирт) — низший одноатомный спирт. При нормальных условиях представляет собой бесцветную летучую горючую жидкость легче воды. Молекулярная масса 32,042.

Физические характеристики метанола при нормальных ус­ ловиях приведены в табл. 1.1.

Метанол по общему характеру действия является сильным, преимущественно нервным и сосудистым ядром [60].

кислорода

Т а б л и ц а 1.2

ПДК некоторых вредных веществ в атмосферном воздухе

Т а б л и ц а 1.3

ПДК некоторых вредных веществ в сточных водах, поступающих в водоемы

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе населенных мест: максимальная разовая — 1 мг/м3, среднесу­ точная — 0,5 мг/м3, в воздухе рабочей зоны — 5 мг/м3 [61]. По степени воздействия на организм человека метанол от­ носится к умеренно опасному классу.

Предельно допустимая концентрация метанола в воде во­ доемов санитарно-бытового назначения составляет 3 мг/л, ры­ бохозяйственного назначения — 0,1 мг/л. Очистка сточных вод от метанола достигается биологическим окислением активным илом. Предельно допустимая концентрация метанола в воде, поступающей на биохимическую очистку, 200 мг/л [62].

По пожароопасности метиловый спирт относится к легко­ воспламеняющимся жидкостям [63].

Для сравнения в табл. 1.2, 1.3 представлены ПДК некото­ рых вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест и в водоемах.

13 . Методический подход к решению задачи

комплексных технико-экономических

исследований ЭТУ

Как уже отмечалось, до недавнего времени не было опыта комплексных технико-экономических исследований ЭТУ с ис­ пользованием подробных и эффективных математических мо­ делей.

Исследования, выполненные в ИГИ, ЭНИНе, ГИАПе, ИНХС РАН, СПИ и других организациях, в основном посвя­ щены экспериментальному и теоретическому изучению новых технологических высокоинтенсивных процессов переработки угля, опытно-промышленной проверке методов. Выбору обос­ нованных схем и параметров экологически перспективных энерготехнологических установок с новыми технологиями ис­ пользования угля, определению их экономической эффек­ тивности, технико-экономических показателей с использова­ нием подробных математических моделей не было уделено достаточного внимания.

Основными задачами комплексных технико-экономических исследований ЭТУ, представленных в данной работе, являются:

— определение целесообразности комбинированного про­ изводства метанола и электроэнергии в одной энерготехно­

логической установке и оценка критериев экономической эф­ фективности такого производства в широком диапазоне изме­ нения исходной экономической информации;

— выявление рациональных (близких к оптимальным) схемно-параметрических решений по ЭТУ при конкретных условиях ее функционирования.

В качестве основного экономического критерия при сопо­ ставлении рассматриваемых вариантов ЭТУ в работе использо­ валась внутренняя норма возврата капитальных вложений — интегральный показатель эффективности инвестиций.

К важнейшим особенностям, которые необходимо учиты­ вать при исследовании ЭТУ, следует отнести взаимосвязь между производством метанола и выработкой электроэнергии, что сильно сказывается на стоимости всех блоков установки и ее тепловой эффективности. Основными параметрами, вли­ яющими на соотношение между производством метанола и выработкой электроэнергии, являются расходы пара и кисло­ рода на дутье в газогенераторы, которые определяют состав синтез-газа, и количество параллельно работающих реакторов в ступенях блока синтеза, что обусловливает степень превра­ щения синтез-газа в метанол. В работе рассматриваются ва­ рианты с различными значениями этих параметров.

При технико-экономических исследованиях ЭТУ большое значение имеет учет неопределенности исходной информации, необходимой для определения технико-экономических показа­ телей установки. Применительно к энерготехнологическим ус­ тановкам неопределенность информации обусловливается дей­ ствием внешних и внутренних факторов. Внешние факторы зависят от взаимоотношения ЭТУ с другими системами энер­ гетики и отраслями народного хозяйства и в первую очередь влияют на величину ожидаемой цены на метанол. К внут­ ренним факторам прежде всего относятся перспективные про­ явления научно-технического прогресса (показатели новых тех­ нологических процессов, характеристики материалов и т.д.). Данное обстоятельство влияет на величину удельных капита­ ловложений в установку, поэтому в работе исследуются ва­ рианты ЭТУ с различными значениями указанных величин.

Одним из основных принципов сопоставимости вариантов оборудования энергетических установок и других сложных технических систем является принцип оптимальности, согласно которому каждый сопоставляемый вариант должен быть по­

ставлен в оптимальные условия. Это, в частности, означает необходимость оптимизации параметров для каждого варианта ЭТУ. Использование строгих математических методов опти­ мизации затруднено из-за большой размерности модели. Для выбора рационального (близкого к оптимальному) сочетания параметров ЭТУ производится контроль выполнения системы ограничений в форме неравенств на уровне расчета моделей блоков установки, определяющей области допустимых зна­ чений параметров. Система включает условия на неотрицатель­ ность концевых температурных напоров теплообменников, пе­ репадов давлений вдоль проточной части паровых и газовых турбин, ограничения на расчетные температуры и механи­ ческие напряжения труб теплообменников, на минимальную и максимальную температуру синтеза и газификации и т.д.

Кроме этого, для обеспечения сопоставимости вариантов в ЭТУ применен подход, состоящий в выделении контрольных выходных параметров модели, значения которых во всех ва­ риантах должны быть одинаковыми, близкими к оптимальным. Для «подгонки» контрольных параметров назначаются балан­ сирующие входные параметры модели, изменяя которые мож­ но влиять на контрольные параметры. Расчет варианта ЭТУ идет до достижения контрольными параметрами некоторых значений, лежащих в заданных интервалах.

В соответствии с изложенным можно представить следую­ щую схему решения задачи комплексных технико-экономи­ ческих исследований ЭТУ (рис. 1.2):

1) назначение вариантов сочетаний исходной экономичес­ кой информации;

2)назначение схемно-параметрических решений по уста­

новке;

3)расчет технологической схемы для каждого варианта с

проверкой выполнения системы 01раничений и контрольных параметров ЭТУ;

4) расчет вариантов ЭТУ с различными сочетаниями ис­ ходной экономической информации.

Поскольку экономические характеристики (цена метанола и непредвиденные капиталовложения в установку) не влияют на области допустимых значений параметров ЭТУ, для раз­ личных сочетаний экономической информации можно исполь­ зовать результаты одного расчета технологической схемы, что существенно сокращает время расчета и облегчает проведение исследований ЭТУ.