CC BY
27
- © А.Я. Третьяк, С.А. Онофриснко,
М.Л. Бурда, 2013
УДК 620.193
А.Я. Третьяк, С.А. Онофриенко, М.Л. Бурда
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ, ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, МОТОРНЫХ ТОПЛИВ И ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ УГЛЯ
Предложена технология подземной газификации углей, позволяющая получать различные виды энергии, а именно электрическую, тепловую, моторные топлива и химические соединения из угля. Данный энерготехнологический комплекс позволяет реализовать выше изложенное — путем строительства в полевых условиях опытно-экспериментального полигона.
Ключевые слова: уголь, энерготехнологический комплекс, топливо, энергия, окислитель, подземная газификация, химическое соединение, паровая турбина, компрессор, тепловой насос, синтез-газ.
О ценив известные схемы подземной газификации углей, нами предложен энерготехнологический комплекс для производства электрической, тепловой энергии, моторных топлив и химических соединений. Для реализации этой задачи предлагается комплекс, состоящий (рис. 1) из:
• системы подземной газификации угля 1 подачи окислителя 11 и извлечения метаносодержащих газов из угольных пластов 6;
• системы очистки газов, где возможна как сероочистка 3, 4, так и очистка от механических примесей; при известковом методе сероулавливания получается товарный гипс 5;
• газотурбинная установка (компрессор 7, камера сгорания 9, турбина 10);
• котел утилизатор 13 с воднопаровым трактом (водяной экономайзер, испарительные поверхности, барабан, пароперегреватели) паровой турбины, воздухоподогревателем и сетевым подогревателем;
• паровая турбина 21 с системой регенерации (конденсатор 20, конденсат-ные 18 и питательные насосы, подогреватели 16, деаэратор);
• система конденсации пара представлена замкнутым циклом аммиачного теплового насоса ТН (испаритель ТН — конденсатор паровой турбины 20, конденсаторы ТН — подогреватели 16, дроссельное устройство 19);
• система химической переработки генераторного газа 8 (возможна метани-зация генераторного газа по принципу Фишера-Тропша).
Описание работы вышеперечисленных систем.
Система газификации угля и извлечения генераторного газа. Воздух и водяной пар подается в скважину подогретыми до 400—500 °С. Количеством подаваемого пара регулируется температура подземной газификации. Она должна быть в пределах 800—1000 0С, для того чтобы не происходило зашлаковы-
вания каналов газификации. Давление в зоне газификации 1, чтобы не происходило выдавливание газов на поверхность земли, регулируется совместной работой топливного нагнетателя 6 и регулирующего клапана после камеры смешения 12.
16
2
17
18
Ф ТМ9
20
1
Рис. 1. Схема Энерготехнологического комплекса:
1 - зона подземной газификации угля; 2 - уровень земли; 3 - сероулавливание; 4 - подача извести; 5 - выход отходов (гипс); 6 - топливный нагнетатель; 7 - компрессор; 8 - химическая переработка генераторного газа; 9 - камера сгорания; 10 - газовая турбина; 11 - подвод окислителя к скважине; 12 - камера смешения подогретых воздуха и пара; 13 - котел утилизатор; 14 - воздухоподогреватель; 15 - верхний сетевой подогреватель; 16 - низкотемпературные подогреватели; 17 - эжектор; 18 - конденсатный насос; 19 - дроссель; 20 -конденсатор; 21 - паровая турбина; 22 - барабан
С использованием химических процессов, в том числе и процесса Фишера-Тропша, возможно производство более калорийных газообразных топлив, моторных топлив и других горючих веществ.
Наиболее изученным и проверенным в производственных условиях вариантом проведения процесса является синтез углеводородов на кобальтовых катализаторах в трубчатом реакторе. Предварительные исследования показали, что процесс значительно интенсифицируется (в 4—6 раз) при осуществлении синтеза под давлением 2-3 МПа. Для этих целей разработаны компонентный и количественный состав катализаторов. Температурный режим в зоне синтеза 200—220 °С. Объемная скорость газа 1000—1500 ч-1.Объем реактора (по катализатору) составит 4—6 м3. При переработке продуктов газификации в количестве 5000 м3/час возможно получение следующих продуктов (таблица):
Компоненты Масс, % кг/час
Газообразные углеводороды 3,5 17,5
Широкая моторная фракция, в том числе 32,8 152,5
дизельная 25,8 120
Предполагается создать мобильный электротехнологический комплекс в модульном исполнении. Комплекс предполагается построить и освоить в Милле-ровском районе Ростовской области на месторождении бурого угля.
В результате реализации проекта можно будет получать дешевую электрическую и тепловую энергию, углеводородные топлива и другую химическую продукцию. На первом этапе предполагается ознакомиться с месторождениями буровых углей Миллеровского района Ростовской области. Отобрать пробы угля, выполнить химические анализы. В лабораторных условиях предполагается выполнить экспериментальные исследования и определить оптимальные химико-технологические режимы процессов подземной газификации угля. Предполагается в течение 1 года разработать техническое задание для проектирования и техническое решение в рамках проектирования, в течение 2-го и 3-го года простроить полигон и запустить в работу энерготехнологический комплекс для производства электрической и тепловой энергии, моторных топлив и химических соединений из продуктов подземной газификации бурового угля используя процесс синтеза Фишера-Тропша.
В состав энерготехнологического комплекса для производства электрической и тепловой энергии, а также моторных топлив будут входить две пробуренные скважины и комплекс наземного оборудования. Основные технологии переработки угля и метана приведены на рис. 2.
Уровень развития современной науки и производства позволяет констатировать, что ключевым этапом в процессе освоения сырьевой базы является получение синтез-газа (Н2СО) из угля и метаносодержащий газов, из которого возможно синтезировать широкий спектр химических веществ, среди которых немалую долю имеют моторные топлива.
Ри. 2. Основные технологии переработки угля и метана
Для исследования была составлена кинетическая модель процесса подземной газификации, которая позволяет отработать различные схемы подвода реагентов в пласты угля и находить оптимальный вариант введения реагентов для подземной газификации углей различных марок.
Для создания теоретической модели комплексной подземной переработки угля и шахтных газов в газофазные энергоисточники и ценные химические продукты, необходимо построить кинетическую модель процесса подземной газификации угля.
Подземная газификация углей по общим характеристикам протекает аналогично газификации в наземных газогенераторах, но имеет ряд особенностей, влияющих на конечные результаты:
• отсутствует движение топлива; выгазовывание угольного пласта происходит в результате перемещения очага горения, вместе с которым пространственно перемещаются зоны подземного газогенератора;
• отсутствуют газонепроницаемые стенки; реакционная зона непосредственно граничит с запасами угля, подлежащими газификации, вследствие чего уголь может подвергаться термической обработке на определенную глубину;
• в подземный газогенератор могут проникать грунтовые воды, в связи, с чем подземную газификацию в ряде случаев при подаче только воздуха можно рассматривать как процесс паровоздушной газификации.
Для детального изучения процессов, протекающих при подземной газификации угля, необходима разработка математических моделей, которые позволят определить состав, объем и теплоту сгорания образующегося генераторного газа, а также изучить закономерности изменения концентраций различных компонентов, как во времени, так и в пространстве.
Одной из таких является кинетическая модель. Полная газификация угля основана на химических реакциях углерода угля с кислородом, при которых образуются оксиды углерода (С02 и СО). В качестве источника кислорода может быть кислород воздушного дутья или кислород водяных паров. Реагирование углерода с кислородом протекает с выделением теплоты (эндотермические реакции) по следующим схемам:
С + О2 = СО2;
С + 0,502 = СО.
При наличии избытка кислорода оксид углерода (СО) может при горении прореагировать до С02:
СО + 0,502 = СО2.
Одновременно с этим при высоких температурах и наличии контакта оксида углерода (СО2) с углем может происходить его восстановление до оксида углерода (СО) по схеме:
С + СО2 = 2СО.
Эта реакция является эндотермической, т.е. протекает с поглощением теплоты.
В процессе подземной газификации углей теплота, выделяющаяся в результате протекания первых трех реакций, способствует повышению температуры угольного пласта и, тем самым, протеканию эндотермической реакции по схеме С + С02 = 2СО.
При взаимодействии паров воды, содержащихся в пласте, с углеродом топлива протекают экзотермические реакции с образованием горючих компонентов — СО и Н2 по следующим схемам:
С + НО = СО + Н2;
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2.
Реакции по указанным схемам протекают при температурах свыше 900 ^1000°С, причем скорость реакции очень сильно зависит от температуры.
Таким образом, за счет теплоты экзотермических реакций происходит повышение температуры угля, что обеспечивает его сушку, выделение летучих веществ, содержащих горючие компоненты (СО, Н2, СН4, Н2Б), а также способствует протеканию реакций углерода с водяным паром.
При подземной газификации кислород воздушного дутья вступает также в реакции с горючими компонентами летучих веществ и серой. Эти реакции протекают по схемам:
Н2 +0,5О2 = НО; СН4 + 2О2 = СО2 +2НО; Б + О2 = Б02.
Процесс химической реакции кислорода с горючими компонентами летучих веществ угля является гомогенным, в отличие от реакций кислорода с углеродом на твердой поверхности угля, которые относятся к гетерогенным процессам.
Скорость химической реакции кислорода с углеродом на твердой поверхности угля зависит в основном от температуры и удельной реагирующей поверхности. Удельная реагирующая поверхность характеризуется площадью угля в единице его объема, на которой протекает гетерогенный процесс химической реакции кислорода с углеродом.
Указанные реакции положены в основу предлагаемой кинетической модели:
1. С + 02 = С02 + 395 кДж/ моль углерода (1)
2. С + 0,502 = СО +109,5 - // - // - // - (2)
3. С + Н20 = СО + Н2 -130,5 - // - // - // - (3)
4. С + 2Н20 = С02 + 2Н2 - 75,0 - // - // - // - (4)
5. С + С02 = 2С0 -162,5 - // - // - // - (5)
6. С + 2Н2 = СН4 - 74,9 - // - // - // - (6)
7. С0 + Н2 0 = С02 + Н2 + 40,4 кДж/ моль С0 (7)
8. С0 + 0,502 = С02 + 283,1 - // - // - // - (8)
9. H2 + 0,5O2 = H2 O + 231
кДж/ моль водорода
(9)
10. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O+803,7 кДж/моль CH
11. CO + 3H2 = CH4 + H2O + 206,7 кДж/моль CO-
4
(10) (11) (12)
(13)
(14)
12. 2CO + 2H2 = CH4 + CO2 + 248,4
13. S + H2 = H2S + 20,3
14. S + О9 = SO, + 296
2
2
Реакции (1) — (4) и (6) являются первичными (реакции взаимодействия углерода с компонентами дутья); реакции (5) и (7) — (9) — вторичными; реакции (10) — (12) протекают при газификации под повышенным давлением.
При разработке математической модели сделано следующее допущение: весь кислород, подаваемый для газификации угля, полностью реагирует с углеродом топлива (с образованием СО и СО2). Химический состав выходящего на поверхность земли генераторного газа соответствует равновесному, определяемому реакциями СО + 3Н2 = СН4 + Н2О и 2СО +2Н2 = СН4 + СО2 для заданной температуры.
Модель позволяет производить расчеты при различных температурах и давлениях в реакционном объеме.
Расчеты, произведенные с помощью кинетической модели, позволят определить состав, объем и теплоту сгорания образующегося генераторного газа, изучить закономерности изменения концентраций различных компонентов, как во времени, так и по длине газифицируемого канала при изменении различных факторов, и могут быть использованы при проектировании энерготехнологического комплекса для производства электрической и тепловой энергии. Все угли состоят в основном из углерода, водорода и кислорода, присутствуют также небольшие количества азота и серы. Однако, любой уголь, добываемый из месторождения содержит влагу, и большее и меньшее количества минеральных компонентов, которые во время углефикации взаимодействуют с органическим веществом.
Проведенный анализ литературных данных показывает, что в условиях роста цен на нефть, истощения ее запасов и падения темпов добычи, возрастает роль природного газа и угля как альтернативы нефти.
Углеводородное сырье для получения синтез-газа, прежде всего метан, подвергают конверсии различными окислителями. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого газа и технико-экономическими факторами.
Очевидно, что перспективы перехода химической промышленности на угольное сырье будут зависеть от новых разработок, в частности от поисков катализаторов, которые позволили бы снизить давление и энергоемкость, более селективно использовать водород и упростить технологию процессов.
Из известных процессов переработки угля самым перспективным, является процесс газификации в связи с тем, что продукт процесса — синтез-газ различного состава, составляет основу для процессов синтеза широкого спектора ценных химических продуктов и, особенно, моторных топлив.
Тенденция усиления внимания к синтезу складывается в странах, располагающих дешевым углем, например в России, США, Австралии, ЮАР. В этих странах при существующем уровне технически уже обозначаются возможности для экономически эффективного производства химического сырья из синтез-газа по методу Фишера-Тропша. Выбор метода обусловлен большим теоретическим и практическим опытом реализации процесса в промышленных условиях, наличием альтернативы продуктов получаемых из нефти. Прямоцепочное строение углеводородов, преимущественное образование олефинов, отсутствие сернистых соединений и других примесей, затрудняющих дальнейшую переработку, говорят о применимости первичных продуктов синтеза в ряде важных химических производств. Часть продуктов, вырабатываемых известными способами Фишера-Тропша, можно без затруднений подвергать дальнейшей переработке, например в оксосинтезе, для производства синтетических моющих средств, производных жирных кислот, смазочных материалов.
Проведенный термоди-14 намический анализ выявил
; ¿1 \ ряд не реализованных реакций, позволяющих получать компоненты моторных топлив из метана. Вовлечение метана в качестве компонента в синтез типа Фи-шера-Тропша сокращает потребность в синтез-газе и позволяет интенсивнее вовлекать метан в переработку с получением моторных топлив. Это, направление следует развивать в экспериментальных исследованиях, поскольку оно обеспечит существенные технические преимущества.
Основные параметры энерготехнологического комплекса: площадь 5 = 0,5 км ; запас угля: Ууг = 600
Рис. 3. Энерготехнологический комплекс для производства электрической и тепловой энергии моторных топлив и химических соединений из продуктов подземной газификации бурового угля:
1 - кислородная или воздушная компрессорная станция;
2 - станция очистки газа; 3 - газотурбинная установка для получения электрической и тепловой энергии; 4 - газоразъединительная станция; 5 - колтюбинговая установка; 6 - скважина дутьевая; 7 - скважина газоотводная;
8 - установка для производства углеводородов (метан, бензин, дизельное топливо); 9 -зона горения угольного пласта
тыс. м3; G = 800 тыс. т; Vra3 = 400 млн м .
Принципиальная схема энерготехнического комплекса представлена на рис. 3.
Уровень развития современной науки и производства позволяет констатировать, что ключевым этапом в процессе изменения сырьевой базы является получение синтез-газа (Н2СО) из угля и метаносодержащий газов, из которого возможно синтезировать широкий спектр химических веществ, среди которых немалую долю имеют моторные топлива, электрическую и тепловую энергию, а также химическую продукцию. Д
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Третьяк Александр Яковлевич — заведующий кафедрой, «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика» профессор, доктор технических наук, академик РАЕН,
Онофриенко Сергей Александрович — ассистент кафедры «Бурение нефтегазовый скважин и геофизика», аспирант,
Бурда Максим Леонидович — ассистент кафедры «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», аспирант,
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасского политехнического института), e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, ОКАЗЫВАЕМОЙ
РЕСПУБЛИКЕ ЮЖНАЯ ОСЕТИЯ
Кривицкий Владислав Олегович - аспирант кафедры «Международных экономических отношений» экономического факультета, [email protected]
Российский университет дружбы народов.
После признания независимости Южной Осетии Российская Федерация оказывает крупную экономическую поддержку республике, направляя значительные финансовые ресурсы на восстановление экономики и инфраструктуры. Целью данной статьи является анализ эффективности экономической поддержки России республике Южная Осетия в период 2008—2012 гг.
Ключевые слова: экономическое сотрудничество, внешнеэкономическая деятельность, экономическая поддержка, помощь в развитии.
EFFECTIVENESS OF RUSSIAN ECONOMIC SUPPORT TO SOUTH OSSETIA
Krivitskiy V.O.
After the recognition of the independence of South Ossetia, Russia has a major economic support to the republic, directing substantial financial resources for economic recovery and infrastructure. The purpose of this article is to analyze the effectiveness of economic support Russian republic of South Ossetia in 2008-2012.
Key words: Economic cooperation, foreign economic activity, economic support, development assistance.
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
