Главная Автореферат Библиотека Ссылки Инд. задание

Автореферат магистерской работы

Тема:"Разработка компьютеризированной системы управления процессом пиролиза бурого угля"

Автор: Степанов Т.Л.

Содержание:

  1. Актуальность работы
  2. Аналитический обзор технологий переработки бурых углей
  3. Подробное описание объекта
  4. Задачи системы
  5. Цели исследования процесса
  6. Теоретический анализ проблемы
  7. Реализация задачи оптимизации
  8. Результаты и перспективы
  9. Перечень используемой литературы

Актуальность работы

В связи со сложившимися трудностями в обеспечении нефтепродуктами и газом в Украине проявляется интерес к поиску альтернативных направлений разрешения топливно-энергетической проблемы. Внимание направлено, прежде всего, на использование бурых углей, сланцев, низкосортных каменных углей и углесодержащих отходов.

Разведанные и прогнозные запасы нефти и природного газа по сравнению с запасами угля в Украине весьма ограничены. При настоящих уровнях добычи, природного газа в Украине хватит на 50...60, нефти на 40...50, а угля на более чем на 500 лет.

Решение проблемы обеспечения страны энергоресурсами необходимо рассматривать в двух направлениях:

  • повышение эффективности использования существующих энергоносителей;
  • разработка и внедрение новых перспективных способов производства энергоресурсов с учетом имеющейся в стане сырьевой базы.

В настоящее время одним из направлений развития ТЭК является переработка бурого угля, в частности, его полукоксование и газификация с целью получения энергетического пиролизного газа. Одной из перспективных схем получения высококалорийного газа из бурого угля является технология его газификации на основе полукоксования рециркулирующим коксозольным остатком (КЗО) в аппаратах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС).

Под пиролизом бурого угля понимается комплексная переработка угля с целью получения энергетического пиролизного газа. Комплексная технология предполагает:

  • многостадийность обработки угля с последовательным извлечением вещества;
  • замкнутость энергетических и материальных потоков, обеспечивающих увеличение КПД использования ресурсного и энергетического потенциала угля, безотходность и экологическую безопасность производства;
  • учет и оценку всех видов органического и минерального сырья, содержащихся в бурых углях;
  • полноту переработки бурого угля, предполагавшей не только извлечение ценных веществ, но и доведение их до многономенклатурного товарного вида.

Аналитический обзор технологий переработки бурых углей

Так как основной целью процессов переработки бурых углей является получение жидких топлив, смазочных масел и углеводородных газов, то они направлены на разукрупнение (деструкцию) молекул исходного сырья и увеличение относительного содержания водорода. Это возможно осуществить следующими способами:

  • Перераспределением имеющихся в исходном топливе водорода и углерода с получением основных продуктов – обогащенного водородом газа и твердого продукта с повышенным содержанием углерода. Это реализуется в термолизных процессах полукоксования и коксования.
  • Превращением органической массы твердого топлива в простейшие молекулы – СО, Н2, СН4, СО2, и Н2О, что достигается при газификации с окисляющим агентом (О2 или воздух) и водяным паром при температуре 800...1600 оС.
  • Присоединением к органической массе угля водорода, так, чтобы соотношение «водород : углерод» увеличилось до величины, характерной для жидких топлив. Этот способ реализуется в процессах гидрогенизации угля.
  • Термической деструкцией исходных макромолекул органической массы угля органическими растворителями, что реализуется в процессах прямого ожижения угля путем термического растворения его органической части.
  • Термическим растворением органической массы угля с одновременным присоединением к молекулам угля водорода (термическое растворение водорододонорным растворителем).

Основными направлениями переработки бурых углей являются:

  1. Механическое облагораживание.
  2. Термическое облагораживание.
  3. Сжигание.
  4. Термолиз (полукоксование и коксование).
  5. Газификация.
  6. Гидрогенизация.
  7. Экстракция и термическое растворение.
  8. Производство адсорбентов.

При промышленном внедрении процессов переработки бурых углей используют следующие комбинированные технологии:

  • газификация + сжигание газа + производство тепловой и электрической энергии;
  • полукоксование + газификация твердого остатка (полукокса);
  • полукоксование + производство адсорбентов;
  • полукоксование + гидрогенизация жидкого продукта (смолы);
  • газификация + синтез из полученного синтез-газа (СО+Н2) высокомолекулярных углеводородов (синтез Фишера – Тропша);
  • газификация + синтез метанола + производство бензина (Мобил-процесс).

Cжигание бурого угля.

Среди ТЭС, работающих на буром угле, наиболее высокие показатели имеют интегрированные ТЭС с газификацией бурого угля (установка «Кобра»), которые разработаны в Германии. Ключевым моментом в Кобра-процессе является высокотемпературная Винклер-газификация (HTW – High temperature Winkler gasification) под давлением 2,5 МПа. Последовательное применение газовых и паровых турбин обеспечивает достаточно высокий КПД – 46%. В настоящее время реализация в Украине Кобра-процесса при теплоэнергетической переработке бурого угля является сложной научно-технической и инвестиционной задачей, что объясняется следующими причинами: отсутствие научно-технической базы по газификации углей под давлением и отсутствие отечественных газовых турбин.

В связи с этим целесообразно ориентироваться на ТЭС с котельными агрегатами для сжигания бурого угля с ЦКС, которые при несколько худших показателях, требуют значительно меньших капитальных вложений, что связано с отсутствием дорогостоящих установок для очистки дымовых газов от SO2 и NOx. Диоксиды серы связываются известью с образованием гипса в топке, а сжижение оксидов азота достигается за счет низкой температуры горения (850 оС) и регулируемой подачи воздуха в строго стехиометрических количествах, необходимых для сжигания угля, т.е. при коэффициенте избытка воздуха равном единице. При использовании котлов с ЦКС не требуется измельчение угля до крупности 15...20 мкм, что также ведет к снижению капитальных и эксплуатационных затрат.

Термолиз бурого угля (полукоксование и коксование).

Термолиз – процесс термической обработки углеродосодержащих материалов без доступа воздуха имеет две модификации, различающиеся температурой: полукоксование – t=450...550 оС; коксование - t=900...950 оС.

Полукоксование, как метод получения первичных смол, является родоначальником производства искусственного жидкого топлива и газа из каменного и бурого углей. Полукокс можно использовать для газификации, брикетирования. Технологические параметры выхода и состав продуктов при полукоксовании во многом зависит от аппаратурного оформления процесса. Известны агрегаты полукоксования следующего типа:

  • с внешним обогревом;
  • с внутренним обогревом;
  • с кипящим слоем;
  • с сыпучим теплоносителем;
  • для осуществления скоростного пиролиза.

Газификация бурого угля.

Газификацией твердого топлива называется термический процесс, при котором органическая часть топлива превращается в горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара или технического кислорода. При этом часть угля сгорает для обеспечения процесса теплом, а часть реагирует с окислителями с образованием водорода, оксида углерода и других газов, состав которых зависит от природы используемых углей, состава дутья и скорости его подачи, температуры процесса и аппаратурного оформления. Все многообразные процессы газификации бурых углей различаются по цели газификации:

  • получение газов заданной теплоты сгорания;
  • получение газов заданного состава.

При газификации бурых углей используют следующие виды дутья: воздушное, паровоздушное, кислородное, парокислородное, паровое, углекислотное. Наиболее широко в промышленности используют следующие технологии газификации:

  • газификация в плотном слое топлива под давлением 2…3 МПа на парокислородном дутье (способ Лурги);
  • газификация мелкозернистого топлива в кипящем слое на паровоздушном дутье (способ Винклера);
  • газификация пылевидного топлива в факеле (способ Копперс-Тотцека);
  • газификация Тексако.

Среди уже действующих промышленных или пилотных установок можно выделить следующие:

Разрабатываемая тема представляет собой ещё одну попытку улучшить процесс пиролиза, то есть достичь более высокого выхода продукта. Несмотря на наличие альтернативных разработок, актуальность данной проблемы не уменьшилась. Новизна подобных исследований лежит в оптимальном, по мнению, экспертов сочетании перечисленных технологий, каким является рассматриваемая далее опытная установка.

Подробное описание объекта

Схема экспериментальной установки газификации бурого угля методом полукоксования с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки.

В топку подается уголь и рециркулирующий коксозольный остаток (КЗО). Под колосниковую решетку направляется воздух под давлением, достаточным, чтобы сгораемые частицы пневмотранспортом подавались через зону сепарации в пиролизер. Важной особенностью кипящего слоя является интенсивное перемешивание мелкозернистых частиц – вторичного КЗО и угля, которое обеспечивает выравнивание температур в слое. Горение в топке происходит в кипящем слое в диапазоне температур 800–1000 оС. Подъем твердых частиц в топке вызывается газовым потоком, а движение и перемешивание частиц в слое в основном обусловлено изменением кинетической энергии струи газового потока. Характер распределения газовых струй и абсолютная величина определяется структурой газового слоя.

Разделение потоков продуктов сгорания происходит в циклонах зоны сепарации, где отделяются первичный КЗО и летучая зола. Далее теплоноситель, в качестве которого выступает первичный КЗО с t=450–550 оС подается в пиролизер, а по другому каналу подается бурый уголь. В пиролизере в результате взаимодействия КЗО и бурого угля на колосниках происходит реакция в присутствии окислителя неполного его горения с образованием горючего газа. Продуктом такой реакции является пиролизный газ, полукокс и вторичный КЗО. Состав и количество пиролизного газа при газификации зависит от природы топлива, технологии газификации и состава окислителя. Процесс протекает по следующим реакциям: C+0.5O2=CO, CO+0.5O2=CO2, CO2+C=2CO. Пиролизный газ отводится для дальнейшего использования, а КЗО и полукокс вместе с нагретым воздухом по рециклу поступают в топку [1-3].

Задачи системы

АСУ ТП выполняет следующие функции:

  • Управляющие:
    • автоматическое регулирование, задачей которого является поддержание оптимальных значений технологических параметров, определяющих надёжность и экономичность работы;
    • дискретное логическое управление, которое служит для автоматических переключений в технологических схемах для перевода основного оборудования из одного состояния в другое;
    • дистанционное управление исполнительными органами и механизмами;
    • технологические защиты и блокировки выполняют операции управления исполнительными органами с целью обеспечения нормального функционирования оборудования при изменении режима работы, для запрета исполнения команд, ведущих к возникновению аварийных ситуаций и для защиты персонала, оборудования от повреждений и предотвращений аварий.
  • информационные и вычислительные;
    • автоматический сбор и первичная обработка измеряемых параметров;
    • представление информации о ходе технологического процесса в удобной форме;
    • расчёт показателей работы технологического оборудования.
  • регистрирующие;
    • регистрация аварийных ситуаций;
    • протоколирование значений технологических параметров;
    • регистрация срабатывания защит.
  • вспомогательные.

Цели исследования процесса

Модели процессов служат для оценки предельных физико-химических и энергетических характеристик процессов. Управление таким сложным технологическим процессом требует математического описания всех функциональных прямых и обратных связей, учета возмущений, связности характеристик и параметров установки, что для данного объекта является достаточно сложной задачей.

Глобальной целью рассматриваемого технологического процесса является максимальный выход пиролизного газа из условной единицы топлива (угля). Поскольку отдельные локальные технологические узлы взаимосвязаны, автономное управление технологическими узлами по локальным критериям не может обеспечить оптимальное ведение всего процесса в целом, т.е. его глобальную оптимизацию. Для устранения этого недостатка необходимо отдельные управляющие подсистемы подчинить вышестоящей координирующей системе, в функции которой входят устранение конфликтных ситуаций между задачами управления технологическими узлами и достижение глобальной цели управления процессом в целом. Координирующая система, таким образом, обеспечивает интеграцию системы в единый управляющий комплекс, функционирующий по выбранному основному критерию работы установки. Анализ обобщенных технологических моделей узлов показывает, что в явном виде они относятся к многомерным многосвязным объектам различной размерности. Аналитическое описание соотношений вход-выход, с учетом связности, достаточно сложная задача, которая требует постановки натурных экспериментальных исследований и численных методов моделирования.

Теоретический анализ проблемы

Для данного класса задач характерны следующие модели:

  1. Модели с сосредоточенными параметрами.
  2. Модели с распределенными параметрами.
  3. Статистические модели.
  4. Динамические модели.

При составлении математического описания объекта моделирования использованы следующие группы уравнений [4]:

  1. Уравнения сохранения массы и энергии, записанные с учетом гидродинамической структуры движения потоков. Данная группа уравнений характеризует распределение в потоках температуры, концентраций и связанных с ними свойств.
  2. Уравнения элементарных процессов для локальных элементов потоков. К этой группе относятся описания процессов массо- и теплообмена, химических реакций и др.
  3. Теоретические, эмпирические и экспериментальные соотношения между различными параметрами процесса.
  4. Соотношения, учитывающие ограничения на параметры процесса.

Модель идеального смешивания соответствует аппарату, в котором поступающее в него вещество мгновенно распределяется по всему объему аппарата. Концентрация вещества в любой точке аппарата равна концентрации на выходе из него.

Модель идеального вытеснения. В основе модели лежит допущение о поршневом течении без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении вещества в направлении, перпендикулярном движению. Время пребывания всех частиц в системе одинаково и равно отношению объёма системы к объёмному расходу жидкости.

Ячеечная модель. В этом случае аппарат состоит из ряда последовательно соединённых ячеек, через которые проходит поток вещества. В каждой ячейке осуществляется идеальное перемешивание, между ячейками отсутствует обратное перемешивание. Параметром ячеечной модели, количественно характеризующим продольное перемешивание, служит число ячеек полного перемешивания N. С увеличением N модель приближается к модели полного вытеснения, а с уменьшением N – к модели идеального смешения.

Ячеечная модель с обратными потоками (рециркуляционная). Ячеечная модель не всегда обеспечивает адекватное воспроизведение структуры потоков в реальном аппарате. В связи с этим разработаны модификации такой модели. Одной из наиболее распространённых модификаций является ячеечная модель с обратными потоками. Согласно этой модели аппарат рассматривают как последовательность зон с сосредоточенными параметрами, причем каждая из зон эквивалентна ячейке идеального перемешивания.

Реализация задачи оптимизации

С целью повышения надёжности результатов, сокращения времени и материально-технических и энергетических затрат принимается решение использовать метод планирования эксперимента [8].

Исследуемый процесс газификации угля на экспериментальной установке является сложным технологическим процессом с теплообменными преобразованиями и рециклом. Поэтому установку условно представим двумя технологическими модулями (ТМ), каждый из которых определяется характеризующей его технологической функцией [6,7].

Первый технологический модуль – это топка с кипящим слоем для получения первичного КЗО с его теплотворными характером (рис. 2а). Второй технологический модуль – это пиролизер для получения пиролизного газа, полукокса и вторичного КЗО (рис. 2б).

Выбор начальной точки плана и интервалов варьирования входных параметров.

Технологический модуль «Топка». В качестве входных параметров выберем массовый расход М1 угля, давление Р воздуха под топкой, суммарный массовый расход М2 вторичного КЗО и полукокса, подаваемого в топку. В качестве выходных параметров будем считать массовый расход МК и температуру Т КЗО после зоны сепарации.

Технологический модуль «Пиролизер». В качестве входных параметров выберем массовый расход М3 бурого угля, температуру Т и массовый расход МК КЗО. В качестве выходных параметров будем считать суммарный выход М2 полукокса и вторичного КЗО и выход пиролизного газа N в отношении к массе бурого угля.

Рисунок 2 - Схема объекта эксперимента.

Математическая модель процесса третьего порядка обусловлена влиянием на выход скоростей химических реакций теплообменных процессов. Чтобы получить несмещённые оценки всех коэффициентов регрессии такой модели, удобно каждую переменную варьировать на пяти уровнях: +1,-1,0, +a ,-a. Для числа факторов k=3 a выбирается в диапазоне 1,5..1,6 [8].

Количество опытов для метода планирования эксперимента определяется порядком модели и количеством факторов, а также возможными решаемыми задачами как то: минимизация количества опытов, максимизация правдоподобия (получение несмещенных оценок всех коэффициентов регрессии). Расчет для центральных композиционных планов выполнен далее:

Количество факторов:
Порядок модели:
Количество опытов:

Результаты и перспективы

  1. Получение пиролизного газа – сложный технологический процесс комплексной переработки сырья, включающий в себя режимы горения, полукоксования и коксования, газификации, с дополнительным фактором рецикла продуктов переработки.
  2. Весь процесс в целом является нестационарным с распределёнными параметрами, и полное его описание включает в себя уравнения в частных производных.
  3. Технологический процесс имеет множество стационарных состояний. Выбор стационарного состояния, для которого производится управление, должен осуществляться из учёта технологических возможностей и ограничений.
  4. Описание математической модели для стационарного состояния представляет собой уравнения статики в пространстве состояний и может быть получено методом планирования эксперимента.
  5. При планировании эксперимента процесс получения пиролизного газа можно представить двумя технологическими модулями: топка с кипящим слоем и пиролизёр.
  6. Анализ уравнения регрессии позволяет выявить влияние технологических параметров процесса полукоксования на выход пиролизного газа. Известно, что уравнения для прогноза одного и того же показателя процесса пиролиза для разных углей имеют близкие значения коэффициентов при переменных, учитывающих влияние технологических параметров на выходах и свойства продуктов, но различные свободные члены, учитывающие свойства обрабатываемого угля. Таким образом, уравнение, полученное при реализации планирования эксперимента, может быть применено для прогноза выхода пиролизного при изменении технологических параметров процесса полукоксования.

Перечень используемой литературы

  1. Балансовые термодинамические расчеты процессов горения и газификации углей в ЦКС под давлением / Дудник А.Н., Майстренко А.Ю., Онищенко С.В., Топал А.Н. // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1999. – № 6. – С.19-29.
  2. Сеченов Г.П., Альтшулер В.С. Влияние давления на перемешивание твердых частиц и газового потока в кипящем слое. – М.: Наука, 1984. – С.98 – 107.
  3. Махорин К.Е., Хинкис П.А. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое. – К.: Наукова думка, 1989, 203 с.
  4. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Моделирование основных процессов химических производств. – М.: Высшая школа, 1991, 400 с.
  5. Бессараб В.И., Мокрый Г.В., Червинский В.В. Разработка структуры математической модели процесса газификации угля на установках с циркулирующим кипящим слоем. – Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск: – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – № 59, С. 16 – 23.
  6. Бессараб В.И., Червинский В.В. Модель процесса газификации угля на установке с циркулирующим кипящим слоем в пространстве состояний. – Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск: – Донецьк: ДонНТУ, 2004. – № 60, С. 20 – 26.
  7. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента. – М.: Радио и связь, 1983, 257 с.
  8. Мокрый Г.В., Степанов Т.Л. Построение математической модели процесса газификации угля методом планирования эксперимента
  9. Мокрый Г.В., Степанов Т.Л. Построение области допусимых решений работы системы в оптимальном режиме
  10. Обоснование сырьевой базы бурых углей.