Автореферат (Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса), страница 3

Зависимость числа молей компонентов от времени при термическом разложении метана при t = 900 0СКроме вышеуказанного фактора на объем природного газа, подаваемого сцелью упрочнения кокса, влияет также площадь реакционной поверхности соприкосновения реагирующих веществ. В работе были использованы различныеметоды для решения этой задачи.Во-первых, была определена структура кусков кокса по их диаметру, пористости кокса и среднему диаметру пор. Для этого использовалась статистическая информация о размере кусков кокса, полученная с ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» иданные, полученные в главе 1 в результате проведенного литературного обзора(пористость кокса составляет в среднем от 49 до 53%, а средний диаметр пор –от 100 до 200 Ả).

В результате проведенных расчетов и анализа был определенрасход природного газа, величина которого составила 15,7 м3 на каждую тоннуохлаждаемого в УСТК кокса;Во-вторых, при расчете принималось, что выделяющийся в результатетермической реакции разложения метана углерод, оседая на кокс, соединяетмежду собой углеродные кластеры кокса. Согласно многочисленным экспериментальным данным по рентгенографическим исследованиям кокса один слойсостоит, в среднем, из семи конденсированных ароматических колец, которые10включают 24 атома углерода. В одном кластере в среднем 4 слоя (рис.5).

Следовательно, в одном кластере число атомов углерода составляет 96.Два углеродных кластера, каждый из которых состоят из 96 атомов углерода, одной метиленовой группой соединены между собою. Следовательно, всреднем на 96 атомов углерода расходуется одна молекула СН4, или на 1152 г(96·12г) кокса расходуется 16 г метана (0,0224 м3). Следовательно, на упрочнение 1 тонны кокса необходимо 19,44 м3 метана.Для дальнейших расчетов в диссертационной работе принято максимальное значение из полученных – 19,44 м3.Рис. 5. Модель структуры кокса: С – углерод, Н – водород, 96 С – углеродный кластерКроме упрочнения кокса при термической реакции разложения природного газа дополнительно вырабатывается водород, дожигание которого позволитповысить температуру газов в газовом тракте, что обеспечит увеличение выработки пара в КУ.

Выход водорода составит 38,88 м3 на каждую тонну охлаждаемого в УСТК кокса.Полученные значения расхода природного газа используются в следующейглаве для оценки влияния применения нового способа упрочнения и тушениякокса на энергетический баланс КХП в частности и МК в целом.В четвертой главе были рассмотрены вопросы, связанные с задачейпрактической реализации предлагаемого в диссертационной работе способасухого тушения кокса. Была предложена и обоснована методика расчета теплового баланса системы сухого тушения кокса после модернизации.В диссертационной работе для схемы энерготехнологической системы СТКпредлагаются следующие технологические решения (рис.6):а) подача природного газа в форкамеру.

Для этого в УСТК необходимо попериметру форкамеры врезать форсунки. Количество форсунок зависит от размеров установки и определяется требованиями к обеспечению равномерноготечения природного газа по объему кокса в форкамере. В результате нагреваприродного газа и последующей эндотермической реакции термического разложения кокс будет охлажден, по результатам проведенных в диссертации расчетов, с 1050 до 9830С. Дальнейшее охлаждение кокса в УСТК осуществляетсяциркулирующими газами, расход которых определяется из требований к температуре кокса перед выгрузкой.

Зона подачи природного газа выше зоны отвода циркулирующих газов;б) отвод продуктов термического разложения природного газа черезканал, расположенный в верхней части форкамеры;11в) подача в газоход и дожигание с воздухом (кислородом) продуктовтермического разложения природного газа. Для этого канал, через который изфоркамеры УСТК отводятся продукты термического разложения природногогаза, соединяют трубопроводом с газоотводящим трактом.

Перед газоходом этипродукты сжигают в специальной камере, в которую для этого подается воздух/кислород. Продукты сгорания далее подаются в газоход между УСТК и КУв результате чего энергетический потенциал циркулирующих в нем газов увеличивается и, как следствие, растет выработка пара в КУ;г) отвод избыточного количества циркулирующих газов.

Для этого диаметр существующего канала отвода избыточных газов может быть расширен донеобходимого;Кокс(10500С)Н2СН4Воздух нагорениепарЦиркулирующийгаз (8000С)КУЦиркулирующий газ(1500С)Кокс(2000С)ПТУэ.э.т.э.питательная водаОтвод избыточногоциркулирующего газаРис. 6. Предлагаемые технологические решения для УСТК: ПТУ – паротурбинная установка, э.э. – электроэнергия, т.э.

– тепловая энергияд) подача пара в паротурбинную установку (ПТУ) для выработки электроэнергии.Изменение химического состава охлаждающего газа возможно в следующих точках системы: в шахте УСТК при контакте охлаждающего газа с коксом(по всей ее высоте в результате угара кокса); в зоне подвода природного газа(в форкамере); при добавлении воздуха в систему (сгорание горючих составляющих охлаждающего газа). На остальных участках контура циркуляцииохлаждающего газа изменяется только объем без изменения концентрациикомпонентов. Химический состав охлаждающего газа после определенногочисла циркуляционных циклов от начала работы УСТК устанавливается постоянным. Необходимое количество циклов зависит от первоначального хи12мического состава газа.

Внутри УСТК под влиянием температуры протекаютследующие химические реакции: реакции Будуара; образования водяногопара и метана; разложения в области высоких температур метана на водороди углерод и упрочнения кокса.Так как процесс газификации находится в состоянии равновесия, то химический состав охлаждающего газа устанавливается только на основаниипроходящих в УСТК реакций.С целью определения количества циркулирующих газов, а также количества и параметров пара, вырабатываемого в КУ, был проведен расчет теплового и материального баланса для традиционной энерготехнологической системы СТК и для системы с подачей природного газа в форкамеру УСТК.

В результате проведенных расчетов были определены следующие показатели: объем и температура циркулирующих газов на входе и выходе из УСТК иКУ; количество подаваемого природного газа; состав, объем и температура продуктов реакции термического разложенияприродного газа; объем воздуха/кислорода, подаваемого в газовый тракт между УСТК и КУ сцелью сжигания продуктов термического разложения природного газа; количество и параметры пара, вырабатываемого в КУ.Традиционная энерготехнологическая система СТК. Результаты расчетатеплового и материального баланса приведены в таблицах 2 и 3.Таблица 2Тепловой баланс традиционной УСТК при производительности 56 т/чРасход теплаПриход теплаГДж/ч%ГДж/ч%СтатьяСтатья91,2093,011,1911,4Горячий коксПотуш.кокс0,040,04,294,4ВоздухПотери82,616,857,086,2УгарПарИТОГО98,09100,0ИТОГО98,09100,0Таблица 3Материальный баланс традиционной УСТК при производительности 56 т/чПриходРасходзначение размерностьзначение размерностьСтатьяСтатья56,0т/ч55,8т/чГорячий коксПотуш.кокс2,2т/ч2,4т/чВоздухУтечки цирк.газов028,7т/чПар (4Мпа, 440 С)28,7т/чПитат.

водат/чт/чИТОГО86,9ИТОГО86,9Энерготехнологическая система СТК с использованием нового способасухого тушения кокса. Охлаждение кокса осуществляется в два этапа:- на первом этапе кокс охлаждается в результате проходящей реакции эндотермического разложения природного газа;- на втором этапе кокс охлаждается циркулирующими газами.13На 1 этапе охлаждения, кроме тушения кокса также повышается прочностькокса в результате происходящих структурных изменений в коксе за счет увеличения соотношения САL/СAR, т.е. при этом будут получены одновременнотехнологический и энергетический эффект.В диссертационной работе была разработана методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса, решение уравнения которой позволило определить количество вырабатываемого в КУ пара и расходаприродного газа, подаваемого в УСТК для упрочнения кокса:энд(14)Qк  Qу  QСН 4  Qреак Qпрод  Qц.г  Qп.у  QатмУСТКэкзКУQпрод  Qц.г Qв  Qреак Qпар  Qо.с  Qсбр  Qц.г(15)где Qк – теплота, получаемая при охлаждении кокса в камере тушения; Qу – теплота, получаемая в результате угара части кокса при тушении; QСН4 – энергеэндтический потенциал природного газа; Qреак– теплота, необходимая для эндотермической реакции разложения метана; Qпрод – теплота, уносимая из камерытушения газообразными продуктами разложения природного газа; Qц.г – теплота, переданная от кокса к циркулирующим газам; Qп.у – теплота, теряемаявследствие подсоса и утечек циркулирующих газов в системе; Qатм – теплота,УСТКтеряемая поверхностью камеры тушения в атмосферу; Qц.г– энергетическийпотенциал циркулирующих газов, выходящих из УСТК; Qв– энергетическийэкзпотенциал воздуха, поступающего на горение; Qреак– тепло, выделившеесяпри экзотермической реакции горения газообразных продуктов разложенияприродного газа; Qпар – теплота, переданная пару в котельном агрегате; Qо.с –теплота, теряемая котельным агрегатом в окружающую среду; Qсбр – тепло, теКУряемое с избыточными циркулирующими газами; Qц.г– энергетический потенциал циркулирующих газов, выходящих из КУ за вычетом энтальпии избыточных газов.Из реакции термического распада СН4:СН4 → 2Н2 + Ссажа – 3530 кДж/м3, СН4(16)и установленной в работе зависимости доли разложения природного газа оттемпературы (в расчете принято значение 95%), было найдено (значения приведены на 1 т кокса):- количество углерода, осажденного на коксе, g к , углерода, который«сшивает» графитоподобные кластеры кокса прочной химической связью:10,41 кг (19,44/0,0224·12=10416 г.);- количество подаваемого в УСТК метана: 20,5 м3 (19,4/0,95).Определена температура внутри форкамеры УСТК после разложения природного газа.

При условии 95% термического разложения метана она составляет 9830С. Расчет проводился исходя из положения о равенстве теплосодержаниявсех потоков внутри форкамеры УСТК до и после реакции термического разложения природного газа.Газообразные продукты реакции (из каждого 1 м3 природного газа образуется 1,9 м3 водорода и 0,05 м3 природного газа, который не разлагается) отводятся из форкамеры, далее подаются в газоход между УСТК и КУ, на входе в14который дожигаются с воздухом (кислородом), что позволит повысить паропроизводительность энерготехнологической системы УСТК-КУ и избежатьвзрывоопасных концентраций циркуляционного газа.