Современные проблемы энергосбережения и использования местного органоминерального сырья

УДК 662.732

В.Ф. Симонов СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕСТНОГО ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Выполнен обзор исследований, проводившихся в последнее время по энергосбережению и использованию местного органоминерального сырья - сернистых горючих сланцев ВолгоПечорской сланцевой провинции. Определены перспективные направления исследований с учётом изменившихся экономических условий.

Энергосбережение, нефтехимия, энерготехнологическое комбинирование, горючий сланец, полукоксование, каталитическое преобразование, тиофен, выделение и очистка, газотурбинная установка

V.F. Simonov THE UP-TO-DATE PROBLEMS OF ENERGY SAVING AND USING OF THE LOCAL ORGANIC-MINERAL RAW MATERIALS

A rewire of investigation that was made in last time about energy saving and using of the local organic-mineral raw materials-sulfur combustible shale that located in Volga-Pechora province is presented. The perspective ways of investigations with consideration of the modern economical conditions are determined.

Energy saving, petrochemistry, energy-technologic combination, combustible shale, half-coking, catalytic conversion, tiofen, extraction and cleaning, gas-turbine installation

Важнейшей проблемой современного развития технологий в различных отраслях промышленного производства является энергосбережение. Для Российской Федерации эти цели более актуальны, поскольку удельные энергозатраты по большинству отраслей промышленности в 2-4 раза превышают показатели передовых индустриально развитых стран. Особо следует отметить технологии нефте- и газопереработки, органического синтеза и синтетического каучука, темпы роста производства которых для условий РФ превышают средние показатели по промышленности в целом и которые занимают лидирующие позиции по потреблению топлива и тепловой энергии. Такое положение обусловлено не только абсолютным увеличением объёмов переработки, но и переходом на более высокие качественные показатели выпускаемой продукции при одновременном уменьшении удельных расходов сырья и материалов за счёт внедрения эффективных технологических процессов, новых катализаторов.

Работы по энергосбережению в указанных отраслях промышленности были начаты на кафедре «Промышленная теплотехника» СГТУ в начале 70-х годов прошлого столетия. Были проведены масштабные работы по предприятиям Саратовской области (Саратовский химкомбинат (ныне ООО «Саратоворгсинтез»), нефтеперерабатывающий завод, Энгельсский и Балаковский заводы «Химволокно», Саратовский завод РТИ, Балаковский завод минеральных удобрений), и других регионов (Волжский и Казанский заводы органического синтеза, ПО «Нижнекамскнефтехим», Омский нефтеперерабатывающий завод). В качестве координирующих организаций выступали ВНИПИэнергопром и Техэнергохимпром, г. Москва. По материалам проведённых исследований сотрудниками кафедры были защищены 4 кандидатские и докторская диссертации.

Основное внимание в работах того периода (до 1990 года) уделялось энергосберегающим решениям на основе развития системы использования вторичных энергоресурсов. Даже в услови-

ях относительно низких тарифов того времени экономически обоснованные решения позволяли обеспечить существенное уменьшение удельных затрат основных энергоносителей на единицу выпускаемой продукции. Показательным в этом смысле является производство оксида этилена. За счёт использования газотурбинного и паротурбинного приводов технологического оборудования вместо электропривода удалось уменьшить удельное потребление электроэнергии с 3535 кВт-ч до 580 кВт-ч на тонну оксида этилена. Одновременно существенно уменьшились удельные затраты пара - 0,9 МПа (более чем в 2 раза), воды из системы оборотного водоснабжения (на 20%), хладо-носителей [+5^(-10)°С] (на 75%). Несмотря на некоторое увеличение расхода топливного

газа для перегрева утилизационного пара перед паровыми турбинами, суммарные удельные энергозатраты в денежном выражении того времени уменьшились в 3 раза.

Приведённые данные убедительно свидетельствуют о чрезвычайно больших возможностях технологических производств указанного профиля по энергосберегающим решениям. При одном и том же принципе получения целевого продукта можно существенно снизить энергозатраты на основе целенаправленного использования внутренних источников энергии технологических процессов, более глубокой регенерации теплоты. Особое значение указанные относительно простые решения приобретают в условиях систематического повышения тарифов на основные энергоносители. Ясно, что уже реализованные энергосберегающие решения нуждаются в радикальном пересмотре, и в этом процессе обязательно появятся новые моменты, связанные с новыми соотношениями цен на энергоносители и появлением современного энергосберегающего оборудования.

Одна из особенностей современной нефтехимии и органической химии - возможность получения ряда продуктов различными способами. При сопоставлении таких способов в условиях напряженного положения с энергообеспечением технологических процессов на первое место при сопоставлении должны быть поставлены удельные энергозатраты с ограничениями экологического характера. Примером подобной ситуации является производство нитрила акриловой кислоты (НАК) - мономера для синтезов специальных видов каучука и синтетического волокна. В промышленности реализованы процессы получения НАК циангидрированием ацетилена и окислительным аммонолизом пропилена. В исследованиях энергетической эффективности того и другого способов кафедра принимала участие на Саратовском химкомбинате (первый способ) и в составе ООО «Саратоворгсинтез» (второй способ). Основной процесс окислительного аммонолиза пропилена протекает на катализаторе, находящемся в псевдоожиженном состоянии. Оптимальные температуры этого экзотермического процесса обеспечиваются встроенной в реактор системой теплосъёма, состоящей из испарительных и пароперегревательных змеевиков. Полученный пар давлением 4 МПа используется в паровой турбине с противодавление 0,3 МПа для привода воздушных компрессоров. С учётом интересов генерации пара построена система первичного охлаждения контактного газа. Теплота абсорбционного выделения НАК используется для испарения исходных продуктов аммонолиза - пропилена и аммиака. В результате такой организации технологической схемы производства НАК окислительным аммонолизом пропилена получены следующие относительные показатели (в % к показателям производства продукта циангидрированием ацетилена с получением ацетилена электрокрекингом метана):

Сырьё и основные материалы 125,0

Вспомогательные материалы 23,0

Энергозатраты:

электроэнергия 6,6

пар 0,9 МПа 16,6

пар 3,0 МПа 124,0

вода из оборотной системы 42,0

азот 36,6

Асортизационные отчисления

и затраты на обслуживание оборудования 144,0

Себестоимость 60,0

Приведённые данные свидетельствуют о большой роли энергозатрат в формировании себестоимости продукции нефтехимии и органической химии. Несмотря на существенные затраты на сырьё и основные материалы, значительные капиталовложения, метод окислительного аммо-нолиза пропилена обеспечивает резкое снижение себестоимости продукции в первую очередь за счёт рационального использования внутренних источников энергии. Применение паротурбинного приводы основного технологического оборудования на основе генерируемого в схеме пара позволяет снизить затраты на электроэнергию до 6,6% по сравнению с альтернативным вариантом.

В условиях большой единичной производительности технологических агрегатов мощности энергопотребляющих и энергогенерирующих на базе внутренних источников энергии установок становятся соизмеримыми с мощностью крупных специализированных энергопроизводств. Это создаёт принципиально новую основу для проектирования и эксплуатации таких энергогенерирующих установок. Во-первых, создаются условия для органической увязки энергетических и технологических процессов в составе одного производства в целях достижения максимального экономического эффекта. Поэтому следует рассматривать уже не в отдельности технологическую и энергетическую установки, а энерготехнологический комплекс в целом. Во-вторых, значительная мощность энергогенерирующих установок позволяет применять современную технику, обеспечивающую наиболее экономное использование внутренних источников энергии. В связи с этим становиться целесообразным решение ряда задач, свойственных специализированным энергогенерирующим производствам с учётом конкретных особенностей технологии и места энергетического агрегата в энерготехнологической схеме. В-третьих, комплексный характер производства позволяет существенно на основе современных решений в энергетики повысить эффективность технологических процессов, основанных на подводе и отводе теплоты. При этом следует отметить использование эффективных форм поверхности теплопередачи, проведение процессов при повышенном (пониженном) давлении, применение специальных видов энергоносителей. В-четвёртых, комплексный характер энерготехнологической схемы позволяет обеспечить эффективное использование всех видов вторичных энергоносителей, включая низкопотенциальные тепловые. Это создаёт дополнительные возможности для увеличения выработки энергии в энерготехнологической схеме и снижения на этой основе потребления энергии со стороны. В-пятых, в составе энерготехнологической схемы наивыгоднейшим способом могут быть решены вопросы уменьшения или даже полного предотвращения вредного воздействия производства на окружающую среду на базе безотходных энерготехнологических схем. В частности, установки по термическому или каталитическому обезвреживанию отходов производства могут быть органично и с высокой экономической эффективностью вписаны в тепловую схему энерготехнологического комплекса.

Таким образом, современное развитие крупнотоннажных производств нефтехимии и органической химии должно базироваться на энерготехнологическом комбинировании, обеспечивающем наиболее эффективное решение задач энергосбережения. Основная задача этого направления исследования может быть сформулирована следующим образом: должны быть найдены такие схемные решения, параметры и аппаратурное оформление энергетических и технологических процессов в рамках одного производства, которые обеспечивают, взаимно дополняя друг друга, максимальный экономический эффект и предотвращение вредного воздействия на окружающую среду.

Второй важной проблемой, на которую хотелось бы обратить внимание, является проблема изучения свойств и направлений промышленного использования местного органоминерального сырья. В связи с истощением запасов нефти и газа в недрах Саратовской и близлежащих областей Российской Федерации должны быть востребованы уникальные залежи горючих сланцев, находящихся в Заволжье на границах с Самарской и Оренбургской областями и Республикой Казахстан. Значительная часть этих месторождений может быть отработана открытым (карьерным) способом при коэффициенте вскрыши менее 4 м/м (включая внутренние) с себестоимостью добычи до 80 руб. за тонну полезной карьерной массы по сегодняшнему уровню цен. Находящиеся на территории Саратовской области горючие сланцы Коцебинского и Перелюб-Благодатовского

месторождений являются типичными представителями сланцев Волго-Печорской провинции и характеризуются высокой зольностью и большим содержанием серы, значительная часть которой входит в состав органического вещества.

Исследованиями, выполненными в СГТУ ранее и в последнее время, обоснована возможность использования сернистых горючих сланцев как местного топлива. При этом, по нашим прогнозам, сохранение темпов роста мировых цен на газ позволяет уже к 2025-2030 гг. создать в Заволжье экономически конкурентоспособные и экологически безопасные тепловые электрические станции на основе парогазовых установок с внутрицикловой газификацией сланца под давлением и получением побочных сернистых лёгких смоляных продуктов сложного состава. Работы аналогичной направленности необходимо продолжать. При этом содержание таких исследований должно соответствовать применению горючих сланцев в качестве местного топлива на объектах малой энергетики (районные и муниципальные котельные, котельные небольших предприятий в Заволжье).

Более радикальное и экономически целесообразное направление использования сернистого горючего сланца связано с его переработкой как органоминерального сырья. Работами НИИ химии Саратовского гос университета (конец 50-х годов XX столетия) и позже на кафедре промышленной теплотехники СГТУ под руководством профессора В.Г. Каширского было показано, что продукты термического разложения сернистых сланцев могут служить источником для промышленного производства тиофена и его простейших производных (вплоть до 2- 5- диметилтиофена). Указанные сераорганические соединения являются востребованными на мировом рынке и широко используются в промышленной практике для целого ряда синтезов. Одновременно минеральный остаток от термической переработки, согласно исследованиям учёных СГТУ и мировой практики (фирма ФРГ «Рорбах-цемент»), может использоваться в качестве низкокачественного вяжущего материала.

В связи с указанными обстоятельствами в СГТУ в рамках межвузовской научнотехнической программы «Переработка горючих сланцев Поволжья» (головная организация -СГТУ, кафедра промышленной теплотехники) были предприняты теоретические и экспериментальные исследования с целью разработки технологии переработки сернистого карьерного сланца, ориентированной, в первую очередь, на получение вышеназванных сераорганических соединений. В качестве приоритетных характеристик технологии рассматривались малоотходность и соответственно широкий ассортимент товарной продукции, высокая степень самообеспечения энергоносителями, минимальный объём выбросов в окружающую среду и степень освоенности отдельных процессов и аппаратов. После окончания действия межвузовской программы (1998 г.) работы были продолжены по хозяйственным договорам и при выполнении аспирантских заданий. Запатентован способ переработки горючих сланцев на основе полукоксования с последующим термокаталитическим преобразованием парогазовой смеси. Сотрудниками и аспирантами кафедры защищены три кандидатские диссертации, накоплен богатейший теоретический и экспериментальный материал по основным процессам технологии.

Дальнейшее развитие научных исследований по технологиям переработки сернистых горючих сланцев Поволжья должно происходить по нескольким направлениям. Первое направление связано с поиском и обоснованием новых методов полукоксования. Промышленно освоенное на горючих сланцах Эстонии и Ленинградской области полукоксование в установке с твёрдым (зольным) теплоносителем (УТТ) пр всех его положительных моментах является капиталоёмким. Поэтому представляется целесообразным более глубокое исследование полукоксования сернистых сланцев в псевдоожиженном слое. Наработанный к настоящему времени материал по гидродинамике и теплообмену в псевдоожиженном слое (например, исследования в бывшем Уральском политехническом институте (техническом университете)) позволяет достаточно надёжно оценивать эффективность полукоксования в условиях высокоскоростного нагрева сланцевых частиц неопределённой формы. Важно определиться для этого процесса с системой газораспределения и целесообразностью возможного перехода к организованному насадочному псевдоожиженному слою.

Второе направление определяется стремлением к минимизации капитальных затрат в реакторный блок полукоксования для выбранного способа. Наличие в составе аппаратурного оформления блока аэрофонтанной технологической топки, устройств для сушки сланца, зольных теплообменников различного назначения, их жёсткой структурной и параметрической связи с реакторным устройством позволяет оценивать чрезвычайную важность комплексной оптимизации. Пути решения этой задачи многообразны и основываются на математическом описании процессов в отдельных элементах блока. На кафедре имеются определённые наработки по описанию кинетики полукоксования сернистого сланца и по дожиганию полукокса полифракционного состава в аэрофонтанной топке. Эти наработки необходимо развивать.

Третье направление исследования связано с блоком для термокаталитического преобразования парогазовой смеси (111 С) от полукоксования. Имеющиеся наработки носят, как правило, прогнозный общий характер и основываются на анализе большого числа научных публикаций по кинетике термокаталитического преобразования и регенерации ограниченного по составу катализатора. Основные практические данные имеются только для блока «реактор - регенератор», используемого для дегидрирования углеводородов в производстве мономеров для синтетического каучука. В связи с этим чрезвычайно важной задачей является экспериментальная проверка различных промышленных и новых катализаторов для осуществления направленного термокаталитического преобразования ПГС от полукоксования с учётом её фактического состава.

Решение задач третьего направления исследования должно органично сочетаться с интересами системы выделения, очистки и конечного использования продуктов переработки сланца. Особенно это важно для оценки эффективности различных составов катализатора. В связи с этим при комплексном исследовании должно быть разработано математическое описание установок выделения из ПГС от термокаталитического преобразования водяных паров, тяжёлых и средних фракций смоляной части, газового бензина, очистки от сероводорода и диоксида углерода, использования сланцевого газа в автономной газотурбинной установке.

Выводы

1. Для снижения энергозатрат в ведущих отраслях промышленности Российской Федерации необходимо привлечение научного потенциала учёных высших учебных заведений. В соответствии со сложившимися традициями направленности научных исследований в СГТУ перспективными являются работы по повышению степени использования внутренних источников энергии технологических процессов в нефтехимии и органической химии, более глубокой регенерации теплоты.

2. Наиболее эффективное решение задач энергосбережения может быть обеспечено на основе внедрения принципов энерготехнологического комбинирования.

3. В связи с истощением запасов нефти и газа в Саратовской и близлежащих областях РФ должны быть востребованы запасы местного органоминерального сырья - сернистых горючих сланцев. Необходимо интенсивное развитие научных исследований, связанных с разработкой технологий комплексной переработки горючих сланцев и получения востребованных на международном и российском рынках продуктов.

4. Создание новых технологий по переработке горючих сланцев должно сопровождаться комплексной оптимизацией на основе математического описания основных процессов и работы аппаратов.

Симонов Вениамин Федорович - Simonov Veniamin Fyodorovich -

доктор технических наук, профессор кафедры Doctor of Technical Sciences, Professor of the «Промышленная теплотехника», Саратовско- Department of «Industrial heat engineering» of го государственного технического универси- Saratov State Technical University named after тета им. Г агарина Ю. А. Gagarin Yu.A.