Теплотехнические аспекты использования зольных теплообменников в схемах комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев

УДК 662.749

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В СХЕМАХ КОМПЛЕКСНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕРНИСТЫХ ГОРЮЧИХ

СЛАНЦЕВ

А.А. МОРЕВ, А.Н. МРАКИН, А.А. СЕЛИВАНОВ

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Обосновано применение рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем твердого теплоносителя для утилизации теплоты зольных продуктов термопереработки сернистых горючих сланцев. Представлена методика гидравлического и теплового расчета рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем, учитывающая теплофизические характеристики зольного остатка.

Ключевые слова: горючий сланец, зольный теплообменник, полукоксование, псевдоожиженный слой, утилизация теплоты.

Российская Федерация занимает третье место в мире по запасам горючих сланцев. Крупнейшие месторождения сланцев расположены на территории Волжского сланцевого бассейна. Отличительной особенностью волжских сланцев является высокое содержание серы в составе органического вещества, что препятствует использованию сернистых сланцев в качестве топлива. Термическая обработка сернистого сланца позволяет перевести большую часть органического вещества в смолу с содержанием серы до 7-8%. Данный продукт является сырьем для получения ценных сераорганических соединений тиофенового ряда; тиофен, 2-метилтиофен, 2-5-диметилтиофен, тиофено-ароматический концентрат. Указанные продукты применяются в медицине, фармацевтике, производстве полимеров и других отраслях промышленности. В России сераорганические соединения тиофенового ряда в данный момент не производятся.

В результате проведенных ранее экспериментальных исследований [1] было установлено, что процесс полукоксования сернистых горючих сланцев может быть реализован не только в широко применяемых в Прибалтике установках с твердым теплоносителем (УТТ), но и в реакторах с псевдоожиженным слоем.

На рис. 1 показана принципиальная технологическая схема реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое. Согласно схеме получаемый в реакторе псевдоожиженного слоя полукокс направляется в циклонную топку. В результате дожигания полукокса образуется значительное (до 60-80% на сухой сланец) количество сланцевой золы с температурой 800-1000 °С. Поэтому важной задачей является вопрос утилизации физической теплоты сланцевой золы: выбор конструкции устройства для утилизации и методики его расчета с учетом теплофизических характеристик зольного остатка.

© А.А. Морев, А.Н. Мракин, А.А. Селиванов Проблемы энергетики, 2015, № 5-6

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема реакторного блока полукоксования сернистого горючего сланца в псевдоожиженном слое: 1 - сушилка; 2 - реактор псевдоожиженного слоя; 3 - система конденсации смолы; 4 - блок выделения газового бензина; 5 - блок сероочистки; 6 - топка сжигания сланцевого газа; 7 - циклонная топка; 8 - зольный теплообменник; 9 - теплообменник

нагрева газа псевдоожижения

В предлагаемой схеме реакторного блока полукоксования сернистого сланца в псевдоожиженном слое зола используется для нагрева воздуха, поступающего в циклонную топку. Передача теплоты от золы к воздуху происходит в зольном теплообменнике.

Теплообменные аппараты с дисперсными теплоносителями можно разделить на две группы: регенеративные и рекуперативные. Применение регенеративных устройств для передачи теплоты от частиц сланцевой золы к атмосферному воздуху сопряжено с некоторыми трудностями. В первую очередь это связано с тем, что зола, образующаяся в результате дожигания сланцевого полукокса в циклонной топке, имеет широкий гранулометрический состав, включающий в себя как фракции пылевидного сланца, так и фракции с относительно крупным размером частиц (вплоть до 10 мм). Использование подобной смеси твердых частиц в аппаратах с продуваемым плотным или псевдоожиженным слоем будет неизбежно сопровождаться уносом большого числа мелких частиц золы из слоя. Для передачи теплоты от зольного остатка к воздуху целесообразно использовать рекуперативные теплообменники.

Рекуперативные теплообменники с движущимся плотным слоем применяются во многих технологических процессах и энергетических установках. Известны различные конфигурации поверхностей нагрева рекуперативных теплообменников: трубчатые, пластинчатые, неоребренные, ребристые. Применение пластинчатых теплообменников ограничивается относительно низкими температурами теплоносителей и давлением газов, близким к атмосферному. Кроме того, применение двустороннего оребрения может привести к забиванию щелевых каналов мелкими частицами золы, что создаст дополнительные трудности для движения зольного теплоносителя. Поэтому мы считаем, что для нагрева воздуха зольным теплоносителем логично использование шахтного аппарата с гладкотрубным шахматным пучком, поперечно омываемым средой (рис. 2). Имеется успешный опыт применения подобных аппаратов в процессах

охлаждения мелкодисперсного полукокса в схемах энерготехнологической переработки твердых топлив, а также в процессах охлаждения полидисперсного (0-9 мм) слоя графитовых частиц электродной засыпки. Подобные аппараты могут быть использованы и для охлаждения золы, получаемой при энерготехнологической переработке сланцев, как в реакторах с псевдоожиженным слоем, так и в установках с твердым теплоносителем.

1

ё

§

3

Рис. 2. Схема зольного теплообменника с гладкотрубным шахматным пучком, поперечно омываемым средой: 1 - верхний бункер; 2 - теплообменный участок;

3 - выпускное устройство

При гидравлическом расчете рекуперативных аппаратов с плотным движущимся слоем должны быть учтены особенности движения слоя в межтрубном пространстве теплообменника. Для обеспечения связанного движения в аппаратах с плотным слоем скорость не должна превышать значений, определяемых критическим значением числа Фруда. При превышении критической скорости происходит переход к несвязанному движению, разрыв слоя, сопровождающийся значительным увеличением его порозности (с 0,34-0,4 до 0,7-0,8). Это приводит к резкому падению эффективной теплопроводности и интенсивности теплообмена слоя. Для вертикальных трубчатых и кольцевых каналов, независимо от размера частиц, Ггкр1 = 1,5 - 5, откуда критическая

скорость [2]

"кр

= (1,4 - 2,6) • П

,0,5

где Пэ - эквивалентный диаметр канала, м.

Значение критического числа Фруда, при котором происходит разрыв слоя при поперечном омывании, не установлено. Найдено лишь значение «переходного» числа Фруда, при котором наступает локальное разрыхление слоя у поперечно омываемых цилиндров, и, как следствие, уменьшение степени зависимости коэффициента

теплоотдачи от скорости. Скорость переходного режима определяется из справедливого при 13 < Б / < 147 выражения [2]:

где Б - диаметр омываемого цилиндра, м; - эквивалентный диаметр твердых частиц, м.

Увеличение скорости сверх wI¡ нецелесообразно, так как не приводит к улучшению теплоотдачи. В области w<wп (w<wкр) повышение скорости интенсифицирует теплообмен и, следовательно, позволяет уменьшить поверхность [2]. Таким образом, рациональной с точки зрения теплообмена скоростью движения зольного теплоносителя является скорость переходного режима, определяемая по выражению (2).

Тепловой расчет рекуперативных теплообменников с движущимся плотным слоем (как и в случае обычных теплообменников) основывается на уравнениях теплового баланса и теплопередачи.

Важным вопросом является выбор критериального уравнения и определение коэффициента теплоотдачи зольного теплоносителя к теплообменной поверхности шахматного пучка труб. Большинство приведенных для поперечного омывания зависимостей [2, 3] получены для узких фракций и смесей с размерами частиц 0-3 мм, при преобладании в смесях мелочи. Для более крупных фракций, а также смесей со значительной полидисперсностью эти зависимости неприменимы в связи с изменением характера поперечного омывания цилиндрических поверхностей. При движении таких материалов отсутствует застойная зона в лобовой части цилиндра, возрастают размеры зоны отрыва в кормовой части. Время контакта слоя с цилиндром, определяющее теплоотдачу мелкодисперсных сред, сказывается значительно слабее. Для теплообмена материалов со значительной степенью полидисперсности с шахматными пучками труб рекомендуется [2] следующая зависимость:

Она справедлива с погрешностью ±10% при 100 < Ре < 1100; 10 < Б / ёэ < 32; 1,57 < ^ /Б < 2,66; 0,9 < «2 /Б < 2,0 для смесей частиц 0-9 мм, среднегармоническим размером й?э = 1,92 - 3,42 мм.

Входящее в критериальное уравнение (3) число Пекле определяется значением эффективной температуропроводности (теплопроводности) плотного слоя и зависит от его порозности. Так как радиационный теплообмен не оказывает существенного влияния на эффективную теплопроводность плотного слоя из-за малых температурных напоров в ячейках слоя и незначительности их размеров [3], для определения значения эффективной теплопроводности плотного слоя можно воспользоваться приведенной в [4] полуэмпирической формулой, полученной без учета переноса теплоты излучением:

где Хэф - эффективная теплопроводность плотного слоя, Вт/м-°С; Хзл - теплопроводность зольных частиц, Вт/м-°С; А,гс - теплопроводность газовой среды, заполняющей пространство плотного слоя, Вт/м-°С; е - порозность плотного слоя.

^ / = (0,28 - 0,757 • ^ е - 0,057 • ^ ). 1е .Ьл ,

Согласно [5] теплопроводность сланцевой золы ^зл, Вт/м-°С, с точностью +10% может рассчитываться по следующему эмпирическому выражению:

Хзл = 0,64 •

где П - средняя пористость частиц сланцевой золы в долях единицы; рд - действительная плотность частиц сланцевой золы, кг/м3.

Теплоемкость плотного слоя является аддитивной величиной и зависит от теплоемкости твердого компонента и окружающей его газовой среды. Согласно [5] среднее (интегральное) значение теплоемкости частиц сланцевой золы сзл, кДж/кг-°С, в интервале температур от 273 до Т, К, определяется эмпирическим выражением:

1 22 -104

сзл = 0,88 + 0,000103 • Т —--2- .

Используя значение эффективной теплопроводности, объемной плотности и теплоемкости плотного слоя, можно определить значение коэффициента эффективной температуропроводности слоя.

При компоновке поверхностей нагрева рекуперативного теплообменника с поперечно омываемым шахтным пучком необходимо обеспечить нестесненное движение материала в межтрубном пространстве, имеющее место при (^1 - П)/ ёэ > (20 - 30). Для крупнозернистых материалов при поперечном омывании диаметр цилиндров, с целью интенсификации теплообмена, следует принимать равным 50-70 мм. При выборе продольного и поперечного шага необходимо учитывать, что в большинстве случаев целесообразно принимать ^ /П = 1,36 - 2,5, ^ /П = 1,8 - 3, однако для предотвращения заклинивания частиц минимальные зазоры в свету между трубами должны быть не менее 10 • йэ [2].

Таким образом, приведенные выше зависимости являются основой методики расчета зольного теплообменника, конструктивно выполненного в виде шахтного аппарата с гладкотрубным шахматным пучком, поперечно омываемым зольным теплоносителем.

Выводы

1. Для утилизации теплоты зольных продуктов комплексной энерготехнологической переработки сернистых горючих сланцев обосновано применение рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем твердого теплоносителя, выполненного в виде шахтного аппарата с гладкотрубным шахматным пучком, поперечно омываемым средой.

2. Представлена методика гидравлического и теплового расчета рекуперативного теплообменника с движущимся плотным слоем твердого теплоносителя, учитывающая теплофизические характеристики зольного остатка термической переработки сернистых горючих сланцев.

Summary

The application of the regenerative heat exchanger with a moving dense layer of solid heat carrier for heat recovery ash products conversion sulfur shale. The technique of hydraulic and thermal calculation of the regenerative heat exchanger with a moving dense layer, taking into account the thermal characteristics of bottom ash.

Keywords: oil shale, ash heat exchanger, carbonization, fluidized bed, heat recovery.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта №15-48-02313 «р_поволжье_а»

Литература

1. Опытная переработка мелкозернистого волжского сланца на установке с псевдоожиженным слоем: отчет о НИР / С.К. Дойлов Кохтла-Ярве: НИИСланцев, 1991. 16 с.

2. Горбис З.Р. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями / З.Р. Горбис, В.А. Календерьян. М.: Энергия, 1975. 296 с.

3. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков / З.Р. Горбис. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1970. 424 с.

4. Аэров М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы работы / М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. Л.: Химия, 1979. 176 с.

5. Печенегов Ю.Я. Теплообмен и теплоносители в процессах термической обработки измельченного твердого топлива: монография / Ю.Я. Печенегов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1983. 116 с.

Поступила в редакцию 29 мая 2015 г.

Морев Александр Александрович - канд. техн. наук, ассистент Саратовского государственного технического университета (СГТУ) имени Гагарина Ю.А. Тел: 8(845)299-87-49, 8(845)354-56-55, 8(927)1151529. E-mail: aamorev@gmail.com.

Мракин Антон Николаевич - канд. техн. наук, доцент Саратовского государственного технического университета (СГТУ) имени Гагарина Ю.А. Тел: 8(845)299-87-49, 8(987)322-76-56. E-mail: anton1987.87@mail.ru.

Селиванов Алексей Александрович - ассистент Саратовского государственного технического университета (СГТУ) имени Гагарина Ю.А. Тел: 8(845)299-87-49, 8(917)217-70-70. E-mail: selivanych-86@mail.ru.