Математическое описание блока полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое

УДК 662.732

В.Ф. Симонов, В.Г. Прелатов, А.А. Морев

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БЛОКА ПОЛУКОКСОВАНИЯ СЕРНИСТЫХ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Разработана комплексная программа расчёта процесса полукоксования горючих сланцев в псевдоожиженном слое с учётом теплообмена и экспериментально полученных кинетических характеристик. Приводятся блок-схема алгоритма и результаты численного эксперимента, выполненного на данной математической модели.

Время нагрева, кинетические характеристики, полукоксование, псевдоожиженный слой, сернистые горючие сланцы, теплообмен

V.F. Simonov, V.G. Prelatov, A.A. Morev

THE MATHEMATICAL DESCRIPTION OF SEMICOKING SULFUR VOLGA

OIL SHALE IN FLUIDIZED BED

Creating comprehensive program for calculating the process semicoking oil shale in a flu-idized bed heat transfer, and taking into account the experimental kinetic characteristics of reactions semicoking shale. Shows a block diagram of the program and results of numerical experiment performed on this mathematical model.

Heating time, the kinetic characteristics, semicoking, fluidized bed, sulfur shale oil, heat transfer

Горючие сланцы представляют собой комплексное органоминеральное полезное ископаемое. Существуют многочисленные разновидности горючих сланцев. Это, например, прибалтийские кукерситы, диктионемовые сланцы, австралийские, шотландские и южноафриканские торбаниты, тасманиты и др. Г орючие сланцы разных бассейнов и месторождений значительно различаются по генезису, вещественному составу и физико-химическим свойствам, которые обусловливают возможные пути использования горючих сланцев.

Прибалтийские сланцы, являющиеся одними из лучших в мире по содержанию органической массы и вещественному составу, используются в качестве энергетического топлива, сырья для производства химических продуктов, строительных материалов, а также для выделения редких и рассеянных химических элементов.

Отличительной особенностью волжских сланцев является высокое содержание серы (от 2 до 6-10 %), большая часть которой входит в состав органического вещества сланца. Это обстоятельство препятствует применению сланца в качестве топлива из-за высокого содержания SO2 в дымовых газах.

Вместе с тем термическая обработка сланца в режиме полукоксования позволяет перевести большую часть органического вещества в смолу с содержанием серы до 7-8%. Дальнейшее термокаталитическое преобразование парогазовой смеси, полученной при полукоксовании, предоставляет возможность получить ценные

сераорганические соединения - тиофен, 2-метилтиофен, 2-5-диметилтиофен. Указанные продукты в настоящее время в Российской Федерации и странах СНГ не производятся. Вместе с тем эти вещества находят широкое применение при синтезах медицинских и ветеринарных препаратов, гербицидов, пестицидов, фунгицидов.

Процесс полукоксования горючих сланцев может быть реализован в установке с твёрдым теплоносителем (УТТ) и в реакторе псевдоожиженного слоя. По сравнению с УТТ в установке с псевдоожиженным слоем можно достичь высокой интенсивности теплообмена за счёт большей поверхности взаимодействия твёрдых частиц со средой.

Задачей моделирования процесса полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое является создание комплексной программы расчёта полукоксования горючих сланцев с учётом состава псевдоожижающего газа, теплообмена и процесса разложения органического вещества, описываемого уравнениями химической кинетики.

Вначале было составлено математическое описание и выполнен расчёт теплофизических характеристик псевдоожижающего газа. Исходными данными для расчёта являются: состав смеси газов, объёмные доли компонентов, а также их молекулярная масса, плотность, коэффициенты динамической вязкости и мольная теплоёмкость. Из существующих методик расчёта теплофизических свойств газовых смесей была выбрана одна из самых точных, основанная на использовании формулы Сезерленда-Тизена для коэффициента динамической вязкости газовой смеси.

По соотношениям аддитивности был произведён расчёт молекулярной массы М см, кг / кмоль; плотности рсм, кг / м3 и мольной теплоёмкости срсм, кДж / кмоль • К смеси

газов. Согласно формуле Сезерленда-Тизена [1], рассчитан коэффициент динамической вязкости смеси ^см, Па • с. По полученным данным был определён коэффициент кинематической

вязкости Vсм, м2 / с. Число Прандтля Рг смеси газов было найдено по формуле Эйкена. Затем рассчитан коэффициент теплопроводности X см, Вт / м • К газовой смеси.

Далее был произведён расчёт теплофизических свойств горючего сланца.

Истинная теплоемкость частиц нагреваемого сланца ссл, кДж/кг-°С, с содержанием органического вещества Вс, %, согласно [3], определяется выражением

ссл = 0,582 +

где £ - температура сланца, °С.

Температуропроводность сланца, , м2 / с, в зависимости от среднемассовой температуры частиц сланца, согласно [3], может быть найдена следующим образом:

асэф = (2,16 • 10-13 • - 5,17 • 10-10 • + 4,6 • 10-7 • ^ -1,86 • 10-4 • ^ + 0,0341 х

X 1тд - 0,7625) •Ю-7.

Кажущаяся плотность сланца рк, кг/м , согласно [3], рассчитывается с учетом пористости породы, как:

р, =р, .

Зная кажущуюся плотность рк, кг/м3, эффективную температуропроводность, аэф, м /с, и истинную теплоемкость, ссл, кДж/кр°С, можно вычислить значения внутренней теплопроводности Хсл, Вт/м^°С, частиц нагреваемого сланца при любой текущей среднемассовой температуре:

= асф • с,„ р„ 103 .

На основании данных, полученных при расчёте теплофизических свойств газа и горючего сланца, выполняется расчёт псевдоожиженного слоя и определение оптимальной скорости псевдоожижения.

Число Архимеда Аг^ для каждой 1-й фракции сланца рассчитывается по формуле

Аг; = ё •

р • V2

см см

где ё э1 - эквивалентный диаметр г-й фракции сланца, м.

Из предложенных в литературе зависимостей для расчёта первой критической скорости газа , м/с, соответствующей скорости начала псевдоожижения, наиболее удачным

считается соотношение, в котором, соответственно, число Рейнольдса Яекр1 определяется выражением [2]:

> Аг.

Яе. =----------1------------------------------------------=.

р 1400 + 5,22 •д/А"

Число Рейнольдса Яекр1 , соответствующее второй критической скорости , м / с, можно найти по выражению:

^ Аг

^ = ‘г-.

18 + 0.61 •у] Аг^

Рабочая скорость псевдоожижения принимается равной первой критической скорости Wкр1 , м/с для частиц с наибольшим диаметром (1=3), что соответствует началу псевдоожижения частиц крупной фракции сланца.

Следующим этапом создания программы расчёта процесса полукоксования горючих сланцев Поволжья в псевдоожиженном слое было математическое описание процесса теплообмена в 2-фазном потоке «сланец - теплоноситель». В качестве теплоносителся используется газ псевдоожижения.

Имеющиеся в литературе многочисленные количественные данные по теплообмену газа с твёрдыми частицами в псевдоожиженном слое противоречивы и не дают однозначного результата. Объясняется это сложностью исследования и экспериментального определения основных величин, а также зависимостью результатов опытов от размеров и конструкции аппаратов, поскольку процесс трудно моделируется. Для приближённых расчётов теплообмена можно использовать соотношение [2]

^ = 1,25 40-3 • Яе1,46.

Тогда коэффициент теплоотдачи а;, Вт / м2 • К, можно определить по формуле

а1 = ^ см /ё э1.

Для нахождения удельного расхода газа-псевдоожижения О см, кг/кг сл. используется уравнение теплового баланса псевдоожиженного слоя, которое имеет вид

О см • ссм •

где Осм, Осл - расходы газа псевдоожижения и сланца соответственно, кг/с;

V - температура полукоксования горючего сланца, °С (принимается равной 500 °С);

П - коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду;

Охим - суммарный эндотермический эффект реакций в слое.

Для определения количества выделившихся летучих продуктов полукоксования используются положения химической кинетики.

Скорость образования суммарных летучих продуктов при полукоксовании сланца может быть записана в виде

dg E i-1

= K0e- —

dxi RT i=o

где dgi - количество образующихся летучих продуктов (кг/100кг сухого сланца) за время dlj , (час) на i - участке расчета от начала разложения;

Ко - предэкспоненциальный множитель, 1/час;

Е - энергия активации, кДж/кг моль;

R - универсальная газовая постоянная, кДж/кг моль К;

Т - температура термического разложения, К;

(средняя по массе, подвергающихся полукоксованию частиц сланца);

g0- начальное содержание условного органического вещества в сухом сланце, кг / 100 кг сухого сланца.

Привлечение имеющихся экспериментальных материалов [3] по полукоксованию сернистого сланца позволило получить следующее выражение:

560 ; 1

g ------------- i-1

f- = 17,46eT

At i=0

Приведённые выше теоретические основы и основные зависимости, используемые при разработке математической модели, были реализованы в виде алгоритма, блок-схема которого представлена на рис. 1.

Программа реализована в приложении Microsoft Office и написана на языке Visual Basic.

Выходными данными являются время полукоксования т каждой отдельной фракции сланца; температура фракций сланца ti на заданном временном интервале Дт; выход газов дезоксидации фд0ь прочих газов фг0ь смолы фг0 на заданном временном интервале и для каждой фракции сланца, а также суммарное количество продуктов полукоксования фд, фг, фсм за весь рассматриваемый промежуток времени. Полученные данные демонстрируются как численно, так и в виде графических зависимостей.

На полученной математической модели был поставлен численный эксперимент. Исходные данные для газапсевдоожижения приводятся в табл. 1. Начальная температура псев-доожижающего агента принималась равной 1000 °С. В табл. 2 представлены исходные характеристики горючего сланца.

Таблица 1

Состав газа псевдоожижения

H2S CO2 H2 ZCnH2n+2 ICnH2n CO

34,6% 17,5% 12,5% 15,0% 8,8% 11,6%

Таблица 2

Состав исходного сланца

Наименование Доля от общей массы, Х; Эквивалентный диаметр частиц d^ м Действительная плотность рд, кг/м3 Пористость, П Начальное содержание условного органического вещеста, кг/100кг сух. сл.

Мелкая фракция (1-4 мм) 0,7 0,002 2180 0,158 41,4

Средняя фракция (4-7 мм) 0,2 0,0053 2180 0,158

Крупная фракция (7-10 мм) 0,1 0,0084 2180 0,158

Температура сланца на входе в реактор псевдоожижения принималась равной 100 °С. Результаты эксперимента показаны в графическом виде и характеризуют изменение температуры разных фракций сланца в зависимости от времени нагрева (рис. 2), а также выход летучих газов из различных фракций горючего сланца во время процесса полукоксования (рис.3-5).

Рис. 1. Алгоритм расчета процесса полукоксования горючего сернистого сланца Поволжья

в реакторе псевдоожиженного слоя

Время, сек

Рис. 2. Распределение температуры фракций сланца от времени прогрева

Время, сек

Рис. 3. Выход летучих из 1 фракции в зависимости от времени прогрева

о

0

«* £ ? о- га

1 5 Г

ц

ч

о

X

2 со

Время, сек

Рис. 4. Выход летучих из 2 фракции в зависимости от времени прогрева

Время, сек

Рис. 5. Выход летучих из 3 фракции в зависимости от времени прогрева

В результате проведения численного эксперимента можно сделать следующие выводы:

1. Динамика выделения летучих продуктов при полукоксовании горючего сланца в реакторе псевдоожижения зависит как от природы сланца, так и от условий полукоксования: конечной температуры переработки сланца в реакторе и температуры горячего теплоносителя.

2. Анализ полученных результатов показывает, что при температуре полукоксования 500 °С выделяется большое количество продуктов разложения, среди которых основную часть составляет сланцевая смола.

3. Так как теплообмен в псевдоожиженном слое носит законченный характер и скорость роста температуры сланца значительно превышает скорость деструкции органического вещества, происходит малый выход газов дезоксидации и прочих газов, которые выделяются при температурах ниже 300 - 350 °С соответственно. Полученные результаты соответствуют ранним представлениям Чуханова о влиянии скорости нагрева сланцевых частиц на количественный и качественный состав продуктов разложения.

С учётом всего вышеизложенного можно констатировать, что разработанная математическая модель процесса полукоксования сернистых горючих сланцев Поволжья в псевдо-ожиженном слое, позволяет получать числовые значения показателей, характеризующих процесс термической переработки сланца и может быть использована для оптимизации процесса полукоксования горючего сланца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тепломассообмен: учеб. пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. 3-е изд., стер. М.: Изд. дом МЭИ, 2006. 550.с.

2. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. М.: Госэнергоиз-дат, 1963.

3. Создание методологии расчёта и оптимизации тепло-технологических процессов полукоксования в не имеющей аналогов малоотходной технологии переработки Волжского сернистого сланца // Отчёт о НИР. Саратов: СГТУ, 2009.

BIBLIOGRAPHY

1. Heat and Mass Transfer: A manual for high schools / F.F. Cvetkov, B.A. Grigoriev. 3rd ed., ster. Moscow: Publishing House of MEI, 2006. 550 p.

2. Zabrodsky S.S. Hydrodynamics and heat transfer in a fluidized bed. M.: Gosenergoizdat, 1963.

3. Creating a methodology for calculating and optimizing the thermal processes of semicoking unmatched low-waste technology of processing of the Volga sulfur oil shale // Report of Research. SSTU, Saratov, 2009.

Симонов Вениамин Федорович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета

Прелатов Владимир Германович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета

Морев Александр Александрович -

магистрант кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета

Simonov Veniamin Fyodorovich -

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University

Prelatov Vladimir Germanovich -

Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University

Morev Aleksandr Aleksandrovich -

Student, Master of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University