Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

161

відношенням

де L

— робота ртутної пари; l

— питома робота водяної пари; т — маса

ртуті, що доводиться на 1 кг води, кг;

– питома ентальпія ртутної пари за ртутним котлом;

– питома ентальпія ртутної пари за ртутною турбіною;

– питома ентальпія ртутної пари за конденсатором-випарником;

– питома ентальпія перегрітої водяної пари за пароперегрівником;

– питома ентальпія водяної пари за турбіною.

– питома ентальпія водяної пари на виході з конденсатора-випарника

Цикли парогазових установок

Збільшення ККД газових турбін обмежується у зв'язку з неможливістю

збільшення температури робочого тіла, що надходить у турбіну, вище 970—

1070 К, а їхня одинична потужність — через зростаючу витрату енергії на

власні потреби. Перше обмеження усунути складно через відсутність у цей

час термічно міцних і стійких металів, а друге — може бути зняте

повністю

або частково додаванням до продуктів згоряння високоентальпійної

речовини, що приводить до загального збільшення ентальпії робочого тіла,

або застосуванням установок із двома турбінами, причому одна газовідна, а

інша з високоентальпійним робочим тілом (водою). Газотурбінні установки,

що працюють із робочим тілом, що складається із суміші пари й газу, або

станції, що використовують

у тепловій схемі, газ і пару, називаються

парогазовими установками, а їхні цикли - парогазовими.

(

)

(

)

()()

BBPP

iiiim

5168

2178

−+−

(12)

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

162

Рис. 13

Стиснене повітря в таких установках з компресора 1 (рис. 13)

спрямовується в камеру згоряння 2, куди насосом 5 через регенеративний

підігрівник 4 подається хімічно очищена вода. Наприкінці камери згоряння

відбувається змішання гарячих продуктів згоряння (газів) і регенеративно

підігрітої води. Таким чином, камера згоряння 2 виконує дві функції:

спалювання палива й змішання продуктів згоряння з водою.

З камери

згоряння 2 парогазова суміш, що утворилася при цьому, надходить у турбіну

3, а потім через регенеративний підігрівник 4 викидається в атмосферу або

направляється в спеціальний конденсатор. Зроблене упорскування води в

продукти згоряння камери 2 знижує температуру газів до прийнятних

значень і підвищує питому ентальпію робочого тіла.

Парогазовий цикл можна представити у вигляді

сукупності двох циклів

— газоповітряного й парового (рис. 13, б). Корисна питома робота всієї

установки визначається сумою пл. парового d-e-k (l) і газового 1-2-3-4 (lгаз)

циклів. Зазначені цикли побудовані для 1 кг продуктів згоряння й а кг

водяної пари. Якщо тп.

— маса водяної пари, а т

газ

— маса продуктів

згоряння, то їхнє відношення d називається відносною витратою пари. Нехай

у регенеративному підігрівнику вода нагрівається до температури кипіння,

тоді необхідну для цього питому теплоту можна представити пл. abmn. Вона

відбирається від робочого тіла, що відпрацювало, і складається з парової й

газової складових. В sТ-діаграмі питома теплота, віддана газовоїої

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

163

тридцятилітньому, зображується пл. 2578, а парової складової — пл. efhg. У

сумі ці дві площі рівні пл. abmn, тобто питомій теплоті, витраченої на

підігрів води. Загальна підведена теплота в парогазовому циклі складається з

підведеної теплоти газової складової q

1 газ

(пл. 1564) і парової складової q

1nap

(пл. mbdf), тому термічний ККД парогазового (подвійного) циклу можна

визначити у вигляді відношення

де l

газ

і dl

пар

— питома робота відповідно газового й парового циклів; q

1газ

1пара

— витрачена теплота в газовому й паровому циклах.

(

)

(

)

паргазпаргазt

dqqdll

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

164

Лекція 17

Основи коксування вугілля та крекінгу нафти

Коксування,

промисловий метод переробки природних палив (головним

чином кам'яного вугілля) шляхом нагрівання до 950-1050 °С без доступу

повітря. Основний продукт

коксування - кокс.

Коксування, розкладання при високій температурі без доступу повітря

твердих і рідких горючих копалин з утворенням летучих в-в і твердого

залишку - коксу. Останній знаходить широке застосування в різних галузях

народного господарства. Сировина для

коксування - в основному кам'яне

вугілля; у значно менших масштабах переробляють ін. горючі копалини, а

також висококиплячі залишкові продукти дистиляції нафти, кам.-вуг. пік і

т.д.

Коксування кам'яного вугілля - переробка його при 900-1100 °С с метою

одержання кам.-уг. коксу, коксового газу, кам'яновугільної смоли й ін.

продуктів.

Коксування виникло в 18 в., коли винищування лісів для одержання

деревного вугілля, спочатку шедшего на виплавку чавуну, стало загрозливої

й треба було замінити це вугілля мінеральним паливом. В 1735 у

Великобританії була проведена перша доменна плавка на коксі. Кокс

випалювався в купах, подібно тому як до цього випалювалося деревне

вугілля. Наприкінці 18 в. було

освоєне коксування в напівзакритих, а з 1830

- у закритих камерах, причому летучі продукти, що виділяються,

спалювалися. З 70-х р. 19 в. починають використовувати летучі продукти;

удосконалюються методи обігріву печей для

коксування. До початку 20 в.

процес

коксування оформився в сучасному виді, і надалі відбувалося лише

його вдосконалювання.

Попередньо збагачені (відділені від мінер. домішок), здрібнені до зерен

розміром переважно менш 3 мм і ретельно перемішані вугілля (шихту)

направляють у вежу, з до-рій за допомогою завантажувальних вагонів через

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

165

спец. люки подають у розпечені коксові печі - горизонтальні апарати

щілеподібного типу (див. рис.).

Коксова піч: 1 камера; 2 обігрівальний простінок; 3 рівень завантажується,

що завантажується; 4 пальника; 5 рівень обігріву.

Обігрівальні простінки (вертикальні канали) печей викладені з динасової

вогнетривкої цеглою. Переважне застосування знайшли печі з камерами

шириною 400-500 мм, висотою 47 м, довжиною 12-16 м, корисним об'ємом

20-50 м

. Кілька десятків печей (зазвичай 60-70) компонують у єдину систему

- коксову батарею, що обслуговується загальним комплектом машин і

механізмів (завантажувальні й тушильні вагони, коксовиштовхувач,

двірезйомна машина й ін.). Залежно від ширини камери, вологості шихти і її

насипної маси, а також температури в простінках (зазвичай 1300-1370 °С)

нагрівання шихти триває 14-18 ч. Для обігріву печей

використовують

доменний, коксовий, генераторний і ін. гази або їхньої суміші. Ці теплоносії

згоряють в обігріваючих простінках, куди поряд з газом подають повітря.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

166

Для його підігріву в спец. регенераторах, які розташовані під коксової

батареєю і служать як би її підставою, використовують теплоту продуктів

згоряння газу.

Коксування вугілля протікає в кілька стадій. При нагріванні до 250 °С із

вугілля випаровується волога й виділяються продукти розкладання - З і З

Потім (300 °С) виділяється невелика кількість легкої смоли й, що утвориться

при розщепленні кисневих сполук, що входять до складу вугілля, т.зв.

пірогенетичної вологи. Приблизно при 350 °С вугілля розм'якшується,

переходячи в тістоподібний, пластичний стан. У розплаві відбувається

інтенсивне розкладання вугілля з виділенням так званих первинних

продуктів (первинного газу й первинного

дьогтю), що мають складну

сполуку. Важкі вуглецеві залишки від розкладання вугілля спікаються при

температурі близько 500 °С, утвориться твердий пористий продукт -

напівкокс. При подальшому нагріванні напівкокс втрачає залишкові летучі

речовини, головним чином водень, і перетерплює усадку, що викликає його

розтріскування. Вище 700 °С напівкокс повністю перетворюється в кокс.

Первинні ж продукти розкладання,

стикаючись із розпеченими стінками й

зводом печі, а також з коксом, піддаються піролизу й перетворюються у

вторинні продукти. У складі газу переважної стає Н

(50% по об'єму) і СН

(25% по об'єму), органічні продукти ароматизуються. Вторинні продукти

вловлюються й використовуються як цінну сировину для хімічної

промисловості.

У коксовій печі

коксування протікає пошарово, причому температура

шарів знижується від нагрітих (вище 1000 °С) стінок печі до середини

завантаження. Відповідно до цього й склад шарів (починаючи від стінок)

міняється в послідовності кокс - напівкокс - вугілля в пластичному стані -

сухе вугілля - сире вугілля.

Коксування вважається закінченим, коли всі

шари, що збільшуються по товщині, коксу зійдуться в середині печі. До кінця

коксування внаслідок усадки «коксовий пиріг, що утворився,» виявляється

розділеним навпіл швом-розривом, що йде паралельно стінкам камери, а

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

167

кожна половина «пирога» - розчленованої на більш-менш великі шматки

тріщинами, що проходять перпендикулярно стінці.

Коксування триває 13-18

годин. Готовий кокс видається з печі коксовиштовхувачем і надходить у

тушильний вагон, де розпечений кокс охолоджують (гасять) водою або

інертним газом («мокрим» або «сухим» способом).

Летучі продукти

коксування у вигляді парогазовой суміші з

температурою 700-750 °С охолоджуються спочатку в газозбірнику

тонкорозпиленою водою до 80 °С, а потім у трубчастих холодильниках до

25-35 °С. конденсати, Що Утворилися, після відділення від коксового газу

розділяють відстоюванням і одержують органічний і водний шари -

відповідно кам'яно-вугільну смолу й надсмольну воду. З 1 т вугільної

шихти

одержують 650-750 кг коксу, 340-350 м

коксового газу, 30-40 кг смоли, 10-12

кг сирого бензолу, 2,5-3,4 кг NH

. Технологія коксування передбачає

переробку тільки певної групи кам'яних вугіль (коксових, жирних, пісних, що

спікаються), здатних при нагріванні переходити в пластичний стан. Оскільки

запаси й видобуток цих типів вугіль обмежені, до складу шихти все в

більших кількостях починають уводити вугілля малого (газові) і високого

ступеня метаморфізму й навіть пісні.

Техніка

коксування безупинно вдосконалюється: збільшується розмір

камер печі й механізується їхнє обслуговування; уводиться завантаження

печей висушеної й підігрітої (до 200 °С) шихтою. Розробляються й

принципово нові, безперервні методи

коксування, засновані на формуванні

в потоці брикетів з вугілля, переведеного в пластичний стан, і наступним

прожарюванням брикетів.

Коксування нафтової сировини

Коксування

нафтової сировини - його глибокий терміч. крекінг, при

450-540 °С с метою одержання нафтового коксу, а також вуглеводневих газів,

бензинів і гасо-газойлевих фракцій. Сировина - важкі залишки, що

утворюються при дистиляції нафти, деасфальтизації, термічному й

каталітичному крекінгу залишкових і дистилятних фракцій, піролізі бензину

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

168

й газойлевих фракцій. При коксуванні відбувається розщеплення всіх

компонентів сировини з утворенням рідких дистилятних фракцій і

вуглеводневих газів; деструкція й циклізація вуглеводнів з інтенсивним

виділенням гасо-газойлевих фракцій; конденсація й поліконденсація

вуглеводнів і глибоке ущільнення високомолекулярних сполук з утворенням

суцільного коксового "пирога".

Типові параметри процесу: температура в камерах 450-480

С, тиск 0,2-

0,6 МПа, тривалість до 48 ч. Переваги вповільненого

коксування - високий

вихід малозольного коксу. З тієї ж самої кількості сировини цим методом

можна одержати в 1,5-1,6 рази більше коксу, ніж при безперервному

коксуванні. Тому вповільнене коксування застосовують, як правило, для

виробництва нафтового коксу. Гази

коксування, що містять граничні (С

-С

)

і неграничні (С

-С

) вуглеводні, Н

і H

S, направляють на газофракціонуючу

установку. Бензини

коксування містять значну кількість неграничних

вуглеводнів і мають октанове число не більше 72. Тому їх піддають

гідроочищенню, що супроводжується видаленням сірки, з наступним

каталітичним риформінгом. Гасо-газойлеві фракції - сировина для

каталітичного крекінгу, у виробництві технічного вуглецю (сажі), компонент

газотурбінних палив, основа профілактичних засобів проти змерзання й

злипання сипучих матеріалів (ніогрін, северін, універсін).

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

169

Безперервне коксування в киплячому шарі (термоконтактний

крекінг).

Сировина, попередньо нагріта в теплообміннику, контактує в реакторі з

нагрітим і інертним теплоносієм, що перебуває у зваженому стані (зазвичай

порошкоподібний кокс із розміром частинок до 0,3 мм, рідкіше – більші

гранули) і коксується на його поверхні протягом 6-12 хв. Кокс, що утворився,

і теплоносій виводять із зони реакції й подають у регенератор

(коксонагрівач

). В останньому шар теплоносія підтримується у зваженому

стані за допомогою повітря, у струмені якого випалюється до 40% коксу, а

більша його частина направляється споживачеві. Дистилятні фракції й гази

виводять із реактора й розділяють так само, як при вповільненому

коксуванні Типові параметри процесу: температура в теплообміннику,

реакторі й регенераторі 300-320, 510-540 і 600-620 °С відповідно, тиск у

реакторі й регенераторі 0,14-0,16 і 0,12-0,16 МПа відповідно, співвідношення

по масі сировина:теплоносій = (6,5-8,0): 1.

Коксування в киплячому шарі використовують для збільшення

виробництва світлих нафтопродуктів. Крім того, поєднання безперервного

коксування з газифікацією коксу, що утворюється, може бути застосоване

для одержання дизельних і котельних палив.

Крекінг нафти

Крекінг

(англ. cracking, розщеплення) — високотемпературна переробка

нафти і її фракцій з метою одержання, як правило, продуктів меншої

молекулярної маси — моторних палив, мастил і т.п., а також сировини для

хімічної й нафтохімічної промисловості. Крекінг протікає з розривом зв'язків

З-З і утворенням вільних радикалів або карбаніонів. Одночасно з розривом

зв'

язків С-С відбувається дегідрування, ізомеризація, полімеризація й

конденсація як проміжних, так і вихідних речовин. У результаті останніх

двох процесів утворяться т.зв. крекінг-залишок (фракція з температурою

кипіння більше 350 °C) і нафтовий кокс.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

170

Перша у світі промислова установка безперервного термічного крекінгу

нафти була створена й запатентована інженером В. Г. Шуховим і його

помічником С. П. Гавриловим в 1891 році (патент Російської імперії № 12926

від 27 листопада 1891 року). Була зроблена експериментальна установка.

Наукові й інженерні рішення В. Г. Шухова повторені У. Бартоном при

спорудженні першої промислової установки

в США в 1915—1918 роках.

Перші вітчизняні промислові установки крекінгу побудовані В. Г. Шуховым

в 1934 році на заводі «Радянський крекінг» у Баку.

Крекінг проводять нагріванням нафтової сировини або одночасним

впливом на нього високої температури й каталізаторів.

У першому випадку процес застосовують для одержання бензинів

(низькооктанові компоненти автомобільних палив) і газойлевих (компоненти

флотських мазутів, газотурбінних і пічних палив) фракцій,

високоароматизованої нафтової сировини у виробництві технічного вуглецю

(сажі), а також альфа-олифінів (термический крекинг); котельних, а також

автомобільних і дизельних палив (вісбрекінг); нафтового коксу, а також

вуглеводневих газів

, бензинів і гасо-газойлевих фракцій; етилену, пропилену,

а також ароматичних вуглеводнів (піроліз нафтової сировини).

У другому випадку процес використовують для одержання базових

компонентів високооктанових бензинів, газойлей, вуглеводневих газів

(каталітичний крекінг); бензинових фракцій, реактивних і дизельних палив,

нафтових масел, а також сировини для процесів піролізу нафтових фракцій і

каталітичного риформінгу (гідрокрекінг).

Використовують також інші види піролітичного розщеплення сировини,

наприклад процес одержання етилену й ацетилену дією

електричного

розряду в метані (електрокрекінг), що здійснюється при 1000—1300°C і

0,14 МПа протягом 0,01—0,1 с.

Всезростаючий попит на бензин змусив шукати нові технологічні

процеси перегонки нафти. Одним з таких процесів є крекінг нафти (від англ.