Глава 4. Технические решения по снижению энергопотребления комплексного производства. Моделирование теплоэнерготехнологического комплекса и обсуждение результатов

В Главе 4 описаны технические решения, направленные на экономию электроэнергии и природного газа:

1) организация выработки пара среднего давления в контуре метанола:

- поднять температуру газа, входящего в реактор синтеза метанола, до 260 °С. Это позволит вырабатывать в реакторе пар давлением 42-43 ата и присоединить его к системе пара среднего давления (39-40 ата) агрегата аммиака;

- подогрев питательной воды для реактора осуществлять парогазовой смесью, поступающей в контур метанола из агрегата аммиака;

- в качестве привода компрессора применить паровую турбину, выведенную из эксплуатации в производстве аммиака;

- пар, выработанный в реакторе метанола, направить в паровую турбину.

2) организация выработки пара низкого давления в контуре метанола:

- связать систему пара 4,5 ата контура метанола с такой же системой агрегата аммиака, в результате чего открываются возможности для утилизации избыточного низкопотенциального пара агрегата аммиака.

3) подать кислород на всас компрессора воздуха агрегата аммиака, в результате воздух станет более богат кислородом, во вторичном риформинге (см. рис. 1) увеличится температура газа на выходе и степень переработки природного газа. Кроме того, увеличивается выработка пара высокого давления в котлах-утилизаторах (см. рис. 1), что ведет к снижению расхода природного газа на вспомогательный котел.

Эффективность предложенных решений подтверждена результатами моделирования.

Основными результатами моделирования являются расчетные балансы комплексного производства по тепловым и материальным потокам, а также выработке и потреблению энергоносителей. Пример такого баланса приведен на рис. 6.

Важнейшим результатом моделирования является профиль температуры в реакторе синтеза метанола, приведенный на рис. 7 при одном из режимов работы. Температурный режим определяет количества выработанного пара и целевого продукта. Подача большего количества воды для получения пара увеличит выработку последнего, но приведет к снижению температуры а ''затуханию'' реакции. Недостаточная подача вызывает неконтролируемый рост температуры и остановку производства.

Рис. 7. Профиль температуры газовой смеси по длине трубы реактора.

Ход линии на графике объясняется следующим образом. Вначале скорость экзотермической реакции синтеза метанола больше, чем скорость отвода тепла, поэтому температура возрастает. По мере накопления метанола в газовой смеси скорость реакции падает и становится меньше скорости теплоотвода. Соответственно температура проходит через максимум и далее постепенно снижается. Данный температурный профиль является вполне характерным для экзотермических реакций с отводом тепла.

Далее сделано сравнение расчетных данных по модели с практическими данными, полученными при эксплуатации производства аммиака, и некоторыми литературными данными по комплексному производству. На основании этого сделан вывод о корректности разработанной модели.

Затем смоделированы различные режимы работы комплексного производства. Основными параметрами, определяющими режим работы производства, являются расход газа в контур метанола и расход природного газа в первичный риформинг. Также на режим существенно влияет дозирование кислорода во вторичный риформинг.

На рис. 8 показано изменение расходного коэффициента по природному газу при разных нагрузках производства. Пунктирными линиями указаны расходные коэффициенты при производстве только аммиака.

Как видно из графиков, при комплексном производстве расходный коэффициент ниже, чем при производстве аммиака. Это говорит о том, что природный газ перерабатывается более эффективно.

Рис. 8. Расходный коэффициент К _пг при различных отборах газа V в

контур метанола и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

Для экономической оценки эффективности комплексного производства мы использовали величину нарастающего чистого дисконтированного дохода NPV за рассматриваемый период в 10 лет. Соответствующие графики приведены на рис. 9. Так как цена на метанол всегда выше цены на аммиак, то с увеличением нагрузки контура метанола показатель NPV возрастает.

Рис. 9. Чистый дисконтированный доход NPV при различных отборах

газа V в контур метанола и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

На рис. 10 приведена характеристика контура метанола по выработке пара среднего (43 ата) давления.

Рис. 10. Зависимость выработки G _выр и потребления G _потр пара среднего

давления от нагрузки контура метанола V.

При нагрузках контура до 85000 нм³/ч он является автономным по пару среднего давления. Дальнейшее увеличение нагрузки требует выработки небольшого количества дополнительного пара в агрегате аммиака.

Выработка пара низкого давления существенно меньше, чем требуется для ректификации метанола-сырца (рис. 11). Недостаток (4-8 т/ч) можно покрыть за счет утилизации избыточного пара агрегата аммиака, выбрасываемого в атмосферу (10-15 т/ч).

Рис. 11. Зависимость выработки G _выр и потребления G _потр пара низкого

давления от нагрузки контура метанола V.

Таким образом, частично решается проблема утилизации низкопотенциального пара агрегата аммиака.

При дозировании кислорода за счет увеличения температуры газовой смеси большее количество пара вырабатывается в котлах-утилизаторах (см. рис. 1). В результате снижается расход природного газа во вспомогательный котел, как это показано на рис. 12.

Рис. 12. Зависимость расхода природного газа V _пг во вспомогательный

котел от дозировки кислорода V _О2 при различных нагрузках

по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

За счет более полной переработки природного газа и снижении его расхода на выработку энергоносителей значительно снижается расходный коэффициент К _пг (рис. 13).

Рис. 13. Расходный коэффициент К _пг при различной дозировке

кислорода V _О2 и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

В конечном итоге улучшаются экономические показатели: растет чистый дисконтированный доход NPV (рис. 14).

Рис. 14. Чистый дисконтированный доход NPV при различной

дозировке кислорода V _О2 и нагрузках по природному газу:

1 - 38000 нм³/ч; 2 - 40000 нм³/ч; 3 - 42000 нм³/ч.

Как видно из графиков, на разных нагрузках производства по газу существует наиболее эффективная величина дозировки кислорода, при которой чистый дисконтированный доход достигает максимума.