Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее значимых проблем, с которыми
в настоящее время сталкивается экономика Российской Федерации и ее
регионы, является проблема энергоресурсосбережения и экологической
безопасности. Обострение дефицита энергоресурсов в промышленности
диктует необходимость перехода к ресурсосберегающим технологиям и
внедрения энергосберегающих мероприятий. Большую экологическую
опасность содержит в себе использование нефти и газа в качестве топлива и
исходного сырья для нефтехимического производства. На предприятиях
нефтехимической отрасли образуется большое количество
высокопотенциальных токсичных продуктов сгорания, таких как углекислый газ (СОг), оксид углерода (СО), оксиды азота (NOx), углеводороды. Наличие отходов вынуждает предприятия нести дополнительные затраты, что, в свою очередь, ухудшает экологические и экономические показатели.
Исследуемое в работе производство окиси этилена по объему товарной продукции занимает одно из ведущих мест и является энергоемким производством нефтехимической отрасли. Перечисленные проблемы в полной мере относятся к рассматриваемому производству и диктуют необходимость создания комплексных систем энергосберегающих, экологически безопасных технологий утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и снижения токсичности образования продуктов сгорания высокотемпературных промышленных установок.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы (госконтракт №02.435.11.5007), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты №П829, №14.740.11.1269).
Целью работы является повышение энергоэффективности производства окиси этилена с использованием методов энерготехнологического комбинирования и математического моделирования.
При этом решались следующие задачи:
-
исследование технологической системы производства и анализ структуры связей между ее элементами;
-
оценка энергетической эффективности теплотехнологической схемы промышленного производства и определение потенциала энергосбережения;
-
разработка эффективного способа утилизации ВЭР нефтехимического производства;
4) разработка математической модели и методов расчета процессов
горения газообразного топлива в трубчатых печах, позволяющих производить
оценку качества процессов горения и его экологические характеристики;
-
проведение комплекса численных исследований процессов горения с целью определения уровня техногенных выбросов и их эффективности, в зависимости от режимов работы трубчатых печей и оценки экологической безопасности промышленного объекта;
-
разработка мероприятий и рекомендаций по повышению эффективности потребления энергоресурсов и снижения загрязнения окружающей среды.
Научная новизна состоит в следующем:
получены тепловые и термодинамические показатели отдельных технологических аппаратов и всей схемы производства окиси этилена, и определены источники и пути повышения энергетической эффективности;
разработан алгоритм реализации энергосберегающих мероприятий промышленного предприятия;
разработана математическая модель процесса горения газообразного топлива в промышленных трубчатых печах, учитывающая турбулентный характер движения газообразного топлива и основанная на двухпараметрической модели турбулентности k-s; лучисто-конвективный теплообмен в камерах радиации и конвекции трубчатых печей;
проведены численные исследования процесса горения газообразного топлива в трубчатых печах и получены распределения температурных,
гидродинамических и концентрационных полей, а также полей лучистых потоков, для режимных параметров работы печи в производстве окиси этилена; проанализировано влияние режимных параметров на процесс образования вредных выбросов оксидов азота и выявлено, что при добавлении пара к топливному газу в количестве 5% снижается образование оксидов азота на 75% (NOx), при этом качество процесса горения не ухудшается.
Практическая значимость. Разработанная схема комплексной утилизации высокопотенциальных уходящих дымовых газов позволяет сэкономить энергоресурсы в виде пара на 23% (31217, 76 Гкал/год) от общего годового расхода производства, уменьшить объемы выбросов парниковых газов на 80% и повысить энергоэффективность производства на 10%.
Разработанная математическая модель процесса горения и проведенные численные исследования, позволили выявить энергоэффективные режимы работы трубчатых печей работающих на газообразном топливе и снизить образование токсичных веществ (NOx). Разработаны рекомендации по практическому применению предложенных энергосберегающих мероприятий в нефтехимическом секторе промышленности.
Основные результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы
к применению на нефтехимических предприятиях с подобным аппаратурным
оформлением и внедрению в учебный процесс по курсам «Основы
энергосбережения», «Энергосбережение в теплоэнергетике и
теплотехнологиях», «Экологический аудит».
Результаты работы использованы при разработке энергосберегающих мероприятий для крупнотоннажного производства окиси этилена (госконтракты №П829, №14.740.11.1269, патент РФ на полезную модель №107329, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613679).
Основные результаты, выносимые на защиту:
1) алгоритм реализации энергосберегающих мероприятий на основе методов энерготехнологического комбинирования;
2) результаты анализа тепловой и термодинамической эффективности
отдельных технологических аппаратов и всей схемы производства окиси
этилена;
3) математическая модель и результаты численных исследований
температурных, концентрационных и гидродинамических и лучистых полей
влияния режимных параметров на при горении газообразного топлива в
трубчатых печах;
4) результаты численных исследований влияния концентраций пара в
смеси топливного газа на снижение эмиссии токсичных веществ,
распределение температурных и концентрационных полей, а также полей
лучистых потоков;
5) система комплексной утилизации высокопотенциальных ВЭР.
Достоверность. Достоверность работы подтверждена использованием
фундаментальных законов переноса импульса, сохранения массы, энергии, лучистой энергии, основных положений термодинамического моделирования, а также сравнением результатов диссертационных исследований с известными в научно-технической литературе экспериментальными и производственными данными.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы представлены на следующих научных мероприятиях: XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию СП. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева» (Миасс, 2007г.); XIX Международная Интернет - Конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС ( Москва, 2007г.); Всероссийская школа-семинар молодых ученых. «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии», посвященная 50-летию Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе (Новосибирск, 2007г.); VIII, IX, X Международный симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2007,2008,2009г.); V Международная научно-
практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промыпшенности» (Санкт-Петербург, 2008г.); VI, VII Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2008,2010г.); IV Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2008г.); IX Международный симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2008г.); XXI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2009г.)
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 25 публикациях, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, получен 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Общий объем диссертации 220 страницы машинописного текста, включая 36 рисунков, 21 таблиц, список литературы из 195 наименований и приложение.
