Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

МУХАМЕТШИНА ЭЛЬЗА ИЛЬДАРОВНА

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ОКИСИ ЭТИЛЕНА

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук

Казань - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Казанского научного центра Российской академии наук Исследовательском центре проблем энергетики

Научный консультант: доктор технических наук Вачагина Екатерина Константиновна

Официальные оппоненты: Гурьянов Алексей Ильич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет, профессор кафедры Энергообеспечение предприятий и энергосберегающих технологий Фарахов Мансур Инсафович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет, профессор кафедры Процессы и аппараты химических технологий

Ведущая организация: ОАО Татнефтехиминвест-холдинг

Защита состоится л 31 мая 2012 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет по адресу: 420066, г.Казань, ул.

Красносельская, д.51, зал заседаний Ученого совета (Д - 223).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Казанский государственный энергетический университет.

Автореферат разослан л27апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.082. Зверева Э.Р.

кандидат химических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (СО2), 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:

1) исследование технологической системы производства и анализ структуры связей между ее элементами;

2) оценка энергетической эффективности теплотехнологической схемы промышленного производства и определение потенциала энергосбережения;

3) 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;

5) 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;

6) 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-; 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 150летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. 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 школаЦсеминар молодых ученых. Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии, посвященная 50летию 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 промышленности (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.);

ХХI 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 объм 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении выделена актуальность проблемы, сформулирована цель работы, показана ее научная новизна и практическая значимость, представлены основные результаты работы, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе проведн анализ работ по проблемам энергосбережения и повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в нефтехимической промышленности, описаны методы и критерии оценки эффективности рационального распределения и потребления энергетических ресурсов и экологической безопасности промышленных объектов. Рассмотрено высокотемпературное технологическое оборудование являющееся источником высокопотенциальных ВЭР. Представлен обзор по эффективным способам их утилизации, а также описаны методы математического моделирования, процесса горения газообразного топлива в промышленной печи.

Вторая глава посвящена общей характеристике технологического процесса производства окиси этилена, разработке алгоритма реализации энергосберегающих мероприятий на предприятии, анализу структуры связей технологической схемы производства, оценке тепловой и эксергетической эффективности.

Разработан алгоритм реализации энергосберегающих мероприятий, основанный на методах энерготехнологического комбинирования и оценке экологической безопасности производства. В соответствии с предложенным алгоритмом в работе решаются следующие задачи: выявление энергетического потенциала производства; анализ способов утилизации образующихся вторичных энергоресурсов различного потенциала и выбор наиболее эффективного направления их использования; разработка мероприятий по снижению загрязнений окружающей среды; разработка системы утилизации вторичных энергетических ресурсов; проведение численных расчетов процессов образования токсичных газообразных выбросов с целью разработки практических рекомендаций по эффективным режимам работы энергетических установок и снижению образования техногенных выбросов на производстве.

Проведенный анализ структуры и связей позволил представить технологическую схему производства окиси этилена в виде балансовой теплотехнологической схемы (БТТС) и определить оптимальную последовательность расчета тепловой и термодинамической эффективности.

В ходе анализа тепловой эффективности определена тепловая мощность на входе в аппараты технологической схемы - 1650,57 МВт и на выходе из них - 950,096 МВт, потери теплоты равны 700,479 МВт. Тепловой КПД схемы составляет 57%. В результате анализа термодинамической эффективности определена эксергетическая мощность на входе в аппараты - 3248,038 МВт, на выходе - 1817,04 МВт, потери эксергии - 1430,9 МВт. Эксергетический КПД - 56%.

Значения тепловых и эксергетических КПД расчетных блоков БТТС представлены в таблице 1.

Установлено, что наименьшей термодинамической эффективностью характеризуются блок №1, блок №3 и блок №4, №9, №10 что указывает на необходимость разработки мероприятий по повышению энергетической эффективности для данных расчетных блоков.

Таблица 1. Значения тепловых и эксергетических КПД расчетных блоков БТТС Блок КПДQ,% КПДE, % Блок КПДQ,% КПДE, % I 63 43 VI 84 II 75 75 VII 77 III 68 48 VIII 82 IV 53 39 IX 55 V 45 45 X 62 В результате численных исследований энергоэффективности нефтехимического производства окиси этилена, выявлен энергетический потенциал технологической системы, который составил по теплоте - 31 МВт, по эксергии - МВт. По уровню тепловой и эксергетической мощности наиболее эффективными потоками вторичных энергетических ресурсов являются абсорбционные и дымовые газы. Эффективное использование физикохимического потенциала высокотемпературных ВЭР возможно в утилизационных установках. С целью снижения образования вредных примесей в отходящих газах, проведено исследование процесса горения топливного газа в промышленной трубчатой печи.

Третья глава посвящена разработке математической модели, методу расчета и анализу полученных численных результатов процессов горения топливного газа в трубчатых печах нефтехимического производства окиси этилена.

Построение математической модели проводилось при следующих допущениях: процессы горения в трубчатой печи описываются системой уравнений турбулентного переноса количества движения, уравнением неразрывности, уравнением переноса энергии с учетом химических превращений, уравнением переноса лучистой энергии, уравнением переноса массы для каждого компонента газа. Процессы переноса - стационарные, движение топливных и абсорбционных газов - турбулентное, используется модель горения предварительно не перемешанных сред (Non-premixed combustion). Модельная задача по расчету процессов горения решалась на примере типовой трубчатой печи, которая состоит из радиантной и конвекционной частей (рисунок 1).

В радиантной части вблизи стенок расположены вертикальные змеевики; в конвекционной части змеевики расположены горизонтально по ее объему.

В данной работе используется осесимметричная с учетом окружной составляющей скорости газа двумерная постановка в цилиндрической системе координат, ось z которой направлена вдоль оси Рис. 1. Цилиндрическая горелки и печи. Тепловой поток на стенках трубчатая печь типа ЦС-радиантной камеры определялся по формуле:

q 75,316Т 41423,8 Вт/ м (1) ст Процессы теплопередачи от топочных газов к абсорбционным в конвекционной камере моделировались с помощью объемных стоков тепла, плотность которых рассчитывалась по формуле:

q 228,64Т 105860,32 Вт/ м (2) Численные значения констант в формулах (1) и (2) вычислялись с использованием критериальных уравнений, определяющие коэффициент теплоотдачи от стенки к абсорбционным газам в змеевиковых каналах:

0,021 / d Re0,8 Pr0.43 (3) Движение топочных газов в конвекционной камере описывалось моделью их движения в пористой среде с объемом пор определяемым объемом змеевиковых каналов.

В качестве механизма образования СО рассматривается цепной механизм образования, а в качестве механизма образования NOx рассматривался термический механизм (механизм Зельдовича). В качестве модели турбулентности применялась стандартная k- модель.

Уравнение неразрывности и переноса количества движения газовой смеси в цилиндрической системе координат имеет следующий вид:

1 rr z 0, (4) r r z vr vr v 2 p 1 r z 2 t r t r v vz r r z r r r r r z z r 2 t vr 2 z t , (5) 1 rr r2 3 r r r z z р 1 r z z g t r r z r z z r r z r z 2 t z t , (6) z 2 z 1 rr z 3 r r z где: - плотность, кг/м3; r,, z - переменные цилиндрической системы координат; , - радиальная и окружная составляющие скорости, м/с; - r z динамический коэффициент вязкости, Пас; t - коэффициент турбулентной вязкости, Пас; р - давление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2.

К системе уравнений добавляются уравнения переноса для k - кинетическая энергия турбулентности в цилиндрической системе координат, м2/с2; - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности, м2/с3, которые имеют вид:

k k 1 t k t k r z r r z tI2 , (7) r z r r k k z 1 t t r z r х z С1 k tI2 С2 k,(8) r z r r z 2 2 2 2 r z r r r I2 4 4 4 2 2 2 . (9) r r z r r z z r Уравнение переноса энергии имеет следующий вид:

h h 1 T r q, (10) T r z t t r z r y r z z где h - энтальпия, Дж/кг; - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); t - коэффициент турбулентной теплопроводности, Вт/(мК); q - интенсивность внутренних источников тепла, Вт/м3.

Уравнение переноса лучистой энергии:

I I cos sin I0 I, (11) r z где - интегральный коэффициент поглощения; где I - интегральная интенсивность излучения; I0 - интегральная интенсивность излучения источника.

Уравнение массы переноса для i -го компонента газа имеет вид:

С С 1 С i i i i D D r D D S, (12) С r z t t i r z r r r z z где Сi - концентрация i-го компонента газа; D и Dt- молекулярные и турбулентные коэффициенты диффузии; Si - источниковый член характеризующий скорость образования i-го компонента газа.

На основании разработанной математической модели произведен комплекс численных исследований для режимных параметров работы промышленной трубчатой печи технологического процесса производства окиси этилена с использованием вычислительного комплекса. Получены распределения полей скоростей, температур и концентраций по объему печи.

С целью исследования возможности снижения образования оксидов азота, проведены расчеты для вариантов добавления к топочному газу водяного пара с концентрациями 1%, 3%, 5%, 10% от общего расхода смеси (рисунок 2).

Наиболее оптимальным с точки зрения уменьшения токсичных выбросов и одновременно сохранения полноты сгорания топлива, является режим с 5% добавкой водяного пара.

Рис. 2. Распределение концентраций образования NOх по оси печи при добавлении пара в концентрации (0%, 1%, 3%, 5%, 10%) В четвертой главе на основании предложенного алгоритма и расчетов разработана система комплексной утилизации высокопотенциальных ВЭР (рисунок 3) и проведена технико-экономическая оценка предлагаемых мероприятий (таблица 2 ).

1 - компрессор; 2 - ГТУ; 3 - теплообменник; 4 - скруббер; 5 - печь; 6 - фильтр; 7 - реактор дожига; 8 - буферная емкость; 9 - печь; 10 - сепаратор; 11 - буфер воздуха; 12 - холодильник; 13 - утилизатор теплоты; 14, 17 - теплообменники обратных потоков; 15 - реактор восстановления; 16, 20, 25 - холодильники; 18, 22 - компрессоры; 21, 26 - сепараторы; 23 - теплообменник, 15, 19 - реакторы синтеза Рис. 3. Система комплексной утилизации отходящих дымовых газов промышленной печи нефтехимического производства окиси этилена Для использования тепла уходящих дымовых газов печи предложено включить в технологическую схему котел-утилизатор марки ГЦ250ПЭ, предназначенный для производства пара необходимых параметров для нужд производства. С целью снижения выбросов СО2 в окружающую среду предложена схема использования химического потенциала охлажденных отходящих газов для производства метанола.

Таблица 2. Технико-экономические показатели энергосберегающих мероприятий Приведенные затраты, руб/год. 11 475 8Экономия, руб/год. 31 143 1Срок окупаемости, лет 3,ВЫВОДЫ 1. Предложен алгоритм реализации энергосберегающих мероприятий на нефтехимическом производстве окиси этилена с использованием методов энерготехнологического комбинирования и математического моделирования.

2. Проведен анализ структуры и связей технологической схемы производства окиси этилена, выявлено количество контуров - 69, установлено минимальное число условно-разрываемых потоков - 10. Определена оптимальная последовательность расчетов элементов.

3. Оценена тепловая и термодинамическая эффективность технологической схемы производства окиси этилена, которая составила - тепловая 57%, эксергетическая - 56%. Выявлены источники высокопотенциальных ВЭР и оценен их энергетический потенциал: по теплоте - 31 МВт, по эксергии - 17 МВт.

4. Разработана математическая модель и получены результаты численных исследований температурных, концентрационных и гидродинамических полей интенсивности излучения потоков при горении газообразного топлива в трубчатых печах.

5. Получены результаты численных исследований влияния концентраций пара в смеси топливного газа на снижение образования токсичных выбросов NOx.

Выявлено, что при добавлении пара к топливному газу в количестве 5% снижается образование оксидов азота на 75%, при этом качество процесса горения не ухудшается.

6. Разработанная система комплексной утилизации отходящих дымовых газов позволяет сэкономить пар на 23% от общего годового расхода производства, уменьшить объемы выбросов парниковых газов на 80% и повысить энергоэффективность производства на 10%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мухаметшина Э.И., Иванова С.И., Шамсутдинов Э.В., Мингалеева Г.Р.

Анализ энергетической эффективности способов абсорбционной очистки дымовых газов от СО2 // Альтернативная энергетика и экология. - 2008. - №9. - С.124-130.

2. Мухаметшина Э.И., Шамсутдинов Э.В. Повышение энергетической эффективности нефтехимического производства окиси этилена // Промышленная энергетика. - 2009. - № 5. - С.2-6.

3. Мухаметшина Э.И. Комплексное использование вторичных энергоресурсов высокотемпературного промышленного оборудования // Новые промышленные технологии. - 2009. - №4. - С. 39-41.

4. Мухаметшина Э.И., Иванова С.И., Шамсутдинов Э.В., Мингалеева Г.Р.

Перспективы использования углекислого газа для промышленного производства метанола // Экология и промышленность России. - 2009. - № 8. - С. 40-43.

5. Мухаметшина Э.И., Шамсутдинов Э.В. Мероприятия по снижению экологического загрязнения окружающей среды и повышения энергоэффективности нефтехимического производства путем утилизации высокотемпературных газообразных выбросов // Энергосбережение и водоподготовка - 2010. - №4(66). - С. 64-65.

6. Мухаметшина Э.И., Исламова С.И. Структура реализации энергосберегающих мероприятий промышленного предприятия нефтехимического комплекса // Труды Академэнерго - 2010. - №3. - С. 15-25.

7. Мухаметшина Э.И., Вачагина Е.К. Математическое моделирование процесса горения топливного газа в трубчатой печи нефтехимического производства // Энергетик - 2011. - №8.-С. 36-38.

Патенты 8. Патент РФ на полезную модель №107329. Система комплексной утилизации отходящих дымовых газов трубчатых печей / Мухаметшина Э.И., Исламова С.И., Шамсутдинов Э.В. 2011.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011613679. Программа для анализа структуры многоэлементных теплотехнологических систем промышленных комплексов / Халитова Г.Р., Исламова С.И., Мухаметшина Э.И. 2011.

Статьи и материалы конференций в других изданиях 10. Мухаметшина Э.И., Шамсутдинов Э.В. Утилизация теплоты уходящих дымовых газов промышленных печей // Промышленная теплотехника. - 2009. - №1.

- С.74-77.

11. Мухаметшина Э.И. Экологическая и энергоресурсосберегающая эффективность внедрения энергосберегающих технологий нефтехимического комплекса // Материалы докладов VII Школы-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Казань, 15-17 сентября 2010 г. С.450453.

Подписано к печати 25.04.2012г. Формат 6084/Гарнитура Times Вид печати РОМ Бумага офсетная Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1.0 Уч.-изд. л. 1. Заказ № 43Типография КГЭУ 420066, г. Казань, Красносельская,    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям