автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Информационно-термодинамический принцип организации химико-технологических систем на примере удаления диоксида углерода из дымовых газов

На правах рукописи

НАЛЕТОВ ВЛАДИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ УДАЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Специальности: 05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

АВТОРЕФЕРАТ 1 2 Й!?

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 год

005015238

Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессе Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева» (РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Глебов Михаил Борисович, профессор кафедры КХТП РХТУ им. Д.И. Менделеева

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Родионов Анатолий Иванович, профессор кафедры технологии защиты биосферы РХТУ им. Д.И. Менделеева

кандидат технических наук, Игнатов Валентин Николаевич, технический директор ООО Многопрофильный научно-технический центр «БИАТ»

Ведущая организация: Национальный исследовательский

университет «Московский энергетический институт» (МЭИ)

Защита состоится « 5 » апреля 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047 Москва, Миусская пл., д конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 22 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03

А.В.Женса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В докладе Международного энергетического Агентства, определившего стратегию развития энергетики на период до 2050 года, наиболее амбициозные направления представлены в инновационном Сценарии ускоренного развития (Accelerated Technology scenarios, ACT), согласно которому приоритетами являются энергосбережение - 45% (в том числе, когенерация - совместная выработка электроэнергии и теплоты - 34%), а в части сокращения выбросов С02 - процессы улавливания и захоронения диоксида углерода (Carbon Capture and Storage, CCS) -12%.

Доминирующее положение по выбросам диоксида углерода занимают отрасли промышленности, использующие ископаемое топливо, в частности, отрасли топливно-энергетического комплекса (ТЭК), химии, нефтехимии, металлургии, коксохимии и ряда других.

Суммарные мировые выбросы дымовых газов, содержащих диоксид углерода, ежегодно оцениваются в 325 млрд. т, а их тепловой потенциал (тепловое загрязнение окружающей среды) - 65 млн. ТВг в год (1ПЗт=1012 Вт), что сопоставимо с энергией термальных вод Земли (ок. 50 млн. ТВт/год).

Таким образом, актуальными являются следующие направления:

- глубокая утилизация остаточной теплоты дымовых газов;

- когенерация - совместная выработка двух полезных продуктов;

- глубокое улавливание диоксида углерода из дымовых газов;

- предотвращение теплового загрязнения окружающей среды.

В работе поставлена и решена комплексная задача: разработка способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов с одновременной выработкой электроэнергии и холода при полной ликвидации теплового загрязнения окружающей среды. Совмещение частных задач требует совмещения различных способов рекуперации теплоты с одной стороны и улавливания диоксида углерода - с другой в рамках интегрированной химико-технологической системы (ХТС), что, в свою очередь, настоятельно требует разработки нового подхода к оптимальной дифференциации (разделении) функций сложной ХТС между ее элементами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России за 2007-2012 годы», в частности, «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области разработки высокоэффективных экологически чистых энергоблоков нового поколения» (шифр «2011-1.6-516-023»).

Цель работы - разработка информационно-термодинамического принципа организации ХТС и его применение для создания энергосберегающего способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов.

При этом в работе решались следующие задачи: 1. Разработка информационно-термодинамического принципа построения

высокоорганизованных ХТС путем дифференциации их функций как между

элементами, так и между потоками многоцелевых элементов.

2. Разработка в рамках принципа критериев пошагового усложнения ХТС.

3. Разработка методов разделения затрат на организацию многопоточнь процессов ХТС.

4. Анализ способов глубокой рекуперации энергии остаточной теплоты очищеннь дымовых газов на основе цикла Ренкина, и глубокого улавливания из н диоксида углерода, совмещаемых с циклом Ренкина.

5. Выбор оптимальной структуры и оптимального низкокипящего рабочего те (НРТ) в цикле Ренкина, а также оптимальных параметров холодильного цикл совмещаемого с циклом Ренкина.

6. Экспериментальная проверка полученных результатов при выборе рабочего те на основе режимных испытаний теплового двигателя на воздухе.

7. Разработка способа тригенерации: получение электроэнергии, холода диоксида углерода на основе совмещения цикла Ренкина и холодильного цикла. Научная новизна:

1. Разработан информационно-термодинамический принцип организации ХТС основе оптимальной дифференциации ее функций, позволяющий направленн осуществлять синтез организованных ХТС.

2. В рамках информационно-термодинамического принципа представлены:

• решение общей задачи повышения организованности ХТС пр дифференциации ее функций, которое описывается энтропией информаци Шеннона, выраженной через статистический вес информационно системы;

• условие организованности многоцелевого процесса, заключающееся равенстве факторов затрат на организацию процесса по поток продуктов;

• критерии организованности ХТС при ее пошаговом усложнении, имеющи смысл стоимости единицы информации промежуточных потоков ил потоков продукта;

• новые методы распределения затрат на организацию процессов:

«уравнительный», который исходит из постулата равенств стоимостей единицы информации потоков продуктов; «выделения) при котором фактор затрат на организацию процесса полность переноситься на выделяемый по постулатам целевой пото продукта;

• доказательство надежной корреляции предложенных методо распределения затрат с нулевым началом термодинамики, определяющи оптимальное энергосберегающее решение при взаимодействии подсистем ХТС;

• методика расчета составляющих критериев пошагового усложнения ХТС.

3. С использованием полученных критериев разработано алгоритмическое программное обеспечение для выбора оптимального рабочего тела в цикл Ренкина.

4. Разработан не имеющий аналогов способ получения электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов, в котором достигнут синергетический эффект тригенерации.

Практическая значимость:

1. Разработан новый энергосберегающий блок глубокого улавливания диоксида углерода из дымовых газов мощность 40 МВт для объектов электроэнергетики, металлургии, химии, нефтехимии, коксохимии и других на основе совмещения цикла Ренкина и холодильного цикла.

2. Проведены режимные испытания экспериментального образца теплового двигателя на воздухе и на основе оценки его эксергетического к.п.д. установлена надежная корреляция с результатами выбора оптимального НРТ в цикле Ренкина.

3. Разработана методика технической реализации способа тригенерации, включающая элементную и топологическую его структуры и режимные параметры работы элементов системы.

4. Проведена оценка предотвращенного ущерба от выбросов диоксида углерода для энергоблока заданной мощности на основе текущих биржевых цен на Мировом углеродном рынке, которая составит более 1 млн. Евро в год и дана оценка эксергетического к.п.д. способа тригенерации, которая указывает на достижение синергетического эффекта в интегрированной ХТС.

5. Программный комплекс в составе: текст программы, описание программы, описание применения, руководство системного программиста, руководство оператора, выполненный в соответствии с требованиями стандарта (ГОСТ 19.401-78) принят Департаментом приоритетных направлений науки и технологий Минобрнауки России.

пробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Московской аучно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Московский алон информационных технологий, системотехники и робототехники» Департамента бразования Правительства Москвы (г. Москва, 2010 год) (Успехи в химии и имической технологии) и на XXIV Международной научной конференции Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 (г. Киев, 2011 год). 1 бликаини.

Результаты диссертационной работы отражены в 4 публикациях и заявке на атент РФ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК ля опубликования результатов диссертации. труктура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка спользованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 258 траницах, включает 71 рисунков и 51 таблиц. Список использованной отечественной зарубежной литературы содержит 189 наименований. СНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и омплексная задача исследования.

Первая глава представляет собой литературный обзор, включающий в себя т основных раздела.

Первый раздел систематизирует подходы к анализу и синтезу химик технологических систем, основанные на эксергетической, эксергоэкономической информационной концепциях. Приведены основные количественные зависимост критериев оценки ХТС и различные постановки задач анализа и синтеза ХТ Рассмотрены достоинства и недостатки этих концепций и методов на их основе сделан вывод о необходимости разработки нового системного принцип позволяющего совмещать различные способы решения частных задач, в частност задач энергосбережения и экологической чистоты в рамках общей задачи повышени организованности интегрированной ХТС. В соответствии с законом системно организации организмов К.Ф. Рулье, а также всех природных, технических социальных систем, повышение организованности всех типов систем связано определенной дифференциацией функций системы как между ее элементами, так внутри самих элементов для достижения синергетического эффекта, когда «свойств целого больше, чем свойство составных его частей».

Второй раздел содержит систематизацию способов рекуперации энерги различного потенциала. Поскольку объектом исследования являются энергоблок выбрасывающие в окружающую среду в больших объемах дымовые газы, имеющи невысокий тепловой потенциал, в разделе акцент сделан на повышение степен рекуперации теплоты на основе использования термодинамических циклов низкокипящими рабочими телами для глубокой рекуперации энергии низког потенциала. В этой связи рассмотрены термодинамические и технологические основ термодинамического цикла Ренкина для использования в системах ко- и тригенерации.

Третий раздел содержит обзор современных методов улавливания диоксид углерода из дымовых газов, прошедших очистку от оксидов серы и азот Предварительно кратко рассмотрены способы очистки дымовых газов от оксидов сер и азота и показано, что в настоящее время в мировой практике наибольше распространение получили способы селективной очистки от диоксида серы выработкой попутного товарного продукта и селективного каталитическог восстановления (СКВ) оксидов азота до элементарного азота. Рассмотрен существующие и перспективные способы улавливания диоксида углерода и очищенных дымовых газов, основанные на абсорбционных, в том числ хемосорбционных способах, адсорбционных способах, криогенных способах мембранных способах и ряде других и показано, что достигаемая степень улавливаи диоксида углерода не превышает 92%, что не удовлетворяет большинств исследователей. Принимая во внимание, что с повышением степени улавливант диоксида углерода, в особенности, при малых содержаниях диоксида углерода дымовых газах (для подавляющего большинства энергоблоков, от 6 до 8 об.%) существенно возрастают энергозатраты на процесс, встает необходимость разработк энергосберегающего способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищеннь дымовых газов.

Вторая глава представляет собой новый научный подход к построени высокоорганизованных ХТС на основе оптимальной дифференциации их функций ю-

между элементами, так внутри самих элементов, в случае, если они являются многоцелевыми с использованием метода информационно-термодинамического анализа.

Из предшествующих работ известно, что в любой ХТС можно выделить три ровня иерархии: ХТС как единое целое (замкнутая термодинамическая система), ХТП ак единое целое (замкнутая термодинамическая система) и микросостояния, пределяемые вероятностями возможных исходов. В такой информационной системе ожно выделить два вида неопределенностей: неопределенность того, что система ередаег свою функцию элементу (ХТП) и неопределенность того, что в данном ХТП, оторому передала функцию система, на выходе реализуется один или несколько (если меет место дифференциация функций в самом ХТП) исходов из числа возможных.

На рис. 1 представлена разветвленная структура исходов (решений), которая казывает на возможность дифференциации функций ХТС как между ее элементами, ринадлежащими разным технологическим маршрутам, так и внутри самих элементов.

Принимая во внимание известный постулат информационного подхода, что аждый технологический поток является носителем информации о его возможных остояниях в силу чего он отображается как поток информационный, математически ыло доказано, что организованность такой разветвленной структуры описывается нтропией информации, выраженной через статистический вес системы, /льтипликативно связанный со статистическими весами подсистем.

При этом ДГ2=ДГ\-АГв , где А и Б подсистемы ХТС, соответствующие, апример, исходам Аз и Ад (см. рис.1). Статистический вес является обратной еличиной вероятности, которая рассчитывается на основании распределения ольцмана.

На рис. 2 представлена произвольная ХТС с многопоточными и многоцелевыми роцессами. Для вывода характеристик, определяющих в какой степени ХТС ифференцирует и передает свои функции каждому элементу системы, на первом этапе ассматривается информационная задача вывода критериев пошагового усложнения ТС в рамках произвольно выбранного маршрута.

Ао

Рис.1. Возможные исходы при дифференциации функций ХТС

Н=К1пАГс

0)

В качестве критерия организованности ХТС выбирается энтропия информаци

виде:

где П|1 - весовой коэффициент, учитывающий в вероятностном виде вклад ] -т элемента I -того технологического маршрута в решение общей задачи системы; Н^ Е энтропия информации ] -того элемента г -того технологического маршрута (вход значение).

Ц)

я ^

1 ÊLml

вых21

Л2)

сИ^

1 ffi-u

"12 —,

Н>ы>

W

" Я1 СП.,,

\

0

" 1 !

, <^„,33

^выхЗЗ

III

Рис.2. Фрагмент гипотетической химико-технологической системы

Для определения критериев пошагового усложнения ХТС на основании мето неопределенных множителей Лагранжа осуществляется поиск экстремума функц вида (2) с учетом ограничений следующего вида:

я;« 7 = Û

нг =/;яг (

= /32Я"Х

где f\, /32 - функции невязок по каналам 1 -2 и 2-3 соответственно.

Показано, что в качестве критериев пошагового усложнения выступг собственно неопределенные множители Лагранжа. По аналогии эксергоэкономическим подходом, полученным выражениям для неопределеннь множителей Лагранжа был придан физический смысл условных стоимостей едини информации потоков продуктов (или промежуточных потоков), которые в зада повышения организованности ХТС минимизируются. Критерии пошагово усложнения ХТС имеют следующий вид (представлены для маршрута 1):

Л, =«,-!-

V Чп^Ь Г, ДГ™

Кг КгК, Ті ДГГ А',А', ТЗ ДГГ

Дз = П3 —+ п2 2 =--2— + п,-—-—=--!—

Лп ІггПп Ті ДГ3И ЛпЛпЛп Т\ ДГ3"

В приведенных выражениях (4) были использованы следующие зависимости для составляющих критериев:

■ весовой коэффициент: п = ехр -

ДГ„

= ехр -

Аи.-Т^+р^У

ЯГп

,где То,ро-

температура и давление окружающей среды соответственно;

- термодинамический к.п.д.: % где Д^, = -(££''•*-ДС/)р(0)| /Гі - изменение

термодинамической энтропии;

-фактор затрат на организацию процесса А' = ДТ"/ДГ,"", где

ДГ," =ехр микросостояний.

(дг"г-д иХ ят,

, ДГ"™ = ехр

(мр-7 -Аи)" я.т>

- объемы фазовых пространств

Задачами следующих этапов работы являлось рассмотрение случаев дифференциации функций многоцелевых процессов между потоками продуктов и дифференциации функций ХТС между многопоточными элементами, объединяющими потоки разных маршрутов, например, при совмещении разных способов в интегрированной ХТС.

На рис. 3 представлена в упрощенном виде задача дифференциации функций многоцелевого процесса между потоками продуктов.

№

На основе метода неопределенных множителей Лагранжа, аналогично рассмотренной ранее задаче, было получено условие оптимальной дифференциации функций многоцелевого процесса между потоками продуктов, соответствующее равенству факторов затрат или статистических весов по потокам продуктов. Например, для представленного на рис.3 процесса с двумя продуктовыми потоками это условие можно представить в виде:

йн».,,

1 Щщд

Рис.3. Пример дифференциации функций многоцелевого ХТП.

К,=КЬ

(5)

Для решения задачи повышения организованности при дифференциации функций ХТС между многопоточными элементами,

принадлежащими разным технологическим маршрутам предлагается два метод распределения затрат: метод уравнительный и метод выделения (экспертный метод) которые были представлены в общем виде и затем численно подтверждены н примерах двухпоточного процесса теплообмена.

Согласно исходному постулату, существо уравнительного метода заключается условии равенства стоимостей единиц информации выходных потоко многопоточного элемента. При этом численно на примере теплообмена было показано что реально этого равенства возможно достичь при совмещении в одном элемент потоков разных маршрутов (рис.4 «а») и лишь в пределе (асимптотически) возможн достичь при совмещении потоков одного маршрута (рекуперативный теплообмен (рис.4 «б»).

Одновременно на рис.4 представлено изменение весовых коэффициентов п потокам, которые имеют ту же тенденцию и тот же предел, что и услови уравнительного метода. Последнее надежно коррелирует с нулевым начало термодинамики, устанавливающим оптимальное условие взаимодействия подсисте внутри замкнутой системы и отвечающее ее максимальным энергосберегающк показателям.

Рис. 4. Существо уравнительного метода распределения затрат; а - совмещение потоков разных маршрутов (разных ХТС); б - рекуперативный теплообмен.

В развитие уравнительного метода в работе представлено условие оптимально организованной ХТС, содержащей произвольное число теплообменник элементов и имеющей, в силу этого, произвольное число источников и стоков теплоты на основе минимизации рассогласования обобщенных флуктуаций энергии источников и стоков.

В качестве критерия оптимально организованной ХТС выбирается энтропия, выраженная через весовые коэффициенты, или макроэнтропия вида:

Я„=-5>,1пи(, (6)

¡«1

где и, - весовой коэффициент /-го процесса преобразования энергии, I -общее число элементарных преобразований энергии,

максимизация которой, в соответствии с нулевым началом термодинамики соответствует условию минимума величины

АГ, = АГ,"™ - ДГ,™, (7)

где t\T*LmicM) = jL ~~ обобщенная флуктуация источника (стока), АТЭ1 -

флуктуации внутренней энергии ¡'-го процесса, L - число технологических процессов, объединенных в обобщенный источник (сток).

Согласно исходному постулату, существо экспертного метода выделения заключается в возможности при совмещении в многопоточном процессе разных маршрутов уменьшить стоимость единицы информации потока нецелевого продукта за счет исключения доли фактора затрат на данный процесс и перенесения его целиком на стоимость единицы информации потока целевого продукта, в частности, при совмещении различных способов в рамках интегрированной ХТС, что априори позволяет минимизировать критерий усложнения системы соответствующего уровня.

В третьей главе представлена апробация разработанного информационно-термодинамического принципа организации ХТС для оптимизации структуры системы при выборе оптимального НРТ в цикле Ренкина. В качестве исходной выборки рабочих тел, применяемых в цикле Ренкина , были выбраны органические соединения класса легких углеводородов от метана до н-пентана, отвечающие требованию экологической целесообразности. На рис.5 представлена технологическая схема цикла Ренкина, используемого для глубокой рекуперации теплоты очищенных дымовых газов.

Поток очищенных от оксидов азота дымовых газов (завершающая стадия очистки) направляется в испаритель (И) и далее в пароперегреватель (П), где происходит изобарный нагрев, испарение, перегрев НРТ до заданной температуры перегрева Т] за счет остаточной теплоты очищенных дымовых газов. После этого пары НРТ поступает в паровую турбину (ПТ), в которой в результате адиабатного расширения от давления Pi до Р2

Tdi.Go.) +Tt«2

Рис. 5 Схема цикла Ренкина

производится работа. Последняя преобразуется в расположенном на одном валу турбиной электрогенераторе в электрическую энергию (на схеме не показан Отработавшие пары НРТ в классическом варианте структуры поступают в конденсата (К), где конденсируются при Тк. Далее с помощью насоса (Н) конденсат поступав снова в испаритель-пароперегреватель, завершая цикл. В модифицированном вариант структуры отработавшие пары НРТ поступают в регенератор (Р), где за счет теплового потенциала происходит подогрев жидкого НРТ, нагнетаемого насосом испаритель. Принимая во внимание, что реальная нагрузка на регенератор, вви совмещения в нем разных потоков одного маршрута - потока НРТ, может привес лишь к асимптотическому равенству стоимостей единиц информации потоков, в работ рассмотрен вариант цикла Ренкина с гипотетическим регенератором в соответствии представленным методом выделения.

На рис. 6 представлены результаты расчета классического и модифицированно циклов Ренкина, а также цикла Ренкина с гипотетическим регенератором и показан что с усложнением молекулярной структуры НРТ расход НРТ и вырабатываем-мощность для всего диапазона температур дымовых газов уменьшаются, при этом эт показатели для каждого рабочего тела наибольшие в варианте цикла Ренкина гипотетическим регенератором. Для структуры модифицированного цикла Ренкин показано, что наибольшая степень рекуперации собственных ресурсов теплоть достигается при работе на изопентане.

Сравнительный анализ оптимальных решений для различных варианто структуры цикла Ренкина по критерию стоимости единицы информации поток продукта представлен в табл. 1, из которой следует, что оптимальным варианто структуры цикла Ренкина является схема с гипотетическим регенератором и рабоч! телом метаном.

Табл. 1

Сравнение оптимальных решений (температуры дымовых газов одинаковые)

Вариант структуры цикла Ренкина Оптимальное рабочее тело Стоимость единицы информации продукта - h

Классический Н-пентан 2,215-Ю11

С регенератором Изопентан 6,ЗЫ0'

С гипотетическим регенератором Метан 4,49-107

Мощностыурбины

10 о

Рис. 6. Результаты расчета различных вариантов структуры цикла Ренкина.

Для подтверждения надежной корреляции выводов на основе информационно-термодинамического принципа с технико-экономическими показателями был проведен сравнительный анализ двух вариантов совмещения способов в интегрированной ХТС. Первый вариант включал совмещение двух способов: цикла Ренкина с регенератором на изопентане и коммерчески используемого способа получения жидкого воздуха на основе цикла Гейландта. Второй вариант представлял собой интегрированную ХТС на основе совмещения цикла Ренкина с гипотетическим регенератором на метане с тем же циклом Гейландта. В первом варианте способы интегрируются лишь частично и только по работе. Во втором варианте способы интегрируются полностью как по работе, так и

по холоду. Расходные показатели (расход дымовых газов и расход воздух принимались одинаковыми.

В табл. 2 представлены результаты сравнения вышеуказанных вариантов показано, что интегрированная ХТС на основе совмещения цикла Ренкина гипотетическим регенератором и холодильным циклом Гейландта имеет почти в 1, раза выше производительность по целевому продукту и существенно меньшие затра электроэнергии, что указывает на наличие синергетического эффекта пр интегрировании.

Табл.

Сравнение вариантов комбинирования _

Затраты работы, ГДж/год Затраты на конденсацию в цикле Ренкина, ГДж/год Затраты на охлаждение в компрессоре, ГДж/год Выработанный продукт, т/год

Вариант 1 Затраты: 266597.6 241335.4 354359.88 106367

Вариант 2 Затраты: 0 Дополнительная выработка: 72121.7 547419.6 - 141823

На основании полученных данных по сравнению вариантов интегрированной ХТС был сделан вывод о перспективности применения разработанного теоретического аппарата для анализа и оптимизации интегрированных ХТС и решения комплексной задачи: разработки энергосберегающего способа глубокой утилизации теплоты очищенных дымовых газов и глубокого улавливания из них диоксида углерода.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и решению практической задачи - созданию энергосберегающего способа (схемы) глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов.

Для подтверждения результатов, полученных при выборе оптимального НРТ в цикле Ренкина в работе были проведены режимные испытания экспериментального образца теплового двигателя мощностью до 6 кВт. В качестве рабочего тела использовался осушенный и охлажденный до комнатной температуры воздух при избыточном давлении в диапазоне от 0,1 до 0,5 МПа. На основании замеров мощности двигателя при изменении входного давления воздуха путем изменения его расхода (выходное давление равно атмосферному) была проведена оценка его эксергетического к.п.д. (рис.7) и установлено, что эти данные согласуются с результатами выбора оптимального НРТ в цикле Ренкина.

Рис.7 Зависимость эксергетического к.п.д. экспериментального образца теплового двигателя по данным его режимных испытаний

Для оценки реального содержания, а также изменений количеств диоксида углерода, содержащегося в дымовых газах, было проведено обследование производства кокса на промышленной площадке ОАО «Москокс» (г. Видное Московской области). Выбор промышленной площадки был обусловлен наименьшим содержанием диоксида углерода в дымовых газах коксохимических производств, использующих в качестве топлива очищенный коксовый газ. Замеры содержания диоксида углерода в очищенных дымовых газах, произведенные на коксовой батарее №4 (КБ №4), показали, что оно колеблется в пределах от 6,5 до 6,7 об.% (принято среднее значение 6,6 об.%), что является наименьшим показателем для энергоблоков при использовании любых других видов топлива.

Анализ промышленных способов улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов энергоблоков, интегрируемых с циклом Ренкина с гипотетическим регенератором на метане, имеющим низкую температуру кипения (110 К), указывает на необходимость выбора холодильного (криогенного) цикла, реализующего процесс низкотемпературной десублимации, позволяющий получить продукт (твердый диоксид углерода) высокой чистоты. Схема холодильного цикла предусматривает осушку очищенных дымовых газов, их предварительное охлаждение, сжатие очищенных и осушенных дымовых газов в 3-х ступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением, десублимацию и отделение диоксида углерода и расширение потока очищенных и осушенных дымовых газов, лишенных диоксида углерода, в турбине для выработки дополнительных количеств холода и работы, суммируемой с работой цикла Ренкина. На первом этапе интеграции цикла Ренкина и холодильного цикла на основании уравнительного метода был выбран первый элемент холодильного цикла -десублиматор, в который направляется поток метана цикла Ренкина. В целом по данным оптимизации холодильного цикла были определены общее давление, указывающее, что данный цикл относится к циклам среднего давления, и распределение давлений по ступеням, исходя из критерия минимума суммарной

мощности на сжатие при условии ограничений по отсутствию десублимацци в предварительном и межступенчатых охладителях.

Также на основании расширенной трактовки уравнительного метода для сложной ХТС, имеющей несколько источников и стоков теплоты по критерию минимального рассогласования обобщенных флуктуаций источников и стоков из 6 возможных вариантов топологии был получен оптимальный вариант структуры холодильного цикла, представленный на рис. 8.

Достижение синергетического эффекта в интегрированной ХТС доказано при оценке ее эксергетических показателей. Эксергетический к.п.д. интегрированной ХТС составил 73,56% при показателях совмещаемых способов: цикла Ренкина - 70,63% и холодильного цикла - 50,31%, то есть превышает большее значение, в то время как простое объединение раздельных способов приводит к значению к.п.д. - 35,53%, меньше меньшего значения.

Рис.8. Оптимальная структура холодильного цикла (минимальное рассогласование обобщенных флуктуаций эквивалентных температур источника и

стока-52,9 К).

Практическим результатом применения разработанного принципа стало техническое предложение энергосберегающего блока мощностью 40 МВт без выбросов диоксида углерода, для которого получены следующие характеристики:

- обеспечение процесса глубокого улавливания диоксида углерода (более 99%) целиком за счет собственных (выработанных) ресурсов электроэнергии и холода;

- выработка дополнительного количества электроэнергии в размере 4,6 МВт;

- выработка дополнительного количества холода в размере 2,1 МВт;

- полное исключение теплового загрязнения окружающей среды.

Способ может интегрироваться с основными энергоблоками, использующими различные ископаемые топлива, в качестве замыкающего звена.

Оценка предотвращенного ущерба от выбросов диоксида углерода на основе текущих биржевых цен для энергоблока мощностью 40 МВт составит более 1 млн. Евро в год.

Основные результаты работы и выводы

1. Разработан новый информационно-термодинамический принцип организации объектов химических технологий, позволяющий создавать высокоорганизованные ХТС путем оптимальной дифференциации функций как между потоками многомаршрутных ХТС, так и между потоками многоцелевых ХТП.

2. Разработаны критерии пошагового усложнения ХТС при увеличении в ней количества элементов, имеющие смысл стоимости единицы информации потоков продукта.

3. В рамках принципа предложены два метода распределения затрат в ХТС при дифференциации ее функций: уравнительный метод и метод выделения, позволяющие дифференцировать затраты между потоками многопоточных элементов.

4. Разработана методика расчета составляющих критериев организованности, позволяющая производить количественную их оценку на основе данных материального и теплового балансов.

5. Разработанный теоретический аппарат был использован при выборе оптимального рабочего тела цикла Ренкина для глубокой утилизации теплоты дымовых газов, прошедших стадии очистки от соединений серы и оксидов азота, а также при выборе оптимальной топологии холодильного цикла для глубокого улавливания диоксида углерода, интегрируемого с циклом Ренкина.

6. Работоспособность информационно-термодинамического принципа была подтверждена на тестовом примере построения интегрированной ХТС на основе совмещения циклов Ренкина и Гейландта (получение жидкого воздуха).

7. На основе режимных испытаний экспериментального образца теплового двигателя на воздухе и оценки его эксергетического к.п.д. установлена надежная корреляция с результатами выбора оптимального рабочего тела в цикле Ренкина.

8. Проведено обследование производства кокса на промышленной площадке ОАО «Москокс» (г. Видное Московской области) и установлены режимные параметры работы коксовых батарей и пределы изменения количества диоксида углерода в дымовых газах.

9. Разработан не имеющий аналогов энергосберегающий блок (ХТС) глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов мощностью 40 МВт для объектов электроэнергетики, металлургии, химии, нефтехимии, коксохимии и других.

10. На основе оценки эксергетического к.п.д. разработанного энергоблока в сравнении с ХТС, объединяющей аналогичные раздельные способы доказано, что в разработанном технологическом решении достигается синергетический эффект тригенерации.

11.Проведена оценка предотвращенного ущерба от выбросов диоксида углерода на основе текущих биржевых цен Мирового углеродного рынка, которая для энергоблока заданной мощности составит более 1 млн. Евро в год.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Налетов, В.А. Новая природоохранная концепция в химии и коксохимии [Текст] В.А. Налетов, А.Ю. Налетов // Кокс и химия. - 2007. - №5. - с. 31-37.

2. Налетов, В.А. Методика эволюционного синтеза химико-технологических систе на основе информационного подхода [Текст]/ В.А. Налетов, М.Б. Глебов, А.1 Налетов //Химическая технология. - 2010. - №4. - с.244-252.

3. Налетов, В.А Информационно-термодинамический принцип организаци химико-технологических систем [Текст]/ В. А. Налетов, JI.C. Гордеев, М. Глебов, А.Ю. Налетов // Теоретические основы химической технологии ТОХТ. 2011.-том45,№5.- с. 541-549.

4. Налетов, В.А. Информационный критерий усложнения химико-технологическо системы [Текст]/ В.А. Налетов, М.Б. Глебов // Тез. Докл. XXIV Международно научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24» Сб. трудов: в 10 т. Т. 2. / ред. B.C. Балакирева. - Киев: Национ. те: ун-т Украины «КПИ», 2011. - С. 44-46.

5. Налетов, В.А. Получение электроэнергии, холода и диоксида углерода и дымовых газов: Заявка на способ № 2011146134, МПК F25B11/00, F25B29/00 о 15.11.2011 г./ В .А. Налетов, М.Б. Глебов, А.Ю. Налетов.

Заказ №386. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Петроруш». г.Москва, ул.Палиха 2а.тел.(499)250-92-06 www.postator.ru

61 12-5/2053

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Информационно-термодинамический принцип организации химико-технологических систем на примере удаления диоксида углерода из дымовых газов

Специальности: 05.17.08- процессы и аппараты химических технологий 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

На правах рукописи

Налетов Владислав Алексеевич

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Глебов М.Б.

Москва - 2012 год

Оглавление

1. Введение. Актуальность проблемы и постановка задачи исследования.......5

Глава 1. Анализ научных подходов к оптимальной организации химико-технологических систем, методам энергосбережения и улавливания

диоксида углерода из дымовых газов..................................................................14

1.1 Анализ научных подходов к оптимальной организации химико-технологических систем....................................................................................14

1.1.1 Оптимальная организация ХТС на основе эксерегетической концепции.........................................................................................................15

1.1.2 Методы эксергоэкономического анализа............................................19

1.1.3 Оптимальная организация ХТС на основе информационно-термодинамической концепции.....................................................................25

1. 2 Анализ технологических способов рекуперации энергии......................33

1.2.1 Способ восстановления работоспособности потоков в паросиловом цикле Ренкина..................................................................................................35

1.2.2 Практическое использование цикла Ренкина с низкокипящими рабочими телами (НРТ)..................................................................................39

1.3 Технологические способы улавливания диоксида углерода из очищенных от оксидов серы и азота дымовых газов.....................................47

Выводы по главе 1.................................................................................................64

Глава 2. Информационно-термодинамический принцип организации химико-технологических систем.......................................................................................65

2.1 Интерпретация принципа системной организации ХТС для многоцелевых процессов...................................................................................72

2.2 Разработка информационного критерия усложнения ХТС....................76

Выводы по главе 2...............................................................................................103

Глава 3 - Реализация принципа системной организации ХТС при выборе

оптимального рабочего тела в цикле Ренкина..................................................105

3.1 Обоснование выбора низкокипящих рабочих тел с позиции экологической целесообразности...................................................................105

3.2. Алгоритм расчета технологических параметров цикла Ренкина.........109

3.3 Выбор оптимального рабочего тела на основании информационных критериев усложнения системы......................................................................113

3.3.1. Анализ зависимости критериев организованности пошагового усложнения системы от вида HPT...............................................................118

3.3.1.1. Расчет классического цикла Ренкина.............................................119

3.3.1.2. Расчет модифицированного цикла Ренкина..................................127

3.3.1.3. Анализ результатов расчета............................................................136

3.3.1.4 Расчет цикла Ренкина с гипотетическим регенератором.............139

3.3.2 Выбор оптимального НРТ в цикле Ренкина.....................................147

Выводы по главе 3................................................................................................158

Глава 4. Разработка способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов на основе совмещения цикла Ренкина и

холодильного цикла.............................................................................................160

4.1 Экспериментальные исследования...........................................................161

4.1.1 Промышленный эксперимент по определению характеристик дымовых газов коксохимического производства......................................161

4.1.2 Режимные испытания теплового двигателя и методика оценки его эффективности...............................................................................................166

4.2. Выбор элементной структуры комбинированной системы..................173

4.2. Выбор элементной структуры комбинированной системы..................173

4.2.1. Низкотемпературная конденсация....................................................177

4.2.2 Низкотемпературная физическая абсорбция.....................................179

4.2.3. Низкотемпературная десублимация (вымораживание)..................181

4.3 Выбор давления в холодильном цикле с отдачей внешней работы......185

4.4. Выбор оптимальной топологии холодильного цикла с отдачей внешней работы................................................................................................................191

4.5. Разработка способа глубокого улавливания диоксида углерода на основе совмещения цикла Ренкина и холодильного цикла.........................198

4.6. Оценка величины предотвращенного ущерба от выбросов диоксида углерода.............................................................................................................208

4.7. Оценка синергетического эффекта тригенерации на основе эксергетических показателей способа............................................................210

4.7.1. Эксергетический анализ варианта 1..................................................210

4.7.1.1. Эксергетический анализ цикла Ренкина с рабочим телом метаном .........................................................................................................................211

4.7.1.2. Эксергетический анализ холодильного цикла..............................213

4.7.2. Эксергетический анализ варианта 2..................................................216

Выводы по главе 4...............................................................................................220

Основные выводы по работе..............................................................................222

Список использованных источников.................................................................224

Приложение..........................................................................................................244

Приложение 1. Результаты расчет цикла Реникна........................................244

1.1. Результаты расчета классического цикла Ренкина.............................244

1.2. Расчет модифицированного цикла Ренкина........................................247

1.3. Расчет цикла Ренкина с гипотетическим регенератором...................251

Приложение 2. Результаты расчета цикла Гейландта в программе СЬешСас! ............................................................................................................................255

Приложение 3. Результаты расчета комбинированной системы цикла Ренкина с гипотетическим регенератором и циклом Гейландта в программе СЬешСас!............................................................................................................257

Приложение 4. Результаты расчета процесса «Ректизол» с использованием программного продукта СЬетСас!..................................................................258

1. Введение. Актуальность проблемы и постановка

задачи исследования

Переход экономики России на инновационный путь развития в условиях нарастающей интеграции страны в мировую экономику является императивом для сохранения устойчивых темпов экономического роста в среднесрочной и долгосрочной перспективах. В свете этого наибольшую актуальность приобретают вопросы устойчивости развития, способные не только обеспечить достойные условия жизни существующему поколению, но и оставить в наследство будущим поколениям полноценную среду обитания, что настоятельно требует системного подхода, обеспечивающего с одной стороны максимальную эффективность и конкурентоспособность технологий, а с другой - сохранение окружающей среды и развитие человеческого капитала.

Энергия - это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, заключенной в углеводородном сырье, в значительной степени способствовал индустриализации и развитию общества. Однако, в настоящее время, при огромной численности населения производство и потребление энергии становится потенциально опасным. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха, воды и почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате выбросов парниковых газов, среди которых ведущее место занимает диоксид углерода. Мир стоим перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучия людей, а с другой - сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды и как следствие - к снижению жизненного уровня и серьезному ущербу для человеческой популяции. Проблема сокращения выброса парниковых газов и, прежде всего, диоксида углерода, представлена в международном документе -

Киотском Протоколе [1], который стал регламентирующим документом по выбросам парниковых газов. По оценкам экспертов [2-4] большинство моделей климата показывают, что удвоение доиндустриальных уровней выброса парниковых газов с большой вероятностью повлечет за собой увеличение на Земле средних глобальных температур примерно на 2 — 5°С. Этот уровень парниковых газов будет, скорее всего, достигнут между 2030 и 2060 годами. Нагрев на 5°С в мировом масштабе - это проблема, с которой еще не сталкивалась человеческая цивилизация. Потепление интенсифицирует круговорот воды в природе, приведет к еще большей дифференциации, а, следовательно, к недостатку водных ресурсов ряда стран, повысит риски засухи и недостатка продовольствия, увеличит риски природных катаклизмов. Мировые выбросы парниковых газов в пересчете на СОг по секторам экономики систематизированы в виде диаграммы на рис.1.[5]

Промышленность

Г I Другие источники в энергетике

I I Отходы

Г---'1-! Сельское хозяйство

г- I Изменения землепользования и лесное хозяйство

I 1 Здания

I I Транспорт

I I Выработка энергии и тепла

Общий выброс в 2000 году составил 42 млрд. т СОг-зквивален

Рис. 1. Мировые выбросы диоксида углерода по секторам экономики.

Динамика выбросов диоксида углерода представлена на рис.2. Доминирующее положение занимают объекты топливно-энергетического комплекса (ТЭК) [5].

□ Выработка энергии и тепла (С02) ■ Транспорт (СОг) В Производство и строительство (СОг)

□ Здания (С02)

ВН Промышленные процессы (СОг) ( Л Землепользование и лесное хозяйство (СОг)

Г I Сельское хозяйство (не СОг)

Г -1 Отходы (не СОг) НН Энергетика (не С02) — Промышленные процессы (не С02) НИИ Все газы, кроме С02, в целом

Рис.2. Динамика выбросов парниковых газов в С02 - эквиваленте

Наряду с этим, в связи с ростом цен на энергоресурсы актуальность приобретают вопросы использования не утилизированной (сбросной) теплоты. Объекты электроэнергетики, предприятия химии и коксохимии и ряд других выбрасывают огромные количества дымовых газов, которые после очистки от оксидов серы и азота, имеют еще определенный тепловой потенциал, неполнота использования которого обуславливает тепловое загрязнение окружающей среды, которое суммируется с общим трендом к потеплению мирового климата.

Таким образом, использование сбросной теплоты актуально и по соображениям экологии, и по соображениям энергосбережения.

Диаграмма на рис. 3 систематизирует мировые выбросы дымовых газов по отраслям [5].

□ Энергетика

■ Металлургия

Химическая промышленность

13 Стройматериалы Строительство

■ Транспорт

■ Сельское хозяйство

□ Другие

Суммарные выбросы

дымовых газов ежегодно -325 млрд.т.

Тепловой потенциал

дымовых газов,

выбрасываемых в атмосферу (тепловое загрязнение

окружающей среды) - 0, 065 млрд. ТВт в год (1ТВт=1012 Вт), что сопоставимо с энергией термальных вод Земли - ок. 0.05 млрд. ТВт/год

10%

Рис. 3. Диаграмма выбросов дымовых газов по секторам экономики

В середине 2006 года Международное энергетическое агентство обобщило и представило несколько альтернативных сценариев развития мировой экономики на период до 2050 года, среди которых есть инновационный сценарий Ускоренного развития технологий (Accelerated Technology scenarios, ACT). В рамках этого сценария реализуются, в том числе, следующие актуальные направления [6]:

- энергоэффективность и энергосбережение (в том числе, когенерация);

- улавливание и захоронение С02 (Carbon Capture and Storage, CCS)

Роль конкретных технологических инноваций при реализации ACT -сценария представлена на рис.4.

Как видно из рис.4, безусловный приоритет имеют энергосбережение (45%), когенерация энергии (34%), а также процессы улавливания и захоронения С02 (CCS) [6].

Энергосбережение 45%

Биотопливо на транспорте 6%

Переход на другое топливо в промышленности ив знерго- и теплоснабжении зданий

-7%

CCS в промышленности 5%

Переход сугля на газ 5%

Атомная энергия

в%:

Более эффективное производство энергии из ископаемого топлива

1%.'' ■ '

Улавливание и хранение СС>2 (ССБ) 12%

Гидроэнергия 2%

Биомасса 2%

Другие возобновимые источники энергии

Ж

Рис. 4. Технологии в рамках сценария Ускоренного развития технологий

(ACT).

Таким образом, с позиции мировых тенденций в науке и технологиях выделяются следующие актуальные задачи, которые в практическом плане будут одновременно решены в рамках диссертационной работы:

- глубокая утилизация остаточной теплоты очищенных от оксидов серы и азота дымовых газов;

- когенерация - совместная выработка двух полезных продуктов;

- глубокое улавливание диоксида углерода из очищенных дымовых газов;

- предотвращение теплового загрязнения окружающей среды.

Внедрение экономически эффективных энергосберегающих

технологий является одной из основных приоритетных стратегических задач также и в России в соответствии в принятым в ноябре 2009 года Федеральным Законом «Об энергосбережении» и «Программой энергосбережения на 2005-2015 гг.», принятой РАО «ЕЭС России».

Целью настоящей диссертационной работы является разработка информационно-термодинамического принципа организации химико-технологических систем (ХТС) и его применение для разработки энергосберегающего способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов.

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений.

Первая глава представляет собой литературный обзор, включающий в себя три основных раздела.

Шрвый раздел систематизирует подходы к анализу и синтезу химико-технологических систем, основанные на эксергетической, эксергоэкономической и информационной концепциях. Приведены основные количественные зависимости критериев оценки ХТС и различные постановки задач анализа и синтеза энергосберегающих ХТС. Рассмотрены достоинства и недостатки этих концепций и методов на их основе и сделан вывод о необходимости развития системного подхода в связи с необходимостью совмещения различных способов для решения частных задач в рамках интегрированной ХТС для решения комплексной задачи: разработки энергосберегающего способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов.

Второй раздел содержит систематизацию способов рекуперации энергии различного потенциала. В разделе акцент сделан на повышение степени рекуперации теплоты низкого потенциала с использованием термодинамических циклов для выработки работы. В этой связи рассмотрены термодинамические и технологические основы термодинамического цикла Ренкина с низкокипящими рабочими телами для использования в системах ко- и тригенерации. Предложен подход к обоснованию выбора рабочих тел в цикле Ренкина, основанный на критерии экологической целесообразности.

Третий раздел содержит обзор современных методов улавливания

диоксида углерода из очищенных дымовых газов, прошедших очистку от

оксидов серы и азота. Кратко рассмотрены способы очистки дымовых газов

от оксидов серы и азота и показано, что в настоящее время наибольшее

распространение получили способы селективной очистки от диоксида серы с

выработкой попутного товарного продукта и селективного каталитического

10

восстановления оксидов азота до элементарного азота. Таким образом, анализ способов улавливания диоксида углерода осуществлялся в контексте, что дымовые газы уже прошли соответствующую очистку.

Глава заканчивается выводами по литературному обзору.

Вторая глава представляет собой теоретическую часть работы -информационно-термодинамический принцип организации ХТС. Основу принципа составляет количественный подход к интерпретации эволюционного закона К.Ф. Рулье - закона системной организации организмов. Существо разработанного принципа заключается в повышении организованности ХТС путем оптимальной дифференциации затрат между потоками продуктов для многоцелевых процессов и между элементами ХТС при ее пошаговом усложнении. В этой связи рассмотрена задача усложнения ХТС как системы переработки информации, содержащейся и переносимой технологическими потоками, и приведен вывод и обоснование критериев пошагового усложнения (эволюционного синтеза) ХТС, то есть, по мере увеличения количества элементов в системе (эволюция ХТС понимается как увеличение количества элементов ХТС, необходимой для решения задачи).

С позиции информационно-термодинамического принципа организации ХТС рассмотрены вопросы оптимального энерготехнологического комбинирования.

Приведены методики расчета всех составляющих критериев пошагового усложнения ХТС.

Глава завершается выводами по т