автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Оптимальная организация технологической схемы коксового производства

0055383^

на правах рукописи

Шишанов Михаил Валентинович

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОКСОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.17.07 - химическая технология топлива и высокознергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Москва -2013

005538929

Работа выголжка на кафедре химической технологии углеродных материалов Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Налетов Алексей Юрьевич, профессор кафедры химической технологии углеродных материалов Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, Филоненко Юрий Яковлевич, президент Липецкого эколого-гуманигарнога института (ЛЭГИ)

доктор химических наук, профессор, Макаров Михаил Глебович, профессор кафедры технологии основного органического и нефтехимического синтеза Российского химико-технологического

университета им. Д.И.Мевделеева

Ведущая организация

Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (МИТХТ)

Защита состоится 17 декабря 2013 г. в 10:00 га заседании диссертационного совета Д 212204.08 при Российском химико-техюлогияееком университете им. Д.И. Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл. д. 9), конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном цгнтре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан Ученый секретарь диссертационного совета

Ф/'Y /

/

15 ноября 2013 г.

Вержичинская С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Производство кокса является наиболее энергоемким звеном коксохимического предприятия, поскольку использует до 70% всего объема топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Одновременно с этим коксовое производство (КП) относится к числу экологически опасных производств. Среди основных выбросов можно выдел1ггь: пыль, оксиды азота, диоксид серы, мопооксид углерода, аммиак, фенол/бензол, сероводород, цианистый водород; бего[а]нерсн (класс опасности 1, т.е. накапливается в организме и приводит к онкологическим заболеваниям). Основными процгссами, в которых используются ТЭР в процессе коксования, являются процессы отопигсльгой системы, напрямую связанные с эффективным использованием коксового газа. При уменьшении энергоемкости получения кокса, например, на 10%, годовой экономический эффект монет составить порядка 100 млн рублей для производства с выработкой 4 млн. т. кокса в год. При этом повышение показателей энергосбережения и экологической чистоты не должно сопровождаться снижением качества получаемого кокса. Одним из показателей качества кокса является показатель его прочности CSR. При увеличении показателя CSR на 1%, годовая экономия в доменных печах может составить 8 тыс. т. кокса или экономический эффект 40 млн. рубле й для производетва с выработкой 4 млн. т. кокса в год.

Работа выполнена в соответствии с энергетической стратегией России на период до 2030 г. (утверждена расшряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г.№ 1715-р).

Цель работы — разработка энергосберегающего и экологически обоснованного техшлогического решения по оптимальной организации системы отопления печи коксования на основе метода ивформащюшю-термодинамического анализа.

Задачи:

- установление оптимального распределения энергетических нагрузок на элементы отопительной системы на основе дискретного ее представления;

- выбор оптимального технологического решения для системы отопления действующего производства;

- разработка математических моделей процесса коксования;

- разработка предложений по оптимальной организации отопительной системы коксового производства с целью повышения качества кокса, минимизации выбросов

оксидов азота и когенерации для обеспечения синергетики эффектов.

3

Научная новизна и полученные результаты.

- впервые с позиции системного подхода на основе информационного критерия макроэнгропии, учитывающей взаимодействие элементов системы отопления печи коксования, было получено оптимальное распределение энергетических нагрузок на основании нулевого шчала термодинамики;

- установлено, что уменьшение нагрузки в отопительных каналах согласно оптимальному щюгнозу связано со снижением температуры процесса коксования до минимальна допустимых значений - 1100°С, что приводит к увеличению времени коксования, ш повышает качество кокса для действующих производств;

- установлено, что уменьшение нагрузки в отопительных каналах и одновременно снижение нагрузки по другим элементам отопительной системы согласно оптимальному прогнозу приводит к необходимости использования принудительной циркуляции дымовых газов с коэффициентами рециркуляции, существенно превышающими существующие коэффициенты для коксовых течей с рециркулящвй;

- установлено, при снижении температуры процесса и увеличении кратности циркуляции значение коэффициента теплоотдачи не уменьшается, что не приводит к уменьшению времени коксования;

- разработано, мультифункциональдае энерготехнологическое решение по организации системы отопления новых коксовых производств на основе совмещения рециркуляции и когенерации, позволяющее существенно снизить выбросы оксидов азота и получить дополнительное количество электроэнергии.

Практическая значимость работы.

- разработаны одномерная и двумерная модели описания теплового процесса коксования, позволяющие прогнозировать качество кокса, адекватюсть которых проверена по данным действующего производства ОАО «Москокс»;

- для действующего производства разработаны рекомендации по снижению температуры в простенках до 1100-1150 °С с увеличением времени пребывания с 18-20 до 25-28 часов, что позволит повысить выход качественного кокса на 20-30% в условиях снижения потребностей в продукции коксового производства;

- разработана новая мультифункцшнальная схема отопительной системы печей коксования, позволяющая без снижения производительности коксовых батарей уменьшить

концентрации в выбросах оксидов азота с 340 мг/м3 до 1 мг/м3 и получить дополнительно до 150 МВт с одной батареи (50 печей коксования).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были обсуждены на XXVL! международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2013».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных работ, в том числе 3 статьи в журнале, включенном в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений Общий объем работы включает 129 страниц, содержит 11 таблиц, 19 рисунков, список литературы из 137 наименований, 15 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора объекта исследования, постановки задачи и выбора метода исследования. В качестве основного теплонапряженного и экологически опасного объекта исследования КП выбрана система отопления печи коксоваиия. Сформулирована цгль и задачи диссертационной работы.

В первой главе представлен литературный обзор, систематизирующий научные и практические работы в области оптимальной организации коксового производства. Приведен краткий анализ возможных научных подходов к решению поставленных задач и обосновано применение метода информационпо-термодшшмического подхода к выбору оптимальной организации системы отопления печи коксования. В соответствии с методологией принятого подхода представлен объект исследования (рис.1) и выделены его элементы - подсистемы. Рассмотрено понятие "качество кокса" и его современное практическое определение (CSR, CSI).

Во второй главе проведен расчет материального и теплового балансов схемы отопления иечи коксования (рис. 1), данные которых являются основанием для выбора оптимального распределения энергии в соответствии с методологией информационно-термодинамического анализа (ИТА). ИТА технологических систем предполагает представление современных химических производств как систем переработки информации, содержащейся и переносимой технологическими потоками В ИТА предполагается двухуровневое представление ХТС.

Соответственно, выделяют 2 вица информации: макро- и микроинформация. Принимая во внимание, что в исходной задаче оптимизации системы отопления выделяются макроскопические подсистемы (процессы), задача будет решаться только на макроуровне на основании поиска оптимального согласования подсистем в соответствии с нулевым началом термодинамики.

Рис 1. Схема отопления печи коксования (1,4 - регенератор; 2,3 - отопительный канал, 5 -

боров+труба)

Макроуровень представлен совокупностью выделенных элементов, характеристиками которых являются средние уровни внутренней энергии <Ц> (I — 1,2,...,п). Вероятностный характер описания макроуровня позволяет анализировать бесконечно большое количество вариантов распределения энергии между подсистемами в рамках замкнутой (по исходным постулатам) термодинамической системы, отображающей отопительную систему печи

коксования. Характеристикой, описывающей возможные варианты распределения энергий меаду подсистемами является макроэнгропия.

I

Макроэнтропия выражается через весовые коэффициенты, учитывающие в вероятностном виде флуктуации среднего энергетического уровня подсистем (процессов) по отшшению к уровню системы в целом в виде.

WM = -2iniinni, i = l,2,...,N, (1)

где rij - весовыз коэффициенты, рассчитываемые на основании зависимости:

щ = ехр (-—), (2)

щ = ехр(-CVi(AT3//2RT32), (3)

где <Ц> - средний энергетический уровень элемента схемы; RT3- уровень энергии ХТС в целом.

Для поиска оптимального решения воспользуемся методом неопределенных множителей Лагранжа и запишем постановку задачи оптимизации в виде максимизации функции (1) при наличии ограничений типа равенств (5 и 6).

Нм = —1пщ~* max (4)

с ограничениями: 1^ = 1, (5) П; '< Ui >= < Uc >. (6)

Поиск оптимальных весовых коэффициентов приводит к следующему выражению:

<щ>

nr-"*"^. i = V...N. (7)

^¡ехр(-—)

В свою очередь на основании оптимальных значений могут быть определены оптимальные уровни энергии, вычисленные в масштабе 1 моль (кмоль).

ДГЭ7С = ■ 2й] /С„л. (8)

На рис. 2 представлены результаты прогноза оптимального распределения энергии между подсистемами.

Данные на рис.2 представляют собой результаты объективной тенденции взаимодействия подсистем вне зависимости от физико-химических особенностей протекающих процессов. В силу этого задачей следующего этапа является технологическая интерпретация полученных результатов применительно к системе отопления печи коксования.

Рис. 2. Диаграмма распределения начальных ("серый") энергетических уровней и оптимальных ("черный").

Рассмотрим полученный прогноз с позиции изменения положения каждого энергетического уровня.

1) По прогнозу среднего энергетический уровень процесса 1 (подогрев воздуха в регенераторе) уменьшается.

В предшествующих работах по ИТА было показано, что этого можно достичь следующим:

- уменьшением мольной доли штока воздуха (Х;);

- уменьшением конечной температуры воздуха (Тср{).

2) По прогнозу средний энергетический уровень процесса 2 (вертикал на огне) также уменьшается. В соответствии с зависимостью (6) это может быть достигнуто:

- уменьшением мольной доли штока воздуха в соответствии с п. 1(Хг);

- уменьшением шчалыюй температуры воздуха (Тср ¡);

- уменьшением конечной температуры дымовых газов (Гср^).

3) ГЬ прогнозу средний энергетический уровень провеса 3 снижается.

Это снижение достигается при выполнении условий в.п.2.

4). По прогнозу средний энергетический уровень процесса 4 уменьшается, что согласуется, ввиду связанности процессов в едигом энергоблоке, с предшествующими технологическими приемами по п. 1,2.

5). По прогнозу средний энергетический уровень процесса 5 снижается, что указывает на необходимость более полюй рекуперации теплоты дымовых газов.

Напомним, что положение среднего термодинамического уровня преобразован™ определяется мольной долей штока до узла смешения или шеле узла разделения, которая принимается равной единице для максимального значения мольного расхода готока, а также значениями температур на входе и выходе элеме1гга отопнтелыюго тракта.

Если принять, что уменьшение среднего уровня энергии первого преобразования (подогрев воздуха в регенераторе) обусловлено исключительно уменыпешкм мольной доли потока воздуха по отношению к потоку, мольная доля которого принята за 1, а второго и третьего преобразований (отопительные каналы на огне и нисходящая сторона) -обуслэвлены уменьшением средних температур, поскольку молыия доля этих потоков всегда равна 1 (максимальный мольный расход), то согласовать результаты прогноза, возможно только, если увеличить кратность рециркуляции дымовых газов, до существенно больших, чем принято, значений, что принципиально отличается от способа простого удлинен™ факела путем частичной рециркуляции потока дымовых газов.

Данная технологическая иптепретация результатов прогноза вызывает необходимость исследования параметров процесса коксования и качества кокса. Будем представлять это исследование в двух аспектах: для действующего и нового КП.

В третьей главе рассматриваются вопросы влияния температурного режима на качество кокса на основе разработанных одномерной и двумерной модели процесса коксования. Для действующих производств внесение конструктивных юменений в конструкцию коксовых печей невозможно, в силу чего проводится анализ изменения качества кокса только при уменьшении темперагуры процесса коксования (в простенке) до минимально возможных значений. Для новых производств при минимальных затратах на

модернизацию в качестве дополшггелыюго фактора рассматривалась полуширина камеры коксования (Ь).

Критерием оценки являлся максимальный выход «качественного кокса», где год «качественным коксом» понимается кокс на выходе, температурное состояние которого соответствует интервалу 950-1090 "С.

На рис. 3. представлена одномерная модель цзоцгсса коксования. В основе даншй модели лежит уравнение нестащюнарной теплопроводности, с тремя граничными условиями (факел-стенка, стенка-пирог и ось.), начальными условиями для стенки и пирога и двумя допущениями: модель не учитывает усадку, температура в простенке ш высоте и времени усреднена. При расчете уравнений была выбрана консервативная схема, устойчивость которой обеспечивал минималыплй шаг го времени.

Модель была численно реализована в среде МаЙ1са(1 Адеквапюсть одномерной модели была проверена на основе данных, полученных на ОАО «Москокс».

Результаты расчета по одномерной модели представлены в табл.1 и на рис.4 и5. Из полученных результатов видно, что наибольшая производительность «качественного кокса» (условный м7ч) соответствует наиболее "жесткому" режиму:

температура в простенке 1300 в, полуширина камеры 0,2 м. Однако, этому же режиму соответствует самый низкий объем выдачи «качественного кокса». Зависимости имеют линейный характер, поэтому выводов го изменению выхода «качественного кокса» сделать не удается.

Таблица 1. Результаты Ш-моделирования.

Ь, м Г„р.-1000С ТкокиСпр.-^.Ч. ^выгрСпр'^). м3/ч мЗ

оу. 1,1 23,6 1 0,415 9,6

1,15 20,7 0,931 0,431 8,9

1Д 18,3 0,852 0,447 8,1

1Д5 16,2 0,782 0,462 7,5

13 14,4 0,72 0,478 6,9

0Д25 1Д 28,6 0,974 0,368 10,5

1,15 25,1 0,888 0,382 9,5

1,2 22,1 0,812 0396 8,7

1,25 19,6 0,746 0,41 8,0

13 17,5 0,687 0,423 7,4

0,25 1,1 33,9 0,934 033 11,2

1,15 29,8 0,851 0,342 10,2

12 26,3 0,778 0,355 9,3

1,25 23,3 0,715 0367 8,5

13 20,8 0,658 038 7,9

03 1,1 44,7 0,867 0,273 12,4

1,15 40,1 0,79 0,284 11,3

и 35,3 0,723 0,294 10,4

1,25 31,3 0,664 0304 9,5

13 27,9 0,612 0315 8,8

Для получения богее точного прогноза выхода качественного кокса была построена двумерная модель процгсса (рис.6). Принципиальное отличие двумерной (2Б) от одномернэй модели (Ш) заключается в основном допущении к последней - усреднение температуры в простенке по высоте и времени. Для 20-модели уже необходимо рассматривать распределение температуры в простенке по высоте.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ КАЧЕСТВЕННОГО КОКСА>

Рис. 4. Зависимость производительности «качественного кокса» от полуширины камеры коксования и температуры в простенке

Рис. 5. Зависимость объема выдачи «качественного кокса» от температуры в простенке и полуширины камеры коксования

Адекватность двумерной модели была проведена на основании практических данных, представленных американским исследователем ваШе! (Кривая ОаШе1:). Результаты расчета но 20 - модели представлены на рис. 7 и 8.

Рис. 6. Двумерная математическая модель процесса коксования Данные, представленные па рис. 7 и 8 отличаются нелинейными зависимостями, из которых можно сделать вывод, что температурный режим коксования в соответствии с прогнозом (1100°С) является предпочтительным, что наглядно видно на рис. 9. По результатам модельных расчетов представлены зависимости выхода качественного кокса и прогнозируемое изменение параметра прочности кокса от температуры процесса, которые указывают на необходимость снижения температуры в тростенке на действующих коксовых печах.

Рис. 7. Сравнение результатов моделирования (Ши 20) для полуширины камеры

коксования 0,225 м. по производительности «качественного кокса»

13

Рис. 8. Сравнение результатов моделирования (Ш и2Б) для полуширины камеры коксования 0,225 м. по объему «качественного кокса»

ПРИ ПОВЫШЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОСТЕНКЕ ЗНАЧИТЕЛЬНО УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ДОЛЯ НЕКАЧЕСТВЕННОГО КОКСА.

Ь камеры = 0,225 М. т кокс = 28,6 ч. Средняя температура в простенке = 1102 6. Средняя температура по оси = 1045 б.

Ь камеры - 0,225 м. Т кокс. = 22 ч. Средняя температура в простенке = 1202 б. Средняя температура по оси = 1074 б.

Ь камеры - 0,225 м. т кокс. = 17,5 ч. Средняя температура в простенке = 1292 б. Средняя температура по оси = 1027 б.

- некачественный кокс.

1ЯМ

№641Хм«д2алио.9а;

Рис. 9. Результат 2Э-моделирования для трех разных режимов

В четвертой главе разработано техническое предложение по оптимальной организации системы отопления печи коксования для новых ЮЛ, основанное на более полной интерпретации результатов оптимального прогноза.

На основании численного анализа влияния увеличения кратности рециркуляции потока дымовых газов при одновременном снижении температуры в простенке было показано, что коэффициент теплоотдачи от газа к стенке не уменьшается, поскольку увеличение конвективной составляющей больше, чем уменьшение лучистой составляющей. Показано, что увеличение кратности рециркуляции приводит к снижению градиента температур да высоте отопительного канала, тем самым решается одна из основных проблем процесса коксования - равномерность прогрева коксового пирога.

Для создания мультифункциональной системы отопления с минимальными концентрациями оксидов азота и выработкой дополнительной энергии (когенерацией) предложена схема на рис. 10 на основе совмещения цикла Брайтона и цикла Ренкина.

Рис, 10. Принципиальная схема мультифункциональной системы отопления печи коксования (с когенерацией) Обозначения: Г, ЦК, ВК, КС, ГТ - компрессор коксового газа, циркуляционный компрессор, воздушный компрессор, камера сгорания, газовая турбина, соотвественвд.

Расчеты кинетики образования оксида азота показали, что при разделении потока воздуха на рециркулирующий первичный (на процесс коксования), и вторичный (на выработку энергии) позволяют на порядки снизить концентрации оксида азота в отходящих газах КП (за счет снижения температуры в контуре), обеспечить повышенный выход качествешюго кокса при тех же временах коксования и выработать дополнительно 2,9 МВт электроэнергии в расчете на одну печь.

В табл.3 представлен энергетический балаж данной схемы.

Также стоит отметить, что предложенное принципиальное технологическое решение приведет к гоменешпо конструкции печи коксования, хотя бы потому, что согласно принципиальной схеме, печь необходимо располагать горизонтально (нет потребности в вертикальном обогреве). Таким образом, с точки зрения применения горизонтальных печей и определенного их расположения, ближайшим аналогом для реализации является система коксовых печей ТКЕК компании Thyssen Krupp. По предварительной оценке инвестиционный проект с процентной ставкой 17-20% годовых может оцениваться в сумме порядка 30-40 мли$, со сроком окупаемости 5-6 лет.

Таблица 3. Суммарный баланс мощности в зависимости от давления.

Р. МПа Т„К г Q. МДж/ч Средний коэффициент теплоотдачи, кДж/ч-К-м2 Т„, К Cno, мг/м3 Т,„, К Nu, МВт МВт Nv, МВт

конвекцией излучением

03 495,6 0,839 694,11 30,23 371,54 1646,5 2,4 996,9 0,0649 0,0284 0,0933

0,5 570,7 0,839 814,93 30,16 450,73 1663,1 0,63 878,7 0,0812 0,0226 0,1038

0,7 627,4 0,839 909,66 30,08 516,99 1674,7 0,22 804,1 0,0842 0,0191 0,1033

03 496,1 1,?58 673,76 34,14 369,69 1595,4 2,45 999,2 0,0589 0,0285 0,0874

0ß 571,5 1,258 789,56 34,05 449,01 1605,1 0,65 882,2 0,0757 0,0228 0,0985

0,7 628,4 1,258 879,92 33,97 514,72 1611,6 0^3 808,6 0,0792 0,0193 0,0985

Примечание. полезная мощность газотурбинного цикла Брайтона, Ицр мощность цикла Ренкиш, Ы^, общая полезная мощность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые m основе нулевого шчала термодинамики и макроскопического описания системы отопления печи коксования было получено оптимальное решение по распределению энергии между элементами системы, указывающее на необходимость снижения энергетических уровней процессов.

2. Предложены варианты оптимальной организации системы отопления печи коксования путем уменьшения температуры в простенке до минимальных значений (1100°С) и введения принудительной рециркуляции потока дымовых газов с большими коэффициентами рециркуляции.

3. Разработаны адекватные математические модели процесса коксования, позволяющие прогнозировать выход качественного кокса в зависимости от температуры в простенке и ширины коксовой камеры, в результате чего было доказано, что выход качественного кокса увеличивается с понижением температуры в простенке.

4. Установлена взаимосвязь степени рециркуляции и снижения температуры в простенке и некоторыми показателями процесса (интенсивность теплообмена, количество передашюй теплоты) и показано, что шггепсивность теплообмена (коэффициент теплоотдачи) не уменьшается при незначительном снижении количества передашюй теплоты

5. Проведен анализ зависимости концентрации оксида азота в отходящих газах КП от температуры в простенке и коэффициента избытка воздуха, результаты которого использовались при разработке новой мультифупкционалыюй системы отоплений печи коксования.

6. Предложен новый вариаш- мультифункциональюй системы отопления печи коксования, обеспечивающий синергетический эффект от совокупности достигаемых показателей: повышение выхода качественного кокса, снижение выбросов оксида азота, дополнительная выработка электроэдаргии до 150 МВт на одну батарею (50 печей коксования).

Основное содержание работы опубликовано в работах:

1. Налетов А.Ю., Шишанов М.В. Информационно-термодинамический анализ энгргоблоков на примере производства кокса //Кокс и Химия. - 2012.- №1.- С. 39-44.

2. Шишанов М.В., А.Ю. Налетов, Налетов В.А. Оптимальная организация технологической схемы производства кокоса на основе информациошю-

17

термодинамического принципа. 1. Механизм реализации оптималыюго прогноза режимов работы отопительного тракта коксовой печи на основе теории рециркуляции И Кокс и Химия. - 2012.- №9,- С. 9-13.

3. Налетов АЮ., Налетов В.А., Шишанов М.В. Оптимальная организация техюлогической схемы производства кокоса на основе информационно-термодинамического принципа. 2. Уменьшение выбросов оксидов азота и когенерация в схеме обогрева кокса потоком газа с рециркуляцией// Кокс и Химия. - 2012.- №10.- С. 3037.

4. Налетов А.Ю., Шишанов М.В. Применение информационно-термодинамического анализа к отопительной системе печи коксования и возможная технологическая интерпретация полученных результатов // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXVII, №4 (144) - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеев, 2013. - С. 29-34

Подписано в печать:

14.11.2013

Заказ № 9103 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

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

На правах рукописи

04201451724 Шишанов Михаил Валентинович

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОКСОВОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Специальности:

05.17.07 - химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Налетов А.Ю.

Москва - 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение. Актуальность проблемы и постановка задачи исследования...2 Глава_1. Аналитический обзор литературы. Поиск алгоритма/метода

решения поставленных задач.................................................................................8

1.1. Хронос как предпосылка...........................................................................8

1.2. Информационное описание ХТС............................................................16

1.3. Эксергетический анализ в качестве альтернативы.............................27

1.4. Система отопления печи коксования - объект исследования..........31

1.5. Определение <качество кокса>..............................................................41

Выводы по Главе_1..............................................................................................48

Глава_2. Проведение информационно-термодинамического анализа (ИТА)......................................................................................................................50

2.1. Материальный баланс..............................................................................50

2.2. Тепловой баланс.......................................................................................55

2.3. Информационно-термодинамический анализ.....................................62

Выводы по Главе_2...............................................................................................71

Глава_3. Оптимальная организация отопительной системы действующих коксовых производств (первая интерпретация).............................................72

3.1. Одномерная ММ процесса коксования.................................................75

3.2. Двумерная ММ процесса коксования...................................................85

Выводы по Главе_3...............................................................................................92

Глава_4. Оптимальная организация системы отопления печи коксования для новых коксовых производств {вторая интерпретация)...............................94

4.1. Принудительная рециркуляция как фактор понижения среднего термодинамического уровня.......................................................................95

4.2. Уменьшение выбросов оксидов азота...............................................101

4.3. Мультифункциональная система (МЭС) отопления печи коксования............................................................................................................109

Основные выводы................................................................................................117

Основное содержание работы опубликовано в работах...............................119

Список литературы..............................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. Актуальность проблемы и постановка задачи исследования

Изначально, когда объектом исследования выбиралось коксохимическое производство (КХП), естественно ни о каких "особенностях модернизации металлургии России" и "глобализации металлургического производства" не имелось в виду. КХП общепринято считается частью металлургического комплекса и, как следствие, логика двух вышеуказанных тенденций должна проецироваться и на данную подотрасль. Так, например, на момент написания работы по инициативе Европейской Комиссии была разработана платформа ESTEP (European Steel Technology Platform) с определенной целью: обеспечить широкомасштабную поддержку европейской черной металлургии (15% мирового производства стали) для ее устойчивого и конкурентного развития на период до 2030 г. [1, интернет-список] В составе платформы ESTEP выделяется множество центральных положений и проектов, но с КХП их объединяет только "главный фактор повышения экономической эффективности производства и бизнеса" - разработка и внедрение малоотходных ресурсосберегающих технологий.

Теперь, если вернуться, к теме металлургии России и грядущей глобализации, то выясняется (со ссылкой на [1, интернет-список]), что на территории РФ и постсоветском пространстве (например, Украина) КХП более не является частью металлургического комплекса. Теперь существует три самостоятельные подотрасли - металлургическая, коксохимическая и угольная. И значительную часть получаемого кокса КХ предприятия реализуют на экспорт, т.к. экспортная цена превышает внутреннюю, тем самым создавая внутренний дефицит.

Несомненно, со временем все финансово-промышленные группы стремятся замкнуть цикл "уголь-кокс-руда-металл". Но даже при достижении данной цели, металлургические предприятия получают возможность лишь уменьшить издержки на закупку сырья (кокс), т.к. в рамках финансовых групп не предполагается разработок программ аналогичных платформе ESTEP. Таким образом, на данный момент приходится говорить о том, что КХП является самостоятельной отраслью, которая только экономически вплетена в цикл "уголь-кокс-металл". Это означает, что связывать актуальность разработки и внедрения "гибких технологий" (энерго- и ресурсосбережения) для КХП с важностью решения данных задач в рамках металлургического комплекса не имеет смысла. Ни экономического, ни логического.

Исходной посылкой для того, чтобы выбрать КХП в качестве объекта исследования, стало то, что КХП характеризуется не-инженерными словами как "сложное" и "грязное". "Сложное" с точки зрения высокой энергоемкости производственных процессов и "грязное" с точки зрения повышенной экологической опасности. Высокое энергопотребление приоритетно.

При поиске любого решения разумно спросить: а на каком уровне мы хотим его искать? В зависимости от ответа можно прийти к совершенно разному решению. [1]

Современное КХП представляет собой химико-технологическую систему (ХТС). Систему, которую нужно рассматривать как объект с иерархической структурой. Соответственно, выделяют 2 подхода: системный, учитывающий взаимодействие элементов системы, и частный, отвечающий за эффективность в рамках одного элемента. Согласно принципу создания экотехнологий: системный подход (макроскопический) в повышении эффективности ХТС превалирует над повышением эффективности отдельных ее элементов. [2]

До настоящего времени КХП не рассматривали с позиции системного подхода. Такого подхода, который позволяет выделять различные уровни описания системы и оценивать приоритет этих уровней в решении общих задач.

Метод/подход, который позволяет рассмотреть ХТС с точки зрения ее "неустроенности", тем самым вскрыть возможности системы в повышении ее эффективности, есть информационно-термодинаммический анализ (ИТА). [3]

Если провести декомпозицию технологической схемы по среднему энергетическому уровшо, то топологию КХП можно разбить на следующие подсистемы: схема подготовки сырья, сам процесс коксования, выгрузка и тушение кокса, блок улавливания и очистки отходящих газов. Каждому из этих этапов соответствует своя технологическая схема и по степени консервативности производства (технически устаревших мощностей) требует отдельного рассмотрения.

Производство кокса является наиболее энергоемким звеном коксохимического предприятия, поскольку использует до 70% всего объема топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Одновременно с этим коксовое

производство (КП) относится к числу экологически опасных производств. Среди основных выбросов можно выделить: пыль, оксиды азота, диоксид серы, монооксид углерода, аммиак, фенол/бензол, сероводород, цианистый водород; бенз[а]перен (класс опасности 1, т.е. накапливается в организме и приводит к онкологическим заболеваниям). Основными процессами, в которых используются ТЭР в процессе коксования, являются процессы отопительной системы, напрямую связанные с эффективным использованием коксового газа. При уменьшении энергоемкости получения кокса, например, на 10%, годовой экономический эффект может составить порядка 100 млн. рублей для производства с выработкой 4 млн. т. кокса в год. При этом повышение показателей энергосбережения и экологической чистоты не должно сопровождаться снижением качества получаемого кокса. Одним из показателей качества кокса является показатель его прочности СБЛ. При увеличении показателя С8Я на 1%, годовая экономия в доменных печах может составить 8 тыс. т. кокса или экономический эффект 40 млн. рублей для производства с выработкой 4 млн. т. кокса в год.[4]

В данной работе объектом исследования выбрана система отопления печи коксования, в качестве самого теплонапряженного, энергетически затратного и экологически опасного участка КХП.

Цель работы - разработка энергосберегающего и экологически обоснованного технологического решения по оптимальной организации системы отопления печи коксования на основе метода информационно-термодинамического анализа.

Задачи:

- установление оптимального распределения энергетических нагрузок на элементы отопительной системы на основе дискретного ее представления;

- выбор оптимального технологического решения для системы отопления действующего производства;

- разработка математических моделей процесса коксования;

- разработка предложений по оптимальной организации отопительной системы коксового производства с целью повышения качества кокса, минимизации выбросов оксидов азота и когенерации для обеспечения синергетики эффектов.

Работа состоит из ВВЕДЕНИЯ, 4-х глав, в конце каждой из глав, Выводов, 17 расчетных Приложений и Заключения, которое проведет

границу в развитии мысли, т.к. претендовать на полноту и конечность данной работы не уютно и не обязательно.

Для удобства чтения каждую главу сопроводим кратким изложением ее содержания. Это делается по нескольким причинам. Во-первых, контролировать развитие мысли самому автору, тем самым избежать наполнения работы избытком текстового самолюбования. Во-вторых, писать работу, структуру смысла которой нельзя понять без подробного вчитывания, значит также проявлять научный снобизм. В-третьих, пожалуй самое очевидное, отсутствие свободного времени в силу того, что мы и так живем в эпоху "неизвлеченного смысла". [5]

В первой главе

о На основе работ известного современного философа А.П. Левича [7] было показано и сформулирована научная потребность в новом способе описании систем. Приведен отвечающий данному запросу формализм Джейнса. Качественно, метафизически и математически, показано различие в описании систем антропоморфных и естественных. Дан аналитический обзор описания антропоморфных систем в рамках развивающейся "теории информации", в Сформулированы основные положения тезиса: ХТС как информационная система. Постановка задачи и ее решение ^оптимизация) - координирующий алгоритм. Рассмотрен основной способ расчета весовых коэффициентов, указаны основные недостатки. Предложен авторский вариант расчета. Приведен аналитический обзор по эксергетическому методу в качестве альтернативного варианта, в Рассмотрен объект исследования - система отопления печи коксования. Дано современное состояние печного фонда РФ. Приведены основные способы отопления коксовой батареи, на основе чего составлена универсальная схема вертикального обогрева, о Приведен аналитический обзор по расчету материального и теплового

баланса элементов системы отопления печи коксования, о Рассмотрено такое понятие, как "качественный кокс" и основные факторы влияния. Сформулирован тезис качественный кокс> с целью использования данного термина в разработке ММ теплового процесса коксования.

Во второй главе

© На основе материального и теплового баланса системы отопления печи коксования составлена ММ, которая позволяет получать температуру на входе и выходе из элемента. ММ, реализованная на базе пакета программ МаШсаё 14.0, позволяет варьировать исходные производственные данные, тем самым получать данные для любых производственных условий (имеется в виду, вертикальный обогрев).

© Проводится ИТА, в результате чего получаем оптимальное распределение средних энергетических уровней. Прогноз абстрагируется от специфики технологических процессов, поэтому встает задача технологической интерпретации полученного результата.

в Рассматриваются механизмы технологической интерпретации для уже-действующего производства и нового. Для уже-действующего - за счет снижения температуры в контуре. Для нового - за счет рециркуляции (изменение мольного соотношения). Каждое изменение требует согласование с технологическими ограничениями. Основные для коксового производства - это обеспечение необходимого теплового потока и не ухудшение "качества кокса". В последнем, рассматривается влияние технологических параметров процесса коксования.

В третьей главе

® Рассматривается первая технологическая интерпретация для уже-действующих производств — снижение температуры по контуру. При этом существуют технологические ограничения - тепловой поток, <качество кокса>.

® Для того чтобы учесть данные ограничения, разрабатывается ММ теплового процесса коксования как одномерная, так и двумерная.

В четвертой главе

в Рассматривается вторая технологическая интерпретация для новых производств - за счет принудительной рециркуляции.

о Принудительная рециркуляция влечет за собой конструкционные изменения. Также учет вторичных источников тепла + проблема выбросов оксидов азота. В результате разработка мультифункциональной системы (МЭС) [6] с когенерационным эффектом.

"Тот, кто мыслит, производит сегодня не мысли, а тексты." ©Ф. Гиренок

Глава_1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Хронос как предпосылка.

Чтобы раскрыть научную потребность в формулировке нового способа описания систем, прежде всего для ХТС, в начале аналитического обзора буду следовать работе автора [7]. Ровно до того момента, когда необходимо будет определяться с качеством объекта исследования. Потому как в этой работе автор наиболее полно сформулировал эту потребность для биологических и социальных систем, в качестве метода исследования.

В мире нет объектов, есть лишь процессы. Абстракция (= идеализация) этих процессов есть объект. Элементарные объекты - множества со структурой. Структурированная совокупность элементарных объектов есть система. Неопределенность структуры данной совокупности задает пространство состояний системы.

Основная задача теоретического знания - формулировка фундаментальных законов изменчивости систем. Системы бывают антропоморфные и естественные (природные). Существует два способа описания изменчивости систем: уравнения движения и экстремальный принцип. То есть построение с помощью постулатов-уравнений или постулатов-функционалов. Как правило, два этих описания эквивалентны друг другу в форме уравнений Эйлера-Лагранжа (вариационный метод).

Открытие экстремальных принципов позволило подойти к законам природы (=естественные системы) не только "снизу", путем индукции, обобщения фактов, но и "сверху", путем дедукции от экстремальных принципов. Л. Эйлер считал, что для этого нужно только путем общих "метафизических" рассуждений найти ту величину, которую "экономит" природа в данной области (то есть "целевую функцию", "функционал") и сформулировать соответствующий принцип. В скрытом виде этот принцип содержит все нужные законы, и получить их в явном виде - дело простой математической ловкости.

Ни самому Эйлеру, несмотря на простоту принципа, ни тем, кто пытался следовать за ним, так и не удалось ничего реализовать. Причина проста - не существовало на тот момент (середина 18-го, начало 19-го века) никакого регулярного метода для отыскания экстремизируемой величины. Программа Эйлера была заброшена.

Позже (начало и весь 20-й век), без лишней рефлексии, наука вернулась к идеям экстремальности. Широкое распространение в науках

гуманитарного и естественного профиля получил принцип максимума энтропии.

Основная проблема в применении этого принципа тогда, как и сейчас, состоит в отсутствии "явных процедур для сопоставления каждой из исследуемых систем адекватного ее природе энтропийного функционала ("Ни Томпосн, ни Клаузиус не указали точный рецепт, позволяющий выразить изменение энтропии через наблюдаемые величины" И.Пригожин)".

Поэтому обычная практика при работе с принципом максимума энтропии состоит в постулировании для исследовательской системы какого-либо аналога формул Больцмана или Шеннона. И наиболее последовательно указанная тенденция проявляет себя, в так называемом, формализме Джейнса:

1. Сопоставить допустимым состояниям системы определенные значения вероятности их реализации.

2. Сформулировать в виде равенств ограничения на макропараметры системы (например, законы сохранения энергии, режимные параметры и т.д.).

3. Отыскать равновесное состояние системы методом множителей Лагранжа как решение задачи на условный максимум с функционалом в форме шенноновской энтропии.

Появившись в конце 60-х годов прошедшего века, формализм Джейнса прошествовал по многим областям знания, добавив к проблеме обосн