WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Петин Сергей Николаевич

РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ

ЭНЕРГО И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОГО

ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА НА БАЗЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА
И КОМБИНИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Специальность 05.14.04. – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре ЭВТ (кафедра энергетики высокотемпературной технологии).

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

профессор, доктор технических наук

Ключников Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулешов Николай Васильевич

кандидат технических наук, профессор

Селезнев Николай Прохорович

Ведущая организация: «Институт ВНИИПромгаз» ОАО «Газпром промгаз»

Защита состоится 23 апреля 2009 года в 15 час. 30мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.10

к.т.н., доцент Попов С.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с нарастанием проблем в области экологии и изменения климата внимание концентрируется на поисках более экологически чистых источников энергии, способных обеспечить снижение негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. Большое значение в этой связи придается использованию водорода как экологически чистого энергоносителя. Огромный вклад в развитие водородной энергетики в нашей стране внесли исследователи организаций: Институт водородной энергетики и плазменных технологий, ФГУ Российский научный центр «Курчатовский институт», Московский энергетический институт (ТУ) (каф. ХиЭЭ); ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша», Институт катализа им. Г.К. Борескова, Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина, Институт проблем химической физики, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (физический и химический факультеты), Институт электрофизики Уральского отделения РАН и другие научно-исследовательские организации страны.

Одной из наиболее актуальных проблем производства водорода является его высокая энергоемкость, что в значительной степени нейтрализует экологические и энергетические преимущества водорода.

Прогнозная оценка мирового потребления водорода на период до 2100 года составляет 800 млн. тонн в год, что в примерно 16 раз больше современного мирового уровня потребления. Основными потребителями водорода станут: автомобильный транспорт, химическая промышленность, топливный комплекс, а также металлургическая промышленность. Потребление водорода в металлургической промышленности будет способствовать повышению качества конечных продуктов, а также созданию новых прогрессивных энергосберегающих способов производства металла.

Существующий широкий комплекс исследовательских работ, ориентированный на проблему производства водорода, включает в себя совершенствование действующего оборудования и создание ядерно-технологических водородных комплексов. Вместе с тем имеются значительные резервы энергосбережения и повышения экологической эффективности при производстве водорода на базе термического разложения природного газа при комбинировании с теплотехнологическими системами предприятий черной металлургии.

Цель работы. Выявление перспектив существенного повышения энергетической и экологической эффективности крупномасштабного производства водорода на базе термического разложения природного газа.

Основные задачи работы. Указанная цель достигается на базе решения следующих задач:

1) проведение сравнительного энергетического и экологического анализа действующих систем производства водорода;

2) определение сравнительных характеристик и перспектив возможных новых способов производства водорода на базе природного газа;

3) оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на базе комплексного использования природного газа и комбинирования технологических процессов в теплотехнологическом комплексе черной металлургии.

Методика проведения исследований. Формирование общего метода решения энергетических и экологических задач производства водорода основывается на положениях концепции интенсивного энергосбережения, разработанной А.Д. Ключниковым. При этом концептуальная логика поиска перспективных моделей основывается как на базе, так и на алгоритме поиска.

База поиска включает: 1) объект - замкнутые теплотехнологические комплексы производства водорода; 2) ориентир – «не достигнутое», а «принципиально возможное», формируемое в рамках термодинамически идеальной модели объекта и энергетически идеальной технологии с экстремальными источниками энергии и экстремальной тепловой схемой; 3) средства - предельно полный состав мероприятий интенсивного энергосбережения; 4) критерии – система показателей энергетической и экологической эффективности объекта.

Укрупненными этапами алгоритма поиска являются: 1) диагноз энергетической и экологической эффективности и прогноз потенциала интенсивного энергосбережения действующих объектов производства водорода; 2) определение перспективных характеристик дальнейшего совершенствования действующих объектов производства водорода; 3) разработка перспективных моделей объектов нового поколения для производства водорода.

Научная новизна работы заключается в следующих основных моментах:

    • Методология интенсивного энергосбережения впервые применена к решению задач энергетически и экологически эффективного крупномасштабного производства водорода.
    • Впервые производится сравнительный анализ полной энергоемкости и полного совокупного выхода диоксида углерода для действующих систем производства водорода.
    • Разработана перспективная модель с высокой энергосберегающей и экологической эффективностью крупномасштабного производства водорода на базе использования природного газа и комбинирования технологических процессов в черной металлургии.

Практическая ценность работы заключается в результатах проделанной работы, которые могут быть использованы при разработке систем производства водорода, систем для термического разложения природного газа, а также при разработке энергосберегающих мероприятий в черной металлургии. К их числу можно отнести:

  • способы и полезные модели устройства для термического разложения природного газа;
  • схема производства водорода, основанная на комплексном использовании природного газа при комбинировании технологических процессов черной металлургии;
  • разработка путей безотходного производства конвертерной стали;
  • результаты исследования экстремальных источников энергии могут быть использованы для разработки энергосберегающих теплотехнологических объектов;
  • программное средство учебного назначения может быть использовано в учебном процессе технических вузов, обучающих по направлениям 140100 «Теплоэнергетика», 150100 «Металлургия».

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Предложенные пути повышения энергетической и экологической эффективности производства водорода.
  2. Методы и результаты энергетического и экологического анализа действующих и альтернативных способов производства водорода и оценки энергосберегающей и экологической их эффективности.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Втором Международном симпозиуме по водородной энергетике, ГОУ ВПО МЭИ(ТУ) (12 ноября 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго– и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (1721 декабря 2007 г.); Четырнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» ГОУ ВПО МЭИ (ТУ) (2829 февраля 2008 г.); Международной конференции «Энерго– и ресурсосбережение в металлургии» ООО «Теплоэнергетик» (2829 апреля 2008г.); Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2008 (1620 сентября 2008 г.); Четвертой Всероссийской школе-семинаре «Энергосбережение, теория и практика» ГОУ ВПО МЭИ (ТУ) (2024 октября 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 публикациях, в том числе в 1 статье журнала из перечня ВАК, в 1 патенте на изобретение и 2 патентах на полезные модели.

Объём и структура работы. Материал диссертации изложен на 157 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения в виде коротких выводов, списка литературы из 102 наименований, содержит 68 иллюстраций, 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблем энергосбережения и экологической чистоты производства водорода для использования его в качестве топлива. Приводятся прогнозные оценки потребления водорода в ближайшем столетии. Описывается проблема глобального потепления, связанная с выбросами парниковых газов в атмосферу. Отмечаются причины низкой энергетической и экологической эффективности действующих систем производства водорода. Обосновывается использование концепции интенсивного энергосбережения – новой методической базы поиска и разработки перспективных моделей теплотехнических комплексов для производства водорода. В отличие от традиционных мероприятий энергосбережения мероприятия интенсивного энергосбережения ставят перед собой задачу достижения одномоментного, предельно высокого, крупномасштабного энергосберегающего эффекта. Это достигается на базе системного энергетического анализа производственных комплексов и на основе изменения, в общем случае, принципиальных основ технологии, техники, управления, повышения полноты использования конечного продукта. Сформулирована цель и задачи работы.

В первой главе приводится анализ энергетической и экологической эффективности производства водорода в условиях действующих систем и в условиях термодинамически идеальных моделей (ТДИМ) методами электролиза и пароводяной конверсии природного газа (ПВК) в границах действующих замкнутых теплотехнологических комплексов (ЗТТК).

Сравнительный анализ уровня энергоиспользования и прогноз резерва интенсивного энергосбережения проводится на основе критериев энергетической эффективности, разработанных на кафедре ЭВТ МЭИ(ТУ) в рамках концепции интенсивного энергосбережения.

Критерии энергоиспользования и энергетической эффективности включают:

а) Энергоемкость действующей технологии производства водорода (кгу.т./м3(Н2)) аналогично и для ТДИМ, представляется в виде:

(1)

Здесь: – видимый удельный расход природного газа в качестве сырья, м3/м3(Н2); – энергоемкость природного газа, кг у.т./м3; – видимый удельный расход топлива, м3/м3(Н2); – удельная энергоемкость видимого расхода топлива, кг у.т./м3; –видимый удельный расход воды, м3/м3(Н2); – энергоемкость воды, кг у.т./м3; – удельный расход электроэнергии, кВт·ч/м3(Н2); – энергоемкость производства электроэнергии, кг у.т./(кВт·ч); –видимый удельный расход окислителя, м3/м3(Н2); – удельная энергоемкость окислителя, кг у.т./м3; – удельный расход первичного природного топлива, замещаемого производимым водородом, кг у.т./м3(Н2); – удельный расход замещаемого первичного природного топлива, определяемый в связи с производством внешней энергетической продукции кг у.т./м3(Н2); – удельный расход замещаемого первичного природного топлива, определяемый производством дополнительной технологической продукции, кг у.т./м3(Н2).

б) Коэффициент полезного использования (КПИ) энергии – критерий оценки доли общей первичной энергии, участвующей в реализации теплотехнологии производства водорода:

Для действующего производства водорода: (2)

Для производства водорода в условиях ТДИМ: (3)

Здесь: -теоретически минимальное количество теплоты(энергии) для производства водорода;

в) Потенциал резерва интенсивного энергосбережения – критерий оценки предельно полного принципиально возможного энергосберегающего эффекта в действующем способе производства водорода:

(4)

В качестве экологического критерия предлагается использовать совокупный выход диоксида углерода на единицу энергии получаемого водорода, выраженную в условном топливе в м3(СО2)/кг у.т.(Н2). Этот критерий рассчитывается по следующей формуле:

, (5)

Здесь: – удельный выход СО2 от сжигания 1 кг у.т., используемого при производстве водорода, м3(СО2)/м3(Н2); – теплота условного топлива, кДж/кг у. т.; – теплота сгорания водорода, кДж/м3(Н2);– удельный выход СО2, в технологии производства водорода, м3(СО2)/кг у.т.(Н2).

Диапазоны энергетических и экологических характеристик производства водорода в условиях действующего производства и в условиях ТДИМ методами электролиза и ПВК приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Показатель

Обозначение

Размерность

Электролиз

ПВК

Энергоемкость действующего производства

кг у.т.

м3(Н2)

1,853,04

0,390,42

Совокупный выход СО2 в действующем производстве

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»