Разработка теплоэнерготехнологического комплекса совместного производства аммиака, метанола и энергоносителей

Основной целью перестройки и кардинальных рыночных реформ в России было существенное повышение эффективности экономики с тем, чтобы наша страна в исторически короткий срок смогла на равных правах интегрироваться в мировую рыночную экономику.

Сегодня экономика России еще в меньшей мере готова к интеграции в мировую рыночную экономику, чем тогда, т.к. не решена основная задача переходного периода — техническое перевооружение, в результате которого российская промышленность смогла бы когда-то в будущем почувствовать себя равноправной на рынке.

Важным обобщающим показателем эффективности экономики страны является энергоемкость ее продукции. Если в 1985 году в России расходовали на единицу валового национального продукта в 2−3 раза больше энергии, чем на Западе, то сегодня в 3 -3,5 раза. Велик физический и моральный износ действующих мощностей, срок службы которых составляет 25−30 лет при 18 годах по нормативам [69]. Таким образом, можно констатировать, что в части эффективности экономики Россия прогрессирующе отстает от рыночного мира.

Экономия топливно-энергетических ресурсов относится к важнейшим задачам в современной российской промышленности. Развитие так называемых энергосберегающих технологий является сегодня главным направлением и в химической технологии. Как известно, в этой области техники расходуется около 15% всех энергоресурсов [40]. Во многих химических производствах расход энергии определяет основную часть затрат.

Что касается химической промышленности, то ситуация здесь несколько лучше, чем в российской экономике в целом. Тем не менее, и для предприятий химической промышленности вопрос о низкой конкурентоспособности на международных рынках является весьма актуальным, т.к. относительно высокая рентабельность экспорта в этой области обусловлена двумя факторами: высокой конъюнктурой на международных рынках и очень низкой внутренней ценой природного газа.

По прогнозам, выполненным фирмой «Азотэкон», такая ситуация на рынке сохранится недолго. Поэтому единственный выход состоит в опережающей модернизации предприятий, что должно заметно повысить конкурентоспособность российского экспорта [69].

Модернизация и реструктуризация должны основываться на продуманной инновационной политике в отрасли. В условиях острой конкуренции эффективная инновация является главной предпосылкой достижения положительного результата, в первую очередь в производственной сфере.

На современном этапе развития общественного производства прогрессивные нововведения реализуются в сложных, наукоемких продуктах, энергосберегающих и высоких технологиях. При всем разнообразии рынка инноваций сегодня определяющим условием для успешной реализации нововведений является обеспечение снижения энергопотребления. Корректная оценка проектов занимает центральное место в процессе обоснования и выбора возможных вариантов инноваций.

Целью работы является разработка теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей и оценка схем его реализации путем теплоэнергетического и технико-экономического обоснования на основе методов математического моделирования.

Методы исследования, использованные в работе, основываются на системном подходе, который предполагает использование методологии анализа, пригодной для сложных теплоэнерготехнологических комплексов. Она складывается из предварительного концептуального моделирования процесса и его формализации, которые позволяют свести количественное и качественное изучение реальных и проектируемых теплоэнерготехнологических комплексов к исследованию их математических моделей, реализованных на ЭВМ с помощью современных программных вычислительных комплексов.

Научная новизна работы:

1. На основе системного подхода разработана концептуальная модель теплоэнерготехнологического комплекса, отличающегося сложной многостадийной организацией процесса и наличием рециклов, а также комбинированным производством теплоносителей разного уровня.

2. Разработана математическая модель теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей, описывающая процессы теплообмена, выработки и потребления теплоносителей, а также протекающие физико-химические процессы.

3. Создана новая математическая модель процессов теплои массопе-реноса, протекающих в реакторе синтеза метанола, ориентированная на совместное рассмотрение вопросов генерации теплоносителей и получения целевого продукта.

4. Разработаны алгоритмы реализации математической модели, позволяющие, в частности, быстро и эффективно осуществлять многочисленные итерационные процедуры, необходимые для расчета комплексного производства.

Практическая ценность работы:

1. Математическая модель реализована на ЭВМ с помощью современных вычислительных комплексов, что позволяет достаточно просто и быстро проводить расчет балансов комплексного производства по тепловым и материальным потокам, выработке и потреблению энергоносителей, экономических показателей, а также выполнять поверочные расчеты теплообменного оборудования.

2. С помощью разработанной математической модели проведены эксперименты по моделированию теплоэнерготехнологических схем комплексного производства аммиака, метанола и энергоносителей. Полученные данные являются основой для теплоэнергетического и технико-экономического обоснования инновационного проекта комплексного производства с подбором оптимальных условий его реализации. и.

3. Предложены оригинальные технические решения, такие как замена привода компрессора с электродвигателя на паровую турбину, организация выработки энергоносителей при производстве метанола, дозирование кислорода в производство, направленные на снижение потребления природного газа и электроэнергии. Эффективность решений подтверждена их теплоэнергетической и экономической оценкой путем расчета по разработанной математической модели.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на Второй областной межвузовской научной конференции «Молодые исследователи — региону» (Вологда, 2000), на Международной научно-технической конференции «ИНФОТЕХ — 2001» (Череповец, 2001), на Ш-й Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2002), на 1У-й Межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2003), на ХУ1-Й Всероссийской конференции по химическим реакторам ХИМРЕАК-ТОР-16 (Казань, 2003).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 5 публикациях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (88 наименований), 3-х приложений и содержит 149 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка и 2 таблицы.

Выводы по главе:

1) В Главе 4 описаны технические решения, направленные на экономию природного газа и электроэнергии в теплоэнерготехнологическом комплексе: организация теплообмена и выработки энергоносителей в контуре метанола и дозирование кислорода в комплексное производство. Данные решения также позволяют более полно использовать оборудование агрегата аммиака (турбина, огневой подогреватель, блок подготовки воды, насосы питательной воды) и утилизировать неиспользуемые отходы (низкопотенциальный пар, кислород). Эффективность предложенных решений подтверждена результатами моделирования.

2) Основными результатами моделирования режимов работы тепло-энерготехнологического комплекса являются расчетные балансы комплексного производства по тепловым и материальным потокам, производству и потреблению энергоносителей, расчетный температурный профиль в реакторе синтеза метанола, поверочные расчеты теплообменного оборудования и расчет экономических параметров.

3) Сделано сравнение расчетных данных по разработанной математической модели с практическими данными, полученными при эксплуатации производства аммиака, и некоторыми литературными данными по комплексному производству. На основании этого сделан вывод о корректности разработанной модели.

4) С помощью разработанной модели рассчитаны режимы работы комплексного производства при различных нагрузках контура метанола и всего производства по природному газу. При комплексном производстве снижается коэффициент расхода природного газа на единицу продукции, на 20−25% снижаются выбросы диоксида углерода в атмосферу, растет чистый дисконтированный доход. Контур метанола является автономным по пару среднего давления и вырабатывает 70−75% пара низкого давления, необходимого для ректификации метанола-сырца.

5) Проведено моделирование работы производства при разных объемах дозирования кислорода. Показано, что при реализации данного мероприятия требуется существенно меньшее количество природного газа для выработки энергоносителя (водяного пара). На разных нагрузках производства по газу существует наиболее эффективная величина дозировки кислорода, при которой чистый дисконтированный доход достигает максимума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) На основе системного подхода разработана концептуальная модель теплоэнерготехнологического комплекса производства аммиака, метанола и энергоносителей. Проведена декомпозиция объекта исследования с выделением относительно независимых подсистем и установлением существенных связей между ними. Детализация каждой подсистемы производилась до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны все параметры, которые обеспечивают определение интересующих исследователя характеристик системыостальные параметры по возможности были исключены из модели.

2) Формализация объекта исследования выполнена с помощью известных математических уравнений и систем уравнений, описывающих свойства веществ, их смесей, процессы теплообмена и другие физико-химические процессы. В процессе формализации использованы некоторые допущения, каждое из которых критически оценено. Большинство уравнений и систем уравнений, полученных в результате формализации, необходимо решать итерационными методами. В связи с этим разработаны и реализованы на ЭВМ четкие алгоритмы моделирования отдельных подсистем и всей системы в целом.

3) Разработанная математическая модель позволяет: рассчитывать балансы комплексного производства по тепловым и материальным потокам, балансы по выработке и потреблению энергоносителейопределять некоторые экономические показатели производствапроводить поверочные расчеты теплообменного оборудования.

4) Сделано сравнение расчетных данных по модели с практическими данными, полученными при эксплуатации производства аммиака, и некоторыми литературными данными по комплексному производству. Полученные результаты достаточно хорошо совпадают. На основании вышесказанного сделан вывод о корректности разработанной модели.

5) В диссертационной работе предложены некоторые технические решения, направленные на снижение расхода природного газа и электроэнергии: организация выработки и потребления энергоносителей (водяной пар среднего и низкого давлений) при производстве метанола и дозирование кислорода в комплексное производство. Указанные решения, кроме того, позволяют более полно использовать имеющиеся отходы производств (кислород, низкопотенциальный пар) и законсервированное оборудование (паровую турбину).

6) Результаты расчета по разработанной модели показывают, что замена привода компрессора с электродвигателя на паровую турбину и организация выработки пара среднего давления при производстве метанола позволяет эффективно использовать тепло экзотермических реакций и экономить до 3300 кВт/ч электроэнергии. При этом контур метанола в составе комплексного производства является автономным по пару среднего давления.

7) Организация выработки пара низкого давления при производстве метанола позволяет использовать физическое тепло газовых смесей для получения теплоносителя (пара низкого давления), количества которого достаточно для обеспечения процесса ректификации метанола-сырца на 70−75%. Недостающее количество теплоносителя восполняется за счет утилизации низкопотенциального пара, являющегося отходом существующего производства аммиака. При этом удается сработать до 50% этого избыточного пара.

8) Дозирование кислорода в комплексное производство приводит к увеличению степени переработки природного газа и повышению выработки пара высокого давления за счет тепла физико-химических процессов. В результате потребление природного газа для получения этого энергоносителя снижается на 2500−3000 нм /ч. Соответственно, снижается себестоимость основных продуктов, а величина чистого дисконтированного дохода возрастает на 50−90 млн руб. за расчетный период в 10 лет.

9) Результаты моделирования различных режимов работы теплоэнер-готехнологического комплекса совместного производства аммиака, метанола и энергоносителей показывают, что при комплексном производстве удельный расход природного газа на единицу произведенной продукции снижается на 3−4%, значительно улучшаются экономические показатели производства и на 20−25% сокращаются выбросы в атмосферу диоксида углерода.