Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Системные исследования многофункциональных теплообменников как средств защиты окружающей среды и ресурсосбережения

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Котовсков, Ярослав Владленович, Ростов-на-Дону

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

КОТОВСКОВ ЯРОСЛАВ ВЛАДЛЕНОВИЧ

СИСТЕМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ КАК СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

11.00.11 - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Медиокритский Е.Л.

Ростов-на-Дону - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ (МФТ) ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОПЛИВОПОТРЕБЛЕНИЯ И МИНИМИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ.......................................................................11

1.1. Масштабы антропогенного воздействия на окружающую среду...........11

1.2. Вредные отходы теплоэнергетики и методы борьбы с ними..................14

1.2.1. Устранение химической неполноты сгорания топлива........................15

1.2.2. Снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорания...........17

1.3. Сокращение расхода топлива за счет использования теплоты отходящих дымовых газов.........................................................................20

1.3.1. Использование теплоты отходящих газов для предварительного подогрева материалов...............................................................^

1.3.2. Рекуперативный подогрев воздуха, поступающего на горение..........23

1.3.2.1. Влияние рекуперативного подогрева воздуха на динамику

образования вредных веществ.............................................................25

1.3.3. Комплексное использование теплоты продуктов сгорания.................26

1.4. Типология и обзор современных конструкций МФТ..............................28

1.5. Проблема выбора теплообменного оборудования...................................34

1.5.1. Системный подход к решению проблемы выбора МФТ......................35

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования........................................................37

2. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ПО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКАМ ПРИ ИХ ВНЕДРЕНИИ В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ ПРЕДПРИЯТИЯ.............................................................................................39

2.1. Критерии выбора МФТ...............................................................................39

2.1.1. Критерий эффективности МФТ.............................................................40

2.1.2. Критерий надежности МФТ...................................................................43

2.1.3. Критерий экологичности МФТ..............................................................49

2.2. Условия и ограничения выбора МФТ......................................................51

2.2.1. Характеристические показатели МФТ..................................................51

2.2.2. Система внешних и внутренних связей МФТ......................................53

2.3. Процедура выбора МФТ............................................................................57

2.4. Выбор оптимальной конструкции МФТ в условиях действующего производства..............................................................................................64

2.5. Выводы........................................................................................................67

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ НА БАЗЕ ПАТЕНТНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ПО РЕКУПЕРАТОРОСТРОЕНИЮ............................................................69

3.1. Методология проведения информационных исследований на базе патентной документации.........................................................................71

3.2. Определение значимости изобретений МФТ.........................................73

3.3. Классификатор изобретений МФТ..........................................................76

3.4. Информационные исследования МФТ....................................................78

3.4.1. Ретроспективный анализ тенденций развития МФТ...........................79

3.4.2. Прогнозирование перспектив развития МФТ......................................80

3.4.3. Структурный анализ изобретений МФТ...............................................81

3.5. Выводы.........................................................................................................84

4. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА НА ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ........................85

4.1. Глобальное потепление климата................................................................85

4.2. СОг - основной парниковый газ.................................................................86

4.2.1. Изменения концентрации углекислого газа в атмосфере,

прогнозы на будущее...............................................................................87

4.2.2. Взаимосвязь между энергопотреблением и поступлением

углекислого газа в атмосферу.................................................................89

4.3. Методика расчета ПДВ углекислого газа для стационарных источников загрязнения атмосферного воздуха.....................................91

4.4. Выводы.........................................................................................................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................93

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................95

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Тип и количество отходов индустриального производства характеризуют уровень развития технологии. Поэтому проблема охраны окружающей среды приобретает не только социальную, но и экономическую значимость, а ее решение требует научно-технического подхода.

В настоящее время во всех видах преобразования энергии - от выработки до конечного ее потребления - теряется около 60% потенциальной энергии используемых ресурсов. В то же время около 80% всех видов загрязнения биосферы обусловлены энергетическими процессами, включая добычу, переработку и использование топлива /102/. Из этого следует, что за счет энергосберегающих мероприятий можно в два раза сократить потребление первичных энергетических ресурсов и таким образом снизить "нагрузку" на окружающую среду.

При планировании подобных мероприятий прежде всего встает вопрос о выборе наиболее эффективного технического оборудования, способствующего комплексному решению проблем ресурсосбережения и защиты окружающей среды.

Одним из основных видов теплоутилизирующего оборудования, функционально направленного на защиту окружающей среды, являются многофункциональные теплообменники - печные рекуператоры (МФТ) /30,37,45/, предназначенные для решения таких задач, как:

• снижение вредного воздействия продуктов сгорания огнетехнических установок на состояние атмосферного воздуха;

• экономия топливно-энергетических ресурсов за счет рекуперативного подогрева воздуха, поступающего в огнетехнический агрегат, а также использования тепла отходящих газов в качестве вторичных энергетических ресурсов (сушка материалов, отопление, вентиляция, горячее водоснабжение и т.д.).

Существует большое многообразие типов МФТ, каждому из которых присущи относительные преимущества и недостатки, которые в зависимости от условий использования приобретают различный вес и значение /32,37,48,49/. Следовательно, эффективное использование МФТ определяется условиями оптимального применения имеющейся по ним информации в каждом конкретном производственно-технологическом случае. Это требует сравнения возможных вариантов технических решений по МФТ и выбора наиболее оптимального из них.

В настоящее время отсутствует единая, полностью формализованная, практически применяемая процедура выбора МФТ, использующая современные методики определения экономической эффективности, учитывающая уровень надежности и экологический фактор, поэтому при выборе той или иной конструкции МФТ преобладает субъективный подход, основанный на учете мнений и рекомендаций экспертов. Следовательно, разработка такой процедуры является актуальной задачей.

Многофункциональные теплообменники работают в единой теплотехнической системе предприятия, в рамках которой, помимо огнетехниче-ского агрегата, они могут быть физически связаны с:

• другими теплообменными системами, использующими остаточную теплоту дымовых газов, прошедших через МФТ (котлы-утилизаторы, испарительные пакеты, контактные экономайзеры, тепловые трубы, тепловые насосы и т.п.);

• системами очистки отходящих дымовых газов от вредных веществ (фильтры, циклоны, пылеосадительные камеры и т.п.);

• потребителями ВЭР, использующими утилизированную с помощью МФТ теплоту отходящих газов для отопления помещений, горячего водоснабжения, вентиляции, кондиционирования, сушки материалов и т.п.

С этой точки зрения необходимо рассматривать МФТ как элемент теплотехнической системы преприятия. Следовательно, условия и ограниче-

ния выбора МФТ должны определяться по условиям его работы в теплотехнической системе с учетом совокупности внешних и внутренних связей.

Дополнительные затраты на предварительные исследования вариантов технических решений оказываются значительно меньшими в сравнении с величиной ущерба, который может возникнуть при использовании рекуперативных систем, не соответствующих по своим показателям изменившимся условиям эксплуатации, а также с затратами на форсированную разработку и производство новых видов конструкций /37,57/.

С этой точки зрения при построении базы выбора оптимальной конструкции МФТ необходимо использовать результаты патентных исследований, позволяющих сосредоточить внимание на наиболее эффективных технических направлениях и разработках /7,84/. Однако, в настоящее время отсутствует методика проведения информационных исследований МФТ на базе патентной документации по рекуператоростроению, основанная на практическом опыте. В связи с этим разработка подобной методики является актуальной задачей.

Тепловое загрязнение атмосферы Земли, так называемый «парниковый эффект», и связанные с ним глобальные климатические изменения являются острейшей экологической проблемой современности. Отечественными и зарубежными учеными доказано пагубное влияние технологических выбросов углекислого газа на тепловой баланс нашей планеты /9,10,83,88/.

Однако, до настоящего времени в нашем природоохранном законодательстве не предусмотрен механизм регулирования промышленных выбросов углекислого газа в атмосферу /6,26/. Поэтому обоснование введения норматива предельно-допустимого выброса (ПДВ) углекислого газа для промышленных источников загрязнения атмосферного воздуха и разработка методики его расчета является актуальной задачей.

Целью работы является разработка формализованной процедуры выбора для конкретных условий эксплуатации оптимальной по эффективности, надежности и экологичности конструкции МФТ, обеспечивающей экономию топливно-энергетических ресурсов и минимизацию вредных выбросов в атмосферу.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые предложены:

1. Формализованная процедура выбора МФТ на базе комплексного учета критериев эффективности, надежности и экологичности, а также системный метод уступок для решения задачи сходимости процедуры выбора.

2. Относительный параметр надежности МФТ.

3. Показатель экологичности проекта по внедрению теплообменного оборудования в теплотехническую систему предприятия, показывающий степень изменения экологической чистоты технологического процесса.

4. Классификатор изобретений МФТ и коэффициент значимости патента на изобретение МФТ.

5. Методика расчета норматива ПДВ углекислого газа для стационарного источника загрязнения атмосферного воздуха.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработанная методика выбора оптимальной конструкции МФТ позволяет принимать объективно обоснованное техническое решение по внедрению МФТ в теплотехническую систему предприятия с целью снижения топливопотребления и уменьшения вредных выбросов в атмосферу;

- предложенная методика проведения информационных исследований МФТ на основе патентной документации расширяет методическую базу патентных исследований, а созданная фактографическая база патентов на изобретения МФТ может использоваться при формировании поля выбора оптимальной конструкции МФТ;

- предложенная методика расчета норматива ПДВ С02 может использоваться для регулирования промышленных выбросов углекислого газа в атмосферу.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием:

- основных принципов и методов системного анализа, математической статистики, классических положений теплотехники;

- документальной патентной информации по рекуператоростроению;

- инструктивно-методической базы Российской Федерации по охране окружающей среды;

- результатов натурных и вычислительных экспериментов при их удовлетворительной сходимости.

Результаты работы (методика выбора МФТ) внедрены в проект реконструкции нагревательных и термических печей с многофункциональными теплообменниками-рекуператорами кузнечного цеха завода специального инструмента и технической оснастки (ООО «Завод СИиТО»).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Целесообразность рассмотрения многофункциональных теплообменников как элементов теплотехнической системы предприятия с учетом их внешних и внутренних связей.

2. Формализованная процедура выбора МФТ на основе комплексного использования критериев эффективности, надежности и экологичности с учетом ограничений, диктуемых теплотехнической системой предприятия.

3. Методика проведения информационных исследований МФТ на базе патентной документации по рекуператоростроению.

4. Целесообразность введения норматива ПДВ углекислого газа для промышленных источников загрязнения атмосферного воздуха и методика его расчета.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и Химия» Ростовской государственной академии сельскохозяйственного машиностроения под руководством профессора, д.т.н. Меди-окритского E.J1. в соответствии с региональной программой научно- v исследовательских работ по теме № 18 «Разработка и исследование многофункциональных теплообменников в системах комплексного использования теплоты продуктов сгорания промышленных печей».

Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Гапонову B.JL, Хво-стикову А.Г. и Троицкому В.В. за помощь в проведении и обработке результатов экспериментальных исследований МФТ, а также Колесниченко A.A. - за помощь в компьютерном наборе и оформлении диссертации.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ (МФТ) ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОПЛИВОПОТРЕБЛЕНИЯ И МИНИМИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

1.1. Масштабы антропогенного воздействия на окружающую среду

Сохранение окружающей среды в последние годы стало одной из важнейших проблем человечества. Это связано с быстрым ростом народонаселения Земли, которое с начала века увеличилось в 4 раза с 1,5 до 6 млрд. человек, а также с еще более быстрым увеличением добычи и переработки природных ресурсов /66,71,80,105/.

В современных условиях энергетические мощности удваиваются каждые 12 лет, а объем добычи полезных ископаемых - каждые 15 лет. На производство промышленной продукции расходуется только 1/10 часть сырья, извлекаемого из недр планеты, а 9/10 утрачивается в виде побочных продуктов и отходов, загрязняя окружающую среду. По оценке Всемирной организации здравоохранения в практике используется свыше 500 тысяч химических соединений; из них около 40 тысяч обладают вредными для человека свойствами, а 12 тысяч являются токсичными, то есть ядовитыми /89/.

При сжигании угля вместе с золой и отходящими газами в окружающую среду некоторых элементов поступает больше, чем добывается из недр Земли: магния - в 1,5 раза; мышьяка - в 7 раз; урана - в 10 раз; ртути - в 50 раз; циркония - в сотни раз; германия - в тысячи раз. Рассеянные металлы концентрируются в растениях, водоемах, почве и поступают в организм человека с продуктами питания, питьевой водой /89/.

Наибольший удельный вес загрязнений атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода, серы и азота, углеводородов и промыш-

ленной пыли. Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспорт, промышленность, тепловые электростанции. В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 20 млрд. т углекислого газа СОг, 250 млн. т пыли, 200 млн. т оксида углерода СО, 150 млн. т сернистого газа 80г, 50 млн. т оксидов азота ЫОх /89/.

Значительная часть сернистого газа, соединяясь в атмосфере с водяными парами, выпадает затем на землю в виде так называемых «кислотных дождей». Установлено, что кислотные дожди снижают устойчивость человеческого организма к простудным заболеваниям, ускоряют коррозию конструкций из стали, никеля и меди, приводят к закислению почвы и водоемов, разрушают песчаник, известняк и мрамор, нанося непоправимый ущерб зданиям и памятникам культуры. По имеющимся оценкам, ущерб от кислотных дождей в США составляет 2,5 млрд. долларов в год /102/.

Имеются данные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочными заболеваниями. Так, по данным американских исследователей

о

при загрязнении воздуха сернистым газом в концентрации до 0,05 мг/м показатель обострений заболеваемости бронхиальной астмой (в человеко-днях) населения г. Нэшвилла (США) составил 8,1%, при уровне загрязнения

-2 о

0,15 мг/м - 0,35 мг/м он был равен 12%, а в районах с загрязнением воздуха

л

выше 0,35 мг/м он возрастал до 43,8% /102/. По оценкам /106/ вклад экологического фактора в заболеваемос