Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 15

Это видно из того, что по завершении активного режима плавки (20-24 часов после начала разогрева) температура вблизиграницы области образования SiC (на расстоянии 30 см от поверхности керна) достигает значения 1500 °С, то есть температуры, определяемой как нижняя температурная граница образования SiC, во всех рассмотренных режимах электрических нагрузок (кривые 3, 6, 9).Рисунок 5.20 – Распределение температур в разных режимах нагрева шихты:при постоянной электрической нагрузке: кривые 1-6;при сбросе электрической нагрузки через 10 часов после начала плавки: кривые 7,8,9.Расчеты показали, что дальнейшее сокращение времени, при котором производится сброс мощности, приводит к негативным результатам. Так, на рис.

5.21показан вариант нецелесообразного уменьшения мощности в исследуемой печичерез 5 часов после начала плавки. Анализ графиков изменения температур в разных точках печи явно показывает, что шихта прогревается в процессе плавки111до температуры выше 1500 °С лишь до расстояния от поверхности керна, не превышающего 20 см (кривые 5, 7).Рисунок 5.21 – Распределение температур в разных режимах нагрева шихты:при постоянной электрической нагрузке: кривые 1-6;при сбросе электрической нагрузки через 5 часов после начала плавки: кривые 7, 8, 9Важно отметить, что экономия электрической энергии при ожидаемом одинаковом выходе конечного продукта для плавки с уменьшением электрическойнагрузки через 13 часов составит 11 МВт·ч, а при режиме со сбросом электрической нагрузки через 10 часов экономия составит уже 14 МВт·ч.Для ТЭЦ в условиях Волгоградского региона, согласно работе [103], гдепроведен анализ статистических данных по фактическим значениям удельныхрасходов условного топлива на выработку электрической энергии, отмечено сезонноеизменение удельных расходов условного топлива от значений bэ = 290 г у.т./кВт·ч доbэ = 400 г у.т./кВт·ч.Из выборки 36 среднемесячных значений параметров bэ за три года рассчитано среднее значение этого показателя, которое составило 340 г у.т./кВт·ч.112Приведем расчет экономии электроэнергии при уменьшении потребляемоймощности.

Примем, что в год производят 3000 печекампаний по производствучерного карбида кремния. Известно, что опытные плавки, то есть плавки, предназначенные для проверки предложений по изменению элемента технологии производства SiC, составляют 24 печекампании в год. При снижении мощности на 1 МВтпосле 10 часов плавки экономится 14 МВт·ч электроэнергии с одной печекампании.Годовая экономия составит14 МВт·ч · 3000 = 42 000 МВт·ч.Принимаем величину тарифа равной 1 руб. за 1 кВт·ч (согласно текущимусловиям электроснабжения промышленных предприятий Волгоградской области).42·106 кВт·ч · 1 руб = 42 000 000 руб.Из приведенного расчета видно, что затраты электроэнергии снижаются иэкономия составляет 42 млн.

руб. в год.Представим расчет экономии энергетических ресурсов в форме экономииусловного топлива, идущего на выработку электрической энергии (по условиямрегиона). При снижении подводимой электрической мощности через 13 и через10 часов после начала плавки экономия топлива составит соответственно:ηизм = 13 ч;0,32 МВт·ч·105 · 0,34 · 103 = 10,8·106 кг у.т.ηизм = 10 ч;0,41 МВт·ч·105 · 0,34 · 103 = 13,9·106 кг у.т.По результатам численного моделирования и представленных расчетовможно сделать вывод, что количество электроэнергии для обеспечения необходимого уровня температур в технологическом процессе производства карбида кремнияможет быть заметно снижено без сокращения производительности печи.Дополнительную экономию можно получить за счет сокращения числаопытных плавок, либо полного отказа от их проведения.

Брак в опытных плавкахсоставляет 30 %. Поэтому если исключить опытные плавки и заменить их численными экспериментами, то экономия электроэнергии составит 72 МВт·ч с одной113печекампании, а с 24 плавок – 1728 МВт·ч. Вместе с экономией электроэнергиипри отказе от опытных плавок также имеет место экономия исходных составляющих шихты (песка и нефтекокса) суммарно до 100 т с одной плавки, а с 24плавок – 2400 т.Итак, основной рекомендацией по повышению энергетической эффективности процесса получения карбида кремния является организация ступенчатогоуменьшения мощности плавильной печи.

При этом начальная мощность (электрическая мощность подведенная к печи) может соответствовать традиционнопринимаемой согласно опыту эксплуатации этой печи и установленному составушихты. Последующие скачкообразное уменьшение мощности производится вопределенный момент после начала карбидообразования в зоне, примыкающей ккерну.

Момент уменьшения мощности в процессе плавки и величина скачка значения электрической нагрузки печи рассчитываются с использованием предлагаемой в настоящей диссертационной работе программы.Выводы к главе 5Автором были получены экспериментальные данные по нестационарнымтемпературным полям в печи сопротивления при производстве карбида кремнияна ОАО «Волжский абразивный завод».На основе сопоставления проведенных экспериментов и численных расчетовпоказана работоспособность предлагаемой математической модели и разработаннойна ее основе программы расчета температурных полей в печах по производствукарбида кремния.Программа позволяет производить расчет нестационарных температурныхполей при изменении геометрческой формы и размеров керна и печи, составашихты, режимов подвода электрической мощности во время плавки.По результатам численного моделирования показано, что при уменьшенииподводимой электрической мощности через определенное время после началаплавки объем реакционной зоны с температурой выше температуры начала реакции,114но ниже критической температуры разложения SiC практически не меняется.

Этосвидетельствует о том, что выход готового продукта не меняется и процент бракане увеличивается.Представлены варианты режимов плавки с изменением электрическойнагрузки в сравнении с режимом, реализованным на ОАО «ВАЗ». Показано, чтоэкономия электрической энергии может при этом составить 42 000 МВт·ч в год.Использование рекомендованных режимов плавки позволит снизить удельныйрасход условного топлива на выход готового продукта на 15-18 %.Дополнительная экономия электрической энергии, а также составляющих шихтыможет быть достигнута путем сокращения проводимых заводом опытных плавоки заменой их численными экспериментами с использованием разработанной программы.Заинтересованность ОАО «Волжский абразивный завод» в экономии энергоресурсов подтверждается актом внедрения результатов настоящей диссертационной работы.115Выводы по работе1.

Получены экспериментальные данные по изменению температуры в разныхзонах печи для производства карбида кремния в производственных условиях.2. Разработана математическая модель для расчета температурных полей впроцессе получения карбида кремния. Общая модель включает в себя несколькоподмоделей: сушки, фильтрации, химические превращений. Учтены изменениясвойств многокомпонентной среды.3. Построен алгоритм для решения конкретной специфической задачи определения основных параметров процесса в технологии получения карбида кремнияв печах сопротивления.4.

Разработана программа в среде Mathcad, которая позволяет проводитьчисленные исследования вместо производственных экспериментов, что приведетк экономии по используемым в печах продуктам и сократит затраты электроэнергии.5. Впервые выполнены численные расчеты температурного режима плавки печи.6. Проведен анализ влияния сушки влажного материала, фильтрационнойсоставляющей и коэффициента теплопроводности пористой среды на температурные поля.7. Проведено сравнение численных результатов с данными промышленных экспериментов, которое подтвердило возможность использования разработанной модели иалгоритма для описания процессов тепломассопереноса в печи при производстве SiC.8.

Проведенные исследования показали, что разработанная модель и программный комплекс могут быть использованы при улучшении режимов плавки.9. Сформулированы рекомендации по повышению энергетической эффективности процесса получения карбида кремния, легко реализуемые в условияхпроизводства.10. Результаты исследований внедрены на ОАО «Волжский абразивный завод».116СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Анализ материалов, используемых в настоящее время для изоляцииВАО от геосферы / Бабаянц Геннадий Иванович, Генеральный директор, ООО«Керамические технологии» : http://www.atomic-energy.ru/presentations/47973.2. Zinkle, S. J.

Fusionmaterials science: overview of challenges and recent progress / S. J. Zinkle // Physics of Plasmas, vol. 12, Invited Tutorial 058101, 2005.3. Дигонский, С. В. Газофазные процессы синтеза и спекания тугоплавкихвеществ / С. В. Дигонский. – Москва : ГЕОС, 2013. – 462 с.4. Алферов, В. А. Тепловые потери с поверхности печей при получениикарбида кремния / В. А. Алферов // Абразивы.

– 1952. – № 4. – С. 14.5. Рыбаков, В. А. Пути дальнейшего развития производства карбида кремния /В. А. Рыбаков, В. В. Карлин, В. М. Витюгин, В. А. Прохорович // Абразивы. –1963. – № 5. – С. 1-3.6. Кац, И. С. Образование карбида кремния в промышленной печи электросопротивления / И. С. Кац // Абразивы. – 1970. – № 3. – С.