Диссертация: Энергосберегающие технологии на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.

Актуальность темы. Главными целями основных положений «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации № 1715-Р, является определение путей и условий наиболее эффективного использования энергетических ресурсов, формирование роли энергии как основного фактора, определяющего повышение качества жизни населения. В Указе Президента РФ № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» поставлен вопрос о повышении энергоэффективности и сформулирована целевая задача – снизить энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВП) на 40 % по сравнению с 2007 годом. Практическое достижение этой цели возможно при разработке научных основ энергосбережения, включая термодинамический анализ существующих или проектируемых систем, разработку тепловых схем на его основе, оптимизацию параметров, интенсификацию процессов теплопередачи, разработку и освоение новых типов теплообменной аппаратуры. Для процессов химической технологии особенно важным является учет специфических особенностей технологического процесса. Одним из основных направлений технического прогресса в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) как отрасли химической технологии является инновационный путь развития на основе разработки новых ресурсосберегающих экологически чистых технологий и оборудования для повышения качества выпускаемых и новых видов продукции. ЦБП является одной из самых энергоемких отраслей промышленности. В структуре себестоимости производства целлюлозы 50 % затрат составляет исходное сырье и примерно 40 % – энергозатраты. В себестоимости переработки технологической щепы для получения целлюлозы статья энергозатрат составляет более 80 %, при этом стоимость древесины и энергетических затрат непрерывно растет. Заводы по выпуску целлюлозы уже сейчас работают на уровне рентабельности. На процессы снижения стоимости древесины и энергии влиять невозможно – они регулируются рынком. Работы, направленные на существенное снижение удельного расхода древесины в процессе производства, отсутствуют. В таком же состоянии находится производство бумаги и картона. Это производство является крупным потребителем теплоты пара низкого давления. На производство отдельных видов бумаги расходуется до 20 ГДж/т. Следует отметить не только большой удельный вес энергозатрат в себестоимости целлюлозы и бумаги, но и непрерывный рост цен на энергетическую составляющую. В сложившихся условиях основным путем заметного повышения рентабельности процесса получения целлюлозы и бумаги является снижение энергетических затрат в технологических потоках целлюлозно-бумажного производства, что становится актуальной задачей на современном этапе.
Цель работы. Разработка и реализация комплекса теоретических и практических рекомендаций по созданию научно обоснованных тепловых схем технологических процессов производства целлюлозы и бумаги, интенсификация теплообменных процессов при экономном расходовании энергоресурсов. Научная новизна. Предложен метод термодинамического анализа на основе приращения эксергий и его приложения к технологическим схемам производства целлюлозы и бумаги. Разработана методика инженерного расчета на основе метода приращения эксергии для составления эксергетических балансов процессов производства целлюлозы и бумаги, а также графической их интерпретации. На основе этого метода выполнен термодинамический анализ процессов производства целлюлозы и бумаги. Установлена связь КПД сложной термодинамической системы с КПД элементов технологических процессов. Сформулированы научно обоснованные термодинамические требования к структуры тепловых процессов производства целлюлозы и бумаги. На основе эксергии разработаны алгоритмы по определению оптимальных параметров технологических схем производства путем минимизации термоэкономического критерия оптимальности. Научно обоснованы способы рационального использования тепловых насосов в производстве целлюлозы и бумаги, предложены их конкретные схемы, а также уточнены методики их расчета. Техническая новизна и практическая ценность работы. Предложены тепловые схемы производства целлюлозы и бумаги, характеризующиеся научно обоснованными эксергетическими КПД. Этим КПД отвечают технологические процессы при низких энергозатратах. Научная новизна подтверждена 12 патентами РФ. Полученные результаты в области разработки метода приращения эксергии, теории и практики тепловых насосов с применением для условий целлюлозного и бумажного производства не ограничивают их универсальность и могут быть использованы для анализа и оптимизации параметров других термодинамических систем. Реализация работы в промышленности. На основании теоретических и экспериментальных исследований на Светогорском ЦБК введена теплонасосная станция с установкой двух теплонасосных установок (ТНУ) единичной мощностью 10 МВт. Предложен перевод котельной ОАО «Санкт-Петербургский картоннополиграфический комбинат» в режим работы ТЭЦ путем установки турбины с противодавлением типа Р-12-3,4/0,5 мощностью 12 МВт, что позволило получить значительный экономический эффект. Разработана и испытана на Архангельском ЦБК выпарная батарея черного щелока с кавитационновихревым теплообменником. Разработанные принципиальные способы повышения энергоэффективности технологий целлюлозно-бумажного производства были использованы и включены РАО «Бумпром» при подготовке в 2015 году Информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям «Производство целлюлозы, древесной массы и картона» как документа по стандартизации (ИТС 1-2015), который был утвержден Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Приказ от 15.12.2015 г. № 1571). Основные результаты научных исследований применяются в учебном процессе при подготовке специалистов – энергетиков.
Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава СПбГТУРП (ранее ЛТИ ЦБП); всесоюзном семинаре «О коренном улучшении топливно-энергетических ресурсов на предприятиях отрасли», Волжск,1988 г.; V Минском международном форуме по тепло- и массообмену, г. Минск, 2004 г.; V международной научнотехнической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса. Лес - 2004», г. Брянск, 2004 г.; международной научно-практической конференции «Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве», г. Санкт-Петербург, 2005 г.; III международной технической конференции «Актуальные вопросы развития целлюлозно-бумажной промышленности России. Тренды и новейшие технологии», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; международной научнопрактической конференции «Энергетика в ЦБП», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; IV международной научно-практической конференции «Повышение эффективности тепловых хозяйств предприятий», г. Санкт-Петербург, 2011 г.; XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, г. Екатеринбург, 2016 г.; IV научно-технической конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование», г. Санкт-Петербург, 2019 г.; VI международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов», г. Архангельск, 2021 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 98 печатных работ, включая 65 статей в отечественных центральных журналах, из них 17 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 12 патентов РФ, а также издано 20 учебных пособий и методических указаний. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 264 наименований, 52 рисунков, 61 таблицы, 8 приложений. Объем диссертации 357 страниц.
Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы: - развитие эксергетического метода термодинамического анализа на основе приращения эксергий в процессе взаимодействия тепловых потоков, математическая зависимость между эксергетическим КПД технологического элемента и эксергетическим КПД сложной тепловой схемы, модель термодинамического анализа сложных тепловых схем на основе приращения эксергий тепловых потоков и их графическая интерпретация; - основные принципы энергосберегающих и малоотходных технологий в производстве целлюлозы и бумаги, включающие создание математических моделей в области термодинамики, технологий теплоты, теплообменных аппаратов и алгоритмов по определению оптимальных теплотехнических параметров технологических процессов; - результаты термодинамических исследований технологии теплоты в процессах производства целлюлозы сульфатным и сульфитным способом, и новые энергосберегающие, экологически безопасные технологии с определением основных направлений их совершенствования; - новые представления по совершенствованию работы сушильной части БДМ на основе эксергетического анализа; - схемы энергосбережения с применением парокомпрессионных ТНУ, работающих по схеме “вода-вода”, а также экологически чистых ТНУ прямого компримирования водяного пара с уточнением существующих методик расчета элементов оборудования и оптимизацией параметров; - зависимость коэффициента преобразования ТНУ от термодинамических свойств рабочих тел; - рекомендации по развитию когенерации для промышленных предприятий; - принципиальные способы повышения энергоэффективности технологий целлюлозно-бумажного производства.