ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

USAGE EFFICIENCY IMPROVING OF ENERGY RESOURCES IN THE SILICON CARBIDE PRODUCTION

Galina Zakozhurnikova

senior lecturer at the Department of Heat and Power Engineering and Thermal Engineering National Research University “MPEI”,

Russia, Volzhsky

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена рассмотрению вопроса повышения энергетической эффективности процесса производства карбида кремния. Показана возможность снижения потребления энергоресурсов.

ABSTRACT

The article considers the issue of improving the energy efficiency of silicon carbide production process. The possibility of reducing of energy consumption is demonstrated.

Ключевые слова: энергоэффективность, печь сопротивления, производство карбида кремния, математическая модель, температурные поля, тепломассоперенос, объемные тепловыделения.

Keywords: resistance furnace, production of silicon carbide, mathematical model, temperature fields, heat and mass transfer, volumetric heat generation.

На сегодняшний день актуальным вопросом государственного значения является эффективное использование энергоресурсов, исходного сырья и материалов на промышленных предприятиях.

Поэтому повышение энергоэффективности один из приоритетных факторов снижения производственных затрат.

Основными целями выполнения программы мероприятий по повышению энергоэффективности предприятий являются:

• увеличение эффективности использования энергоресурсов на единицу продукции предприятия;
• уменьшение финансовых затрат за счет снижения платы за энергоресурсы;
• получение дополнительной прибыли за счет уменьшения платы за энергоресурсы.

Достижение этих целей возможно лишь в том случае, если существует четкое понимание, как, и за счет чего можно добиться повышения энергоэффективности.

Рассмотрим повышение энергетической эффективности на основе промышленного производства карбида кремния (SiC).

Современная технология производства карбида кремния – это высокотемпературный энергоемкий процесс, осуществляемый в специальных электрических печах.

Карбид кремния в промышленных условиях получают восстановлением кремнезема углеродистым материалом. Протекающие при этом химические реакции можно представить следующим образом

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO                                       (1)

В печах сопротивления разогрев исходных продуктов до необходимой температуры проводится электрическим током.

Реакция начинается при температуре около 1500°С и протекает с поглощением энергии. В условиях неравномерности температур, которая всегда имеет место в печах для получения карбида кремния, химические реакции протекают в несколько стадий. Сначала образуется оксид кремния по реакции

SiO₂ + C = SiО + CO.                                                    (2)

Вступая в реакцию с углеродом, оксид кремния частично преобразуется непосредственно в карбид кремния по реакции

SiO +2C = SiС + CO,                                           (3)

а частично восстанавливается до кремния

SiO + C = Si + CO.                                                        (4)

Пары кремния затем реагируют с углеродом с образованием конечного продукта:

Si + C = SiС.                                                                 (5)

Совокупность физических и химических явлений, протекающих в таких печах, оказывается весьма сложной с большим числом внутренних взаимосвязей. Совершенствование методов управления технологическим процессом получения карбида кремния с целью увеличения выхода конечного продукта, повышения его качества, экономии энергетических ресурсов представляет собой важную актуальную задачу.

Определим мероприятия, которые могут способствовать сокращению потребления энергоресурсов и исходных материалов для производства SiC:

• рациональная загрузка печей;
• рациональная организация работы печей;
• автоматизация управления режимом печей снижает расходы электроэнергии на 20 %;
• сокращение длительности технологического процесса за счет его совершенствования;
• утилизации вторичных энергоресурсов [1];
• определение рациональных параметров температурного поля, которые позволяют достичь необходимого уровня температур в течении реального процесса получения конечного продукта.

Предложенные мероприятия ведут к снижению потребления энергоресурсов при сохранении текущего объема производства, либо к увеличению объемов производства при сохранении текущего потребления энергоресурсов. Это в свою очередь приводит к снижению затрат на энергоресурсы.

В современных условиях улучшение показателей производства карбида кремния требует, кроме экспериментальных исследований, наличия математических моделей тепломассопереноса [2–6], позволяющих решать задачу оптимизации режимов работы технологических печей и осуществлять управление ими, в том числе в режиме реального времени. Немногие известные математические модели процесса производства карбида кремния используют существенно упрощенную картину процесса и не позволяют получить необходимую информацию об изменении важных для получения карбида кремния параметров, определяющих его качество и выход как конечного продукта производства.

Одним из основных факторов снижения расхода электроэнергии является сокращение времени технологического процесса. Сегодня одним из самых эффективных инструментов решения этой задачи является метод математического моделирования. В основе математической модели лежит дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности с соответствующими условиями однозначности.

Для определения температурного поля в печи для производства SiC сначала записывается дифференциальное уравнение энергии в виде, не учитывающем массоперенос:

;                                                        (6)

где: ρ – плотность; h – энтальпия;  – мощность внутренних источников тепла в теле.

Поскольку в высокотемпературных печах преобладает лучистый теплообмен, основой аналитических методик является описание этого вида теплообмена

Использование математического моделирования для углубленного изучения процессов в принципе может быть реализовано в двух направлениях: – проведение численных экспериментов, когда в качестве исходных данных задаются параметры процесса, а в качестве результата получаем температурное поле материала.

Целью данной работы является показать возможность повышение энергетической эффективности производства SiC в электрической печи сопротивления через совершенствование технологического процесса на основе анализа результатов моделирования процессов тепломассообмена, сопровождающих производство карбида кремния.

Необходимо создать алгоритм численного расчета и программу для ЭВМ, реализующую предложенную математическую модель. Определить мероприятия по уменьшению затрат электрической энергии на единицу продукции и представить количественные результаты по сокращению потребляемых энергоресурсов во время плавки в печах сопротивления при реализации возможных рекомендуемых мероприятий.

Таким образом, внедряя мероприятия по энергоэффективности:

• предприятие получает экономический эффект, в виде сокращения потребляемых энергоресурсов;
• снижается потребление энергоресурсов на единицу продукции;
• за счет улучшения технологии снижается вероятность возникновения аварий, выхода из строя оборудования, и как вариант увеличение выхода конечного продукта.

Предложенные в данной статье мероприятия связаны с возможностью уменьшения потребления энергоресурсов, экономии исходных продуктов, загружаемых в печь и возможность варьировать существующей технологией. Для подтверждения указанных мероприятий необходимо провести специальные численные исследования.

Список литературы:

1. Кузеванов В.С., Закожурников С.С., Гаряев А.Б. Оптимизация процесса плавки карбида кремния с целью повышения её производительности и снижения расхода электроэнергии // Промышленная энергетика. – 2015. – № 6. – С. 29–33.
2. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С., Закожурников С.С. Модель тепломассопереноса в печах при производстве карбида кремния // Альтернативная энергетика и экология. – 2015. – № 7. – С. 75–81.
3. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С. Модель сушки пористого проницаемого материала при внутреннем нагреве // Альтернативная энергетика и экология. – 2013. – № 14. – С. 19–23.
4. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С. Модель сушки пористого проницаемого материала при внутреннем нагреве // Письма в Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». – 2014. – № 3 (4). – С. 37–38.
5. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С. Общая модель для расчета поля давления в пористой среде с реагирующими компонентами // Известия ВолгГТУ. Серия Процессы преобразования энергии и энергетические установки. – 2014. – Т. 18 № 6 (145) – С. 106–110.
6. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С. Расчет поля давления в пористой среде с реагирующими компонентами // Известия ВолгГТУ. Серия Процессы преобразования энергии и энергетические установки. – 2014. – Т. 18 № 6 (145) – С. 110–113.