Л.И. Бондалетова
Промышленная экология
Учебное пособие / Том. политехн. ун-т. - Томск, 2002. - 168 с.
Глава 1. Производство и окружающая среда
1.3. Химико-технологическая система
1.3.3. Энергетические ресурсы химико-технологической системы
1.3.3.1. Энергия в химическом производстве
В химическом производстве осуществляются процессы,
связанные либо с выделением, либо с затратой, либо со взаимными превращениями
энергии. Энергия затрачивается не только непосредственно на проведение химических
реакций, но и на транспортировку материалов, дробление, фильтрацию, сжатие
газов и т. д.
Энергоемкость производства - расход энергии на получение единицы продукта – один из
важнейших показателей эффективности производства. Имеются производства,
отличающиеся высокой энергоемкостью, и производства с относительно небольшим
потреблением энергии. Так, на производство 1 т алюминия необходимо
18 000-20 000 кВт×ч энергии, а на производство
минеральных удобрений (суперфосфата) – 2-10 кВт×ч. Энергию
выражают в различных единицах: кДж, кВт.ч, в том числе в единицах
условного топлива (1 кг твердого топлива или 1 м3 газообразного с
теплотой сгорания 29,3 МДж).
Несмотря на наличие производств, потребляющих
небольшие количества энергии на тонну продукции, крупные масштабы современных
химических комбинатов и заводов обусловливают возрастающую потребность во всех
видах энергии.
Виды энергии
Наиболее широкое практическое применение в
промышленности имеют электрическая, ядерная, тепловая, химическая и др. виды
энергии. Вид применяемой энергии зависит от технологического процесса.
Электрическая энергия ‑ наиболее универсальный вид энергии. Источником ее
является энергия воды на ГЭС и превращение тепловой энергии, полученной в
результате сгорания топлива (ТЭЦ) или в результате ядерных реакций (АЭС), в
механическую, а затем механической в электрическую. Электроэнергия на
химических предприятиях используется для осуществления электрохимических
(электролиз растворов и расплавов), электротермических (плавление, нагревание,
синтезы при высоких температурах и т. д.), электромагнитных процессов. В
промышленности нашли применение процессы, связанные с использованием
электростатических явлений (осаждение пылей и туманов, электрокрекинг
углеводородов и др.), электронноионные явления, применяемые для контроля и
автоматизации химических производств. Особенно широко в химической
промышленности используется превращение электрической энергии в механическую,
которая необходима главным образом для физических операций ‑ дробления,
измельчения, смешения, центрифугирования, работы вентиляторов, компрессоров,
насосов и пр.
Тепловая энергия в химической промышленности применяется, во-первых, для осуществления
разнообразнейших физических процессов, не сопровождающихся химическими
реакциями ‑ нагрева, плавления, сушки, выпарки, дистилляции и т. п. Кроме
этого, большое количество тепловой энергии затрачивается на нагрев реагентов
для проведения эндотермических химико-технологических процессов.
Внутриядерная энергия, выделяемая при различных превращениях атомных ядер
или при синтезе ядер водорода в ядра гелия, используется для производства
электрической энергии на атомных электростанциях. Большое распространение
получают радиационно-химические процессы, в которых радиоактивные излучения
используются для осуществления химических реакций.
Химическая энергия, выделяющаяся в результате экзотермических химических реакций, служит
ценным источником тепла для обогрева реагентов, используемых для проведения
реакции. Химическая энергия применяется в гальванических элементах и
аккумуляторах, где она преобразуется в электрическую.
Световая энергия используется для осуществления различных фотохимических реакций:
синтеза хлористого водорода из элементов, галоидирования органических
соединений и других процессов. Фотоэлектрические явления, в которых происходит
превращение световой энергии в электрическую, нашли применение для
автоматического контроля и управления технологическими процессами.
Источники энергии, используемой на промышленных предприятиях, могут быть различными. Они
могут оцениваться по характеру энергетических ресурсов, энергетической
ценности, запасам.
По характеру энергетические ресурсы делятся на невозобновляемые
и возобновляемые. К невозобновляемым источникам энергии относятся уголь,
нефть, сланцы, природный газ, которые после их использования не могут быть
воспроизведены. Гидроэнергия, растительное топливо, энергия ветра, солнечная
энергия относятся к непрерывно возобновляемым источникам энергии.
Энергетическая ценность отдельных источников энергии
определяется количеством энергии, которое можно получить при их использовании.
Для топлив, например, энергетическая
ценность характеризуется количеством квт×ч, получаемых
при полном использовании теплоты сгорания одного килограмма или кубического
метра данного топлива, например энергетическая ценность каменного угля
составляет 8,0 кВт×ч/кг, а природного газа – 10,6 кВт×ч/м3.
Практическое использование энергетических ресурсов
определяется прежде всего запасами, а также их географическим положением,
доступностью использования, возможностью трансформации энергии и передачи ее на
расстояния и рядом других факторов.
Размещение химических предприятий, отличающихся
большими масштабами потребления энергии, зависит от наличия дешевого топлива и
электрической энергии. В этой связи следует отметить роль местных видов топлива,
которые, как правило, обходятся дешевле дальнепривозных. Однако в некоторых
случаях использование транспортируемого на дальние расстояния по трубопроводам газа более рентабельно, чем
использование местных топлив.
1.3.3.2. Рациональное использование энергии
В химических производствах, потребляющих большие
количества энергии, энергетические затраты влияют на технико-экономические
показатели процессов. Критерием экономичного использования энергии является
коэффициент использования энергии.
Коэффициентом использования энергии называется отношение количества энергии, которое
теоретически требуется затратить на получение весовой (или объемной) единицы
продукта, к количеству практически затраченной энергии. Во многих производствах
эти коэффициенты очень низки, что свидетельствует о непроизводительном
расходовании энергии. Ограниченность энергетических ресурсов, в ряде случаев
высокая стоимость энергии ставят задачу экономного и рационального ее
использования.
На химических предприятиях из всех видов потребляемой
энергии первое место принадлежит тепловой энергии.
Степень использования тепла в химико-технологическом
процессе выражается тепловым коэффициентом полезного действия, под
которым понимается отношение количества тепла, использованного непосредственно
на осуществление основных химических реакций, к общему количеству затраченного
тепла. Тепловой КПД является частным случаем коэффициента использования
энергии. К сожалению, в химических процессах большое количество тепла теряется
с удаляемыми из аппаратов продуктами реакции, отходящими газами и в окружающую
среду.
Например, в печи для обжига известняка тепло,
получаемое от сгорания топлива и внесенное с шихтой, расходуется: 1) на испарение
влаги; 2) на разложение карбонатов; 3) с отходящими газами; 4) с выгружаемой
известью; 5) через стенки печи в окружающую среду. Вторая статья расхода,
характеризующая полезное использование тепла, составляет 64-65% от всего
затраченного тепла, т.е. Т=64-65 %. С отходящими газами теряется 18-20 %,
с выгружаемой известью 2-5 % и в окружающую среду 5-6 % тепла. В ряде
случаев потери тепла с продуктами реакции значительно больше.
Тепло продуктов реакции или отходящих газов (вторичные энергетические ресурсы) можно использовать
для предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционный аппарат. Тепловые
потери в окружающую среду уменьшают, во-первых, тепловой изоляцией
аппаратуры и, во-вторых, конструктивное оформление и габариты аппаратуры
выбирают так, чтобы иметь минимальную поверхность теплоотдачи в окружающую
среду.
При рациональном использовании тепловой энергии
экономятся огромные количества топлива. Следует подчеркнуть, что нельзя
рассматривать топливо в современных условиях только как источник тепловой энергии.
Уголь, торф, сланцы, нефть, природные газы являются ценнейшим и важнейшим
сырьем химической промышленности. Задача заключается в комплексном
энерго-химическом использовании топлива и как сырья для химической
промышленности, и как источника получения энергии. Таким образом, решение
проблем рационального использования энергии, уменьшения потерь тепла в
окружающую среду и использование так называемых вторичных ресурсов имеет
большое значение.
1.3.3.3. Вторичные энергетические ресурсы
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) ‑ это энергия различных видов, покидающая
технологический процесс или установку, использование которой не является
обязательным для осуществления основного технологического процесса.
В настоящее время особенно велики потери теплоты на
электростанциях, в металлургической, химической, нефтедобывающей и
нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве. Теплота уносится
также с вентиляционным воздухом, с канализационными и бытовыми стоками. Согласно
расчетам, из 1,7 млрд т у. т., расходуемого в стране за год,
полезно используется примерно 700 млн т. Утилизация ВЭР позволит получить
большую экономию топлива и существенно уменьшить капитальные затраты на
создание соответствующих энергоснабжающих установок, так как при одинаковом
эффекте затраты на улучшение использования энергоресурсов в 1,5-2 раза ниже
затрат на добычу топлива. Рациональное и возможно более полное использование
вторичных энергоресурсов дает большую экономию материальных, денежных и
трудовых затрат, обеспечивает снижение выбросов вредных веществ, в том числе и
тепловых.
ВЭР разделяются на три основные группы: избыточного
давления, горючие и тепловые.
ВЭР избыточного давления ‑ это потенциальная энергия покидающих
установку газов, воды, пара с повышенным давлением, которая может быть еще
использована перед выбросом в атмосферу. Основное направление использования
таких ВЭР ‑ силовое (для получения электрической или механической
энергии).
Горючие ВЭР ‑
это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены
непосредственно в виде топлива на других производствах. К ним можно отнести:
щепки, опилки, стружку (в деревообрабатывающей промышленности); твердые и
жидкие топливные отходы химической и нефтеперерабатывающей промышленности;
доменный газ (в металлургической промышленности). Главная трудность
использования горючих ВЭР ‑ примеси, которые могут загрязнять окружающую
среду, вызывать коррозию котельной аппаратуры, осаждаться на поверхности
водогрейных труб.
Тепловые ВЭР
‑ это физическая теплота отходящих газов основной и побочной продукции
производства; золы и шлака, горячей воды и пара; рабочих тел систем охлаждения
технологических установок. Тепловые ВЭР используют для получения тепла,
непосредственно передавая его соответствующим теплоносителям (подогревают
потоки, вырабатывают пар). В зависимости от температуры их подразделяют на
высоко- и низкопотенциальные.
Высокопотенциальные тепловые ВЭР (с температурой выше
120 °С) используют для выработки пара в котлах-утилизаторах.
Низкопотенциальные тепловые ВЭР (с температурой
50-120 °С) используют в основном для работы энергетических установок
(подогрев воды для котельных установок). Основные трудности их использования -
большие капитальные затраты из-за малой движущей силы (температурной) для передачи
тепла и загрязнения примесями. Эффективным является использование
низкопотенциальных тепловых ВЭР для получения искусственного холода в
абсорбционных холодильных машинах.
|