Энергетические проблемы химической технологии

Химическая промышленность и ее смежные отрасли, основан­ные на химических процессах (нефтепереработка, нефтехимия, металлургия, целлюлозно-бумажная промышленность), являются крупнейшими потребителями энергии. Химическая промышлен­ность и нефтеперерабатывающие производства потребляют около 20% от энергопотребления всей промышленности. По расходу теп­ловой энергии химическая промышленность занимает второе место среди других отраслей народного хозяйства, а по расходу электро­энергии — третье.

Химические процессы происходят с поглощением теплоты (эндо­термические) и с выделением теплоты (экзотермические); произ­водства, основанные на эндотермических процессах, потребляют значительное количество энергии на непосредственно осущест­вление химических реакций. В химических производствах энергия расходуется также на проведение вспомогательных операций, та­ких, как подготовка сырья, транспортировка сырья, реагентов, продукции, физические операции дробления, фильтрации, смеше­ния и др. Расход энергии оценивается количеством электроэнергии (кВт-ч) или условного топлива, израсходованного на производ­ство единицы конечного продукта (кг или т). Условное топливо — это величина, равная 29,33 МДж/кг, которую при­нимают для оценки теплотворной способности топлив и других источников энер­гии; 1 т условного топлива по теплотворной способности эквивалентна 1 т ка­менного угля, 2,5 т бурого, 0,7 т нефти и 770—850 м3 природного газа. Расход электроэнер­гии на получение 1 т продуктов эндотермических процессов (кВт-ч) составляет, например: алюминия—18 000—20 000, фосфо­ра— 13 000—20 000. Для производств, основанных на экзотермиче­ских процессах, расход энергии на эти же цели меньше: синтети­ческого аммиака — 3200; серной кислоты — 60—100; аммиачной селитры —7—15; суперфосфата — 2—10. Расход же условного топ­лива на получение 1 т продукта составляет: фосфора — 35, а син­тетического аммиака — 18. Но в производстве синтетического ам­миака (и ряда других, основанных на экзотермических процес­сах) энергоемки не центральный узел химико-технологической сис­темы (ХТС), а процессы подготовки исходных реагентов и полу­чения товарного продукта.

Тепловая энергия, выделяющаяся в экзотермических процессах, служит дополнительным источником энергии, за счет которой час­тично или полностью обеспечивается энергоснабжение ХТС, т. е. осуществляется подогрев исходных реагентов до температуры ре­акции и вырабатывается пар для проведения вспомогательных опе­раций.

Чтобы снизить расход энергии в эндотермических процессах, требуется рациональный подбор источника энергии и приемов под­вода теплоты в реактор; наиболее эффективно сочетание в одной ХТС реакторов, в которых ведутся процессы, потребляющие и вы­деляющие тепловую энергию. Наука, исследующая оптимальное сочетание процессов химической технологии и энергетики, обеспе­чивающее минимальный расход энергии, называется энерготех­нологией, а химико-технологические системы, рационально ис­пользующие все возможности снижения расхода энергии, — энер­готехнологическими.

В химической технологии используются почти все виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная, химическая, световая и др. Наиболее широко используются электроэнергия и тепловая энер­гия.

Электрическая энергия расходуется непосредственно на осуще­ствление электрохимических процессов (электролиз растворов и расплавов) и электротермических процессов — нагревание, плав­ление, возгонка, синтез при высоких температурах, а также в элек­тромагнитных операциях (обогащение руд) и процессах, связанных с электростатическими явлениями (осаждение пыли и тумана в электрофильтрах). Большие количества электроэнергии расходуют­ся на вспомогательные физические операции, требующие механи­ческой энергии; особенно велик расход электроэнергии на обеспе­чение работы электродвигателей. Электроэнергия расходуется и на освещение предприятий. Предприятия снабжаются электроэнергией в основном от тепловых электростанций (ТЭС), работающих за счет сжигания топлива — угля, мазута, природного газа. Источни­ками электроэнергии для промышленности и быта служат также гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).

Тепловая энергия рассматривается, как энергия высокого потен­циала (более 630 К), среднего (373—623 К) и низкого потенциала (323—423 К). Тепловую энергию высокого потенциала по­лучают сжиганием различных видов топлива (в первую очередь природного газа) непосредственно в печах и других технологических аппаратах с целью обжига и расплавления сырья или полупродук­тов и для осуществления эндотермических реакций и физико-хи­мических процессов (металлургия, переработка топлива, произ­водство силикатных материалов). Тепловую энергию средне­го и низкого потенциалов широко применяют для реа­лизации химических, физико-химических процессов, а также для механических операций — сушка, выпарка, дистилляция, дробле­ние, перемешивание, центрифугирование, транспортировка мате­риалов и потоков. Низкопотенциальная энергия используется для обогрева и вентиляции помещений. Носителями тепловой энергии низкого и среднего потенциалов служат горячая вода и водяной пар низкого (до 0,6 МПа), среднего (0,6—4 МПа) и высокого (бо­лее 4 МПа) давления, полученные от ТЭС, АЭС или от заводских котельных установок, в том числе использующих теплоту экзотер­мических реакций.

Ядерная энергия непосредственно используется при проведении радиационно-химических процессов, протекающих при действии электромагнитных излучений (рентгеновское излучение, g-излучение) и заряженных частиц высокой энергии (ускоренные электро­ны, b- и a-частицы, нейтроны); радиационно-химическим путем осу­ществляются некоторые реакции полимеризации, твердения или упрочнения изделий из полимеров (например, вулканизация каучу­ка), некоторые процессы органического синтеза — галогенирование, сульфирование, окисление и др. Большое будущее имеет комбинирование предприятий атомной энергетики с химико-техноло­гическими системами с целью использования отбросной теплоты, вырабатываемой газоохлаждаемым ядерным реактором для реа­лизации энергоемких химических производств. В настоящее время ядерная энергия используется главным образом для выработки электроэнергии.

Химическая энергия преобразуется в электрическую в гальва­нических элементах и аккумуляторах.

Световая энергия — ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучение применяется для ускорения реакций в промышленности органического синтеза — галогенирования углеводородов, синтеза высокомолекулярных соединений, сульфохлорирования парафинов, изомеризация и др. Эти фотокаталитические процессы происхо­дят в результате суммарного воздействия световой энергии и ка­тализаторов, поглощающих фотоны. Фотоэлектрические устройст­ва, в которых световая энергия преобразуется в электрическую, применяются для автоматического контроля и управления хими-. ко-технологическими процессами.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Топливно-энергетические ресурсы разделяют на топливные и нетопливные, возобновляемые и невозобновляемые, первичные и вторичные. Топливные ресурсы — это горючие ископаемые — уголь, нефть, торф, сланцы и природный газ. Нетопливные — атомная и термоядерная энергия, солнечная энергия, гидроэнергия (энергия рек), тепловая энергия земных недр (геотермальная), энергия океанских приливов и отливов, ветровая энергия. К во­зобновляемым источникам энергии относятся все нетоплив­ные источники (за исключением атомной), а также биомасса (древесипа и другое растительное сырье). Невозобновляемыми называются те энергоресурсы, запасы которых по мере их добычи из земной коры необратимо уменьшаются; к ним относятся все го­рючие ископаемые и «топливо» атомной энергии — уран. Все перечисленные выше источники энергии называют первичными.

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) — это энергия, которая может быть получена при использовании энерге­тического потенциала конечных, побочных и промежуточных про­дуктов, образующихся в химико-технологической системе. ВЭР мо­гут быть частично или полностью использованы для энергоснабже­ния всего производства в целом.

Энергетика химической промышленности и ее смежных отрас­лей базируется в основном на топливных невозобновляемых ресур­сах.

Топливом называют природные или искусственные горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем химической про­мышленности

Топливо разделяют по агрегатному состоянию на твердое, жид­кое и газообразное, а по происхождению — на естественное и искус­ственное. Естественные топлива: твердые — бурые и ка­менные угли, дрова и горючие сланцы, торф; жидкие — нефть; га­зообразные— природный газ и попутные газы добычи нефти. Искусственные топлива — продукты переработки естест­венных; твердые — кокс, полукокс, торфяные и угольные брикеты, древесный уголь; жидкие — бензин, керосин и другие жидкие продукты переработки нефти; газообразные — генераторный газ, кок­совый газ, газ полукоксования, углеводородные продукты нефте­переработки, водород.

Различают энергетическое и технологиче­ское топлива. Энергетическое сжигают на ТЭС и в котель­ных для выработки электрической и тепловой энергии. Техноло­гическое топливо непосредственно используется в промышлен­ных установках и в печах для проведения технологических процес­сов и операций, например для коксования и газификации твердого топлива, выплавки чугуна и стали, обжига силикатных материа­лов, в процессах сушки, выпарки, термообработки и др.

Основные технологические характеристики топлива — его теп­лота сгорания (теплотворная способность) и энергоемкость. Теп­лотворная способность — это количество теплоты, выде­ляющейся при полном сгорании единицы массы твердого или жид­кого топлива (МДж/кг) или единицы объема газообразного топ­лива (МДж/м3) и охлаждении продуктов сгорания до нормальной температуры.

Энергоемкость — количество потенциальной тепловой энергии, заключенное в единице объема топлива, измеряется как объем топлива (м3), отвечающий 1 т условного топлива, теплота сгорания которого составляет 29,33 МДж/кг.

Твердые и жидкие топлива содержат горючую органическую массу и негорючие вещества — балласт. Органическая масса топлив состоит в основном из углерода, кислорода и водорода; кроме того, в органической массе топлив могут содержаться азот и сера. Негорючая, балластная часть топлив состоит из влаги и минераль­ных веществ. Минеральную часть топлив составляют карбонаты, силикаты, сульфаты металлов — кальция, железа, магния, алюми­ния, натрия и др. Минеральные вещества при сжигании твердого топлива и нефтей переходят в оксиды и образуют твердый остаток — золу. Сера является вредной npимесью в топливе; при его сжигании сера образует диоксид, отравляющий атмосферу.

Естественные газообразные топлива — природный и нефтяной газы — наиболее ценны, они содержат в горючей массе только уг­лерод и водород, обладают максимальной теплотворной способ­ностью и при полном сгорании выделяют в атмосферу только Н2О и СО2. В табл. 9.1 приведены усредненный элементный состав (мас­совые доли в %) и теплотворная способность некоторых видов топлив.

Таблица 1. Состав и теплотворная способность топлив

 

Топливо Массовая доля органической части, % Теплота сгорания, МДж/кг
С Н O+N S
Торф 0,4 10,0—20,0
Сланцы горючие 1,5—11 11,0—25,0
Бурый уголь:          
Подмосковный 1—6 11,0—12,0
Канско-Ачинский 70—72 0,3—0,8 13,4—17,1
Каменный уголь:          
Кузнецкий 78—90 4—8 2—13 0,3—0,8 24,3—28,9
Экибастузский 75—80 4—5,5 12—16 1,2—1,8 12,5—12,3
Антрацит 92—98 1—2 0,3—3,0 27,6—34,0
Природный газ . * 39,7 МДж/м5
Мазут малосернистый 11—12 0,02 0,5—3 43,9

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА И ЕЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Мировое потребление энергии прогрессивно растет; темпы этого роста определяются развитием техники и промышленности, а так­же увеличением народонаселения. В начале XX в. потребление энергии удваивалось за 50 лет, а теперь только потребление элек­троэнергии удваивается каждые 10—15 лет, причем значение элек­трификации в общем энергопотреблении постоянно возрастает. Рас­ход природных энергоресурсов распределяется примерно так: 20%—на производство электроэнергии, 20%—на транспорт (авиа­ция, автотранспорт, флот и т. д.), 30%—на промышленность, в том числе на добычу полезных ископаемых, 30% —на отопление зданий и другие бытовые нужды.

В настоящее время мировая энергетика базируется главным образом на невозобновляемых природных ресурсах. Соотношение между твердым, жидким и газообразным топливами в мировом энергетическом балансе меняется; вторая половина XX в. характеризуется преобладающим применением нефти и природного газа, покрывающих сейчас около 70% мирового энергопотребления. Пре­имущества нефти и газа перед твёрдым топливом очевидны: меньшая себестоимость, транспортабельность (перекачивание по газо-и нефтепроводам), сравнительная легкость добычи и потребления. При добыче и сжигании газа и нефтепродуктов меньше загрязня­ется окружающая среда. Но мировые запасы нефти и газа огра­ничены и при интенсивном, всевозрастающем их потреблении на­станет время, когда природные кладовые опустеют. Кроме того, на природном газе и газах добычи и переработки нефти базируется химическая промышленность (производство синтетического аммиака, удобрений, органический синтез, производство высокомо­лекулярных соединений), а также промышленность микробиологи­ческого синтеза. Химическая промышленность развивается во всем мире опережающими темпами. Поэтому масштабы потребления хи­мического нефтегазового сырья уже сейчас сопоставимы с потреб­лением нефти и газа в энергетике. Необходимо сохранить для бу­дущего нефть и газ именно в качестве химического сырья, заменив эти виды топлива другими источниками энергии.

Энергетическая проблема конца XX и начала XXI вв. состоит в ускоренном изыскании источников энергии, способных полно­стью заменить нефть и газ, расходуемых для выработки электро­энергии, а также применяемых на транспорте и в быту.

Перестройка энергетики с переходом на новые источники энер­гии имеет две наиболее реальные перспективы: широкое развитие атомной и термоядерной энергетики и увеличение потребления твердого топлива, мировые запасы которого во много раз превыша­ют запасы нефти и газа. Если вести расчет в тоннах условного топлива, то доля нефти в общих запасах горючих ископаемых со­ставляет 6%, а природного газа — около 2%.

Энергетические установки, использующие нетрадиционные ис­точники энергии — теплоту земных недр, солнечную энергию, энер­гию ветра, морских приливов, а также гидравлическую энергию, — по всем показателям пока не могут конкурировать с атомной и термоядерной энергетикой. В настоящее время такие установки могут применяться избирательно там, где это экономически оправ­дано, например использование солнечной энергии в тех районах, где длительность солнечного сияния не менее 1700—2200 ч в год (Средняя Азия, Ближний Восток, Африка). Усиленное расшире­ние сети гидроэлектростанций недопустимо по экологическим при­чинам, поскольку сооружение дамб и плотин ведет к затоплению жилых районов и пахотных земель, к нарушению самоочищения рек и их рыбопродуктивности.

Среди возобновляемых источников энергии большие перспекти­вы имеет солнечная энергетика, хотя сегодня стоимость полупро­водниковых солнечных электростанций примерно в десять раз вы­ше, чем АЭС, так как мал КПД фотоэлементов, преобразующих световую энергию в электрическую и дороги накопители энергии. Но устройство фотоэлементов постоянно совершенствуется и их КПД возрастает. Успехи исследований высокотемпературной сверхпроводимости обещают в дальнейшем создание экономичных сверхпроводниковых накопителей энергии, аккумулирующих ее при солнечном сиянии и отдающих в любое время в энергосистему. Ог­ромное преимущество солнечной энергетики — ее полная экологи­ческая безвредность, а также неисчерпаемость источника энергии.

В перспективе расширения энергетических ресурсов — создание экологически чистой водородной энергетики. Водород и продукты его переработки (метанол) рассматри­вают как оптимальное топливо будущего для транспорта и быта.

Альтернативой нефти и природному газу может служить также угольная энергетика. Расширение масштабов потребления угля в СССР идет по линии использования мощных месторождений, де­шевых низкосортных углей восточных районов — Канско-Ачинского и Экибастузского месторождений. В этих малонаселенных районах допустимо прямое сжигание угля на ТЭЦ и передача элек­троэнергии в другие районы страны по дальним высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП). Методы высокотемпературной пе­реработки углей с водяным паром или с водородом, а также низко-и среднетемпературного пиролиза твердого топлива должны широко развиваться. Этими методами можно получить жидкое топливо для транспорта, смазочные масла, водород и другие восстанови­тельные газы, углеводородное сырье. Теплота для высокотемпературных эндотермических процессов глубокой переработки твердого топлива доставляется за счет частичного сжигания полученных полукокса или газа в энерготехнологических комплексах, а также комбинирования химических предприятий с атомными электро­станциями.

Важнейший аспект топливно-энергетической проблемы — это рациональное использование всех видов энергии, стратегия энерго­сбережения в промышленности, на транспорте и в быту. В настоя­щее время средний КПД использования топливных ресурсов в про­мышленности, на транспорте и в быту составляет около 30—40%; остальная часть энергии безвозвратно теряется.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЯ

Энергосбережение в химической промышленности заключается в совершенствовании технологии с возможно более полным исполь­зованием первичных и утилизацией вторичных энергетических ре­сурсов. Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР)—важнейшая задача химической технологии. Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, металлургия, произ­водство строительных материалов имеют большие ВЭР, так как в них превращается значительная доля первичных энергоресурсов. Наиболее широко распространена утилизация тепловых ВЭР — теплоты отходящих и технологических газов или продуктов хими­ческих реакций (а также холода, вырабатываемого в холодильных установках).

Тепловые ВЭР применяют прежде всего для предварительного подогрева реагентов, поступающих в реактор. Теплообмен между продуктами реакции и исходными реагентами, а также между про­межуточными продуктами производят в различного рода теплооб­менниках— рекуператорах теплоты. Для утилиза­ции теплоты отходящих, дымовых газов высокотемпературных про­цессов (коксование, производство стали и др.) применяют регене­раторы—камеры, заполненные насадкой из огнеупорного кирпича; насадку периодически нагревают, пропуская через нее горячие газы, а затем за счет теплоты насадки нагревают холодные исходные реагенты — воздух или газ. Несколько регенера­торов, работающих параллельно, обеспечивают непрерывность про­цесса.

Теплота химических реакций широко используется в котлах утилизаторах и экономайзерах. Котлы-утилизаторы использующие теплоту дымовых и технологических газов, ус­танавливают для выработки водяного пара различных парамет­ров.

В водяных экономайзерах и воздухонагревателях теп­лота дымовых газов используется для подогрева питательной воды котлов и воздушного дутья.

Помимо тепловых ВЭР в химических производствах утилизи­руют энергию сжатых газов в системах, работающих при высо­ком давлении.

Для химических производств большие возможности энергоснаб­жения заключаются в совершенствовании технологических процес­сов— изыскании наиболее рациональных видов сырья и методов его подготовки, комплексном использовании сырья, применении наи­более активных катализаторов, организации энерготехнологиче­ских установок и систем, применении энергосберегающего оборудо­вания.

Правильный выбор сырья и методов его подготовки оказывает большое влияние на расход энергии. Классическим примером могут служить результаты применения природного газа взамен бурого угля в качестве сырья для производства синтетического аммиака. Расходный коэффициент по энергии в производстве аммиака на ос­нове газификации буроугольного полукокса составлял 1780 кВт-ч на 1 т связанного азота. На современных установках, использую­щих природный газ в качестве сырья, расходный коэффициент по энергии составляет 60—100 кВт-ч/т N2.

Применение более активных катализаторов, обладающих высо­кой селективностью и устойчивостью, оказывает большое влияние на энергозатраты; повышение активности катализатора позволяет вести процесс в менее жестких условиях, при более низких темпе­ратуре и давлении, т. е. при меньших энергозатратах. Повышение стабильности катализатора увеличивает длительность его рабоче­го пробега без регенерации, т. е. снижает эксплуатационные рас­ходы, в том числе расход энергии. В производстве ароматических углеводородов использование новых, более активных и устойчи­вых катализаторов понизило расход энергии на каждую тонну про­дукта на 0,26 т условного топлива, а в каталитическом риформинге повышение активности катализатора на 1 % приводит к снижению энергозатрат на 2,9%.

Важнейшим направлением рационального использования энер­гии в химической промышленности и ее смежных отраслях явля­ется организация энерготехнологических систем — агрегатов, уста­новок, крупных производств, в которых полностью используется теплота химических реакций и физико-химических процессов. Наи­более эффективно комбинирование крупнотоннажных установок и производств, в которых энергопотребляющие устройства сочетают­ся с энерговыделяющими. Характерными примерами энерготехно­логических систем в химической промышленности могут служить современные высокопроизводительные системы синтеза аммиака и производства азотной кислоты, карбамида, метанола. В этих системах низко- и высокопо­тенциальная теплота дымовых и технологических газов утилизиру­ется с максимальной полнотой, в том числе с передачей вырабо­танного пара другим потребителям.

Энерготехнологические системы разрабатываются и внедряют­ся на основе комплексного использования топлива, в частности на основе глубокой технологической переработки низкосортных углей.

Для экономии энергии должны быть использованы все возмож­ные направления, в том числе совершенствование самих энергети­ческих устройств и применение наиболее экономических методов преобразования одних видов энергии в другие. Так, например, из­вестно, что КПД ТЭС составляет не более 40% и 2/3 тепловой энер­гии выбрасывается с отходящими газами, загрязняющими атмо­сферу. Новый метод преобразова­ния тепловой энергии в электрическую на основе магнитогидродинамического принципа — МГД-генератор. Принцип действия МГД-генераторов заключается в возникновении электрического тока в струе раскаленного газа (плазмы), пропускаемого через магнит­ное поле. КПД электростанций повышается до 50—60%.

Весьма перспективна возможность применения тепловых насо­сов. Принцип действия и устройство тепло­вых насосов аналогичны холодильным машинам, но они предназна­чены для выработки теплоты. Теплонасосные станции, уже сущест­вующие в ряде стран, отбирают теплоту морских, речных (а также сточных) вод и обогревают объекты, где требуется умеренная тем­пература, не выше 60—80°С. Тепловые насосы не загрязняют окружающую среду и являются экономичными, так как используют незначительные количества электроэнергии.

Основная тенденция в изменении струк­туры энергетического баланса — это, без со­мнения, всё более широкое применение атом­ной энергии. Всего 1 кг U-235 при расщепле­нии выделяет 24 млн. кВт энергии, что соот­ветствует теплотворной способности 3 тыс. тонн каменного угля. Расщепление 1 кг урана даёт почти в 3 млн. раз больше энергии, чем сжигание 1 кг каменного угля, и в 7 млн. раз больше, чем сжигание 1 кг бурого угля.

Потребление сырья и энергии в обществе должно осуществляться в соответствии с тре­мя условиями:»

• темпы потребления возобновляемых ресурсов не должны превышать темпов их восстановления;

• темпы потребления невозобновляемых ресурсов не должны превышать устойчивых темпов использования их альтернативной замены;

• интенсивность выбросов и сбросов за­грязняющих веществ не должна превышать возможность их поглощения окружающей средой без ухудшения её качества.

Последние данные свидетельствуют о том, что на сегодняшний день основными источниками первичной энергии остались нефть и нефтепродукты (40,5%), уголь (25%), газ (24%), ядерная энергетика (8%) и возобновляемые источники энергии (2,5%).

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Основы промышленной экологии | Случайные подстановки в криптографии


Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 1114; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2017 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.013 сек.