Базовых химических продуктов

СОСТОЯНИЕ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ (ЭиРС)

Химическая промышленность наряду с энергетикой, металлургией, машино- и приборостроением определяет экономический потенциал государства. Россия, обладающая колоссальными запасами сырьевых и энергетических ресурсов, создала мощную многопрофильную химическую промышленность. В российской химической, нефтехимической и биохимической промышленности наметилась определенная оживленность производства, особенно по некоторым видам ВМС, кормовому белку и др. однако, эта положительная тенденция может не получить должного развития без обновления производственных фондов, создания высокотехнологических процессов с существенным снижением сырьевых и энергетических ресурсов. Только это позволит российской химической промышленности стать конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках.

Как известно, продукция химического комплекса характеризуется повышенным сырьевым и энергетическим индексом. В частности, доля материального компонента (сырье, топливо, материалы и др.) в структуре затрат на производство достигает 70%. На период 1998-1999 г.г. в структуре себестоимости химической и нефтехимической продукции удельный вес сырья и материалов составил ~ 42%, а энергоресурсов более 20%.

Таким образом, становится очевидным, что существенного снижения себестоимости химической продукции невозможно добиться без воздействия на сырьевую и энергетическую составляющие.

Анализируя показатели сравнительных технико-экономических показателей по энерго- и ресурсосбережению некоторых производств базовых химических продуктов в России и Зарубежье, необходимо отметить, что энергопотребление в России превышает зарубежное от 20% (производство кальцинированной соды) до 60% (каталитический крекинг). Аналогичная ситуация и с использованием сырья (табл. 1.1). [21]

Таблица 1.1

Технико-экономические показатели по энерго-

И ресурсопотреблению некоторых производств

базовых химических продуктов

(по данным НИИТЭХИМ в отраслевых организациях)

Основываясь на этих данных можно констатировать следующий факт: на настоящий момент для производств химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и биотехнологической промышленности показатели удельной материалоемкости и металлоемкости в среднем в 1,2-1,4 раза, а удельной энергоемкости в 1,5-1,7 раза выше, чем в индустриально развитых государствах.

Таким образом, у российской химической промышленности имеются серьезные проблемы в части ЭиРС, без решения которых невозможно устойчивое развитие и конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынке.

Подходы к ЭиРС в химической промышленности таковы:

- наилучшее использование движущей силы ХТП

- наилучшее использование сырья

- наилучшее использование топливно-энергетических ресурсов

- наилучшее функционально-структурное использование аппаратов и машин (в частности совмещенный реакционно-массообменный процесс)

- обеспечение и повышение надежности

- рациональная компоновка оборудования

- замкнутое водоснабжение

Перечисление методов можно продолжить. Однако, такой подход к решению задач ЭиРС не раскрывает существа проблемы и не намечает принципиальных путей их решения.

В контексте сказанного выше, кратко рассмотрим некоторые цифры, характеризующие состояние минерально-сырьевого и топливно-энергетического секторов экономики России.

Мировая промышленная продукция оценивается в 800 млрд. долларов, из них 560 млрд. долларов (70%) приходится на углеводородное сырье. РФ добывает сырья на 100 млрд. долларов, но реальная выручка из-за низких внутренних цен только 75-80 млрд. долларов. Тем не менее, горнодобывающая отрасль РФ дает 33% ВВП и 70% объема экспорта, что позволяет при развале собственной экономики ввозить из-за рубежа все необходимое (продукты, электронику, одежду, обувь и прочее).

Износ основных фондов в горнодобывающей отрасли оценивается в 70-80%.

Национальная безопасность России в значительной мере определяется состоянием геолого-разведочной и горнодобывающей отраслей. Однако, за последние годы резко сократились эти работы.

В топливно-энергетическом балансе РФ очень высока доля нефти и газа (77%, а мировой – 57%), а доля угля крайне низка (13% на фоне 30%). В Китае и Индии на угле вырабатывается 70% электроэнергии, в США – 57%, в Австралии – 76% , а в России только 20%.

Наблюдается выработанность крупных нефтяных месторождений (в Западной Сибири - 60-80%)

В мире действует примерно 450 атомных реакторов, из них 29 в РФ. Годовое потребление урана в РФ покрывается производством только на 50%. Работает только один урановый рудник (2 тыс. т/год), запасов которого хватит только на 10-12 лет.

Доля РФ в общем объеме мирового экспорта составляет (в %) по нефти – 7; газу – 24; углю – 4,5; урану – 29; Железной руде – 7; меди – 9; никелю – 18; алюминию – 21.

Из количества добытого в РФ сырья за рубеж вывозят, в %: нефти и нефтепродукции – 57; газа – 40; меди – 90; никеля – 97; алюминия – 99.

Прирост разведанных запасов нефти в последние годы уменьшился в 7 раз, добыча нефти сократилась примерно вдвое, объем эксплуатационного бурения сократился в 3,5 раза, геолого-разведочного – в 4,5 раза.

Разведанные запасы природного газа в РФ составляют 47,5 трлн. м³ (34% мировых запасов); добыча - 580-600 млрд. м³ . Газопроводы катастрофически стареют.

Разведанные запасы угля велики – более 200 млрд. т, однако произошло катастрофическое обрушение угледобывающей промышленности. Добыча за 10 лет упала вдвое и составляет примерно 220 млн.т. Закрылось 200 шахт.

РФ полностью обеспечена рудами железа (запасы 57 млрд.т). РФ занимает второе место по производству алюминия (примерно 3,4 млн.т), однако ежегодно закупается 4 млн.т бокситов и 2 млн.т глинозема; 99% алюминия продается за рубеж.

По разведанным запасам меди РФ занимает 3 место в мире, но потребление меди за последние годы упало в 4 раза и 90% меди продается за рубеж.

По разведанным запасам никеля РФ занимает первое место в мире (Норильское месторождение). 90% от добычи (примерно 160 тыс.т) экспортируется.

Традиционные способы оценки энерго- и ресурсосбережения представлены на рис. 1.1 (показатели ресурсосбережения производств – удельная ресурсоемкость продукции).

Рис. 1.1 Показатели ресурсосбережения

Иными словами, ЭиРС можно рассматривать как оптимизацию материальных и энергетических потоков существующих технологических процессов для производства продуктов. В то же время, эту задачу можно рассматривать и более широко, как поиск новых путей рационального использования энергии и сырья для получения новых продуктов.

Так при оценке путей решения проблем ЭиРС (создания малоотходных технологий) Березина З.Н. [5] выделяет четыре принципа: методологические, химические, технологические и организационные. К методологическим принципам подхода к созданию безотходных (малоотходных) технологий автор относит: экономию сырьевых, энергетических ресурсов, воды; использование отходов производства; комбинирование предприятий и др.

Химические принципы включают создание малостадийных процессов, катализ, создание «сопряженных» методов производства.

Технологические принципы основаны на использовании процессов рециркуляции, регенерации, утилизации сырьевых и энергетических ресурсов и совершенствование водооборотных циклов и др.

К организационным принципам автор относит кооперирование и комбинирование производств, создание территориально-производственных комплексов и др.

Академик Саркисов П.Д. [21] предлагает рассматривать пути решения проблем ЭиРС на различных иерархических уровнях (рисунок 1.2).

Рис. 1.2 Иерархические уровни путей энерго- и ресурсосбережения в химической промышленности

Молекулярный уровень (наномасштаб) обеспечивает условия безотходных технологий.

Наномасштаб охватывает перспективное решение таких задач как разделение смесей, например, парамагнитных (О₂) и диамагнитных (N₂) молекул при продувании воздуха через пористый сверхпроводник. На уровне наномасштаба огромное значение имеет катализ, в том числе и биокатализ. Роль каталитических процессов не ограничивается наномасштабом, а последовательно распространяется до мегамасштаба. Катализ является основой химических производств. Доля каталитических процессов в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности составляет 80-85% и постоянно возрастает. В общем объеме промышленного производства в развитых странах продукция каталитических процессов составляет 20% стоимости всей выпускаемой продукции. В ХХI веке роль катализа в обеспечении устойчивого развития общества еще более возрастет.

На уровне микромасштаба задачи энерго- ресурсосбережения должны сводиться к интенсификации процессов на межфазных поверхностях, образуемых частицами, каплями, пузырями. Существенное внимание при этом необходимо уделять возникновению различного рода неустойчивости при протекании процессов. Интенсификация достигается при наложении электрических, магнитных, центробежных полей, использовании ультразвуковых и низкочастотных колебаний.

Свой вклад в решении проблемы на этом уровне может внести и интеграция процессов, понимаемая здесь как принцип одновременного сопряженного химического превращения и разделения продуктов реакции (совмещенные реакционно-массобменные процессы). Так, например, при конверсии углеводородов С₅-С₇ на активной каталитической насадке переход от двухкаскадной схемы «прямоточный реактор – ректификационная колонна» к одному реакционно-ректификационному аппарату позволяет примерно на порядок снизить расходы пара и воды на тонну продукта. Перспективно развитие реакционно-абсорбционных аппаратов, реакционно-десорбционных, реакционно-кристаллических процессов. Существенное внимание в последнее время уделяется реакционно-мембранным процессам, которые связаны с разделением реакционных смесей в момент их образования через различного рода полупроницаемые мембраны.

Примером использования полупроницаемых мембран является технология производства СЖТ из природного газа, разработанная Министерством энергетики США. По этой технологии на стадии производства синтез-газа воздух проходит через керамическую мембрану, которая пропускает кислород, который в свою очередь вступает в реакцию с СН₄ и образует синтез-газ:

СН₄ + 0,5 О₂ = СО + 2 Н₂

На стадии мезомасштаба снижение энерго- и материалоемкости реализуется путем создания новых, совершенствования традиционных процессов разделения и реакционного узла. В настоящее время все чаще (в том числе и в крупнотоннажных производствах) применяются мембранные методы разделения жидких и газовых смесей, которые, в сочетании с традиционными, приводят к значительной экономии энергии и материалов. Существенный эффект несет и оптимизация традиционных способов разделения таких как ректификация, абсорбция, экстракция, кристаллизация. Экономия может быть достигнута и созданием новых типов химических реакторов, ориентированных на проведение каталитических процессов. Перспективными оказываются и разработки, направленные на создание многофункциональных аппаратов для проведения совмещенных процессов (реакционно-ректификационных и реакционно-мембранных).

Уровень макромасштаба принципиальных путей энерго- и ресурсосбережения представлен агрегатом, заводом или химическим комбинатом. На этой стадии решающее значение приобретают интеграция и оптимизация технологических процессов и систем. Технологическое оформление процессов должно предусматривать, в частности, наибольший выход продукта при наименьших затратах энергии и потерь качества. В этом плане появление химической энерготехнологии является естественным следствием развития химической технологии, которое вызвано увеличением объемов производства химических продуктов, ростом единичной мощности агрегатов и, соответственно, энергетических затрат. При этом на первый план выступает термодинамический анализ. Интеграция и термодинамическая оптимизация энергетических и материальных потоков крупных химических производств может дать экономию общих энергозатрат для нефтехимии, неорганических производств, малотоннажной химии – до 30%, для производства смол – до 25%, пигментов – до 15%, пищевых продуктов – до 25%.

Результаты инновационной деятельности, заключающиеся в комплексном подходе к проблеме энерго- и ресурсосбережения, могут быть наглядно продемонстрированы на примере такого важного процесса, как синтез аммиака. Удельные затраты энергии при производстве аммиака реально приблизились к теоретически возможным в результате улучшения катализатора, внедрения турбокомпрессоров и создания интегральной энерготехнологической схемы.

Уровень мегамасштаба представлен рынком и окружающей средой. При этом требования рынка, направленные на обеспечение возрастающих потребностей общества в химических продуктах, необходимо удовлетворять при безусловном решении задач, связанных с охраной биосферы от диспропорций. Иными словами, химические процессы должны становиться чище, использовать меньше энергии и поставлять хорошо очищенные продукты. Кардинальное решение этих проблем состоит в поиске новых путей синтеза для создания безотходных технологий, «чистых» способов подготовки исходного сырья и очистки продуктов. Но в реальных условиях полностью избавиться от отходов и влияния предприятия на окружающую среду невозможно. Поэтому на данном этапе задачи энерго- и ресурсосбережения связаны с использованием отходов в качестве вторичного сырья для получения новых товарных продуктов. Безусловно, с целью глобальной экономии материальных ресурсов в идеале необходим переход на возобновляемые источники энергии и разработку безотходных производств. Но реальное положение дел в настоящее время не позволяет обходиться без очистных сооружений, включая водоподготовку и газоочистку, что, естественно, увеличивает себестоимость продукции. Причем, роль инноваций здесь, по-прежнему, очень высока. Так, на основе энергосберегающего способа каталитической очистки газов от токсичных примесей (реверс-процесс) разработаны и успешно применяются промышленные процессы очистки газов от оксидов азота, от токсичных органических примесей и аммиака, окисления диоксида серы в триоксид с последующей абсорбцией и получением товарной серной кислоты.

Контрольные вопросы по І разделу

«Состояние и пути решения проблем энерго- и ресурсосбережения»

1. Что такое ресурсология

2. Основные показатели, характеризующие ресурсосбережение

3. Основные пути решения проблем Э и РС в химической промышленности

4. Иерархические уровни путей Э и РС (по Саркисову П.Д.)

5. Общая характеристика состояния минерально - сырьевого и топливно -энергетического комплексов экономики Российской Федерации.

Глава 2