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: 4250;