Параграф 2. Тепловая энергия и ее использование на химических предприятиях.
Все виды энергии, которые используются человеком, можно разделить на две группы:
1) упорядоченную энергию (механическую, электрическую и электромагнитную), которая может трансформироваться в другие виды энергии и передаваться при любых внешних условиях, а потенциал ее всегда остается высоким;
2) хаотичную, неупорядоченную энергию (тепловую), которая может передаваться от тела к телу только при определенных внешних условиях, так как для произвольной передачи тепла обязано соблюдаться условие неравенства температур тела, отдающего тепло, и тела, тепло воспринимающего.
Доля потребления тепловой энергии составляет 70÷75% от общего энергопотребления любого химического предприятия, которое получает ее либо от расположенной поблизости тепловой электрической станции (ТЭС), например от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), либо от ТЭЦ, имеющейся в структуре самого химического предприятия. Основным источником тепловой энергии служит топливо, главными технологическими характеристиками которого являются теплота сгорания и жаропроизводительность.
Теплота сгорания (теплотворная способность) ‒ это теплота реакции горения топлива, т. е. количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (кДж/кг) или 1 м3 газообразного топлива (кДж/м3) и при охлаждении продуктов горения до начальной температуры процесса. Различают низшую QН (количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг водорода с образованием водяного пара) и высшую QВ (количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг водорода с образованием воды) теплоту сгорания топлива. В практических расчетах обычно пользуются величиной QН.
Жаропроизводительность ‒ максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха, в условиях, когда вся выделяющаяся при сгорании теплота полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания. Жаропроизводительность топлива Tmax прямо пропорциональна его теплоте сгорания и обратно пропорциональна расходу теплоты на нагрев продуктов сгорания до температуры Tmax.
Жаропроизводительность положена в основу энергетической классификации топлива. В зависимости от жаропроизводительности топливо подразделяют на две группы: высокой (Tmax>2300 К) и пониженной (Tmax<2300 К) жаропроизводительности.
Потребителей тепловой энергии можно разделить на следующие группы:
‒ технологические (в среднем 77% от общегодового потребления);
‒ отопительно-вентиляционные (18%);
‒ хозяйственно-бытовое горячее водоснабжение (5%).
Технологические потребители ‒ это различные тепло- и массообменные устройства, реакторы, другие аппараты, в основном поверхностного типа, служащие для нагрева или охлаждения промежуточных теплоносителей, рабочих тел и т. д. Они отличаются очень большим разнообразием функционального назначения и конструктивного исполнения, что прямо связано с большим многообразием сред, подвергаемых тепловой обработке, и их физико-химических свойств.
В зависимости от температурного уровня технологических процессов в качестве первичных энергоресурсов используются следующие.
1. Органическое топливо (твердое, жидкое, газообразное), которое при сжигании дает высокотемпературный теплоноситель ‒ продукты сгорания (дымовые газы), температура которых может достигать 1800÷2000 °С и выше. Топливо чаще всего используется для тепловой обработки продуктов в печах и для получения пара и горячей воды в котлах. Кроме того, топливо является основным сырьевым продуктом для промышленности органического синтеза и нефтехимии. Здесь для высокотемпературного нагрева технологических потоков используются трубчатые печи, в которых нагреваемый жидкий или газообразный продукт течет в трубах, снаружи обтекаемых продуктами сгорания топлива. В качестве топлива на химических предприятиях может использоваться не только естественное природное топливо, но и побочные продукты технологии (отходы), которые имеют в своем составе горючие элементы (C, H, S и др.).
2. Сухой насыщенный или слегка перегретый водяной пар давлением 0,2÷1,4 МПа, реже до 8÷9 МПа. Пар поступает на предприятие от ТЭЦ или районной котельной или же может вырабатываться на самом предприятии в котлах-утилизаторах, топливных котлах в технологических установках за счет теплоты экзотермических химических реакций и при охлаждении потоков продуктов и элементов аппаратов и устройств.
3. Горячая вода применяется обычно при температурах не выше 180 °С, так как при большей температуре вода должна находиться под давлением большим 1,0 МПа, что требует для обеспечения прочности массивных и тяжелых теплообменных устройств. Как и пар, вода может поступать от ТЭЦ или районных котельных, или вырабатываться на самом предприятии.
4. Холодная вода при температуре окружающей среды или охлажденная в специальных охладителях до температуры 4÷25 °С используется как холодный теплоноситель для отвода теплоты от технологических потоков и устройств.
5. Воздух также широко используется как охлаждающий теплоноситель. Кроме того, воздух используется как горячий теплоноситель и как сушильный агент.
6. Холодильные агенты (рассолы, фреоны, аммиак, углекислота и др.) применяются в области температур ниже температуры окружающей среды, в том числе при минусовых температурах. Холодильные агенты и вода обычно циркулируют по замкнутой системе циркуляции между охлаждаемым объектом и охладителем (бассейн, пруд).
Потребление теплоты в технологических процессах характеризуется непрерывностью и определенным постоянством. Основной теплоноситель – пар. Примерно 90% технологических потребителей пара и горячей воды на конечной стадии потребления используют теплоносители с температурой до 150 °С.
Отопительно-вентиляционные системы. Основным теплоносителем являются пар и горячая вода с температурой не выше 150°С. Отопление производственных помещений в основном воздушное, совмещенное с вентиляцией. Такие совмещенные системы несут около 85÷90% отопительно-вентиляционных нагрузок. В приточных системах вентиляции атмосферный воздух, в зависимости от времени года имеющий температуру от -40 до +10 °С, подогревается в калориферах систем до 25÷40 °С за счет теплоты пара или горячей воды. В летнее время, когда температура воздуха высока, его нужно охлаждать в калориферах холодной водой. Для подготовки воздуха, подаваемого в производственные помещения часто используют кондиционеры, которые являются крупными потребителями тепловой энергии на химических предприятиях. Тепловая нагрузка имеет сезонный характер.
Системы хозяйственно-бытового горячего водоснабжения имеют постоянную, круглогодичную нагрузку. Это в основном душевые, мойки, прачечные, столовые. Конечный теплоноситель ‒ горячая вода с температурой 45÷70 °С. Режим потребления горячей воды непрерывный, с резко выраженными кратковременными пиками нагрузок после окончания каждой смены (увеличение в 5÷8 раз по сравнению со среднечасовым потреблением в течении суток).
Состав энергокомплекса химического предприятия. Система энергоснабжения крупного химического предприятия включает в себя ряд подсистем.
К источникам энергии относятся ТЭЦ, ГЭС, АЭС, котельные, машинокомпрессорные, холодильные и воздухоразделительные станции, источники водоснабжения.
Хранилища топлива и преобразователи энергии представлены топливными складами, мазутохранилищами, газгольдерами, бойлерными, газораспределительными станциями, редукционно-охладительными установками (РОУ), компрессорами, электротрансформаторами, установками сушки воздуха, станциями водоподготовки.
К энергокоммуникациям относят электросети, трубопроводы мазута и газа, пара, воздуха, воды, холода.
Энергоносители, подводимые потребителю, включают топливо в котельные или в топки аппаратов и печей, тепловую и электрическую энергию, холод, сжатые газы, воду.
Энергоприемниками технологических установок являются горелки, форсунки, топки, теплообменники, двигатели. Для передачи энергии из энергоприемников в технологические аппараты используют дымоходы и газоходы, воздухопроводы, трубопроводы растворов, расплавов, а также валы, муфты, редукторы.
В качестве промежуточных внутриагрегатных энергоносителей применяют дымовые газы, горячий воздух, органические теплоносители, нагретые растворы и расплавы.