Параграф 1. Классификации основных видов энергии и ресурсов.
Химическая промышленность ‒ одна из самых энергоемких. Во многих химических производствах расходные коэффициенты сырья достигают 3÷4 т на 1 т продукта, а в некоторых случаях превосходят 5÷6 т.
В производстве химических продуктов различают исходные вещества (сырье), промежуточные продукты (полупродукты) и готовые продукты.
Сырье химической промышленности классифицируют по различным признакам:
‒ по происхождению: минеральное, растительное и животное;
‒ по запасам: невозобновляемое (руды, минералы, горючие ископаемые) и возобновляемые (вода, воздух, растительное и животное сырье);
‒ по химическому составу: неорганическое (руды, минералы) и органическое (нефть, уголь, природный газ);
‒ по агрегатному состоянию: твердое (руды, минералы, уголь, сланцы, торф), жидкое (вода, рассолы, нефть) и газообразное (воздух, природный газ).
Кроме того, сырье можно подразделить на первичное (минеральное, растительное и животное, горючие ископаемые, вода и воздух) и искусственное (кокс, химические волокна, синтетический каучук, смолы).
В свою очередь минеральное сырье включает рудное (руды металлов), нерудное (поваренная соль, гипс, фосфориты, апатиты, глина, известняк, песок) и горючее (торф, бурые и каменные угли, сланцы, природный газ).
С позиции энергосбережения сырье, применяемое в химико-технологических процессах (ХТП), должно обеспечивать:
‒ минимальное число стадий переработки в конечный продукт;
‒ минимальные энергетические и материальные затраты на осуществление ХТП;
‒ минимальное рассеяние исходной энергии, т. е. характеризоваться максимумом эксергии;
‒ возможно более низкий уровень температуры, давления, расхода энергии на изменение агрегатного состояния веществ участников ХТП;
‒ максимальную концентрацию целевых продуктов в реакционной смеси.
В настоящее время известно пятнадцать видов энергии, из которых практическое значение пока имеют девять:
1) ядерная ‒ энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной;
2) химическая (атомная) ‒ энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ, которая высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях;
3) электростатическая ‒ потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, то есть запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля;
4) магнитостатическая ‒ потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил;
5) упругостная ‒ потенциальная энергия механически упруго-измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии;
6) тепловая ‒ часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды;
7) механическая ‒ кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц;
8) электрическая (электродинамическая) ‒ энергия электрического тока во всех его формах;
9) электромагнитная (фотонная) ‒ энергия движения фотонов электромагнитного поля.
Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы ‒ это особая группа физико-химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.
Непосредственно используются только 4 вида: тепловая (70÷75%), механическая (20÷22%), электрическая (3÷5%) и электромагнитная (1%). Главным источником используемых видов энергии является химическая энергия минеральных органических горючих.
Все виды энергии можно разделить на три группы.
1) Первичная энергия Э1 ‒ химическая энергия ископаемого первичного топлива с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку и т. д..
2) Производная энергия Э2 ‒ энергия преобразованных энергоносителей, например пара, горячей воды, электроэнергии, сжатого воздуха, кислорода, воды и других, с учетом затрат на их преобразование.
3) Скрытая энергия Э3 ‒ энергия, затраченная на подготовку исходного сырья, на изготовление технологического, энергетического и другого оборудования, капитальных сооружений, инструмента и т. д.. К этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутризаводских и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций. Для многих массовых видов продукции величина энергетических затрат в виде скрытой энергии является относительно незначительной по сравнению с другими двумя видами энергии, и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.
Полные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде
, (1.1)
где Э4 ‒ энергия вторичных энергетических ресурсов.
Суммарные энергозатраты называют также технологическим топливным числом (ТТЧ) конкретного вида продукции (бензина, кирпича и др.).
Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) ‒ это часть природных ресурсов, скопления минералов в недрах земной коры в промышленных концентрациях. Рациональность их использования определяется полнотой отбора, степенью использования, удельными затратами на производство конечного продукта, окупаемостью использования данного вида полезного ископаемого, степенью сохранения окружающей среды и другими показателями, определяющими политику энергосбережения.
Существенным источником химического сырья являются вторичные материальные ресурсы (ВМР). К ним относятся отходы производства (остатки сырья, материалов и продуктов, образующиеся в процессе производства продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам или ТУ), отходы потребления (различные бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно) и побочные продукты (вещества, образующиеся в процессе переработки сырья наряду с основными продуктами производства, но не являющиеся целью производственного процесса). Те побочные продукты, которые получаются при добычи или обогащении основного сырья, принято называть попутными продуктами (например, попутный газ). За счет использования ВМР экономия сырья и материалов составляет не менее 20÷25% от общего потребления.
Вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) называется энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов. По виду энергии ВЭР разделяют на три группы:
1) горючие (топливные): химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья, побочных горючих газов плавильных печей и т. д.;
2) тепловые: физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства, рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов и установок, горячей воды и пара, отработанных в технологических и силовых установках, а также теплота экзотермических реакций;
3) избыточного давления: потенциальная энергия газов и жидкостей, выходящих из технологических агрегатах с избыточным давлением.