Энергия в химическом производстве

6.1. Человеческое общество и проблема энергии

Одним из условий существования человеческого общества является непрерывный обмен энергией с окружающей средой. Поэтому энерговооруженность общества составляет условие прогресса человечества, а дальнейшее развитие материальной культуры непосредственно связано с решением энергетической проблемы. Уровень материального благосостояния современно­го общества определяется количеством энергии, вырабатывае­мой на душу населения.

Потребление энергии на планете непрерывно возрастает. Если в 1975 году оно составляло 0,25Q, то прогноз на 2000 год дает 0,8Q, а на 2100 год астрономическую цифру 7,3Q, где Q = 2,3-10¹⁴ кВт*ч. Производство энергии в РФ в 1992 году было эквивалентно 1,6 т условного топлива на человека. Предполага­ется, что в 2100 году оно достигнет 1,8—2,0 т УТ. Структура потребления энергии в современном обществе свидетельствует, что наиболее энерговооруженной отраслью народного хозяйства является промышленное производство, а наименее — сельское хозяйство. Значительное потребление энергии, особенно теп­ловой, в РФ падает на коммунально-бытовые услуги, что связано с осо­бенностями климата большинства регионов страны (табл. 6.1). Все бо­лее энергоемким становится произ­водство пищи. Так, в настоящее вре­мя на производство одной пищевой калории затрачивается 23 калории энергетических.

Существует определенная связь между потреблением энергии обще­ством и средней продолжительнос­тью человеческой жизни, как это видно из рис. 6.1. Из него следует, что «порог» энергопотребления, при котором достигается устойчивая средняя продолжительность жизни порядка 80 лет, равен 7-10³ кВт-ч на

Рис. 6.1. Зависимость про­должительности человечес­кой жизни от величины энергопотребления

человека в год. Этот порог достигли, или приблизились к нему такие страны как Швеция, ФРГ, США, Япония. В Рос­сийской Федерации потребление энергии составляет около 4,1'10³ кВт-ч на человека в год, что отвечает средней продол­жительности жизни ниже 70 лет.

Таблица 6.1.Структура потребления энергии в РФ (%)

Отрасль народного хозяйства	Электрическая энергия	Тепловая энергия
Промышленность	68,6	54,9
Сельское хозяйство	6,6	5,2
Транспорт	7,8	1,5
Коммунальные услуги	17,0	38,4

6.2. Использование энергии в химической промышленности

Химическое производство принадлежит к числу наиболее энергоемких. Так, если в продукции всей промышленности доля затрат на энергию составляет 2,5%, то в продукции нефтехи­мической и химической отраслей она достигает 8,9%. Хими­ческая отрасль промышленности, производя около 6% промыш­ленной продукции, потребляет до 12% всей вырабатываемой электроэнергии. Эта высокая энергоемкость обусловлена зна­чительным потреблением энергии такими химическими про­изводствами как производство аммиака, фосфора, карбида каль­ция, карбоната натрия, химических волокон и пластмасс, кото­рое составляет более 60% электрической и 50% тепловой энер­гии всей отрасли.

Потребление энергии химическим производством оценива­ется его энергоемкостью. Энергоемкостью производства назы­вается количество энергии, затрачиваемое на получение еди­ницы продукции. Она выражается в кВт *ч (кДж) или в тоннах условного топлива (УТ) на тонну продукции. По энергоемкости химические производства делятся на три класса.

I класс. Производства с расходом УТ более 2 тонн (58* 10³ кДж)
на тонну продукции. К ним относятся производства химичес­
ких волокон, ацетилена, капролактама, полиэтилена, акрило-
нитрила и др.

II класс. Производства с расходом УТ от 1 до 2 тонн (29 • 10³ —
58*10³ кДж) на тонну продукции. К ним относятся производ-.

ства карбоната натрия, аммиака, карбида кальция, метанола и

ДР.

III класс. Производства с расходом УТ менее 1 тонны (29-10³ кДж) на тонну продукции. К ним относятся производ­ства разбавленной азотной кислоты, этиленгликоля, уксусной кислоты, анилина, полистирола, двойного суперфосфата и др.

Энергоемкость отдельных производств колеблется в очень ши­роких пределах: от 20-10³ кВт -ч для алюминия до 60—100 кВт *ч для серной кислоты на тонну продукции.

В химическом производстве энергия используется для про­ведения химических реакций, сжатия газов и жидкостей, на­грева материалов, осуществления тепловых процессов (ректи­фикация, испарение и др.), проведения механических и гид­родинамических процессов (измельчение, фильтрование и др.), транспортировки материалов. Для этих целей используется электрическая, тепловая, топливная, механическая, световая, ядерная и химическая энергия.

Электрическая энергия применяется для проведения элект­рохимических, электротермических, электромагнитных и элек­тростатических процессов, а также для перемещения материа­лов и приведения в действие различных механизмов и машин.

Тепловая энергия используется для различных целей. Энер­гия высокого потенциала (более 623°К) применяется для высо­котемпературной обработки сырья (обжиг и др.) и интенсифи­кации химических реакций. Ее получают за счет сжигания раз­личных видов топлива непосредственно в технологических уст­ройствах. Тепловая энергия среднего (373—623°К) и низкого (323—423°К) потенциала используется в производственных про­цессах, связанных с изменением физических свойств материа­лов (нагрев, плавление, дистилляция, выпаривание), для на­грева компонентов при химических процессах, а также для про­ведения некоторых химических процессов.

Передача тепла осуществляется за счет контакта нагревае­мой системы через стенку аппарата с теплоносителем, облада­ющим высоким теплосодержанием или при непосредственном контакте с нагреваемым материалом. Теплоносителем называ­ется вещество или система веществ, используемое в качестве среды для нагревания. В качестве теплоносителей для средне-и низкотемпературных процессов в химической промышленно­сти применяются горячий воздух, горячая вода, насыщенный и перегретый водяной пар, топочные газы, высококипящие органические соединения, твердые зернистые материалы (обыч­но зерна катализатора).

Топливная энергия при сжигании топлива используется для производства тепла и электроэнергии в ТЭЦ и печах особого на­значения и составляет в общем балансе энергии, используемой в химической промышленности, около 50%.

Механическая энергия используется для выполнения таких физических операций как измельчение, центрифугирование, перемещение материалов, смешение, в работе различных ма­шин компрессоров, насосов и вентиляторов и др.

Световая энергия применяется в виде облучения для прове­дения фотохимических процессов синтеза, например, в произ­водстве хлороводорода, галогеналканов и др.

Химическая энергия реализуется в работе химических ис­точников тока различного устройства и назначения.

Ядерная энергия используется для проведения радиацион-но-химических процессов (например, в процессах полимериза­ции), производства энергии в АЭС, для анализа, контроля и ре­гулирования процессов производства.

Из всей потребляемой химической промышленностью энер­гии 40% составляет электрическая, 50% — тепловая (в виде теп­лоносителей — пара и воды) и 10% — топливная энергия.

6.3. Источники энергии

Основными источниками энергии, потребляемой промыш­ленностью, являются горючие ископаемые и продукты их пе­реработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. В значи­тельно меньшей степени используются энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия. Мировые запасы основных видов топлива оцениваются в 1,28-10¹³ тонн УТ, в том числе, ископаемые угли 1,12* ДО¹³ тонн, нефть 7,4-Ю¹¹ тонн и природ­ный газ 6,3-Ю¹¹ тонн УТ.

Выработка энергии на планете в настоящее время составляет 2,93-10¹⁴ кВт-ч или 3,35-10⁷ МВт-год.

Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные (рис. 6.2).

Эксплуатация невозобновляемых энергоресурсов приводит и их исчерпанию и уменьшению энергетического потенциала планеты, а с другой стороны повышению температуры среды обитания. Поэтому они называются также «добавляющими» тепло источниками энергии. Эксплуатация возобновляемых энергоресурсов сохраняет энергетический потенциал планеты и не изменяет температуру среды обитания. Они называются, поэтому, «недобавляющими» тепло источниками энергии.

Рис.6.2. Классификация энергетических ресурсов

К топливным энергетическим ресурсам относятся уголь, нефть, природный газ, сланцы, битуминозные пески, торф, биомасса. К нетопливным — гидроэнергия, энергия ветра, лу­чистая энергия Солнца, глубинная теплота Земли и др.

Различные экономические районы РФ обеспечены топливно-энергетическими ресурсами неравномерно. В табл .6.2 представ­лено производство их в районах страны по данным 1992 года.

Таблица 6.2.Производство топливно-энергетических ресурсов (в % от общего) в РФ

Экономический район РФ	Вид ресурса
Эл. энергия	Газ	Уголь	Нефть
Северный	4,6	0,9	7,4	2,9
Северо-Западный	4,6	-	-	-
Центральный	19,5	-	2,7	-
Волго-Вятский	2,5	-	-	-
Центрально-Черноземный	3,9	-	-	-
Поволжье	11,9	0,9	-	12,4
Северо-Кавказский	5,5	0,8	6,9	1,9
Уральский	16,5	6,1	6,5	12,8
Западно-Сибирский	11,6	90,8	35,8	69,6
Восточно-Сибирский	15,1	-	28,7	-
Дальневосточный	4,3	0,5	12,0	0,4
Российская Федерация

Вторичными энергоресурсами (ВЭР) называется энергетичес­кий потенциал конечных, побочных и промежуточных продук­тов и отходов химического производства, используемый для энергоснабжения агрегатов и установок. К ВЭР относятся теп­ловые эффекты экзотермических реакций, теплосодержание отходящих продуктов процесса, а также потенциальная энер­гия сжатых газов и жидкостей. Наибольшими ВЭР (главным образом, в форме тепла) располагают предприятия химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленнос­ти, металлургии, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения и неко­торых других отраслей народного хозяйства.

Важнейшим источником энергии является химическое топ­ливо (ископаемые угли, торф, нефтепродукты, природные и технические газы), составляющие в балансе энергоресурсов химической промышленности до 70% . Структура потребления химического топлива такова: газ 19,4%, твердое топливо 30,9%, нефтепродукты 47,2%.

Энергетическая ценность химического топлива характери­зуется:

(6.1)

Л =

— калорийным эквивалентом^, представляющим отноше­ние низшей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгора­ния УТ, принимаемой за 29260 кДж:

29260

— количеством энергии в кВт-ч, получаемой при полном сго­рании 1 кг или 1 нм³ топлива. Эта величина составляет: для ка­менного угля 8,0, природного газа 10,6, кокса 7,2, мазута 15,4, обратного коксового газа 4,8. Для сравнения та же величина для обогащенного урана равна 22,5-10⁶.

Второе место по масштабам энергетического вклада занима­ют гидроэнергия (ГЭС) и ядерная энергия (АЭС). Доля энергии, вырабатываемой ГЭС составляет около 12%. Дальнейшее раз­витие гидроэнергетики связано с экологическими проблемами, к числу которых относится сокращение площади плодородных земель и изменение климата при строительстве равнинных ГЭС.

АЭС представляют наиболее перспективный источник энер­гии, как электрической, так и тепловой. В РФ в настоящее вре­мя действуют 28 энергоблоков на 9 АЭС.

Важнейшими электростанциями в РФ являются: Тепловыемощностью более 2-Ю⁶ кВт — Костромская, Конаковская, Ки-ришская, Березовская. Атомные— Смоленская, Тверская, Кур-

екая, Ново-Воронежская, Костромская, С.-Петербургская, Кольская, Дмитровоградская, Балаковская, Белоярская, Рос­товская, Билибинская. Гидростанции— Волжско-Камский гид­роузел мощностью 14-Ю⁶ кВт, Ангаро-Енисейский каскад со станциями мощностью более 6-10⁶ кВт.

Истощение энергоресурсов привело к необходимости изыс­кания новых видов и источников энергии. К ним относятся во­дород, а также возобновляемые источники энергии в виде гид­роэнергии, энергии ветра и приливов, геотермальной энергии.

Использование водорода в качестве источника энергии опре­деляется следующими его преимуществами как топлива:

— распространением водорода (в литосфере 17 атомов на 100
атомов) и практически неисчерпаемыми запасами воды, как
источника водорода;

— высоким энергосодержанием, превышающим в 3,5 раза
энергосодержание нефти;

— простотой и дешевизной транспортировки (передача во­
дорода дешевле передачи электроэнергии);

— экологической чистотой продуктов сгорания.

По этим причинам предполагается довести к 2000 году долю водорода в энергетическом балансе США до 10—12%, что пре­высит долю нефти и природного газа.

Производство водорода в промышленных масштабах с доста­точной степенью экономичности может быть осуществлено электролизом воды, пиролизом воды в плазмотроне, обработкой биомассы водяным паром, фоторазложением воды в присут­ствии ферментов, проведением термохимических и термоэлек­трохимических циклов разложения воды.

Термохимические циклы представляют собой чередование экзо- и эндотермических процессов и протекают при относи­тельно низких температурах (схема «теплового насоса»):

М + Н₂О = Н₂ + МО - ЛЯ, МО + М = 0,5О₂ + 2М + АН.

Комбинированные термоэлектрохимические циклы осуще­ствляются с использованием на одной из стадий энергии АЭС:

М + Н₂О = Н₂ + МО - АН,

2МО ^ 2М + О₂ + АЯ.

где: М — реагент с большим, чем у водорода сродством к кисло­роду, что обеспечивает термодинамическую возможность про­цесса при относительно низкой температуре;

МО — оксид, легко диссоциирующий при нагревании.

Щ.

Использование других альтернативных источников энергии ограничивается проблемой «концентрации энергии? (Н.Н. Се­менов). Так, например, все энергетические потребности чело­вечества может удовлетворить всего 0,5% солнечной энергии, падающей на землю. Однако для ее поглощения и утилизации необходимы гелиоустановки общей площадью 130000 км². В связи с этим возникает задача изыскания более технологичных концентрированных видов энергии. Она может быть решена пе­реходом от традиционной схемы выработки электрической энер­гии через механическую

Q --------------- ► М ------------------- ► Е

Тепловая Механическая Электрическая

энергия энергия энергия

к схеме непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую

Q ► Е.

Тепловая энергия Электрическая энергия

Для этой цели используются:

— магнитогидродинамические генераторы (МГД-генерато-
ры), в которых кинетическая энергия низкотемпературной
плазмы за счет торможения в магнитном поле переходит в элек­
трическую энергию постоянного тока;

— топливные элементы (электрохимические генераторы), в
которых осуществляется непосредственное превращение энер­
гии горения реакционноспособных топлив (водород, спирты,
альдегиды и другие активные восстановители) в электрическую
энергию.

В обоих случаях КПД этого процесса существенно превыша­ет КПД традиционных процессов.

6.4, Рациональное использование энергии в химической промышленности

Высокая доля энергии в себестоимости химической продук­ции обусловила необходимость ее рационального и экономич­ного использования в производстве. Критерием экономичнос­ти использования энергии всех видов является коэффициент использования энергии, равный отношению количества энер­гии, теоретически необходимой на производство единицы про­дукции (W_T), к количеству энергии, практически затраченной на это (W_n):

(6.2)

Для высокотемпературных эндотермических процессов ко­эффициент использования тепловой энергии не превышает 0,7, то есть до 30% энергии уходит с продуктами реакции в виде теп­ловых потерь.

Рациональное использование энергии в химическом произ­водстве означает применение методов, повышающих коэффи­циент использования энергии. Эти методы могут быть сведены к двум группам: разработке энергосберегающих технологий и улучшению использования энергии в производственных про­цессах. К первой группе мероприятий относятся:

— разработка новых энергоэкономных технологических

схем;

— повышение активности катализаторов;

— замена существующих методов разделения продуктов про­
изводства на менее энергоемкие (например, ректификации на
экстракцию и т. п.);

— создание комбинированных энерготехнологических схем,
объединяющих технологические операции, протекающие с
выделением и поглощением энергии (теплоты). Подобное соче­
тание в одном производстве энергетики и технологии позволя­
ет значительно полнее использовать энергию химических про­
цессов, другие энергоресурсы и повысить производительность
энерготехнологических агрегатов.

Ко второй группе энергосберегающих мероприятий относят­ся:

— уменьшение тепловых потерь за счет эффективной теп­
лоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппара­
туры;

— снижение потерь на сопротивление в электрохимических

производствах;

— использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

ВЭР подразделяются на горючие (топливные), представляю­щие химическую энергию отходов технологических процессов переработки топлива и горючих газов металлургии; тепловые ВЭР, представляющие физическую теплоту отходящих газов и жидкостей технологических агрегатов и отходов основного про­изводства, и ВЭР избыточного давления, представляющие по­тенциальную энергию газов и жидкостей, выходящих из тех­нологических агрегатов, работающих под избыточным давле­нием.

В зависимости от вида и параметров состояния ВЭР различа­ют четыре направления их использования в производстве:

—топливное направление в виде непосредственного исполь­
зования горючих компонентов ВЭР в качестве топлива;

—тепловое направление в виде использования тепловых ВЭР;

—силовое направление в виде использования ВЭР для выра­
ботки механической или электрической энергии;

—комбинированное направление.

Ниже представлены схемы топливного (рис. 6.3), теплового (рис. 6.4, 6.5, 6.6) и силового (рис. 6.7) направлений использо­вания ВЭР.

РИС 6.5. Использование тепловых ВЭР в схеме с регенераторами

1 — регенераторы, работающие на разогрев камеры, 2 — регенератор, работающий на подогрев газа

Рис.6.6. Использование тепловых ВЭР для выработки пара в котле-утилизаторе

1 — котел-утилизатор, 2 — подача воды, 3 — выход пара, 4 — вход нагретого газа, 5 — выход охладившего газа

Рис.6.7. Использование части энергии сжатых систем для выработки электроэнергии в схеме «мотор-насос-турбина» Г _ реактор, 2 — жидкостная турбина, 3 — мотор, 4 — насос, 5 — ось

Рис.6.3. Использование горючих ВЭР в качестве топлива в схеме с газовой турбиной

1 — топочная камера, 2 — газовая турбина, 3 — воздушный компрессор, 4 — парогенератор

Рис.6.4. Использование тепловых ВЭР в схеме с теплообменником 1 — реактор, 2 — теплообменник