Энергетика теплотехнологии как инструмент энергосберегающей политики. Основные направления в развитии теплотехнологических процессов

Под энергетикой или энергетической системой следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданных человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, распределение и использования в народном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов.

Рис. 1. Схема связей энергосистемы с другими системами

Энергетические ресурсы - материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, возможная для использования ее человеком.

422

На рис. 1. показана совокупность систем, их прямые (сплошные линии) и обратные (штриховые линии) связи.

Энергетика имеет большое значение в жизни человечества. Уровень ее развития отражает уровень научно-технического прогресса.

Энергетика теплотехнологии - новая область промышленности энергетики и
новая научная дисциплина, являющееся эффективным инструментом
энергосберегающей   политики и прогресса промышленного
теплотехнологического комплекса.

Теплотехнология - совокупность методов преобразования исходного сырья, материалов, полуфабрикатов в заданный товарный продукт на основе изменения теплового состояния их вещества.

Рассмотрим схему применения теплотехнологии в реализации производства заданного товарного продукта (рис.2).

Биосфера

Таким образом, энергетика теплотехнология выступает как важнейшая составляющая научно-практической основы реализации новых, безотходных теплотехнологических процессов и энергетической модернизации действующих установок и систем (рис. 1.). Энергетика теплотехнологии выступает как инструмент энергосберегающей политики.

Рассмотрим основные понятия, которые часто применяются в энергетике теплотехнологии и в теплотехнологических процессах.

Теплотехнологический процесс - Элемент теплотехнологии, включающий совокупность элементарных процессов, обеспечивающих конкретное тепловое воздействие на сырье, материалы на отдельных этапах производственного цикла.

Топливно-снабжающая система

Примером теплотехнологических процессов являются технологические процессы в промышленных печах.

Энергосистема

Социальные факторы

Стадия теплотехнологического процесса - часть теплотехнологического процесса, которая для своей реализации требует обеспечения специфических условий.

Различают одностадийные и многостадийные теплотехнологические процессы. Так, нагрев изделий в нагревательных печах - это пример одностадийного процесса.

При варке стекла различают 5 стадий стекловарения:

1) силикатообразование;

Системы энергопотребления

2) стеклообразование;

3) осветление;

4) гомогенизация;

5) охлаждение.

Теплотехнологическая схема производства - наглядная иллюстрация последовательной совокупности теплотехнологических процессов производства того или иного продукта.

Теплотехнологические схемы будут рассмотрены в лекциях производств различных строительных материалов.

		Рис. 2. Энергетические предпосылки технической реализации производства заданного продукта на основе теплотехнологии.

Теплотехнологический реактор (аппарат, рабочее пространство теплотехнологической установки) - одно или многокамерное устройство, в пределах которого осуществлются все стадии данного теплотехнологического процесса.

Пример - металлургический конвейер, сушилка, выпариваемый аппарат,печь.

642

Теплотехнологическая установка - совокупность теплотехнологического реактора и связанного с ним технологического, энергетического, транспортного оборудования, которое обеспечивает реализацию теплотехнологического режима
и работает в едином режиме (например, совокупность оборудования котельной установки).

Теплотехнологическая схема - тепловая схема, дополнительно иллюстрирующая
используемые     теплотехнологические принципы организации
теплотехнологического процесса и нетехнологического использования.

Теплотехнологические процессы занимают одно из ведущих мест в среде промышленного производства. К их числу относятся разнообразные технологические процессы, реализующие на основе нагрева, плавления, кипения, охлаждения твердых, жидких, газообразных технологических материалов.

Главной целью технического прогресса является повышение производительности труда с одновременным улучшением качества продукции и снижением ее себестоимости.

Основные взаимосвязанные направления развития теплотехнологии следующие:

1. Увеличение масштабов производства, мощностей химико-технологических систем.

2.  Интенсификация работы аппаратов.

3. Снижение энергозатрат и максимальное использование теплоты химических реакций.

4. Уменьшение количества стадий производства и переход к циклическим (замкнутым) системам.

5.  Замена периодических процессов непрерывными.

6.  Механизация трудоемких операций и автоматизация производства.

Основное преимущество укрупнения аппаратов, т.е. увеличение их объемов бет существенного изменения конструкции - это увеличение производительности, которая пропорциональна возрастанию рабочего объема аппарата.

Производительностью П называется количество выработанного продукта G или переработанного сырья за единицу времени :

(кг/ч или т/ч); (м³/ч).

Увеличение объема аппарата, как правило, приводит к экономии металла или другого конструктивного материала в расчете на единицу реакционного объема и на единицу вырабатываемой продукции.

Однако увеличение объема аппарата без значительного усложнения его конструкции возможно лишь до некоторого предела в связи с затруднением обслуживания крупных аппаратов. Поэтому намного эффективнее повышение производительности аппаратов за счет интенсификации их работы.

Интенсивностью работы аппарата I называется его производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно относительная производительность равна объему аппарата и (м³) или площади его сечения S (м²):

;

7

Интенсификация достигается двумя путями: а) улучшением конструкций машин или аппаратов; б) совершенствованием технологических процессов в аппаратах данного вида.

Интенсивность работы аппарата пропорциональна скорости процесса, поэтому стремятся к созданию конструкции и технологическому режиму в аппарате, которые обеспечивали бы максимальную скорость процесса.

При разработке улучшенных или принципиально новых конструкций машин и аппаратов интенсивность технологического процесса повышается главным образом усилением перемешивания реагирующих компонентов и увеличением поверхности соприкосновения между взаимодействующими веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях.

Основными технологическими путями интенсификации работы аппаратов различных видов являются в одном случае повышение температуры, давления и концентрации реагирующих веществ, с применением катализаторов и перемешиванием реагирующих масс, в другом - понижение температуры, применение вакуума, окисление концентрирующих веществ. Исходя из этого применяются различные параметры технологического режима: температурный от близкой к абсолютному нулю до нескольких тысяч градусов, давления в производственных аппаратах бывают от почти абсолютного вакуума до сотен мегапаскаль. Возможность применения высоких температур и давления часто ограничивается стойкостью конструкционных материалов, из которых изготовлена аппаратура, или разложением реагентов, и наконец экономической эффективностью интенсифицирующих факторов.

Интенсификация целесообразна лишь при условии, что не вызывает большого роста затрат энергии на проведение процесса.

Снижение затрат энергии на единицу продукции достигается:

а) уменьшением гидравлических сопротивлений всех аппаратов и трубопроводов ХТС;

б) максимально возможным снижением затрат на перемешивание реагирующих масс, не приводящим к снижению интенсивности работы аппарата.

Главная мера экономии в теплотехнологических производствах - максимальное использование теплоты химических реакций для нагревания исходных веществ до оптимальной температуры и для выработки пара, являющегося ценным побочным продуктом ряда производств.

Для повышения степени использования теплоты реакций стремятся увеличивать концентрации реагентов, а также размещать теплообменные элементы и трубы паровых котлов преимущественно в реакционной зоне.

Уменьшение количества стадий производства и переход к циклическим (замкнутым) системаму приводит к снижению затрат на капитальное строительство и уменьшение себестоимости.

8

Периодическим называют процесс, в котором порция сырья загружается в аппарат, проходит в нем ряд стадий обработки и затем выгружаются все образовавшиеся вещества. Таким образом, от загрузки до выгрузки продукта проходит определенный период времени. Аппарат не работает (простаивает) во время загрузки и выгрузки. Эти операции связаны с затратами большого количества труда, аппарат работает с неполной интенсивностью при выводе на режим. Периодические процессы сложны в обслуживании, качество продукции нередко меняется в зависимости от режима обслуживания. Время цикла, т.е. продолжительность периодического производственного процесса, всегда больше, чем непрерывного, энергетические затраты выше. Поэтому в настоящее время стремятся заменить периодические процессы непрерывными.

Непрерывными называют процессы, в которых поступление сырья в аппарат и выпуск продукции происходят непрерывно в течение длительного времени. При этом технологические процессы протекают одновременно со вспомогательными и транспортными операциями. Простоев оборудования нет, производительность аппаратов выше. В каждой точке аппарата соблюдается постоянство температуры, концентрации веществ и давления. Поэтому легко вести наблюдение за работой аппаратов, механизировать загрузку сырья и выгрузку продукта, автоматизировать процесс. При непрерывном процессе улучшается качество продукции, облегчается использование теплоты реакции и отходов производства, например газов, так как они выделяются равномерно.

Большинство производств уже работают непрерывно, оставшиеся периодические процессы заменяются непрерывными. Однако, в настоящее время еще нельзя сразу все производства перевести на непрерывные, в одном случае это приводит к ухудшению качества продукции (например, при коксовании), в других - еще не изобретены средства рациональной механизации и автоматизации процесса, в особенности на маломощных и малогабаритных установках.

Производства, включающие теплотехнологические процессы, являются источниками загрязнения атмосферы, воды и почвы веществами, вредными для природы, с другой стороны, для очистки отходящих газов и сточных вод от вредных примесей для биосферы примесей во многих случаях наиболее действенными являются именно методы химической технологии.

Установлено, что темп роста промышленного производства пропорционален существующему объему производства П, т.е. скорости роста производства во времени т:

где  k₁- коэффициент роста, также непрерывно возрастает во времени, следовательно, производство растет по экспоненте:

 

9996

Если производство будет увеличиваться по существующей технологии, то вредные отходы Ф будут возрастать по тому же закону:

где а₁, а₂, а_з — коэффициенты.

Следовательно, для сохранения постоянного уровня вредности отходов для
биосферы необходим переход к новым способам производства, достигшим
уменьшения вредных отходов в  раз. Необходимо осуществлять переход в теплотехнологии на безотходные технологии.