Энерготехнология химических производств

щенный пар хладагента с параметрами точки 2 подается в компрессор, где за счет работы по линии 2–3 происходит его сжатие до давления Р1 с повышением температуры. Горячий хладагент подается на охлаждение сначала до параметров сухого насыщенного пара 4, а затем конденсируется до параметров точки 5, и далее жидкий хладагент охлаждается до точки 6. В связи с тем что минимальной температурой в холодильной машине является Т2, технически невозможно охладить жидкость до этой температуры (до точки 6), так как в конце процесса охлаждения не будет разности температур (движущей силы теплопередачи). По этой причине при достижении охлаждаемой жидкостью точки 5' его давление адиабатически сбрасывается до Р2 (точка 6'), жидкость вскипает, и происходит ее охлаждение, далее рабочее тело (уже двухфазное) снова направляется в испаритель. Сброс давления несколько уменьшает КПД холодильной машины, так как площадь поля A'–6'–2–B меньше площади поля А–1–2–В, но значительно упрощает ее функционирование в техническом плане.

По сути, холодильная машина является тепловым насосом, который «отсасывает» тепловую энергию от продуктов, добавляет к ней работу компрессора и рассеивает тепловую энергию в помещении, где стоит холодильная машина. При отсутствии потерь величина рассеянной тепловой энергии равна сумме тепловой энергии продуктов и работы компрессора.

Аналогичным образом работают и тепловые насосы, используемые для отопления жилища. В данном случае в качестве бесплатного источника теплоты используется тепло земли, воды или воздуха, которое расходуется на испарение теплоносителя, например фреона. Пары теплоносителя сжимаются в компрессоре, и горячий газ подается, например, для подогрева воды (при водяном отоплении) или воздуха (при воздушном отоплении). В данном случае основной экономический эффект достигается за счет того, что количество тепловой энергии, поступившее в жилище, будет заведомо выше величины электроэнергии, израсходованной на работу компрессора. Обычно величина тепловой энергии, поданной в жилище, превышает количество потребленной электроэнергии на работу компрессора в 2–4 раза (в зависимости от температуры природного источника тепловой энергии, расходуемой на испарение рабочего тела), т.е. тепловой насос с компрессором мощностью 1 кВт будет эквивалентен обогревателю мощностью 2–4 кВт.

41

1.10. Эксергия. Использование низкопотенциальных источников тепла

Известно, что большинство существующих химических технологий являются весьма энергоемкими. Как правило, для проведения технологических процессов в основном используются высокопотенциальные источники энергии (имеющие высокую температуру), так как известно, что с увеличением температуры увеличивается движущая сила теплопередачи и, соответственно, снижается размер теплообменного оборудования. Однако согласно второму закону термодинамики при их использовании обязательно будут оставаться тепловые отходы в виде относительно низкопотенциальных тепловых потоков. Обычно энерготехнологические схемы производств достаточно совершенны в плане использования вторичных энергоресурсов, о чем свидетельствуют относительно низкие температуры сбросных тепловых потоков. Но если учесть величину данных потоков, то количество тепловых отходов бывает достаточно велико. Примером могут быть градирни (контактные испарительные теплообменники) химических заводов или ТЭС, которые рассеивают в окружающую среду многие мегаватты низкопотенциального тепла. Однако на химических предприятиях также существуют сбросные тепловые потоки, имеющие относительно высокий потенциал. Например, печь первичного риформинга в технологии аммиака выбрасывает дымовые газы с температурой 200–300 °С и с расходом 350 000–420 000 нм3/ч, а в производстве фталевого ангидрида существуют тепловые отходы с температурой 300–400 °С и расходом до 40 000 нм3/ч и т.д. Как видно, температура этих тепловых потоков достаточно высока, и тепловую энергию этих тепловых отходов еще можно утилизировать, однако для указанных технологий они являются отходами, т.е. на существующем уровне техники (технологии) их тепловая энергия не утилизируется.

В связи со значительным и регулярным ростом цен на энергоносители особенно важно совершенствовать энерготехнологические схемы существующих технологий в сторону увеличения степени использования вторичных энергоресурсов (существующих тепловых отходов). Однако при утилизации низкопотенциальных энергетических потоков образуются еще более низкопотенциальные тепловые потоки, тепло которых в конце концов должно быть отдано окружающей среде – безграничному источнику, или «стоку», энергии.

Таким образом, несмотря на различие технологических схем и ас-

42

сортимент производимых продуктов, совершенствование существующих технологических схем заключается в приближении параметров их выходных потоков к параметрам окружающей среды как по температуре, так и по составу.

Так, например, при совершенствовании и разработке новых технологических схем может возникнуть вопрос, какую энергию лучше использовать в первую очередь: тепловую энергию большого потока, имеющего низкую температуру, или тепловую энергию малого потока, имеющего относительно высокую температуру, или избыточное давление потоков или технологические сдувки? Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо количественно сравнить такие различные потери между собой. Для решения подобных задач можно использовать единый критерий, характеризующий не только количество энергии, но и качество – ее потенциал. Этот параметр называется «эксергия». В общем смысле эксер-

гия – это максимальная работа, которую может совершить рабочее тело (вещество) в обратимом процессе с окружающей средой, используемой в качестве источника даровой теплоты, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи переходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды.

Физический смысл эксергии проиллюстрирован на рис. 1.21, где состояние окружающей среды, которое являются «конечным» для определения максимальной работы обратимого процесса, обозначено горизонтальной линией и цифрой 0. Для окружающей среды условно принято считать, что t0 = 20 °С, а Р0 = 0,1 МПа, однако t0 для Антарктиды должна быть существенно ниже 20 °С, а Р0 для высокогорья должно быть меньше 0,1 МПа. Таким образом, эксергия является термодинамической функцией не только самой системы, но и окружающей среды.

Если параметры сбросных потоков превышают соответствующие параметры окружающей среды, например по температуре, тогда система будет служить «горячим» источником (С1 и С3), а окружающая среда – «холодным», и поток энергии будет истекать из «горячего» источника в «холодный» и совершать работу. В случае если температура сбросного потока будет ниже окружающей среды, то «горячим» источником станет уже окружающая среда, а «холодным» – сбросной поток, а работа будет совершаться потоком энергии истекающей из окружающей среды (С2 и СК).

43

Рис. 1.21. Физический смысл эксергии:

С0 – состояние системы, находящейся в термодинамическом равновесии с окружающей средой по всем параметрам состояния, составу и др.; С1, С2, С3, СК – текущее состояние системы; L1, L2, L3, LК – работа процесса

Максимальная работа, которая может быть получена в этих случаях, будет иметь различные знаки, однако при ее дальнейшем использовании знак не носит существенного значения, а важна лишь абсолютная величина работы (эксергия системы). Таким образом, если система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой по всем параметрам, исключая температуру, то при условии, что t0 = 20 °С, эксергия системы, имеющей температуру +60 °С, будет равна эксергии системы, имеющей температуру –20 °С. Аналогичный пример можно привести для давления.

Существуют два основных вида эксергии:

–эксергия, не характеризуемая энтропией (механическая, электрическая и т.п.), равная самой величине энергии;

–эксергия, характеризуемая энтропией (внутренняя энергия, энергия излучения, термомеханическая, химическая).

В свою очередь, эксергию, характеризуемую энтропией, можно разделить на следующие виды:

–эксергия вещества в замкнутом объеме, состоящая из термомеханической (физической), химической (нулевой) и эксергии излучения;

–эксергия потока вещества, состоящая из термомеханической

ихимической эксергии;

–эксергия потока энергии, состоящая из эксергии теплового потока и эксергии излучения.

Таким образом, если система содержит Н2, который в окружающей среде находится в виде Н2О, то к эксергии системы необходимо

44

добавить работу, которую можно получить при переходе Н2 в Н2О. Методики более детального расчета эксергии системы приведены в специальной литературе [7].

Таким образом, используя эксергию как универсальный параметр, можно сравнивать такие несравнимые виды потерь, как потери теплоты с потоком дымовых газов или с хладагентом и потери горючих газов со сдувками и т.п. После сравнения значений потерь эксергии для конкретной технологии можно будет правильно оценить и выбрать варианты и пути совершенствования этой технологии.

В связи с тем что понятие «потенциальность», или «эксергия потока», связано с тем, какую полезную работу еще может совершить данный поток за счет изменения его параметров, то естественно, что эта величина будет связана с материалом потока.

Основные требования к выбору агентов, которые могут позволить утилизировать низкопотенциальное тепло, следующие:

–низкое давление конденсации для облегчения конструкции компрессора, увеличения его механического КПД и др.;

–давление испарения больше 1 атм, но близко к этому значению в целях устранения подсоса наружного воздуха;

–большая удельная хладопроизводительность, малая теплоемкость жидкости для уменьшения потерь при дросселировании;

–малый удельный объем пара при использовании поршневых компрессоров или большой удельный объем пара при использовании турбокомпрессоров;

–невысокая вязкость для улучшения теплопередачи и снижения гидравлических потерь (очень малая вязкость также нежелательна из-за возможности утечек);

–при использовании поршневых компрессоров агент и масло не должны взаимно растворяться;

–взрывобезопасность, негорючесть, нетоксичность;

–химическая стабильность и коррозионная пассивность;

–недефицитность и низкая стоимость.

Из большого количества агентов, использующихся в качестве рабочих тел, наибольшее распространение получил большой ряд фреонов и аммиак. Именно эти агенты широко используются в холодильных машинах.

Существуют два основных способа направления использования энергии, поглощенной жидкостью (хладагентом):

45

–преобразование ее в механическую энергию (паровые двигатели, турбины);

–повышение ее тепловых параметров для использования в качестве теплоносителя (тепловые насосы).

Одним из примеров тепловых насосов, применяемых в химической промышленности, могут быть ректификационные колонны с утилизацией теплоты, выделяемой в дефлегматоре, которая обычно выбрасывается в окружающую среду (рис. 1.22).

а

б

Рис. 1.22. Пример использования тепловых насосов в химической промышленности

На рис. 1.22, а представлена обычная технологическая схема ректификационной колонны, в куб которой подается теплота Q1, необходимая для создания потока пара в колонне, а теплота конденсации потока пара (Q3) из дефлегматора D обычно выбрасывается в атмосферу.

На рис. 1.22, б представлена технологическая схема узла разделения с частичной утилизацией тепла, выбрасываемого в дефлегматоре. В этом случае паровая фаза из верхней части колонны сжимается в компрессоре С за счет работы L. При сжатии темпера-

46

тура газа повышается, и он переходит в перегретое состояние (см. процесс 2–3 на рис. 1.20). Далее этот газ подается в теплообменник D1, подогревающий куб колонны за счет теплоты Q2 (см. процессы 3–4 и 4–5 на рис. 1.20), в результате чего экономится внешняя теплота Q1, а затем в дефлегматор D2, где теплота Q3 (см. процесс 5–6 на рис. 1.20) выбрасывается в атмосферу.

Таким образом, Q3 и Q1 на рис. 1.22, а больше, чем Q3 и Q1 на рис. 1.22, б, так как часть тепла паров, выходящих из верха колонны, используется для подогрева ее куба, что позволяет экономить тепло, необходимое для работы колонны, и достичь лучших техникоэкономических показателей.

47

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

2.1. Топливо

По определению Д.И. Менделеева, топливом называется го-

рючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты.

Горючие вещества, т.е. способные при повышенных температурах реагировать с кислородом воздуха с выделением большого количества тепловой энергии, достаточно распространены и могут встречаться в трех агрегатных состояниях:

–твердом (древесина, торф, уголь и т.п.);

–жидком (нефть, мазут, бензин и т.п.);

–газообразном (природный газ, коксовый газ и т.п.).

В свою очередь, топливо может быть естественное (природное) или искусственное, т.е. получаемое в технологических процессах.

Из человеческого опыта известно, что одни виды топлив при сжигании дают большее количество тепла, а другие – меньшее. Поэтому одной из важнейшей характеристик топлива является количество тепла, выделяемого при полном сжигании единицы массы топлива, которое, в свою очередь, определяется сложностью его химического состава.

Наиболее простой состав имеет газовое топливо, так как только легкие углеводороды (до С5) и горючие газы (Н2, СО и т.п.) могут находиться в газообразном состоянии при обычных условиях и при условиях их добычи. Поэтому основными компонентами газового топлива являются:

CH4, C2H6, C2H4, C3H8, C4H10, C5H12, H2S, H2 и др.

Причем чем ниже температура кипения того или иного углеводорода, тем большее его количество содержится в природном газовом топливе. Так, например, природный газ на 90–98 % об. состоит из метана (СН4), а количество бутана (С4Н10) и высших углеводородов сильно зависит от месторождения, но, как правило, не превышает 0,5 % об. Более «тяжелый» попутный нефтяной газ имеет похожий состав, однако количество метана в его составе несколько меньше – 60–90 % об., а содержание бутана и высших углеводородов может достигать 3–5 % об.

В отличие от газового топлива, состав которого можно достаточно легко определить с помощью существующих методов анали-

48

за, состав твердого и жидкого топлива достаточно сложен и обычно неизвестен. Это связано с тем, что жидкое топливо, как правило, имеет переменный состав и содержит весь набор углеводородов: от пентана, октана, их гомологов и до полиароматических углеводородов. В связи с этим его характеризуют массовым содержанием образующих элементов, определяемых в результате элементного анализа, или массовым содержанием фракций, которые испаряются из жидкости в заданных интервалах температур.

Известно, что основными элементами, входящими в состав любого топлива, являются углерод, водород, сера, азот и кислород. Так как при горении все органические соединения разрушаются и образуются CO2, H2O, SO2 и NO2, то принято считать, что для инженерных расчетов нет необходимости точно расшифровывать состав жидкого

итвердого топлива, а в качестве состава можно использовать массовое процентное содержание углерода, водорода, серы (органической

иколчеданной), азота и кислорода. Кроме горючих компонентов, топливо может содержать негорючие вещества (песок, глина и т.п.)

ив зависимости от способа добычи топлива и хранения может характеризоваться некоторой влажностью. Поэтому состав топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим составом топлива и обозначается индексом «Р» или «r» (real).

СР + НР + ОР + NР + SPОРГ + К + АР + W Р = 100 % масс.,

где АР – зольность топлива, состоящая из смеси минеральных соединений, которые остаются после его сгорания; определяется прокалкой твердого топлива при 800–825 °С (жидкого топлива при 500 °С) до достижения постоянного веса. (В состав золы в основном входят SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, V2O5, сульфаты и т.д. Иногда зола содержит радиоактивные изотопы элементов. Кроме того, что зола играет роль балласта; соединения, входящие в ее состав могут образовывать легкоплавкие эвтектические смеси, которые могут плавиться и налипать на стенки котла и на теплопередающие поверхности, поэтому при отсутствии доступного малозольного топлива, высокозольное предварительно обогащают.); W P – влажность топлива, которая определяется его высушиванием (доведением до постоянного веса) при 105–110 °С; естественно, влажность играет отрицательную роль, так как часть теплоты горения топлива будет расходоваться на испарение воды, поэтому по мере возможности топливо предварительно сушат за счет бросовых источников теплоты.

49

Сумма AP и W P является негорючей частью топлива и называется внешним балластом, так как зола и влага не связаны химически с горючими веществами и в принципе могут быть удалены. Напротив, содержащийся в составе топлива кислород и не участвующий в горении азот называются внутренним балластом топлива. Кроме рабочего состава, различают сухой состав топлива, который обозначают индексом «С» или “d” (dry):

СС + НС + ОС + NС + SСОРГ + К + АС = 100 % масс.,

а также беззольно-сухой (горючий) состав топлива, обозначенный индексом «Г» или “daf” (dry ash-free):

СГ + Н Г + О Г + N Г + S ГОРГ + К = 100 % масс.

Если говорить о горючем составе топлива, то необходимо отметить еще один параметр, который определяет качество топлива, – выход летучих (V Г). Чем выше выход летучих, тем легче топливо зажечь и тем стабильнее оно будет гореть. Выход летучих измеряется в массовых процентах на сухое беззольное состояние топлива после его прокалки при 850 °С в течение 7 мин. Таким образом, летучие – это легкие углеводороды, которые испаряются из топлива или образуются при крекинге углеводородов топлива (в этом случае выход летучих характеризует способность топлива к крекингу).

К природным твердым топливам относят дрова, торф, бурый уголь, сланцы, каменный уголь и антрацит. За исключением древесины остальные виды твердых топлив являются ископаемыми

ипродуктами разложения органической массы. От торфа к антрациту возраст топлив увеличивается. С увеличением возраста твердого топлива количество углерода в нем растет с 40 % у древесины до 93 % у антрацита, количество водорода уменьшается с 6 % до 2 %, а количество кислорода уменьшается с 42 % до 2 % соответственно. При этом количество летучего остатка, т.е. способности топлива к зажиганию и стабильному горению, снижается с 85–90 % у древесины до 3–4 % у антрацита (поэтому древесина легко зажигается

истабильно горит). Количество золы определяется условиями образования топлива и способом его добычи. Ценность угля, кроме всего прочего, определяется возможностью его ококсовывания (кокс – топливо, содержащее более 97 % углерода), так как кокс, например, широко используется в металлургии.

50