2.2.2. Источники энергии. Классификация источников энергии
Основными источниками энергии для промышленности служат горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, пара, биомасса и ядерное топливо. Незначительная доля приходится на энергию ветра, солнца, приливов и геотермальную энергию.
Объем энергии, вырабатываемой в настоящее время на планете, составляет примерно 3×1014 кВт×ч в год.
Все энергетические ресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и не топливные.
Невозобновляемые энергетические ресурсы связаны с горючими ископаемыми. Среди них каменный уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы, битуминозные пески. Остальные виды энергии являются возобновляемыми. К ним относятся энергия солнца, ветра, приливов, био- и геотермальная энергии. Все перечисленные виды энергетических ресурсов являются первичными.
Вторичными энергоресурсами называют энергетический потенциал конечных, побочных и промежуточных продуктов и отходов химического производства, используемых для энергоснабжения установок, машин и механизмов. К ним относят теплоту экзотермических реакций, энтальпию отходящих продуктов процесса, а также потенциальную энергию сжатых газов и жидкостей. Предприятия нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и химической промышленности, а также металлургии располагают наибольшими ресурсами вторичной энергии, главным образом, в виде тепловой. Схематично классификация источников энергии приведена на рисунке 2.5.
Рис. 2.5. Классификация энергетических ресурсов
2.2.3. Рациональное использование энергии
Большая доля энергетических затрат в химической продукции требует рационального и экономичного подхода к использованию энергии. Критерием экономичности при этом является коэффициент использования энергии равный отношению количества энергии, теоретически необходимой для производства единицы продукции, к фактически затраченной энергии.
В случае высокотемпературных эндотермических процессов этот коэффициент не превышает 0,7, то есть свыше 30 % энергии теряется с продуктами реакции или путем теплопередачи через стенку в окружающую среду.
Существует ряд методов снижения тепловых потерь, которые сводятся к двум типам: разработке энергосберегающих технологий и экономичному использованию энергии при существующей технологии.
К первому типу относятся следующие мероприятия:
– разработка новых энергоэкономных технологий;
– замена применяемых методов разделения менее энергоёмкими, например, ректификацию на экстракцию;
– создание комбинированных энерготехнологических схем, объединяющих технологические операции, протекающие с поглощением и выделением энергии.
Ко второму типу энергосберегающих мероприятий относится:
– снижение тепловых потерь за счет эффективной теплоизоляции и уменьшения излучающей поверхности аппаратуры;
– снижение потерь на электросопротивление в электрохимических процессах.
2.2.4.Новые виды энергии в химической технологии
В последние десятилетия в химическую технологию все более интенсивно внедряются новые виды энергии, полученные с применением плазмохимических процессов, ультразвука, фото- и радиационного воздействия, низковольтного электрического разряда, лазерного излучения. Эти экстремальные воздействия способствуют активации молекул реакционной системы, возникновению в ней возбужденных частиц и инициированию химического, в том числе с высокой селективностью, процесса. Эта область составляет новый раздел химии – химию высоких энергий (ХВЭ), изучающую состав, свойства и химические превращения в системах, содержащих возбужденные частицы.
Из перечисленных процессов наиболее перспективными и универсальными являются плазмохимические процессы. Они отличаются протеканием химических процессов в плазменном состоянии.
Различают низкотемпературную (103 – 104 К) и высокотемпературную (106 – 108 К) плазму. В химической технологии применяют низкотемпературную плазму. Исследования по применению плазмы в химической промышленности проводились более чем в 70 технологических процессах, некоторые из которых внедрены в производство, в том числе:
– синтез тугоплавких соединений, таких как карбиды урана и тантала, нитриды титана, алюминия, вольфрама;
– восстановление металлов из оксидов и солей (железо, алюминий, вольфрам, никель, тантал);
– окисление различных веществ (азот, хлороводород, оксид углерода, метан);
– пиролиз углеводородного сырья;
– одностадийный синтез из элементов (аммиака, цианистого водорода, гидразина, фторуглеводородов);
– синтез соединений, образующихся только в условиях плазмы: озона, дифторида криптона, оксида серы (II), оксида кремния (II).
В промышленных масштабах плазмохимические процессы применяют для производства ацетилена и водорода из природного газа, ацетилена, этилена и водорода из нефтепродуктов, диоксида титана.
Плазмохимические процессы отличаются очень малым временем контакта 10-2 – 10-5с. Небольшое время контакта определяет незначительные размеры реактора. Плазмохимические процессы легко управляемы, оптимизируются и моделируются, и затраты энергии на их проведение не выше, чем в традиционных процессах.
Особое место в ряду перспективных источников энергии занимает водород. Его применение имеет ряд преимуществ:
– широкое распространение в земной коре (горючие ископаемые) и в виде практически неисчерпаемых водных ресурсов;
– высокое энергосодержание (в 3,5 раза выше, чем энергосодержание нефти);
– экологическая чистота продуктов сгорания (вода).
В России наиболее экономичный источник водорода – природный газ, из которого водород получают путем парокислородной или паровоздушной конверсии, базирующейся на химических реакциях (2.4, 2.5):
СН4 + Н2О ↔ СО + 3Н2, (2.4)
СН4 + ½О2 ↔ СО + 2Н2. (2.5)