9.7. Раціональне використання енергоресурсів

Споживання енергоресурсів у всьому світі безперервно збільшується, млрд т умовного палива:

1900-1925 pp. – 30; 1950-1975 pp. – 95;

1925-1950 pp. – 50; 1975-2000 pp. – 300-450.

Нині на одну людину припадає в середньому в США – близько 7 т енергоресурсів, у Японії – 1,5-5 т, а в країнах, що розвиваються, – 0,15- 0,3 т у нафтовому еквіваленті (нафтовий еквівалент 1 т = 44 ∙ 10¹⁵ Дж). У період з 1990 по 2000 р. споживання енергоресурсів на 1 людину збільшилося приблизно в 5 разів. Задоволення зростаючих потреб населення полягає в раціональному використанні енергоресурсів, якого досягають кількома шляхами:

1. реструктуризацією енергоємних галузей господарства з використанням менш енергоємних;

2. економією енергоресурсів у всіх галузях господарської діяльності;

3. використанням нетрадиційних джерел енергії;

4. використанням вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР), тобто утилізацією відходів теплоти й енергії.

Ці шляхи реалізуються відповідно до закону енерговіддачі в природокористуванні: у процесі добування з природних систем корисної продукції з часом (в історичному аспекті) на її виготовлення витрачається в середньому дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, якщо в неоліті витрати на одну людину становили 42 000 кДж (близько 10-12 тис. кДж для харчування), наприкінці середніх віків – 92 000 кДж, то в 1970 р. на одного жителя США – 964 000 кДж. Ці потреби, очевидно, зростатимуть і надалі.

Враховуючи вичерпність викопного палива та забруднення довкілля відходами енергетики, дедалі більше зростатиме значення відновних джерел енергії. За прогнозами, до 2020 р. ці джерела замінять близько 2,5 млрд т палива. їх частка у виробництві електроенергії й теплоти становитиме 8 %. Отже, дедалі більше використовуватимуть енергію Сонця (геліостанції), вітру (вітродвигуни), геотермальні теплові електростанції (геоТЕС), енергію океанів у вигляді теплоти, енергії течій, хвиль і припливів.

Для виробництва електричної й теплової енергії у лісопереробній промисловості використовують біомасу – енергоносії рослинного походження. Турбогенератори, що працюють на продуктах газифікації біомаси, можуть успішно конкурувати з традиційними тепловими, ядерними та гідравлічними енергоресурсами.

Істотним резервом економії енергії є використання вторинних енергетичних ресурсів (теплових відходів). На машинобудівних підприємствах тепловими відходами є фізична теплота викидних газів, охолодження нагрівних і термічних печей та вагранок, теплота відпрацьованої пари ковальсько-пресового обладнання тощо.

У чорній та кольоровій металургії до теплових ВЕР належать фізична теплота основної продукції та відходів виробництва, теплота викидних газів мартенівських і доменних печей, конверторів, нагрівних печей прокатного виробництва, а також відведена теплота після охолодження агрегатів.

У хімічній промисловості в значних кількостях ВЕР утворюються в результаті виробництва сульфатної та нітратної кислот, аміаку, каустичної соди, добрив, хімічних волокон і пластмас. Це теплота викидних газів, фізична теплота охолодних рідин промивних ванн, теплообмінників, теплота відпрацьованої пари й конденсату тощо.

На підприємствах нафтопереробної промисловості ВЕР – це фізична теплота продукційного потоку, викидних газів трубчастих печей і печей спалювання гідрогенсульфіду, установок регенерації каталізатора, фізична теплота після спалювання токсичної органіки і теплота охолодної води.

Вторинні енергетичні ресурси є також на тепло- і електростанціях (ТЕС і ГЕС). На ТЕС – це теплота охолодної води конденсаційних пристроїв, на ГЕС – відходи тепловиділення в електрогенераторах. Джерелами ВЕР є викидні димові гази котелень або відведені продукти спалювання в газотурбінних установках, нагріта охолодна вода із системи охолодження генераторів електростанцій, на АЕС – теплота конденсату і охолодних систем.

Утилізацію відходів теплоти й енергії здійснюють, безпосередньо використовуючи їх у процесах, які були джерелом цих відходів, або в інших, та за допомогою теплообмінних пристроїв різної конструкції – рекуператорів, регенераторів, котлів-утилізаторів, а також в інших конструкціях, наприклад агрегатах мотор-насос-турбіна. Відпрацьовані пару й гарячу воду використовують зазвичай безпосередньо (без трансформації в інші енергоносії) для опалення та гарячого водозабезпечення. Теплоту викидних газів можна використати для сушіння, випарювання, дистиляції та здійснення інших процесів.

У хімічній та деяких інших галузях промисловості утилізовану теплоту продуктів реакції використовують для попереднього нагрівання сировини (реагентів), що надходить у ті самі апарати. Таке нагрівання здійснюють у рекуператорах, регенераторах і теплообмінниках. Реагенти надходять у теплообмінник 1 (рис. 9.1), де нагріваються за рахунок теплоти гарячих продуктів, які виходять з реакційного апарата 2, а потім подаються в реактор. За цією схемою теплообмін між гарячими й холодними продуктами відбувається через стінки труб теплообмінника. Апарати подібного типу називають рекуператорами (теплообмінниками).

Рис. 9.1. Схема використання теплоти продуктів реакції або відхідних газів:

1 – телообмінник; 2 – реактор

Рис. 9.2. Схема роботи регенератора: 1-8 – заслінки; А, Б – камери регенератора

Регенератори (рис. 9.2) застосовують для утилізації теплоти газів. Вони складаються з періодично діючих камер, заповнених насадкою з вогнетривкої цегли. Для створення безперервного процесу потрібно мати не менш як два регенератори. Гарячий газ спочатку проходить через регенератор А, нагріває його насадку, а сам охолоджується. Холодний газ проходить через регенератор Б і нагрівається за допомогою попередньо нагрітої насадки. За такого режиму роботи непарні заслінки 1, 3, 5, 7 закриті, а парні – 2, 4, 6 і 8 – відкриті. Після нагрівання насадки регенератора А і охолодження насадки регенератора Б здійснюють перемикання і гарячий газ спрямовують у регенератор Б, а холодний – у регенератор А. При цьому парні заслінки мають бути відкритими, а непарні – закритими. Після охолодження насадки регенератора А і нагрівання насадки регенератора Б знову здійснюють перемикання. За організації такої періодичної роботи регенераторів забезпечується постійне нагрівання холодного газу за рахунок теплоти гарячого газу, який викидається.

Теплоту газуватих продуктів реакції і викидних газів часто використовують для виробництва пари в котлах-утилізаторах (рис. 9.3). Гарячі гази рухаються по трубах 4, розміщених у корпусі котла. В міжтрубному просторі знаходиться вода, яка надходить через штуцер 5. Пара, що утворилася, проходить через вологовіддільник 2 і виводиться з котла через кран 1.

Рис. 9.3. Котел-утилізатор: 1,5 – крани; 2 – вологовіддільник; 3 – корпус з водою; 4 – труби

Рис. 9.4. Схема агрегату мотор-насос-турбіна: 1 – башта; 2 – мотор; 3 – турбіна; 4 – насос

У процесах, які проводяться за високих тисків, для зменшення витрат електроенергії, що перетворюється на механічну, прагнуть використати енергію стиснутих газів або рідини, що перебуває під тиском. Для цього можна використовувати агрегати мотор-насос-турбіна (рис. 9.4). Газ, що перебуває під тиском, надходить у нижню частину башти і омивається зрошувальною рідиною. Газ виходить з верхньої частини башти, а рідина – з нижньої. Поряд з баштою розташований агрегат мотор-насос- турбіна, в якому мотор, колесо турбіни й робочі колеса багатоступінчастого насоса мають спільний вал. Насос подає рідину на зрошення башти. Рідина, що витікає з башти і перебуває під тиском, потрапляє на лопатки турбіни, обертає колесо турбіни і втрачає енергію. Оскільки колеса турбіни й насоса знаходяться на одному валу, енергія рідини використовується для роботи насоса й подавання рідини на зрошення башти. Аналогічно використовують енергію стиснутих газів. Одним з істотних напрямів раціонального використання енергетичних ресурсів є створення енерготехнологічних комплексів. Прикладом таких комплексів може бути виробництво сульфатної кислоти з колчедану. В результаті спалювання останнього добувають сірчистий газ, нагрітий до високої температури. Після його охолодження і очищення отримують сульфатну кислоту, а за допомогою утилізованої теплоти в котлах-утилізаторах – підігріту водяну пару, яку використовують в інших виробництвах на тому самому підприємстві або для комунального теплозабезпечення.

Використання вторинних енергетичних ресурсів підвищує коефіцієнт використання енергії, який визначають за формулою

η_e = Wт ∙ 100/W_пр, %,

де W_т і W_пр – відповідно кількість енергії, яка витрачена теоретично і практично на отримання одиниці продукції. Ефективність використання теплоти визначається тепловим коефіцієнтом корисної дії η_т, який обчислюють за формулою

η_т = Q_т ∙ 100/Q_пр, %,

де Q_т і Q_пр – відповідно кількість теплоти, яка теоретично і практично витрачається на здійснення процесу. Чим більші η_e і η_т, тим ефективніше використовуються енергія й теплота для здійснення різних процесів.