5.3. Раціональне використання енергоресурсів.

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

1900-1925 рр. - 30; 1950-1975 рр. - 95;

1925-1950 рр. - 50; 1975-2000 рр. – 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 до 2000 р. споживання енергоресурсів на 1 людину збіль­шилося приблизно в 5 разів. Задоволення зростаючих потреб населення полягає в раціональному використанні енергоресурсів, якого досягають кількома способами:

- реструктиризацією енергоємних галузей господарства з використан­ням менш енергоємних;

- економією енергоресурсів у всіх галузях господарської діяльності;

- використанням нетрадиційних джерел енергії;

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

Ці способи 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. 5.1), де нагріваються за рахунок теплоти гарячих продуктів, які виходять з реакцій­ного апарата, а потім подають­ся в реактор 2. За цією схемою теплообмін між гарячими й холодними продуктами відбу­вається через стінки труб теп­лообмінника. Апарати подіб­ного типу називають рекупе­раторами (теплообмінника­ми).

Регенератори (рис. 5.2) за­стосовують для утилізації теп­лоти газів. Вони складаються з періодично діючих камер, заповнених насадкою з огне­тривкої 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 І, 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.

Рис.5.1. Схема використання теплоти продуктів реакції або відхідних газів. 1 – теплообмінник; 2 –реактор.

При цьому парні заслінки мають бути відкритими, а непарні - закритими. Після охоло­дження насадки регенератора А і нагрівання насадки регенератора ізнову здійснюють перемикання. За організації такої періодичної роботи реге­нераторів забезпечується постійне нагрівання холодного газу за рахунок теплоти гарячого газу, який викидається.

Рис.5.2.Схема роботи регенератора.

1-8 – заслонки; А, Б – камери регенератора

Теплоту газуватих продуктів реакції і викидних газів часто використо­вують для виробництва пари в котлах-утилізаторах (рис. 5.3). Гарячі гази рухаються по трубах 4, розміщених у корпусі котла. В міжтрубному просто­рі знаходиться вода, яка надходить через кран 5. Пара, що утворилася, проходить через вологовіддільник 2 і виводиться з котла через кран 1.

Рис.5.3. Котел-утилізатор.

1, 5 – крани; 2 – вологовіддільник; 3 – корпус з водою; 4 - труби

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. 5.4).

Рис.5.4. Схема агрегату мотор-насос-турбіна.

1-башта; 2-мотор; 3-турбіна; 4-насос.

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

ŋе=Wт· 100/Wпр, %,

де Wт і Wпр - відповідно кількість енергії, яка витрачена теоретично і практично на отримання одиниці продукції. Ефективність використання теплоти визначається тепловим коефіцієнтом корисної дії ŋт, який обчис­люють за формулою

ŋт = Qт •100/Qпр,%,

де Qт і Qпр - відповідно кількість теплоти, яка теоретично і практично витрачається на здійснення процесу. Чим більші ŋе і ŋт, тим ефективніше використовуються енергія й теплота для здійснення різних процесів.