Бесплатные рефераты, курсовые и дипломные работы на сайте БИБЛИОФОНД.РУ
Электронная библиотека студента
 

Тема: Энергетическое обеспечение производства


Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Помощь в написании работы которую точно примут





Министерство образования РФ

Новокузнецкий филиал - институт

Кемеровского государственного университета











А.Л. Николаев, Н.И. Новиков, В.В. Сенекус

Энергетическое обеспечение производства

Учебное пособие














Новокузнецк 2003 г.

Введение


Область народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии, называют энергетикой. Под энергетическими ресурсами понимают материальные объекты, часть энергии которых, может быть использована человеком для получения нужных ему энергетических эффектов (механической, электрической и тепловой энергии). Энергетические ресурсы можно разделить на два вида: возобновляемые, которые природа непрерывно восстанавливает (энергия рек, морей, солнца, ветра и геотермальных вод) и невозобновляемые, ранее накопленные в природе (органическое топливо, ядерное топливо).

Под энергией, в современном научном представлении, понимается общая мера различных форм движения материи. Для количественной характеристики качественно различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий условно вводят различные виды энергии: тепловую, механическую, электрическую, ядерную, электромагнитную и др. Различают первичную и вторичную энергии.

Первичной называют энергию, непосредственно запасенную в природе, например, энергия топлива, ветра, тепло Земли и др. Энергия, получаемая после преобразования первичной энергии на специальных установках, называемых энергетическими, считается вторичной, например, энергия электрическая, пара, горячей воды и т.д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить два этапа: первый - получение и подача энергетических ресурсов к месту их потребления и второй - преобразование первичной энергии во вторичную, её передача, распределение и использование.

Второй этап энергетического производства представляет наибольший интерес для специалистов в области теплоэлектроэнергетики. Основным источником энергии является топливо. Почти вся используемая ею энергия сначала превращается в тепловую энергию. Около 2/3 полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии: в промышленных и отопительных печах, двигателях, а также в виде пара, горячей воды и т.п. Примерно одна четвёртая часть полученной тепловой энергии идёт на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее одной десятой части тепловой энергии используется в форме механической энергии, главным образом, в двигателях внутреннего сгорания, применяемых на транспорте.

Полученная электрическая энергия, в свою очередь, почти на 60% вновь превращается в механическую энергию, которая используется в силовых агрегатах для приведения в движение средств электрического транспорта, нагнетателей (компрессоров, насосов, вентиляторов), различного оборудования предприятий. Остальная часть электрической энергии используется на привод световых, электрохимических, электротермических (высокотемпературных и низкотемпературных) установок. Примечательно, что приблизительно шестая часть электрической энергии вновь превращается в тепловую.

Таким образом, энергообеспечение охватывает весь народнохозяйственный комплекс и носит межотраслевой характер. Оно включает в себя несколько составных частей, каждая из которых является предметом нескольких специальных дисциплин. Специфический характер подготовки специалистов в области экономики и управления промышленного производства.


1.Общие основы энергообеспечения и энергосбережения


Энергосбережение - основа функционирования и развития современного производства.

Энергосбережение - организационная, научная, практическая информационная деятельность, направленная на снижение расхода топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации. Основы энергосбережения - рациональное использование энергоресурсов и сокращение их потерь.

Энергетический кризис 70-х и 80-х годов на Западе и экологическое воздействие энергетики на окружающую среду внесли новые тенденции в развитие энергетики. В 80-90-х гг. увеличение валового внутреннего продукта в развитых странах достигалось только за счет энергосбережения. И время показало, что это экономически оправдано. Можно смело утверждать, что источник энергии в её экономии.

Оказывает на влияние на энергосбережение динамика цен на энергоресурсы - до 70% энергосбережения США обязана ценам. После отмены в развитых странах контроля государства за ценами на энергоресурсы и ориентирования на рыночный механизм, как главное средство решения проблем энергосбережения, повысилась эффективность использования энергии.

Чтобы раскрыть проблематику энергосбережения на современном этапе, следует заглянуть в нашу недалекую историю и проследить, какие факторы определяли становления энергетики в годы советской власти. Тогда мы были уверены, что природные ресурсы нашей страны неисчерпаемы. Главным традиционно считалась не эффективность производства, а справедливое распределение благ. Пренебрежение экономической стороной дела являлось одной из главных причин существующего положения в энергосбережении.

Оно привело, во-первых, к тому, что при сравнении вариантов стали использоваться натуральные показатели - расходы металла, цемента, трудозатрат и т.п., не дающие целостного представления об истинной экономической эффективности. В экономических взаимоотношениях между предприятиями и предприятиями с государством использовались волевее цены на энергоресурсы и другие виды продукции. Это «двойная» бухгалтерия содействовала тому, что заложенные в проекты энергосберегающие мероприятия и технологии на практике оказались экономически невыгодными и в большинстве случаев либо не реализовывались, либо бездействовали.

Кроме того, государство всегда стремилось занизить цены на энергоресурсы волевым порядком, несмотря на высокую и всё растущую их стоимость на мировом рынке. Делалось это для создания видимости экономической конкурентоспособности производимой продукции и дешевизны услуг, оказываемых населению. А на практике получалось, что экономические просчёты во многом оплачивались перерасходом энергоресурсов, ложась дополнительным бременем на топливно-энергетический комплекс народного хозяйства в целом.

Во-вторых, государство всегда устанавливало приоритет плана над экономическими возможностями и эффективностью. Когда не хватало денег на строительство запланированных объектов, а не хватало их практически всегда, то шли по пути урезания сметных затрат, в первую очередь на экологические и энергосберегающие мероприятия. Поэтому сплошь и рядом не проводилась установка систем, предназначенных для улавливания загрязнений, использования уходящего тепла, регулирования энергопотребления и т.д.

В-третьих, существовал обман, а точнее самообман, в определении проектных показателей эффективности энергоиспользования посредством отрыва их от реальных условий эксплуатации. В действительности же реальные показатели эффективности теплофикации оказывались намного ниже определённых в проекте.

Современное энергосбережение базируется на трёх основных принципах:

во-первых, не столько чистая экономия энергоресурсов, сколько их экономное использование;

во-вторых, повсеместное использование приборов учёта и регулирования расхода электрической и тепловой энергии;

в-третьих, внедрение новейших технологий, способствующих сокращению энергоемкости производства.

Исходя из этого, в энергосбережении следует выделить следующие группы мероприятий, обеспечивающие эффективное энергоиспользование и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов:

научно- технические;

организационно-экономические;

нормативно- технические;

информационные;

правовые.

В частности, научно- технические мероприятия по энергосбережению направлены на разработку и использование в производстве новых способов и устройств, отличающихся высокой энергоэффективностью. Организационно-технические мероприятия, направлены на совершенствование технологии производства, улучшение использования и структуры производственного оборудования, повышение качества сырья и применение менее энергоёмких его видов.


1.1 Структура энергетического производства


Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей, происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить два этапа: первый- получение и подача энергетических ресурсов к месту их потребления, и, второй- преобразование первичной энергии во вторичную, её передача, распределение и использование.

Основным источником энергии является органическое топливо (сюда же отнесено и ядерное топливо). Почти вся, подлежащая использованию ею энергия сначала превращается в тепловую энергию. Этот процесс осуществляется в установках непосредственного использования топлива - промышленных и отопительных печах, двигателях и механизмах, бытовых приборах (50%), в котельных (10%), в котлах тепловых электростанций и реакторах атомных станций (40%). Около 2/3 полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии (в промышленных и отопительных печах, двигателях, а также в виде пара, горячей воды и т.п.). Примерно одна четвёртая часть полученной тепловой энергии идёт на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее одной десятой части тепловой энергии используется в форме механической энергии, главным образом, в двигателях внутреннего сгорания, применяемых в транспорте.

Полученная электрическая энергия, в свою очередь, почти на 60% вновь превращается в механическую энергию, которая используется в силовых агрегатах, главным образом, для приведения в движение средств электрического транспорта, нагнетателей (компрессоров, насосов, вентиляторов), различного оборудования предприятий. Остальная часть электрической энергии используется на привод светозвуковых, электрохимических, электротермических (высокотемпературных и низкотемпературных) установок. Примечательно, что приблизительно шестая часть электрической энергии вновь превращается в тепловую.

Основой всей энергетики на обозримое будущее остаётся органическое топливо. В случае экономической целесообразности с учётом решения социальных задач и экологии возможно использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и ядерного топлива. Расходы энергетических ресурсов за счёт ядерной энергии и прочих источников в 2000 году составили примерно 10% от суммарного производства энергоресурсов.

Превращение энергии топлива в тепловую, происходит в устройстве, называемом котлом, если используется топливо органического происхождения, или реактором при ядерном топливе. Котёл (реактор) имеет два контура: в первом, при сжигании органического топлива (при распаде ядерного топлива) выделяется тепловая энергия, а во втором эта энергия передаётся воде, которая превращается в пар. Образовавшийся пар поступает в тепловой двигатель (турбину). Продукты сгорания (распада) топлива, вода и пар в данном случае являются носителями энергии и называются соответственно теплоносителем и рабочим телом.

В котле при быстром протекании химических реакций в процессе сжигания топлива образуются продукты сгорания. Знание механизма процесса горения топлива необходимо для составления теплового баланса электростанции и определения эффективности её работы, а также для выяснения требований жаропрочности, предъявляемых к конструкционным материалам, из которых изготовлен котёл. К котлу предъявляется требование максимальной интенсивности передачи энергии от продуктов сгорания к воде или пару при нормальном температурном режиме разделяющих их поверхностей, представляющих собой систему стальных труб. Поэтому, для анализа процессов, происходящих в котле, его расчёта необходимы знания основ теории распространения и переноса тепловой энергии к рабочему телу, которые изучаются в разделе науки, называемой теплообменом.

В турбине энергия пара превращается в механическую, которая затем в электрическом генераторе 3 преобразуется в электрическую энергию. Отработавший в турбине пар отдаёт часть своей энергии в конденсаторе 4 в окружающую среду и возвращается в свое первоначальное состояние - воду, которая вновь направляется в котёл. Таким образом, рабочее тело совершает замкнутый тепловой цикл, в котором тепловая энергия, подведённая к воде и пару, частично превращается в работу, а частично теряется бесполезно в окружающую среду. Очевидно, что чем больше подведённой к пару тепловой энергии превращается в работу, тем выше эффективность теплового цикла.


1.2 Потери энергии при ее производстве и потреблении


На всех стадиях производства и преобразовании первичных источников энергии, транспортировки и конечного использования их энергетического потенциала имеют место значительные потери энергии. Потери энергии в условиях традиционного производства и потребления энергетических ресурсов в рамках больших систем (например, в народном хозяйстве страны) включают:

·потери энергии, связанные с начальной переработкой первичных энергоресурсов, например, с обогащением, облагораживанием первичного органического топлива;

·потери энергии на стадии ее преобразования, например, связанные с производством электроэнергии, тепла, а также с транспортировкой энергии;

·потери энергии на стадии ее конечного использования.

Суммарные потери энергии по пути к потребителю по укрупненной оценке составляют примерно 1/3 общего объема первичной энергии. Существенный вклад здесь вносят конденсационные электростанции.

Еще большие потери энергии допускаются при конечном ее использовании - в сфере материального производства и использования различного вида продуктов и энергоемких услуг.

Здесь на каждую единицу энергии, подведенной к конечному потребителю, теряется примерно до 0,75 0,95 единицы энергии.

Посчитано, что для нормальной жизнедеятельности одного человека в год перерабатывается до 20 т различного природного сырья.

При этом только 5-10% исходных ресурсов переходят в готовую полезную продукцию, а остальная в виде отходов попадает в окружающую среду.

В итоге во всех последовательных этапах добычи, переработки, преобразования, транспортировки и распределения энергии первичных источников и на всех ступенях использования энергии в материальном производстве, в сфере услуг вместе взятых, теряется в среднем около 90% энергии от первоначального уровня. В расчете на конечный продукт этому отвечает интегральный коэффициент полезного использования (КПИ) топливно-энергетических ресурсов, примерно равных 10%.

Особенно велики потери, например, в весьма энергоемком теплотехнологическом комплексе страны, где на реализацию всего многообразия теплотехнологических процессов, от низкотемпературного нагрева воды до высокотемпературной плавки металлов непосредственно расходуются около 2/3 органического топлива, более 1/3 вырабатываемой электрической и более ½ тепловой энергии.

Так при обработке стали в электротермических печах, итоговый КПИ энергии первичного источника, в расчете на конечный результат процесса, исчисляется единицами процентов. Столь велики потери энергии при добыче и переработке первичного источника, при преобразовании его энергии в электрическую, при транспортировке и распределении энергии по потребителям и использовании ее в печах, при остывании изделий поле выдачи их из печи. Плавка различных минеральных шихт в топливных печах характеризуется значениями КПИ энергии первичного источника в расчете на конечный продукт (гранулят) на уровне 2,5-7,5%.

Теплотехнологическая система производства стальных изделий, последовательно включающая в себя электроплавку лома, кристаллизацию слитков, несколько ступеней нагрева и охлаждения металла, прокатку и холодное волочение, имеет КПИ энергии первичного источника в расчёте на конечную продукцию (сортовой прокат) на уровне 5-7,5%.

Производству литейного чугуна отвечает КПИ энергии первичного источника около 10%. Таков же уровень КПИ совокупности ряда теплотехнологических систем машиностроительного предприятия производящего детали трактора.

Угольная промышленность России, являясь одной из базовых отраслей народного хозяйства, поставляет свою продукцию для нужд энергетики (48,6% общего объёма поставок), коксохимического производства (18,7%), коммунально-бытового хозяйства (5,5%), населения и сельского хозяйства (4,9%) и при этом сама потребляет и теряет большое количество топлива, тепловой и электрической энергии Технология угольного производства характеризуется высоким выходом вторичных тепловых энергетических ресурсов. Много тепла теряется с отходящими газами котельных ТЭЦ, сушильных установок обогатительных фабрик, охлаждающей водой шахтных компрессорных установок. Например, огромное количество тепла выделяется в атмосферу при эксплуатации шахтных котельных установок: у большинства котельных температура отходящих газов достигает 160-2200С. Значительные потери тепла несут вентиляционные установки, которые в зимнее время года выбрасывают в атмосферу шахтный воздух с температурой 15-200С. Источниками неиспользуемого тепла, загрязняющего окружающую среду, являются также породные отвалы, эндогенные пожары, шахтные и хозбытовые сточные воды.

В общем расходе электроэнергии имеется постоянная составляющая, которая определяется работой установок и не связанна непосредственно с процессом угледобычи (водоотлив, вентиляция, дегазация и частично другие установки). Удельный вес этой составляющей в общешахтных расходах электроэнергии в среднем по отрасли находятся на уровне 70%. Именно здесь имеет место максимальный непроизводительные потери электроэнергии.

Велики потери и основных, первичных энергоносителей. Сотни тысяч тон топлива теряются при транспортировке и хранении из-за того, что несовершенны погрузочно-разгрузочные узлы и транспортные средства, угольные склады и нефтебазы. Потери угля при перевозках составляют, по оценкам специалистов, 3-5 млн. тонн в год.

В стране теряется 6-8% общего количества добытой нефти, в том числе не менее 2% при складских операциях. Добываемая нефть содержит в своём составе большое количество низкокипящих фракций и растворённый газ. В промысловых условиях, при сборе, транспортировке и хранении нефти часто теряются растворённые в ней газы. Кроме того, значительны потери и лёгких нефтяных фракций, так как они при испарении таких компонентов как метан, этан, содержащихся в газе, из нефти извлекаются и более тяжёлые углеводороды (бутаны, пентаны и высшие).

Далеко не всё благополучно и в использовании твёрдого топлива. В угольной промышленности эксплуатируется около 1,5 тыс. промышленных котельных, оборудованных почти 5 тыс. единиц котлоагрегатов. Из них котлы производительностью более 2 т пара в час составляют лишь немногим более половины. Почти две трети всех котлов имеют устаревшую конструкцию.

В области производства электроэнергии и тепла в России традиционно сохраняется главное направление научно-технического прогресса - повышение коэффициента полезного использования топлива путём расширения масштабов комбинированного производства электроэнергии, тепла (теплофикация). В настоящее время более 50% теплопотребления страны обеспечивается от экономичных теплоисточников: ТЭЦ дают 34%, крупные котельные-13%, установки, использующие вторичные энергоресурсы-4%. Теплофикацией охвачено до 41% теплопотребления городов, промышленных узлов и посёлков городского типа. В то же время действует не менее 200 тыс. котельных, средняя единичная мощность которых не превышает 5Гкал/ч (1кал=4,186Дж). В результате мелкие котельные и местные генераторы потребляют 58% всего топлива со средним удельным его расходом, примерно на 40кг\Гкал большим, чем ТЭЦ и крупные котельные. Обслуживанием мелких котельных занято до 2 млн. человек, что существенно превышает численность эксплуатационного персонала на всех электростанциях Минтопэнерго РФ.

Недостатки мелких теплоисточников связаны с низкой энергоэффективностью, высокой степенью загрязнения окружающей среды, повышенными значениями удельных стоимостей и трудозатрат на обслуживание. Вместе с тем даже наиболее совершенные современные котельные по существу являются энергорасточительными устройствами. Причина кроется в самом принципе действия, основанном на сжигании топлива и последующей передачи теплоты низкотемпературному теплоносителю, в процессе которой теряется значительная часть работоспособности (энергии) топлива. Именно поэтому даже при тепловом КПД котлов, приближающемся к 100%, их энергетический КПД, характеризующий степень использования химической энергии топлива, обычно не превышает 15-20%. Один этот факт вызывает сомнение в целесообразности столь широкого распространения отопительных котлов и теплогенераторов, которое они получили благодаря простейшей технологии получения теплоты. Этот недостаток преодолевается двумя способами: старым - путём совместного производства электроэнергии и теплоты на ТЭЦ, и новым-с помощью тепловых насосов.

Однако совместное производство энергии означает, что города становятся производителями электроэнергии, которая вполне может вырабатываться в энергосистемах. Помимо ухудшения экологической обстановки, это ведёт к отчуждению дефицитных городских территорий, к усложнению проблемы транспортировки топлива. Кроме того, концентрация огромных мощностей в одном теплоисточнике приводит к гигантской структуре тепловых сетей в городах. К примеру, в Москве протяженность только наиболее ответственных сетей превышает 3000 км, а общая протяжённость, вероятно, на порядок больше.

Недостатки ТЭЦ можно дополнить значительной недогрузкой, достигающей для многих из них трети мощности, недопустимо высокими транспортными потерями энергии и энергоносителей, перегревом близлежащих и недонагревом отдалённых объектов. Отсутствие средств регулирования и автоматизации обусловливают перерасход тепла и топлива не менее 10-15%. Системы теплоснабжения малоуправляемы, расходы сетевой воды, как правило, превышают расчетные значения на 20-25%, температура обратной воды завышена на 5-100 С. В итоге, имеют место перерасход тепла, завышенное давление в отборах, перерасход топлива.

В системах охлаждения электростанций всё большее применение находит оборотное водоснабжение с использование градирен. Основным и существенным недостатком таких систем охлаждения является выброс в атмосферу огромного количества паров, капельной влаги и тела удельной мощностью до 40Вт\м2 на 1ГВт выработки энергии, что значительно превышает предельно допустимый уровень. Себестоимость электроэнергии наТЭС с градирнями на 5-6% выше, чем в случае прямоточного охлаждения.

Велики непроизводительные потери теплоты от топливоиспользующих агрегатов и установок в виде избыточных тепловых выделений из-за отсутствия необходимых мероприятий по усовершенствованию и внедрению средств промышленной теплозащиты. Так, тепловые потери в окружающую среду через стены теплоиспользующих установок достигают 20-30% теплоты сгорания используемого топлива. Естественно, это требует их тепловой изоляции.

Одним из определяющих условий снижения энергозатрат на единицу основной продукции является обеспечение надёжности энергоснабжения промышленных предприятий и совершенствование систем энергоснабжения. Транспортабельные энергоносители поступают на предприятие из энергосистем. Остальные энергоносители - технологический и энергетический пар, горячая вода, кислород, сжатый воздух общепромышленного применения и др. - имеют ограниченные пределы экономически - оправданной дальности передачи, что и определяет степень централизации и кооперации снабжения данными видами энергоносителей, а также границы энергосистем предприятий. Схемы энергоснабжения должны строится на основе централизации, комплексного использования и комбинированного производства энергоресурсов, использования новых технических достижений в области совершенствования технологических и энергетических процессов.

Таким образом, вышеизложенное позволяет заключить, что во всех отраслях народного хозяйства происходит, исключительно расточительное использование энергии, и существуют широкие принципиальные возможности многократного снижения расхода топливно-энергетических ресурсов во многих энергопотребляющих системах.


1.3 Энергосбережение - путь к повышению эффективности производства


Интересы реформирования экономики, укрепления рыночных отношений, подъёма производства настоятельно требуют обратить внимание на проблемы энергоресурсосбережения. Перевод экономики России на энергосберегающий путь развития - это не просто снижение затрат, удешевление выпускаемой продукции и повышение конкурентоспособности, но это и переход на качественно новый уровень производства и потребления. В повышении эффективности использования топлива и энергии заложены значительные возможности не только для выхода страны из кризиса, но и для мощного ускорения на самых разных направлениях развития.

Потенциал энергосбережения России, постепенно накапливаясь из-за неразумного, расточительного расходования имеющихся ресурсов, достиг грандиозной величины и составляет по разным оценкам от 460 до 540 млн. т. у.т., или 40-45% всего энергопотребления в стране.

Энергозатраты на единицу валового продукта (энергоёмкость) в России едва ли не самые высокие в мире и почти в 2,5 раза больше, чем в среднем по Западной Европе. Это обусловлено тем, что в нашей стране не придавали особого значения вопросам сбережения энергии, и расточительное отношение к ресурсам как бы вошло в плоть и кровь российской экономики.

Несмотря на гигантские энергетические ресурсы страны, нехватка энергии и топлива даёт о себе знать, то замерзающими трубами отопления, то очередями к бензоколонкам, то периодическим отключением электричества в отдельных регионах.

Между тем огромные средства-до 40% и более - тратятся из федерального и местного бюджетов на поддержание жилищно-коммунального хозяйства, дотации на оплату энергии, газа, воды. В целом они более чем в 2,2 раза превышают совокупные затраты на оборонные нужды страны, содержание армии.

Нужно иметь в виду, что без проведения комплексных мероприятий по энергоресурсосбережению невозможно вывести в разряд конкурентоспособности продукцию отечественной промышленности, поскольку доля энергозатрат в цене этой продукции значительно превосходит соответствующий показатель в зарубежных аналогах. В некоторых производствах доля таких затрат в себестоимости продукции составляет от 20 до 40%, а кое-где даже до 60%. Отсюда и высокая цена, и проблемы со сбытом, несмотря на новизну и высокое качество отдельных товаров.

Производители и всё население в этом случае несут двойные потери: через значительные затраты на энергоресурсы и через неполученные доходы как на отечественном, так и на зарубежном рынке. В свою очередь массированный импорт аналогичной продукции подрывает отечественных производителей, лишает значительной доли рабочих мест, что влечёт за собой уменьшение налогооблагаемой базы для государства и снижение уровня жизни населения.

Доля энергозатрат в себестоимости продукции и услуг составляет в нашей стране в среднем: в прмышленности-18%, на транспорте-17%, в сельском хозяйстве-11%. Высокая энергозатратность нашей экономики, в значительной мере, определяется устаревшими производственными фондами, изношенностью оборудования, несовершенством технологий и другими объективными причинами. Но существуют и субъективные факторы: прямое энергорасточительство и бесхозяйственность, отсутствие единой системы учёта и контроля, недостаточное использование энергосберегающей техники, а главное-несовершенство управленческих механизмов, на устранение которых не требуются значительные затраты, сравнимые со структурной перестройкой энергоёмкого промышленного производства. Очевидно, требуется применение быстроокупаемых энергосберегающих мероприятий, которые уже в ближайшее время могут дать существенный экономический эффект.

При реализации имеющегося потенциала энергосбережения необходимые ежегодные инвестиционные затраты только в топливно-энергетическом комплексе могут быть уменьшены на 50 млрд. руб. Это, в свою очередь, позволит сократить расходы на геолого-разведывательные работы, снизить цены на продукцию топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и тем самым повысить конкурентоспособность отечественных товаров.

Громадные резервы энергосбережения имеются в жилищно-коммунальной сфере, в отдельных отраслях промышленного производства. Как показывает анализ, снижение удельной энергоёмкости ВВП хотя бы на 1% даёт рост национального дохода на 0,3-0,4%. К позитивным моментам энергосбережения следует отнести не только экономические, но и политические, которые связаны, например, с возможностью уменьшения зависимости страны по импорту.

Трудно переоценить значимость скорейшей реализации энергосберегающей стратегии для всех сфер жизни общества, поскольку и снижение издержек, и совершенствование технологий, и повышение конкурентоспособности отечественных товаров, что соответственно влечёт за собой и увеличение экспортного потенциала, - всё это будет способствовать экономическому подъёму России, а с ним и повышению уровня жизни населения. Решая на первых порах проблемы, казалось бы, сугубо экономические, эта стратегия «работает» и на решение целого комплекса актуальных социальных задач.

Это тем более актуально, что на ближайшие годы прогнозируется существенное увеличение спроса на энергетические услуги. Прогнозы обосновываются, во-первых, естественным приростом населения Земли, особенно в развивающихся странах, а во _ вторых - неуклонным повышением уровня жизни людей, который требует не только количественного, но и качественного изменения услуг. От эффективности энергосбережения и использования энергии будет зависеть, какое количество топлива, электроэнергии, тепла понадобится в итоге для полного удовлетворения спроса и удастся ли вообще полностью решить эту проблему.

Весьма полезно в этом плане обращение к опыту наиболее развитых стран, которые несколько раньше, чем мы, стали активно заниматься проблемами энергоресурсосбережения.

Как известно, нефтяной шок 1973 г. вызвал масштабный энергетический кризис во многих странах мира. Ключевым фактором кризиса был резкий рост цен на энергию. Произошедшее, заставило правительства многих стран мира выработать антикризисную политику, в основу которой были заложены структурные преобразования в экономике, отражающие отход от энергоёмкого производства к менее затратным технологиям во всех сферах хозяйства. А подкреплялись они разнообразными программами и широкомасштабными проектами по энергосбережению и повышению эффективности использования энергии. К настоящему времени западными странами накоплен большой опыт разработки и использования технологий энергосбережения.

Взаимосвязь кризисных моментов в экономике в целом, в отдельных её отраслях и активизация процессов, направленных на энергосбережение, вполне очевидна. Проблема экономии, и в первую очередь энергии, чётче всего обозначается именно в периоды экономических кризисов. Это характерно для всех без исключения государств, какими бы богатыми они не были. Для России в настоящее время характерны во многом те же самые явления, что и для Западной Европы. Так что у России есть возможность критически оценить «чужой опыт» и грамотно использовать лучшие зарубежные достижения. Разрабатывая стратегию энергоресурсосбережения, необходимо, конечно, учитывать уникальный исторический опыт, богатый ресурсный потенциал, своеобразие территориального устройства и другие факторы, характеризующие особенности нашего государства.

Нужно правильно использовать положение, что энергетический сектор России являлся и является движущей силой экономики, его вклад достигает 17% внутреннего валового продукта (ВВП), а доля в экспорте России составляет около 60%. Россия занимает второе место в мире по производству первичной энергии и обладает значительным потенциалом первичных энергоресурсов.


1.4 Проблемы энергосбережения в промышленности


Активное возрождение отечественной промышленности ведет к значительному росту потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Одновременно просматривается тенденция возникновения дефицита энергоресурсов, и в первую очередь - природного газа. В связи с этим возникает острая необходимость рационального использования энергоресурсов в промышленности как крупнейшем потребителе, т.е. стратегия энергосберегающей политики.

Обследования промышленных предприятий показывают, что потенциал возможного энергосбережения в промышленности может достигать до 20 - 25 % годового потребления ТЭР. Реальная его величина зависит от типов предприятий и характера их режимов работы. Общей закономерностью является тот факт, что чем ниже объем производства, тем выше (в %) этот потенциал. Поэтому одним из первостепенных условий общего снижения объемов энергопотребления в промышленности является всемерное повышение эффективности использования ТЭР. Реальное осуществление этого должно основываться не только и не столько на технических решениях, сколько на рационально построенных организационной и экономической политике самих предприятий.

Одной из основных причин низкого уровня эффективности использования ТЭР является все еще существующее мнение о незначительности доли энергетических затрат в себестоимости продукции и представление о доступности и дешевизне энергоресурсов. Тем не менее, в ряде отраслей эта доля составляет от 15 % до 40 % себестоимости продукции (без учета стоимости сырья и материалов), а в отдельных случаях она достигает 75 %. В то же время снижение конкурентоспособности отечественной продукции связано как с постоянным удорожанием энергоносителей, так и в устаревшем подходе к управлению процессом использования ТЭР в промышленности. В конечном итоге это влечет за собой вынужденное снижение объемов производства (за счет потери конкурентоспособности) и дополнительный рост энергоемкости продукции (в связи с падением загрузки и так неэффективно загруженных производственных мощностей).

Анализ состояния энергопотребления на промышленных объектах показывает, что на многих из них по-прежнему не проводится серьезной работы по снижению энергоемкости выпускаемой продукции. Причем ссылка делается на объективные экономические обстоятельства: резкое снижение объемов выпускаемой продукции; устаревшее технологическое оборудование; низкую степень обеспеченности предприятий современными техническими средствами учета использования энергоносителей; невозможность организовать системный энергетический мониторинг и т.п.

На эффективности использования ТЭР отрицательно сказывается отсутствие стратегических планов реструктуризации производств и должного административно-экономического порядка в энергохозяйствах предприятий, а также недостаточность (зачастую полное отсутствие) как комплексной системы нормативного обеспечения эффективного использования ТЭР, так и стратегии режимов работы предприятия в текущих условиях. При этом энергослужбы предприятий не располагают достаточным количеством высококвалифицированного персонала. Серьезной помехой служат устойчивые психологические стереотипы, выражающиеся в неверии в эффективность и целесообразность энергосбережения, особенно на рабочих местах. У работников предприятия отсутствует экономическая заинтересованность в рациональном использовании ТЭР. К сожалению, энергослужбы предприятий, как правило, не принимают участие в формировании технической политики и портфеля заказов. Велики потери ТЭР из-за аварийных простоев технологического и энергетического оборудования.

С последствиями неэффективности режимов энергопотребления в промышленности приходится сталкиваться буквально на каждом шагу. К типичным примерам можно отнести значительные потери электроэнергии на выработке сжатого воздуха, достаточно часто неэффективно используются котельные установки. Высоки потери в системах водоснабжения из-за нерационального использования воды на промышленных циклах и хозяйственного назначения и существующего принципа «хвостовой» водоочистки. Высок уровень потерь теплоносителей из-за несовершенства теплофикационных систем и наличия «выбросов в атмосферу». Значителен уровень потерь электроэнергии в осветительных установках. Крайне низко использование собственных вторичных энергоресурсов и т.п. Все это предопределяется главным - отсутствием на большинстве предприятий системного энергетического мониторинга за использованием ТЭР.

Большинство предприятий ссылаются на невозможность в данное время организовать целенаправленную энергосберегающую политику, объясняя это отсутствием свободных денежных средств. Однако многие мероприятия по энергосбережению могут быть осуществлены с весьма незначительными затратами. Это, в частности:

·создание новой системы отчетности по энергопотреблению;

·обеспечение специалистов предприятий информацией и материалами о новейших методах и средствах повышения эффективности использования ТЭР;

·разработка и реализация программ и стандартов предприятия по управлению энергопотреблением и энергосбережению;

·введение системного энергетического мониторинга на базе существующей оргтехники.

Для реализации данного перечня мероприятий значительных средств не требуется, а срок их окупаемости практически не превышает 0,5 - 1 год.

Следует отметить, что целенаправленное энергосбережение ТЭР в промышленности может достигаться различными путями, например:

·на основе коренной модернизации технологических процессов и структуры предприятия;

·путем поэтапной реконструкции систем энергоснабжения предприятия.

В рамках энергосберегающей политики в промышленности представляется необходимым прежде всего решение следующих задач:

·осуществление системного анализа эффективности энергопотребления (оценка уровня потерь энергоносителей и выявление основных причин их возникновения) для определения возможного потенциала энергосбережения по видам энергоносителей и оценки инвестиций в энергосберегающие мероприятия;

·разработка концепции энергосбережения с выполнением технико-экономической оценки эффективности применения конкретных энергосберегающих мероприятий и с учетом перспектив развития или реструктуризации предприятия;

·введение обязательного энергетического обследования промышленного сектора и муниципальных предприятий для объективности оценки состояния энергопотребления и разработки целенаправленной энергосберегающей политики;

·проведение кардинальной паспортизации энергохозяйства промышленных предприятий на основе энергетических обследований;

·создание единого нормативно-правового обеспечения энергосберегающей политики на всех уровнях - от предприятия до региона;

·совершенствование общего и методического подхода к энергосбережению и проведению энергоаудита промышленных объектов;

·обеспечение системы подготовки специалистов по управлению энергообеспечением и энергоаудиту на промышленных и муниципальных объектах;

·организация постоянно действующего проблемного семинара и регулярные публикации в специализированном бюллетене;

·создание открытого информационного банка данных по проблемам энергосбережения.

Своевременное решение этих задач позволит достичь реального снижения потребления энергетических ресурсов в промышленности. Важнейшим условием ускорения этого процесса является объединение усилий ведущих организаций и специалистов по проблемам энергосбережения и непосредственная заинтересованность и постоянная поддержка региональных комитетов по экономике и промышленной политике, РЭКа и Госэнергонадзора.


1.5.Экологические, экономические и социальные аспекты энергосбережения


Одна из глобальных проблем, волнующих сегодня человечество, - это охрана окружающей среды и рациональное использование имеющихся природных ресурсов. Сохранение природных ресурсов Земли, их рациональное использование и воспроизводство являются залогом социального и экономического развития человеческого сообщества.

Все основные достижения и поражения человечества напрямую связаны с масштабами потребления энергии и негативными изменениями в природе, к которым приводит уровень и качество потребления энергии. Так, скачкообразность в развитии человечества можно напрямую связать с качественно новыми достижениями в освоении энергетических запасов Земли.

С объёмами потребления энергии напрямую связаны некоторые количественные показатели качества жизни на Земле, например, продолжительность жизни. В течение прошлого столетия по мере роста удельного потребления первичной энергии от минимальных значений до 4 т у. т. человека, средняя продолжительность жизни на планете выросла прямо пропорционально с 30 лет до 56. На протяжении всего этого столетия стабильно сохранялась устойчивая связь высокого уровня энергообеспечения в развитых странах с высокими показателями качества жизни в них.

Топливно-энергетический комплекс, являясь источником качества и комфортных жизненных условий человека, одновременно наносит огромный ущерб окружающей среде. Наиболее сильное воздействие на неё оказывают процессы производства преобразованных видов энергии при сжигании энергоносителей.

Весьма негативное влияние энергетики на окружающую природную среду связано с выбросами вредных веществ с дымовыми газами теплоэлектростанций (ТЭС), тепловым и химическим загрязнением водных объектов, изменением климата, изъятием земель под строительство станций, подстанций, линий электропередач, водохранилищ, а также с загрязнением почв вредными выбросами и сбросами.

Энергетика, являющаяся основным движущим фактором развития промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства, служащая базой повышения производительности труда и благосостояния населения, имеет наиболее высокие темпы развития и масштабы производства. Поэтому доля участия предприятий энергетики в загрязнении окружающей среды продуктами сгорания органического топлива, содержащего вредные примеси, а также отходы низкопотенциального тепла, весьма значительна.

Производство электроэнергии и тепла на базе использования минеральных топлив является уникальным по масштабам материального и энергетического обмена с окружающей средой. Это обусловлено тем, что потребляя огромное количество первичных природных ресурсов в виде жидкого, твердого и газообразного топлива, энергетическое производство выдаёт товарный продукт в виде электрической и тепловой энергии топлива. Что же касается затраченных природных ресурсов, то они целиком превращаются в отходы, поступающие в окружающую среду в виде газообразных и твёрдых продуктов сгорания. Эти отходы превышают массу использованного топлива (например, при сжигании на ТЭС природного газа в5 раз, антрацита - в 4 раза) за счёт включения в процесс азота и кислорода воздуха.

Совместно с продуктами сгорания в окружающую среду поступают все примеси исходного топлива: часть золы, содержащей в своём составе в тех или иных количествах многие элементы таблицы Менделеева, а также оксид углерода, частицы несгоревшего топлива, продукты неполного сгорания жидких топлив, оксиды серы и азота, соединения многих металлов, значительное количество углеводородов. В окружающей среде рассеивается более 60% исходной энергии топлива в виде тепла подогретой воды и горячих газов, что является характерным показателем используемых в настоящее время термодинамических циклов.

Определяющей является роль энергетики и в создании парникового эффекта: 88% эмиссии газов в России связано с деятельностью энергетического сектора.

Следует также учитывать, что выработанная энергия в процессе её передачи и потребления также в значительной мере превращается в тепло и рассеивается в окружающей среде.

Диоксид углерода и пары воды - основные отходы производства тепла и электроэнергии при сжигании органического топлива - не используются; поступая в атмосферу, они включаются в природные циклические процессы и поглощаются растительностью для синтеза органических соединений и регенерации кислорода. Однако этот процесс не останавливает существовавшего в природе равновесия, гак как темпы использования органического топлива человеком, на несколько порядков превышают регенерационные возможности растительного мира.

Энергетическому производству сопутствует также различное загрязнение стоков, связанное с процессом водоподготовки, консервации и промывки оборудования, гидротранспорта твёрдых отходов и т.п.

Примерно 30% потенциальной энергии топлива при производстве электроэнергии конденсационной ТЭС превращается в товарный продукт-электроэнергию, остальное её количество рассеивается в окружающей среде в виде горячих газов и тёплой воды.

Не меньшую тревогу вызывает и огромное потребление кислорода воздуха энергетическими и топливопотребляющими установками. А ведь из всех составных частей биосферы для нормальной жизнедеятельности человека прежде всего нужен воздух. Без пищи человек может прожить до 5 недель, без воды до 5 дней, а без воздуха не более 5 минут. В среднем, за сутки, человек потребляет из воздуха 20 кг кислорода, за год-7,5 тонн. Но этот воздух должен отвечать определённым санитарным требованиям. Вредные примеси из воздуха кратчайшим путём поступают в кровь и разносятся по всему организму, что становится причиной острых и хронических заболеваний, сокращает продолжительность жизни.

Совокупные выбросы тепловых электростанций загрязняют атмосферу в радиусе нескольких десятков километров, негативно воздействуют на здоровье человека, растительный и животный мир, отрицательно влияют на работоспособность и продолжительность жизни населения.

Приведём ряд негативных показателей в мировом масштабе. За время существования цивилизации, в основном, за последние 100-130 лет бурного роста энергопотребления, произошли глобальные изменения в природе. Более чем втрое возросла концентрация углекислого газа в атмосфере. Содержание диоксида серы в атмосфере увеличилось почти на 80%, оксида углерода (угарного газа) - более чем вдвое. Загрязнение океана нефтепродуктами, возросло по сравнению с природным более чем в3,5 тыс. раз. Ежегодно уничтожается более 180 тыс. км2 лесов.

Производственная, включая энергетическую, деятельность в России, осуществляется экологически неэффективно. Высокий уровень энергоёмкости с преобладанием в энергобалансе органических топлив ведёт к опасным последствиям для окружающей среды, в том числе для человека.

Экологические проблемы, вызванные энергетикой, дают основание считать, что достижение устойчивого энергоснабжения в перспективе всё в большей мере будет зависеть от успехов в решении экологических проблем при производстве, преобразовании и использовании топлива и энергии. Снабжение энергией должно осуществляться так, чтобы оно в полной мере соответствовало современным требованиям по защите окружающей среды.

При рассмотрении вопросов дальнейшего развития энергетики важнейшим направлением следует считать энергосбережение. Главная идея энергосбережения заключается в том, что энергоресурсы могут быть использованы более эффективно, путём применения мер, осуществимых технически, обоснованных экономически и целесообразных с экологической точки зрения.

Следует особо подчеркнуть органическую связь и взаимозависимость экологических проблем и проблем энерго- и ресурсосбережения. Как правило, надлежащая проработка вопросов энергосбережения автоматически ускоряет решение проблем повышения производительности, степени использования исходного сырья, увеличение выхода целевого продукта, улучшение условий труда, сокращение безвозвратных потерь ценных компонентов, включая потери сырья с отходящими газами, а также при транспортировке, передаче полупродуктов из одного агрегата в другой.

Практически любые энергосберегающие технологии и мероприятия ведут к снижению уровня выброса вредных веществ. Так, снижение удельного расхода топлива и использование тепла отходящих газов и т.п. в конечном итоге ведут к уменьшению массы сжигаемого топлива. При этом выбросы вредных веществ в атмосферу сокращаются в зависимости от количества и качества сжигаемого топлива.

Вместе с тем проблема энергосбережения тесно связана с экономическими факторами развития России. Переход на рыночные условия функционирования предприятий сопровождается ростом цен на топливно-энергетические ресурсы, увеличением доли энергетической составляющей в себестоимость продукции и значительным повышением энергоемкости производства из-за неритмичности работы и частых простоев. На большинстве предприятий наблюдается значительный рост доли энергетической составляющей в стоимость производимой продукции по сравнению с предыдущими годами. В условиях 50% - го спада промышленного производства топливно-энергетическому комплексу России едва удалось справиться с задачей по обеспечению промышленности и социальной сферы энергоресурсами. Виной тому - резкий рост энергоёмкости экономики в последние годы.

Россия располагает крупнейшими запасами топливно-энергетических ресурсов (36% мировых запасов газа, 13% запасов нефти и примерно 30% прогностических запасов угля) и имеет второй в мире по мощности топливно-энергетический комплекс, который приносит стране более 2\3 всех валютных поступлений, производит более четверти промышленной продукции России. От того как мы сумеем распорядиться этим колоссальным богатством, зависит не только настоящее, но и будущее страны. Приоритетным направлением энергетической политики России должно стать повышение энергетической эффективности производства, ибо нынешнее энергорасточительство во всех сферах экономики угрожает энергетической, экономической и национальной безопасности страны.

Стоимость потребляемых в настоящее время в России энергоносителей достигает 175 млрд. долларов, что составляет около 30% российского ВВП. В себестоимости выпускаемой сегодня продукции доля энергоносителей составляет 25%, а на некоторых предприятиях достигает 50-60%.

Сегодня на единицу выпускаемой продукции в России расходуется в три раза больше энергоносителей, чем в США, и в 6 раз больше, чем в Японии, что делает нашу экономику неконкурентоспособной не только на мировом, но и на внутреннем рынке, стимулирует импорт промышленных и потребительских товаров и экспорт сырья. В числе основных причин сложившегося неблагополучного положения в области энергоёмкости нашей экономики следует назвать:

·практически полное отсутствие экономических стимулов осуществления энергосбережения;

·относительно низкий уровень внутренних цен на энергетическое сырьё и продукты его переработки и вытекающую из этого незаинтересованность на всех уровнях управления, на рабочих местах и у населения в обеспечении рационального использования и экономного расходования топлива и энергии;

·отставание в создании оргструктур в сфере энергопотребления, соответствующих рыночным отношениям;

·крайне низкую оснащённость энергопотребителей техническими средствами учёта и контроля за расходованием энергоресурсов;

·недостаточное количество энергосберегающих технологий и высокоэкономичного технологического оборудования;

·высокие Энергозатраты в производственных процессах из-за большой доли устаревших основных производственных фондов;

·недостаточную обеспеченность высококвалифицированным управленческим и инженерным персоналом в сфере энергосбережения;

·совершенно недостаточную энергосберегающую грамотность населения.

Важным сдерживающим фактором в повышении энергетической эффективности экономики в прошедший период явилась неподготовленность промышленности к выпуску энергосберегающего оборудования, контрольно-измерительных приборов и других технических средств, необходимых для обеспечения рационального использования и экономного расходования топлива и энергии.

В пользу экономии ресурсов свидетельствуют также высокая сравнительная эффективность энергосберегающих мероприятий и наличие значительных резервов экономии материальных и энергетических ресурсов. Кроме того, мероприятия по экономии топлива обычно в 2,5-3,0 раза дешевле, чем эквивалентный прирост его добычи и транспорта потребителям. Энергосберегающие проекты, в среднем, в 5-6 раз менее капиталоёмкие, чем проекты по производству энергии.

Повышение эффективности использования энергии и, как следствие, снижение себестоимости продукции является одним из важнейших путей возрождения различных отраслей промышленности в условиях рынка, основой конкурентоспособности выпускаемой продукции, обеспечения занятости населения и тем самым одним из факторов решения социальных проблем.

Реализация идей энергосбережения позволит экономить огромные средства за счёт снижения потребности в первичных энергоресурсах (расходы на их производство, транспортировку, переработку, хранение) и увеличение экспортного потенциала ТЭК для получения дополнительных доходов и решения социальных задач. При этом значительно снизятся затраты на охрану природы. Использование средств, полученных от 4-х кратной экономии в результате энергосбережения (по сравнению с наращиванием добычи топлива и энергии), позволит пополнить уже в ближайшее время доходную часть бюджетов регионов и страны в целом, увеличить чистую прибыль предприятий для решения социальных проблем.

Реализация программы энергосбережения благоприятно скажется на экономическом положении страны, поскольку каждый процент сбережённых энергоресурсов в среднем даст прирост национального дохода и чистой прибыли предприятий в размере до 0,35-0,40%.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что резервы экономии топливно-энергетических ресурсов в настоящий момент имеются практически во всех звеньях энергетического цикла. Потенциал энергосбережения в нашей стране достигает 1/3 всего объёма потребляемых первичных энергоресурсов, а по некоторым данным - 40-45%.


2. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА


Теплоэнергетика - отрасль, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счет теплоты служат теплосиловые установки.

Преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых установках основано на способности газа - газообразного тела совершать механическую работу при изменении его объема. При этом рабочее тело (пар или газ) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определенное количество теплоты Q1 и одному, или нескольким источникам теплоты отдается количество теплоты Q2, меньшее, чем Q1; при этом разность Q1- Q2 превращается в механическую работу Атеор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим КПД этого цикла.



В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой Т1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой Т2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале Т1-Т2 наивысший КПД hR=1- Т2/Т1 среди всех возможных циклов имеет цикл Карно. КПД, равный 1, т.е. полное превращение теплоты Q1 в работу, возможен либо при Т1 равное ¥, либо при Т2 равное 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.

Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в другие виды энергии, сопровождаются различными потерями, поэтому получаемая действительная работа Адейств оказывается меньше теоретически возможной работы Атеор.

Теплосиловые установки включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменники) и установки с внутренним подводом (рабочее тело - продукты сгорания топлива).


2.1 Теплоснабжение


.1.1 Основные виды энергии и источники тепла, используемые для теплоснабжения

Источником тепла называется комплекс оборудования и устройств, с помощью которых осуществляется преобразование природных и искусственных видов энергии в тепловую энергию с требуемыми для потребителей параметрами.

Потенциальные запасы основных природных видов энергии в миллиардах тонн условного топлива в мире составляют:

органическое (ископаемое) топливо - 24,7×109;

ядерное топливо (уран и торий) - 231×103;

термоядерное топливо (дейтерий) - 56,1×103;

геотермальная энергия - 500;

лучистая энергия Солнца (в год) - 247×103;

гидроэнергия рек (в год) - 3,35;

энергия приливов и отливов (в год) - 2,31;

энергия ветров (в год) - 7,92.

Для целей промышленного теплоснабжения практическое значение на ближайшую перспективу будут иметь органическое и ядерное топливо.

К искусственным видам энергии, которые используются для выработки тепла на теплоснабжение, относятся «вторичные энергоресурсы» промышленных предприятий и электрическая энергия.

Всё топливо, используемое для получения тепла можно разделить на два вида: искусственное и естественное, которое в свою очередь подразделяют на твёрдое, жидкое и газообразное.

К естественным видам топлива относятся:

твёрдое - каменные угли, антрацит, торф, горючие сланцы, дрова;

жидкое - нефть;

газообразное - природный газ.

К искусственным видам топлива относятся:

твёрдое - кокс, древесный уголь, брикеты, пылевидное топливо;

жидкое - мазут, керосин, дизельное топливо;

газообразное - смешанный (доменный + коксовый), доменный, коксовый, генераторный газы.

Особенно большую долю в топливном балансе промышленных предприятий занимает природный газ, в наибольшей мере отвечающий технологическим требованиям к топливу. Рациональное использование газообразного топлива с наибольшей реализацией его достоинств позволяет получить значительный экономический эффект, который связан с повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива, более лёгким регулированием условий сжигания, температурных полей и состава газовой среды в рабочем пространстве печей, в результате чего удаётся значительно повысить интенсивность производства и качество получаемой продукции.

Теплофизические особенности того или иного топлива зависят в основном от его химического состава. Так как топливо почти всех видов органического происхождения, то основной горючей составляющей является углерод С, водород Н2, окись углерода СО, а также соединения этих элементов, так называемые углеводороды. Чем больше углеводородов содержится в топливе, тем оно качественнее.


2.1.2 Сжигание топлива

В основе горения топлива лежат реакции окисления горючих составляющих, в результате которых выделяется тепло. Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы объёма или массы топлива, называется теплотой сгорания или калорийностью топлива [кДж/м3, кДж/кг].

Для удобства сравнения расходов тепла, получающегося от сгорания различных топлив, введено понятие условного топлива (у. т.), то есть топлива, теплота сгорания которого равна 7 000 ккал/кг (29 310кДж/кг).

Температурой горения называется температура, которую приобретают продукты сгорания в результате выделившегося при реакции тепла. Температура горения газообразного и жидкого топлива достигает 2 100°С.

В основе процессов горения лежат окислительные реакции горючих составляющих топлива с кислородом. От того, насколько хорошо перемешано топливо с окислителем, зависят скорость и качество нагрева или расплавления металла. Физически процессы горения подразделяют на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение характерно в основном для газообразного топлива, предварительно смешанного с воздухом, оно происходит между реагентами, имеющими одинаковое агрегатное состояние.

Гетерогенное горение характерно для твёрдого топлива, оно наблюдается в основном на его поверхности; при этом реагенты имеют разное агрегатное состояние.

Горение жидкого топлива осуществляется по боле сложной схеме. В процессе горения происходит разложение топлива на газовую и жидкую составляющие. Газ горит гомогенно, а жидкость (капли) - гетерогенно.

Процесс горения любого топлива разделяют на две стадии: воспламенение и непосредственное горение. Воспламенение - начальный период горения, во время которого происходит медленное окисление. В результате этого в системе происходит накапливание тепла и медленное повышение температуры. При достижении некоторого температурного предела реакция окисления принимает лавинообразный характер и процесс переходит в непосредственное горение. Эта температура называется температурой воспламенения.

Гетерогенное горение может быть разделено на следующие стадии: 1) просушка и прогрев топлива; 2) термическое разложение топлива выделяется СО, с дальнейшим использованием его в качестве горючего газа.

Наиболее распространённым естественным твёрдым топливом являются каменный и бурый уголь, древесина, сланцы, торф. Твёрдое топливо характеризуется следующими показателями: зольностью, содержанием влаги, содержанием летучих веществ и углерода, содержанием серы, теплотой сгорания.

Зольность характеризует негорючие составляющие твёрдого топлива (балласт). Поэтому, чем меньше зольность топлива, тем оно качественнее, так как возрастает процент горючих составляющих.

Летучие вещества выделяются из топлива при нагревании без доступа воздуха. Состав и количество летучих зависит от состава и свойств топлива. Чем выше содержание летучих, тем лучше горит топливо, так как они воспламеняются и поддерживают горение.

Влага - нежелательный компонент, так как требует большого количества тепла для испарения и нагрева до температуры продуктов сгорания.

Содержание серы в топливе крайне нежелательно. При сжигании топлива, содержащего серу, образуется сернистый газ SO2, являющийся причиной «кислотных дождей». При выплавке чугуна, сера, содержащаяся в коксе, переходит в чугун, снижая его механические свойства. При переделе сернистого чугуна в сталь возникают дополнительные трудности по удалению серы. Примерный состав и теплота сгорания основных видов топлива приведены в таблице 2.1. Дрова в промышленности почти не применяют ввиду их низкой теплоты сгорания. В основном, из дров получали раньше древесный уголь, который применяли для производства высококачественного чугуна на уральских металлургических заводах. В настоящее время дрова используют как местное топливо.


Таблица 2.1 Состав и теплота сгорания твёрдых видов топлива

ТопливоСодержание, %Теплота сгоранияSСН2О2ккал/кгкДж/кгДонецкий каменный уголь2,762,43,84,3598025000Кузнецкий каменный уголь0,467,24,710,7630026400Бурый уголь2,051,72,711,6440018500Торф0,230,93,217,8256010700Дрова-30,33,625,1244010200

Торф, как и древесина, относятся к местным видам топлива. Низкая теплота сгорания и невысокая прочность ограничили применение торфа в промышленности. Значительным достоинством торфа является высокое содержание летучих, лёгкая воспламеняемость, низкое содержание серы, относительно низкая стоимость, большие запасы. Применяют торф, в основном, на местных тепловых электростанциях.

Бурый уголь занимает промежуточное положение между торфом и каменным углем. Как и торф, он относительно малокалориен, содержит много золы (35 - 40%) и влаги (до 40%); содержание серы колеблется от 1,5 до 3,0%. Недостатком бурых углей является их высокая склонность к самовоспламенению, требующая применения особых мер предосторожности. Как топливо бурые угли применяют на тепловых электростанциях.


2.1.3 Экологические проблемы использования теплоты

Продукты сгорания топлива оказывают определяющее влияние на энергетические и экологические показатели различных теплотехнических установок. Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники.

В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота (NОх), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец серу.

Оксиды азота образуются в результате химического взаимодействия азота и кислорода воздуха, если температура превышает 1500 К. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NО, который затем в атмосфере окисляется до NО2. Образование NО увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода. Зависимость образования NО от температуры создает определенные трудности с точки зрения увеличения термического КПД теплового двигателя. Например, при увеличении максимальной температуры цикла с 2000 К до 3000 К термический КПД цикла Карно возрастает в 1,5 раза и достигает значения 0,66, но расчетная максимальная концентрация NО в продуктах сгорания возрастает в 10 раз и достигает по объему 1,1 %.

Находящийся в атмосфере NО2 представляет собой газ красновато-бурого цвета, обладающий в больших концентрациях удушливым запахом, вредно воздействующим на слизистые оболочки глаз.

Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода. Оксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма оксидом углерода: головная боль, сердцебиение, затруднение дыхания и тошнота.

Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок пламени сгорания. В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ. Углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с NОх, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на органы дыхательных путей и вызывают появление так называемого смога.

Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических автоматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бензпирена. ПАУ относится к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.

Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1 - 3 % (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. Наличие сажи в отходящих газах обуславливает черный дым на выпуске.

Сажа представляет собой механический загрязнитель н6осоглотки и легких. Большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком.

Содержание в отходящих газах продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива недовыделяется часть теплоты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок.

Сера, содержащаяся в дизельном топливе, в мазуте и каменном угле выбрасывается в атмосферу после сгорания этого топлива в форме диоксида SО2, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.

Некоторые токсичные вещества, после того как они попадают в атмосферу в составе продуктов сгорания, претерпевают дальнейшие преобразования. Например, при наличии в атмосфере углеводородов, оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон (О3), являющийся сильнейшим окислителем и вызывающий при соответствующей концентрации ухудшение самочувствия людей.

При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NО2, Оз и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог» (от английского «smoke» - дым и «fog» - туман). Смог является смесью жидких и газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

Основными источниками выброса токсичных продуктов сгорания являются автомобили, промышленность, тепловые и электрические станции. В некоторых городах содержание в атмосфере токсичных продуктов сгорания превышает предельно допустимую концентрацию в несколько десятков раз.

Для борьбы с этим злом в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Выполнение предписываемых соответствующими законами норм разрешенного нормального выброса стало одной из центральных задач теплотехники. Во многих случаях управление работой объектов промышленной теплотехники осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый компромисс между их энергетическими, экономическими и экологическими показателями. Во многих случаях достигаемый таким путем уровень экономических показателей превышает разрешенный современными нормами. Поэтому большое значение приобрела нейтрализация и очистка продуктов сгорания перед их выходом в атмосферу. С этой целью используются различные нейтрализаторы и фильтры. Одновременно улучшается состав углеводородных топлив (уменьшение содержание сферы, свинца, ароматических углеводородов), расширяется использование газовых топлив. В перспективе применение в качестве топлива водорода полностью исключит содержание в продуктах сгорания СО, СН и других токсичных углеродосодержащих компонентов.


2.2 Тепловое потребление и системы теплоснабжения


Основными потребителями теплоты являются: устройства отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха; тепловые технологические аппараты и устройства, силовые технологические агрегаты.

Отопление - искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них тепловых потерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта для людей или требованиям технологического процесса. Условия теплового комфорта (условия благоприятные для жизни и деятельности людей) определяются температурой, относительной влажностью и скоростью движения воздуха. Допустимые значения этих параметров устанавливаются строительными нормами и правилами (СНиП).

Вентиляция предназначена для поддержания внутри помещения определённого состава воздуха, который регламентируется санитарными нормами, а также отвечает требованиям технологического процесса. Различают вентиляцию естественную через окна, двери, специальные вентиляционные отверстия и принудительную, осуществляемую специальными вентиляционными системами. В случае необходимости в вентилируемый объём подают подогретый в калориферах воздух, затрачивая на это теплоту.

Тепловые технологические аппараты и устройства - это подогреватели для газообразных и твёрдых веществ, выпарные и ректификационные аппараты, сушилки для различных материалов и изделий, реакторы для осуществления химических реакций и др. Пар или вода в них могут использоваться как теплоносители, так и в качестве компонента для производства продукции. Для технологических процессов чаще всех применяется насыщенный или слабо перегретый пар с давлением 0,3 - 0,8 МПа и вода с температурой до 150°С. В некоторых случаях используется пар с давлением до 9 МПа.

В основных технологических агрегатах, имеющих в качестве привода паровые машины или турбины (паровые молоты и прессы, ковочные машины, компрессионные машины для сжатия жидкостей и др.), теплоносителем и одновременно рабочим телом является водяной пар: для паровых машин - слабо перегретый до 200 - 250°С при давлении 0,8 - 1,0 Мпа, а для паровых турбин - перегретый пар более высоких параметров.

Обеспечение теплотой с помощью теплоносителя систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и технологических потребителей называют теплоснабжением. Централизованное теплоснабжение обеспечивает подачу теплоты (горячей воды или пара) многим потребителям, расположенным вне места его выработки. Система централизованного теплоснабжения включает источник теплоты (котельная или ТЭЦ), трубопроводы (тепловые сети), подающие теплоту от источника к месту потребления, и потребители теплоты (абонентские установки). Узлы присоединения потребителей к сети называют абонентскими вводами или местными тепловыми пунктами (МТП). Иногда между источником теплоты и потребителем размещаются центральные тепловые пункты (ЦТП). Задачей тепловых пунктов является обеспечение, распределение, регулирование и учёт расходуемой теплоты.

Системы теплоснабжения классифицируются: по роду теплоносителя (паровые и водяные); по типу источника теплоты (централизованные от ТЭЦ или крупных котельных и децентрализованные от местных или индивидуальных котельных); по способу подачи воды (открытое и закрытое горячее водоснабжение: открытое, если вода из сети непосредственно поступает к потребителю, закрытое, когда вода используется только как теплоноситель и из сети не отбирается); по числу трубопроводов (одно-, двух- и многотрубные).

Потребители теплоты определяют параметры и вид теплоносителя, режимы теплового потребления. Вид теплоносителя и его параметры обуславливают устройство тепловой сети. Эти обстоятельства в совокупности с концентрацией теплопотребления определяют устройство источников теплоснабжения. Наиболее прогрессивным является в настоящее время централизованное теплоснабжение с использованием теплоты отработавшего пара теплофикационных электростанций на базе комбинированного производства электрической энергии и теплоты.

Распространёнными теплоносителями в системах теплоснабжения являются водяной пар и горячая вода. Соответственно системы теплоснабжения называются паровыми и водяными. Выбор одного из этих двух теплоносителей определяется конкретными условиями их применения.

При использовании в качестве теплоносителя воды удаётся достичь более высокого КПД турбоустановки за счёт уменьшения давления греющего пара и увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Водяные системы теплоснабжения позволяют организовать ступенчатый подогрев воды и этим ещё увеличить выработку электрической энергии теплофикационным способом. Водяная система теплоснабжения обладает повышенной аккумулирующей способностью и большим по сравнению с паровыми радиусом действия. В них отсутствуют потери конденсата у потребителей, имеющие место при использовании пара в качестве теплоносителя. Вода водяных сетей менее качественна, и её потери обходятся значительно дешевле, чем потери конденсата. Основными недостатками воды как теплоносителя является большая чувствительность к авариям, так как утечка воды при этом в 20 - 30 раз больше, чем пара. Это приводит к необходимым отключениям тепловой сети, тогда как паровая тепловая сеть при аналогичных повреждениях могла бы некоторое время оставаться в работе.

Кроме воды и пара в качестве теплоносителей используются уходящие газы котлов и печей, горячий воздух и другие вещества. Уходящие газы являются высокотемпературными продуктами сгорания топлива. Они применяются в качестве теплоносителя в огнетехнических устройствах индивидуального теплоснабжения. Их основное достоинство - высокая температура, а недостаток - низкий коэффициент теплоотдачи, засоренность золой, невозможность транспортировки на большие расстояния.

Горячий воздух применяется в основном для отопления (путём непосредственной подачи его в отапливаемое помещение). Транспортируют воздух, как правило, на расстояние не более 50 - 80 м.

Выбор теплоносителя для каждого отдельного потребителя теплоты и предприятия в целом производится прежде всего в соответствии с требованиями санитарных и противопожарных норм и правил. Важное значение при этом имеют также технико-экономическое обоснование, изучение режимов теплопотребления для рассматриваемой отрасли промышленности.

В системах централизованного теплоснабжения для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, как правило, применяется вода. Использование для предприятий в качестве единого теплоносителя пара для технологических процессов, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения допускается только при технико-экономическом обосновании.

2.2.1 Расчёт тепловых нагрузок

При проектировании и разработке режимов эксплуатации систем теплоснабжения прежде всего решается задача определения тепловой нагрузки на все виды теплового потребления.

Отопление. Для того чтобы поддерживать температуру воздуха внутри отапливаемого помещения на требуемом уровне, необходимо обеспечить равновесие между тепловыми потерями здания и притоком теплоты. Это условие теплового равновесия можно представить выражением


Q = Qо + Qт.в


где Q - суммарные тепловые потери здания;

Qо - приток теплоты в здание через отопительную систему;

Qт.в - внутренние тепловые выделения (технологическое оборудование, силовые агрегаты и т. д.)

Для промышленных предприятий Qт.в может быть значительной, особенно в цехах, где есть мощные сети, теплообменные аппараты, сушилки и т. п. При расчёте отопления эти тепловые выделения должны учитываться.

Тепловые потери здания состоят из потерь теплоты теплопередачей через ограничивающие конструкции Qт и потерь теплоты Qинф инфильтрацией из-за поступления холодного воздуха в помещение через не плотности наружных ограждений


Q = Qт + Qинф = Qт (1 + m)


где m = Qинф/ Qт - коэффициент инфильтрации (m = 0,25-0,30 - для промышленных зданий; m = 0,03-0,05 - для жилых и общественных зданий).

Потери теплоты, Вт или кДж/ч, для здания с наружным объёмом V, м3,


Qт = qo V (tв.р. - tн)

где qo - удельные теплопотери здания, Вт/(м3×К) или кДж/м3×ч×К);

tв.р. - расчётная температура воздуха внутри отапливаемых помещений;

tн - температура наружного воздуха, °С.

Температура наружного воздуха в зависимости от климатических условий местности и сезона изменяется в довольно широких пределах. Для определения максимальных тепловых нагрузок отопления применительно к каждому географическому пункту СНиПом устанавливают так называемую расчётную температуру наружного воздуха tрн.

Температура воздуха внутри помещения tв.р. должна соответствовать условиям теплового комфорта и составляет 18-20°С.

Удельные теплопотери qo (или отопительная характеристика здания) зависят от ограждающих конструкций, формы и размеров здания и его назначения. Значение qo выбирается по справочным данным или рассчитывается по приближённой зависимости



Значения коэффициентов в этой формуле принимаются равными: n = 8, a = 5,5 кДж/(м3×ч×К) = 1,52 Вт/м3×К и справедливы для зданий объёмом более 3 000 м3.

Тогда необходимый приток теплоты в здание через систему отопления при температуре наружного воздуха tн составит:


Qo = (1 + m) × qoV (tв.р - tн) - Qт.в


Продолжительность отопительного периода согласно СНиПу определяется по числу дней с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха +8°С и выше.

Вентиляция. При естественной или принудительной циркуляции тёплый воздух удаляется из помещений, а вместо него поступает холодный наружный воздух. Под тепловой нагрузкой вентиляции понимается количество теплоты Qв, необходимое для нагрева наружного воздуха до расчётной температуры в помещении.

Оценку расхода теплоты на вентиляцию Qв производят по одной из формул


Qв = mв V Cв (tв.n - tн)

Qв = qв × V (tв.р - tн)


где mв - кратность воздухообмена, 1/с и 1/ч; V - наружный объём здания, м3; Св - объёмная теплоёмкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м3×К); tв.n температура нагретого в калорифере воздуха, подаваемого в помещение, °С; qв - удельный расход теплоты на вентиляцию, равный расходу теплоты на 1 м3 вентилируемого помещения (по наружному обмеру) при разности 1°С между расчётной температурой воздуха внутрь вентилируемого помещения tв.р и температурой наружного воздуха tн.

Удельный расход теплоты на вентиляцию (вентиляционная характеристика зданий) qв выбирается в зависимости от его объёма и назначения. При отсутствии таких данных усреднённую величину qв можно принимать равной кДж/(м3×ч×К) = 0,235 Вт/(м3×К).

Кратностью воздухообмена mв называется отношение объёма воздуха, удаляемого из помещения (или подаваемого в помещение) за единицу времени к объёму помещения.

Для регулирования кратности объёма воздухом вентиляционные установки должны быть оснащены авторегуляторами, так как ручное регулирование несовершенно и приводит к перерасходу теплоты.


2.2.2 Графики тепловых нагрузок

Тепловые потребители определяют не только вид и параметры теплоносителя, но и характерные изменения во времени тепловых нагрузок теплоносителя. Различают сезонную и круглогодичную тепловую нагрузку.

К сезонной тепловой нагрузке относится отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Отопление и вентиляция - зимние тепловые нагрузки. Эти виды зависят от климатических условий, прежде всего от температуры наружного воздуха, а также его влажности, направления и скорости движения ветра, солнечного излучения. Сезонная нагрузка обычно имеет практически постоянный суточный и резко переменный годовой графики.

К круглогодичной тепловой нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение. Теплопотребление технологических процессов сильно отличается для предприятий различных отраслей и характеризуется большой неравномерностью как в течение суток, так и в течение месяца и года. Суточная неравномерность обусловлена особенностями технологического процесса и режимом работы предприятия.

Неравномерность месячных и годовых графиков теплопотребления предприятий объясняется наличием выходных и праздничных дней, влиянием организационных факторов (требований плана, выводом оборудования в ремонт и т.д.).

При удовлетворении тепловой нагрузки от ТЭЦ наибольшая экономия топлива достигается в том случае, если отборами турбины удовлетворяется только часть расчетной тепловой нагрузки, а для покрытия остальной тепловой нагрузки используются типовые водогрейные котлы. В этом случае максимальный отпуск теплоты от ТЭЦ:


Q`Т = Q `отб + Q`ПВК


где Q `отб - расчетная тепловая нагрузка отборов турбины,

Q`ПВК - максимальная тепловая нагрузка, отпускаемая от типовых водогрейных котлов (ПВК).

Долю расчетной тепловой нагрузки ТЭЦ, удовлетворяемую из отборов турбин, называют коэффициентом теплофикации, аТЭЦ = Q `отб/ Q`Т.

Оптимальная аТЭЦ зависит от совершенства оборудования ТЭЦ, КЭС и котельных, капитальных удельных вложений в их сооружение, вида и стоимости топлива, характера графика тепловой нагрузки и резерва электрической мощности в энергосистеме и находится в пределах от 0,4 до 0,7. Чем крупнее турбоагрегаты и ТЭЦ и лучше их технико-экономические показатели, чем дороже топливо, используемое на ТЭЦ тем выше оптимальное значение аТЭЦ..


2.3 Тепловые электрические станции


2.3.1Типы тепловых электрических станций

Электрические станции - совокупность установок и оборудования, используемых для производства электрической энергии и теплоты, а также необходимые для этого сооружения и здания. Наиболее распространены паротурбинные тепловые электрические станции (ТЭС), использующие теплоту, выделяемую при сгорании органического топлива. Электрическая энергия на таких станциях вырабатывается генератором с приводом от паротурбинной установки.

В зависимости от вида вырабатываемой энергии различают конденсационные электрические станции (КЭС), предназначенные только для производства электрической энергии, и теплоцентрали (ТЭЦ), которые производят электрическую энергию и теплоту. На КЭС устанавливаются турбины с низким давлением в конце процесса расширения пара. При этом отработавший поток пара поступает в конденсатор, где охлаждается с потерей теплоты в окружающую среду. На ТЭЦ отработавший пар используют частично или полностью. В этом случае потери в окружающую среду сокращаются. В настоящее время мощность ТЭЦ составляет около 40% общей мощности ТЭС, а их доля в суммарной выработке электроэнергии достигает 35%.

По виду используемого топлива различают угольные, мазутные, газовые и газо-мазутные ТЭС. Все виды органического топлива являются не возобновляемыми источниками энергии, поэтому по мере исчерпания их запасов и удорожания добычи и транспортировки топлива стоимость производства на ТЭС электрической энергии и топлива будет возрастать.

Оборудование электростанций, на которых очищают органическое топливо, может быть приспособлено для сжигания твёрдого, жидкого или газообразного топлива. Обычно один вид топлива для данной электростанции является основным, а другой резервным.

В соответствии с начальными параметрами различают ТЭС с докритическим и сверхкритическим давлением пара. Для турбоагрегатов мощностью до 200 МВт применяют докритическое давление пара (около 13 МПа), а при мощности 250-300 МВт и выше - сверхкритическое давление пара (обычно 24 МПа).

Тепловые электростанции различаются также по типу применяемого котельного агрегата. На ТЭС с докритическим давлением пара устанавливается преимущественного барабанные котлы с естественной циркуляцией. Прямоточные котлы применяются на станциях с критическим и сверхкритическим давлением пара.

В соответствии с технологической структурой различают блочные и не блочные ТЭС. При блочной схеме каждая турбина снабжается паром только от «своего» котла. Система котёл - турбина в этом случае называется энергоблоком. Не блочные ТЭС имеют общие для всех котлов магистрали перегретого пара и питательной воды.

Технологическая схема производства электроэнергии на угольной ТЭС с паротурбинными установками выглядит следующим образом. Уголь со склада поступает в систему пылеприготовления, где он дробится, подсушивается и размалывается до пылевидного состояния. Размолотое топливо поступает в горелки, в которых смешивается с воздухом и далее сгорает в топочной камере парового котла. Теплота, выделившаяся в топке, передаётся в поверхностях нагрева воды, которая превращается вначале в насыщенный, а затем в перегретый пар, энергией которого приводится во вращение ротор паровой турбины. В электрическом генераторе, соединенном с турбиной, вырабатывается электрическая энергия, которая после повышения напряжения в трансформаторе направляется по линиям электропередачи к потребителю.

Воздух необходимый для процесса горения в топке, нагнетается дутьевым вентилятором и подогревается теплотой дымовых газов в воздухоподогревателе. Продукты сгорания топлива, отдав свою теплоту поверхностям нагрева котла, поступают в систему очистки дымовых газов и затем дымососом выбрасываются в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере. Уловленная в системе очистки зола вместе со шлаком, выпадающим в топочной камере, направляется на золоотвал.

Пар, отработавший в турбине, конденсируется в конденсаторе за счет отвода теплоты охлаждающей водой, перекачиваемой насосом из охладителя, в качестве которых служат градирни, пруды охладители или естественные водоемы (реки, озера, водохранилища). Конденсат откачивается из конденсатора насосом и пропускается через систему подогревателей, где нагревается паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Далее конденсат поступает в деаэратор, в котором освобождается от кислорода и углекислоты. Деаэрированная вода питательным насосом через систему подогревателей подается в котел, в результате чего обеспечивается замкнутый цикл движения рабочего тела. Потери рабочего тела в цикле компенсируются очищенной в системе подготовки добавочной водой.


2.3.2Потребление электрической энергии

Характерной особенностью электрических станций является строгое соответствие производства электрической энергии и теплоты её потреблению.

Форму графика нагрузки в значительной степени определяет вид энергопотребления. Промышленное энергопотребление за счет одно- двухсменных предприятий снижается ночью и частично в вечернее время. Коммунально-бытовое потребление энергии значительно утром и вечером, причем в вечернее время пик нагрузки более продолжителен. Интенсивность транспортных перевозок по городским электрическим магистралям имеет явно выраженный пиковый характер в утренние и предвечерние часы. Уличное освещение имеет максимум ночью, когда другие нагрузки незначительны по сравнению с дневным. Суточные графики сельскохозяйственного потребления энергии характеризуются относительно ровной нагрузкой при сезонном изменении ее абсолютной величины.

График суточных нагрузок получается почасовым сложением всех потребителей обслуживаемого района за типично летние (июнь) и зимние (декабрь) сутки. Зимний график имеет два пика, летний - три. Летние нагрузки меньше по абсолютной величине.

Продолжительность в течение года, какой-либо нагрузки определяют суммированием ее длительности за 210 зимних суток и 155 летних суток (для широты Москвы). Площадь под кривой графика годовой продолжительности определяет суммарную годовую потребность в электроэнергии W э. Если эту площадь представить прямоугольником со стороной t год = 8760 ч., то другая сторона даст среднюю годовую нагрузку Nср, кВт. Если при таком представлении за сторону прямоугольника взять максимально требуемую мощность Nм, то его другая сторона будет эквивалентна числу часов tм использования в год максимальной мощности. С учетом изложенного потребность в электроэнергии определяется выражением.


,


Для обеспечения необходимой надежности в энергоснабжении установленная мощность электростанций Nу должна превышать максимальную мощность Nм требуемую потребителем, на величину резерва. Отношение Кр = Nу / Nм называют коэффициентом резерва. Он характеризует установленную на электростанции избыточную мощность и играет важную роль при экономическом анализе энергопроизводства.

Различают горячий (вращающийся), холодный и ремонтный резервы. Под горячим резервом понимают запас мощности, который можно реализовать, подгрузив или перегрузив в разрешенных пределах работающее оборудование. Холодный резерв составляет мощность имеющихся на электростанции и готовых к работе агрегатов, для запуска которых требуется определенное время. Ремонтный резерв составляют агрегаты, работающие вместо выведенного в плановый ремонт оборудования.

Невозможность хранения электрической энергии определяет непрерывное равенство ее выработки и потребления. Для покрытия плановой нагрузки потребителей составляются графики работы электростанций. Если электростанция работает в энергетической системе, то ее электрическая нагрузка определяется графиком, задаваемым этой системой. Большинство энергосистем состоит из разнотипных агрегатов. Для каждого значения суммарной мощности, потребляемой в энергосистеме, существует оптимальное распределение нагрузки между агрегатами, обеспечивающее наивысшую экономичность выработки электроэнергии. Возникающее внеплановые отклонения нагрузок распределяются между электростанциями и отдельными агрегатами. Таким образом, плановые и внеплановые изменения нагрузок потребителей вызывают работу значительной части энергетического оборудования в переменных режимах, включающих работу на пониженных нагрузках, полных остановках в конечные часы, перегрузку в период максимального потребления и др.

Одним из путей повышения экономии которая определяется в основном, котлом и зависит от его типа, конструкции котла, вида сжигаемого топлива. Барабанные котлы на газе или мазуте допускают снижение нагрузки до 20% от номинальной, а прямоточные, до 40-50%.

При частичных нагрузках в диапазоне 50-100% от номинальной экономичность энергоблока снижается в основном из-за уменьшения КПД турбоустановки. При снижении нагрузки менее 50% от номинальной существенно уменьшается КПД котла и относительно возрастает расход электроэнергии на собственные нужды.

Основными пусковыми характеристиками оборудования являются продолжительность пуска и расход топлива на пуск. Они зависят от пусковой схемы, исходного топливного состояния оборудования и его конструкции, параметров пара, способов пуска и останова. Расход топлива на пуск блока мощностью 300 МВт, может достичь 120-150 т.

В каждом графике нагрузки различают базовую, полупиковую (слабопеременную) и пиковую (резко переменную) части. В базовой части графика нагрузки работают наиболее экономичные ТЭС, АЭС и ГЭС в период сброса паводковых вод. Для этих электростанций использование максимума нагрузки составляет 6000 - 7500 ч. в год. Для агрегатов, покрывающих слабопеременную и пиковую части нагрузки, это число составляет соответственно, 2000-6000 и 500 - 2000 ч. в год. Причем, слабопеременная и пиковая части нагрузки с развитием электроснабжения увеличивают свой удельный вес, а отношение минимальной нагрузки Nmin к максимальной Nmax имеет тенденцию к снижению. В связи с этим возникла необходимость перевода в полупиковый режим существующих КЭС и ТЭЦ, ранее работавшие в базовой части. Но эти переводы не в состоянии обеспечить полностью покрытие переменного графика электрической нагрузки, и поэтому разработаны и вводятся в эксплуатацию специальные полупиковые и пиковые агрегаты, обладающие высокими маневренными характеристиками и способные выдерживать и выполнять любые графики нагрузок. Кроме того, используются другие способы покрытия пиков электрических нагрузок: использование резерва мощности и временных перегрузок паротурбинных блоков, работающих в режимах частых пусков и остановов; использование ГЭС, применения гидроаккумулирующих станций и др.


2.3.3 Показатели тепловой экономичности ТЭС

Экономичность работы ТЭС принято оценивать расходами теплоты и топлива на выработку энергии и коэффициентами полезного действия, которые разделяют на КПД брутто hс, в котором не учитывается расход энергии на привод механизмов собственных нужд, и КПД нетто hсн - с учетом расхода теплоты и электроэнергии на собственные нужды. Рассмотрим показатели тепловой экономичности конденсационных электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).

Конденсационные электростанции. КПД КЭС


hсн = Wэ / Qс = Wэ(В× Qнр)


где В - расход топлива, кг;

Qнр - низшая теплота сгорания топлива Qс, кДж/кг;

Qс - теплота подведенная с топливом, КДж/кг.

Если известны КПД котла hк и турбоустановки hт.у., то КПД электростанции:


hс = hк ×hт.у.×hтр


где hтр - КПД теплового потока, учитывающий потери теплоты при движении пара от котла к турбине (hтр = 0.98-0.99).

В соответствии со вторым законом термодинамики КПД электростанции меньше 100%. Основная часть подведенной теплоты (около 50%) теряется в холодном источнике - конденсаторе турбины. Вторым по величине (5-10%) на 270С являются потери теплоты в паровом котле, в том числе 6-8% теряется с уходящими из котла паровыми газами.

В современных паротурбинах электростанциях КПД составляет 32-37%. В некоторых случаях достигает 42-43%.

КПД конденсационной электростанции нетто , учитывающий собственный расход энергии.



где Эсн - доля собственного расхода энергии электростанцией (Эсн=0,04-0,06); WЭотп - электроэнергия, отпущенная потребителю.

Наряду с КПД, показателем тепловой экономичности конденсационной электростанции служит удельный расход теплоты.



Если ?с=0,32 - 0,37, то qc = 2,7 - 3,1. Для отдельных станций qc= 2,4 - 2,6.

Из уравнения (2.13) можно найти удельный расход топлива на выработку 1 кДЖ или 1 кВТч электроэнергии в кг/кДж или кг/(кВтч).


или


В нашей стране принято оценивать тепловую экономичность ТЭС расходом условного топлива (QНР = 29,3 МДж/кг.), тогда из последних выражений получаем расход условного топлива вy в кг. (МДж или кг/(кВтч).

или


В настоящее время на лучших ТЭС величина вy cоставляет 310-330 г/(кВтч).

Теплоэнергоцентрали. На ТЭЦ энергия топлива используется сначала на производство электроэнергии, а затем менее ценная теплота применяется для нужд теплофикации. В этом случае в качестве холодного источника служат потребители теплоты. Несмотря на то, что температура отвода теплоты из цикла при этом возрастает, народнохозяйственный эффект по экономии топлива обеспечивается уменьшением числа котельных, в которых необходимо было бы сжигание топлива при раздельной выработке электроэнергии на КЭС и теплоты в котельных. Для ТЭЦ в качестве показателей тепловой экономичности применяются частичные КПД по выработке электроэнергии и теплоты


;


где Qотп - количество теплоты, отпущенного потребителю, кДж, ВЭ и ВТ - соответственно расход топлива на производство электроэнергии и теплоты, кг или кг/с.

Расход топлива на ТЭЦ разделяют между выработанной электроэнергией и теплотой. Удельный расход условного топлива на выработку 1 кВтч электроэнергии Вyэ определяется из выражений (2.18.), в которые вместо ?с подставляют ?сэ.

Средний расход условного топлива на ТЭЦ составляет 265 г/(кВТч), что на 33% ниже, чем в среднем по КЭС. Для сравнения энергоблок с конденсационной турбиной Nэ= 800 МВт имеет вy=326,9 г/(кВтч), а c турбиной Nэ= 200МВт-357г/(кВтч).

Удельный расход условного топлива на выработку единицы топлива для внешнего потребителя ВyТ определяется из выражений (2.18.), в которые вместо ?с подставляют ?сТ

Для характеристики экономичности ТЭЦ иногда пользуются понятием удельной выработке на тепловом потреблении.



где Nт - мощность, развиваемая потоком пара, идущего а отбор; h0 и hт соответственно энтальпия свежего пара и пара в отборе; hок - энтальпия конденсата, возвращаемая на ТЭЦ потребителем.

Числовые значения Y находятся в пределах 50 - 200 (кВт.ч)/ГДж.


3. ГАЗОСНАБЖЕНИЕ


.1 Газоснабжение и его место в энергоснабжении промышленности


Газоснабжение - организованная подача и распределение газового топлива для нужд народного хозяйства. Для газоснабжения используются природные и искусственные газы. Природные газ является наиболее совершенным и экономичным видом топлива. Наиболее крупные потребители природного газа - ТЭС, ТЭЦ и предприятия различных отраслей промышленности (черная и цветная металлургия, промышленность стройматериалов, машиностроение и др.).

Совершенствование, интенсификация и автоматизация технических процессов приводят к необходимости повысить качество расходуемых теплоносителей. В наибольшей мере по сравнению с другими видами топлива этим требованиям удовлетворяет природный газ.

Рациональное использование газообразного топлива с наибольшей реализацией его технологических достоинств позволяет повысить эффективность производства, которая связанна с повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива. Применение газа для промышленных установок улучшает условия труда и способствует росту его производительности. Использование природного газа в промышленности позволяет осуществлять принципиально новые, прогрессивные и экономически эффективные технологические процессы. Кроме того, применение газа в качестве топлива позволяет значительно улучшить условия быта населения повысить санитарно - гигиенический уровень производства и оздоровить воздушный бассейн в городах и промышленных центрах.

Распределительные системы газоснабжения являются сложными многокольцевыми системами едиными для отраслей и республик, их эксплуатация должна базироваться на учете вероятного характера функционирования и обеспечения требуемой надежности подачи газа потребителю, в том числе при случайных процессах его потребления.

Газоснабжение городов и промышленных предприятий природными и искусственными газами осуществляется по магистральным газопроводам, транспортирующие газ от мест его добычи или производства к потребителям. Прием газа населенным пунктом или промышленным объектом производится на контрольно _ распределительном пункте, где газ редуцируется до допустимого нормами давления и поступает в городскую газовую сеть или на промышленное предприятие. Различают системы газоснабжения централизованные, в которых распределение газа потребителям производится по городской газовой сети, и децентрализованное (местное) _ от местных газогенерирующих установок или с использованием емкостей (цистерн, баллонов), заполненных сжиженными газами. Местная система широко применяется в газоснабжении жилых зданий и коммунально-бытовых предприятий малых городов и поселков, особенно находящихся на значительном расстоянии от магистральных газопроводов.

Транспортировка сжиженных газов от газобензиновых заводов к потребителям осуществляется по продуктопроводам, железнодорожными и автомобильными цистернами, а также в баллонах. Доставка основного количества сжиженных газов на большие расстояния производится в железнодорожных цистернах.


3.2 Обработка и хранение природного газа


Для надежной работы системы газоснабжения вблизи крупных городов сооружаются подземные хранилища газа, способные вмещать сотни миллионов м3 (иногда миллиарды м3) газа. Они менее опасны и во много раз экономически эффективнее, чем наземные (газгольдеры). Удельный расход металла на их сооружение в 20-25 раз меньше. В отличие от газгольдера, предназначенного для суточной неравномерности потребления газа, подземные хранилища обеспечивают сглаживание сезонной неравномерности, достигающей в промышленных городах ±30 -35 % от средней за год величины. Летом, когда уменьшается расход газа, особенно за счет отопления, его накапливают в газовых хранилищах, а зимой, когда потребность в газе резко возрастает, газ из хранилища отбирают. Кроме того, подземные хранилища газа служат аварийным резервом топлива и химического сырья.

Газотранспортная система рассчитанная на максимальную потребность в газе, на протяжении года будет не загружена, если же исходить из минимальной подачи, то город в отдельные месяцы не будет полностью обеспечен газом. Поэтому газотранспортную систему сооружают исходя из средней производительности, а вблизи крупных потребителей газа создают газовые хранилища. Сезонную неравномерность потребителя газа частично выравнивают с помощью так называемых буферных потребителей, которые летом переводятся на газ, а зимой переводят на другие виды топлива (обычно мазут или уголь).

Подземные газовые хранилища сооружают в пористых породах и в полостях горных пород. К первому типу относятся хранилища в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, а также в водоносных пластах. В них природный газ обычно хранится в газообразном состоянии. Ко второму типу относятся хранилища, созданные в заброшенных шахтах, старых туннелях, а также в специальных горных выработках, которые сооружаются плотных горных породах (известняках, гранитах, глинах, каменной соли). В полостях горных пород газы хранятся преимущественно в твердом состоянии при температуре окружающей среды и давлении порядка 0,8 -1,0 МН/м2 (8-10 кг/см2) и более. Обычно это пропан, бутан и их смеси.

Наиболее дешевы и удобны газовые хранилища созданные в истощенных нефтяных и газовых залежах. Приспособление этих емкостей под хранилища сводится к установке дополнительного оборудования, ремонту скважин, прокладке необходимых коммуникаций. В тех районах, где нужны резервы газа, а истощенные нефтяные и газовые хранилища отсутствуют, газовые хранилища устанавливают в водоносных пластах на глубине от 200-300 до 1000-1200м.

Из газовых хранилищ в полостях горных пород наибольшее значение имеют хранилища, сооруженные в отложениях каменной соли. Создание такой емкости в 10-20 раз дешевле, чем в других горных породах. Емкость в каменной соли создается обычно путем выщелачивания ее водой через скважины, которые используются затем при эксплуатации хранилища. Объем одной каверны достигает 100 -150 тыс. м3 на глубине от 100 до 1000 м и более. Для хранения природного газа целесообразны глубокие хранилища, так, как в них можно поддерживать более высокие давления и, следовательно, содержать в заданном объеме больше газа.

Особое место занимают изотермические хранилища газа (например, для очищенного метана), которые представляют собой котлован с замороженными стенками. Сжиженный метан храниться при атмосферном давлении и температуре -162°С. Толщина замороженных грунтовых стенок резервуара медленно растет и достигает 10-15м. Потери тепла со временем уменьшаются. Низкая температура в хранилище поддерживается за счет испарения части метана (2 -4% в месяц). Пары собираются, сжижаются и возвращаются в хранилище. Геометрическая емкость их достигает 80 тыс. м3. Изотермическое хранилище метана обычно дороже, чем хранение его в газовом состоянии в водоносных пластах. Для хранения углеводородов в жидком состоянии изменяются и наземные емкости - стальные резервуары с двойными стенками, между которыми помещен теплоизоляционный материал. Наземные изотермические газовые хранилища относительно дороги и металлоемки, поэтому они распространенны мало.

водоснабжение энергообеспечение газоснабжение автоматизация

3.3 Горючие газы, используемые на промышленных предприятиях


Для газоснабжения промышленных предприятий широко применяются природные газы. Они представляют собой смесь углеводородов: в основном метан (СН4), а также этан (С2 Н6), бутан (С3 Н8). Природные газы не содержат водорода, оксида углерода и кислорода. Содержание азота и диоксида углерода обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат сероводород. Теплота сгорания природного газа 24000 -42000 кДж/м3.

Природный газ - высококалорийное топливо, удобное для транспортировки на большое расстояние, полностью сгорает при использовании. Себестоимость его добычи более чем в 10 раз ниже себестоимость угля. Природные запасы природного газа в 1995 г. оценивались в 148 трпн. м3 при обеспечении им на 65 лет, а Россия занимает 1-е место по разведанным запасам.

В нефтяных залежах может присутствовать попутный нефтяной газ (150 -300 м3 на 1т. нефти). Прежде он не находил применения и на нефтепромыслах сжигался. Однако возможности использования его даже шире, чем природного газа, так как состав разнообразнее и при химической переработке можно получить больший спектр веществ. Теплота сгорания попутного газа составляет 21000 -61000 кДж/ м3, плотность -1,16 -1,38 кг/м3.

В целом природный и попутный газы являются не только топливом, но и сырьем промышленности органического синтеза. Из них получают сажу, этиловый спирт, ацетилен, формальдегид и другие вещества, производство которых обходится намного дешевле, а иногда и проще, чем из иного сырья.

При термической переработке твердых топлив в зависимости от способа переработки получают газы сухой перегонки и генераторные газы.

Сухая перегонка твердого топлива представляет собой процесс его термического разложения, протекающей без доступа воздуха. При сухой перегонке топлива проходит ряд стадий физико-химических превращений, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Сухую перегонку каменного угля, происходящую при высоких температурах (900 -1000°С), называют коксованием, в результате которого получается кокс и коксовый газ с теплотой сгорания Qн =16000 -18000 кДж/м3.


3.4 Промышленные системы газоснабжения


Промышленные предприятия получают газ от городских распределительных систем (ГРС) среднего и высокого давления (до 3,0 кгс/см2) и (3 -6 кгс/см2) соответственно. Крупные промышленные предприятия и ТЭЦ присоединяют с помощью специальных газопроводов к ГРС или магистральным газопроводам.

Промышленные системы газоснабжения состоят из следующих элементов: вводов газопроводов на территорию предприятия; межцеховых газопроводов; внутренних газопроводов; регуляторных пунктов (ГРП) и установок (ГРУ); пунктов измерения расхода газа (РГ); (ПИРГ) обвязочных газопроводов агрегатов, использующих газ.

Газ от городских распределительных сетей поступать в промышленные сети предприятия через ответвления и ввод. На вводе устанавливают главное отключающее устройство.

Транспортирование газа от ввода к цехам осуществляется по межцеховым газопроводам, которые могут быть подземными и надземными. Надземная прокладка имеет ряд преимуществ по сравнению с подземной: исключается подземная коррозия газопроводов; менее опасны утечки газа, так как вытекающий газ рассеивается в атмосфере; утечки легче обнаружить и устранить; проще эксплуатировать и осуществлять наблюдение за состоянием газопроводов. При использовании в качестве опор для газопроводов существующих колонн, эстакад, стен и покрытий зданий надземная прокладка газопроводов экономичнее подземной.

На вводе газопровода в цех и на ответвлениях к агрегатам устанавливают отключающие устройства. Газопроводы промышленных предприятий и котельных оборудуют специальными продувочными трубопроводами и запорными устройствами.

Давление во внутренних газопроводах определяется давлением газа перед горелками. Основное отличие принципиальных схем промышленных схем газоснабжения заключается в принятых давлениях газа в межцеховых газопроводах, газопроводах перед горелками агрегатов, а также в расположении газорегуляторных пунктов, установок и наличии регуляторов давления перед агрегатами. При решении вопроса о выборе схем следует учитывать: давление газа в городских распределительных газопроводах в месте присоединения предприятия; необходимое давление газа перед газовыми горелками в отдельных цехах; территориальное расположение цехов, потребляющих газ; расход газа цехами режим его потребления: удобство обслуживания и экономическую эффективность. В зависимости от конкретных условий используют одноступенчатые и двухступенчатые системы газоснабжения.

Одноступенчатые системы газоснабжения используют при непосредственном присоединении предприятий к городским распределительным сетям низкого давления. Двухступенчатые системы газоснабжения используют при непосредственном присоединении промышленных объектов к городским сетям среднего давления цеховыми ГРУ и со средним и низким давлением в межцеховых и цеховых газопроводах. У средних и крупных предприятий агрегаты в отдельных цехах обычно оборудуют горелками, которые работают на различных давлениях. В этом случае комбинируют приведенные выше схемы.


3.5 Газовые горелки и их основные характеристики


Процесс горения газа состоит из трех последовательно протекающих стадий. Первая стадия представляет собой процесс смесеобразования, в результате которого обеспечивается физический контакт между топливом и смесителем. Вторая стадия - это подогрев смеси до температуры воспламенения. Третья стадия - химическая, в этой стадии протекают реакции горения газа. При сжигании заранее приготовленной газо-воздушной смеси суммарная скорость процесса будет определяться скоростью подогрева и горения смеси. В этом случае стадия смесеобразования исключена, и горение протекает по кинетическому принципу.

Если газ и воздух предварительно не перемешивают, а подают в горелку раздельно, смесеобразование протекает одновременно с горением, и скорость процесса горения в целом определяется скоростью течения физической стадии, т.е. скоростью смесеобразования, ибо в этом случае узким местом процесса будет возникновение контакта между газом и воздухом. Такую область горения называют диффузной.

При сжигании газа по диффузионному принципу как только достигается контакт между газом и воздухом и образуется горючая смесь необходимого состава, сразу же начинается процесс горения. При высоких температурах, господствующих в топочном пространстве, скорость химических реакций несоизмеримо больше скорости процесса смесеобразования, поэтому суммарная скорость процесса в целом определяется скоростью образования горючей смеси. Таким образом, скорость диффузионного горения определяется аэродинамическими, диффузионными факторами и практически не зависит от физических и кинетических свойств смеси.

Рассмотренные два способа организации процесса горения газа являются крайними случаями. Между этими крайними способами располагаются множество процессов организации горения по диффузионно-кинетическому принципу, когда процесс смесеобразования интенсифицируется специальными приемами. Достоинством диффузионно-кинетического метода сжигания газа является возможность регулирования процесса в широком диапазоне.

Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобразованию, стабилизация фронта воспламенения, обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсичных газов в продуктах горения.

Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройство. Другим элементом горелки является головка Она обеспечивает выход газо-воздушного потока в топочную камеру.. Основное назначение головки - стабилизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образовавшейся горючей смеси у устья горелки и предотвращать проскок и отрыв пламени.

Третий элемент горелки (огневая часть) представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть горелки одновременно служит и составной частью топочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, предотвращая отрыв пламени. Строгого разграничения функции между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно горелкой и топкой.

Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной мере зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот процесс следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок. По методу сжигания газа горелки можно разделить на четыре группы:

  1. горелки полного предварительного смешения, работающие по кинетическому принципу;
  2. горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения. У горелок этого типа газ смешивается с первичным воздухом до поступления в зону горения. В зоне высоких температур сразу начинается процесс горения газа, обеспеченного первичным воздухом. Вторичный воздух подается в топку, обычно к корню факела;
  3. горелки с незавершенным предварительным смешиванием газа с воздухом, которые осуществляют диффузионно-кинетический принцип сжигания газа;
  4. горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работающие по диффузионному принципу.

Кроме основной классификации горелки можно различать по способу подачи воздуха, добавлению газа, расположению горелки в топке и излучающей способности горелки.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:

  1. эжекционные, в которые воздух засасывается энергией газовой струи;
  2. бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствие разрежения;
  3. дутьевые, с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.

По давлению газа горелки подразделяют на: горелки низкого давления (до 5кПа) и горелки среднего давления (5-300 кПа). Горелки с более высоким давлением не получили широкого применения.


3.6 Газы, используемые в технике


В технике используется свыше 30 различных газов. Они применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности; химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов; создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.).

Как топливо применяют горючие природные газы и получаемые искусственно в виде основной (генераторный) или побочной продукции (коксовый, доменный и др.). Они в то же время являются исходным сырьем для технологических процессов в химической промышленности. Из них вырабатывается около 500 видов различных химических продуктов. На природном газе работает большинство химических комбинатов.

Из числа газов, используемых в качестве химических агентов, воздух (атмосферный или обогащенный кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургической, химической и смежных с ними отраслях промышленности. Большое значение имеют также многие другие газы. При газовой сварке большей частью используют пламя ацителено-кислородной смеси, позволяющей развивать очень высокую температуру (около 3200 о С).

Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химических агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя углеродом (цементация) производится путем длительного нагрева ее в атмосфере газов, диссоциирующих с выделением атмосферного углерода (СН4С+ 2Н2).

Газы как химические агенты применяются также в практике химико-термической обработки поверхности стали при ее азотировании, цианировании, алитировании, хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (хромом) ее нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот, генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения некоторых газов после удаления их них углекислого газа и паров воды и продукты диссоциации аммиака в металлообрабатывающей промышленности служат в качестве специальной атмосферы для борьбы с окислением и обезуглероживании металлов, которые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.

В качестве инертных веществ для продувки взрывоопасной аппаратуры (газгольдеров, газоочистных коробок, коммуникаций и т.п.) применяют водяной пар, углекислый газ и азот, а также смесь углекислого газа с азотом, например, продукты горения газообразного топлива, сжигаемого с малым избытком воздуха. Технологические аппараты большой емкости продуваются инертными газами перед их заполнении газом, например, водородом. При этом вытесняется находящийся в аппарате атмосферный воздух и предотвращается образование взрывчатой смеси (газ-воздух).

В электроламповой промышленности для наполнения ламп накаливания применяются азот, криптон, ксенон и др. Наполнение ламп накаливания инертным газом уменьшает скорость испарения нити и таким образом увеличивает срок службы ламп. Использование для этих целей некоторых редких газов позволяет значительно (до 30%) увеличивать световую отдачу ламп накаливания, что имеет большое значение, так как на нужды освещения расходуется до 20% всей вырабатываемой электрической энергии.

Газы применяются также для интенсификации некоторых биохимических процессов. Углекислый газ и чистые продукты горения бессернистого топлива могут быть использованы в качестве углекислого удобрения. Повышенное содержание углекислого газа (до 0.3%) в атмосфере теплиц и оранжерей способствует лучшему развитию растений и созреванию урожая. В качестве теплоносителей широко распространены следующие газы: продукты горения (дымовые газы), воздух и реже газообразные продукты экзотермических процессов (окисления аммиака, получения серного ангидрида и др.). Дымовые газы как теплоноситель используют: для непосредственного обогрева изделий или материалов в печах и сушилках; для получения и подогрева промежуточных теплоносителей (водяного пара, горячей воды, воздуха и др.) иногда дымовые газы служат для транспортировки угольной пыли и ее подсушки во взвешенном состоянии. В этих случаях дымовые газы являются не только теплоносителем, но и физической средой для переноса твердых тел, находящихся в пылевидном состоянии.

В качестве рабочих веществ для совершения механической работы газы используют в газовых турбинах, в реактивных двигателях, а также в двигателях внутреннего сгорания.


4. Вода в народном хозяйстве


.1 Основные источники и характеристики воды


Из всех природных ресурсов наибольшее значение в жизни и деятельности человека, несомненно, имеет вода. Облик Земли, возникновение и развитие жизни тесно связаны с водой и ее свойствами. Она является основной частью животного и растительного мира. В тканях человека содержится 65-70% воды, в рыбе -75%, в медузе - 96%, в помидорах -90%, в картофеле -76%.

Площадь поверхности земного шара, покрытого водой, примерно в 10 раз превышает площадь суши. Распределение воды характеризуется следующими данными: мировой океан -96,37%, ледники и полярные льды -1,74%, подземные воды - 1,71%, озера, реки и болота -0,29%, водяные пары в атмосфере - 0,01%.. Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода, составляющая около 3,5% всех запасов воды или 48млн км3 . Запасы пресных поверхностных вод стран СНГ равны примерно 40,4 тыс. км 3 . Распределены они следующим образом (тыс. км.3) : озера -26, в том числе Байкал -23; ледники - 11,4; болота - 3,4.

В настоящее время в связи со значительным развитием промышленности непрерывно уменьшаются запасы чистой воды и возрастают объемы бытовых и промышленных сточных вод. Некоторое дополнение к существующим запасам можно получить за счет опреснения морской воды. Однако это не может обеспечить все потребности без привлечения обычных источников пресной воды.

Природная вода может использоваться как источник промышленного сырья. В морской воде содержатся почти все химические элементы. Если учесть, что общая масса воды на Земле составляет 1.4*10 18 т., то содержание различных веществ в воде выражается внушительными цифрами. Например, в воде содержится 2,8 млрд. т. урана. Если извлечь из воды только 0,01 % содержащегося в ней урана, то его хватит для обеспечения энергией всего человечества в течении 100 лет.

Все воды содержат большое количество растворимых и нерастворимых примесей. К растворимым относятся соли (карбонаты кальция, магния, натрия, калия, а также сульфаты, хлориды); газы (О2,СО2, H2S, оксиды азоты и серы). Нерастворимые примеси представлены механическими взвесями песка, глины и т.п.

В воде, употребляемой в технике и в быту, предъявляются определенные требования в отношении состава и свойств. Качество воды определяется с физическими и химическими характеристиками, такими, как жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и др. Для оценки пригодности воды для питьевых нужд большое значение имеет токсичность примесей, содержание в ней микробов, запах, цвет и вкус. Для промышленных вод важными показателями являются жесткость, содержание солей и растворенных газов, механических примесей и т.п.

Допустимое содержание примесей в воде регламентируется соответствующими ГОСТами. Степень вредности определяется их химическим составом и состоянием (дисперсностью). Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, вызывают образование пробок, снижение производительности аппаратуры и могут даже стать причиной аварии. Примеси в виде коллоидных частиц вызывают вспенивание воды и выбросы в котлах и аппаратах.


4.2 Классификация вод


Природные воды принято делить на три вида сильно различающихся по наличию примесей.

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков - характеризуется сравнительно небольшим содержанием примесей, главным образом растворенных газов: кислорода, диоксида углеводорода, сероводорода, оксидов азота, кислородных соединений серы, органических веществ, которые загрязняют атмосферу в промышленных районах. Атмосферная вода почти не содержит растворенные соли, в частности соли кальция и магния.

Поверхностные воды - речные, озерные, морские - содержат, кроме примесей, имеющихся в атмосферной воде, разнообразные вещества. Почти всегда в ней примесей регламентируется соответствующим ГОСТом.

Для питьевой воды главными критериями являются: токсичность примесей, количество находящихся в ней микробов, запах, цвет, вкус.

Промышленная вода не должна содержать примесей больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от вида производства. Вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать диоксид углерода и кислород, вызывающие коррозионное разрушение труб и может содержать сухой осадок (соли) не более 0,2-0,3 мг/л. Соли в паровых котлах, откладываясь на внутренней поверхности труб в виде накипи, вызывают снижение теплопроводности их стенок, перегрев труб и преждевременное их изнашивание. Повышенные требования в отношении чистоты предъявляются к воде в производстве целлюлозы, полупроводников и некоторых других материалов.


4.3 Очистка и обеззараживание воды


Очистка воды от примесей (подготовка воды) включает следующие операции: осветление и обесцвечивание, обеззараживание, умягчение, дегазацию и дистилляцию.

Осветление и обесцвечивание природной воды производится с целью удаления из нее механических примесей. Это достигается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой вместимости (отстойниках) с последующим пропусканием через песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем. Для осаждения коллоидных примесей в отстойниках вводят коагулянты _ сульфаты железа или алюминия. Коагулянты в воде гидролизуются с образованием аморфных осадков соответствующих гидроокислов, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно отстойника. Одновременно идет процесс адсорбации на поверхности аморфного осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды при отстаивании и фильтровании.

Обеззараживание воды - обязательный процесс очистки воды, используемый для бытовых нужд. Уничтожение болезнетворных микробов и окисление органических примесей достигается хлорированием - введением газообразного хлора, хлорной извести, гипохлорита кальция, а также озонированием и кипячением.

В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают, создавая тихий электрический разряд в воздухе, обогащенном кислородом. Во время обработки воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода. Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет даже органические примеси. При обработке воды хлором вода приобретает его запах, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода.

Устранение запаха и привкусов воды достигается ее хлорированием. Для удаления из воды избытка хлора ее дехлорируют. При этом избыток хлора либо химически связывается, либо удаляется при пропускании воды через угольные фильтры.

Умягчение воды производится за счет кипячения, дистилляции и вымораживания, а также связывания ионов кальция и магния при помощи реагентов в нерастворимые и легко удаляемые соединения. В качестве реагентов используют гашенную известь, кальцинированную соду, едкий натр и др.

Дегазация воды производится химическими и физическим способами.

При первом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и удаляются из воды. Например, диоксид углерода удаляют при пропускании воды через фильтр, заполненный гашенной известью. При этом образуется соль СаСО3 , выпадающая в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме.

Предприятия химической и других отраслей промышленности, как правило, имеют сложное хозяйство по обеспечению подготовки воды. При фильтровании воды ее себестоимость увеличивается в 1,5 раза; при частичном умягчении - в 8 раз, при обессоливании и полном умягчении - в 10-12 раз. В результате доля затрат на водоснабжение и водоотведение в общих капиталовложениях на строительство заводов достигает 5-20%.

Производственные и бытовые сточные воды содержат различные органические и неорганические примеси, которые при сливе в водоемы загрязняют их. Способы очистки и обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические.

Механические способы очистки сточных вод от механических примесей заключаются в их отстаивании и фильтрации.

Физико-химические методы основаны на применении средств флотации, экстракции и адсорбции вредных примесей, отгонки их с водяным паром.

Химические методы основаны на использовании очистительно-восстановительных, электрохимических процессов, реакций нейтрализации и переводу вредных веществ в неактивную безвредную форму.


4.4 Рациональное использование воды


Вода - один из основных видов естественных ресурсов, необходимых для развития промышленности. Растут потребности в воде. Расход воды, например, на современных химических предприятиях составляет несколько миллионов кубических метров в сутки, Завод капронового волокна расходует столько воды, сколько потребляет ее город с населением 120 тыс. человек, а мощный электрохимический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза по потреблению воды эквивалентен городу с населением 800 тыс. человек. Наряду с этим химические предприятия являются источником сильно загрязненных стоков. Поэтому необходимо обеспечить снижение удельного потребления воды, организацию оборотного водоснабжения на всех крупных предприятиях, широко применять воздушное охлаждение взамен водяного, которое в некоторых производствах, например, аммиака и серной кислоты, позволяет уменьшить расход воды в 15-20 раз.

Рациональное комплексное использование водных ресурсов является крупной технологической, технической и экономической задачей. Рациональное водопотребление должно быть обязательным в каждом технологическом процессе. Для этого необходимо выбирать такие технологические схемы и аппаратуру, которые требовали бы минимального расхода свежей воды и не загрязняли окружающую среду; разрабатывать научно обоснованные нормы расхода воды, расширять использование возвратных вод, повышать эффективность очистки сточных вод; совершенствовать процессы в направлении возможно более полного использования отходов производства для уменьшения потребности в очистных сооружениях. Насколько это важно, можно судить по тому, что в настоящее время затраты на строительство очистных сооружений составляют примерно 20% от сметной стоимости строительства промышленных предприятий.


4.5 Назначение воды в технологических процессах


Невозможно указать другое вещество, которое бы находило столь разнообразное и широкое применение как вода. Вода - химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей и многих других важнейших химических продуктах. Вода необходимый компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов - цемента, гипса извести.

Как технологический компонент вода применяется в многочисленных производственных процессах. В технике вода служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (паровое отопление, водяное охлаждение), рабочим телом в паровых машинах, используется для передачи давления (в частности, в гидравлических передачах и прессах, а также при нефтедобыче) или для передачи мощности (гидропривод машин). Вода, подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или горные породы.

Наиболее крупные потребители воды - металлургические, химические, нефтедобывающие заводы, целлюлозно-бумажные комбинаты и теплоэлектростанции.

Наиболее сложным водное хозяйство бывает на металлургических заводах, что обусловлено рядом факторов. Во-первых, вода в технологических процессах применяется для самых разнообразных целей, отличающихся по методам использования и назначения. Во-вторых, в водном хозяйстве имеются водопотребители, требующие бесперебойной подачи воды, остановка которой может привести к аварии или большим выбросам пыли и газов в атмосферу, что недопустимо. Наконец, металлургический завод является очень крупным водопотребителем и поэтому его водное хозяйство должно исключать загрязнение прилегающих водоемов сточными водами. Этой задаче, в настоящее время, отводится первостепенное значение.


4.5.1 Основные водопотребители

Металлургическое производство включает целый ряд сложных технологических производств. Каждое из этих производств является водопотребителем, предъявляющим требования как к количеству, так и к качеству воды, причем вода требуется на всех этапах металлургического процесса и является таким же сырьем, как и руда, уголь, кокс и т. п.

Наиболее крупные потребители воды используют ее для охлаждения. К ним относятся все виды энергохозяйств (ТЭЦ, компрессорные, кислородные, паро-воздушные станции). Для этих водопотребителей особо важную роль играет температура воды. Кроме того, к таким водопотребителям относятся холодильники различных плавильных и нагревательных агрегатов. Для них водопотребление зависит в основном от допускаемого перепада температуры воды в металлургическом агрегате, а этот перепад в свою очередь зависит от солевого состава охлаждающей воды, от назначения охлаждаемого агрегата, его конструкции, требований к начальной температуре воды и др.

Водопотребители этой группы используют воду для:

. Охлаждения пара в поверхностных конденсаторах (конденсаторы паросиловых станций, кислородных станций, компрессорных и др.);

  1. Охлаждение кладки технологических печей;
  2. Потребители, охлаждающие продукт путем непосредственного поливания водой. Эти потребители используют воду для охлаждения кокса, агломерата, стальных слитков, товарного чугуна. Для этой группы потребителей нормы водопотребления, как правило, определяются по максимальной производительности агрегата и сохраняются во все время его работы.
  3. Потребители, охлаждающие детали производственного оборудования непосредственным поливом. Водопотребители этой группы используют воду для охлаждения подшипников, валков прокатных станов, кузнечного оборудования, периодического полива кожухов доменных печей и др.
  4. Потребители, осуществляющие охлаждение и промывку газа. Потребители этой группы используют воду для очистки колошниковых газов в доменном цехе, газов в сталеплавильных агрегатах и на газогенераторных станциях. Для этой группы водопотребителей нормы водопотребления определяются в зависимости от требований, предъявляемых к очищенному газу, от конструкции газоочистных устройств, а также от количества и характера загрязнений, вносимые газом в воду.
  5. Потребители, осуществляющие приготовление растворов. Они используют воду в травильных процессах и для изготовления известковых растворов. Нормы водопотребления в данном случае зависят только от технологических требований к качеству воды и мало зависят от температуры.
  6. Потребители, использующие воду как движущую среду для удаления сыпучих материалов. Потребители этой группы осуществляют гидрозолоудаление от ТЭЦ и ПВС, гидравлическое удаление окалины в прокатном производстве и транспортировку металлосодержащих шлаков на утилизационную установку. Нормы водопотребления зависят от количества, размера и плотности фракции транспортируемых отходов. Температура воды играет здесь незначительную роль, также как и ее качество.
  7. Потребители, использующие воду для питания котлов силовых установок. К данной группе относятся котлы ТЭЦ и ПВС. Нормы водопотребления в этом случае зависят от качества воды, от применяемого способа улучшения этого качества, от наличия и возврата конденсата.
  8. Потребители, использующие воду для создания водяных завес и экранов. Для улучшения условий труда в горячих производствах применяются экраны, поглощающие лучистую теплоту, исходящую от агрегатов с очень высокой температурой.

Водоснабжение каждого из этих потребителей имеет свои характерные особенности по следующим признакам:

  • расходу воды;
  • соотношению расходов поданной и отработанной воды;
  • изменению водопотребления в течении суток, по временам года и т.д.;
  • качеству применяемой и отработанной воды;
  • возможностью оборотного водоснабжения и последовательного использования воды от других или другими водопотребителями.

4.5.2 Дополнительные водопотребители

На промышленных предприятиях вода требуется не только для технологических, но и для удовлетворения хозяйственно-питьевых и бытовых потребностей работающих на заводе. От сети хозяйственно-питьевого водопровода обеспечиваются такие потребители, предъявляющие повышенные требования к качеству воды, как-то: кондиционеры в системах вентиляции горячих цехов, химические лаборатории и др. Кроме того, в цехах с незначительным расходом производственной воды(1-3 м³/сутки) во избежании строительства двух сетей водопровода (питьевого и производственного) потребители производственной воды иногда обеспечиваются от сети хозяйственно-питьевого водопровода.

Хозяйственно-питьевой водопровод сооружают общим для всего промышленного узла, включающего как заводы и предприятия данного промышленного района, так и жилой сектор, расположенный вокруг этих заводов.

Обязательным для всех заводов является устройство наружного противопожарного водопровода, обеспечивающего подачу воды на пожаротушение в количествах, предусмотренных нормами, в зависимости от виды и объема предприятия. При этом вода расходуется как непосредственно на тушение пожара, так и на приготовление пены при тушении пожара пеной в мазутохранилищах и электротехнических подвалах и туннелях.


4.5.3 Хозяйственно-бытовая и дождевая канализация

Назначение хозяйственно-бытовой канализации предприятия является в основном сбор хозяйственно-бытовых стоков из отдельных цехов, транспортировка их за пределы завода и очистка на очистных сооружениях до состояния, при котором очищенные стоки могут быть сброшены в водоем или использованы в производстве.

Практически в большинстве случаев хозяйственно-бытовую канализацию сооружают для всего района, включая промышленные предприятия и жилье.

В хозяйственно-бытовую канализацию рационально отводить ряд стоков металлургических и вспомогательных цехов, биологическая очистка которых совместно с бытовыми стоками наиболее целесообразна. К таким стокам следует отнести: фенольные воды коксохимического производства, конденсат из газопроводов коксового и доменного газа, стоки заводских лабораторий содержащих химические соединения, стоки от гаражей.

Для хозяйственно-бытовой канализации завода характерно наличие больших сосредоточенных расходов бытовых стоков от бытовых помещений, в которых располагаются столовые и душевые. Расход воды от душевых составляет до 70% от общего количества хозяйственно-бытовых стоков завода. Сброс этих стоков в канализацию осуществляется три раза в сутки по 60 минут после каждой смены.

На металлургических заводах встречаются три системы дождевой канализации:

  1. дождевая канализация, отводящая только дождевые воды;
  2. производственно-дождевая канализация, отводящая дождевые воды совместно с производственными стоками;
  3. общесплавная канализация, отводящая все стоки одной сетью в реку.

Выбор схемы дождевой канализации зависит от многих факторов экономического и экологического плана.


4.6 Нормы водопотребления и схемы водоснабжения


.6.1 Нормы водопотребления

Система водоснабжения на металлургическом заводе характеризуется большой сложностью и многообразием. В общем случае она определяется следующими основными факторами:

  1. Условия использования воды в технологическом процессе и конструктивное оформление элементов технологического оборудования, расходующего воду;
  2. Требования, предъявляемые технологическим процессам к количеству подаваемой воды (нормы водопотребления), качеству ее, температуре, а также к напору, с которым вода подается к агрегату.
  3. Требования, предъявляемые технологическим процессом в отношении бесперебойности подачи воды.

Кроме этого необходимо принимать во внимание и учитывать:

а) выбор схемы водоснабжения завода;

б) очистку сточных вод;

в) утилизацию полезных составляющих в сточных водах.

Отметим только основные факторы, влияющие на величину потребления воды в различных производствах. Нормы водопотребления могут быть определены теоретическими расчетами и проверены практическими замерами расходов воды на действующих агрегатах. Таким путем можно получить так называемые рекомендуемые нормы. Эти нормы уточняются проверкой их на практике и не являются постоянными.

Вопрос о нормах водопотребления тесно связан с вопросом о необходимых напорах, требуемых в подводящей водопроводной сети к тем или иным потребителям. Величина напора зависит в первую очередь от гидравлической характеристики конструкций к которым подается вода. Во многих конструкциях движение воды происходит с резкими поворотами; площадь сечения пропускающего воду непостоянна, а это приводит к застаиванию воды в неблагоприятных участках конструкций.

На величину напора в подводящей сети, помимо конструкции водопотребителя, влияет такие состояние его внутренней поверхности, которая меняется во время эксплуатации системы вследствие отложения механических примесей, солей, а также коррозирующего влияния охлаждающей воды. Напор в подводящем трубопроводе обычно исчисляется от уровня головни железнодорожного рельса в цехе и должен быть равен:

H = h + ?h + ??


где, h - необходимый напор в сети перед вводом в агрегат,

?h - высота расположения охлаждаемого элемента над уровнем головки рельса,

?? - сумма потерь напора в подводящей цепи в самом водопотребителе и в обратной сети до сброса в заводскую систему канализации.

Необходимые напоры в каждом случае могут быть определены теоретически на основе гидравлического расчета охлаждаемой системы. Необходимый напор во всей общезаводской системе водоснабжения должен составлять 30-50 м.

На нормы водопотребления влияет перепад температуры воды, то есть разница температур до и после охлаждаемого элемента. Меньшую роль играет начальная температура воды, т.к. разность между температурой охлаждаемого агрегата (например, доменной печи) и температурой охлаждающей воды настолько велика, что небольшие колебания начальной температуры воды практически не отражаются на указанной разности и поэтому не влияют на количество уносимого водой тепла от охлаждаемого элемента, а следовательно, и на расход воды.

Указанное, однако, не относится к конденсаторам паровых турбин, где начальная температура охлаждающей воды существенно влияет на коэффициент полезного действия всей установки. Температура подаваемой воды влияет также на охлаждение газа в системах газоочистки доменных и сталеплавильных печей, т. к. по техническим условиям температура газа после его охлаждения не должна превышать 30-40ºС.

На допустимую предельно высокую температуру воды существенно влияет ее качество. В случае, когда охлаждаемая вода содержит большое количество солей, создается угроза отложения этих солей как в трубопроводах, так и в агрегатах, а это влечет за собой преждевременный выход их из строя.

Следует различать три вида норм водопотребления:

  1. Укрупненные нормы для подсчета расходов воды по всему заводу, применяемые в технико-экономическом обосновании строительства завода.
  2. Нормы водопотребления, отнесенные на 1 т выпускаемой данным агрегатом продукции.
  3. Нормы водопотребления, отнесенные к агрегату, независимо до его производительности, т. к. при эксплуатации эти нормы не меняются.

В качестве примера в таблице приведены укрупненные нормы водопотребления для заводов черной металлургии, отнесенные к производительности всего предприятия с собственным энергохозяйством (ТЭЦ, ПВС, кислородная станция и др.)


Наименование завода, цехаВид продукцииРасход воды, м³/тСточные воды и очищ.. бытовые м³/тБезвозвратные потери водыВсей произв.Из источникаСвежей произв.питьевойЗавод с полным оборотом водычугун32016,01,301,2013,0 - 15,0сталь29020,01,200,8014,0 - 16,0прокат34017,0 1,40 1,0 13,0 - 15,0 Завод с последоват. использов. воды и частичным оборотом чугун 320 270 1,30 1,20 10,0 - 11,0 сталь 290 2501,200,8010,0 - 11,0прокат3402901,401,010,0 - 11,0Доменный цех Конверторный цех Прокатный цех (блюминг) (листостан)Чугун25,0-27,01,25-1,350,02-0,040,011,0 -1,3Сталь6,0-7,50,1-0,20,07-0,080,05-0,060,08-0,16Прокат6,0-9,00,4-0,50,040,030,2-0,4прокат30,0-40,01,8-2,40,030,021,5-2,0

4.6.2 Схемы водоснабжения

Технико-экономические показатели системы водоснабжения завода в значительной степени зависят от правильного выбора схемы на который влияют следующие факторы: а) водопотребление завода (расход воды подаваемой к потребителю); б) наличие естественных источников водоснабжения вблизи завода; в) расстояние до источника водоснабжения; г) разность отметок между среднем уровнем площадки завода и среднегодовым уровнем воды в источнике; д.) условия охраны водоема от загрязнений производственными сточными водами с учетом требований смежных предприятий и населенных пунктов.

Все водопотребители завода могут быть разбиты на две категории:

  1. водопотребители, дающие сточную воду только в подогретом виде без каких-либо химических и механических примесей. К ним относятся: конденсаторы силовых установок, кислородные станции, холодильники доменных и электросталеплавильных печей и др.;
  2. водопотребители, дающие сточные воды, содержащие химические или механические примеси.

При любой схеме водоснабжения водопотребители второй группы снабжаются водой только по оборотной схеме, так как требования к качеству воды, выпускаемой в водоем, более высокие, чем к качеству воды, подаваемой к потребителю.

Водопотребители первой группы могут снабжаться водой по любой схеме в зависимости от местных условий, к ним предъявляется только одно требование, чтобы подогретая вода при поступлении в водоем превышала температуру воды в водоеме зимой не более чем на пять градусов, а летом не более чем на три градуса.

При выборе схемы необходимо учитывать, что существенную роль играют расходы так называемой свежей воды, забираемой из источника водоснабжения, и безвозвратные потери воды на заводе. Эти обстоятельства играют особо важную роль в тех случаях, когда вблизи завода нет мощных источников водоснабжения.

  1. Прямоточная схема, при которой вода забирается из источника, проходит через агрегат и поступает обратно в источник. Такие схемы возможны только при очень больших источниках водоснабжения и на заводах, расположенных на берегу больших водохранилищ, например, завод «Азовсталь», завод имени Дзержинского и др.
  2. Схема с последовательным использованием воды, при которой вода, прошедшая одного потребителя, подается к другому, а от него или сбрасывается в канализацию, или поступает к третьему потребителю, при этом вода поступает к следующему потребителю непосредственно от предыдущего или после соответствующей очистки или охлаждения, а возможно после того и другого.

При схеме с последовательным использованием расход свежей воды сокращается примерно в два раза, тогда как безвозвратные потери воды сохраняются примерно такими же, как и при прямоточной схеме.

Схема с оборотно-последовательным использованием воды находит применение, когда источник водоснабжения не обладает мощностью, достаточной для завода воды при прямоточной схеме и при схеме с последовательным использованием воды. Заключается она в следующем: водопотребители, дающие условно чистую воду, снабжаются водой по оборотной схеме.

Возможны следующие варианты схемы с оборотно-последовательным использованием воды:

  1. Большинство цехов имеет прямоточное или последовательное водоснабжение, но часть цехов имеет оборотное водоснабжение по необходимости, например из-за невозможности выпуска в водоем большого количества загрязненной воды или из-за недостатка воды для прямоточного водоснабжения всех потребителей.
  2. Большинство цехов имеет оборотное водоснабжение, а небольшая часть цехов - прямоточное. Такая схема наиболее приемлема в тех случаях, когда по местным условиям (маломощный источник, большое расстояние до него, большое превышение площадей завода над источником) целесообразно оборотное водоснабжение, но для отдельных цехов такое водоснабжение невозможно вследствие загрязнения отработавшей воды и затруднительности ее обработки ввиду особой требовательности цеха к температуре или к качеству воды.
  3. Наиболее требовательные в отношении температуры потребители получают воду из источника, а остальные потребители используют воду последовательно, отработавшую у первых потребителей, а сами находятся на оборотном водоснабжении, т. е. получают воду как добавочную в оборотные циклы.

Есть и другие варианты осуществления данной схемы, если, например, источник водоснабжения одновременно является и охладителем воды и т.д.

При схеме с оборотно-последовательным использованием воды от источника водоснабжения забирается примерно 1/5 часть всей воды, расходуемой на заводе.

Оборотная схема водоснабжения, при которой все потребители снабжаются водой по замкнутому циклу. Применяется эта схема в тех случаях, когда источник водоснабжения обладает мощностью, достаточной только для покрытия безвозвратных потерь воды в оборотных циклах отдельных водопотребителей, или в тех случаях, когда источник водоснабжения удален более чем на 1 - 2 км от завода и разность отметок уровней площадки завода и водоема превышает 20-25 м.

Оборотное водоснабжение с охлаждением воды в пруде принципиально решается так же как и прямоточное. Основная сложность этого варианта возникает в связи с необходимостью строительства дополнительных сооружений (плотины) подготовки водохранилища перенесением населенных пунктов. Эксплуатация таких прудов-холодильников может быть в ряде случаев очень сложной - регулярные наблюдения за температурным режимом в пруде, предотвращение заливания и цветения водохранилищ. Для этого нужны землечерпательные машины, химикаты, занятость большого числа рабочих и т.д.

Имеются и другие показатели оценки различных схем водоснабжения - эти оценки технического характера: а) надежность; б) простота устройства; в) простота эксплуатации; г) размер требуемой площадки для сооружения системы; д.) дефицитность материалов и оборудования, возможность использования местных строительных материалов.


4.7 Дисистеризация и автоматизация в системах водоснабжения


Для систем водоснабжения металлургических заводов характерным является разбросанность входящих в них сооружений по территории предприятия и вне его, значительная протяженность и разветвленность коммуникаций. В то же время все объекты системы водоснабжения завода технологически тесно между собой связаны и поэтому требуют централизованного управления и контроля за работой всех сооружений системы.

Оно осуществляется с диспетчерского пункта системы (ДП), оснащенного техническими средствами дающими возможность получать подробную информацию о состоянии всех элементов системы, автоматически воспроизводить и обрабатывать эту информацию, непосредственно с ДП управлять отдельными насосными агрегатами, и другим оборудованием.

Система диспетчерского управления водоснабжением является составной частью автоматизированной системы управления производством (предприятием) (АСУП) и, помимо централизации управления, позволяет с помощью вычислительной техники решать задачи оптимизации работы сооружений водоснабжения, наибольшей ее экономичности и надежности.

Диспетчерский пункт водоснабжения наиболее целесообразно размещать вместе с ДП других энергетических систем предприятия (электроснабжение, газоснабжение, теплосиловое хозяйство), вычислительным центром.

Максимальный технический и экономический эффект диспетчеризации может быть получен только при сочетании ее с комплексной автоматизацией отдельных сооружений системы водоснабжения. Такое сочетание позволяет эксплуатировать большинство объектов водоснабжения без постоянного дежурного персонала одновременно повышая надежность водоснабжения и оперативность управления системой, сокращая капитальные и эксплуатационные затраты.

В системах водоснабжения автоматизируются:

  • работа элементов, участвующих в изменении нормального технологического процесса в соответствии с заданной программой (регулирование производительности насосов, промывка фильтров, работа вентиляторов и т.п.)
  • работа элементов, обеспечивающих возможность быстрой канализации аварий и выполнение оперативных переключений (например, автоматическое включение резервных насосов, отключение отдельных участков сети и т.п.)
  • вспомогательные процессы, обеспечивающую нормальную работу установки или сооружения без вмешательства дежурного персонала ( залив насосов, удаление вод, отопление и т.п.)

5. Кислородное хозяйство предприятий


.1 Применение кислорода и продуктов разделения воздуха


Применение кислорода и продуктов разделения воздуха позволяет интенсифицировать технологические процессы в черной и цветной металлургии, химии, машиностроении и других отраслях промышленности, что в конечном итоге способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества и снижению себестоимости. Технологический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и др.

Химическая промышленность является крупнейшим потребителем кислорода и азота, которые служат исходными веществами для получения искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислоты, аммиака, минеральных удобрений и других химических продуктов. Азот применяют также в качестве инертной защитной среды при переработке нефти. Широкое применение находят водород и гелий. Особенно перспективно использование водорода, так как он является высококалорийным топливом; при его сгорании образуется вода, что не приводит к загрязнению окружающей среды.

Особо важную роль играет кислород в интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила физико-химические свойства процессов, их технологические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутье позволило сократить потери тепла с отходящими газами, значительную часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрации составных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих техническое применение) и др.


5.1.1 Получение кислорода

Существует два основных способа получения кислорода: электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха). Электролизным способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2м3 водорода и 1м3 кислорода затрачивается 12-15 кВт. час электроэнергии.

Разделение воздуха является основным способом получения кислорода. Осуществить разделение воздуха в обычном газообразном состоянии трудно, поэтому воздух сначала сжимают, а затем разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180° С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов [t кип О2 (-182,9°С), t кип N2 (-195,8°С)]. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн получают агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении относятся некоторые процессы абсорбции, процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки и др. Искусственное охлаждение широко применяется в различных других областях народного хозяйства, например, для хранения пищевых продуктов, замораживания грунтов, кондиционирования воздуха и т.д. Большое значение приобретают холодильные процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях техники.

Известны различные способы получения низких температур. Выбор способа зависит от температурного уровня охлаждения, преследуемой цели (сжижение газа или охлаждение какого-либо объекта), масштабов и других факторов.

При переносе теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой необходимо совершить работу. Это требование 2-го закона термодинамики предусматривает изменение некоторых параметров состояния (из уравнения Клапейрона-Менделеева pV = MRoT ), приводящих к охлаждению, где М - масса данного количества газа;

R -Ro - ее значение равно работе расширения, совершаемой какой-либо единицей массы газа при нагревании его на 1К при постоянном давлении.

Низкие температуры можно получить следующими способами:

1.Дросселированием газа или пара;

2.Расширением газа в детандере с совершением внешней работы;

.С помощью фазовых превращений, сопровождающихся поглощением теплоты, например, испарением воды, аммиака, плавления льда или растворения соли;

.Использованием вихревого эффекта потока газа или пара (труба Ранка);

.Десорбцией газа и другими способами.

Дросселированием называют снижение давления потока газа (или жидкости) при прохождении его через суженное отверстие при отсутствии теплообмена с окружающей средой, причем поток не производит внешней работы.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энталь последних являются функциями не только температуры Т, но и давления р газа:


i = u + pv = Cv * T + uпот + pv


где u - внутренняя энергия реального газа;

v - удельный объем;

Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме;

Cv * T - внутренняя кинетическая энергия молекул газа;

uпот - внутренняя потенциальная энергия газа, равная работе, которую надо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;

pv - объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет притока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа.

Подставив в вышеприведенное выражение значения соответствующих членов до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состоянию газа перед дросселированием и после него) выразим постоянство энтальпии при дросселировании равенством:


Cv.Т1 + u1 + p1V1 = Cv * T2 + u2 + p2V2

откуда

Cv . (Т1 - T2 ) = (u2 - u1) - (p1V1 - p2V2).


Последнее выражение позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании:

  • Если p2V2 > p1V1 , то Т1 - T2 > 0 и в результате дросселирования температура газа понижается;
  • Если p2V2 < p1V1, однако (u2 - u1) > (p1V1 - p2V2), то дросселирование также приводит к понижению температуры газа.
  • Если в последнем случае (u2 - u1) < (p1V1 - p2V2), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т2 > Т1..

Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород и гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу, например, в поршневом двигателе или турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает, расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляют один из важных промышленных способов сжижения газа.

Кроме дросселирования и расширения сжатого газа в детандере (с совершением внешней работы) для охлаждения могут быть использованы физические процессы.

К числу их относятся процессы фазовых превращений (плавление, кипение, сублимация и др.), сопровождающимся довольно значительным поглощением тепла. Для охлаждения можно использовать процесс плавления льда. Однако при этом лед чистой воды дает возможность охлаждения практически лишь до температуры его плавления (0°С). Для понижения температуры плавления применяют охлаждающие смеси, состоящие из измельченного льда (или снега) с солью, например, хлористым натрием или хлористым кальцием. Так, смеси растворов хлористого кальция со льдом пригодны для охлаждения до температуры -55°С.

При поступлении газа в трубку давление его падает от первоначального (в несколько атмосфер) до атмосферного и газ расширяется. Расширение газа происходит по мере его продвижения в трубке по спирали от периферии к центру. В этом же направлении должна увеличиваться и скорость газового потока, а следовательно, и его кинетическая энергия. Однако вследствие трения между слоями каждый слой газа часть своей кинетической энергии передает соприкасающемуся с ним внешнему слою. Таким образом, внешние слои газа получают от внутренних кинетическую энергию, значительная часть которых расходуется на трение, что и приводит к нагреванию газа во внешних слоях. Внутренние же слои, отдающие часть своей кинетической энергии внешним, имеют более низкую температуру.

Несмотря на относительно низкую термодинамическую эффективность этого способа получения холода, вихревые трубы перспективны для одновременного производства тепла и холода, когда требуется периодически получать небольшие количества холода или если имеются дешевые ресурсы сжатых газов. Основным преимуществом вихревого охлаждения является простота устройства и надежность эксплуатации вихревых труб.


5.2 Физические основы разделения газа


Состав воздуха. Атмосферный воздух представляет собой смесь нескольких газов (таблице 5.1), не связанных между собой химически.


Таблица 5.1 - Компоненты воздуха и их температура кипения

ГазКонцентрация, %Температура кипения при Ратм, КобъемнаяКислород20,94690,18Азот78,08477,36Аргон0,93487,27Неон1,818 * 10-327,09Гелий5,239 * 10-44,21Криптон1,14 * 10-4119,80Ксенон0,86 * 10-5165,05Двуокись углерода3,3 * 10-2216,4

Содержание редких газов в воздухе мало. Однако в настоящее время их широко применяют в разных отраслях народного хозяйства. Поэтому при получении кислорода и азота их попутно извлекают, очищают от примесей и используют по назначению.

Атмосферный воздух содержит ряд примесей вредных для процесса глубокого охлаждения: механические частицы (пыль, сажа и др.), пары воды, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и др. От этих примесей воздух очищают в специальных устройствах перед подачей его в воздухоразделительный аппарат.

Азот и кислород могут смешиваться друг с другом в любых отношениях. Точка кипения жидкости, состоящей из смеси азота и кислорода, меняются в зависимости от содержания в ней кислорода и азота.

Давление и состав насыщенного пара, находящегося в равновесии с N2-О2 жидкостью, зависит от состава жидкости и температуры. Содержание кислорода в газовой фазе всегда значительно ниже содержания его в жидкости, так как кислород и азот при одинаковой температуре имеют различные давления насыщенного пара. При одинаковой температуре давление насыщенных паров азота в несколько раз выше давления насыщенных паров кислорода. Это приводит к тому, что азот как более летучая часть жидкости переходит в пар в большем количестве, чем кислород, который остается преимущественно в жидкости.

Промышленное значение для разделения воздуха на его составляющие имеет метод низкотемпературной ректификации, основанный на различии составов находящихся в равновесии жидких и паровых смесей. Если процесс смещения газов протекает без воздействия на него внешних сил, то обратный процесс сам совершаться не может и требует затраты энергии.

Ректификация воздуха - это многократно повторяющийся процесс конденсации менее летучего компонента (кислорода) и испарения более летучего компонента (азота) в слоях жидкой смеси азота и кислорода, находящейся на тарелках ректификационной колонны.


5.2.1 Ректификация воздуха

Ректификацию осуществляют в специальных аппаратах - ректификационных колоннах. Процесс ректификации основан на явлении конденсации кислорода, процесс обратный испарению, в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота. Образующиеся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода.

Так как жидкость имеет температуру более низкую, чем проходящий через нее пар, то в ней конденсируется кислород и обогащает жидкость, а азот испаряется из жидкости, обогащая пар. Этот процесс происходит при соприкосновении пара с жидкостью, многократно повторяется до тех пор, пока не получится пар, состоящий почти из одного азота, а жидкость из кислорода.

Ректификационная колонна представляет собой цилиндрическую обечайку с расположенными внутри нее параллельно друг другу на определенном расстоянии тарелками могут иметь различную конструкцию.

Сжатый и предварительно охлажденный воздух проходит через змеевик, погруженный в сосуд (куб) с кипящим жидким кислородом. В змеевике охлажденный воздух частично конденсируется, испаряя некоторое количество кислорода из куба. На выходе из змеевика воздух дросселируется, его давление снижается до 0,012-0,013 МПа. Затем воздух поступает на верхнюю тарелку ректифицированной колонны, часть его испаряется, а большая часть стекает по тарелкам в нижнюю часть колонны. Проходя ряд тарелок, воздух обогащается кислородом, контактируя на тарелках с поднимающимися парами. В результате в нижней части колонны (куба) собирается жидкий кислород. Образующиеся в кубе пары кубовой жидкости поднимаются вверх и обогащаются азотом. В верхней части колонны пар содержит около 90% азота и 10% кислорода. Эта смесь выбрасывается в атмосферу, предварительно отдав свой холод сжатому воздуху, поступающему в колонну.


5.2.2 Очистка и осушка воздуха

Удаление механических примесей из воздуха. Пыль и другие твердые примеси, попадая в поршневые компрессоры, вызывают износ их деталей (колец, клапанов, цилиндров). Они загрязняют поверхность труб, ухудшая теплообмен и увеличивая сопротивление в них. В конечном итоге это приводит к уменьшению производительности и к преждевременной остановке дорогостоящего оборудования на ремонт.

Содержание пыли в воздухе промышленных предприятий достигает 0,05 г/м3, поэтому очистка совершенно необходима.

Шторки периодически проходят через резервуар с маслом. Осевшая на сетках пыль остается в резервуаре, таким путем сетки непрерывно очищаются и смачиваются маслом. Скорость движения цепи 1.8 мм\мин. В цепных фильтрах удерживается около 98% пыли, содержащейся в воздухе. Недостаток цепных фильтров - частичное загрязнение воздуха маслом, что нежелательно для турбокомпрессоров.

Аналогично устроены воздушные сетчатые фильтры, состоящие из непрерывно движущейся в вертикальной плоскости фильтрующей бесконечной металлической сетки и масляной ванны. При прохождении через ванну загрязнённые участки сетки отмываются от пыли и вновь промасливаются, а пыль оседает на дне ванны в виде шлама.

В масляной ванне расположено устройство для удаления шлама, механизм промывки сеток, элементы для подогрева масла в зимнее время и масло съемник для снятия излишков масла с сеток. Степень очистки воздуха в таких фильтрах зависит от диспеденоости и концентрации пыли и составляет 90,98% для частиц пыли крупнее 3 мкм., для более мелкой пыли эффективность снижается до 60%.

Пройдя очистку от пыли в самоочищающемся фильтре, воздух поступает во вторую степень камеры фильтров - сухой рулонный фильтр. Материалами фильтров служат упругие маты из синтетических волокон или стекловолокна. Фильтр представляет собой коробчатый каркас с 2-мя катушками, на одной из них намотан чистый материал, на другую - наматываются маты по мере забивки материала пылью. Полотно фильтра имеет длину до 20 м.

На фильтрах установлены датчики давления. По достижению заданного перепада давления автоматически включается электродвигатель и материал фильтра передвигается на определенную длину. После загрязнения всего материала рулон заменяется новым, так как его нельзя использовать повторно.

Пыле емкость матов достигает 1 кг/м2, эффективность очистки от частиц пыли размером до 10мкм составляет около 90%. Воздушные фильтры не требуют специального обслуживания. Необходимо лишь следить за чистотой всасывающей трубы и отсеков пыльной камеры, не допускать скопления в них атмосферных осадков, а также контролировать сопротивление фильтра.

Содержание влаги в воздухе. Водяные пары воздуха, попадая в теплообменные аппараты, трубопроводы и арматуру криогенных установок, блоков разделения воздуха, превращаются в лед и забивают арматуру. В этом случае работа установок становится невозможной.

Количество влаги, содержащей в воздухе, зависит от температуры, давления и относительной влажности (j).

Относительной влажностью (j) называют отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе, к количеству паров, насыщающих воздух при данной температуре. Количество водяных паров в граммах, содержащихся в 1м3 воздуха при данной температуре, называют абсолютной влажностью. Точка росы - температура, при которой в воздухе начинает конденсировать влага.

С повышением температуры, количество водяных паров, насыщающих воздух, увеличивается, а с понижением - уменьшается. При 298К в 1м3 содержится, например, 15г. водяных паров. Наибольшее количество влаги, которое может содержаться в 1м3 воздуха при этой температуре, равно 22,9г. При 298К относительная влажность j = 15/22,9.100 = 65,5%. Если этот влажный воздух охладить до 293К, то его относительная влажность возрастет до j = 15/17,2.100 = 87%. Таким образом, охлаждение ненасыщенного влажного воздуха приводит к увеличению относительной влажности.

В воздухоразделительных установках осушку воздуха осуществляют в регенераторах, вымораживанием влаги в блоках предварительного охлаждения, адсорбцией влаги селикагелем, активным глиноземом, цеолитами в блоках осушки и очистки воздуха. Эффективность осушки определяют по точке росы.

Метод осушки воздуха вымораживанием неудобен, так как за короткий промежуток времени (30-40 суток) в основном теплообменнике накапливается лед и он забивается. Поэтому его ставят на отогрев для удаления влаги.

Адсорбционный метод осушки основан на свойстве ряда пористых твердых тел-адсорбентов - поглощать водяные пары. Внутренняя поверхность пор достигает у адсорбентов тен квадратных метров на один грамм.

Адсорбция происходит следующим образом. Приближаясь к поверхности абсорбента на расстоянии, соизмеримое с атомными размерами (» 10-8см), молекула водяного пара попадает в электрическое поле поверхностных ионов адсорбента и поляризуется. Поляризованные молекулы водяного пара, удерживаемые поверхностными ионами адсорбента, и составляют адсорбционный слой водяного пара.

Адсорбент, насыщенный влагой, восстанавливают (регенерируют) нагретым в электроподогревателе азотом или воздухом.

Силикагель представляет собой твердое, стекловидное, химически инертное, однородное вещество, состоящее на 99% из двуокиси кремния SiO2, в виде крупных или мелких (3-7 мм) зерен круглой или неправильной формы.

Активный глинозем содержит 92% окиси алюминия, остальное - различные примеси; химически инертен, не ядовит, не растворяется в воде. его выпускают в виде зерен неправильной формы размером 3-7 мм. Он должен поглощать не менее 14 массовых долей влаги от общей массы адсорбента. Его получают обезвоживанием тригидрата окиси алюминия при его термической обработке.

Цеолиты наиболее эффективные адсорбенты. Их иногда называют молекулярными ситами. Цеолиты - это алюмосиликаты щелочного или щелочноземельного металла. Это или природные или синтетические вещества.


5.2.3 Очистка воздуха от двуокиси углерода

Двуокись углерода, попадая в воздухоразделительный агрегат в виде снега, забивает его узлы и арматуру, ректификационные тарелки. Этим самым нарушается нормальная работа установки, вследствие чего блок разделения приходится останавливать на отогрев.

Содержание двуокиси углерода в воздухе колеблется в пределах 0,03-0,04% (по объему). Она замерзает при 216,4К и давлении 0,528 МПа (тройная точка).

В воздухоразделительных установках для очистки воздуха от двуокиси углерода применяются химический или физический метод. При химическом методе воздух, проходя специальные аппараты (декарбонизаторы) скрубберы орошается водным раствором едкого натра. При этом происходит реакция:


NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.


Для поглощения 1 кг углекислоты нужно затратить 1,82 кг едкого натра.

Химический метод очистки имеет следующие недостатки: необходимость использования специального оборудования для очистки и приготовления щелочи; невысокая степень очистки; наличие потенциального источника для несчастного случая при работе персонала со щелочью; дополнительные эксплуатационные расходы.

Физические методы очистки основаны на вымораживании, адсорбции и отмывке при низкой температуре кубовой жидкостью. В качестве ее слушки жидкий воздух на тарелках разделительной колонны.

5.2.4 Очистка воздуха от ацетилена и масла

Газообразный и жидкий кислород не представляет опасности, так как не горит и самопроизвольно не взрывается. Опасность взрыва возникает при наличии взрывоопасной системы, т.е. при взаимодействии горючего вещества и кислорода - сильного окислителя. Источником поступления в установку горючих веществ является перерабатываемый воздух, а также компрессоры и детандеры, смазываемые маслом. Несмотря на ничтожное количество опасных примесей, содержащихся в воздухе, они при определенных условиях могут накапливаться в блоке.

В современных условиях атмосферный воздух промышленных районов, где работают воздухоразделительные установки, сильно загрязнен такими веществами как ацетилен, углероды, окислы азота, сероуглерод и т.д.

Необходимым условием защиты воздухораспределительных установок от взрывов является строгий контроль за содержанием в аппаратах разделения опасных примесей. Предельно допустимое содержание (ПДС) примесей составляет 0,04-0,4 мг, в зависимости от типа и режима работы установок.

Для защиты блоков разделения воздуха от взрывов применяются внеблочные и внутриблочные методы, исключающие образование взрывоопасных соединений в блоке. Внеблочные методы защиты от взрывов осуществляются следующими способами:

  1. Подача в установки чистого воздуха путем выбора места устройств по воздухозабору. Учитывать нужно розу ветров и загрязненность местности (вдали от ТЭЦ, коксохимического и доменного производств, хранилищ мазута, шлаковых отвалов, газопроводов и т.п.).
  2. Очистка воздуха от углеводородов методом каталитического окисления. Воздух, вышедший из компрессора, пропускают через реактор с катализатором, где протекает реакция 2С2Н2 + 5О2 = 4СО2 + 2Н2О. Катализатором служит марганцевая руда, обработанная солями серебра или палладия.
  3. Комплексная очистка воздуха синтетическими цеолитами. Цеолиты с порами молекулярных размеров (0,0009 мкм) адсорбируют из воздуха углеводороды при температуре 279-281К.
  4. Очистка воздуха от масла, которое может быть причиной взрыва. Полностью исключить поступление масла в разделительный аппарат установок, где используются поршневые машины, чрезвычайно трудно. Кардинальным решением в этом случае является создание установок, в которых для сжатия и расширения, применяют турбомашины, а также использование в компрессорах и детандерах, не смазываемых антифрикционных материалов.

Внутриблочные методы защиты от взрывов основаны на использовании различных адсорбентов (базальта, гофрированной алюминиевой ленты, силикагеля и т.п.).


6. Основы энерготехнологии и вторичные энергетические ресурсы


.1 Использование вторичных энергетических ресурсов


Использование вторичных тепловых энергетических ресурсов (ВТЭР), годовой объем которых в России достигает 4 млрд. ГДж, является значительным резервом экономии. Около половины из них относится к высокопотенциальным ВТЭР - это теплота продуктов производства, уходящих газов и др. Низкопотенциальные ВТЭР - это теплота промышленных стоков, конденсата, уходящих газов с температурой ниже 3000 С, оборотного водоснабжения, вентиляционных выбросов и др.

Высокопотенциальные ВТЭР используются примерно на 60 %, что дает экономию порядка 18 млн. т у. т. в год. В значительно меньшей степени используются низкопотенциальные ВТЭР.

Например, на предприятиях угольной промышленности по оценкам специалистов, эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2-3 раза выше, чем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Затраты (капитальные вложения) на строительство утилизационных установок, отнесенные к 1 т. сэкономленного топлива, в 2-2,5 раза меньше, чем расходы на добычу первичного топлива. Себестоимость тепла от утилизационных установок в 4-6 раз ниже, чем от энергосистем, в 8-12 раз ниже, чем от собственных котельных. Кроме того, утилизация низкопотенциальной теплоты оценивается предотвращением экологического ущерба от загрязнения окружающей среды.

В основе пирометаллургических методов получения черных и цветных металлов лежат физико-химические превращения металлосодержащих материалов, позволяющие осуществлять извлечение, рафинирование и тепловую обработку металлов. Подавляющее большинство этих превращений (процессов) происходит с поглощением тепла, а их скорость определяется температурой процесса. Необходимая для этого теплота выделяется в результате горения топлива или преобразования электроэнергии.

Значительная энергоемкость металлургического производства требует постоянной и целенаправленной работы по оптимизации использования топливно-энергетических ресурсов. Кроме топлива и электроэнергии (первичные энергоносители) металлургические предприятия потребляют и другие энергоресурсы - пар и горячую воду, сжатый воздух, кислород, азот и др. Наряду с этим металлургические предприятия располагают значительным количеством вторичных энергоресурсов, использование которых обеспечивает существенную экономию топлива и электроэнергии.

Наибольшая доля расхода топливно-энергетических ресурсов приходится на технологические переделы производства металлов. Именно здесь имеются основные резервы экономии топлива и электроэнергии, так как высокотемпературные процессы имеют относительно низкую эффективность использования теплоты. В целом коэффициент использования топлива по различным технологическим переделам в металлургии составляет 10-40%. Это объясняется тем, что значительная часть вносимой в процессе энергии уходит из агрегатов с газами, шлаками, обрабатываемыми материалами и т.д., которые затем могут быть использованы в виде вторичных энергоресурсов (ВЭР). Например, в мартеновском процессе с уходящими газами теряется до 46,0% всего тепла (в то время как с жидкой сталью уносится 18,0%, а со шлаком 5,3%).


6.2 Роль вторичных энергоресурсов


Вторичные энергетические ресурсы в металлургии могут располагать физической энергией (тепловые ВЭР) химической энергией (топливныеВЭР) и потенциальной энергией (ВЭР избыточного давления).

Нужно подчеркнуть, что значительный выход ВЭР в ряде теплотехнических процессов не является их достоинством. Рационально построенная энергетика технологического процесса должна обеспечивать максимально использование теплоты с минимальными потерями (отходами), что в конечном итоге, должно создавать безотходную технологию. Поэтому проблему ВЭР следует рассматривать с двух точек зрения: развития и совершенствования производства в целях снижения их выхода и, если они образуются, их полного и рационального использования.

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) условно можно разделит на две группы: «высокопотенциальные» ВЭР и «низкопотенциальные» ВЭР. К первым обычно относят нагретые до высоких температур отходящие газы металлургических агрегатов, отходящие газы, содержащие горючие составляющие (например, СО) и т.п. Практика использования этих ВЭР широка.

Низкопотенциальные ресурсы (например, отходящие газы с температурой 3000 С и менее) не только не используются, но и рассеиваются в окружающую среду. По мере совершенствования методов использования высокопотенциальных ВЭР, доля энергии, теряемой с низкопотенциальными ВЭР возрастает. Как использовать эти ресурсы? Несколько путей решения этой проблемы уже решены на практике.

. Выработка электроэнергии на базе специальных турбин, работающих на легко вскипающих рабочих телах.

. Использование низко потенциальных ВЭР для обогрева грунта (обогреваемые теплицы).

. Использование перепада давления при дросселировании газа на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах металлургических заводов.

. Использование углекислоты, извлекаемой из отходящих газов для получения сухого льда (который затем можно использовать для быстрой заморозки, хранения, сушки продуктов питания и т.п.)

К сожалению, на некоторых предприятиях вторичные энергоресурсы до сих пор считаются бросовыми и, например, в себестоимости утилизационного пара не учитывается стоимость теплоты отходящих газов. На самом же деле затраты живого и овеществленного труда на производство основной продукции есть одновременно и затраты на образование побочной продукции и отходов. Отходы не имеют потребительской стоимости до тех пор, пока не появятся технические возможности их рационального использования. Теплота отходящих газов позволяет получить дополнительную продукцию (пар определенных параметров), имеющую свою потребительскую стоимость. Эта теплота может быть квалифицирована как топливная составляющая в себестоимость утилизационного пара и выступать в форме платы за вторичные энергетические ресурсы. В этом случае себестоимость утилизационного пара в два-три раза ниже себестоимости пара, получаемого от промышленных котельных.

Особую проблему составляет использование низкопотенциальных ВЭР. Их непосредственное применение, как правило, технически сложно. Однако следует помнить, что выход низкопотенциальных ВЭР составляет более половины всех вторичных энергетических ресурсов. Поэтому их эффективная утилизация является одной из важнейших и перспективных задач на ближайшие годы, так как стоимость единицы теплоты при использовании ВЭР в десятки раз ниже стоимости единицы теплоты, получаемой от других источников, с учетом эксплуатационных расходов на доставку и переработку топлива.


6.3 Утилизация теплоты продуктов сгорания


В металлургическом производстве с целью утилизации тепла отходящих газов применяют рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. В этих устройствах использование тепла газов идет в двух направлениях.

. Тепло отходящих газов расходуется на подогрев воздуха и газообразного топлива, затрачиваемых на отопление печи и, следовательно, снова возвращается в печь. В данном случае утилизация тепла газов непосредственно влияет на работу печи, повышая температуру в печи и увеличивая экономию топлива. Такое использование тепла наблюдается при применении рекуператоров и регенераторов.

. Тепло газов в печь не возвращается, а используется на обогрев котлов-утилизаторов, в которых вырабатывается пар, характеризуемый высоким давлением и температурой. В этом случае установка котла-утилизатора за агрегатом прямо не влияет на его работу, но дает вполне определенный и значительный эффект по заводу в целом.

С теплотехнической точки зрения утилизация тепла отходящих газов приводит к следующему.

а) Экономия топлива. В топливных печах (в отличие от электрических) тепло получается в результате сжигания топлива за счет воздуха. В общее количество тепла, затрачиваемого на процесс, входит и так называемое физическое тепло топлива и воздуха, под которым понимается количество тепла, которым обладает топливо и воздух, будучи нагретыми до определенной температуры. Поскольку на нагрев металла до заданной температуры в конкретной печи требуется строго определенное количество тепла, то, очевидно, что чем выше доля физического тепла в общем тепле, тем ниже доля химического тепла топлива, т. е. тем меньше топлива надо затратить на нагрев.

Чем выше степень утилизации, то есть чем выше нагревается топливо и воздух и, следовательно, ниже температура дымовых газов, уходящих из рекуператора или регенератора, тем выше экономия топлива, так как большая часть тепла снова возвращается в печь.

б) Повышение температуры. Известно, что при сжигании топлива выделяется тепло, которое нагревает продукты сгорания до определенной температуры, называемой температурой горения.

Температура горения равна:


t = Qнр /Vпр Ср С


где Qнр - низшая теплота сгорания топлива, кДж / кг или кДж / м3;

Vпр - объем продуктов, образующиеся при полном сжигании единицы топлива, м3 / кг, или м3 / м3;

Ср - средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг град), или кДж/ (м 3 град).

Если газ и воздух были подогреты до какой-либо температуры и, следовательно, обладали физическим теплом Qф, то это тепло тоже будет расходоваться на подогрев продуктов сгорания. Следовательно, в числителе надо прибавить Qф и тогда


C0


Видно,что чем больше Qф (Qнр для каждого вида топлива есть величина постоянная), тем больше числитель и выше, следовательно, температура горения топлива.

в) Интенсификация горения топлива. Кроме экономии топлива и повышения температуры горения его, подогрев топлива и воздуха приводит к более интенсивному протеканию самих реакций горения топлива. Так, например, максимальная скорость горения водорода при подогреве со 100 до 400 градусов увеличивается более чем в четыре раза. При сжигании жидкого топлива процесс горения интенсифицируется за счет ускорения процесса испарения жидкого топлива и, следовательно, образования газообразной смеси.

6.3.1 Рекуператоры

Слово рекуперация (от слова рекуператор - обратный получатель) означает возвращение энергии, израсходованной один раз при проведении процесса, для повторного использования в этом же процессе.

Керамические рекуператоры используют на печах, где температура отходящих дымовых газов равна 1000-14000 С и обеспечивают подогрев воздуха до 800-9000 С, а иногда и до 11500 С.


6.3.2 Регенераторы

Регенератор - аппарат периодического действия, в котором дымовые газ отдают теплоту аккумулирующему устройству (насадке). После того как насадка будет достаточно нагрета, в неё подают холодный воздух. Нагрев воздуха сопровождается охлаждением насадки. Затем подачу воздуха прекращают и в насадку вновь подают дымовые газы. Таким образом, в насадке регенератора происходят повторяющиеся циклы охлаждения горячих и нагрев холодных газов. Чтобы в печь воздух подавался непрерывно, её оборудуют двумя регенераторами. Если через один из них пропускают дымовые газы и он при этом нагревается, то через другой пропускают в это время воздух и насадка его охлаждается. Через определенное время цикл нагрева и охлаждения насадок меняется на обратный.

Насадку регенератора набирают из огнеупорного кирпича по системе Каупера и Сименса. Насадку Каупера выполняют так, что кирпичи образуют длинные, не соединяющиеся друг с другом вертикальные каналы. В насадке Сименса кирпичи располагают крест-накрест, образуя вертикальные каналы, соединяющиеся друг с другом по всей длине. Такое расположение кирпичей турбулирует поток газа, интенсифицирует процесс передачи тепла и создает большую поверхность нагрева.

В регенераторах воздух нагревают до 1000-12500 С, а температура дымовых газов на входе в регенератор может достигать 1550-16000 С.

6.3.3 Котлы утилизаторы

В отличие от теплообменных аппаратов рекуперативного и регенеративного типа в котлах-утилизаторах тепло дымовых газов используют не на нагрев воздуха или низкокалорийного газообразного топлива, а на подогрев воды выше температуры кипения для получения пара высокой температуры и высокого давления.

Наиболее широко котлы-утилизаторы применяют в сталеплавильном производстве, где все конвертера, и электродуговые печи оборудованы ими. Котлы-утилизаторы устанавливают в непосредственной близости от источника уходящих газов.

Давление вырабатываемого пара составляет 180-450 Н/см2 или 18 и 45 ат температура которого соответственно 340 и 3700 С. Пар таких параметров может быть использован для привода турбин эксгаустеров, турбокомпрессоров и турбовоздуходувок, турбогенераторов небольшой мощности и т. д. Удельная выработка пара составляет 0,30-0,35 т. пара на 1 т. стали при температуре газов, уходящих из котла 250-3000 С.


.3.4 Испарительное охлаждение печей

В промышленных печах ряд узлов и деталей, выполненных из различных материалов и сплавов и работающих при высоких температурах, можно длительно эксплуатировать лишь при условии интенсивного их охлаждения. При этом охлаждаемые элементы отнимают значительное количество теплоты, выделяемой при горении топлива или электрическими нагревателями. В тепловых балансах печей эта статья может достигать 30%. Поэтому излишнее количество охлаждаемых элементов и чрезмерная подача теплоотводящей среды приводят к значительному перерасходу топлива и электроэнергии. На охлаждение печей расходуют более половины всей воды, потребляемой металлургическим заводом.

Для снабжения цехов водой на заводах строят специальные водяные насосные станции, а одним из критериев выбора площадки их строительства является наличие близко расположенных источников воды.

Все системы охлаждения металлургических печей можно разделить на пять групп:

  1. охлаждение холодной технической водой;
  2. охлаждение горячей химически очищенной водой;
  3. испарительное охлаждение;
  4. испарительное охлаждение в комплексе с использованием тепла отходящих газов;
  5. замкнутое охлаждение с парообразованием вне охлаждаемой детали.

Основным охлаждающим элементом (теплоносителем) в указанных системах является вода или пароводяная смесь. Физические свойства воды достаточно хорошо удовлетворяют требованиям, предъявляемым к теплоносителям. Удельная теплоемкость воды больше удельной теплоемкости большинства других жидкостей и возрастает с повышением температуры. Для водяного охлаждения применяют техническую воду, содержащую растворенные соли и технические взвеси. При нагревании воды до температур выше 500 С происходит выпадение растворенных в ней солей и образование накипи, ухудшающей отвод теплоты, что в итоге приводит к прогару охлаждаемых элементов. Для предотвращения отложения накипи температура нагрева воды в зависимости от содержания солей не должна превышать 50-400с. Прошедшая через охлаждаемые элементы вода не обладает достаточным запасом теплоты и не может быть использована даже на бытовые нужды.

Холодная неочищенная вода поступает в охлаждаемый элемент, отбирает от ее стенок тепло, нагреваясь при этом до 30-40 С. Такая система требует больших расходов воды, кроме того, вследствие низкой температуры уходящей воды исключается возможность использования ее тепла.

Сущность метода охлаждения горячей химически очищеной водой. Химически очищенная вода начальной температурой 70 С поступает в охлаждаемый элемент и, отбирая тепло от ее стенок, нагревается до 95 С.

Преимуществами такой системы является возможность использования тепла уходящей воды (например, для теплофикации жилых и производственных помещений), отсутствие накипи на стенках охлаждаемых деталей, а также меньший расход охлаждающей воды.

При испарительном охлаждении химически очищенная вода, поступающая в элемент, доводится до кипения и превращается в пар. Замена холодной воды на кипящую позволяет значительно повысить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности. Для обычной воды он составляет 2-5 кВт /(м2 град),а при парообразовании его значение вырастает до 20-50 кВт (м2 град), т.е увеличивается на порядок. При испарительном охлаждении с каждым киллограммом воды отводится приблизительно 2500 кДж тепла вместо 40-45 КДж при водяном охлаждении, что позволяет сократить расход воды примерно в 60 раз и более.

Непрерывная циркуляция воды в системе с естественной циркуляцией обеспечивается за счет разности удельных весов воды (в опускной трубе) и пароводяной смеси (в подъемной трубе). Образующаяся в охлаждаемом элементе пароводяная смесь по удельному весу легче воды; она поднимается вверх и попадает в барабан- сепаратор, где разделяется (сепарируется) на воду и пар. Пар направляется к потребителю, а вода - по опускной трубе - снова к охлаждаемому элементу. Потери воды из системы в виде пара восстанавливаются химически очищенной водой, подаваемой насосами в барабан- сепаратор. Для улучшения естественной циркуляции барабаны- сепараторы необходимо устанавливать как можно выше над охлаждаемым элементом.

Недостатком такой системы является низкое давление получаемого пара, составляющее 5-20 Н/см2, или 0,5-2,0 ат. Получение пара более высокого давления невозможно из-за того, что конструкция охлаждаемых деталей в виде полых коробок не выдерживает повышенных давлений.

В системе с принудительной циркуляцией рисунок 6.7 циркуляция воды в контуре барабан - сепаратор - охлаждаемый элемент осуществляется специально установленным циркуляционным насосом. Переход от коробчатых конструкций охлаждаемых деталей к трубчатым и сверленым позволяет применить систему с принудительной циркуляцией и довести давление пара до 300-400 Н/см2 или 30-40 ат.

Остальные способы по существу являются разновидностями испарительн6ой системы охлаждения.

По сравнению с водяным охлаждением система испарительного охлаждения имеет следующие преимущества:

  1. срок службы охлаждаемых элементов увеличивается в 10-15 раз;
  2. исключаются горячие ремонты печей из-за прогара его отдельных элементов, так как при использовании химически очищенной воды не образуется накипь;
  3. отпадает необходимость в создании дорогостоящих охладительных сооружений: градирен, брызгальных бассейнов, прудов-охладителей, водоводов, мощных насосных станций;
  4. значительно уменьшаются диаметры труб водоводных систем;
  5. наращивают мощности насосных станций вследствие уменьшения расходов воды;
  6. в процессе охлаждения вырабатывается дополнительное количество пара энергетических параметров.

Однако следует учитывать, что испарительное охлаждение требует установки дополнительного оборудования (циркуляционных насосов, баков с питательной водой, отпускных труб, установок химической очистки воды) и не исключает возможности попадания воды в рабочее пространство, которое может привести к взрывам и выбросам расплава металла.


6.4 Утилизация теплоты готового продукта и шлака

Физическая теплота горячих продуктов различных переделов черной и цветной металлургии может быть использована непосредственно в последующей технологической операции, в теплообменных холодильниках с последующим ее возвратом в данный процесс или для производства пара и горячей воды.

Например, в цветной металлургии многие тепловые агрегаты входят в единую технологическую схему, поэтому готовый продукт одной печи может являться исходным для последующего агрегата. Так, медный штейн, полученный в отражательной или шахтной печи, в расплавленном состоянии поступает в конвертерный цех для дальнейшей переработки. В этом случае физическая теплота штейна входит в тепловой баланс конвертера в качестве одной из приходных статей.

Примером использования теплоты готового продукта являются холодильники вращающихся печей. Они выполняют две функции: технологическую - охлаждают бокситовый или нефелиновый спек, глинозем или другие материалы, и теплотехническую - используют отводимую теплоту на подогрев воздуха, необходимого для сжигания топлива. При этом качество спека в значительной степени зависит от условий охлаждения, и подогрев воздуха позволяет экономить топливо.

Актуальным вопросом комплексного использования энергетических ресурсов является утилизация теплоты отвальных шлаков. Отвальные шлаки составляют значительную долю в материальном и тепловом балансах всех основных процессов металлургии. Так выход шлака на 1 т выплавляемого металла может колебаться от 2-4 т (при выплавке свинцовых руд) до 8-12 т (при выплавке никелевых руд). Количество теплоты со шлаком в тепловом балансе составляет от 10-25% (отражательная плавка и конвертерный передел) до 30-40% (шахтная плавка никелевых руд). При этом температура жидких шлаков может достигать 1300-14000 С. Понятно, насколько велико экономическое значение проблемы утилизации этой теплоты.

Одновременно с этим необходимо решать вопрос о возможности использования самих шлаков. Они могут выступать в качестве нерудного материала, искусственного пористого наполнителя, силикатно-бетонных и минерало-ватных изделий. Экономия от рационального использования шлаков для производства строительных материалов может быть очень существенной. Однако при этом следует учитывать, что шлаки цветной металлургии хотя и являются отвальными, но содержание ценных компонентов в них нередко равно или даже выше, чем в некоторых рудах. Сейчас уже разработаны технологические процессы переработки таких шлаков. Но даже после грубого извлечения цветных шлаков использование отвальных шлаков не всегда рационально. В некоторых случаях их целесообразно использовать в качестве удобрения, так как они содержат различные микроэлементы.


6.5 Применение тепловых насосов для утилизации низко потенциального топлива


Наиболее эффективным средством, позволяющим утилизировать низко потенциальную энергию практически любых промышленных и бытовых выбросов, могут служить тепловой насос (ТН) и теплонаносные установки (ТНУ).

Принцип действия теплового насоса основан на фундаментальных законах термодинамики. Тепло всегда передается от тепла с большей температурой менее нагретому, точно так же, как вода всегда течет сверху вниз и никогда сама по себе не поднимается снизу вверх. Но с помощью насоса можно заставить жидкость двигаться по трубам «в гору». Подобно гидравлическому насосу ТН может передавать тепло окружающей среды телу, имеющему более высокую температуру.

Тепловые насосы, или термотрансформаторы, - это экологически чистые компактные фреоновые установки (агрегаты), позволяющие получать тепло и горячее водоснабжение (ГВС) за счет использования тепла низкопотенциального источника (НПТ) путем передачи его к теплоносителю более высокой температуры (ВПТ). В качестве источника НПТ могут быть использованы промышленные и очищенные бытовые стоки, вода технологических циклов, тепло грунтовых, термальных вод, воды рек, озер, морей, систем водо- и тепло снабжения, тепло, получаемое при очистке дымовых газов и любых других сбросных потоков.

Тепловые насосы - единственные установки, которые производят в 3-7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической энергии на привод компрессора.

Тепловые насосы используются для автономного обогрева и ГВС жилых и производственных зданий, для охлаждения и поддержания постоянной температуры воды технологических циклов, что позволяет контролировать и регулировать температурные режимы теплоносителей, а также заменить громоздкие, дорогостоящие и загрязняющие окружающую среду системы открытого типа, например градирни.

В настоящее время практическое значение приобрели компрессионные и абсорбционные тепловые насосы.

Парокомпрессионный фреоновый ТН представляет собой двухконтурный аппарат, где фреоновый контур является герметичным. Передаче тепла от источника НПТ к фреону и от фреона к воде закрытой системы отопления происходит в кожухотрубных теплообменниках.

ТН состоит из двух агрегатов-компрессорного и испарительно-конденсаторного (АИК). Аппарат компрессорной содержит компрессор с регулятором производительности, электропривод (могут использоваться другие приводы, например, дизели, газовые двигатели и т.п.), масло делитель, маслонасос, а также фильтры, запорную арматуру, трубопроводы и систему автоматизации. АИК состоит из конденсатора, испарителя, теплообменника, переохладителя, фильтра-осушителя, системы подачи жидкого фреона в испаритель. Оба агрегата - компрессорный и АИК - устанавливаются рядом, жестко закрепляются на фундаментах и соединяются между собой трубопроводами нагнетания и всасывания. Возможно и моноблочное исполнение теплового насоса.

В тепловом насосе обеспечивается замкнутый цикл движения фреона. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где он находится в межтрубном пространстве, а по трубам испарителя проходит вода от низкопотенциального источника. Дроссельное устройство ТН автоматически настроено так, что жидкий фреон, поступивший в испаритель, имеет температуру кипения на несколько градусов ниже температуры воды низкотемпературного источника. По этой причине происходит кипение фреона в испарителе, при этом вода самого низкотемпературного источника охлаждается и сбрасывается. Сухие пары фреона, полученные за счет охлаждения низкотемпературного источника, всасываются компрессором и сжимаются, при этом повышаются давление и температура паров фреона. Термодинамические свойства фреона таковы, что чем больше давление паров, тем выше температура кипения и конденсации. После компрессора фреон поступает в межтрубное пространство конденсатора, по трубам которого проходит вода, циркулирующая в системе отопления. Так как вода имеет температуру ниже требуемой для конденсации сжатого фреона, последний сжимается и в жидком виде направляется в переохладитель, где также отдает тепло воде из системы ГВС, нагревая ее. Фреон при этом охлаждается, после чего через дроссель опять возвращается в испаритель. Цикл завершен.

Для работы теплонасосной установки необходимо постоянный источник воды, а также электроэнергия на привод компрессора и циркуляционных насосов.

В адсорбционном тепловом насосе вместо механической энергии используется тепло, а в качестве рабочей среды - смесь двух жидкостей (например, жидкий аммиак-вода). При нагреве летучие компоненты испаряются, а после теплоотдачи снова абсорбируются.

Энергетическая эффективность обратного термодинамического цикла оценивается так называемым коэффициентом преобразования, который определяется как отношение суммы утилизированного тепла и превращенной в тепло механической работы, затраченной на сжатие хладагента, к величине этой работы. Коэффициент тем больше, чем меньше разность температур испарения и конденсации хладагента, обусловленная различием давления в испарителе и конденсаторе. А чем больше коэффициент преобразования, тем меньше затрачивается механическая энергия.

Со времен создания первой отопительной системы по принципу теплового насоса прошло уже около 50 лет. И хотя ТНЦ распространились по всему миру, область их применения до недавнего времени была ограничена преимущественно бытовой сферой. Однако в последние годы их начали внедрять на промышленных предприятиях многих отраслей в развитых странах. Многие специалисты считают, что ТНЦ в ближайшей перспективе займут основное место в низкотемпературных системах теплоснабжения.

Важнейшей особенностью ТНЦ является универсальность по отношению к виду первичной энергии, возможность использования практически всех видов энергии, поскольку компрессор ТНЦ может приводиться в действие механическим, электрическим и любым тепловым двигателем. Это способствует оптимизации топливного баланса с замещением дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Вторым преимуществом ТНЦ является универсальность по отношению к уровню мощности, изменяющейся от долей до десятков тысяч кВт и по существу перекрывающей мощности всех существующих теплоисточников, включая малые и средние ТЭЦ. С учетом многообразия целевых назначений это обеспечивает максимальные масштабы потенциального использования ТНЦ.

Третье преимущество ТНЦ связано с весьма крупным энергосберегающим эффектом, изменяющимся в зависимости от типа ТНЦ и замещаемого теплоисточника от 20-30 до 50-70%. Универсальность, позволяющая замещать и крупные котельные, и менее низкоэффективные электронагреватели или теплогенераторы, обеспечивает и максимальную абсолютную экономию топлива. К примеру, она может многократно превысить экономию от традиционной теплофикации.

Крупным преимуществом схем теплоснабжения с электрическими ТНЦ является их высокая экологическая эффективность. ТНЦ даже могут улучшить экологическую обстановку, снижая тепловое загрязнение окружающей среды.

Как свидетельствует мировой опыт, ТНЦ могут использоваться в качестве квартирных, домовых, квартальных и районных источников теплоснабжения. Они не требуют больших сроков строительства и значительных территорий. ТНЦ могут размещаться вблизи потребителей, что позволяет минимизировать протяженность тепловых сетей, причем пониженные параметры теплоносителя позволяют заменить металлические трубопроводы пластмассовыми, не подверженными коррозии. В ТНЦ нет открытого пламени, они легко автоматизируются, а ремонт осуществляется путём замены отдельных агрегатов и узлов, т.е. в заводских условиях, что снижает количество ремонтно-эксплуатационного персонала, улучшает условия труда, обеспечивает надежность эффективность теплоснабжения.

В целом проблема создания тепловых насосов вышла за рамки отдельных стран. Наибольшее количество действующих ТН имеется в США и Японии, где преимущественное распространение получили теплонаносные кондиционеры, предназначенные для круглогодичного кондиционирования воздуха помещений. Для этих целей и отопления тепловые насосы используются примерно в 30% жилых и коммерческих зданий.

Характеристики тепловых насосов компрессорного типа с регулируемой тепло производительностью, выпускаемые на одном их российских предприятий, приведены в таблице 6.1.


Таблица 6.1. Характеристики тепловых насосов

Тепловой насосНТ - 300НТ - 500НТ - 1000НТ - 3000Тепло производительность кВт: для воды с температурой 8°С для воды с температурой 25°С 300 400 500 800 1000 1600 2500 4000Потребляемая электрическая мощность, кВт, для воды с температурой 8°С 90 150 300 630Площадь отапливаемого помещения, м2, из расчета 0,7 кВт/м2 4300 7140 14250 35700Температура (конденсатора) хладагента, °С80808080Расход воды, м3/ч: горячей низкопотенциального источника 25 50 35 70 85 165 140 310

6.6 Автоматизированные системы контроля и учета энергоснабжения и управления процессом энергосбережения


В условиях рыночных отношений особое значение приобретает автоматизированный учет энергоресурсов: электрической и тепловой энергии, газа, сжатого воздуха и воды.

Актуальность внедрения автоматизированных систем контроля и учета энергии определяется не только экономической значимостью, но и необходимостью повышения оперативности, точности и достоверности учета электроэнергии и мощности в сложной финансовой ситуации энергосистем и промышленных предприятий.

Внедрение автоматизированных систем учета само по себе не дает экономического эффекта. Потребитель, внедряя АСКУЭ получает значительный экономический эффект по показателям потребления и снижения платы за тепловую и электрическую энергию. АСКУЭ является инструментом перераспределения денежных средств между производителем и потребителем электрической энергии, а также технической основой правового регулирования в сфере энергосбережения.

Оперативный автоматизированный контроль потребления ресурсов, производства и распределения энергии позволяет определить пиковые периоды и основные источники потерь, наметить мероприятия по их минимизации: в результате может быть достигнута экономия потребляемой энергии на 12-15%. Комплексная автоматизация систем производства и потребления основных энергоресурсов, систем водо-, газо- и теплоснабжения позволяет достичь экономии до 20% расходуемой энергии.

Автоматизированные системы контроля и учета энергии позволяют уменьшить потребление электрической энергии за счет эффективного регулирования электрических нагрузок и снижать оплачиваемую потребителем генерирующую мощность за счет формирования вне пикового энергопотребления предприятий (смещение предприятием своих электрических нагрузок с периодов прохождения минимума мощности в электросистеме в другие зоны). Необходимо (актуально) разработать и внедрить механизм, эффективно формирующий режимы электропотребления предприятий. С целью максимально приблизить к идеальной форме взаимные расчеты между энергоснабжающими организациями и потребителями энергии практически во всех развитых странах широко применяются современные метрологически аттестованные автоматизированные системы контроля, учета и управления электропотреблением (АСКУЭ).

Средства инструментального обеспечения АСКУЭ должны позволять производить сбор и оперативную дистанционную передачу по различным каналам связи на диспетчерские пункты энергоснабжающих предприятий всего необходимого объема данных для оперативного контроля и коммерческих расчетов потребления электроэнергии по многоставочным, дифференцированным по времени суток или сезонам, периодам любой сложности с использованием современной вычислительной техники.

Благодаря оперативному и одновременному контролю со стороны энергоснабжающей организации и потребителя появляется возможность без конфликтной без акцептной формы взаиморасчетов с автоматической выпиской и доставкой счетов каждому абоненту. Ускорение банковских операций, достигаемое благодаря применению безакцептной формы расчетов за электроэнергию, позволяет компенсировать затраты на создание и эксплуатацию АСКУЭ.

Другой функцией АСКУЭ является целенаправленное регулирование режимов энергопотребления для обеспечения энергосбережения. Необходимость такого регулирования обусловлена значительной разницей между пиком нагрузки и ночным провалом в энергосистемах, недостаточной регулирующей возможностью тепловых электростанций и АЭС для покрытия переменной части графиков нагрузки, неблагоприятной тенденцией снижения доли маневренных мощностей в энергосистемах, вызванной укрупнением энергоблоков, значительными капитальными и энергетическими затратами, связанными с сооружением и эксплуатацией пиковых агрегатов, технической возможностью и экономической целесообразностью искусственного выравнивания графиков нагрузки.

Структуры электропотребления в значительной степени определяют и особенности построения АСКУЭ. Если в России, где в балансе электропотребления энергосистем преобладающий удельный вес (до 70%) составляет потребление промышленных предприятий и система АСКУЭ сориентирована в основном только на них, то в развитых капиталистических странах, где преобладающий удельный вес (до 60%) приходится на потребление коммунально-бытовых предприятий, системы АСКУЭ в значительной степени ориентированы именно на таких массовых потребителей. В этих странах широко используются различные системы массового управления такими потребителями (по силовой сети, по радио и др.).

В настоящее время во многих энергосистемах России создаются (а в ряде энергосистем уже внедрены первые очереди) современные метрологически аттестованные автоматизированные системы контроля, учета и управления электропотреблением.


7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ


7.1 Энерго-экологическая оценка металлургического производства


Перспективы развития общества тесно связаны с разработкой новых технологических решений, с выбором новых направлений в технике, отвечающих экологическим требованиям. Комплексный энерго-экологический анализ - основа объективного и количественного выражения экологического качества технологий, базовая составляющая инженерного заключения о перспективности того или иного направления в технике.

Черная металлургия остается одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности. При этом в отрасли расходуется около 18% топлива и до 16% электроэнергии, потребляемых в нашей стране. В этой связи важным представляется последовательное рассмотрение и оценка энергетической и экологической сторон металлургического производства.

Основные составляющие энергетической оценки целесообразно сгруппировать по следующим направлениям:

. Прямые затраты электроэнергии и топлива (за вычетом образовавшихся и в дальнейшем используемых ВЭР) в основной технологической цепи основных цехов и производств продукции.

. Косвенные затраты электроэнергии и топлива в отрасли или технологически связанных друг с другом комбинированных производствах.

.1. В смешанных с основной экологической цепью цехах и производствах энергоносителей потенциальной энергии давления и тепловой энергии газа или жидкости (сжатого газа, сжатого или разделенного на составляющие воздуха, воды, пара и т.д.).

.2 Скрытые в сырье и других используемых материалах, в капитальных сооружениях, в оборудовании, инструменте, в переработке или захоронении отходов.

. Косвенные затраты электроэнергии и топлива в общенациональном масштабе:

.1. На транспорт энергоносителей, сырья, продукции и отходов, включая и транспортные отраслевые затраты энергии, на оборудование в капитальные сооружения транспортных систем.

.2. на капитальные сооружения, оборудование и функционирование топливно-энергетического комплекса (ТЭК). На потерю при преобразовании топливной энергии в электрическую, включая и на ТЭЦ отрасли.

.3. На общенациональные и социальные составляющие отрасли.


7.1.1 Прямые затраты энергии

Черную металлургию России на 90% характеризует работа восьми комбинатов с двустадийным производством стали (железная руда - чугун - сталь). Это ММК, НТМК, КМК, НОСТА, ЧерМК, НЛМК, ЗСМК, МЕЧЕЛ. Их основные производственно-технологические показатели по данным за 1995 год приведены в таблице 7.1.

Среднегодовой средневзвешенный по комбинатам фактический прямой расход энергии на производство 1т продукции (в скобках приведены минимальные / максимальные значения для отдельных комбинатов) составил следующие величины, представленные в таблице 7.2.



Таблица 7.1 Производственно-технологические показатели работы восьми крупнейших комбинатов России

ПоказателиКомбинатыММКНТМККМКНОСТАЧеРМКНЛМКЗСМКМЕЧЕЛПроизводство стали, млн. т/год7,585,133,562,878,177,054,782,49Структура сталеплавильного производства, %Конвертерное56,548,40,60,655,796,698,2661,1Электросталеплавильное0,040,1719,319,58,174,01,7414,8Мартеновское43,4651,4380,780,536,130,00,024,1Расход чугуна, кг/т стали850840530645795885890590Расход лома, кг/т стали300310620505355265260560Расход кокса, кг/т чугуна455510540600425440515600Расход стали, кг/т проката11261250126513101180108511531270


Таблица 7.2 Среднегодовой фактический расход энергии на производство 1т. продукции (в скобках минимальные / максимальные значения для отдельных комбинатов)

Вид продукцииЭлектроэнергия, кВт.чТопливо, кг у.тСумма первичной энергии, кг. у.тКокс65 (46/95)170 (149/221)192 (151/254)Агломерат43 (29/76)62 (54/70)78 (65/96)Чугун88 (37/141)701 (634/800)732 (670/819)Сталь106 (64/205)74 (30/142)111 (56/203)Прокат156 (88/279)152 (121/210)207 (169/253)

Из приведенных данных видно, что комбинаты, несмотря на то, что их объединяет в основном однотипный двухсторонний способ производства стали, значительно различаются по технологическим показателям, а значит и по прямым затратам энергии.

Для стали и проката это в первую очередь связано с различием структуры их производств способов разливки стали и видов продукции, так например, наименьший расход чугуна и наибольший расход лома на КМК особенно в сравнении с НЛМК и ЗСМК объясняется тем, что последние практически всю сталь производят конвертерным процессом для которого характерна ограниченная доля лома в металлической шихте (в пределах 24-26%). Существенное различие в расходе стали на производство проката на ЗСМК обусловлено тем, что при одинаковой структуре сталеплавильного производства вся сталь на первом комбинате разливается в изложницы, а на втором - получают непрерывно-литые заготовки.

Для агломерата и кокса структурные и видовые различия малозначимы. Однако в этом случае весьма большой процент приходится на различного рода нетехнологические затраты: простои, ремонты, неполная загрузка оборудования (недоиспользование мощности) и общецеховые затраты. Например, в коксохимическом производстве основное потребление топлива связано с работой коксовых печей. По балансу тепла в рабочий час на этих печах может расходоваться (с учетом отсева мелочи) до 100 кг у.т/т скипового кокса, что в сравнении с фактическими данными, приведенными в таблице 7.2, в 1,5-2,2 раза.

Средневзвешенный по комбинатам среднегодовой интегральный прямой расход энергии на производство 1т проката в основной технологической цепи составил: электроэнергия - 478 кВт.ч/т.; топливо - 1078 кг у.т.; первичная энегрия - 1245 кг у.т.

Учитывая большой объем необходимой информации при энерго-экологическом анализе по каждому отдельному комбинату, ниже приводится преимущественно средневзвешенные по восьми комбинатам данные.


7.1.2 Косвенные отраслевые затраты энергии на 1т проката

На различных этапах (стадиях) металлургического производства используются самые различные шихтовые материалы, топливо, огнеупоры, технологические газы. Энергоемкость, т.е. затраты энергии на получение, например, стали представляет собой сумму затрат потенциальной и тепловой энергии как, собственно, в сталеплавильном производстве, так и на всех предшествующих ему этапах получения материалов, использованных непосредственно на сталеплавильную операцию, включая энергоносители (топливо, электроэнергию и т.д.). Для каждого отдельного исходного материала учитываются затраты энергии на добычу сырья, его транспортировку и подготовку к производству (с учетом всех компонентов шихты). Энергоемкость используемого топлива, кроме затрат на его добычу, переработку и транспортировку, выключает и теплотворную способность. Поэтому при суммировании энергоемкости участвующих в процессе материалов вычитается, имеющих теплотворную способность или значительное теплосодержание и поддающихся утилизации для дальнейшего полезного использования в качестве теплоносителей.

В таблице 7.4 представлены обобщенные данные об энергоемкости основных шихтовых материалов, топлив и огнеупоров, технологических газов, использующихся в сталеплавильном производстве.


Таблица 7.4 Удельная энергоемкость основных материалов сталеплавильного производства

МатериалыЕдиница измеренияЭнергоемкостьМатериалыЕдиница измеренияЭнергоемкостьАгломератМДш,/кг2,2ИзвестьМДш,/кг5,4Уголь, антрацитМДш,/кг31,0ОгнеупорыМДш,/кг16,5КоксМДш,/кг40,4ЭлектродыМДш,/кг186,0Природный газМДш,/кг37,6КислородМДш,/кг5,8МазутМДш,/кг41,0АзотМДш,/кг2,5ЧугунМДш,/кг23,8АргонМДш,/кг35,6МеталлоломМДш,/кг0,2Сжатый воздухМДш,/кг1,15Металлизованные окатышиМДш,/кг17,0ЭлектроэнергияМДш,/кг11,25Ферросплавы: ФМН 75 ФС 45 МДш,/кг МДш,/кг 55,1 70,3 МДш,/кг МДш,/кг

В результате расчета первичных энергетических затраты на получение чугуна (таблица 7.4), его удельная энергоемкость достигает значительных величин (23800 МДт/т) и на 85 % определяется энергоемкостью кокса и его расходом в доменной плавке.

Важнейшим шихтовым материалом сталеплавильного процесса является металлический лом, аккумулирующий энергетические затраты на стадиях его заготовки, складирования, транспортировки и подготовке к плавке. Суммарные энергозатраты на отмеченные операции составляют порядка 200 МДт/т, т.е. около 1,3% от энергозатрат на получение чугуна, что делает использование металлолома эффективным средством снижения энергоемкости сталеплавильного производства.

Результаты расчета расхода потенциальной энергии смешенных цехов и производств представлены в таблице 7.5.


Таблица 7.5 Потенциальная и тепловая энергия газов и воды, используемая в смешаных цехах

ЭнергоносителиРасход энергоноситетелй м/тУдельная энергия носителя Вт.ч/мРасход энергии кВт.ч/тКислород195710138,7Аргон1,730005,1Азот202505,0Сжатый воздух70755,2Вода смешных цехов10025025

Расход потенциальной энергии смешных цехов и производств составил 179 кВт.ч/т проката.

В таблице 7.6 представлены данные о расходе материалов и энергии смешных цехов производств отрасли


Таблица 7.6 Скрытая энергия расходуемая в смешных цехах

ЭнергоносителиРасход материаловУдельная энергия материаловРасход энергииКг/тГ у.т/кгКг у.тКвт. Ч/тЖелезная руда (обогащенная) Лом металлический: Оборотный Привозной Огнеупоры Известь Известняк Раскислители и легирующие Ремонтные материалы Амортизация капитальных сооружений и оборудования1500 220 230 25 50 300 1535 10 30 250 220 0,35 250035 2,2 6,9 6,3 11,0 1,6 37 15 11550 50 85

Всего расход скрытой энергии смешных цехов производств отрасли составил: топливо - 230 кг у.т/т, электроэнергия - 185 кВт.ч/т. Общий же расход косвенных затрат энергии при производстве проката в отрасли соответственно: топливо - 230 кг у.т/т, электроэнергия - 364кВт ч/т

При расчете расхода энергии, обязанной с амортизацией капитальных вложений, было принято: удельные капитальные вложения на одну тонну вводимой годовой мощности проката в отраслевом разрезе - 470 долл/т (в народнохозяйственном - 520 долл/т), норма амортизации - 7%, энергоемкость национального дохода - 4,5 кг у.т./долл.


7.1.3 Косвенный общенациональный расход энергии на 1 проката


.1.3.1 Транспортные энергозатраты

Для обслуживания единой металлургии в основном используют три вида транспортных систем: железнодорожная, трубопроводная и ЛЭП (линии электропередачи). Для нашей страны характерны перемещения грузов и энергии на большие расстояния. Так средняя дальность перевозки некоторых грузов для металлургии по железной дороге в 197 году составляла, км: руда железная - 778, лом черных металлов - 847, заготовки стальные - 2922 и т.д. Грузоперевозки железной руды и коксующихся углей в расчете на 1 т чугуна характеризовались следующими величинами, т.км: ЧерМК - 5300, НЛМК - 5200, ММК - 4700, ЗСМК - 3900.

Транспорт металлургических грузов по железной дороге в среднем по стране может быть принят 4000 т.км, причем из них 2500 т.км - электротягой, 1500 - с дизельной тягой. По нормативным данным на расход энергии на тягу поездов с учетом веса локомотива, вагонов, потерь в контактной сети и прогона порожняка, затраты электроэнергии на перевозку полезного груза (нетто) составляют 25 Вт.ч/(т.км), дизельного топлива - 15г.у.т/(т.км). Энергозатраты на капитальные сооружения и оборудование железобетонного транспорта определены из расчета: удельные капиталовложения на 1 т.км - 0,1 долл., энергоемкость национального дохода - 4,5 кг у.т/долл, с долей электроэнергии 0,2, норма амортизации - 3%.

В целом затраты энергии на железнодорожном транспорте в расчете на 1 т проката составили: электроэнергия - 94 кВт.ч, топливо - 65 кг к.т., первичная энергия - 98 кг у.т., доля амортизации - 55%. С учетом погрузочно-разгрузочных работ и внутриотраслевого перемещения грузов общие затраты энергии на транспорт сыпучих и материалов оцениваются в 110 кг у.т/проката (электроэнергия - 100 кВт.ч, топливо - 75 кг у.т).

Прямые затраты энергии (амортизация кап сооружений и оборудования учтена отдельно в показателях ТЭК) в трубопроводном транспорте в настоящее время составляют около 40 Вт.ч/(т.у.т км), при передаче электроэнергии по ЛЭП - 20 Вт.ч/(МВт.ч км). Принимая среднее расстояние трубопроводного транспорта для черной металлургии - 4500 км, а ЛЭП - 1500 км и учитывая, что общее потребление нефтегазового топлива, необходимого для функционирования металлургической отрасли с учетом общенациональных затрат примерно равно 900 кг у.т/т проката, потребление электроэнергии - 1530 кВт.ч/т проката (находятся, соответственно, как сумма всех топливных и электрических затрат с учетом амортизации коксооружений и образования в национальном масштабе и энергобалансов в черной металлургии и стране). В расчете итогов имеем: потребление энергии при трубопроводном транспорте нефти и газа составляет 162 кВт.ч/т проката, при передаче электроэнергии - 46 кВт.ч/т проката, что в сумме первичной энергии примерно равно 73 кг у.т/т проката.


7.1.3.2 Топливно-энергетический комплекс

Производство электроэнергии и добыча топлива сами по себе являются значительными потребителями энергии. Их энергетическая эффективность характеризуется коэффициентом энергоотдачи - отношением полученной энергии к полным энергозатратам на создание и функционирование объектов выработки энергии или добычи топлива.

С учетом динамики снижения коэффициентов энергоотдачи в настоящее время могут быть приняты следующие удельные величины энергозатрат ТЭК: электроэнергетика (при термодинамическом КПД преобразования энергии 100%) - 77 г.у.т/(кВт.ч), нефтегазовая промышленность - 140кг у.т/т у.т, угольная промышленность - 310кг у.т/т у.т. В соответствии с энергобалансом страны доля электроэнергии во всех энергозатратах ТЭК - 0,2.

При общем суммарном потреблении энергии на 1 т проката ( с учетом затрат энергии в ТЭК): электроэнергии - 1530кВт.ч, нефти и газа - 900кг у.т., каменного угля - 1000 кг у.т., - затраты энергии на создание и функционирование ТЭК равны: топливо - 443кг у.т., электроэнергия - 317 кВт.ч., первичная энергия - 554 кг у.т.

Основные источники электроэнергии: тепловые КЭС, ГЭС, АЭС и отраслевые ТЭЦ. На долю отраслевых ТЭЦ в среднем в черной металлургии приходится около 20% электроэнергии, хотя по комбинатам значение ТЭЦ неравнозначно: например, на ЧерМК доля собственной электроэнергии около 40%, на НЛМК - 25%. Расход первичной энергии в единицах условного топлива (у.т.) на 1 кВт.ч для ТЭЦ составляет 360-420, для КЭС электроэнергетики страны - 320-330 г у.т. В настоящем учебном пособии для пересчета электроэнергии в топливные единицы была принята средняя величина, равная 350 г у.т/(кВт.ч). Электроэнергия ГЭС и АЭС(ее около 30%) отдельно не учитывалась.


.1.3.3 Общенациональные и социальные составляющие отрасли

Общенациональная часть металлургической отрасли в стоимостном выражении оценивается в 50 долл. на 1 т годовой мощности проката. По затрате энергии это соответствует примерно 11 кг у.т и 8 кВт.ч электроэнергии. Производство проката на одного работающего в металлургии составляет около 70 т/чел. год, что соответствует 0,014 чел.год/т проката. При удельном показателе расхода энергии 7000 кг у.т/чел год можно в первом приближении оценить социальные энергозатраты, приходящиеся на 1т проката, величинами 80 кг у.т. и 55 кВт.ч с электроэнергии.


7.1.4 Итоги энергетической оценки

Интегральный расход энергии при производстве 1т проката по усредненным данным работы восьми комбинатов и результатам экспертной оценки косвенных энергозатрат в отрасли и страны сведен в таблице 7.7.


Таблица 7.7. Интегральный расход энергии при производстве 1т проката

Направление затрат энергииВиды энергии и их количественное выражениеЭлектроэнергияТопливоПервичная энергияКВт.ч%Кг у.т%Кг у.т%Прямые Косвенные отраслевые: Потенциальная энергия давления Скрытая энергия Косвенные национальные: Транспортные ТЭК Социально-отраслевые Всего478 179 185 308 317 63 153031,2 11,7 12,1 20,1 20,7 4,2 1001078 213 75 443 91 190056,7 11,2 3,9 23,4 4,8 1001245 63 278 183 554 113 243651,1 2,6 11,4 7,5 22,8 4,6 100

Обращает внимание, что от суммы затрат электроэнергии ее прямые затраты составляют всего около 31%. Из них на чисто технологические затраты приходится и того меньше (15-25%). В то же время почти 41% электроэнергии расходуется на транспорт и ТЭК.

С учетом амортизации кап сооружений трубопроводного транспорта и ЛЭП (она учтена в статье ТЭК) общие транспортные затраты составляют около 10% первичной энергии, или 240 кг у.т.

В ТЭК основная доля энергозатрат, связанных с металлургией, это затраты в угольной промышленности - 56%. В сумме с транспортными затратами затраты энергии в угольной промышленности соответствуют почти 25% всех затрат первичной энергии или половине прямого потребления энергии в отрасли.

Таким образом, из итогов энергетического анализа черной металлургии страны следует вывод о специфике структуры энергопотребления и о большой доле непроизводительных для отрасли энергозатрат.

При сложившихся энергобалансах потребления топлива приведенный баланс всех статей энергозатрат первичного топлива для черной металлургии России выглядит следующим образом (таблица 7.8).


Таблица 7.8. Баланс всех статей энергозатрат первичного топлива для черной металлургии России

ПотребительВид топлива и доля в балансе, %Природный газУгольНефтьРоссия в целом Электроэнергетика Прямой текущий баланс для черной металлургии Приведенный баланс для черной металлургии52 62 32 4320 28 68 4928 10 - 8

С учетом приведенных балансов потребление натурального топлива на 1т проката распределится следующим образом, кг у.т.: природный газ - 1047; каменный (и бурый) уголь - 1194; нефть - 195.


7.1.5 Экологическая оценка

В металлургии большое значение в воздействии на окружающую среду (ОС) имеют выбросы. Они по комбинатам в 1995 году имели следующие показатели (таблица 7.9)


Таблица 7.9 Величина выбросов по металлургическим предприятиям России, кг

ПоказателиКомбинатыММКНТМККМКНОСТАЧерМКНЛМКЗСМКМЕЧЕЛНа 1т стали,50,554,359,749,758,862,665,758,5На 1т проката,56,962,975,565,169,468,075,867,6На 1т у.т топлива, израсходованного в отрасли45,756,565,948,359,457,563,262,3

Средневзвешенная натуральная масса выбросов вредных веществ на 1т у.т, израсходованного в отрасли, составляет 56 кг.

Натуральная масса вредных выбросов на взаимосвязанных с металлургией производствах и в стране в целом по данным Государственного Комитета по охране окружающей среды в 1995 году составили:

Электроэнергетика - 24,5 кг/т у.т;

Газовая промышленность - 0,7 кг/ту добытого т;

Угольная промышленность - 3,6 кг/ту. добытого т;

Нефтедобыча - 3,1 кг/ту. добытого т;

Нефтепереработка - 3,5 кг/ту. переработанного т;

Страна в целом - 30кг/ту.т.

Выбросы в единицах натуральной массы без указания показателя их относительной агрессивности или показателя относительной опасности (обратная величина ПДК сут) не в полной мере отражают вред для окружающей среды. Для характерных загрязняющих веществ эти показатели приведены в таблице 7.10.


Таблица 7.10 Показатели агрессивности и опасности загрязняющих веществ

Показатель агрессивности113,916,541,112(1041,1282170Показатель опасности0,3320202512(10125282353В подавляющем большинстве случаев имеются сведения о выбросах лишь 4 компонентов: пыль, SO2, NОx, и СО. По данным выбросов этих компонентов определяли базовые значения интегральных показателей относительной агрессивности.

Приведенная масса (натуральная масса, умноженная на показатель относительной агрессивности) прямых удельных выбросов в основных производствах черной металлургии по усредненным данным имеет следующие значения (таблица 7.11).


Таблица 7.11 Удельные приведенные выбросы в основных производствах черной металлургии

ПроизводствоУдельные приведенные выбросыКг/т продукцииКг/т у.тКоксохимическое Агломерационное Доменное Сталеплавильное Прокатное Огнеупорное150 700 120 120 120 200800 4600 170 1100 580 800

Из приведенных данных видно, что по удельным выбросам агломерационное производство резко превосходит все другие переделы в черной металлургии.


Похожие работы

Анализ системы управления предприятия " Энергетическое производство ОАО НЛМК"
Объектом курсовой работы выступает Энергетическое производство ОАО НЛМК, а ее предметом являются...
Целью производственной деятельности Энергетического производства является бесперебойное обеспечение структурных подразделений комбината всеми видами...
... государства (в Федеральном законе "Об энергосбережении" и энергетической ...
· полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным, и вместе с тем...
...за последнее десятилетие снижение добычи и производства топливно- энергетических ресурсов, отрицательное влияние ТЭК на окружающую среду...
Концепция энергетической политики. Энергетическая стратегия России
За годы реформ, в связи с более резким падением объемов производства в других отраслях экономики, его роль еще более возросла.
- обеспечение энергетической безопасности государства, как важнейшей составляющей его экономической безопасности...
Энергетическая безопасность государства
Основной сферой деятельности данной инстанции должно стать обеспечение глобальной энергетической безопасности путем предотвращения и...
3. Потребуется изменение структуры потребления и размещения производства топливно- энергетических ресурсов.
Организация обслуживания электроустановок и электрооборудования свинарника для ...
‹ Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства ›› Курсовая работа. По предмету
Энергозависимость стран Европейского союза
...электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт. ч, а объем замещения органического топлива - около 1% от...
В этой связи энергетическое партнерство России и ЕС может сыграть особую роль как в обеспечении ...
Энергетич_хоз
Энергетическое хозяйство крупных предприятий находится в ведении главного энергетика.
- обеспечение бесперебойного снабжения производства всеми видами энергии; - наиболее полное использование мощности энергоустройств и их содержание в исправном...
Благотворительность

Загружая свои работы, Вы помогаете не только студентам, но и людям, которым Ваша помощь действительно нужна. Чем именно это помогает? Читать дальше…..