Энерготехнологии

Энерготехнологические установки

Количество энергии, которое необходимо подвести на разных стадиях химико-технологического процесса, определено его режимом. Затраты энергии можно уменьшить путем регенерации энергии между стадиями процесса и использования потенциала потоков в самом процессе. Но компенсировать
полностью затраты энергии не всегда удается по нескольким причинам.

Часть энергии теряется необратимо из-за природы почти всех протекающих процессов — они термодинамически необратимы, и диссипация энергии неизбежна. Например, необратимы затраты на преодоление гидравлического сопротивления потоков в аппаратах и трубопроводах. К системе подводится высокопотенциальная энергия, но в технологическом процессе образуется много низкопотенциальных потоков, работоспособность которых ниже исходных, несмотря на содержащееся в них такое же или даже несколько большее общее количество энергии. Часть тепла (энергии) неизбежно теряется с общими тепловыми потерями. К ним относятся испарение как средство поддержания температурного режима (например, в градирнях и других подобных системах), вывод неиспользуемых тепловых потоков, естественные тепловые потери через изоляцию. Если использовать энергетический (тепловой) потенциал оставшихся потоков для покрытия энергетических (тепловых) расходов, то компенсировать полностью их не удается, и дополнительное потребление неизбежно.

Недостающую энергию можно выработать в технологической системе, потребляя топливо. Для этого необходимо в систему включить энергетический узел как подсистему ХТС. Химико-технологическая система, включающая энергетический узел, потребляющий топливо и вырабатывающий энергию для компенсации необратимых потерь с целью поддержания технологического режима и обеспечения функционирования ХТС, называется энерготехнологической системой. Такая система не потребляет энергию извне, энергетически она автономна, потребляя необходимое количество топлива. Энергетический узел, вырабатывающий недостающую энергию из подводимого топлива, является подсистемой ХТС. Приведем два классических примера энерготехнологической системы.

В современном производстве азотной кислоты под давлением один из сырьевых компонентов — воздух — сжимается в компрессоре и направляется в технологические аппараты. После всех превращений остается практически только азот как отходящий газ под давлением меньшим, чем давление воздуха после компрессора. Потенциал отходящего газа недостаточен, чтобы полностью компенсировать затраты на сжатие исходного воздуха, хотя можно его использовать для частичного возмещения затрат. Увеличить энергию отходящего газа как рабочего тела турбины можно повышением его температуры. Для этого в линию отходящего газа подают топливо — природный газ — и сжигают его с остатками кислорода. Это и есть энергетический узел. Но его функции не только энергетические, но и технологические. Подогрев газа нужен для очистки его от остатков оксидов азота. Используя небольшой избыток метана, создают восстановительную атмосферу в отходящем газе, и на катализаторе в реакторе очистки оксиды азота восстанавливаются до азота. После реактора очистки потенциал горячего газа достаточен для привода компрессора воздуха с помощью газовой турбины. После турбины очищенный газ может быть направлен непосредственно в выхлопную трубу. В этой схеме также использована регенерация тепла, сокращающая расходы топлива.

Другой пример — энерготехнологическая схема в производстве аммиака. Для сжатия и циркуляции азотоводородной смеси на стадии синтеза используют мощные турбокомпрессоры, требующие скоростного привода (паровая турбина). Пар высоких параметров обычно получают на ТЭЦ, и производство аммиака становится сильно зависимым от нее. Избежать этого можно в энерготехнологической системе. Дымовые газы после трубчатой печи конверсии метана имеют температуру более 950 °С, и их можно использовать для выработки пара высоких параметров, но их не хватает для привода паровой турбины. Недостаток энергии восполняют сжиганием дополнительного топлива в дымовом газоходе после трубчатой печи, т.е. установкой энергетического узла как элемента технологической схемы. Используют также тепло технологического газа после второй, паровоздушной конверсии метана. Тепла технологического газа, дымовых газов и дополнительной горелки как энергетического узла достаточно, чтобы отказаться от потребления энергии извне. Таким образом, производство аммиака стало автономным по энергии.