Рассмотрено несколько направлений в области энергосбережения на предприятиях азотной промышленности, не требующие особого изменения в технологии и больших затрат при внедрении, основанные на использовании пароструйных компрессоров при уничтожении низкопотенциального пара, установке паровых турбин для выработки электроэнергии, эксергетического анализа технологических схем, использовании тепла отходящих дымовых газов. Мы подробно расписали несколько примеров энергосбережения в отдельных производствах.
Трудности энергосбережения для предприятий бывшего СССР особо актуальны по сегодняшний день, поскольку рыночные механизмы в экономике отсутствовали, то это привело к тому, что энергоемкость их производств значительно выше промышленно развитых стран.
Поэтому, в России на производство продукции в химической и нефтехимической промышленности используется энергии на 30-60% выше, чем в аналогичных зарубежных производствах. А в азотной промышленности энергозатраты выше зарубежных на приблизительно 35%.
Сегодня уделяется достаточно большое внимание теории и практике химической энерготехнологии с детальным анализом отдельных производств и процессов, методы энергосбережения постепенно внедряются в практику промышленных предприятий.
Также, трудности энергосбережения и пути их разрешения имеют примерно одинаковый характер для предприятий со схожей структурой производств.
На больших предприятиях, занимающихся азотной промышленностью, в большинстве случаев, имеется избыточный пар низких параметров, образующийся в технологических процессах, отработанный низкопотенциальный пар с турбоприводов, потоки конденсата и органических продуктов, имеющих высокую температуру, уничтожение тепла которых затруднена из-за невозможности его использования напрямую в технологии.
Достаточно большое количество тепла количество тепла уходит с отходящими дымовыми газами печей риформинга природного газа, при дросселировании пара до технологически необходимых параметров и так далее.
Благодаря этому крайне интересно рассмотрение нескольких общих подходов при решении проблем энергосбережения, не требующих значительных перемен в технологии и больших капитальных вложений.
По результатам проведения опыта многолетней совместной работы одной купной компании по переработке азота с ОАО ГИАП (г. Москва), лабораторией термодинамики органических веществ НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета (г.Минск), НПО ЦКТИ (г. С.Петербург) можно заметить наиболее эффективные с точки зрения сроков окупаемости затрат направления:
1. Применение паро-струйных компрессоров для утилизации низкопотенциального пара
Для решения проблемы утилизации низкопотенциального пара самым простым и эффективным способом является повышение его давления до технологически приемлемых параметров с помощью паро-струйных компрессоров, методы расчета ко¬торых разработаны хорошими специалистами.
При завершении процесса инжекции за счет энергии пара более высоких параметров повышается давление инжектируемого пара и также есть возможность повысить его температуру до требуемого значения, что очень важно если утилизируемый пар является насыщенным. Используемый нами метод утилизации низкопотенциального пара имеет ряд преимуществ перед остальными способами из-за низких затрат и очень простой конструкции применяемого оборудования, которое можно изготовить при помощи сил ремонтно-механических цехов предприятий.
Мы решили проблемы утилизации благодаря применению пара-струйных компрессоров низко-потенциального пара с турбоприводов компрессоров в аммиачных производствах, избыточного технологического пара в производствах карбамида. Таким образом видим реализацию схемы использования тепла горячего конденсата с предварительным получением пара повторного вскипания, его следующим компремированием и выдачей в заводскую сеть, а также насыщенного низкопотенциального пара от теплоутилизационных установок.
2. Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на теплоэнергетическом оборудовании
Развитая система редукционно-охладительных установок, как правило, существует в энергоемких химических производствах, потребляющих в больших количествах пар. Пар высокого давления редуцируется до технологически необходимых параметров, а также для собственных нужд котельной, отопления и так далее с большими теплопотерями.
Основная экономия энергоресурсов происходит при установке паровых турбин с максимально возможной выработкой электроэнергии, при этом питание главных потребителей пара осуществляется из отборов турбины, в минимальной степени предусматривая работу РОУ.
Здесь же топливо расходуется на выработанный 1 кВт/ч, по сравнению с выработкой электроэнергии по чисто конденсационному циклу, в три раза меньше, а ее себестоимость ниже цены электроэнергии, потребляемой из сети, в 3-7 раз (в зависимости от места расположения турбины).
Так же необходимо рассмотреть ситуацию, когда с целью максимальной выработки электроэнергии пар низких параметров вырабатывается в избытке. Тогда с помощью паро-струйных компрессоров возможно осуществлять корректировку баланса необходимых параметров пара.
3. Внедрение энергосберегающих технологий на базе термодинамического и эксергетического анализа
Термодинамический анализ процессов действующих производств с выполнением необходимых эксергетических расчетов является значительной частью обоснования энергосберегающих технологий.
На примере некоторого комплекса работ мы проиллюстрируем возможности такого подхода при решении задач энергосбережения.
Для многостадийных энергоемких производив особо важно выполнение эксергетических расчетов и на их базе разработка энергосберегающих технологий, коем является производство капролактама, поскольку проектные решения нынешних производств не всегда основывается на глубоком термодинамическом анализе технологической схемы и при их проектировании отдают предпочтение традициям и требованиям нормативной документации, чем логике энергосбережения.
Так, например, не практикуется использование тепла выходящих потоков ректификационных колонн для нагрева исходных продуктов, поступающих на ректификацию, часто не используется тепло, уносимое с продуктами реакции из химических реакторов, и так далее.
В конечном итоге теплообменных процессов основная часть теплоэнергии, поступающей на производство капролактама с паром, отводится оборотной водой и безвозвратно рассеивается в окружающей атмосфере.
Выделим, что хотя капролактам и является многотоннажным промышленным продуктом, данные о термодинамических свойствах полупродуктов его синтезаи немногочислены.
Благодаря этому были рассмотрены термодинамические свойства всех промежуточных (циклогексанол, циклогексанон, циклогексаноноксим, капролактам) и основных побочных (2-циклогексилциклогексанон, 2-циклогексенилцик-логексанон, 2-циклогексилиденциклогексанон, циклогексилацетат) продуктов синтеза капролактама.
Также для определения термодинамических свойств мы брали методы исследования равновесия реакций, определения энтальпий сгорания, энтальпий фазовых переходов, измерение теплоемкости веществ в интервале 5-500 К, давления насыщенного пара, методы статистической термодинамики и в комплексе с литературными сведениями создана база термодинамических данных для всех ключевых соединений производства. Эксергетический анализ был выполнен с использованием полученных данных отдельных стадий и определены основные направления снижения энергопотребления, часть которых реализуется в большом производстве.
Термодинамический анализ стадии дегидрирования циклогексанола говорит нам о отм, что процесс в промышленных условиях зачастую реализуется в условиях, близких к равновесным. Тогда целесообразно повышение объемных скоростей подачи исходного сырья, что не оказывает значимого влияния на степень конверсии и, что естественно, эксергетический КПД процесса, но приводит к довольно большому снижению содержания побочных продуктов в катализате.
Если рассматривать это с обратной стороны, осуществление процесса в термодинамически неблагоприятных условиях снижает эксергетический к.п.д. процесса из-за повышенных энергозатрат на стадии ректификации.
Моделирование с помощью математических методов тепло- и массообменных процессов, происходящих в трубчатом реакторе дегидрирования циклогексанола, показал, что конечная температура реакционной смеси в противоточном по отношению к теплоносителю режиме работы на 15 К больше, чем для прямоточного режима, что говорит о приросте концентраций циклогексанона на ~ 10% и, собственно, снижает энергозатраты на стадии выделения целевого продукта. На одном из производств капролак-тама благодаря полученным данным завершен перевод реакторов дегидрирования на противоточный режим работы.
В результате анализа теплообменных процессов, протекающих на стадии ректификации продуктов окисления циклогексана и дегидрирования циклогексанола, внедрены оптимальные с точки зрения эксергетического анализа варианты теплообмена.
Так же совершено термодинамическое обоснование процесса глубокой переработки побочных продуктов -2-циклогексенилциклогексанона, 2-циклогексили-денциклогексанона и сложных эфиров, входящих в состав отходов производства, — «Х-масел» — в целевые продукты. В промыш¬ленных условиях реализация процесса подтвердила возможность дополнительно выробатывать до 300 кг циклогексанона и циклогексанола из 1 т исходного «Х-масла».
4. Утилизации тепла газовых выбросов
Существует одна проблема утилизации тепла газовых выбросов при обезвреживании (сжигании) отходов производства под атмосферным давлением, выбросе отходящих дымовых газов с высокой температурой из технологических установок и так далее.
Большая сложность решения проблемы состоит в том, что необходимость применения больших теплообменных поверхностей, что требует значительных капитальных вложений неизбежна.
Поэтому мы разработали систему утилизации тепла дымовых газов печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака с использованием теплообменных поверхностей из оребренных труб со спиральной навивкой по наружному диаметру, что значительно снижает металлоемкость оборудования.
Теплота же утилизируется в виде нагретой до температуры 150-160°С и давлением 0.6-0.7 МПа воды с последующей генерацией пара и его использованием на технологические нужды.
При необходимости повышения его температуры и давления это, как мы замечали немного раньше, возможно сделать с помощью паро-струйных компрессоров.
При насыщении пара, полученного с установки утилизации тепла дымовых газов печи риформинга агрегата аммиака мощностью 1360 т/сутки, компремируется паром 2.7 МПа с одновременным повышением температуры и используется на установке ректификации метанола. Излишки пара выдаются в общезаводскую сеть. Итоги работы говорят нам о том, что срок окупаемости затрат на создание установки составляет около 0.2 года.
Все вышеизложенные направления энергосбережения не исчерпывают, конечно же, всех аспектов этой проблемы в полной мере, но иллюстрируют возможность экономии энергоресурсов в ряде случаев без значительных капиталовложений, а также выделяют необходимость решения этих задач на самой ранней стадии проектирования или с целью оптимизации действующих производств, с позиций термодинамики.