Химическая промышленность
Химическая промышленность столь разнообразна, а число технологических процессов столь велико, что невозможно рассмотреть всю химическую промышленность в целом. Однако, выбирая ряд процессов и описывая соответствующие установки в связи с применяемыми или предполагаемыми методами экономии энергии, можно, без сомнения, определить другие области, где могут действовать те же принципы экономии энергии.
Ниже рассматриваются производства аммиака 13.6], метанола [3.16] и этилена [3.17]. Метанол и этилен используются в производстве полиэфирного волокна; этилен является основой для полиэтилена, а ^акже важным компонентом в производстве синтетического каучука. Аммиак применяется в производстве удобрений.В Великобритании химическая промышленность занимает третье место по энергопотреблению вслед за производством чугуна и стали и металлообрабатывающей промышленностью.
Как уже было показано, на долю химической промышленности Нидерландов приходится 12% общего энергопотребления в стране и 1/3 общего промышленного энергопотребления. Таким образом, именно от этой отрасли промышленности в наибольшей степени зависит экономия энергии, и производители химикатов в течение уже многих лет ищут пути достижения этой цели.
В химической промышленности Великобритании имеется тенденция замены твердого топлива природного газом и нефтью. Надежда на природный газ и нефтепродукты в те времена, когда они были доступны и дешевы, привела к переоценке методов экономии энергии. Увеличение цены на нефть в 1973 г. привело к тому, что многие производители химикатов стали искать пути использования технологических газов в качестве топлива и в случае удачных опытов со сжижением и газификацией угля возвращаются к этому виду топлива.
Производство аммиака. В [3.6] приводится анализ этого процесса, однако со времени опубликования работы появились дополнительные возможности утилизации теплоты с помощью тепловых насосов, что будет также рассмотрено в этой главе.
Аммиак получают нз метана иа отдельных стадиях реакции, что видно из рис. 3.6 13.19].
Стадая риформиига. На этой стадии используется пар для конверсии метана. Реакция имеет вид
СН4 + Н20 ^ СО -+ ЗН2.
После того как в первичной стадии риформинга пройдет большая часть реакции, в газ добавляют некоторое количество кислорода до получения хорошо Сбалансированной смеси N, -amp;• Hj. Процесс идет по реакции л „О:.
Г , ' /' ;СН4 + 26* -Н 8N2 -э- С02 2Н20 + 8Na. : !;г Л
Эта реакция горения увеличивает температуру почти до 1000 °С, снижая содержание метана до 0,2%. В результате получают газообразн.ю смесь СО, СО», Н», Н20 к Nj. - • . . ' ¦ ¦ '¦) .,
Конверсия. Газовая смесь охлаждается на этой стадии приблизительно до температуры 350 °С. При контакте с соответствующими катализаторами начинается реакция со сдвигом вправо по следующему уравнению:
СО + Н20 г=ГС02 + н2.
Рис. 3.6. Схема крупной установки по производству аммиака:
/ — паровой котел; 2 — компрессор; 3 — конвертер СО; 4 — абсорбер СОг; 5 —отарная колонка для вывода СО?; 6 —gt; метанатор; 7 — колонна синтеза; 8 — сепаратор
Удаление С02. С02 удаляют из смеси за счет абсорбции в соответствующем растворителе. Оставшиеся следы СО и С02 превращаются в СН4 метанированием.
Синтез. Смесь N2—Н2 затем компримирмот приблизительно до 25 МПа, Нагревают до температу ры 450 еС и ппевпашяют в NHS. Процесс идет по реакции
Поскольку газовая смесь содержит следы СН4 и аргона, для нх ограничения проводится сдувка последних из синтез-газа (5—8%).
Выделение теплоты при г.интезе аммиака из метана.
В результате четырех реакций при синтезе аммиака выделяется теплота:
Общее количество теплоты, выделившейся при синтезе на основе метана, пара и воздуха эквивалентно 34 кДж на 1 моль NH3.
На заводе производительностью 100 т аммиака в сутки компрессоры потребляют более 100 МДж/т энергии для пол.чения давления, необходимого для процессов риформинга и синтеза. На практике большая часть потребностей в теплоте н электроэнергии обеспечивается за счет энергетического оборудования, работающего на сбросной теплоте газов, выделившихся в процессах риформинга и синтеза. Пар, который генерируется при давлении 10—12 МПа и расширяется
в турбине до дарлениц 3 МПа , используется в процессе риформинга и для другвя делрй., Общая эффективность завода йо производству аммиака составляет 83%, а'потребление энергии — приблизительно 35 ГДж на 1 т аммиака.
і Теоретически можно добиться дополнительной 15%'иой экономии энергии. Однако практически имеются невосстановимые потери, включая потерн при конденсации, равные 2,1 ГДж/т, что снижает возможную экономию энергии да6%.
В Нидерландах уже достигнута экономия энергии за счет использования крупных компрессоров с приводом от паровых турбин. Для
Рис. 3.7. Классическая схема завода по -производству метанола фирмы ICI
привода компрессора могут также использоваться газовые турбины о использованием сбросной теплоты для подогрева воздуха для горелок риформинга. В этом случае расход энергии снижается до 33 ГДж/на 1 т аммиака.
Можно получить значительную экономию за счет использования низкопотенциальной теплоты, которая до настоящего времени считалась отходом. Очевидно, есть необходимость объединения аммиачного завода с другими промышленными установками, комплексами и пр. Именно в такой ситуации можно использовать тепловой насос.
Если при этом удастся выработать дополнительное количество пара низкого давления с применением компрессора теплового насоса, приводимого газовым двигателем или газовой турбиной, можно получить дополнительную экономию. Конечно, для достижения высокой эффективности необходимо использовать сбросную теплоту от газовой турбины или двигателя. По причинам, которые будут рассмотрены в следующих главах, в данном случае неэкономично применять тепловые 44 насосы с электроприводом. Если в процессе синтеза будет применяться катализатор, активный при температуре 300 °С, а не при 450 сС, как в настоящее время, то рабочее давление может быть снижено и можно будет отказаться от газового компрессора, что даст 13%-ную экономию первичной энергии.Производство метанола низкого давления. Метанол с применением катализатора на основе меди производится по следующим реакциям [3,19]:
Установка, работающая по этому методу, приводится на рис. 3.7 {3.16]. Природный раз предварительно нагревается в печи рнформинга, эатем удаляется сера и газ смешивается с паром среднего давления, с тем чтобы ускорить эндотермическую реакцию риформинга. Теплота продуктов сгорания газа в печи используется для нагрева воздуха, а также получения перегретого пара, который применяется для привода компрессора н в процессе синтеза. Теплота газов рифор- минг-аппарата используется для нагрева питательной воды котлоагрегата и воды в деаэраторе. Остаточная теплота газов рнформинг-аппарата отводится с охлаждающей водой без дальнейшей утилизации. Затем газ сжимают до 10,3 МПа до врода его в зону синтеза вместе с воздухом; весь газ нагревают до температуры реакции за счет теплоты отходящих газов колонны синтеза. Дальнейшее охлаждение газов из колонны синтеза осуществляетсн водой, в результате чего происходит конденсация сырого метанола. Остальные газы продувают и используют как топливо, а чистый газ сжимают в компрессоре для возвращения в технологический цикл.
Дистилляцию метанола осуществляют, используя отработанный пар низкого давления турбины (482 кПа).
Тепловые установки по производству метанола имеют производительность приблизительно 1100 т/сут с удельным расходом 33,9 ГДж/т.
Предложен ряд модификаций установки при относительно дешевом оборудовании, которые могут привести к уменьшению расхода энергии на заводе приблизительно на 10% [3.16], втом числе усовершенствования, которые показывают, как даже высокоэффективный химический процесс при тщательном изучении может быть значительно улучшен с использованием существующего оборудования:
усовершенствования на стадии дистилляции. При анализе данных, полученных при эксплуатации традиционной установки по производству метанола низкого давления, было найдено, что тепловые нагрузки на стадии дистилляции могут быть снижены без влияния на качество конечного продукта. Вследствие уменьшения расхода пара в рибойлере давление пара на привод турбокомпрессора составляет 8,3- 10® кПа, а расход энергии нетто снижается до 33,6 ГДж/т;
использование теплоты газа риформинга на стадии дистилляции. Установлено, что в газе риформинга содержится достаточное количество теплоты, которая может быть использована на дистилляционной установке, а также для предварительного нагрева питательной воды и воды, направляемой в деаэратор. В результате расход теплоты на установке снизится до 32,5 ГДж/т. Такая усовершенствованная схема приводится на рис. 3 8 13. 161;
использование сбросной теплоты для повышения давления пара.
Рис. 3.8. Реконструкция установки по производству метанола для утилизации теплоты газа риформинга с помощью дистлллиционного рибойлера
На вышеописанных установках с охлаждающей водой отводится большое количество теплоты, выделяющейся в процессе синтеза.
Используя некоторую часть этой теплоты, можно повысить параметры пара среднего давления (2930 кПа), чтобы' его можно было вводить в печь риформинга При этом общий расход топлива снижается на 9%. Необходимые для этого усовершенствования приводятся на рис. 3.9;использование теплоты, выделяющейся при синтезе для нагрева питательной воды котла.
Наиболее эффективным методом использования теплоты синтеза является нагрев питательной воды котла, что показано на рис. 3.10. Наряду с уменьшением необходимости в дополнительном оборудовании по сравнению с другими методами это дает экономию около 11%. Кроме того, на стадии дистилляции можно использовать Теплоту га-
Рис. 3.9. Повышение среднего давления пара как альтернатива сброса теплоты ¦ систему водяного охлаждения
зов риформинга, уменьшая нагрузку конденсатора (по газам и сырому метанолу) на 30%.
Считается также, что давление продувочного газа Д 10,3 МПа) из колонны синтеза может быть использовано в утилизационной турбине мощностью 3,7 МВт, что более чем достаточно для удовлетворения потребности заводов в электроэнергии. 4
Приведенный выше анализ не дает всей картины в,отношении экономии энергии. Здесь не приводится экономическая оценка эффективности капитальны* вложений, связанных с уменьшением расхода охлаждающей воды (расход на реальном заводе составляет 1,76- Ю5 л/т
Рис. 3.10. Использование теплоты, выделившейся при синтезе, для нагрева питательной воды котла
метанола, а предполагаемый завод расходует только 1,32- I05 л/т). (Если вода до реконструкции сбрасывается до охлаждения, то экономия может быть весьма значительной. В Великобритании вода может стоить до 11 пенсов за 1000 л.)
Если воду охлаждать и возвращать в цикл, то удастся снизить расход энергии в градирнях и на насосы. Наибольшей экономии можно добиться, если применять рециркуляцию охлаждающей воды.
Предложенная выше схема усовершенствований в той или иной степени связана с увеличением капиталовложений.
Производство этилена. Так же как и в производстве метанола, в производстве этилена открываются различные возможности по использованию энергосберегающей технологии, в особенности ряда методов по утилизации сбросной теплоты.
Количество высокопотенциальной теплоты, выделяющейся во время пиролиза на крупном этиленовом заводе (1 тыс. т в сутки), составляет примерно 120 МВт, поэтому^очень важно утилизировать эту энергию. На рис. 3. 11 приводится система автономной утилизации сбросной теплоты, в которой уходящие газы печи крекинга / при температуре 1100— 1200° С используются в теплообменниках для нагрева питательной воды котла 2, сырья 3 и получения технологического
4?
пара 4. В пароперегревателе 5 осуществляется также перегрев пара котлоагрегата 6 для процесса пиролиза и других целей. Уходящие газы отводятся в дымовую трубу 7.
Рис. 3.12, Печь крекинга с централизованной системой утилизации сбросной теплоты:
1 — печь крекинга; 2 экбномайзер; Ъ — теплообменник для нлгрёна Сырь» (нафты); 4 — теплообменник для получения технологического пара; 5 — пароперегреватель коглз; 6 —• барабан котла; 7 —дымовая труба
Рис. 3.11. Печь крекинга с системой интегрированной утилизации сбросной теялоты
В системе централизованной утилизации сбросной теплоты, показанной на рис. 3.12, теплообменники устанавливают в вытяжном канале из каждой печи, но они служат исключительно для выработки технологического пара и предварительного нагрева сырья. Весь нагрев питательной воды котлоагрегата и перегрев пара осуществляют с помощью теплообменников, расположенных в общем газоходе. На этой стадии газы охлаждаются до температуры 500—600 °С. Низкая температура уходящих газов и более высокий перепад давления приводят
к необходимости создания принудительной тяги, тогда как в системе автономной , утилизации, очевидно, достаточно и естественной.
При выборе оптимальной схемы при проектировании и реконструкции завода необходимо учитывать не только повышение энергетической эффективности, но и капитальные затраты и эксплуатационные расходы, надежность схемы, а также экологические факторы. Система автономной утилизации теплоты желательна там, где завод состоит из восьми или менее печей крекинга; для более крупного завода больше подходит система централизованной утилизации, хотя общая стоимость теплоутилизационного оборудования составляет небольшую долю в расходах завода в том и другом случае.С точки зрения надежности очевидно, что повреждение в любой из восьми линий потребует отключения только того агрегата, в который включена система утилизации. Применяя же систему централизованной утилизации, при ремонте соответствующих паропроводов должно останавливаться все производство. Тем не менее в ситуациях, когда обязательны высокие дымовые трубы по соображениям защиты окружающей среды, централизованная утилизация предпочтительнее, поскольку здесь требуется только одна дымовая труба.
- Нефтеперерабатывающая промышленность
К продуктам заводов этой отрасли относятся топливо для двигателей и самолетов, дизельное топливо, топливная нефть, сжиженный нефтяной газ, смазочные масла и сырье для химических заводов. (Сырая нефть очищается до нафты, которая служит сырьем для производства ацетилена, метанола, аммиака и многих других химикатов.)
В США, где сосредоточено более 20% всей мировой мощности по нефтепереработке, около 15% общего промышленного энергопотребления приходится именно на эту отрасль. Она стоит на третьем месте по энергопотреблению вслед за производством чугуна и стали и химической промышленностью [3.20, 3.21].
В Нидерландах нефтеперерабатывающая промышленность является вторым крупным потребителем энергии, хотя общая мощность заводов составляет только 65% мощности этой отрасли в Великобритании. Являясь инициаторами «межнациональной» концепции развития промышленности, в нефтеперерабатывающей промышленности гораздо чаще применяют общую энергосберегающую технологию, чем в других отраслях.
Не менее 25% себестоимости продукции нефтеперерабатывающих заводов составляют затраты на энергоресурсы. Именно поэтому технологи по нефтепереработке хорошо знакомы с вопросами энергетики, и большинство передовых методов по сохранению и утилизации энергии уже применяется на заводах.
Основными потребителями энергии на всех заводах по нефтепереработке являются дистилляционные, отпарные и разделительные ко- лончы, где сырая нефть разделяется на ряд конечных продуктов — от пропана до тяжелой топливной нефти. 50% потребляемой энергии
f’uc. 3,13. Схема-дистилдяционнсв установки сырой нефти:
/ — нагреватель; 2 — колонна для фракционирования, сырой нефтн; lt;9 — конденсатор; 4 -• колонна легкого дистиллята; 5 —рибойлер; 6 — дебутанизатор; 7 — колонна для разделе» ния бензина; 9 —депропаїшзатор; 9 — разделительная колонна; /0 — теплообменник
идет на колонну первичной фракционной дистилляции, приведенной на рис. 3.13 (3.221; эта энергия расходуется для нагрева сырой нефти и получения пара, используемого в колонне. Еще 35% энергии потребляется в установке для конверсии, а остальные 15% — для конечной обработки продуктов.
* Доступными методами по увеличению эффективности использования топлива на нефтезаводах являются:
улучшение контроля за процессами, использование для этой цели вычислительной техники;
повышение эффективности утилизации сбросной теплоты; увеличение КПД печи:
увеличение КПД дистилляшюнной установки путем использования дополнительных стадий;
усовершенствование тепловых насосов; использование «общеэнергетических» схем;
использование низкопотенциальной сбросной теплоты для теплоснабжения.
Эти методы вполне применимы для большого числа энергоемких отраслей промышленности. Увеличение КПД дистилляционных установок относится исключительно к нефтехимическим комплексам. Применение системы контроля с вычислительной' техникой направлено на обеспечение оптимальной эффективности использования топлива и дает много преимуществ в управлении энергопроизводительностью отдельных узлов завода. Такие системы внедрены на большинстве новых крупных заводов, если не на всех.
На современных заводах широко используется утилизационное оборудование. Дальнейшие капиталовложения в утилизационное оборудование зависят от соотношения цен на оборудование и энергию. Анализ показывает, что за счет установки дополнительного утилизационного оборудования можно получить экономию около 5% стоимости затрачиваемой энергии. Это исключает повышение КПД печи, которого можно добиться, используя большее число подогревателей воздуха, главным образом на печах с низким КПД.
Конструкция дистилляционной установки подробно рассмотрена во всех учебниках по химической технологии, поэтому здесь она опущена. Ввод теплоты в дистилляционную колонну необходим для процесса разделения, а также для нагрева подаваемого газа, который осуществляют до ввода в колонну. Увеличивая в колонне число тарелок, можно уменьшить подвод теплоты Однако практически получаемая при этом стоимость сэкономленной энергии равна капиталовложениям в установку новых тарелок.
Считают, что эффективность применения теплового насоса компрессоров с электроприводом на нефтеперерабатывающих заводах несколько уменьшается с учетом низкого КПД выработки электроэнергии и при рассмотрении электропотреблейия в целом Но электроэнергия — не единственный источник энергии для привода компрессоров. Если для нефтеперерабатывающего завода мощностью 10- 106 т/год использовать все топливо, предназначаемое для технологических процессов для газовой турбины, можно получить 200 МВт электрической мощности и такое количество отработанных газов турбины при температуре 600 °С, которое обеспечит потребность установок в технологи ческой теплоте. Предполагается также часть , мех эпической энергии использовать для привода воздушного компрессора, подающего воздух в зону горения с давлением 1—1,2 МПа. Можно также использовать энергию для привода фреонного компрессора, обеспечивая работу теплового насоса без использования дорогостоящего первичного топлива, которое необходимо при использовании теплового насоса с электроприводом. Было подсчитано, что низкопотеициальная теплота, сбрасываемая заводом, в случае использования ее для теплоснабжения дает общую экономию расхода топлива 20%, но совершенно очевидно, что капиталовложения для внедрения такого проекта будут очень высоки и чго это — задана на среднюю и дальнюю перспективу.