Проблемы энергосбережения

Государство, региональные и муниципальные органы принимают меры призванные развивать энергосбережение. Вышли в свет такие важные законодательные документы, как Федеральный закон "Об энергосбережении", "Энергетическая стратегия России на период до 2020 года". Большая роль в решении задачи энергосбережения отводится подготовке кадров.
Специалистам в области теплоэнергетики необходимо знать основные пути использования тепловой энергии и основные способы ее экономии в тех или иных теплоиспользующих установках.
Технически труднее по сравнению с электрической энергией осуществить передачу тепла на дальние расстояния, обеспечить его учет и регулирование. Наибольшие непроизводительные затраты связаны с процессами сжигания топлива, а также выработки, передачи и использования тепловой энергии. С чисто термодинамической точки зрения теплоту, как менее организованную форму энергии труднее полезно использовать.
В технике и технологии разработано большое число энергосберегающих мероприятий. Многие из них связаны с перераспределением потоков тепловой энергии внутри установок или предприятий. Для их осуществления широко используются теплообменные аппараты. В настоящем пособии рассматриваются вопросы применения теплообменных аппаратов для экономии энергетических ресурсов в промышленных теплоиспользующих установках и в коммунальном хозяйстве, знание которых необходимо для практической реализации энергосберегающих мероприятий. Как одно из направлений снижения энергоемкости валового внутреннего продукта, рассматриваются вопросы ресурсосбережения при проектировании и изготовлении теплообменных аппаратов, которое может быть достигнуто с помощью интенсификации процессов тепло- и массообмена в их проточной части, а также за счет применения развитых поверхностей теплообмена.

Реализация активной государственной политики повышения экономической эффективности использования энергии, сочетающей как государственное управление, так и рыночные механизмы заинтересованности в энергосбережении позволит:

а) существенно сократить общенациональные затраты на обеспечение надежного энергосбережения, поскольку энергосберегающие проекты в среднем в 5 раз менее капиталлоемки, чем проекты по производству энергии;

б) сократить издержки производства и расходы населения на энергоносители, и тем самым смягчить финансовый кризис и инфляционный эффект повышения цен на энергоносители;

в) повысить экспортный потенциал страны без увеличения добычи топлива;

г) повысить конкурентоспособность российских товаров и услуг на внешних рынках;

д) существенно сократить негативное воздействие энергетики на состояние окружающей среды без дополнительны затрат на оснащение объектов, производящих и потребляющих энергию, оборудованием по улавливанию вредных отходов;

е) продлить сроки использования невозобновляемых энергетических ресурсов, имеющихся в недрах Российской Федерации;

ж) увеличить занятость, поскольку каждый рубль, вложенный в производство энергоэффективного оборудования, создает в 8 раз больше рабочих мест, чем рубль инвестированный в производство энергии.

Твердое топливо

Запасы этого вида топлива составляют более 98% мировых запасов углеродистых топлив.

Месторождения твердого топлива широко географически распространены, но доступность их для практического использования связана со значительными трудностями и большими затратами.

Каменные угли. Этот вид твердого топлива занимает большой объем в общей массе потребляемых топлив. Термин «каменные угли» объединяет большую семью горючих ископаемых: собственно каменные угли, бурые угли, угли для коксования, антрациты и некоторые другие виды. В практическом применении резко отличают один вид углей от других. В пособии не рассматриваются отдельно классы углей, а только некоторые общие показатели этого вида топлива в целом.

Важнейшими техническими качествами углей являются содержание влаги (W), золы (А), летучих (V) и уже характеризованная выше теплота сгорания (Q). Для углей, имеющих технологическое применение, имеет важное значение характеристика коксового остатка при определении летучих.

Влага и зола являются балластными веществами. Влага резко понижает полезную теплоту сгорания топлив не только за счет понижения количества топлива в весовой единице, но и расходует значительную часть полезной теплоты на испарение воды, что ведет к резкому снижению энергетических качеств топлива. При содержании влаги выше 30% применение топлива мало эффективно. Зола является негорючим балластом, также понижающим теплоту сгорания топлива. При значительном содержании золы (30% и выше) качество топлива ухудшается не только за счет снижения теплоты сгорания, но и за счет трудностей удаления золы из топки, загрязнения воздушного пространства, нарушений в работе котельных установок за счет сплавления низкоплавкой золы и т.п.

Летучие характеризуют топлива по их способности выделять в топочном пространстве значительное количество летучих горючих компонентов, за счет термического разложения органических веществ угля или других видов топлива. Горение существенным образом улучшается, так как практически сгорание топлива ведется в этом случае в смеси газ – твердое тело. Горение газообразных веществ резко повышает температуру твердых частиц, в результате чего легко преодолевается уровень минимальной энергии активации для сжигания твердого углерода. Эти обстоятельства очень важны при сжигании пылевидного или мелкозернистого топлива (основной вид сжигания твердого топлива в настоящее время). Содержание летучих также характеризует топливо как технологическое сырье для производства газа или смолы. В результате определения летучих в тигле после прокаливания остается твердый остаток – кокс. Характер этого остатка характеризует способность данного типа или марки угля давать металлургический кокс для выплавки чугуна, стали и других металлов.

Бурые угли. Этот вид углей отличается от каменных более ранним метаморфизмом, в отличие от каменных в них содержится значительно больше менее измененных геологических остатков исходных растений. В настоящее время бурые угли рассматриваются в основном как топливо для ТЭС и других нужд промышленности.

Органическая масса (горючая) бурых углей обладает высокими достоинствами как топливо и как химическое сырье. Значительное количество летучих (до 50%), высокий выход смолы при полукоксовании, наличие в углях растворимых битумов делают бурые угли важным сырьем для химической переработки. Эти угли дают большой выход высококалорийного газа при газификации и полукоксовании.

Торф широко распространен и легко доступен для использования, однако этот вид топлива имеет также недостатки в эксплуатации, которые практически уже давно низвели его на положение второсортного топлива местного значения. Важнейшими недостатками являются – сезонность добычи и зависимость ее от погоды, высокая влажность (до 80%), необходимость затрат для доведения топлива до кондиционных норм и т.д. Торф мало транспортабелен и плохо сохраняется.

Горючие сланцы также как и бурые угли, содержат горючую массу с большим выходом летучих, причем их, так называемое, сапропелитовое происхождение, с сохранением значительной части высоконасыщенных соединений, позволяет получать из них значительные количества (до 22% к натуральному топливу) смолы, близко напоминающей нефть. В некоторых случаях производство такой искусственной нефти оказывается рентабельным. В США, например, готовятся к производству жидкого топлива, взамен нефтяного, из горючих сланцев в количествах, удовлетворяющих основное потребление страны.

Как топливо горючие сланцы обладают рядом недостатков, прежде всего высокой зольностью (до 70%).

Жидкое топливо

Нефть является единственным природным жидким топливом. Жидкое топливо объединяет широкий круг топлив, получаемых в результате переработки нефти и некоторых других видов сырья.

Собственно нефть практически не является топливом, так как содержит в своем составе такие фракции и компоненты, сжигать которые нецелесообразно (например, смазочные масла, ароматические углеводороды, парафин и др.). В то же время нефть является сырьем для производства высококвалифицированных жидких топлив, таких как бензины, дизельные и реактивные горючие, которые составляют энергетическую основу современных транспортных средств.

Природная нефть темно-бурая или почти черная маслянистая жидкость плотностью от 0,75 до 1,04 г/см³, обычно около 0,90-0,98. Нефти различных месторождений значительно отличаются друг от друга по химическому составу и свойствам. Нефти по химическому составу – смеси углеводородов различных классов – парафиновых, нафтеновых и ароматических рядов. Непредельные практически отсутствуют. Свойства нефтей в большинстве случаев определяют смолистые (асфальтовые) примеси, твердый парафин и различный фракционный состав. Сырые нефти содержат растворенный газ (углеводородный), воду, минеральные примеси. Каждое месторождение нефти является вполне оригинальным по составу и свойствам.

Существует две системы классификации нефти. Химическая, в основу которой положен групповой состав углеводородов данной нефти. В зависимости от преобладания той или иной группы углеводородов нефти носят наименования: метановая, метаново-нафтеновая, нафтеновая, ароматическая и др. Другой принцип классификации технологический – по содержанию серы и качеству получаемых продуктов: сернистая нефть, масляная, малосернистая, бензиновая и т.д.

Газы горючие

Этот вид топлива представлен главным образом природными горючими газами, которые добываются из скоплений природного газа и передаются магистральными газопроводами по всей стране. Природные газы состоят в основном из метана (92-98%), остальные этан, пропан, азот и углекислота.

Большое место в объеме промышленных горючих газов занимают так называемые попутные газы, сопровождающие добычу нефти и отделяемые от нее в специальных сепарационных установках. Обычно на каждую тонну добытой нефти приходится от 2-3 до сотен м³ газов.

Промышленные газы искусственного происхождения (газогенераторные, нефтепереработки, колошниковые, коксовые) имеют местное значение и используются внутри предприятий.

Сравнительный вклад различных источников энергии в топливно-энергетический баланс мира характеризуется следующими цифрами:

Таблица 4.8