Повышение энергетической и экологической эффективности объектов и устройств на железнодорожном транспорте и в отраслях промышленности

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»








В. Д. Катин, М. X. Ахтямов, А. А. Журавлев





ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И В ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ


Учебное пособие


Под общей редакцией проф. В. Д. Катина


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.92
ББК 31.6
      К29



Рецензенты:
заведующий кафедрой «Экология, ресурсопользование и безопасность жизнедеятельности» Тихоокеанского государственного университета доктор химических наук, профессор Л. П. Майорова;
заместитель директора по научной работе Института водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук доктор географических наук А. Н. Махинов






ISBN 978-5-9729-1514-9



            Катин, В. Д.


К29        Повышение энергетической и экологической эффективности объек-
      тов и устройств на железнодорожном транспорте и в отраслях промышленности : учебное пособие / В. Д. Катин, М. X. Ахтямов, А. А. Журавлев ; под общ. ред. проф. В. Д. Катина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 128 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1514-9

            Рассмотрены современные технические решения по энерго- и ресурсосберегающим технологиям с учетом предъявляемых экологических требований. Уделено внимание законодательным основам государственной экологической и энергоресурсосберегающей политики в РФ, а также зарубежному опыту ресурсо- и энергосбережения на производстве. Приведены контрольные вопросы для самостоятельной проверки знаний по изучаемым темам, тестовые задания для закрепления теоретических и практических навыков.
            Для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки 20.03.01 и 20.04.01 «Техносферная безопасность». Может быть полезно студентам направления подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», изучающим экологические вопросы повышения эффективности использования топлива и энергии на предприятиях нефтегазового профиля, а также студентам других специальностей при изучении учебных дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности». Может быть использовано руководителями и работниками экологических и энергетических служб предприятий железнодорожного транспорта и других производств при повышении квалификации.

УДК 620.92
ББК 31.6

      © Катин В. Д., Ахтямов М. X., Журавлев А. А., 2023
      © Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 2023 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ВВЕДЕНИЕ



    Несомненно, наша страна богата энергетическими и минерально-сырьевыми ресурсами, и в связи с этим приобретает особую актуальность решение проблемы энерго- и ресурсосбережения. Экономика страны несет существенные потери от низкой эффективности топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в стране. Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) является важной научно-технической проблемой. Прежде всего, это касается нефтеперерабатывающей и нефтегазовой промышленности, являющейся ключевым звеном единого ТЭК страны, определяющим рациональное использование нефтяного сырья, а также транспортной отрасли, в том числе железнодорожного транспорта.
    Стратегическая задача, поставленная Президентом РФ перед обществом, заключается в том, чтобы выявить приоритетные пути более эффективного использования ТЭР как важнейшего национального достояния страны для повышения качества жизни населения при снижении энергетических и других затрат общества. В связи с этим проблема энерго- и ресурсосбережения становится практически значимой и актуальной для промышленно-хозяйственного сектора страны.
    Нельзя не отметить, что основными потребителями топливных ресурсов являются котельные и печные установки, работающие на железнодорожном транспорте, металлургических, нефтегазовых и других предприятиях.
    Следует отметить, что в современных условиях энергосбережение служит одним из эффективных инструментов решения сопутствующих глобальных экологических проблем. Именно поэтому действующие федеральные законы [1, 2] нацеливают на повышение энергетической эффективности работы объектов и устройств на предприятиях, которая основывается на рациональном использовании топлива и энергии с учетом предъявляемых экологических требований.
    В то же время необходимо отметить, что до настоящего времени уровень проектных решений и техническое состояние котельного парка, а также вспомогательных устройств еще не отвечает современным экологическим требованиям к технологическим процессам и оборудованию на железнодорожном транспорте, сформулированным в законах [1, 2]. Приоритетными задачами по стабилизации ТЭК страны, по мнению авторов, должна являться разработка, модернизация и внедрение ресурсо- и энергосберегающих установок на базе экологически чистых технологий сжигания топлива на предприятиях железнодорожного транспорта и объектах стационарной теплоэнергетики различных отраслей промышленности.
    В данном учебном пособии рассмотрены актуальные вопросы роли энергии в промышленности, изложены источники получения энергии, задачи ее производства, как традиционными, так и нетрадиционными способами, а также перспективы развития мировой энергетики. Подробно освещены вопросы энергосбережения, в том числе: основы нормирования расхода топлива и энергии на производстве, основы энергетического аудита, теплоэнергетический баланс котлов и печей, а также предприятия в целом.

3

    В энергосбережении важное место отводится этапу энергоаудита как основному контрольному инструменту, в задачу которого входит проведение обследований предприятий и энергоресурсопотребляющих объектов и устройств с целью получения оценки эффективности их функционирования и разработки рекомендаций по повышению энергоэффективности.
    В учебном пособии будущие бакалавры и магистры, а также аспиранты подробно ознакомятся с перспективными направлениями экологически безопасных и энергосберегающих технологий в различных отраслях промышленности, а также на железнодорожном транспорте, и смогут изучить практический опыт России и других зарубежных стран в области ресурсо- и энергосбережения и экономии топлива.
    Авторы считают необходимым выразить слова признательности завкафедрой «Экология, ресурсопользование и БЖД» ТОГУ, д-ру химических наук, профессору Людмиле Петровне Майоровой и заместителю директора по научной работе ИВЭП ДВО РАН, д-ру географических наук Алексею Николаевичу Ма-хинову за большой труд по рецензированию рукописи учебного пособия и критические замечания и пожелания при его подготовке к изданию.
    Любые отзывы, направленные на улучшение содержания пособия, будут восприняты авторами с искренней благодарностью.

4

            1. ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА



    Энергетическими ресурсами называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы - носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе. Основу классификации энергоресурсов составляет их деление по источникам получения на первичные, природные и вторичные.


            1.1. Первичные энергетические ресурсы и их характеристика


    По способам использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и не топливные; по признаку сохранения запасов - на возобновляемые и невозобновляемые; ископаемые (в земной коре) и неископаемые. В современном производстве энергетические ресурсы классифицируют на три группы - участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная, космическая энергия и т. д.), депонированные энергетические ресурсы (нефть, газ и т. д.) и искусственно активированные источники энергии (атомная и термоядерная энергии).
    В связи с этим выделяют добавляющие и недобавляющие энергии в биосферу Земли, по сравнению с естественным притоком энергии к планете. Добавляющие виды имеют существенные термодинамические ограничения, пренебрежение которыми может привести к неблагоприятным изменениям климата, вредному потеплению и т. д. Недобавляющие виды значительно безопаснее (хотя и не устраняется местная концентрация энергии).
    В энергетике различают следующие энергетические ресурсы: валовой, технический и экономический [4].
    Валовой (теоретический) ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном виде энергоресурса.
    Технический ресурс - это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Он составляет от доли процента до десятка процентов от валового, но постоянно увеличивается по мере усовершенствования энергетического оборудования и освоения новых технологий.
    Экономический ресурс - энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существующем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического и тоже увеличивается по мере развития энергетики.
    Энергетические ресурсы принято характеризовать числом лет, в течение которых данного ресурса хватит для производства энергии на современном качественном уровне. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета при современном уровне потребления запасов угля хватит на 250 лет, газа - на 60 лет, нефти - на 40 лет. При этом, по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд т в пересчете на нефть (конец-начало 2000-х) до 14,2-24,8 млрд т в 2050 г. [4].


5

    Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии представлена на рисунке 1.1.




    Дрова и другие виды биотоплива - 11,7 %

    Нефть - 35,7 %

    Газ - 20,3 %

    ГЭС и АЭС - 9 %



Рис. 1.1. Доля различных видов энергетических ресурсов в общемировой выработке первичной энергии по данным [4], %


     Мировые запасы энергетических ресурсов по состоянию на конец XX века представлены в таблице 1.1.


Таблица 1.1

Мировые запасы энергетических ресурсов, млрд т условного топлива

        Источники энергии           Энергетические ресурсы   
                                   Теоретические Технические
Невозобновляемые                                             
Энергия горючих ископаемых:                                 
уголь                                 17 900         637    
нефть                                  1290          179    
газ                                     398         89,6    
Атомная энергия                       67 200        1340    
Возобновляемые                                               
Энергия Солнца:                                             
на верхней границе атмосферы          197 000               
на поверхности Земли                  81 700        6140    
на поверхности суши                   28 400        2460    
на поверхности Мирового океана        53 300        3690    
Энергия ветра                         21 300         22     
Глубинное тепло Земли (до 10 км):                           
геотермальный тепловой поток,                               
достигающий поверхности Земли          3,69         0,35    
гидротермальные ресурсы                1350          147    
Энергия Мирового океана:                                    
градиент солености                    43 000         430    
тепловая (температурная градиента)     12,3         0,61    
течений                                 8,6         0,12    
приливов                                3,2         0,86    
прибоя                                   1          0,02    
морских ветровых волн                   2,7          0,1    

6

Окончание таблицы 1.1

        Источники энергии          Энергетические ресурсы   
                                  Теоретические Технические
Горючие энергоресурсы (биомасса):                          
на суше                               44,2          4,9    
в Мировом океане                      23,3         1,84    
Гидроэнергия крупных водопотоков       4,1         1,84    

            1.2. Вторичные энергоресурсы, их источники и характеристика


    Любой технологический процесс требует определенного расхода топлива, электрической и тепловой энергии; в результате химических реакций, механических воздействий горючие газы, теплоносители, газы и жидкости с избыточным давлением выделяют тепло. Эти энергетические ресурсы, как правило, используются не в полном объеме или не используются вовсе. Неиспользуемые в данном технологическом процессе или установке энергетические отходы получили название вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
    Долгое время использованию вторичных энергоресурсов не уделялось достаточного внимания, не была в полной мере раскрыта их сущность, отсутствовали методики расчетов ВЭР.
    Вторичными энергетическими ресурсами являются энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью использоваться для энергоснабжения других потребителей.
    Термин «энергетический потенциал» означает наличие определенного запаса энергии в виде химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии и др.
    Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогатительных и др.), а также тепловая энергия отходов, которая используется для подогрева потоков, поступающих в агрегат-источник ВЭР (регенерация, рекуперация), не относятся к вторичным энергетическим ресурсам.
    Выход вторичных энергетических ресурсов - это количество вторичных энергоресурсов, которые образовались в данной установке за определенную единицу времени и годны к использованию в данный период времени.
    Выработкой за счет вторичных энергетических ресурсов называется количество тепла, холода, электроэнергии, полученное за счет ВЭР в утилизационной установке. Выработки за счет ВЗР подразделяются на: возможную выработку, т. е. максимальное количество энергии, которое можно получить при работе установки; экономически целесообразную выработку, т. к. выработку с учетом ряда экономических факторов (себестоимость, затраты труда и т. д.); планируе

7

мую выработку количество энергии, которую предполагается получить в определенный период при вводе вновь или модернизации имеющихся утилизационных установок; фактическую выработку - энергию, реально полученную за отчетный период.
    Использование вторичных энергетических ресурсов - это использованное количество ВЭР данного агрегата в других установках и системах. Использование вторичных энергоресурсов потребителем может осуществляться непосредственно без изменения вида энергоносителя или за счет преобразования его в другие виды энергии, или выработки тепла, холода, механической работы в утилизационных установках.
    Тепловые ВЭР - это физическое тепло отходящих газов, основной и побочной продукции, тепло золы и шлаков, горячей воды и пара, отработавших в технологических установках, тепло рабочих тел систем охлаждения технологических установок.
    Горючие ВЭР - горючие газы и отходы, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других установках и непригодные в дальнейшем в данной технологии: отходы деревообрабатывающих производств (щепа, опилки, обрезки, стружки), горючие элементы конструкций зданий и сооружений, демонтированных из-за непригодности для дальнейшего использования по назначению, щелок целлюлозно-бумажного производства и другие твердые и жидкие топливные отходы.
    Ко вторичным энергетическим ресурсам избыточного давления относится потенциальная энергия газов, воды, пара, покидающих установку с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу, водоемы, емкости или другие приемники. Избыточная кинетическая энергия также относится к вторичным энергоресурсам избыточного давления.
    Основными направлениями использования вторичных энергетических ресурсов являются: топливное - когда они используются непосредственно в качестве топлива; тепловое - когда они используются непосредственно в качестве тепла или для выработки тепла в утилизационных установках; силовое - когда они используются в виде электрической или механической энергии, полученной в утилизационных установках; комбинированное - когда они используются как электрическая (механическая) энергия и тепло, полученные одновременно в утилизационных установках за счет ВЭР.
    Значительное количество горючих ВЭР используется непосредственно в виде топлива, такое же непосредственное применение нашли и тепловые ВЭР, например, горячая вода системы охлаждения для отопления и др.
    Необходимо отметить, что изменение схем топливо- и теплопотребления, когда использование энергоресурсов внутри технологических агрегатов улучшилось, а выход вторичных энергоресурсов сократился, не является использованием ВЭР.
    Такие преобразования схем только усовершенствовали технологический процесс данной установки (агрегата).

8

    При правильном использовании вторичных тепловых энергетических ресурсов, образовавшихся в виде тепла отходящих газов технологических агрегатов, тепла основной и побочной продукции, достигается значительная экономия топлива.
    Проведенными расчетами установлено, что стоимость теплоэнергии, полученной в утилизационных установках, ниже затрат на выработку такого же количества теплоэнергии в основных энергоустановках.
    Выявление выхода и учета возможного использования вторичных энергоресурсов - одна из задач, которую необходимо решать на всех предприятиях и особенно предприятиях с большим расходом топлива, тепловой и электрической энергии.
    Использование вторичных энергетических ресурсов не ограничивается лишь энергетическим эффектом - это и охрана окружающей среды, в том числе воздушного бассейна, уменьшение количества выбросов вредных веществ. Некоторые из этих выбросов могут давать дополнительную продукцию, например, сернистый ангидрид, выбрасываемый с отходящими газами, можно улавливать и направлять на выпуск серной кислоты.
    Считается целесообразным, если при реконструкции или расширении действующих, а также при проектировании новых предприятий будет предусматриваться разработка мероприятий по использованию ВЭР с обоснованием их экономической эффективности. Отказ потребителей от использования вторичных энергетических ресурсов как на действующих, так и проектируемых предприятиях может быть обоснован только расчетом, подтверждающим экономическую неэффективность или техническую невозможность использования ВЭР.


            1.3. Традиционная энергетика и её характеристика


    Энергетика - область общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.
    Энергетика каждого государства функционирует в рамках созданных соответствующих энергосистем.
    Наиболее часто в современной энергетике выделяют традиционную и нетрадиционную энергетики (рис. 1.2).
    Энергосистемы - совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов и средств их получения, преобразования, распределения и использования, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.
    В энергосистемы входят: электроэнергетическая система; система нефте-и газоснабжения; система угольной промышленности; ядерная энергетика; нетрадиционная энергетика.
    Электроэнергетическая система - объединение электростанций, связанных линиями электрической передачи (ЛЭП) и совместно питающих потребителей электроэнергией.


9

Рис. 1.2. Нетрадиционная и традиционная энергетика

    Энергетика - одна из форм природопользования. В перспективе, с точки зрения технологии, технически возможный объем получаемой энергии практически неограничен, однако энергетика имеет существенные ограничения по термодинамическим (тепловым) лимитам биосферы. Размеры этих ограничений, видимо, близки к количеству энергии, усваиваемой живыми организмами биосферы в совокупности с другими энергетическими процессами, идущими на поверхности Земли.
    Увеличение этого количества энергии, вероятно, катастрофично или, во всяком случае, кризисно отразится на биосфере.
    Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.

10