Использование избыточной энергии электростанций для выработки химических продуктов в интересах АПК

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(08), 2012 г., [219-229] УДК 658.262

А. М. Васильев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ В ИНТЕРЕСАХ АПК

В статье обоснована перспективность использования энергоресурсов технологических циклов электростанций. Это является эффективной линией развития энергосберегающих технологий, позволяющей производить широкий ассортимент продуктов. Проанализирован отечественный и зарубежный опыт производства азотных удобрений по различным технологиям. Рассмотрена возможность производства спектра азотных удобрений и сырья для изготовления мелиорантов при условии применения энергоэффективных технологий. Обосновано, что повышение экономических и экологических показателей ряда технологических процессов происходит при использовании диоксида углерода из дымовых газов электростанций и утилизации крупнотоннажных отходов промышленности. Предлагаемое в статье энергосберегающее направление ориентировано на удовлетворение социальных потребностей в продовольствии и более здоровой среде обитания, что является условиями обеспечения национальной безопасности страны.

Ключевые слова: энергоресурс, энергосбережение, диверсификация, электростанция, технология, азотные удобрения, экология.

A. M. Vasilyev

USE OF EXTRA ENERGY AT POWER STATIONS FOR CHEMICAL PRODUCTION FOR AGRICULTURAL SECTOR

In the paper the prospects of use of energy resources of production cycles of power plants are proved. It is the effective line of development of the energy saving technologies, allowing making the wide range of products. Domestic and foreign experience of nitrogen fertilizer production on various technologies is analyzed. Possibility of production of a range of nitrogen fertilizers and raw materials for manufacturing of ameliorants under condition of application of power effective technologies is considered. It is proved that increase of economic and ecological indicators of a number of technological processes occurs upon using carbon dioxide from smoke gases of power plants and utilization of large-capacity industry wastes. The energy saving direction offered in the paper is focused on satisfaction of social requirements for the food and healthier habitat which are the conditions of ensuring national security of our country.

Keywords: power resource, energy saving, diversification, power plant, technology, nitrogen fertilizers, ecology.

В настоящее время значительное внимание уделяется созданию энерготехнологических производств, в которых одновременно с выработкой целевой продукции (например, электроэнергии) получают дополнительную товарную энергию. Товарная энергия выдается потребителям в виде энергетического пара или электроэнергии. Уже освоены такие энер-

готехнологические системы при производстве аммиака, серной кислоты и др. [1, 2]. Более весомую значимость приобретают вторичные энергетические ресурсы, представляющие собой энергетические отходы или побочные продукты производства. К ним относятся отходящие высокотемпературные газы, горячие жидкости, пар и др. Полноценное использование этого вида энергии имеет большое экономическое значение, так как влияет на снижение себестоимости готовой продукции. Тем не менее, химическая промышленность в целом была и остается одной из самых энергоемких отраслей индустрии. Хотя производимая ею продукция составляет 5,7 % общего объема производства промышленной продукции, количество потребляемой в химической промышленности электроэнергии равно примерно 12 % [3].

Все это характеризует химическую промышленность с энергетической точки зрения как отрасль экономики, которой необходимы, в первую очередь, источники дешевой энергии. Их наличие и применение обеспечит снижение себестоимости выпускаемой продукции, а значит, и конкурентные преимущества на внутреннем и внешнем рынках. Указанная проблема актуализируется в связи с принятием 27.11.2009 года Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и

о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», вступившего в силу с момента опубликования [4]. Поставлена, в частности, задача снизить энергоемкость российской экономики на 40 % к 2020 году. Подсчитано, что реализация конкретных мер по энергоэффективности позволит стране экономить до 2,5-3 триллионов рублей в год [2].

Представляется, что использование энергии, особенно избыточной, вырабатываемой на АЭС и ТЭС, для получения азотных удобрений и сернокислотных мелиорантов в интересах АПК региона может стать одним из направлений повышения энергоэффективности, причем увязанной

с удовлетворением потребностей населения не только в продовольствии, но и в более здоровой среде обитания.

В статье рассмотрены технологии производства различных азотных удобрений. При этом особое внимание уделено апробированным отечественным технологиям, продукция которых нашла широкое применение в АПК РФ. Помимо этого, весьма актуальным представляется использование крупнотоннажных отходов, образуемых в рамках энергогенерирующего кластера.

В таблице 1 приведены сравнительные данные технико-экономических показателей некоторых зарубежных и отечественных систем синтеза карбамида [2]. Следует отметить, что до последней трети прошедшего века в мировой азотной промышленности по разомкнутой системе работало примерно 1-3 % установок, по полузамкнутой системе - 27-29 %, по схеме с полным рециклом - до 70 %.

Таблица 1 - Технико-экономические показатели систем синтеза

карбамида

Системы

зарубежные отечественные

Показатели «Хемико» «Стами- карбон» «Мон- тека- тини» «Тойе Коатсу» газо- вый рецикл жидко- стный рецикл

Мощность агрегата, т/сутки - 250 250 250 100 250

№ : СО2 : Н2О 6:1:0 5:1:0,5 5:1:1 4,5:1:0,5 4,5:1 5:1:1

Давление, ат 177 200 190 300 200 200

Температура, °С 175 190 185 190 200 200

Степень превращения СО2, % 76 65 62 67 47 65

Удельный расход, т/т

карбамида:

- аммиак 0,58 0,58 0,60 0,58 0,58 0,57

- диоксид углерода 0,77 0,77 0,77 0,77 0,75 0,75

- электроэнергия, кВт-ч 188 150 200 190 260 150

До 35 % установок с полным рециклом, действующих в зарубежных странах, работают по схеме фирмы «Монтекатини», примерно 30 % -по схеме фирмы «Стамикарбон», на 15 % установок применяется схема

фирмы «Хемико», на 12 % установок - фирмы «Тойе Коатсу» и до 8 % работают по схеме фирмы «Инвента». В таблице 2 приведены расходные коэффициенты на производство 1 т карбамида по различным технологиям [2].

Таблица 2 - Расходные коэффициенты на производство 1 тонны карбамида

Метод Жид- кий №, кг Диоксид углерода (100 % СО2), кг Пар, т Элек- тро- энер- гия, кВт-ч Вода, м3 Кисло сло- род/ азот Топ- ливо, тыс. кДж

Открытая схема (без рециркуляции) 572 750 1,1 200 11,3 - -

Схема с частичным рециклом жидкого аммиака 585 750 2,6 200 200 - -

Схема с частичным рециклом КН3 и раствора углеаммонийных солей 576 760 1,35 180 - - -

Процессы с полным рециклом: - с циркуляцией растворенных КН3 и СО2 (фирма «Стамикар-бон») - то же (фирма «Тойе Коатсу») - то же (фирма «Монтекатини») 585 585 600 775 760 770 2,6 1,65 2,5 179 173 200 220 110 120 2/0,4 -

Схема с рециркуляцией суспензии карбамата аммония 585 750 2,78 198 150 - 320

Стриппинг-процесс синтеза и дистилляции* 570 770 1 120 55 - -

* - разложение карбамата аммония и от КН3 и СО2 в токе диоксида углерода или аммиака

Технико-экономические показатели процесса производства могут быть повышены, если:

- будет найден близлежащий источник диоксида углерода - здесь представляет интерес возможность выделения СО2 из уходящих в атмосферу газов, образующихся при сгорании природного газа или угля на крупной электростанции;

- максимально будет использована для реализации соответствующих технологий побочная тепловая, электрическая и пиковая нереализуемая «ночная» энергия, вырабатываемая на АЭС или ТЭС.

С целью расширения номенклатуры выпускаемой продукции на базе

химической переработки углистого колчедана, повышения ее спроса прежде всего сельским хозяйством (в качестве мелиоранта и азотного удобрения) разработана соответствующая технологическая схема (рисунок 1) [2]. Применение данной схемы принесет значительный экологический эффект. Целевыми продуктами в данном случае являются сульфат аммония с добавками микроэлементов ^е, Си, Мп, 7п) и серная кислота.

1 - печь обжига; 2 - контактный аппарат с кипящим слоем полиоксидного катализатора; 3 - теплообменник; 4 - смеситель-реактор; 5 - аппаратура для улавливания кристаллов сульфата аммония; 6 - контактный аппарат с кипящими

слоями ванадиевого катализатора

Рисунок 1 - Принципиальная схема переработки сернистых газов, образующихся при обжиге углистого колчедана

Питательная ценность сульфата аммония для сельскохозяйственных культур повышается за счет уловленных попутно микроудобрений, содержащихся в пыли постепенно истираемого катализатора (его естественный износ компенсируется введением новых порций). Разработанная технология является вариантом сернокислотного метода ДК-ДА (двойное контактирование - двойная абсорбция), где извлечение образовавшегося триок-сида серы производится не раствором кислоты, а газообразным аммиаком по методу «Кийюра-Тит» [2].

Особенностями рекомендуемого процесса являются:

- отсутствие необходимости в тщательной очистке обжиговых газов;

- катализатор, помимо основной функции, является поставщиком ряда микроэлементов почвенного плодородия, входящих в состав основного продукта - сульфата аммония;

- гибкость, что обусловлено возможностью изменять соотношение между выпускаемыми сульфатом аммония и серной кислотой (это обстоятельство позволит удовлетворять различные заявки потребителей, определяемые особенностями вегетационного цикла культивируемых растений).

Мощным средством интенсификации сернокислотного производства является повышение концентрации диоксида серы в газе, достигаемое полной или частичной заменой воздуха кислородом. Известно, однако, что стоимость кислородной установки, отнесенная к 1 м3 получаемого кислорода, тем меньше, чем выше производительность этой установки. Например, стоимость получаемого 95%-ного кислорода на установке производительностью 125 тыс. м /ч на четверть ниже, чем его стоимость на установке 25 тыс. м /ч. Поэтому, если в рамках диверсификации угольная ТЭС будет участвовать в реализации сернокислотного производства из углистых колчеданов, проблема высокой стоимости кислорода потеряет свою остроту. Кроме того, имеется серьезный аргумент в пользу замены воздуха на кислород. Как известно, в себестоимости серной кислоты около 50 % приходится на стоимость серосодержащего сырья [1, 2]. Поскольку в качестве исходного продукта предлагается углистый колчедан - крупнотоннажный отход углеобогащения (индивидуально или в сочетании с другими отходами - железным купоросом или фосфогипсом), налицо еще крупный резерв для повышения экономичности производства серной кислоты. Добавим к этому и несомненную экологическую результативность, обусловленную утилизацией крупнотоннажных отходов.

Вышеизложенные соображения позволили предложить схему обжига углистого колчедана (УК) кислородом (рисунок 2).

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 4(08), 2012 г., [219-229] УК

1 - блок разделения воздуха; 2 - печь обжига колчедана;

3 - узел очистки газа от пыли; 4 - смеситель; 5 - реактор

Рисунок 2 - Схема получения концентрированного сернистого газа при взаимодействии углистого колчедана и огарка

Часть углистого колчедана через дозатор поступает в реактор 5, где осуществляется взаимодействие содержащегося в УК FeS2 с Fe2Оз, присутствующим в огарке, образовавшемся в печи обжига 2. В результате осуществления химической реакции образуется SО2, который добавляется к обжиговому газу, повышая тем самым содержание в нем диоксида серы.

Предварительно обжиговый газ подвергается очистке от пыли в узле очистки 3, включающем циклоны и электрофильтр. Уловленная пыль направляется в смеситель 4. Образовавшийся в реакторе твердый остаток, представляющий собой Fe3O4, и непрореагировавшие компоненты УК и огарка, подвергается дроблению, после чего направляется на магнитную сепарацию для отделения Fe3O4. Далее концентрат магнитного железняка может быть использован в качестве сырья для выплавки стали. При необходимости данный концентрат может быть подвергнут предварительной грануляции.

Предлагаемая схема, помимо повышения концентрации SО2 в газе и

существенного снижения размеров оборудования очистного и контактного отделений (из-за применения кислорода вместо воздуха), позволяет более полно утилизировать как углистый колчедан, так и образующийся при его обжиге огарок. Для повышения технико-экономических показателей процесса следует максимально использовать энергию, заключенную в горячем Fe3O4-содержащем материале, например, для получения пара.

Ранее указывалось, что доля сырья, в частности флотационного колчедана, в себестоимости серной кислоты составляет 50 %. Отсюда ясно, что повышение экономической эффективности сернокислотного производства напрямую связано с нахождением и использованием более дешевых серосодержащих источников. В этом аспекте использование таких крупнотоннажных отходов, как углистый колчедан, фосфогипс и железный купорос представляется весьма перспективным, особенно если учесть, что наряду с производством серной кислоты, а также продуктов на ее основе, решаются и экологические проблемы.

В подтверждение сказанному можно привести пример эффективного сочетания двух отходов - углистого колчедана и железного купороса. После подсушки и дегидратации купороса образуется, как известно, сульфат железа. Частично при этом SО2 окисляется до SО3 на катализаторе, каковым является оксид железа. Смесь SО2 и SО3 можно направить на производство серной кислоты, а оксид железа - на взаимодействие с углистым колчеданом, точнее с содержащимся в нем пиритом FeS2. Предлагаемая схема представлена на рисунке 3.

Такая технология предусматривает использование кислорода для интенсификации горения топлива, подаваемого во вращающую печь 6, и каталитического окисления SО2 в SО3. Тепло SО2-содержащих газов, выходящих из печи 6, используется для разложения FeSO4.

1, 2, 3 - бункеры; 4 - печь для разложения FeSO4; 5 - шаровая мельница;

6 - вращающаяся печь; 7 - блок разделения воздуха

Рисунок 3 - Схема переработки смеси углистого колчедана и железного купороса на серную кислоту

На основании вышеизложенного представляется возможным сделать следующие выводы:

1 Использование энергоресурсов производственно-технологических циклов энерговырабатывающих предприятий является перспективной линией развития энергосберегающих технологий, позволяющей производить значительный ассортимент ликвидных субпродуктов.

2 Производство азотных удобрений и сернокислотных мелиорантов в интересах интенсификации развития сельского хозяйства Российской Федерации, а также улучшения экологической обстановки в целом, предлагаемое как направление диверсификации энергогенерирующих предприятий, целесообразно реализовывать на основе апробированных отечественных технологий.

3 Для получения широкого спектра азотных удобрений и сернокислотных мелиорантов в интересах АПК весьма актуально использовать кон-

вертируемую и избыточную энергию, вырабатываемую на АЭС и ТЭС, что, очевидно, является перспективным направлением повышения энергоэффективности, ориентированным на удовлетворение социальных потребностей в продовольствии и в более здоровой экосистеме.

4 Повышение технико-экономических и экологических показателей ряда процессов происходит при использовании диоксида углерода, извлекаемого из дымовых газов, которые образуются при сжигании природного газа на предприятии, для синтеза карбамида и при организации крупномасштабного производства серной кислоты на базе отходов энергетики и промышленности, в частности углистых колчеданов, с дальнейшим использованием ее для выработки сульфата аммония или в качестве мелиоранта для повышения плодородия содовозасоленных почв.

Список использованных источников

1 Денисова, И. А. Повышение экологической безопасности региональных предприятий угольной энергетики (на примере Ростовской области): монография / И. А. Денисова // НВВКУС. - Новочеркасск: УПЦ «На-бла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. - 385 с.

2 Диверсификация базовых предприятий энергетики в целях устойчивого развития АПК региона (на примере Ростовской области): монография / А. М. Васильев [и др.]; под ред. В. В. Гутенева. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010.- 291 с.

3 Васильев, А. М. Диверсификация газовой электростанции - основа развития агропромышленного комплекса / А. М. Васильев, В. В. Денисов, С. А. Манжина // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки. - № 1. - Ростов н/Д, 2011. - С. 75-80.

4 Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ:

по состоянию на 10 июля 2012 г. // Гарант Эксперт 2012 [Электронный ресурс]. - НПП «Гарант-Сервис», 2012.

Васильев Алексей Михайлович - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» (ФГБОУ ВПО «НГМА»), профессор.

Контактный телефон: +7-928-988-05-47.

E-mail: alex_vasiliev777@mail.ru.

Vasilyev Aleksey Mikhaylovich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy” (FSBEE HPE «NSMA»), Professor.

Contact telephone number: +7-928-988-05-47.

E-mail: alex_vasiliev777@mail.ru.