4. Основы энерготехнологии силикатных материалов

4.1. Энерготехнологические схемы производства и термодинамические методы их анализа

4.1.1. Понятие энерготехнологии. Энерготехнология изучает закономерности взаимосвязи и взаимообусловленности технологических процессов данного производства с целью экономии топливно-энергетических ресурсов и создания практически безотходного производства по материалу и теплоте.

Производство силикатных материалов относится к числу производств, в котором доля энергозатрат достаточно большая. Поэтому экономия энергоресурсов, как первичных, так и вторичных, позволит получить значительный экономический эффект. При разработке новых или совершенствовании существующих технологий производства силикатных материалов следует предусматривать такую энерготехнологическию схему (ЭТС) производства, в которой можно частично или полностью отказаться от потребления теплоты или электроэнергии, получаемой со стороны.

Перспективным может явиться создание таких энерготехнологических схем, в которых энергетическое оборудование (тепло- и парогенераторы, когенерационные установки, теплоиспользующие аппараты, холодильные установки, тепловые насосы и термотрансформаторы) входит в прямое соединение с технологическим оборудованием, составляя единую систему. В такой ЭТС любому изменению параметров технологических процессов должны сопутствовать и соответствующие изменения энергетических параметров и наоборот. В ЭТС создается тесная взаимосвязь и взаимообусловленность между технологическими и энергетическими стадиями производства.

Большая потенциальная возможность экономии первичных энергоресурсов в производстве силикатных материалов заложена в эффективном использовании вторичных энергоресурсов (ВЭР): физической теплоты печных и технологических газов, отработанного пара, сбросных жидкостей (охлаждающий воды, конденсата пара), энергии избыточного давления пара, сжатого воздуха. При этом сведение к минимуму потребления первичных ресурсов за счет максимального использования ВЭР должно происходить без снижения качества получаемой продукции.

В основе любой ЭТС лежит какой-либо термодинамический цикл. Встроенное в технологический процесс энергетическое оборудование (котлы-утилизаторы, газотурбинные установки, газопоршневые агрегаты и др.) позволяет частично удовлетворить производство в технологическом паре и электроэнергии. В газотурбинной установке (ГТУ) и газопоршневом агрегате (ГПА) вырабатывается электроэнергия с одновременным получением технологических газов с требуемым потенциалом теплоты.

Таким образом, основной задачей при разработке ЭТС является использование наиболее эффективных методов уменьшения затрат топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) при одновременном повышении технологических показателей.

4.1.2. Методы термодинамического анализа энерготехнологических схем производства. Создание ЭТС невозможно без ее термодинамического анализа. Он преследует следующие цели:

1) получить картину происходящих в системе энергетических превращений, что позволит иметь достоверную информацию об ЭТС (значения кпд системы и ее отдельных элементов, распределение и характер потерь в системе, относительный вес каждого элемента системы, характеристику связей между элементами, взаимодействие со средой и т.д.). Эта информация явится основой для дальнейшей работы по совершенствованию системы и сопоставлению ее с другими системами данного производства;

2) иметь возможность провести оптимизацию различных параметров элементов ЭТС с целью получения максимальной термодинамической и экономической эффективности. При этом следует иметь в виду, что очень часто ЭТС, весьма термодинамически эффективная, экономически далеко не оптимальна.

Простейшим методом термодинамического анализа ЭТС является энергетический, основанный на первом законе термодинамики. Этот метод позволяет оценить потери энергии в ЭТС и в ее отдельных элементах, а также выявить элементы ЭТС, процессы в которых протекают с наибольшими потерями. Существенным недостатком этого метода является то, что в нем не учитывается ценность различных видов энергии, т.е. их практическая пригодность, что неверно с точки зрения второго закона термодинамики. В реально протекающих процессах происходят потери энергии на необратимость. Поэтому в настоящее время применяются два метода термодинамического анализа систем, учитывающие необратимость термодинамических процессов: энтропийный (метод цикла) и эксергетический. Оба метода были обоснованы в работах Р. К. Клаузиуса, Д. В. Гиббса и А. Стодолы. Существенный вклад в развитие и использование этих методов внесли советские ученые А. И. Андрющенко, В. М. Бродянский, Д. П. Гохштейн и др. Оба метода основаны на втором законе термодинамики и по существу решают одну и ту же задачу определения потерь работоспособности, потерь на необратимость реально протекающих процессов.

Энтропийный метод термодинамического анализа систем позволяет на базе первого и второго законов термодинамики найти связь между внешними энергетическими потоками (количеством теплоты и работы) и параметрами системы, а также между некоторыми внутренними параметрами. Посредством анализа теплового баланса системы, в которой совершаются термодинамические процессы, можно вычислить характеризующие их коэффициенты и сопоставить их с аналогичными коэффициентами идеальных термодинамических процессов. Это позволяет определить в данной системе суммарную потерю производимой и затрачиваемой работы вследствие необратимости процессов. Если для инженерного анализа системы этих данных недостаточно, то анализ циклов дополняется подсчетом возрастания энтропии в отдельных частях системы.

Однако на базе эксергетического метода можно более тщательно провести термодинамический анализ ЭТС и изыскать наиболее эффективные пути уменьшения затрат топливно-энергетических ресурсов при одновременном повышении технологических показателей.

Эксергетический метод анализа основан на широком использовании эксергии, который является универсальным способом термодинамического исследования различных процессов преобразования энергии в ЭТС. Все реально протекающие процессы  необратимые, и в каждом случае необратимость является причиной снижения совершенства процесса. Это происходит не из-за потери энергии, а из-за понижения ее качества, т. к. в необратимых процессах энергия не исчезает, а обесценивается. Так, например, дросселирование пара перед автоклавами не изменяет его энергии (h₁ = h₂), а снижает ее пригодность к совершению работы. Таким образом, каждое необратимое явление  это причина безвозвратной потери энергии. Универсальность эксергетического метода термодинамического исследования ЭТС следует рассматривать в том смысле, что характер процессов анализируемой системы (например, круговой или разомкнутый) не имеет принципиального значения: подход к решению задачи и метод ее решения не изменяются. В эксергетическом методе термодинамического анализа ЭТС каждый ее элемент рассматривается как самостоятельная термодинамическая система. Эффективность работы каждого элемента ЭТС оценивается путем сравнения эксергии на входе в этот элемент с потерей в нем работоспособности, т.е. потерей эксергии в результате необратимых процессов, протекающих в этом элементе, и обусловленных как внутренней (потери на компенсацию в рабочем теле градиентов Δр/р, Δ/ и Т/Т и трения о стенки канала), так и внешней (потери на конечную разность температур при теплообмене) необратимостью. Таким образом, при определении потерь эксергии в каждом элементе исследуемой ЭТС выявляются и количественно оцениваются причины несовершенства протекающих в них процессов, что дает информацию о возможности повышения совершенства во всех элементах и позволяет создать наиболее совершенную ЭТС. Это является основной целью эксергетического метода анализа ЭТС.