Промышленные предприятия (объединения) являются крупными потребителями электрической энергии. Электрические нагрузки отдельных предприятий достигают миллиона киловатт. Осуществляется глубокая электрификация технологических и высокотемпературных процессов, растет потребление электроэнергии на процессы физико-химической технологии (электроэррозионная, электрохимическая, анодно-механическая, лазерная, ультразвуковая обработка изделий на сварочные установки и вентильные преобразователи.
Промышленная энергетика до недавнего времени рассматривалась как совокупность промышленной теплоэнергетики и промышленной электроэнергетики.
В условиях активного проведения политики энергосбережения в промышленности, научно-технического прогресса, безотходных технологий изменяется структура промышленной энергетики. В настоящее время активно формируются и развиваются процессы энерготехнологии и его наиболее весомой в части энергосбережения технологии, которая представляет собой совокупность методов преобразования исходного сырья, материалов, полуфабрикатов в заданный товарный продукт на основе изменения теплового состояния их вещества. Эти процессы способствовали появлению новой области промышленной энергетики – энергетики теплотехнологий. Энергетика теплотехнологии выступает как важнейшая составляющая реализации новых, в том числе и безотходных теплотехнологических процесссов и энергетической модернизации действующих теплотехнологических установок и систем. Энергетика теплотехнологии представляет собой базис для энерго- и ресурсосбережения и создания экологически совершенных теплотехнологических установок и систем. Развитие новой области промышленной энергетики приводит к необходимости создания в энергетическом хозяйстве предприятий соответствующих служб по энергетике теплотехнологии.
Главная цель организации энергетического хозяйства – устойчивое сбалансированное и качественное обеспечение производства требуемыми энергетическими ресурсами при минимальных затратах на содержание данного хозяйства.
Для этого должны решаться следующие основные задачи:
– получение энергии от энергосистемы, собственных источников и распределение ее внутри предприятия;
– надзор за правильной эксплуатацией энергетического оборудования, находящегося в ведении энергетиков, электрических и тепловых сетей, их техническим обслуживанием и ремонтом;
– организация и планирование рационального потребления энергии всеми подразделениями предприятия;
– разработка и осуществление мероприятий по экономии энергии, энергосбережению и охране окружающей среды.
Основными видами первичной энергии, поступающей на предприятия, являются электрическая, тепловая и химическая энергия, содержащаяся в завозимом топливе. Кроме того, для работы используются различные газы (аргон, фреон, аммиак), энергия сжатого воздуха и воды под давлением. Схемы энергоснабжения промышленных предприятий зависят от многих факторов, поэтому их выбор осуществляется на основе технико-экономического сравнения вариантов. Схема энергоснабжения может быть полностью централизованной, индивидуальной (децентрализованной), комбинированной, индивидуальной раздельной или смешанной. Основными схемами являются централизованное обеспечение предприятий электроэнергией, а в отдельных случаях паром, горячей водой – от районных энергосистем, природным газом – от государственной сети газоснабжения, твердым и жидким топливом – от системы материально-технического снабжения.
На крупных промышленных предприятиях часто применяется смешанная схема, при которой электроэнергия поступает от энергосистемы, а теплота и прочие виды энергии – от заводских котельных, компрессорных, холодильных, воздухоразделительных станций, других источников заводского энергоснабжения.
Возможно централизованное получение электрической и тепловой энергии от энергосистемы, и частично от собственной заводской ТЭЦ. На предприятиях небольшой мощности используются схемы энергоснабжения с источниками питания только от заводских теплоэлектроцентралей и котельных.
Собственное производство энергии силами предприятия организуется применительно к тем ее видам, централизованное обеспечение которыми либо технически невозможно, либо нерационально по технико-экономическим причинам.
Важная роль в рациональной организации энергоснабжения принадлежит также использованию вторичных ресурсов на предприятии.
Планирование энергетического хозяйства промышленного предприятия включает разработку его энергетического баланса.
Энергетический баланс предприятия представляет собой баланс производства, получения со стороны, преобразования, передачи и потребления всех видов топлива и энергии, используемых на предприятии.
Энергетический баланс имеет две части: расходную и приходную. Расходная часть характеризует потребность в отдельных видах энергоносителей или их совокупности. Приходная часть характеризует источники удовлетворения этой потребности. Для существования баланса должно быть соответствие (равенство) расходной и приходной частей энергобаланса.
Составление и анализ энергетических балансов необходимы при планировании: планировании в энергетических ресурсах; реконструкции и развития энергетического хозяйства предприятия; мероприятий по экономии топлива и энергии, совершенствованию системы учета и контроля расхода энергоресурсов.
Энергетические ресурсы на промышленном предприятии могут быть классифицированы по пяти признакам:
– объектам, для которых разрабатывается энергобаланс;
– видам энергоносителей;
– периодам, на которые составляется баланс;
– качественным характеристикам;
– формам построения.
Объектами составления энергобалансов на промышленном предприятии являются отдельные энергоиспользующие агрегаты, технологические и энергетические цехи и предприятие в целом.
По видам энергоносителей составляются частные балансы:
– топливный с дифференциацией по видам, сортам и маркам топлива;
– электрический – по напряжениям и частотам;
– тепловой – по пару различных параметров и горячей воде;
– холода – по хладоагентам и их параметрам;
сжатых газов – по видам (воздух, кислород, азот и др.) и их параметрам, агрегатным состояниям и т.п.
Суммарный энергетический баланс не является суммой частных балансов, так как одни виды энергии трансформируются в другие.
Дифференциация по качественным характеристикам позволяет учесть степень рациональности использования на предприятии топлива и энергии. В соответствии с этим балансы могут быть:
– фактические, отражающие существующее положение со всеми оправданными и неоправданными потерями топлива и энергии;
– нормативные, соответствующие научно обоснованным нормам;
– рациональные, учитывающие экономически оправданные мероприятия на существующем оборудовании по снижению удельных расходов топлива и энергии;
– оптимальные, учитывающие реконструкцию производства с заменой устаревшего оборудования, применение передовой технологии и рациональных энергоносителей (с учетом требований надежности энергоснабжения, охраны окружающей среды и др.).
Создание замкнутых производственных циклов
Наименьшее число нарушений в экосистеме будет производить такое производство, которое имеет высокую степень замкнутости. В подобном производстве отходы сводятся к минимуму, а поток материалов приближается к замкнутому кругообороту вещества в природных системах.
Можно выделить три типа экологических производств: производство замкнутое безотходное, производство с возвращением природе побочных продуктов или отходов в природном состоянии и производство в возвращением отходов для переработки природе (при условии гарантированного полного обеспечения этой переработки). Для каждого из перечисленных типов можно составить уравнения массообмена.
Для замкнутого безотходного производства:
,
где mc – масса сырья; mк.пр – масса конечного продукта; 1, 2, …, n – стадии производства.
Если масса отходов на стадии i равна mот. то, следовательно, для замкнутого производства .
В случае производства, возвращающего природе отходы в природном состоянии, уравнение массообмена запишется
,
причем .
Здесь mп.от – масса переработанных отходов; mу.от – масса утилизированных отходов.
Так как компоненты, входящие в переработанные отходы, находятся в естественном состоянии, то их масса во времени не меняется, т.е. ¶mi /¶t = 0, где mi – масса i-го компонента в переработанных отходах.
Если же в процессе производства выделяются отходы, которые могут взаимодействовать с окружающей средой, то в этом случае ¶mi /¶t ¹ 0.
Согласно приведенной классификации, в замкнутом безотходном производстве все отходы полностью используются на данном предприятии, внутри отрасли или в смежных отраслях; в технологии второго типа отходы возвращаются природе в виде веществ, имеющих такой же состав, как и природные вещества (вещества, отличающиеся по составу от природных, идут на утилизацию); в технологии третьего типа отходы могут оказывать вредное влияние на экосистему. Однако это влияние должно смещать динамическое равновесие в сторону улучшения жизненных условий. В двух последних случаях принципиальное значение приобретает обратное воздействие природных процессов на человека и производство, связанное со сдвигом равновесия этих процессов в результате накопления различного вида аномалий. Величина этих сдвигов определяется соотношением скорости превращения выбрасываемых веществ в природных условиях к скорости их получения и выбрасывания в природную среду.
Природные экологические системы в противоположность искусственным (производству) характеризуются замкнутым обращением вещества, причем отходы, связанные с существованием отдельной популяции, являются исходным материалом, обеспечивающим существование другой или чаще нескольких других популяций, входящих в данный биогеоценоз. Биогеоценоз, под которым подразумевается эволюционно сложившаяся совокупность популяций растений, животных и микроорганизмов, свойственная определенной местности, имеет циклическое обращение веществ. Часть веществ экосистемы в связи с перемещениями воздуха, воды, эрозией почвы и т.п. переносится по поверхности Земли и участвует в более общем круговороте веществ в биосфере. Циклическое обращение веществ в отдельных экосистемах и во всей биосфере, сформировавшееся за миллионновековую ее эволюцию, представляет собой прообраз экологически оправданной технологии производства.
В целом экологическая состоятельность всего производства оценивается по совокупности расходных коэффициентов всех веществ, применяемых в основном и побочном производстве, включая и такие, как вода и воздух. В этом плане экологически оправданным будет такое производство, в котором отходы одной стадии этого производства являются исходным сырьем для получения продукта на какой-то другой его стадии. Производство, не имеющее отходов, представляет образец замкнутого производства. Первоочередной задачей является повсеместный перевод промышленности на уровень замкнутого производства, которое должно представлять собой «систему гармонично связанных между собой производственных процессов».
В настоящее время обсуждаются возможные пути развития безотходного производства в условиях промышленного города. Первый путь развития заключается в массовом использовании малоотходных технологических процессов и расширении оборотных систем внутри отдельного предприятия. Именно по этому пути в основном и совершенствуется современное производство. Но этот путь развития безотходного производства имеет ограничения, если отходы предприятия слишком велики и не могут быть использованы в условиях данного предприятия. В этом случае представляется целесообразным совершенствовать производство по второму пути, заключающемуся в межотраслевой кооперации и безотходном соединении процессов производства. Примером подобной кооперации является связь машиностроительных заводов с предприятиями вторичной переработки металлов, которым они передают металлические отходы, идущие в дальнейшем в повторный переплав на металлургических заводах для получения полуфабрикатов для машиностроительной промышленности. Однако этот путь повышения замкнутости производства повышает степень использования лишь основных материалов. Такие отходы производства, как газообразные продукты горения, пустая порода агломерационных и обогатительных фабрик, разбавленные водой и воздухом химически активные вещества, уносимые с газовыми и жидкими выбросами, загрязняют окружающую среду. Поэтому наиболее перспективным с точки зрения экологизации народного хозяйства представляется путь создания безотходных производств на базе физико-химических и биологических процессов, обеспечивающих возможность использования отходов или обезвреживания путем доведения их до природного состояния.
Принципы организации безотходного производства:
- по возможности полный перенос вещества на производимую продукцию при максимальной экономии энергии, вспомогательных материалов и в первую очередь воды в рамках деятельности каждого предприятия;
- передача отходов из одного производства в другое, для которого они могут служить сырьем; создание цепей таких производств, последовательно углубляющих использование сырья;
- территориальное и функциональное объединение разнотипных предприятий, по-разному и с разных сторон обрабатывающих исходные материалы, в систему комплексного производства;
- дополнение указанных производственных комплексов предприятиями, культивирующими природные процессы в целях переработки завершающих отходов в сырьевые материалы, способные потребляться другими производственными комплексами и биосферой;
- расширение производственных связей между безотходными производственными районами и повышение тем самым степени замкнутости как в хозяйственном, так и биогеохимическом отношении любой производственной системы;
- ликвидация ранее допущенных нарушений равновесия в природе путем обогащения и повышения ее продуктивности.