Системные методы энергосбережения в химической промышленности.
Энергосбережение является сегодня одним из лимитирующих, сдерживающих выход Украины из состояния экономического кризиса факторов. Удельная энергоемкость практически всех видов промышленной продукции в Украине значительно выше, чем в экономически более развитых странах. Именно из-за этого отечественная продукция часто неконкурентоспособна на мировом рынке. Энергетика влияет на устойчивое и просто развитие Украины хотя бы потому, что уже много лет уверенно находится в числе первых наиболее опасных загрязнителей окружающей природной среды. Экологическую ситуацию в бассейне реки Днепр рассматривают сегодня не просто, как ухудшение условий природной среды, а как экологический кризис. А при кризисе нужна не фиксация его углубления и дальнейшей деградации среды обитания, а конкретная реальная антикризисная программа. Именно такой программой, как свидетельствует мировой опыт, может стать программа экологизации промышленного и сельскохозяйственного производства, построенная по системному принципу- от локальной экологизации отдельных установок, предприятий, регионов, а также экологизации на межрегиональном и международном уровнях - до экологизации всей Украины. Эта программа неразрывно связана с программой энергосбережения как в энергопроизводящих, так и в энергопотребляющих отраслях производства. Интересно, что обе эти программы используют одни и те же методы, имеют аналогичную стратегию и тактику для своей реализации.
Поскольку часто невозможно уменьшить энергопотребление и снизить уровень отрицательного влияния производства на среду без изменения технологических процессов, конкретная деятельность по реализации концепции устойчивого развития, которая давно уже для всех стран мира (кроме Украины) стала основной стратегической линией развития, и направлена либо на улучшение действующих, либо на создание новых технологических процессов, направленных не только на то, чтобы решать утилитарные проблемы, но и на защиту окружающей среды.
Концепция устойчивого развития (КУР) в нашем понимании полностью включает, использует концепцию энергосбережения и развивает ее. Дальнейшей задачей концепции является интеграция решений в области энергосбережения и защиты окружающей среды с усовершенствованием системы сбора данных и аналитических методов. Необходим комплекс методов оценки последствий решений в экономической, социальной и экологической сферах. Это необходимо не только на уровне отдельных проектов, но и на уровне политики и программ. Анализ должен включать в себя оценку затрат, выгод и рисков. При выполнении этого анализа основную роль должен играть аудит, который мы рассматриваем как интеграцию экспертизы и консалтинга для каждого проекта. К сожалению, в Украине сложилась практика, когда, зачастую непрофессиональными аудиторами выполняется лишь первый этап аудита и совершенно игнорируется необходимость выдачи профессиональных рекомендаций по устранению обнаруженных недостатков. Кроме того, обычно проводят совершенно независимо энергетический, экологический и технологический аудиты. Между тем, методы исследования при аудите и, главное, предлагаемые решения задач совершенствования объекта в этих видах аудита чаще всего идентичны или, по крайней мере, близки. Всегда одновременно с совершенствованием технологии улучшаются экологические и энергетические показатели объекта. Поэтому, видимо, давно следует проводить не автономные независимые аудиты, а комплексные эколого - энерго- технологические аудиты. Это позволит значительно сократить время аудита, расходы и, главное, повысить его результативность и эффективность.
Реализовать концепцию устойчивого развития необходимо уже сегодня хотя бы для того, чтобы прекратить или сократить субсидирование объектов, которые не способствуют достижению целей устойчивого развития, проводить политику, способствующую снижению загрязнения окружающей среды и уменьшению ресурсопотребления, экологически безопасному освоению ресурсов, а также способствовать внедрению энергосберегающих экологически безопасных технологий.
Основой современного подхода к реализации концепции устойчивого развития и решения задач энергосбережения как одного из важных факторов устойчивости является системный анализ, являющийся по своей сути прикладной диалектикой, который исходит из того, что любая система, в том числе и природно-техническая, состоит из находящихся в иерархической зависимости под- и надсистем. Причем проблема обеспечения требуемых энергетических и экологических показателей на каждом иерархическом уровне носит частный характер, в то время, как для реализации общей цели необходимо установить основные определяющие компоненты системы, их внешние и внутренние связи, закономерности функционирования системы и связь частных параметров подсистем с общим интегральным показателем ее функционирования.
Рассматривая стратегические основы развития экономики страны или ее отдельной отрасли, нельзя не учитывать интегральные показатели – индексы устойчивости развития. В качестве примера возьмем хотя бы химическую отрасль Украины, которую вообще наша НАНУ “забыла” включить в перечень важнейших направлений развития страны. Между тем, Украина когда-то в СССР была одной из наиболее химически развитых республик. Сегодня основной химии в стране уже практически нет. Те нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, которые еще остались в Украине, проблемы которых, кстати, есть в перечне направлений НАНУ, давно принадлежат России и другим странам. Выпускники единственного в стране химико-технологического университета чаще всего работают отнюдь не на химических предприятиях, а где угодно - менеджерами или коммерсантами. Ученых- химиков аспирантура почти не готовит. И возрождать химическую индустрию, судя по перечню, наши ученые и не собираются. Между тем, украинский прорыв просто невозможен без возрождения химии, и не вообще химии, а новых наименее энергоемких направлений, успешно развивающихся в промышленно развитых, а не банановых странах. Имеются в виду производства химических реактивов, особо чистых веществ для микрорадиоэлектроники, волоконной оптики, все тех же, модных нынче, наноматериалов, веществ для ядерной энергетики, производства новых композитных материалов с совершенно фантастическими свойствами, уникальных теплоносителей, без которых немыслимо решение проблем энергосбережения и т.д. Будем честными – нам не удастся в ближайшие десятилетия восстановить те многочисленные производства основной химии, которые работали в Украине во времена Советского Союза. Это просто невозможно в условиях рыночной экономики, ибо за годы простоя появились новые технологии и оборудование, обеспечивающие производство веществ лучшего качества при гораздо более низких расходах сырья, энергии, наконец, трудозатратах. Старые производства никогда не будут рентабельными и конкурентоспособными в случае их реанимации, прежде всего из-за их чрезвычайной энергорасточительности. Просто мир ушел далеко вперед за это время. Придется создавать совсем другую, конкурентоспособную химию. Скорее всего, это будет малотоннажная, быстро трансформируемая в соответствии с потребностями рынка химия, основанная на блочно-модульных установках высокой гибкости с широким допустимым диапазоном нагрузок по сырьевым потокам, большим разбегом изменения допустимых параметров процесса. Химики страны в свое время успешно занимались именно этим направлением развития химии (Днепропетровск, Харьков, Черкассы, Рубежное, Шостка, Горловка). И профессионалы далеко не все ушли. Но в НАНУ об этом ничего неведомо, такие работы там не велись. И исчезло целое направление, может, наиболее важное для страны, из академического перечня. Вот только один пример того, что академическая коррупция может серьезно навредить стране и увести ее в сторону от решения задач Украинского прорыва.
Современная методология энергосбережения, в значительной степени определяющего устойчивость развития, основана на системном анализе и, как отмечено, во многом совпадает с методологией экологизации. Именно системный анализ позволяет сформулировать основные стратегические принципы и определить тактические приемы реализации этих двух смежных направлений оптимизации, являющихся основой устойчивого развития сложных технических и экономических систем.
В нашей стране системный подход к решению проблем энергосбережения не всегда развивается на основе принципов, которые уже хорошо себя зарекомендовали в мире. У нас эти принципы все еще не осознаны широким кругом украинских «энергетических» специалистов. А ведь именно системный подход необходим для фундаментальной составляющей современной экономики, каковой является энергоэффективность. И охватывать он должен и моделирование процессов, и иерархичность структуры, и множественность связей элементов, и неопределенность состояний, и чувствительность к помехам, и многое другое.
Системные подходы к энергосбережению на сегодня четко сформулированы. Определены три основных тактических глобальных принципа:
— использование рециркуляции потоков энергии и вторичного сырья техногенного происхождения;
— работа по обеспечению энергосбережения должна выполняться на всех трех основных стадиях — производства, транспортировки и преобразования, потребления энергии;
— наиболее целесообразно использовать системные методы энергосбережения на стадии потребления энергии, в особенности для энергоемких отраслей производства (прежде всего, химия и металлургия).
Некоторые из этих принципов имеют общетехнический характер (ресурсосбережение, рекуперация, утилизация низкопотенциальных энерговыбросов) и имеют особое значение для перерабатывающих отраслей промышленности, в частности, для химической, металлургической, пищевой. К примеру, реализуется концепция обеспечения энергетической малоотходности не столько за счет утилизации энергетических отходов или ресурсосбережения, сколько за счет повышения селективности, т.е. выхода высокопотенциального целевого продукта или отходов. В конце концов, эта концепция сводится к стремлению не бороться с энергетическими низкопотенциальными отходами, а вести процесс так, чтобы они образовывались в минимальном количестве.
Современная энергетическая оптимизация технологии предусматривает также не утилизацию или обезвреживание предварительно смешанных выбросов энергии, а локальную обработку выбросов по возможности как можно ближе к источнику их образования. Этот подход является альтернативой принятому у нас принципу создания глобальных сооружений утилизации или нейтрализации сразу всей смеси отходов энергии. Локальная обработка, максимально приближенная к источникам выбросов, как показал мировой опыт, оказалась гораздо более эффективным направлением, особенно в сочетании с концепцией индустриального симбиоза. Дороговизна локальных установок оказывается кажущейся, если принять во внимание затраты не только на производство энергии, но и на природоохранные мероприятия, в частности на утилизацию энергетических выбросов, предотвращение ущерба окружающей среде и т.д. Следует заметить, что принятое у нас раздельное финансирование и отдельное проектирование технологических, энергетических установок и установок природоохранного назначения является анахронизмом, приводящим к появлению промышленных объектов с "забытыми" установками утилизации и очистки энергетических низкопотенциальных выбросов. Этому способствует также упомянутый остаточный принцип финансирования таких природоохранных и энергосберегающих объектов. При современном подходе установки утилизации должны быть составной частью промышленного объекта, включенной в основную технологическую линию.
Не касаясь слишком специальных вопросов энергосбережения в промышленности - им место на страницах специальных изданий, остановимся лишь на некоторых принципах, сформировавшихся в последние годы и показавших свою высокую эффективность и результативность при их использовании для решения вопросов энергосбережения в конкретных объектах перерабатывающих отраслей промышленности.
Наиболее эффективным принципом энергосбережения, уже получившим значительное распространение на Западе, является принцип индустриального симбиоза - совмещения якобы несовместимых объектов, материальных и энергетических потоков в единый энерготехнологический комплекс, связанный в сложную многоуровневую систему, где «работают» практически все отходы (энергетические и материальные) одних производств в качестве вторичного сырья техногенного происхождения для других производств.
При симбиозе появляется возможность реализовать также знаменитый принцип рециркуляции, когда не добиваются полного использования исходного сырья или энергии, а обеспечивают наиболее экономически выгодные режимы переработки при экономически оптимальной конверсии (обычно 20 - 30%), выделяя после этого готовый продукт (вещество или энергию) и возвращая неиспользованные ресурсы в начало процесса.
Одним из наиболее эффективных принципов является комплексность в решении задач уменьшения энергопотребления промышленными установками. При этом подразумевается не только использование энергосберегающих технологий, не только применение оборудование для локальной утилизации энергетических выбросов, а, прежде всего - решение комплексной задачи по созданию энергетической техники как единства технологии и оборудования. Таким образом, принцип комплексности в этой трактовке подразумевает одновременное решение вопросов оптимизации аппаратурного и технологического оформления процессов.
Наряду с комплексностью энергосберегающие технологии должны обладать достаточно высоким уровнем гибкости. Под гибкостью при этом подразумевается количественный показатель, отражающий возможность работы технологии и оборудования в широком диапазоне изменения внешних и внутренних параметров установки с заданными значениями уровня образования побочных энергетических продуктов. Достаточно результативно можно воздействовать на объект также, используя принципы "многократность использования ресурсов и энергии" и "максимальная селективность синтеза и разделения", смысл которых ясен из их названия.
Кроме принципов энергосбережения в промышленных установках, автором определены также наиболее употребительные тактические приемы для их реализации, в частности, применительно к перерабатывающим отраслям производства. Среди них следует разграничить две тесно связанные между собой группы методов- режимно-технологические и аппаратурно-конструктивные. Наряду с традиционными для любой области техники методами (замкнутость структуры и многофункциональность оборудования, интенсификация) особенности перерабатывающих отраслей предопределяют использование некоторых специальных методов энергосбережения. Среди них:
· минимизация времени обработки и избыток одного из реагентов, приводящие чаще всего к повышению селективности и уменьшению образования побочных потоков вещества и энергии,
· рекуперация, замкнутость потоков вещества и энергии, приводящие, как показал еще М.Ф.Нагиев, к "идеализации" режимов синтеза и значительному уменьшению скорости побочных процессов,
· совмещение синтеза и разделения, гетерогенизация, позволяющие существенно уменьшить образование побочных продуктов за счет отвода целевого продукта из реакционной зоны в момент его образования,
· адаптивность технологии и оборудования, позволяющая обеспечить надежную работу технической системы за счет "внутренних" резервов (гибкости) установки, что уменьшает возможность залповых выбросов энергии или вредных веществ или получения некондиционного продукта.
Современный энерготехнологический и экологический инжиниринг основан не только и не столько на дизайне современной технологии, сколько на искусстве выбора оптимального оборудования и метода воздействия на систему. Делать это необходимо на базе системного анализа, концепции устойчивого развития и использования современных информационных технологий. А решить тот или иной конкретный вопрос только за счет технологии — даже самой передовой — попросту невозможно.
