Технологическое тепло
Технологическое тепло относится к применению тепла во время промышленных процессов . В той или иной форме технологическое тепло используется при производстве многих распространенных продуктов: от бетона до стекла , стали и бумаги . Если имеются побочные продукты или отходы всего промышленного процесса, они часто используются для получения технологического тепла. Примеры включают черный щелок при производстве бумаги или жом при переработке сахарного тростника.
Требования
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2023 г. ) |
Требуемая температура процесса варьируется в широких пределах: около половины промышленного технологического тепла имеет рабочие температуры выше 400 ° C (752 ° F). Эти высокотемпературные процессы, как правило, могут обеспечиваться только специальными источниками, такими как природный газ или уголь , хотя предварительный нагрев из других источников также является обычным явлением для сокращения использования топлива. Те процессы, которые происходят ниже медианного уровня, могут использовать гораздо более широкий спектр источников, включая отходящее тепло других процессов в том же промышленном процессе. Резистивный нагрев теоретически может быть возможным источником технологического тепла, но даже поскольку он преобразует почти 100% подаваемой электроэнергии в тепло, очевидно, менее эффективно сжигать топливо на тепловой электростанции для производства электроэнергии только для использования этой электроэнергии для нужд. технологическое тепло, чем использовать топливо напрямую. Таким образом, этот источник тепла используется только там, где электричество из нетепловых источников (например, гидроэлектроэнергия ) дешево и в изобилии. Тепловые насосы , которые обычно используются для отопления домов, подогрева воды и других тепловых целей при температуре ниже 100 °C (212 °F), имеют слишком низкий коэффициент теплопередачи. Эффективность Карно при больших перепадах температур между «горячим» и «холодным» оказывается целесообразным. Некоторые процессы, такие как электролиз расплавленной соли, обеспечивают необходимое технологическое тепло за счет того же электричества, которое также необходимо для поддержания эндотермической реакции. Тепло обычно описывается как «класс», при этом более высокие температуры имеют более высокий «класс». Это связано с тем, что тепло естественным образом перетекает от горячего к холодному, и поэтому всегда можно использовать высокотемпературный источник тепла для применений с более низкими температурами, но не наоборот. Поскольку производство высокосортного тепла более трудоемко и дорого, а материалы имеют ограниченную термостойкость, предпринимаются усилия по снижению рабочих температур, где это возможно, за счет использования катализаторов и флюсов . В равновесных реакциях , где температура является одним из факторов, влияющих на равновесие, требования к температуре можно снизить за счет удаления желаемых продуктов в непрерывном процессе . Например, если равновесная реакция между AB и CD приводит к образованию AC и BD и равновесие можно сместить вправо при повышении температуры, постоянное удаление AC или BD из реакции может способствовать снижению требований к температуре (ср. принцип Ле Шателье ). Однако этому есть пределы, поскольку скорость реакции также зависит от температуры. Катализаторы могут увеличивать скорость реакции при любой заданной температуре, но они по определению не смещают равновесие.
Декарбонизация
[ редактировать ]Технологическое тепло составляет около 30% всего потребления топлива в производственном секторе и является целью значительных усилий по внедрению новых форм углеродно-нейтрального или, по крайней мере, низкоуглеродного технологического теплоснабжения. Некоторые отходы, в том числе использованные шины , обычно используются в качестве замены топлива или смешиваются с обычным топливом в соответствующих соотношениях. [1] Биомасса уже широко используется в промышленности, тогда как геотермальная энергия , концентрированная солнечная энергия и ядерная энергия остаются экспериментальными и в настоящее время не являются экономически конкурентоспособными. Проблема с использованием ядерной энергии для технологического тепла заключается в том, что обычно используемые водо-водяные реакторы имеют рабочую температуру значительно ниже 400°C. [2] а реакторы с кипящей водой работают еще при более низких температурах (около 285 ° C (545 ° F)). [3] Усовершенствованный реактор с газовым охлаждением , высокая температура теплоносителя на выходе которого была явной целью проектирования, оказался технологическим тупиком, и ни одна другая высокотемпературная атомная электростанция никогда не вводилась в широкую коммерческую эксплуатацию по состоянию на 2022 год. [4] Некоторые предложения по реакторам поколения IV изменят это положение, позволив производить тепло более высокого качества. Точно так же геотермальные источники тепла часто имеют относительно низкие температуры, иногда даже требуя бинарных циклов для производства электроэнергии. [5] [6]
Временным решением для декарбонизации ценой увеличения затрат (игнорируя цены на выбросы углерода ) и снижения эффективности обратного пути является замена используемого в настоящее время ископаемого топлива на из энергии на X. топливо, полученное Хотя этот подход имеет то преимущество, что его можно использовать с существующей технологией с минимальной модификацией или без нее, он менее эффективен, чем даже резистивный нагрев, поскольку химические процессы, необходимые для преобразования электрической энергии в искусственное топливо, менее эффективны, чем резистивный нагрев. Однако в процессах, где топливо обеспечивает как тепло, так и химическую функцию (например, кокс в качестве восстановителя в сталеплавильном производстве), топливо Power-to-X может, однако, в течение некоторого времени оставаться единственной возможной низкоуглеродной альтернативой. Водород, получаемый с помощью таких процессов, как электролиз воды , часто предлагается в качестве альтернативы нынешним источникам технологического тепла. Водород сегодня уже широко используется в промышленности, но его в основном получают из ископаемого топлива с помощью таких процессов, как паровая конверсия. с 2022 года Серо-йодный цикл сам по себе требует высоких температур, его возможность получения водорода в качестве топлива для технологического тепла в отличие от прямого использования тепла, необходимого для процесса, кажется сомнительной.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «От металлолома к топливу-заменителю» . 2 июня 2022 г.
- ^ «Системы реакторов с водой под давлением (PWR)» (PDF) , Руководство по концепциям реакторов , Центр технического обучения USNRC, заархивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2022 г.
- ^ «Реактор с кипящей водой – Энергетическое образование» .
- ^ «Усовершенствованный газовый реактор — обзор | Темы ScienceDirect» .
- ^ «Температура геотермального источника — обзор | Темы ScienceDirect» .
- ^ Фингер, Джон; Бланкеншип, Дуг (декабрь 2010 г.). Справочник по передовому опыту геотермального бурения (PDF) (отчет). Сандианские национальные лаборатории. Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2022 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Толедано, Илан (16 мая 2016 г.). «Технологическое отопление для производства 101» . Обработка .
- «Возобновляемое промышленное тепло» . Агентство по охране окружающей среды . 28 октября 2014 г.