Эксергия отходов как мера техногенной нагрузки на окружающую среду

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКСЕРГИЯ ОТХОДОВ КАК МЕРА ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Б.В. Ларюшкин-Железный - д-р хим. наук, проф.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет

природообустройства», г. Москва, Россия

Совокупные потери эксергии в технологических процессах определяются энергетическими и материальными отходами производства и могут служить энергетической мерой общей техногенной нагрузки на окружающую среду.

Total exergy losses in production processes related to energy and material wastes are regarded as an energetic measure of full technological press on environment.

Эксергия - мера максимально возможной полезной работы, которую может совершить система в соответствии со 2-м законом термодинамики [1]. Реально это количество работы не достижимо, но это тот идеал, к которому «надо стремиться». Все реальные технологические процессы сопровождаются потерями эксергии, и эти потери ложатся нагрузкой на окружающую природную среду. Чем совершеннее технологический процесс, тем меньше потери эксергии и тем меньше техногенная нагрузка на природную среду.

Оценить потери эксергии в технологическом процессе можно двояким образом: по балансу эксергии в процессе и по эксергии отходов производства. Первый путь предполагает детальный анализ потоков эксергии на входе и выходе технологического процесса, второй - учет всех видов потерь эксергии с тепловыми и материальными отходами. С расчетной точки зрения второй путь проще, но он оставляет меньше возможностей для анализа причин потерь эксергии.

Базовым уравнением для определения термодинамической эффективности стационарного процесса является уравнение эксергетического баланса

?Е? = ?E? + ?D, (1)

где ?Е? - сумма потоков эксергии на входе в систему; ?E? - сумма потоков эксергии на выходе из системы; ??D - сумма потерь эксергии в рассматриваемом процессе.

Общая величина эксергетических потерь дается фундаментальным соотношением (2), называемым «законом эксергетических потерь» или «законом Гуи - Стодолы» [1…3].

?D = Тос ?Soc, (2)

где Тос - температура окружающей среды (в абсолютной шкале); ?Soc - приращение энтропии «всей системы» (рассматриваемая система + окружающая среда) за счет необратимости реального технологического процесса.

При анализе техногенной нагрузки на окружающую среду целесообразно отдельно рассматривать энергетические (тепловые) потери и потери эксергии, связанные с материальными выбросами.

Все энергетические потери реализуются в виде тепла, рассеиваемого в окружающую среду, причем это может происходить по различным механизмам: путем теплопередачи и/или теплового излучения и с помощью материальных носителей - выбросов.

Иногда высказывается мнение, что тепловые потери не наносят существенного вреда окружающей среде, а в некоторых случаях даже могут приносить пользу [4]. С такой точкой зрения трудно согласиться. Тепловые потери являются одним из видов техногенного давления на природную среду («тепловое загрязнение»), и как всякое неконтролируемое техногенное воздействие они оказывают скорее отрицательный, чем положительный эффект на природные экосистемы. Экономический ущерб, связанный с тепловыми потерями, очевиден.

Потери эксергии (Lq)за счет тепловыделений (теплообмена) в окружающую среду (а в случае холодильной установки - в результате «утечки холода») можно вычислить по формуле [1, 3]

, (3)

где q - тепловой поток через единицу площади поверхности; е, - «эксергетическая температура», определяемая формулой

e = 1 - Тос / T, (4)

где T - температура на внутренней границе теплоизолирующей оболочки рассматриваемой системы. Если величина T одинакова по всей теплоизолирующей оболочке, то тогда общие потери эксергии с тепловыделениями составляют

Lq = Q e, (5)

где Q - общие тепловые потери в окружающую среду.

В общем случае эксергетические потери, связанные с материальными выбросами (хвостовыми отходами) от промышленных и иных источников, имеют три составляющих: температурную, химическую и механическую - связанную с избыточным давлением выбросов. В частности, удельную эксергию продуктов полного сгорания топлива можно рассчитать по формуле [2]

bth = b(T) + b(p) + b(y) = b(T) + RT0 ln(p/p0) + RT0 Уiyi ln(yi /y0i) =

b(T) + RT0 Уiyi ln(yi p /p0i), кДж/моль, (6)

где b(T) - зависящий от температуры (изобарный) компонент удельной эксергии (приходящейся на один моль отходящих газов); b(p) - зависящий от давления компонент удельной эксергии; b(y) - компонент удельной эксергии, зависящий от состава отходящих газов; p - давление отходящих газов; p0 - давление окружающей среды (атмосферное); p0i - парциальное давление i-го компонента в атмосфере; yi, y0i - мольная доля i-го компонента в отходящих газах (включая пары воды) и в атмосфере.

Каждый компонент эксергии может быть рассчитан по термодинамическим формулам или определен по соответствующим номограммам. Температурный компонент эксергии отходящих газов определяется их энтальпией и зависит, помимо прочего, от коэффициента избытка воздуха (б) в топке (или камере сгорания), равному отношению количества фактически поданного воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. Номограммы для определения температурного компонента эксергии продуктов сгорания топлив приведены в ряде источников [1, 2]. В таблице приведены значения температурного компонента удельной эксергии отходящих газов (для случая б = 1), определенные по номограммам [2].

Температурная составляющая эксергии дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха б = 1 и наружнойтемпературе 150С

Основными продуктами сгорания природных топлив (исключая многосернистые нефть и мазут) являются CO2, H2O, N2 и O2, причем два последние являются компонентами атмосферного воздуха, прошедшими без изменения через топку (камеру сгорания). Если пренебречь содержанием остальных компонентов, то «концентрационная» составляющая эксергии в формуле (6) принимает вид [3]

b(y) = RT0 [yN2 ln(yN2/0,7893) + yO2 ln(yO2/0,2099) + yCO2 ln(yCO2/0,000345) + yH2O ln(yH2O /X0) + ln(1 + X0)], (7)

где yi - мольная доля соответствующего компонента в продуктах сгорания; X0 - абсолютная влажность атмосферного воздуха в молях на моль сухого воздуха.

В соответствии с этой формулой, при сгорании углеводородных топлив компоненты CO2 и H2O всегда дают положительный вклад в концентрационную составляющую эксергии дымовых газов, тогда как N2 и O2 - наоборот, отрицательную, поскольку их относительное содержание в отходящих газах меньше, чем в атмосферном воздухе. В целом же концентрационная составляющая эксергии дымовых газов всегда положительна и для обычных топлив составляет около 1,5 кДж/моль газа. Концентрационная составляющая эксергии дымовых газов становится превалирующей при температуре дымовых газов менее 2000С. Составляющая эксергии, связанная с избыточным давлением отходящих газов обычно несущественна.

По аналогичной схеме может быть произведена оценка эксергии сбросных сточных вод, а также эксергии твердых отходов.

Совокупная эксергия отходов является общей энергетической мерой ресурсных потерь, связанных с данным производством, и одновременно может служить энергетической мерой техногенной нагрузки, оказываемой данным источником материальными и тепловыми выбросами на окружающую среду.

эксергия термодинамика вода сточный

Библиографический список

1. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

2. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes, 1st ed. - N.Y.: Hemisphere Pubs, 1988. 332 p.

3. Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. - М.: Химия, 1992. 208 с.

4. Ayres R.U., Ayres L.W., Martinas K. Exergy, waste accounting, and life- cycle analysis. // Energy. 1998. Vol. 23. № 5. p. 355-363

Размещено на Allbest.ru