Вторичные энергетические ресурсы

В настоящее время  в Украине около ¾ всех доменных печей работают под давлением 0,2 МПа и более. Суммарный выход доменного газа при этом давлении достигает сотен тыс.м³/ч. До последнего времени перед подачей очищенного доменного газа в заводскую распределительную сеть его избыточное давление сбрасывалось в специальных дроссельных устройствах. При этом терялось значительное количество потенциальной энергии газа.

Расчеты показывают, что при давлении газов, превышающем  атмосферное на 0,09 МПа и более, при существующем уровне цен на топливо, экономически целесообразно утилизировать эту энергию. В частности, срабатывать избыточное давление доменного газа на газорасширительных станциях, оборудованных специальными газовыми утилизационными бескомпрессорными турбинами с генераторами для производства электроэнергии.

Большими резервами  потенциальной энергии избыточного давления располагают газорасширительные станции природного газа, на которых осуществляется его дросселирование перед подачей в распределительную сеть. Объем потребления природного газа как в черной металлургии, так и в целом по народному хозяйству непрерывно растет.

Тепловые ТЭР. Наибольшие трудности возникают при решении вопросов, связанных с утилизацией тепловых ВЭР промышленности, которые обусловлены большим разнообразием последних по температуре, режиму их выдачи, виду и физико-химическим свойствам их носителя и другими факторами. Некоторые из них не используются, поскольку нет соответствующих технических решений и оборудования для их утилизации (либо оборудование так дорого, что делает это мероприятие экономически неоправданным).

К числу отраслей, определяющих выход тепловых ВЭР  промышленности, в первую очередь, должна быть отнесена черная металлургия. Суммарный выход тепловых ВЭР отрасли эквивалентен 20 млн. т.у.т./год, а возможная выработка теплоэнергии при полной утилизации оценивается в 10 млн. т.у.т./год. Однако фактически в настоящее время выработка тепла утилизационными установками составляет около 3 млн. т.у.т./год, что позволяет покрыть 34% общей потребности отрасли в нем. Невысокая степень использования ВЭР в значительной мере объясняется недостатком уже освоенного промышленностью утилизационного оборудования.

Около ¾ от суммарного выхода тепловых ВЭР в цветной металлургии дают отходящие газы различных металлургических печей. Однако утилизация их путем установки за печами котлов-утилизаторов сопряжена с большими трудностями, обусловленными высокой запыленностью и агрессивностью отходящих газов. Это требует разработки узкоспециализированных котлов, выпускаемых малыми сериями и даже единицами, которые существенно дороже котельных установок, используемых в черной металлургии, и тем более энергетических. Этими обстоятельствами до последнего времени обычно объяснялся низкий уровень использования тепловых ВЭР в отрасли. Например, в бывшем СССР, при суммарном выходе этого вида ВЭР в цветной металлурги, эквивалентном 3,0 – 3,2 млн. т.у.т., утилизировалось с выработкой тепла лишь ~ 20%.

В то же время утилизация ВЭР не только обеспечивает экономию топлива, но и одновременно позволяет решать задачи повышения производительности технологических агрегатов, надежности их работы, улавливания ценных сырьевых компонентов, сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среды. Так, например, в производстве меди установка за отражательной печью котла-утилизатора паропроизводительностью 20 – 26 т/ч и давлением 4,05 МПа обеспечивает годовую экономию топлива около 19 тыс.т.у.т. При этом дополнительно улавливается около 320 т.пыли, содержащей медь, и другие ценные компоненты. То же самое можно сказать о системах испарительного охлаждения элементов шахтных, отражательных и обжиговых печей, напыльников конвертеров и др. Их применение примерно в 50 раз сокращает потребность в технической воде и в 2 – 3 раза повышает срок службы соответствующего оборудования.

С учетом данных обстоятельств утилизация тепловых ВЭР в цветной металлургии становится экономически оправданной даже там, где ранее  считалось неэффективным.

Тепловые ВЭР нефтеперерабатывающей  и нефтехимической промышленности определяются в основном энтальпией отходящих газов установок первичной переработки нефти, каталитического риформинга и крекинга и других технологических агрегатов. Суммарный выход тепловых ВЭР отрасли составляет миллионы т.у.т./год, а их использование – около 50%.

В промышленности строительных материалов ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, выплавке теплоизоляционных материалов. Их использованию пока еще уделяется недостаточное внимание. При суммарном выходе тепловых ВЭР, эквивалентных 1,0–1,5 сотен тысяч т.у.т. в год, их утилизация с выработкой тепла не превышает 15-17%. В настоящее время котлами-утилизаторами оборудуются в основном крупные стекловаренные печи на заводах листового стекла.

В химической промышленности наиболее энергоемкими являются производства аммиака, химического волокна, синтетической смолы, кальцинированной соды, фосфора, метанола, потребляющие свыше 70% электроэнергии и более половины тепла, расходуемых всей отраслью. Выход тепловых ВЭР по отрасли в целом достаточно велик и составляет более 1,0 млн. т.у.т./год.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности  в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности, за счет ВЭР удовлетворяется более 26% потребности в тепле, в содовой – более 11%.

Однако уровень использования  этого вида ВЭР в отрасли все же не отвечает современным требованиям. В настоящее время, в наиболее энергоемких ее подотраслях коэффициент использования составляет лишь около 37%. Основная причина относительно низкого уровня их использования заключается в том, что технологические агрегаты далеко не полностью оснащены уже освоенным утилизационным оборудованием, кроме того, в ряде случаев утилизация невозможна из-за отсутствия необходимых технических средств.

Низкопотенциальное тепло. К низкопотенциальным тепловым отходам относится энтальпия отходящих газов технологических и энергетических установок с температурой ниже 400 °С; воды, охлаждающей элементы конструкций технологического оборудования; вентиляционных выбросов; шахтных вод; пара вторичного вскипания и т.п. Утилизации их до последнего времен не уделялось должного внимания, поскольку считалось, что это экономически не эффективно. Теперь ситуация резко изменилась, и в различных энергосберегающих программах утилизация низкопотенциального тепла выделена в самостоятельное направление работ по экономии ЭР.

На самом деле, утилизация НПТ  является важной народнохозяйственной задачей, поскольку его выход составляет около половины от суммарного выхода всех видов ВЭР. Актуальность этой задачи будет возрастать, так как совершенствование технологических процессов, как правило, сопровождается сокращением потерь тепла высокого потенциала. Кроме того, нельзя забывать, что утилизация НПТ, как и всех ВЭР, способствует охране окружающей среды от теплового и химического загрязнения.

Носителями низкопотенциального тепла обычно являются коррозионно-активные, загрязненные, запыленные жидкости и газы, от которых его практически невозможно отвести, используя стандартную теплообменную аппаратуру. Иначе говоря, для решения задачи по использованию НПТ необходимо создание специального утилизационного оборудования.

Опыт зарубежной и относительно небольшой отечественной практики по утилизации низкопотенциальных тепловых отходов позволяет назвать требуемые для этого основные технические средства:

• контактные аппараты с различными насадками для использования тепла дымовых газов и других парогазовых потоков;
• многоступенчатые установки с аппаратами мгновенного вскипания для загрязненных горячих стоков;
• многоступенчатые установки с аппаратами типа "тепловая труба" для утилизации тепла агрессивных жидкостей (серной, фосфорной, азотной кислот);
• скрубберно-солевые установки для дымовых газов;
• выпарные аппараты с вращающимися элементами (роторно-пленочными) для загрязненных газов с целью получения тепла и концентрирования сточных вод;
• тепловые насосы (пароструйные, абсорбционные и компрессионные) для производства холода и теплоснабжения;
• абсорбционные холодильные установки (на водных растворах аммиака, бромида лития, хлорида кальция и др.);
• установки, работающие по водо-фреоновому циклу;
• регенеративные вращающиеся теплообменники, пластинчатые рекуператоры, теплообменники с промежуточным теплоносителем, с "тепловыми трубами" для использования тепла вентиляционных выбросов.

Создание перечисленного оборудования сопряжено с дополнительными затратами, которые существенно больше требуемых для утилизации высокотемпературных ВЭР. Решение задачи эффективного использования НПТ осложняется еще и тем, что обычно стоит проблема найти соответствующего потребителя выработанного утилизационными установками энергоносителя.

Действительно, тепло, выработанное в  утилизационных установках НПТ, очень  трудно вписать в график традиционных потребителей. В таких случаях  стоит задача поиска новых, ранее  по каким-либо причинам не учитывавшихся потребителей низкопотенциального энергоносителя. Нужно изучить возможность его использования как внутри рассматриваемого предприятия: для очистки стоков и конденсата, деаэрации и обессоливания питательной воды, производства холода и т.п., так и на стороне: для отопления теплиц и парниковых хозяйств, опреснения морской воды и других коммунальных нужд. В случаях, когда выработка низкопотенциальной энергии значительно превышает потребность в ней предприятия и близлежащих к нему потребителей, может оказаться экономически целесообразным ее использование для производства электроэнергии в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами (фреонами).

Отметим, что разработки теплоснабжения промышленных узлов на базе использования ТВЭР только четырех предприятий черной металлургии (трех крупных и одного среднего), позволяют получить возможную экономию условного топлива около 6 млн.т. условного топлива. Из этой экономии 20-25% достигается за счет сопряженной перекоммуникации тепловой схемы заводских энергостанций и рационализации системы теплоснабжения в целом. Однако, с ростом промышленного производства количество ВЭР будет возрастать незначительно, так как развитие энергосберегающих технологий приведет к относительному уменьшению энергетических отходов.

Утилизации ТВЭР технологического процесса предшествует использование возможности возврата отводимой теплоты обратно в основной процесс с соответствующим повышением его теплового КПД, что называется регенерацией теплоты и достаточно широко применяется в технике. Для этого служат: экономайзеры паровых котлов, регенераторы и рекуператоры промышленных печей, теплообменники для регенерации теплоты вентиляции и т.д. Использование ТВЭР дополняет регенерацию теплоты, являющуюся первоочередной, и только остаточную теплоту после регенерации следует рассматривать в качестве ТВЭР. Разграничение понятий "использование ТВЭР" и "регенерация теплоты" можно проиллюстрировать следующими примерами:

1. За паровым котлом обычно  устанавливается водяной или  (и) воздушный экономайзер(ы) для работы на отходящих газах. В результате отходящая теплота возвращается в основной процесс с питательной водой или воздухом горения для снижения расхода топлива в топке, что является регенерацией теплоты. За экономайзером, нагревающим питательную воду, может размещаться теплофикационный экономайзер для нагрева сетевой воды системы теплоснабжения или контактный для горячего водоснабжения. Это –уже устройства для использования ТВЭР.

2. За промышленными печами монтируются  теплообменники-регенераторы, рекуператоры  для нагрева дутьевого воздуха отходящими газами, причем в печь возвращается часть теплоты последних, т.е. имеет место регенерация. Установленные после (вместо) них водяные экономайзеры, обслуживающие внешних потребителей, являются утилизаторами ТВЭР.

3. Подогрев приточного воздуха вытяжным воздухом вентиляции – это регенерация теплоты, понижающая ее расходование в основном процессе. Использование этой теплоты как ТВЭР исключается из-за низкой температуры вытяжного воздуха.

В вопросах утилизации ВЭР важны  технико-экономические расчеты. В настоящее время варианты решения народнохозяйственных задач прежде всего должны удовлетворять условиям социально-экономической эффективности. Обязательно соблюдение экологических требований. Экономическая эффективность сравнивается для вариантов, удовлетворяющих этим требованиям.

Принимается наиболее экономичный  из социально эффективных (по научно-технической  политике, концепции развития промышленных отраслей, размещению производительных сил и пр.) и экологически допустимых вариантов.

Такой подход имеет большое значение при решении технических проблем, в частности, при выборе источников энергоснабжения. Социальная и экологическая  эффективность использования ВЭР  очевидна – это сохранение невозобновляемого топлива, уменьшение загрязнения атмосферы, снижение затрат и улучшение условий труда, разгрузка транспорта.

4. Оценка энергоэффективности  применения ВЭР

Топливные ВЭР должны использоваться в качестве топлива полностью (100%). Объем использования вторичных энергетических ресурсов, утилизируемых с преобразованием энергоносителя, определяется возможной выработкой электроэнергии в утилизационной установке.

Возможная выработка теплоты в  виде пара или горячей воды в утилизационной установке за счет тепловых ВЭР в общем случае определяется по формуле:

Q_T = (i₁G₁ – i₂G₂) b(1 - x),  (8.1)

а возможная выработка холода

Q_x = Q_Te.    (8.2)

где G₁ и G₂ – количество энергоносителя, соответственно, на входе в утилизационную установку и на выходе из нее; i₁ и i₂ – энтальпия энергоносителя, соответственно, на выходе из технологического агрегата-источника ВЭР и энергоносителя при температуре Т₂ на выходе из утилизационной установки; b - коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы утилизационной установки и агрегата-источника ВЭР; x - коэффициент потерь теплоты утилизационной установки во внешнюю среду; e - холодильный коэффициент.