0,0342 - Численное значение коэффициента для перевода 1 гДж в тонну условного топлива;
Fвэр и F3 - КПД утилизационной установки, работающей на горючих ВЭР, и установки, работающей на замещаемом топливе (F3 принимает значения от 0,8 до 0,92).
При использовании тепловых ВЭР экономия топлива равна
B=0,0342b3QИ (4.10)
где b3=0,0342/Fз ~ удельный расход условного топлива, т/кДж, на выработку теплоты в замещаемой котельной установке.
При выработке на утилизационной установке электроэнергии или механической работы экономия топлива В определяется выражением
B=b3QИ (4.11)
На основе результатов расчета экономии топлива за счет использования ВЭР определяется степень утилизации вторичных энергоресурсов на предприятии.
Определение объемов выхода и использования вторичных энергоресурсов
Горючие ВЭР. К горючим ВЭР относятся образующиеся в процессе производства основной продукции газообразные, твердые или жидкие отходы, которые обладают химической энергией и могут быть использованы в качестве топлива. Источником горючих ВЭР являются лесная и деревообрабатывающая промышленность, химическая промышленность, сельское и коммунальное хозяйство.
К горючим ВЭР относятся:
• древесные отходы;
• отходы гидролизного производства;
• отходы целлюлозно-бумажной промышленности;
• отходы от производства аммиака, капролактама;
• сельскохозяйственные отходы (солома и ботва растений);
• городской мусор.
В настоящее время большое внимание уделяется утилизации твердых древесных отходов, лигнина, отходов сельскохозяйственного производства и т.п. В лесной и деревообрабатывающей промышленности приблизительно половина заготавливаемой древесины идет в отходы. Одной из первостепенных задач является их утилизация путем сжигания с целью получения теплоты.
Древесные отходы делятся на несколько типов:
• лесосечные отходы (неодревесневшие молодые побеги, хвоя, листья);
• стволовая древесина, кора и древесная гниль.
Древесина по своему составу включает такие же компоненты, что и твердое топливо, за исключением серы. Особенностью древесных отходов некоторых производств является повышенная влажность. Отходы лесозаготовительных предприятий имеют влажность 45—55%. При этом влажность коры достигает 80 %. Отходы деревообрабатывающего и мебельного производства имеют влажность 10-20 %. Древесина имеет большой выход летучих веществ, что благоприятствует, несмотря на повышенную влажность, устойчивому процессу горения.
Мелкие древесные отходы различаются также по гранулометрическому составу:
• древесная пыль с частицами менее 0,5 мм;
• опилки - менее 5-6 мм, щепа после рубильных машин - менее 30 мм;
• крупная щепа с размерами частиц более 30 мм.
Гранулометрический состав определяют просеиванием через сито.
Способы сжигания древесных отходов зависят от гранулометрического состава и влажности. Древесную пыль без включения абразивных частиц сжигают факельно-вихревым способом, при наличии абразивных частиц - в циклонных топках. Более крупные отходы эффективно сжигать в слоевых топках с «кипящим» или плотным слоем.Первичная переработка местных древесных отходов может включать изготовление брикетов, что позволяет сжигать их в топках с плотным слоем. Процесс сжигания древесных отходов (рис. 4.1) включает предварительную сортировку и сушку. Сжигание проводится в топке с «кипящим» слоем с частичной рециркуляцией дымовых газов. Это обеспечивает полное сгорание топлива, выносимого с отходящими газами. Сжигание производится с целью получения теплоты и передачи ее энергоносителю - пару или горячей воде, которые могут непосредственно направляться потребителю. Теплота может также преобразовываться в электричество с помощью паровой или газовой турбины.
Рисунок 4.1. Схема использования древесных отходов для получения энергии.
В настоящее время в Германии, Финляндии, Швеции и других странах на основе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, включающих остатки лесосечных отходов, стружки и отходов фрезерно-отрезных станков, изготавливаются гранулы (пеллеты). Древесные гранулы по сравнению с исходным сырьем, которое используется самостоятельно в виде топлива, имеют более низкую влажность, высокую плотность (р принимает значения от 1100 до 1300 кг/м3) и теплоту сгорания (19 МДж/кг). Их длина равна 20-50, а диаметр - 4-10 мм. Древесные гранулы в отличие от обычной древесины становятся конкурентоспособными наряду с другими видами твердого, жидкого и газообразного топлива. Их выгодно перевозить на большие расстояния, они занимают меньше места при хранении. Технология изготовления гранул включает крупное дробление, сушку, мелкое дробление, прессование, охлаждение, сортировку, расфасовку. При изготовлении гранул никакие добавки не используются, так как в качестве связующих выступают естественные смолы, лигнин. Для сушки в качестве источника энергии используются некондиционные отходы после сортировки гранул. Для производства гранул требуется 3 % энергии от их потенциала. Данный вид топлива может сжигаться в котлах с механизированной или ручной подачей.
Таким образом, горючие ВЭР позволяют замещать первичное топливо, которое Беларусь закупает за рубежом, и тем самым увеличивают производство энергии за счет собственных энергоресурсов.
Тепловые ВЭР. К тепловым ВЭР относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых ВЭР используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте. Тепловые ВЭР могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41 %, а рассеиваемая теплота — 59 %. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора. Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (с температурой носителя выше 500 °С), среднетемпературные (при температурах от 150 до 500 °С) и низкотемпературные (при температурах ниже 150 °С). При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.
Рассмотрим некоторые способы и устройства для утилизации тепловых ВЭР. Применение энергетических отходов для внутреннего использования рассматривалось ранее при изучении работы парового котла, где за счет рекуперации теплоты отходящих газов проводится подогрев питательной воды в экономайзере и окислителя воздуха в воздухоподогревателе. Имеются и другие возможности внутреннего использования энергетических отходов. Теплота уходящих дымовых газов используется как для внутреннего, так и для внешнего потребления. При внутреннем потреблении энергоотходов в печах и котлах осуществляется подогрев воздуха, подаваемого на горение. В котлах дополнительно может подогреваться питательная вода. При внешнем использовании нагревают теплоноситель или сырье. Нагрев рабочей среды проводится в регенеративных, рекуперативных или смесительных (контактных) аппаратах. Регенеративные аппараты по принципу действия являются периодическими. Через неподвижные насадки потоки дымовых газов и нагреваемой среды проходят попеременно путем переключения направления их течения (рис. 4.2). Реализуемый уровень температур в регенераторах с керамическими насадками составляет 1700°С. Недостатком этих аппаратов является снижение за цикл температуры нагреваемой среды на 10-15 %. Они пригодны для маловязких и чистых сред.
Рисунок 4.2. Схема регенератора с неподвижной насадкой (1)
Рекуперативные подогреватели выполняются из металла, поэтому уровень рабочих температур снижается до 700-800 °С по сравнению с регенераторами. Преимущество их заключается в постоянстве параметров рабочих сред, что обеспечивает стабильность технологического процесса. Рассмотрим простейший рекуператор (рис. 4.3, а). Передача теплоты от дымовых газов к нагреваемой среде осуществляется через разделяющую поверхность, которая может иметь различное конструктивное исполнение. В нашем случае это кольцевой канал, который связан с раздающим и сборным коллекторами.
При утилизации низкотемпературных дымовых газов целесообразно использовать контактный теплообменник с активной оросительной насадкой для повышения интенсивности теплообмена (рис. 4.3, б). С помощью данного устройства можно получать горячую воду 50-70 °С, что позволяет проводить сжигание топлива с учетом высшей теплоты сгорания и тем самым добиваться дополни тельного энергосберегающего эффекта. Достоинством аппарата являются небольшие габариты и масса, достигаемые за счет интенсификации теплообмена при орошении пучка труб промежуточным теплоносителем в жидкой фазе, подогретым непосредственным соприкосновением с дымовыми газами. Это также дает косвенный энергосберегающий эффект за счет экономии металла. Кроме того, в данном аппарате происходит очистка дымовых газов. Энергетический эффект от утилизации теплоты дополняется экологическим эффектом уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду.
Рисунок 4.3. Радиационный рекуператор кольцевой (а) и контактный теплообменник с активной насадкой (б): 1 – раздающий коллектор, 2 – корпус, 3 – поверхность нагрева, 4 – тепловая изоляция, 5 – коллектор, 6 система орошения, 7 – активная насадка, 8 – сепарационное устройство, 9 – насос системы орошения.
При внешнем использовании теплоты отходящих газов промышленных печей применяются паровые или водогрейные котлы-утилизаторы. В отличие от энергетических котлов их поверхности нагрева располагаются не в топке, а по тракту отходящих газов. Конструкция котла-утилизатора включает: экономайзер, барабан-сепаратор, испаритель и пароперегреватель. Циркуляция воды через испаритель осуществляется с помощью насоса или естественной конвекцией (рис. 4.4). Принцип работы котлов-утилизаторов идентичен котлам котельных установок
Рисунок 4.4. Схема котла утилизатора:
1 –пароперегреватель, 2 –испарительные пакеты, 3 – барабан – сепаратор, 4 – экономайзер.
После тепловой обработки в печи материалы или детали могут иметь высокую температуру и располагать значительным запасом физической теплоты. Если сыпучие материалы пропустить через контактный аппарат или заготовки конечных размеров через промежуточную камеру, то теплоту можно передать газообразному или жидкому теплоносителю и использовать для других процессов с пониженной температурой. Примером может служить схема утилизации (теплоты при производстве цементного клинкера (рис. 4.5). Холодный воздух с помощью вентилятора 5 проходит через охладитель клинкера 4, нагревается до 275—525 °С и подается на горение в обжиговую печь 3. За счет этого достигается экономия топлива. Уходящие дымовые газы проходят очистку в аппарате 2 и с помощью тягового устройства 1 удаляются в атмосферу. Пылевидные частицы клинкера смешиваются с готовой продукцией.
Рис. 4.5. Схема установки для утилизации теплоты при производстве клинкера
В химическом производстве готовой продукции могут появляться агрессивные жидкости, например при производстве серной, фосфорной и других кислот. Дальнейшее использование теплоты от этих сред с помощью промежуточного теплоносителя позволяет утилизировать сбросную теплоту. В нижнем ярусе теплообменника-утилизатора (рис. 4.6) располагается трубчатая поверхность теплообмена с агрессивной жидкостью, от которой теплота передается теплоносителю с низкой температурой кипения. Такими теплоносителями могут быть холодильные агенты или вода. Промежуточный теплоноситель испаряется, и пар, омывая верхнюю поверхность теплообмена, конденсируется, отдавая теплоту конечному теплоносителю - воде. При такой схеме утилизации теплоты исключается попадание вредных веществ в конечный теплоноситель.
Рис. 4.6. Теплообменник с промежуточным теплоносителем
С целью соблюдения санитарно-гигиенических норм на всех производствах функционируют системы приточно-вытяжной вентиляции, что приводит к дополнительным потерям энергии. Потери можно уменьшить, регенерируя теплоту удаляемого воздуха (рис. 4.7). В отличие от конструкции ранее рассмотренного высокотемпературного регенератора с неподвижной насадкой в данном аппарате используются или подвижная насадка (рис. 4.7, б), или тепловые трубы (рис. 4.7, в). В первом случае теплый удаляемый воздух, омывая вращающуюся насадку, отдает ей теплоту, а холодный отбирает теплоту, нагревается и поступает в помещение, что позволяет снизить потребление энергии калорифером. Во втором случае тепловые трубы также размещаются во входном устройстве воздуховодов. При этом в нижней части располагаются испарительные участки тепловых труб, а в верхней - участки конденсации. Прототипом тепловой трубы является термосифон, представляющий собой вертикальный или наклонный цилиндр с рабочей жидкостью, которая сосредоточена в нижней части (рис. 4.7, г). Термосифон работоспособен в гравитационном поле. С его помощью можно передавать теплоту от одной среды к другой. В нашем случае от нагретого вытяжного воздуха теплота подводится к нижней части термосифона, где жидкость в процессе кипения испаряется, а пар, аккумулировав теплоту, поднимается вверх. Верхняя часть термосифона омывается приточным воздухом. Пар конденсируется, выделяя теплоту, которая передается холодному воздуху. Конденсат под действием силы тяжести стекает по стенке цилиндра в виде жидкой пленки. Плотность передаваемых потоков с помощью термосифона в несколько раз выше, чем через обычную стенку рекуперативного теплообменника, из-за роста эффективной теплопроводности. Недостатком термосифона является то, что его ориентация должна быть близкой к вертикали и тепловой поток имеет одно направление - снизу вверх. Этот недостаток преодолен в тепловых трубах.
Рис. 4.7. Схема утилизатора теплоты вытяжного воздуха (а) с регенеративной вращающей насадкой (б) и тепловыми трубами (в) и схемы термосифона (г) и тепловой трубы (д).
Тепловые трубы дополнительно содержат смачиваемые капилляры (рис. 4.7, д), в которых жидкость независимо от их ориентации перемещается за счет силы поверхностного натяжения. В остальном принцип работы тепловых труб подобен принципу работы термосифона, с той лишь разницей, что они могут иметь произвольную ориентацию. Поэтому сфера использования тепловых труб весьма широка как в земных условиях, так и в невесомости. Потоки теплоты, передаваемые тепловой трубой, выше на два-три порядка по сравнению с таким теплопроводным материалом, как медь. Практическая реализация больших потоков зависит от интенсивности внешнего теплообмена в средах с подводом и отводом теплоты. В нашем случае для интенсификации теплообмена со стороны воздуха тепловые трубы снабжены оребрением.
Кроме рассмотренных способов утилизации теплоты вентиляционных выбросов широко используются и рекуперативные теплообменники. В утилизационных теплообменниках степень регенерации теплоты вытяжного воздуха может достигать 70 % , что позволяет почти вдвое сократить расходы топлива на отопление.
При использовании теплообменников необходимо уделять особое внимание состоянию их поверхности. Образование отложений приводит к росту термического сопротивления, и эффективность утилизации тепловых ВЭР ухудшается. Кроме того, из-за отложений возрастают потери давления, а следовательно, и мощность на прокачку рабочего вещества. Этот недостаток преодолевается периодической чисткой поверхностей теплообмена.
ВЭР избыточного давления. ВЭР избыточного давления могут быть использованы для производства механической работы, теплоты или холода. В первом случае для преобразования используется турбина, сопряженная на одном валу с электрическим генератором. Во втором случае энергия избыточного давления может быть также преобразована в теплоту или холод в соответствии с эффектом Ранка.
Для примера рассмотрим использование ВЭР избыточного давления в системах распределения природного газа. В магистральных трубопроводах газ транспортируется под давлением 4,5-6,5 МПа. Затем на газораспределительных станциях (ГРС) давление снижается до 1,2 МПа. У конечных потребителей на газоредуцирующих пунктах (ГРП) давление уменьшается до более низких значений, соответствующих технологическим требованиям. В обоих случаях снижение давления происходит без совершения работы, т.е. имеют место непроизводительные потери энергии. Эту энергию можно использовать для производства электричества, установив газотурбинную расширительную станцию (ГТРС), а ГРП использовать как резервную систему. Схема ГТРС, которая может быть использована в системах газоснабжения ТЭЦ, дана на рис. 4.8. Для предотвращения выпадения конденсата на лопатках турбины газ перед подачей в турбину подогревается.
Комбинирование энергетических и технологических процессов. В настоящее время — это одно из направлений повышения эффективности использования топлива как источника энергии и сырья. Например, энерготехнологическое комбинирование при использовании природного газа позволяет подвергать его глубокой переработке с получением ацетилена и этилена, теплоты и электрической энергии (рис. 4.9).
Рис. 4.8. Утилизация энергии избыточного давления в системе распределения природного газа
Рис. 4.9. Схема энерготехнологических процессов при использовании природного газа.
Другим примером энерготехнологии является повышение эффективности использования топлива в промышленной энергетике. Экономии энергии можно достичь путем термохимической регенерации теплоты отходящих газов промышленных печей при конверсии природного газа в среде своих продуктов сгорания (рис. 4.10).
В печи 2 после сжигания топлива часть теплоты передается технологическому продукту, который выходит с температурой. Другая часть теплоты удаляется с отходящими газами при температуре tor и представляет собой энергетические отходы. Часть теплоты отходящих газов расходуется в воздухоподогревателе 3 на предварительный подогрев атмосферного воздуха, подаваемого на горение. За счет этого достигается уменьшение потребления топлива. При этом температура уходящих газов, поступающих в атмосферу, понижается. Вторая часть отработанной теплоты (расходуется в реакторе на эндотермическое разложение природного газа (метана). Затем выделяется в топке при сжигании конвертированного газа, что также ведет к уменьшению потребления топлива.
Рис. 4.10. Химическая генерация теплоты при конверсии топлива в среде продуктов сгорания
Рассмотренные технические методы утилизации горючих, тепловых и избыточного давления вторичных энергетических ресурсов не исчерпывают все случаи, встречающиеся на практике. Однако они отражают общие подходы и принципы использования этих ресурсов.
Во-первых, прежде чем использовать ВЭР, необходимо знать, какими их видами мы располагаем.
Во-вторых, необходимо обладать информацией об объемах выхода ВЭР и о возможной экономии топлива за счет их использования.
В-третьих, реальные технические утилизационные устройства могут отличаться лишь конструкцией и некоторыми особенностями их работы.