Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР)

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР)

Согласно закону РБ “Об  энергосбережении”, вторичные энергетические ресурсы – это энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе.

Необходимость использования  ВЭР объясняется тем, что коэффициент  полезного использования (КПИ) энергоресурсов в РБ и странах СНГ – главный  показатель эффективности производства – не достигает 40%, что свидетельствует  о существовании больших ресурсов экономики. Утилизация ВЭР позволяет  получить большую экономию топлива  и существенно снизить капитальные  затраты на создание соответствующих  энергосберегающих установок. 

     На современных  нефтеперерабатывающих заводах  в процессе тепловой переработки  затрачивается до 12% нефти, теплота,  от сжигания которой рассеивается  в атмосфере, т.е. теряется безвозвратно. Велики тепловые потери и на  газокомпрессорных станциях магистральных  газопроводов. Большие количества  топлива потребляет и химическая  промышленность, а также производство  строительных материалов: цемента,  керамики, кирпича, стекла, железобетонных  изделий и т.п.; потери теплоты  в них достигают  40 – 50%.

Значительное количество теплоты (более 70%) рассеивается с выхлопными газами, имеющими температуру 270 - 400°С, газотурбинных установок (ГТУ), на компрессорных станциях магистрального газопровода.

Теплота отработанных газов  двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть использована для отопления  транспортных средств. Эти задачи решаются с помощью теплообменников на тепловых трубах.

Применительно к ВЭР вводятся следующие термины  и понятия;

Общие энергетические отходы –  это энергетический потенциал всех материальных потоков на выходе из технологического агрегата (установки, аппарата) и все потери энергии в агрегате.

Общие энергетические отходы подразделяются на три потока:

1. неизбежные потери энергии в технологическим агрегате;
2. энергетические отходы внутреннего использования – энергетические отходы, которые возвращаются обратно в технологический агрегат за счет регенерации и рециркуляции;
3. энергетические отходы внешнего использования – энергетические отходы, представляющие собой вторичные энергетические ресурсы.

Различают ВЭР: горючие, тепловые и избыточного  давления.

Горючие ВЭР – это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других производствах. Это доменный газ – металлургия; щепа, опилки, стружка – деревообрабатывающая промышленность; твердые, жидкие, промышленные отходы в химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и т.д.

ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды, пара с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу. Основное направление таких ВЭР – получение электрической или механической энергии.

Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов, основной и побочной продукции производства; теплота золы и шлаков; теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических установках; теплота рабочих тел систем охлаждения технологических установок. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных установках.

Температура отходящих  газов различных промышленных печей  и нагревательных устройств колеблется от 800 - 900° С до 900 - 1200° С в термических, прокатных и кузнечных, что позволяет в котлах – утилизаторах вырабатывать пар высоких параметров для технологических и энергетических нужд.

Основным способом утилизации теплоты уходящих газов котельных  агрегатов, ТЭЦ, промышленных печей  помимо использования ее для собственных  нужд в различных технологических  процессах является применение теплоиспользующих  установок для подогрева воды или воздуха, а также паровых  котлов-утилизаторов и газотурбинных  установок (ГТУ).  

 

 

Вторичные энергетические ресурсы их классификация 

и использование

 Одним из важных  факторов экономии ТЭР является  использование вторичных энергетических  ресурсов (ВЭР), образующихся в одних  технологических установках, процессах  и направляемых для энергоснабжения  других агрегатов и процессов.

 ВЭР по видам энергии подразделяются на горючие, тепловые и избыточного давления (таблица 5.1).

Таблица 5.1- Классификация  ВЭР по видам и направлениям их использования

Вид ВЭР	Носители ВЭР	Энергетический потенциал	Направление и использование способов утилизации
Горючие	Твёрдые, жидкие, газооб­разные отходы	Низшая теплота сгорания	Топливное сжигание в топливоиспользующих установках
Тепловые	Отходящие газы, охлаждающая вода, отходы производств, промежуточные про­дукты, готовая продукция	Энтальпия	Тепловое. Выработка в теплоутилизационных установках водяного пара, горячей воды, использование для покрытия потребности в тепле
Тепловые	Отработанный и попутный пар	Энтальпия	Тепловое и комбинированное покрытие потребности, выработка электроэнергии в конденсационном или теплофикационном турбоагрегате
ВЭР избы­точного давлен.	Газы с избыточным давле­нием	Работа изо-тропного рас­ширения	Электроэнергетическое. Выработка электроэнергии в газовом утилиза­ционном турбоагрегате

Горючие (топливные) ВЭР - это  горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены  непосредственно в виде топлива  в других производствах. Это доменный газ в металлургии; щепа, опилки, стружка в деревообрабатывающей промышленность; твёрдые, жидкие промышленные отходы в химической и нефтеперерабатывающей промышленности и т. д.

 Тепловые ВЭР - это  физическая теплота отходящих  газов технологических агрегатов  основной, побочной, промежуточной  продукции и отходов производства; теплота золы и шлаков, горячей  воды и пара, отработанных в  технологических установках; теплота  рабочих тел систем охлаждения  техно­логических установок. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных установках.

 ВЭР избыточного давления - это потенциальная энергия покидающих  установку газов, воды, пара с  повышенным давлением, которая  может быть ещё использована  перед выбросом в атмосферу.  Основное направление таких ВЭР - получение электрической или механической энергии.

 Температура отходящих  газов различных промышленных  печей и нагревательных устройств  колеблется от 800 ... 900°С (в печах с регенераторами) до 900 ... 1200 °С в термических, прокатных и кузнечных (без регенерации), что позволяет в котлах-утилизаторах вырабатывать пар высоких параметров для технологических нужд. Кроме того, поскольку нагревательные печи, как правило, оборудованы системой охлаждения отдельных элементов конст­рукции, при испарительном охлаждении можно получить пар давлением до 4,5 МПа, который используется и в энергетических целях. Так как темпера­тура уходящих газов после котлов-утилизаторов всё ещё достаточно высока (около 200 ... 250 °С), их теплоту целесообразно применять для коммуналь­но-бытовых нужд или отопления (нагрева воды).

На предприятиях машиностроения в настоящее время тепловыми  отходами являются физическая теплота  уходящих газов, теплота охлаждения на­гревательных и термических печей, плавильных агрегатов, вагранок и др.

В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и  керамических изделий, производстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров, выплавке теплоизоляционных материалов. К  ним относятся физическая теплота  уходящих газов различных печей (туннельных, шахтных, вращающихся) и  т. д.

Крупными потребителями  пара различных параметров, электроэнергии, горячей и тепловой воды, а также  холода являются почти все отрасли  пищевой промышленности, поэтому  и тепловые ВЭР предприятий пищевой  промышленности также весьма разнообразны. Это, прежде всего, теплота отходящих  горячих газов и жидкостей; жидких и твёрдых отходов производства; отработанного пара силовых установок  и вторичного пара, который получается при выпаривании растворов, ректификации и высушивании; тепловых установок; теплота, содержащаяся в продуктах  производства.

Вторичные энергоресурсы  имеются также на тепло- и гидроэлектростанциях. На гидроэлектростанциях отходы теплоты  образуются в результате теп­ловыделения в электрогенераторах. Для тепловых электростанций наиболее существенный источник ВЭР - низкопотенциальная теплота нагретой охлаждающей воды конденсационных устройств, с которой может теряться до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электростанции. Источником ВЭР считаются также дымовые газы котельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты сгорания на газотурбинных установках.

Для использования ВЭР  применяются утилизационные установки, представляющие собой устройства для  выработки энергоносителей (водяного пара, горячей и охлаждённой воды, электроэнергии) за счёт снижения энергетического  потенциала ВЭР. К основным видам  оборудования, применяемого для утилизации ВЭР, относятся:

-котлы-утилизаторы;

-установки испарительного  охлаждения;

-экономайзеры;

утилизационные абсорбционные  холодильные установки;

теплообменники;

водоподогреватели;

тепловые насосы;

утилизационные турбогенераторы  и др.

Трансформаторы теплоты  и тепловые трубы, тепловые насосы

Трансформаторами  теплоты называются устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой (теплоотдатчика) к телу с более  высокой температурой (теплоприемнику). Они подразделяются на холодильные  установки и теплонасосные установки.

 В холодильных установках  температура теплоотдатчика ниже  температуры окружающей среды  Т0(ТН < Т0), тогда как температура теплоприемника равна температуре окружающей среды.

 В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприёмника значительно выше температуры окружающей среды.

 Трансформатор теплоты  может работать как в режиме  холодильной установки, так и  в режиме теплового насоса, либо  одновременно в двух режимах.  Такой процесс называется комбинированным.  В комбинированной установке  происходит одновременно выработка  теплоты и холода.

 Тепловые насосы являются  разновидностью трансформаторов  теплоты и предназначены для  получения теплоносителя среднего  и повышенного по­тенциала, используемого на тепловом потреблении. Тепловой насос представляет устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой. Принцип работы его тот же, что и компрессионного холодильника, с той разницей, то назначение холодильника заключается в производстве холода, а теплового насоса - в производстве теплоты

 В холодильнике компрессор  сжимает газ, обладающий определенными  свойствами, и нагнетает его в  конденсатор, охлаждаемый водой  или воздухом. При охлаждении  газ конденсируется и просачивается  через дросселирующий клапан, поступает  в испаритель. Здесь жидкость  опять переходит в газообразное  состояние и обратно засасывается  в компрессор для сжатия. На  испарение расходуется тепловая  энергия, которая поступает от  охлаждаемой среды.

 Тепловой насос в  отличие от холодильника отдает  теплоту от конденсатора на  нагревание теплотранспортирующей среды, которая переносит тепло к месту его использования в то время как к испарителю подводится теплота от внешнего источника. Когда компрессор приводится в действие элек­трическим двигателем или другим механическим приводом, то такой тепловой насос называется компрессорным. Когда для привода компрессора используется тепловая энергия и в рабочем цикле участвует пара рабочих сред, состоящая из хладоносителя и абсорбента, то тепловой насос называется абсорбционным. Коэффициент полезного действия теплового насоса равен отношению тепловой энергии, полученной рабочей жидкостью (газом) в испарителе, к электрической энергии или другой, использованной для приведения в действие компрессора. Практически тепловые насосы, приводимые в действие при помощи электродвигателя, позволяют увеличить количество получаемой тепловой энергии в 2,5-3,3 раза по сравнению с тепловым эквивалентом электрической энергии, затрачиваемой на приведение в действие теплового насоса.

 Тепловые насосы можно  использовать в качестве индивидуальных  систем обогрева жилых домов,  складских помещений, отдельно  стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения)  и т. п. Так, для теплоснабжения  отдельно стоящих различных насосных  станций в настоящее время,  как правило, используют электрокалориферы или различные теплоэлектронагреватели (ТЭНы).

 Тепловая труба представляет  собой герметизированную конструкцию  (трубу), частично заполненную жидким  теплоносителем. Она способна передавать  большие тепловые мощности при  малых градиентах температуры.

 Высокая теплопередающая  способность ее достигается за  счет того, что в тепловой трубе  осуществляется конвективный перенос  теплоты, сопровождаемый фазовыми  переходами (испарением и конденсацией) жидкости - теплоносителя. При подводе  теплоты к одному концу тепловой  трубы жидкость нагревается, закипает  и превращается в пар. При  этом она поглощает большое  количество теплоты, которое переносится  паром к другому, более колодному  концу трубы, где пар конденсируется  и отдает поглощенную теплоту.  Далее сконденсированная жидкость  опять возвращается в зону  испарения. Этот возврат может  осуществляться разными способами.  Самый простой из них заключается  в использовании силы тяжести.  При вертикальном расположении  тепловой трубы, когда зона  конденсации находится выше зоны  испарения, жидкость стекает вниз  непосредственно под действием  силы тяжести. Такой вариант  тепловой трубы называется термосифоном.