Вторичные ресурсы энергетики

Вторичные ресурсы энергетики

 

 

 Классификация  вторичных энергетических ресурсов (ВЭР)

 

 ВЭР  – энергетический потенциал продукции,  побочных и промежуточных продуктов,  образующихся в технологических  агрегатах (установках), который  теряется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения. Рациональное их использование является одним их крупнейших резервов экономии топлива, способствующих снижению топливо- и энергоемкости промышленной продукции. Достаточно сказать, что в рамках стран СНГ потенциальные запасы ВЭР оцениваются более чем в 1000 млн. ГДж.

 

 ВЭР  могут быть востребованы непосредственно  без изменения вида энергоносителя (для удовлетворения потребности  в теплоте и топливе) или  с изменением вида энергоносителя  путем выработки тепла, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

 

 Многие  отрасли народного хозяйства  располагают значительным резервом  топливных и тепловых ВЭР, занимающих  значительное место в их топливно-энергетическом  балансе. Наибольшими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения.

 

 Именно  в этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов. Из почти 90% теплоты высокого потенциала (> 623 К): около 33% идет на плавку, 40% - на нагрев и около 20% - на обжиг руд и минерального сырья. Большая часть теплоты высокого потенциала обеспечивается за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических установках.

 

 Теплота  среднего (373 – 622 К) и низкого  (323 – 423 К) потенциала применяется  для теплоснабжения потребителей, требующих повышенных значений  температуры и давления. Свыше 90% его полезного потребления расходуется в промышленности (~45%) и в жилищно-коммунальном секторе (~48,5%). Основными энергоносителями, обеспечивающими энергией средне- и низкотемпературные процессы, являются пар и горячая вода.

 

 Предприятия тяжелого, энергетического  и транспортного машиностроения  Украины располагают огромным  потенциалом ВЭР в виде физической  теплоты уходящих газов мартеновских, нагревательных и термических  печей, вагранок, теплоты испарительного  охлаждения печей, теплоты отработанного пара прессов и молотов. Имеют вторичные возобновляемые энергоресурсы и предприятия других отраслей народного хозяйства.

 

 Поэтому одной из важнейших  задач совершенствования любой  отрасли является выявление резервов  ВЭР, экономически и экологически обоснованное их использование для целей производства и удовлетворения нужд бытового потребления.

 

 Наряду с повышением эффективности  использования топливно-энергетических  ресурсов, утилизация ВЭР позволяет  снизить воздействие энергоснабжения и энергопотребления на окружающую среду. В частности, уменьшается выброс тепловых отходов (тепловое загрязнение), а также содержание вредных выбросов в продуктах сгорания.

 

 Принципиальная схема использования  ВЭР, представленная на рис.8.1, иллюстрирует отдельные потоки и сечения, по которым определяются их количественные показатели.

 

 Таким образом, использование  вторичных энергоресурсов, неизбежно  возникающих в различных технологических  процессах, является одним из  существенных резервов энергосбережения. Выход вторичных энергоресурсов зависит от целого ряда факторов: параметров, при которых протекает процесс, его режима, конструктивного исполнения технологического оборудования и др.

 

 

 

 

  - Принципиальная схема использования  ВЭР

 

 

Каждая технологическая установка характеризуется определенным энергетическим КПД, показывающим, какая величина подведенной к процессу энергии теряется. На практике происходит постоянная борьба с потерями, используются самые различные способы их сокращения, в том числе организационно-технические, связанные с наладкой технологических процессов и режимов работы агрегатов, улучшением изоляции технологического оборудования, трубопроводов горячей воды, пара и пр.

 

 Один из путей снижения  потерь – использование возможности  возвращения части потерь энергии непосредственно в тот процесс, в котором они образуются. Многочисленные исследования подтверждают энергетическую и экономическую эффективность регенерации и рекуперации энергии. После этого остаются только потери, которые по данной технологии при существующем уровне развития техники уменьшить и избежать нельзя. Эту часть энергетических потерь и принято считать вторичными энергоресурсами, которые обычно подразделяют на горючие, тепловые и избыточного давления.

 

^ Горючие ВЭР - отходы технологических процессов, содержащие химически связанную энергию, неиспользуемые или непригодные для дальнейшей технологической переработки, которые могут быть применены в качестве котельно-печного топлива.

 

^ Тепловые ВЭР –тепловые отходы, представляющие собой энтальпию отходящих газов технологических агрегатов, основной, побочной, промежуточной продукции и отходов производства, теплоту рабочих тел систем охлаждения технологических агрегатов и установок, энтальпию горячей воды и пара, отработанных в технологических установках. К тепловым ВЭР также относятся пар и горячая вода, попутно полученные в технологических установках.

 

^ ВЭР избыточного давления –  потенциальная энергия газов,  выходящих из технологических  агрегатов с избыточным давлением,  которое необходимо снижать перед следующей ступенью использования или выброса их в атмосферу.

 

 В зависимости от вида  и параметров вторичные энергоресурсы  используются в одном из следующих  направлений.

 

Топливное – непосредственное использование  горючих ВЭР в качестве котельно-печного топлива.

 

Тепловое – использование энергоносителей, вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках (УУ) или получаемых непосредственно  как ВЭР, для обеспечения потребности  в тепловой энергии. К этому направлению  относится также получение искусственного холода за счет ВЭР в абсорбционных холодильных установках.

 

Электроэнергетическое – использование  ВЭР с преобразованием энергоносителя для получения электроэнергии в  газовых или паровых конденсационных  турбоагрегатах.

 

Комбинированное – преобразование потенциала тепловых ВЭР для выработки в утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по теплофикационному циклу электро- и теплоэнергии.

 

 

 Состояние использования ВЭР

 

Горючие ВЭР. В суммарном выходе горючих ВЭР основная доля приходится на три отрасли промышленности: черную металлургию, нефтеперерабатывающую и нефтехимическую, химическую. Горючие ВЭР черной металлургии – это коксовый, доменный, конверторный и ферросплавный газы. После отвода из технологического агрегата они очищаются от пыли и направляются в различные технологические установки предприятия, где сжигаются в качестве котельно-печного топлива. Если на предприятии имеются излишки горючих ВЭР, то они направляются на сжигание в энергетических установках (ТЭС, котельных).

 

 Годовой выход горючих ВЭР в целом по данной отрасли оценивается в десятки млн. т.у.т., а степень их использования достигает 93%. При этом использование доменного газа составляет 96,6%, ферросплавного – 38,0%. Дальнейшее повышение степени их использования связано с решением целого ряда научно-технических задач: разработкой и внедрением установок для очистки газов ферросплавных печей, разработкой системы очистки и улавливания конвертерного газа без дожигания и др.

 

 К горючим ВЭР нефтеперерабатывающей  и нефтехимической промышленности относятся: отходящие газы сажевого производства, абгазы, жидкие углеводороды и кубовые остатки в производстве дивинила, метановодородная фракция в производстве этилена, горючие отходы нефтепереработки и др. Обычно они используются в качестве топлива в технологических установках, а их излишки сжигаются в факелах. Коэффициент использования горючих ВЭР в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности недостаточно высок и по некоторым оценкам, не превышает 60%. Существенное его повышение связано с организацией применения низкокалорийных (400-500 ккал/м3) отходящих газов сажевого производства, коэффициент использования которых в настоящее время составляет лишь около 20%.

 

 Более  98% общего количества горючих  ВЭР химической промышленности приходится на азотную, фосфорную и хлорную подотрасли. Горючие отходы имеются в производствах аммиака, метанола, ацетилена, капролактама, каустической соды, желтого фосфора, карбида кальция.

 

 При  производстве аммиака образуются  ретурные, танковые и продувочные газы, фракция СО, а также жидкие углеводороды, которые могут быть использованы в качестве топлива. При получении метанола выделяются танковые и продувочные газы; ацетилена – сажевый шлам и высшие ацетиленовые гомологи; капролактама – продувочный газ и водород; каустической соды – водород. Горючими также являются отходящие газы электропечей в производствах желтого фосфора и карбида кальция. Суммарный выход горючих ВЭР в отрасли эквивалентен нескольким млн. т.у.т./год, а коэффициент их использования достигает 75%.

 

 Все  названные горючие ВЭР используются  либо могут быть использованы  в качестве топлива, сжигаемого  в технологических или энергетических  установках. Экономически это, безусловно, целесообразно, так как затраты,  связанные с организацией сжигания, например горючих газов, составляют не более 10-20% от затрат на добычу и транспорт первичного топлива. Кроме того, при их сжигании происходит обезвреживание выбрасываемых в атмосферу веществ от содержащихся в них токсичных и канцерогенных компонентов, что улучшает экологическую обстановку в районах расположения рассматриваемых производств.

 

 Основные  трудности при использовании  горючих ВЭР связаны с их  сбором, транспортировкой, а также  с необходимостью совершенствования  существующих и разработки новых методов и устройств для их сжигания.

 

^ ВЭР избыточного  давления. Значительная экономия  природных энергоресурсов может  быть получена за счет утилизации  этого вида ВЭР в черной  металлургии и в системах газоснабжения.

 

 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.