Шляхи ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ вторинних ЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРСІВ

Установки з використання вторинних енергетичних ресурсів залежно від їх ролі, в основному в технологічному процесі, в якому утворюються ВЕР, можуть бути чисто утилізаційними й енерготехнологічними.

Утилізаційні установки - це такі, без яких основний технологічний процес може проходити без будь-яких змін.

Енерготехнологічні установки - це установки, без яких основний технологічний процес може зовсім не відбуватися або суттєво змінюватися при їх відключенні. До таких установок належать установки, в яких використовуються ВЕР для технологічного процесу, а саме: системи примусового охолодження технологічних агрегатів, системи підігрівання повітря тощо.

На практиці в широкому значенні до утилізаційних установок відносять як чисто утилізаційні, так і енерготехнологічні.

В промисловості для утилізації ВЕР використовуються такі типи утилізаційного обладнання:

- паливні котли для спалювання горючих ВЕР;

- котли-утилізатори;

- системи випарного охолодження технологічних агрегатів;

- рекуператори і регенератори;

- економайзери (водопідігрівачі) і теплообмінники;

- утилізаційні абсорбційні холодильні установки;

- теплові насоси;

- утилізаційні турбіни тощо.

Паливні котли використовуються для отримання пари шляхом спалювання горючих вторинних енергетичних ресурсів у спеціальних камерах згорання. Котли підрозділяються на газотрубні і водотрубні.

В газотрубному паливному котлі (рисунок 3.4.8) продукти згорання рухаються всередині димогарних труб невеликого діаметра, що утворюють поверхню нагрівання.

Випуск пари =if?

У трубу

Продування Рисунок 3.4.8 - Схема газотрубного паливного котла

Паровий барабан

У водотрубному газовому котлі (рисунок 3.4.9) відбувається нагрівання води в циркуляційних трубах, при цьому циркуляція води відбувається в результаті термосифонного ефекту або з використанням циркуляційного насоса.

> Димові гази

И Економайзер Г~1 Перегрівач

Рисунок 3.4.9 - Схема водотрубного паливного котла

Котли-утилізатори призначені для отримання безпаливної пари за рахунок використання теплоти відхідних газів технологічних агрегатів. Котли-утилізатори не мають паливного пристрою і по суті є теплообмінниками. Газотрубний котел-утилізатор (рисунок 3.4.10) являє собою барабан із регульованим рівнем води, всередині якого розміщені горизонтально труби, по яких переміщуються відхідні гази з

S/Н пара

природною циркуляцією. По краях барабана кріпляться вхідна і вихідна газові камери. У верхній частині барабана передбачено сепараційний пристрій, від якого насичена пара йде до пароперегрівача, розміщеного у вхідній газовій камері у вигляді змійовика з горизонтальним розташуванням труб.

Насичена пара Рисунок 3.4.10 - Схема газотрубного котла-утилізатора: 1 - вихідна газова камера; 2 - барабан; 3 - сепараційний пристрій; 4 - димогарні труби випарної поверхні; 5 - пароперегрівач; 6 - вихідна газова камера; 7 - підведення димових газів

Водотрубний котел-утилізатор має змійовикові пакети, що утворені з труб, у яких рухається пароводяна суміш; пакети розташовані в газоходах котла та обігріваються ззовні відхідними газами виробництв. У водотрубному котлі-утилізаторі П-подібного компонування (рисунок 3.4.11) хімічно очищена деаерована живильна вода подається у двоступеневий економайзер, який розташований у вихідній частині котла по руху газів. Нагріта вода з незначним вмістом пари надходить у барабан-сепаратор, розташований на висоті 8-9 м за межами газоходів котла. З нижньої частини барабана вода прямує в секції випарних контурів, із яких утворена насичена пара потрапляє в барабан-сепаратор. Тут суха пара відокремлюється від води і надходить у пароперегрівач, звідки подається в трубопроводи для використання.

Насичена пара Перегріта пара вода Рисунок 3.4.11 - Схема водотрубного котла-утилізатора П-подібного компонування 1 - перша випарна секція (передввімкнений пакет); 2 - пароперегрівач; 3 - друга випарна секція; 4 - циркуляційний насос; 5 - третя випарна секція; 6 - барабан-сепаратор; 7 - четверта випарна секція; 8 - економайзер

При випарному охолодженні використовується холодна вода, яка за рахунок теплоти охолоджувальних деталей нагрівається і переходить у пароподібний стан. Принципову схему системи випарного охолодження наведено на рисунку 3.4.12. Охолоджувальні деталі двома трубами під’єднуються до бака-сепаратора; по опускній трубі вода підводиться до нижньої частини охолоджувальної деталі, по підйомній трубі утворена пароводяна суміш подається в бак - сепаратор, де пара відокремлюється і направляється на використання. В системі передбачена подача очищеної води в бак-сепаратор, що компенсує вихід пари.

Отримали розповсюдження комбіновані системи використання теплоти відхідних газів у котлі-утилізаторі і теплоти системи випарного охолодження (рисунок 3.4.13). Живильна вода через економайзер подається в барабан-сепаратор, звідки циркуляційними насосами прокачується через систему випарного охолодження і через випарні змійовики котла-утилізатора знову у вигляді пари до барабана-сепаратора. Утворена пара після пароперегрівача направляється в мережу для використання.

Рисунок 3.4.12 - Принципова схема системи випарного охолодження: 1 - опускна труба; 2 - охолоджувальна деталь; 3 - підйомна труба; 4 - водозабірний пристрій; 5 - станція перекачування води; 6 - хімічне водоочищення; 7 - живильний насос; 8 - підведення живильної води; 9 - барабан-сепаратор; 10 - відведення насиченої пари

Насичена Рисунок 3.4.13 - Схема комбінованого використання теплоти в котлі-утилізаторі й системі випарного охолодження: 1 - барабан-сепаратор; 2 - підйомна труба котла-утилізатора; З - газохід котла-утилізатора; 4 - пароперегрівач котла-утилізатора; 5 - випарні змійовики котла-утилізатора; 6 - економайзер; 7 - циркуляційні насоси; 8 - опускна труба; 9 - охолоджувальні деталі; 10 - підйомний колектор системи охолодження деталей

Незавжди теплота відхідних газів може бути використаною в котлах-утилізаторах у результаті недостатньої кількості і температури газів тощо. В таких випадках застосовується комплексна система випарного охолодження, в якій використовується не тільки теплота охолодження елементів печі, а й теплота відхідних газів (рисунок 3.4.14). Теплоприймальні поверхні виконуються у вигляді котельних пучків із суцільнотягнутих труб. Випарні пакети встановлюються перед і за рекуператором, що захищає його від дії високотемпературних газів і збільшує термін його роботи. В цілому такі комплексні системи мають невеликі капітальні витрати, малу металоємність і термін окупності, не потребують додаткового обслуговуючого персоналу.

Рисунок 3 .4.14 - Комплексна система випарного охолодження і випарних пакетів в газоході: 1 - піч; 2 - охолоджувальні деталі; 3 - підйомні колектори; 4 - барабан-сепаратор; 5 - опускні колектори; 6 - димова труба; 7 - газохід; 8 - випарні пакети; 9 - рекуператор

Відпрацьована пара може бути використана для вироблення електричної енергії (рисунок 3.4.15).

Установки з турбінами м’ятої пари призначені для вироблення електроенергії за рахунок відпрацьованої пари. Оскільки не всі агрегати постійно споживають пару на виробничий процес, можливі зупинки агрегата. В схемі передбачені теплові акумулятори, особливо акумулятор 5 повинен бути зі значною акумуляційною здатністю.

Установки з турбінами подвійного тиску мають безперервну подачу пари від котла і практично не залежать від роботи

Рисунок 3.4.15 - Схеми використання відпрацьованого пара для вироблення електроенергії: а — в турбінах м’ятої пари; б - в турбінах подвійного тиску; в - в теплофікаційних турбінах із проміжним підведенням пари; 1 - виробничий агрегат; 2 - пароочисник; 3 - турбіна м’ятої пари; 4 - турбіна подвійного тиску; 5,6- теплові акумулятори; 7 - котел; 8 - теплофікаційна турбіна

виробничого агрегата, хоча вихідна пара при роботі останнього підвищує ефективність роботи турбіни.

Установки з теплофікаційними турбінами з проміжним підведенням пари використовуються в ТЕЦ підприємств, де може використовуватися відпрацьована пара виробничих агрегатів.

Для охолодження технологічних агрегатів може використовуватися і водяне охолодження, схеми якого наведено на рисунку 3.4.16. Для охолодження використовується технічна вода, що вміщує значну кількість солей, які при нагріванні випадають в осад. Для запобігання відкладанню солей температура на виході з агрегата не повинна перевищувати 40 °С, що зазвичай на 10-12 °С вище температури, яка надходить на охолодження. Такий незначний перепад температур потребує значної кількості води, що робить недоцільним використовувати хімічне водоочищення.

При використанні оборотної схеми зменшується об’єм води для охолодження; для покриття втрат у циркуляційному колі необхідне поповнення води в кількості 5-10 %.

В більшості випадків нагріта виробнича вода використовується для систем теплопостачання. Однак, підприємства мають обмеження в теплопостачанні, яке, крім того, має сезонний характер. Тому в деяких випадках доцільно використовувати теплоту води для

Рисунок 3.4.17 - Принципові схеми використання фізичної теплоти нагрітої виробничої води для вироблення електроенергії а — з використанням спеціальної турбіни; б-з використанням виробничої ТЕЦ 1 - виробничий агрегат; 2 - випарювач; 3 - конденсаційна турбіна; 4 - конденсатор; 5 - насос; 6 - теплофікаційна турбіна

вироблення електричної енергії, принципові схеми цього процесу наведено на рисунку 3.4.17.

Рисунок 3.4.16 - Схеми водяного охолодження технологічних агрегатів а - прямоточне охолодження; б - оборотний цикл; 1 - джерело води; 2 - водозабірні пристрої; 3 - станції перекачування води; 4 - агрегат охолодження; 5 - лінія скиду нагрітої води; 6 - насоси для перекачування нагрітої та охолодженої води; 7 - охолоджувач (градирня)

а 6

В першій схемі вода від охолоджувальних установок виробничого агрегата подається у випарник, де тиск при температурі теплоносія підтримується нижче тиску насичення. В результаті
частина води випаровується і подається в конденсаційну турбіну низького тиску. Вода після конденсації пара в конденсаторі і вода з випарника насосами подається в систему охолодження агрегата.

Значно менші витрати має друга схема, яка пристосована до ТЕЦ на виробництві. В цьому випадку випарник розміщується на ТЕЦ і подача вторинної парт відбувається в частину низького тиску теплофікаційної турбіни з проміжним впусканням пари.

При низькій температурі води на виході з виробничого агрегата використання відібраної теплоти є можливим практично лише за допомогою теплових насосів.

Рекуператори використовуються для безперервного отримання нагрітого повітря за рахунок теплоти відхідних газів. За умовами теплообміну розрізняють конвекційні та радіаційні рекуператори.

Конвекційні рекуператори мають переважно конвекційний теплообмін на стороні димових газів; на повітряній стороні тепловіддача відбувається шляхом конвекції. Типовим представником конвекційних рекуператорів є прямотрубний рекуператор, схему якого наведено на рисунку 3.4.18. В рекуператорі повітря рухається всередині труб, а відхідні гази омивають труби ззовні перехресним потоком.

Гаряче і

повітря

Холодне повітря

Рисунок 3 .4.18 - Прямотрубний рекуператор із гладких сталевих труб: 1 - підведення димових газів; 2 - труби; 3 - колектор гарячого повітря: 4 - колектор холодного повітря; 5 - перехідний колектор

В конвекційних рекуператорах повітря нагрівається до 300- 400 °С при температурі димових газів 700-900 °С. Для використання більш високої температури застосовуються радіаційні рекуператори, в яких використовується променевий теплообмін на стороні димових газів. Типовим представником таких рекуператорів є щілинний радіаційний рекуператор (рисунок 3.4.19). Рекуператор має внутрішню і зовнішню труби, по внутрішній трубі проходять димові гази, а між внутрішньою і зовнішньою трубами - повітря, що нагрівається. Діаметр внутрішньої труби становить 1,5-2 м, відстань між трубами - декілька сантиметрів, висота рекуператора може досягати 30-35 м і використовуватися як димові труби.

Рисунок 3.4.19 - Схема щілинного радіаційного рекуператора: 1 - внутрішня труба димових газів; 2 - зовнішня труба; З - кільцева щілина для повітря

повітр

Холо^ ПОВІТ]

Гаряч

Особливістю роботи регенераторів є використання для теплообміну теплоакумуляційної насадки, яка спочатку нагрівається вихідними газами, а потім охолоджується повітрям, що нагрівається. Таким чином, для безперервної подачі підігрітого повітря необхідно мати дві камери з насадками при рівному терміну періодів нагрівання й охолодження. Існують регенератори з нерухомою та рухомою насадками; один із видів регенераторів з обертальною насадкою наведено на рисунку 3.4.20.

Рисунок 3.4.20 - Схема регенератора з обертальною насадкою: 1 - підведення холодного повітря; 2 - привод ротора; 3 - відведення димових газів; 4 - підведення димових газів; 5 - відведення гарячого повітря; 6 - ротор; 7 - ізоляція корпусу

Ротор розміщений у корпусі, що з’єднується з димовими і повітряними каналами. При обертанні ротора з частотою 2-3 обертання за хвилину він поперемінно обігрівається димовими газами й охолоджується повітрям, віддаючи йому теплоту, що акумулюється насадкою. При температурі димових газів перед регенератором близько 700-720 °С повітря нагрівається до 250-280 °С.

При різних технологічних процесах температура вихідних газів становить до 200 °С, використання фізичної теплоти таких газів теплообмінниками регенеративного і рекуперативного типів технічно й економічно не виправдано. Використати цю теплоту можливо за допомогою економайзерів (схему контактного економайзера, призначеного для промислових котельних установок, подано на рисунку 3.4.21).

В економайзері продукти згорання проходять через насадку з керамічних кілець Рашига, що орошається водою з перфорованих труб. Після проходження через краплевловлювальну насадку вода з конденсатом водяних парів при температурі близько 60 °С відводиться для виробничих і побутових потреб.

Рисунок 3.4.21 - Схема контактного економайзера: 1 - патрубок відведення газів; 2 - краплевловлювальна насадка; З - перфоровані труби; 4 - робоча насадка; 5 - патрубок підведення газу; 6 - патрубок відведення конденсату

Для низькопотенційних теплових ресурсів використовуються теплообмінники з проміжним рідким теплоносієм. Вони широко застосовуються для використання теплоти вентиляційних викидів (рисунок 3.4.22), де проміжним теплоносієм є водний розчин гліколю. Використання схеми можливо при значних відстанях між усмоктувальним і витяжним каналами системи вентиляції.

Рисунок 3.4.22 - Схема теплообмінника з проміжним рідким теплоносієм 1 - відведення відпрацьованого повітря; 2 - фільтр; З - насос; 4 - підведення свіжого повітря

Практично на кожному підприємстві існує потреба у виробленні холоду, для чого в більшості випадків використовуються компресійні холодильні машини. Однак ці машини дорогі, складні та споживають значну кількість електроенергії. Електричну енергію можна замінити тепловими відходами з використанням абсорбційних холодильних машин. У випадках, коли існує цілорічна потреба в холоді, доцільно застосовувати автономну холодильну установку. Якщо вироблення холоду має сезонний характер, то економічно вигідне комплексне використання відхідної теплоти для вироблення теплоти в холодну частину року і холоду - в теплу частину року.

Одну зі схем абсорбційної бромисто-літієвої холодильної машини з використанням теплоти низькотемпературних димових газів для отримання холоду наведено на рисунку 3.4.23.

Рисунок 3.4.23 - Принципова схема абсорбційної бромисто-літієвої холодильної машини 1 - теплообмінник; 2 - насос; 3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 - регенеративний теплообмінник; 6 - дросельний вентиль; 7 - абсорбер; 8 - споживачі холоду; 9 - випарник

Хімічно очищена вода насосом подається в теплообмінник із температурою димових газів близько 300 °С, де вода нагрівається до 100-120 °С і прямує до генератора. У генераторі під дією теплоти води з водного розчину броміду літію утворюється пара (хладоагент), яка направляється до конденсатора. Пара конденсується охолоджуючою водою і хладоагент проходить через дросельним вентиль, у якому тиск нижче атмосферного, а температура зменшується до 1,7-7 °С. У випарнику хладоагент переходить у пароподібний стан у результаті відбирання теплоти споживачами холоду. З випарника пара хладоагенту направляється до абсорбера, де абсорбується слабим розчином броміду літію (абсорбентом), що надходить з генератора, при цьому виділяється теплота, яка відводиться охолоджуючою водою. Міцний бінарний розчин насосом перекачується через регенеративний теплообмінник (де він нагрівається за рахунок слабого розчину броміду літію) до генератора.

Цей агрегат може працювати як у холодильному режимі, охолоджуючи воду до 7-19 °С, так і в теплофікаційному режимі, нагріваючи воду до 90-110 °С для потреб теплофікації.

Теплові насоси призначені для використання теплоти теплоносіїв (відхідних газів, води, фізичної теплоти виробів тощо), температура яких що вище температури довкілля. Фізику роботи теплових насосів, їх види та застосування подано в підрозділі 4.6.

В загальному випадку приріст прибутку за рахунок використання вторинних енергетичних ресурсів можна визначити з виразу [6]

АП = АВ-Цп + А()-(Цт-Ст)+А1¥-(Це-Се) + АЕ-АЕ1, де АВ - економія палива за рахунок використання вторинних енергетичних ресурсів, т/рік;

Цп - ціна одиниці палива за існуючими тарифами, грн/т;

AQ— зменшення споживання теплоти за рахунок використання вторинних енергетичних ресурсів, ГДж/рік;

Цт - ціна одиниці покупної (виробленої) теплоти, грн/ГДж;

Ст - собівартість отриманої теплоти в утилізаційній установці, грн/ГДж;

A W— зменшення споживання електроенергії за рахунок використання вторинних енергетичних ресурсів, кВт-год/рік;

Це~ тариф енергосистеми на електричну енергію, грн/кВт-год;

Се~ собівартість одиниці виробленої електроенергії на

утилізаційній установці, грн/кВт-год;

АЕ— зменшення експлуатаційних витрат по об’єкту з переходом на використання вторинних енергетичних ресурсів, грн/рік;

AEj— вартість експлуатаційних витрат на обслуговування утилізаційних установок, грн/рік.

Простий термін окупності капіталовкладень на утилізацію вторинних енергетичних ресурсів визначається за виразом

де К - капіталовкладення на утилізацію вторинних енергетичних ресурсів, грн/рік;

АП — приріст чистого прибутку на об’єкті за рахунок використання вторинних енергетичних ресурсів, грн/рік.