Бизнес план бумажного производства с расчетами

Энергосберегающие технологии на основе использования ВЭР в различных отраслях экономики

У всех энерготехнологических установок, в результате работы которых образуются ВЭР, есть общая особенность – эффективность использования топлива повышается, если в этой установке топливо максимально используется непосредственно для реализации технологического процесса.

Обычно это достигается за счет регенерации, рекуперации и рециркуляции отходящей теплоты в самом источнике вторичных энергетических ресурсов.

Примером реализации такой схемы может быть установка за нагревательными, термическими печами теплообменников для подогрева дутьевого воздуха, подаваемого на горение в эти печи. Увеличение температуры дутьевого воздуха на каждые 60 ºС снижает расход топлива на печной агрегат на 2 %.

Использование в энергетике технологии когенерации. Когенерация, как уже упоминалось выше, представляет собой технологию комбинированного производства электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источника.

В связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии при эксплуатации традиционных (паровых) электрических станций большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т. п. Большая часть этого тепла может быть использована в системах когенерации.

Сравнение когенерации и раздельного производства электричества и тепла показывает, что КПД с 30–50 % для электростанции может быть повышен до 80–90 %.

На предприятиях машиностроения тепловыми отходами являются физическая теплота уходящих газов, теплота охлаждения нагревательных и термических печей и вагранок (рис. 8), теплота отработанного пара кузнечно-прессового оборудования.

Рис. 8. Использования теплоты отходящих газов вагранок

В большинстве своем температура отходящих газов различных промышленных печей и нагревательных устройств колеблется от 450–700 ºС (в печах с регенераторами) до 900 °С в термических, прокатных и кузнечных (без регенерации), что позволяет в котлахутилизаторах вырабатывать пар для технологических и энергетических нужд.

В этих случаях охлаждение продуктов сгорания в котлах-утилизаторах происходит от 450–650 до 200–230 °С, для этого применяют в основном котлы-утилизаторы с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ) (рис. 9).

Рис. 9. Схема (а) и общий вид (б) котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией: 1 – барабан; 2 – циркуляционный насос; 3 – испарительная поверхность; 4 – пароперегреватель

Тепловые ВЭР предприятий пищевой промышленности включают теплоту отходящих горячих газов и жидкостей; жидких и твердых отходов производства; отработанного пара силовых установок и вторичного пара, который получается при выпаривании растворов, ректификации и высушивании; тепловых установок; теплоту, содержащуюся в продуктах производства (рис. 10).

В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров, выплавке теплоизоляционных материалов. К ним относится физическая теплота уходящих газов различных печей (туннельных, шахтных, вращающихся и т. д.) (рис. 11).

Вторичные энергоресурсы тепло- и гидроэлектростанций. 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.

Рис. 10. Схема использования отходящих газов в пищевых технологиях (выпарная установка)

Рис. 11. Общий вид вращающейся печи цементного завода

Источником ВЭР считаются также дымовые газы котельных установок на паротурбинных станциях (рис. 12) или отходящие продукты сгорания газотурбинных установок.

Рис. 12. Использование дымовых газов для дополнительного нагрева воды в паротурбинных установках

Для охлаждающих установок источником тепловых ВЭР может служить нагретая охлаждающая вода из воздухоохладителей и регенеративных теплообменных аппаратов. Источником ВЭР может быть также нагретая вода из системы охлаждения генераторов электростанций. Значительные тепловые отходы имеются и на АЭС: теплота конденсата, теплота охлаждающих систем и др. Однако, с точки зрения радиационной безопасности их использование проблематично.

Технологии использования ВЭР в сельском хозяйстве. Как уже упоминалось в разделе 2, к таким технологиям можно отнести:

• сжигание отходов соломы и других сельскохозяйственных культур в качестве котельного топлива (рулонное сжигание, сжигание в виде пеллет и брикетов);
• получение биогаза из отходов жизнедеятельности животных и птиц, отходов растениеводства.

Таким образом, основными источниками образования ВЭР в различных отраслях промышленности выступают технологические аппараты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической точки зрения, поскольку современная технология допускает работу технологических установок с низким коэффициентом использования топлива.

Использование горючих ВЭР. В качестве топлива для производства тепловой и электрической энергии используются:

• древесные отходы деревообработки используются в котельных, работающих на древесном топливе (пеллеты, щепа), которые изготавливаются из веток обрезаемых деревьев и санитарной рубки деревьев (ЖКХ, лесхозы) (рис. 13);
• коммунальные и производственные отходы – сжигание в специализированных тепло-электростанциях (Waste-to-energy – technology (WtE)) (см. п. 4);
• отработанные масла, сжигание которых в специальных печах связано с выделением в атмосферу большого количества вредных веществ (17 диоксинов (C₁₂H₄O₂Cl₄) и фуранов (C₄H₄O)). В Республике Беларусь фирмой «Интер-Блэйз» разработана новая технология сжигания отработанных масел, основанная на процессе эмульгирования масел с водой (5–10 % вода), разработаны для этих целей специальные горелки и другое оборудование (рис. 14). Технология, наряду с теплотехническими характеристиками, обеспечивает снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Рис. 14. Изготовление щепы из веток обрезаемых деревьев

Новые технологии использования ВЭР для производства тепла и электричества. К таким технологиям относятся:

• газификация (производство метана, водорода, синтетического топлива из ВЭР);
• газификация в плазменной струе (производство обогащенного синтетического газа, включая водород);
• термическая деполимеризация (производство сырой нефти, которая может дальше проходить процесс очистки);
• получение горючих газов из биологических отходов микробиологическим способом и др. (рис. 15)

Рис. 14. Оборудование для сжигания отработанных масел

Рис. 15. Схема получения горючих газов микробиологическим способом

Использование избыточного давления. В магистральных газопроводах газ находится под давление 5,5–7,5 МПА. Для создания такого давления на компрессорных станциях затрачивается большое количество электричества (170 млн кВт/ч в год). Для подачи газа потребителям требуется снижение давления газа до 0,3–1,2 МПа.

При этом потенциальная энергия избыточно сжатого газа полностью теряется. Эта проблема решается использованием турбодетандерных генераторов электрической энергии.

Турбодетандером называется утилизационная (т. е. не потребляющая топлива) расширительная турбина, механически связанная с потребителем ее мощности, например электрогенератором, компрессором и т. п.

Как видно из рис. 16 в турбодетандере снижение давления осуществляется за счет инжектирования газа с меньшего в больший объем, что обеспечивает снижение его давления и вращение турбины генератора.

а                                                                                                              б

Рис. 16. Конструкция (а) и общий вид (б) турбодетандерной установки

В соответствии с экспертными оценками в Республике Беларусь возможна установка турбодетандерных генераторов общей мощностью 200–250 МВт. В настоящее время фирма «Газпром» разрабатывает проект строительства трех комплексов с общей мощностью 5 МВт, которые позволят вырабатывать более 30 млн кВт/ч электрической энергии в год.

Определение объема выхода и экономии топлива за счет использования ВЭР

Выход вторичных энергетических ресурсов – это количество энергоресурсов, которые образовались в данной установке за определенную единицу времени и годны к использованию в соответствующий период времени. Различают удельный и общий выход ВЭР.

Выработкой называется количество тепла, холода, электроэнергии, полученное за счет ВЭР в утилизационной установке.

Выработки за счет ВЭР подразделяются на:

• возможную выработку, т. е. максимальное количество энергии, которое можно получить при работе установки;
• экономически целесообразную выработку, т. е. выработку с учетом ряда экономических факторов (себестоимость, затраты труда и т. д.);
• планируемую выработку – количество энергии, которое предполагается получить в определенный период при вводе новых или модернизации имеющихся утилизационных установок;
• фактическую выработку – энергию, реально полученную за отчетный период.

Выявление выхода и учета возможного использования вторичных энергоресурсов – одна из задач, которую необходимо решать на всех предприятиях, и особенно с большим расходом топлива, тепловой и электрической энергии.

Использование вторичных энергетических ресурсов не ограничивается лишь энергетическим эффектом – это и охрана окружающей среды, в том числе воздушного бассейна, уменьшение количества выбросов вредных веществ. Некоторые из этих выбросов могут давать дополнительную продукцию, например, сернистый ангидрид, выбрасываемый с отходящими газами, можно улавливать и направлять на выпуск серной кислоты или серы.

Удельный выход ВЭР рассчитывают или в единицу времени (1 ч) работы агрегата – источника ВЭР, или в показателях на единицу продукции (произведением удельного (часового) количества энергоносителя на его энергетический потенциал).

Энергетический потенциал энергоносителей определяется:

• для горячих ВЭР – низшей теплотой сгорания, Q_н^р;
• для тепловых ВЭР – перепадом энтальпий, h;
• для ВЭР избыточного давления – работой изоэнтропного расширения, e.

В качестве единиц измерения потенциала приняты единицы энергии (кДж, кВт). Единицами измерения количества энергоносителя служат единицы массы (кг, т); для газообразных теплоносителей – единицы объема (м3 при нормальных физических условиях, Р = 760 мм рт. ст. и t = 0 °С).

Удельный выход горючих ВЭР определяется по формуле

(1)

где m – удельное количество энергоносителя в виде твердых, жидких или газообразных продуктов, кг(м3)/ед. продукции или кг(м3)/ч; Qнр – низшая удельная теплота сгорания (кДж/кг(м3)).

Удельный выход тепловых ВЭР определяется по соотношению

(2)

где t1 – температура энергоносителя на выходе из агрегата – источника ВЭР, °С; ср1 – теплоемкость энергоносителя при температуре t1 (кДж/кг или кДж/м3); t2 – температура энергоносителя, поступающего на следующую стадию технологического процесса после утилизационной установки, или температура окружающей среды; ср2 – теплоемкость энергоносителя при температуре t2.

Удельный выход ВЭР избыточного давления:

(3)

где L – работа изоэнтропийного расширения энергоносителя, кДж/кг. Общий выход ВЭР за рассматриваемый период времени (сутки, месяц, квартал, год) определяют исходя из удельного или часового:

(4а)

или

(4б)

где qуд – удельный выход ВЭР, кДж/ед. продукции; П – выпуск основной продукции или расход сырья, топлива, к которым отнесен qуд за рассматриваемый период, ед. продукции; q4 – часовой выход ВЭР, кДж/ч; Т – время работы агрегата – источника ВЭР за рассматриваемый период, ч.

Только часть энергии из общего выхода ВЭР может быть использована как полезная. Поэтому для оценки реального потенциала, пригодного к использованию, рассчитывают возможную выработку энергии за счет ВЭР.

Возможная выработка теплоты в утилизационной установке за счет ВЭР для нагрева энергоносителей пара или горячей воды за рассматриваемый период времени:

(5)

где h1 – энтальпия энергоносителя на выходе из технологического агрегата – источника ВЭР, кДж/кг(м); h2 – энтальпия энергоносителя при температуре t2 на выходе из утилизационной установки, кДж/кг(м3);

B – коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы утилизационной установки и агрегата (B изменяется в пределах от 0,7 до 1,0); X – коэффициент потерь энергии в окружающую среду утилизационной установкой и на тракте между агрегатом и утилизационной установкой (X принимает значения от 0,02 до 0,05).

Возможную выработку теплоты в утилизационной установке можно также определить по формуле

(6)

где Fy – КПД утилизационной установки.

Теплота, выработанная в утилизационной установке, может использоваться не полностью, что характеризуется коэффициентом использования выработанной теплоты:

(7)

где Qи – использованная теплота (S может изменяться от 0,5 до 0,9).

Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет избыточного давления определяется выражением

(8)

где Fот – относительный внутренний КПД турбины; Fм – механический КПД турбины; Fг – КПД электрогенератора.

При использовании горючих ВЭР достигается экономия замещаемого топлива:

(9)

где Qи – использованные горючие ВЭР за рассматриваемый период, ГДж; 0,0342 – численное значение коэффициента для перевода 1 ГДж в тонну условного топлива; FВЭР и Fз – КПД утилизационной установки, работающей на горючих ВЭР, и установки, работающей на замещаемом топливе (Fз принимает значения от 0,8 до 0,92).

При использовании тепловых ВЭР экономия топлива равна:

(10)

где bз = 0,0342/Fз ~ удельный расход условного топлива, т/кДж, на выработку теплоты в замещаемой котельной установке.

При использовании ВЭР для получения холода в абсорбционных холодильных установках экономию топлива можно определить по формуле (4.10), подставляя вместо Qи количество выработанного холода Qх, деленное на холодильный коэффициент ε – безразмерная величина (обычно больше единицы), характеризующая энергетическую эффективность работы холодильной машины, равна отношению холодопроизводительности (количество теплоты, отнимаемое от охлаждаемого объекта в единицу времени) к количеству энергии (работе), затраченной в единицу времени на осуществление холодильного цикла:

(11)

При топливном направлении использования горючих ВЭР экономия топлива определяется из выражения

(12)

где Bи – величина использования горючих ВЭР, т у.т.; ηВЭР – КПД топливоиспользующего агрегата при работе на горючих ВЭР; ηт – КПД того же агрегата при работе на первичном топливе.

При выработке на утилизационной установке электроэнергии или механической работы экономия топлива В (т у.т.) определяется выражением

(13)

где bз – удельный расход топлива на выработку электроэнергии в замещаемой электростанции, (т у.т.)/ кВт·ч; W – выработка электрической энергии, кВт·ч.

Исходя из расчетов экономии топлива за счет использования ВЭР определяется коэффициент утилизации ВЭР, характеризующий степень использования отдельных видов ВЭР на предприятии, в холдинге, по городу, области, отрасли промышленности и т. д.

Тайны современного производства бумаги