Вторичные энергетические ресурсы 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.

Рис.8.1 - Принципиальная схема использования ВЭР

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.

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

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.

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.

С учетом данных обстоятельств утилизация тепловых ВЭР в цветной металлургии становится экономически оправданной даже там, где ранее считалось неэффективным.

Тепловые ВЭР нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности определяются в основном энтальпией отходящих газов установок первичной переработки нефти, каталитического риформинга и крекинга и других технологических агрегатов. Суммарный выход тепловых ВЭР отрасли составляет миллионы т.у.т./год, а их использование – около 50%.

В промышленности строительных материалов ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, выплавке теплоизоляционных материалов. Их использованию пока еще уделяется недостаточное внимание. При суммарном выходе тепловых ВЭР, эквивалентных 1,0–1,5 сотен тысяч т.у.т. в год, их утилизация с выработкой тепла не превышает 15-17%. В настоящее время котлами-утилизаторами оборудуются в основном крупные стекловаренные печи на заводах листового стекла.

В химической промышленности наиболее энергоемкими являются производства аммиака, химического волокна, синтетической смолы, кальцинированной соды, фосфора, метанола, потребляющие свыше 70% электроэнергии и более половины тепла, расходуемых всей отраслью. Выход тепловых ВЭР по отрасли в целом достаточно велик и составляет более 1,0 млн. т.у.т./год.

Тепловые ВЭР в значительной степени покрывают потребности в тепле отдельных производств. Так, в азотной промышленности, за счет ВЭР удовлетворяется более 26% потребности в тепле, в содовой – более 11%.

Однако уровень использования этого вида ВЭР в отрасли все же не отвечает современным требованиям. В настоящее время, в наиболее энергоемких ее подотраслях коэффициент использования составляет лишь около 37%. Основная причина относительно низкого уровня их использования заключается в том, что технологические агрегаты далеко не полностью оснащены уже освоенным утилизационным оборудованием, кроме того, в ряде случаев утилизация невозможна из-за отсутствия необходимых технических средств.

На самом деле, утилизация НПТ является важной народнохозяйственной задачей, поскольку его выход составляет около половины от суммарного выхода всех видов ВЭР. Актуальность этой задачи будет возрастать, так как совершенствование технологических процессов, как правило, сопровождается сокращением потерь тепла высокого потенциала. Кроме того, нельзя забывать, что утилизация НПТ, как и всех ВЭР, способствует охране окружающей среды от теплового и химического загрязнения.

Носителями низкопотенциального тепла обычно являются коррозионно-активные, загрязненные, запыленные жидкости и газы, от которых его практически невозможно отвести, используя стандартную теплообменную аппаратуру. Иначе говоря, для решения задачи по использованию НПТ необходимо создание специального утилизационного оборудования.

Опыт зарубежной и относительно небольшой отечественной практики по утилизации низкопотенциальных тепловых отходов позволяет назвать требуемые для этого основные технические средства:

• 
  контактные аппараты с различными насадками для использования тепла дымовых газов и других парогазовых потоков;
  
• 
  многоступенчатые установки с аппаратами мгновенного вскипания для загрязненных горячих стоков;
  
• 
  многоступенчатые установки с аппаратами типа "тепловая труба" для утилизации тепла агрессивных жидкостей (серной, фосфорной, азотной кислот);
  
• 
  скрубберно-солевые установки для дымовых газов;
  
• 
  выпарные аппараты с вращающимися элементами (роторно-пленочными) для загрязненных газов с целью получения тепла и концентрирования сточных вод;
  
• 
  тепловые насосы (пароструйные, абсорбционные и компрессионные) для производства холода и теплоснабжения;
  
• 
  абсорбционные холодильные установки (на водных растворах аммиака, бромида лития, хлорида кальция и др.);
  
• 
  установки, работающие по водо-фреоновому циклу;
  
• 
  регенеративные вращающиеся теплообменники, пластинчатые рекуператоры, теплообменники с промежуточным теплоносителем, с "тепловыми трубами" для использования тепла вентиляционных выбросов.
  

Действительно, тепло, выработанное в утилизационных установках НПТ, очень трудно вписать в график традиционных потребителей. В таких случаях стоит задача поиска новых, ранее по каким-либо причинам не учитывавшихся потребителей низкопотенциального энергоносителя. Нужно изучить возможность его использования как внутри рассматриваемого предприятия: для очистки стоков и конденсата, деаэрации и обессоливания питательной воды, производства холода и т.п., так и на стороне: для отопления теплиц и парниковых хозяйств, опреснения морской воды и других коммунальных нужд. В случаях, когда выработка низкопотенциальной энергии значительно превышает потребность в ней предприятия и близлежащих к нему потребителей, может оказаться экономически целесообразным ее использование для производства электроэнергии в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами (фреонами).

Отметим, что разработки теплоснабжения промышленных узлов на базе использования ТВЭР только четырех предприятий черной металлургии (трех крупных и одного среднего), позволяют получить возможную экономию условного топлива около 6 млн.т. условного топлива. Из этой экономии 20-25% достигается за счет сопряженной перекоммуникации тепловой схемы заводских энергостанций и рационализации системы теплоснабжения в целом. Однако, с ростом промышленного производства количество ВЭР будет возрастать незначительно, так как развитие энергосберегающих технологий приведет к относительному уменьшению энергетических отходов.

Утилизации ТВЭР технологического процесса предшествует использование возможности возврата отводимой теплоты обратно в основной процесс с соответствующим повышением его теплового КПД, что называется регенерацией теплоты и достаточно широко применяется в технике. Для этого служат: экономайзеры паровых котлов, регенераторы и рекуператоры промышленных печей, теплообменники для регенерации теплоты вентиляции и т.д. Использование ТВЭР дополняет регенерацию теплоты, являющуюся первоочередной, и только остаточную теплоту после регенерации следует рассматривать в качестве ТВЭР. Разграничение понятий "использование ТВЭР" и "регенерация теплоты" можно проиллюстрировать следующими примерами:

1. За паровым котлом обычно устанавливается водяной или (и) воздушный экономайзер(ы) для работы на отходящих газах. В результате отходящая теплота возвращается в основной процесс с питательной водой или воздухом горения для снижения расхода топлива в топке, что является регенерацией теплоты. За экономайзером, нагревающим питательную воду, может размещаться теплофикационный экономайзер для нагрева сетевой воды системы теплоснабжения или контактный для горячего водоснабжения. Это –уже устройства для использования ТВЭР.

2. За промышленными печами монтируются теплообменники-регенераторы, рекуператоры для нагрева дутьевого воздуха отходящими газами, причем в печь возвращается часть теплоты последних, т.е. имеет место регенерация. Установленные после (вместо) них водяные экономайзеры, обслуживающие внешних потребителей, являются утилизаторами ТВЭР.

3. Подогрев приточного воздуха вытяжным воздухом вентиляции – это регенерация теплоты, понижающая ее расходование в основном процессе. Использование этой теплоты как ТВЭР исключается из-за низкой температуры вытяжного воздуха.

В вопросах утилизации ВЭР важны технико-экономические расчеты. В настоящее время варианты решения народнохозяйственных задач прежде всего должны удовлетворять условиям социально-экономической эффективности. Обязательно соблюдение экологических требований. Экономическая эффективность сравнивается для вариантов, удовлетворяющих этим требованиям.

Принимается наиболее экономичный из социально эффективных (по научно-технической политике, концепции развития промышленных отраслей, размещению производительных сил и пр.) и экологически допустимых вариантов.

Такой подход имеет большое значение при решении технических проблем, в частности, при выборе источников энергоснабжения. Социальная и экологическая эффективность использования ВЭР очевидна – это сохранение невозобновляемого топлива, уменьшение загрязнения атмосферы, снижение затрат и улучшение условий труда, разгрузка транспорта.

Топливные ВЭР должны использоваться в качестве топлива полностью (100%). Объем использования вторичных энергетических ресурсов, утилизируемых с преобразованием энергоносителя, определяется возможной выработкой электроэнергии в утилизационной установке.

Возможная выработка теплоты в виде пара или горячей воды в утилизационной установке за счет тепловых ВЭР в общем случае определяется по формуле:

Q_T = (i₁G₁ – i₂G₂) (1 - ), (8.1)

а возможная выработка холода

Q_x = Q_T. (8.2)

где G₁ и G₂ – количество энергоносителя, соответственно, на входе в утилизационную установку и на выходе из нее; i₁ и i₂ – энтальпия энергоносителя, соответственно, на выходе из технологического агрегата-источника ВЭР и энергоносителя при температуре Т₂ на выходе из утилизационной установки;  - коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы утилизационной установки и агрегата-источника ВЭР;  - коэффициент потерь теплоты утилизационной установки во внешнюю среду;  - холодильный коэффициент.

Возможную выработку теплоты в утилизационной установке можно определить также по формуле

Q_T = Q_вых_у, (8.3)

где _у – условный КПД утилизационной установки.

Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет ВЭР в виде избыточного давления определяется по формуле:

W = m_ВЭР l _oi_м_r, (8.4)

где m_ВЭР – часовое количество энергоносителя в виде жидкости или газа, имеющих избыточное давление;  - число часов работы агрегата-источника ВЭР в рассматриваемый период; l – работа изоэнтропного расширения; _oi – внутренний относительный КПД турбины; _м – механический КПД турбины; _r – КПД электрогенератора.

При поступлении пара высоких параметров от теплоутилизационных установок в конденсационную турбину выработка электроэнергии определяется отношением

W = Q_r/q_к , (8.5)

где Q_r – количество теплоты, поступающей на турбину от теплоутилизационной установки; q_к – удельный расход теплоты на производства электроэнергии в конденсационной турбине.

Экономическая эффективность использования ВЭР определяется значением приведенных затрат на систему энергоснабжения, энергетическую установку или агрегат в виде суммы

З = С + Е_нk, (8.6)

где З – приведенные затраты, у.е./год; С – годовые эксплуатационные издержки, у.е./год; Е_н – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, принимается равным 0,12; К – капиталовложения, у.е.

Экономически наиболее эффективным является вариант, характеризующийся минимумом приведенных затрат Зmin. Приведенные затраты для вариантов энергоснабжения с использованием ВЭР могут быть представлены в виде

З_ут = С_ут + Е_нК_ут, (8.7)

а для энергоснабжения без использования ВЭР в виде

З_б.ут = С_б.ут + Е_нК_б.ут, (8.8)

где индексы "ут" и "б.ут" – варианты энергоснабжения.

Экономический эффект от использования ВЭР определяется разницей в годовых приведенных затратах по сравнимаемым вариантам:

Э = З_{б.ут min} – З_{ут min} = C_б.ут – С_ут – Е_н(К_ут – К_б.ут). (8.9)