Технологии использования вторичных энергетических ресурсов при эксплуатации и их учет при проектировании

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА

УДК 621

Э.Р. Алтынбаева, И.Г. Ахметова

ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИХ УЧЕТ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

В статье описываются различные технологии использования вторичных энергетических ресурсов, что в настоящее время является важнейшим перспективным направлением экономии энергии на предприятиях. Рассмотрено использование вторичных энергетических ресурсов на предприятиях черной металлургии, в химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности как реальная возможность энергосбережения.

Ключевые слова: вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), горючие ВЭР, газ, тепловая нагрузка, энергосбережение.

Под понятием вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) подразумевается энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных отходов, образующихся в технологических установках (агрегатах), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других установок. Понятие «энергетический потенциал» означает наличие определенного запаса энергии (химически связанной теплоты, физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления). К ВЭР не относится химически связанная теплота продукции топливоперерабатывающих, газогенераторных, углеобогатительных производств и те энергетические отходы, которые используются в самом агрегате - источнике ВЭР (регенерация теплоты).

По виду энергии ВЭР разделяются на три группы: топливные (горючие), под которыми подразумеваются непосредственно сами горючие отходы, не пригодные для дальнейшей технологической переработки (доменный газ, отходящий газ сажевых печей, абсорбционный газ при производстве мономеров для синтетических каучуков и т. д.); тепловые (физическая теплота отходящих газов технологических установок, физическая теплота продукции и отходов основного производства, отработанной в технологическом процессе воды, пара, теплота конденсата), к которым относятся также низкопотенциальная теплота вентвыбросов, сбросных жидкостей и газов от теплотехнологических установок; избыточного давления, в которых потенциальную энергию газов и жидкостей, покидающих технологические агрегаты

с избыточным давлением, необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей или газов при выбросе в атмосферу.

Использование ВЭР является важнейшим направлением экономии энергии на промышленных предприятиях. В зависимости от видов и параметров ВЭР можно выделить четыре основные направления использования вторичных энергоресурсов:

• топливное - непосредственное использование горючих ВЭР в качестве топлива;

• тепловое - использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве ВЭР или вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках (к этому направлению относится также выработка холода за счет ВЭР в абсорбционных холодильных установках);

• силовое - использование механической или электрической энергии, вырабатываемой в утилизационных установках (станциях) за счет вторичных энергоресурсов;

• комбинированное - использование тепловой и электрической (или механической) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по теплофикационному циклу.

Классификация ВЭР по видам и направлениям использования приведена в таблице 1 [1].

Горючие ВЭР как дополнительные ресурсы топлива образуются, в основном, в четырех отраслях промышленности: черной металлургии, химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной.

На предприятиях черной металлургии к горючим ВЭР относят доменный, конвертерный и ферросплавный газы. Из трех видов горючих ВЭР наиболее полно используется доменный газ в качестве котельно-печного топлива на ТЭЦ, в котельных и технологических печах. Значительная часть этого газа (34%) потребляется в самом доменном цехе на отопление воздухонагревателей. Потери доменного газа в среднем по отрасли составляют 5,5% и приближаются к технически неизбежным, которые оценивают в 5% выхода. Ресурсы конвертерного газа при охлаждении его без доступа воздуха составляют в настоящее время около 400-450 тыс. т у. т., но в современных условиях ввиду неравномерного выхода и трудности аккумуляции конвертерные газы практически не используются в качестве топлива, а сжигаются на свечах. Ферросплавный газ применяется в качестве топлива в энергетических котлах и технологических печах для обжига извести. В настоя-

щее время на металлургических заводах утилизируется примерно 30% имеющихся ресурсов ферросплавного газа.

Таблица 1. Классификация ВЭР

Вид ВЭР Носители ВЭР Энергетический потенциал Выход ВЭР Способ использования

Г орючие Твердые, жидкие и газообразные горючие отходы Теплота сгорания <3 =

Тепловые Отходящие газы, охлаждающая вода, конденсат, отходы производства, промежуточные продукты, готовая продукция Физическое тепло <2 = сф - £0)тВЭР Выработка в теплоутилизационной установке теплоэнер-гии в виде водяного пара или горячей воды

Вторичный или отработанный водяной пар Энтальпия <? =

ВЭР избыточного давления Г азы и жидкости с избыточным давлением Работа изоэнтропного расширения Ш = Ывэр Производство электроэнергии или механической работы в утилизационной турбине

Примечание: (?£ - низшая теплота сгорания; тВЭР - удельное (часовое) количество энергоносителя в виде твердых, жидких или газообразных продуктов; 1 - работа изоэнтропного расширения; с -теплоемкость энергоносителя; 1 - энтальпия газа перед расширением, К л - энтальпия газа в конце изоэнтропного расширения, К

В химической промышленности горючие ВЭР образуются в производствах аммиака, метанола, капролактама, ацетилена, каустической соды, фосфора и в производствах органического синтеза. В производстве аммиака горючими ВЭР являются оксид-углеродная фракция, танковые, ретурные и продувочные газы, а также жидкие углеводороды, в производствах метанола и капролактама - продувочные газы, в производстве ацетилена - сажевый шлам, в производстве каустической соды - водородный газ, в производстве фосфора - печной газ. Недостаточный уровень использования горючих ВЭР в отрасли объясняется тем, что некоторые их виды в силу ряда объективных причин совсем не используются. В настоящее время практически не применяется печной газ производства фосфора из-за его взрывоопасности, не совсем решен вопрос об использовании избыточного водорода в производстве каустической соды. С низкой степенью используются продувочные газы в производстве метанола

по старым схемам и ретурные газы в производстве аммиака. В отрасли ведутся разработки использования указанных ВЭР в качестве топлива.

В нефтехимической промышленности образуются следующие виды горючих ВЭР: абгаз и мототопливо (жидкие углеводороды) производства синтетического каучука (СК), метановодородная фракция (МВФ) производства этилена и отходящие газы производства технического углерода (сажи). Значительным резервом экономии топлива является использование отходящих газов производства технического углерода.

В целлюлозно-бумажной промышленности горючими ВЭР являются: сульфатный и сульфитный щелоки, кора и древесные отходы. Наряду с использованием в качестве топлива, сульфитный щелок, кора и древесные отходы используются также по товарному направлению.

Одним из перспективных направлений энергосбережения, требующим для своей реализации совместных координированных усилий предприятий и научно-исследовательских и проектных организаций (обеспечивающих разработку схем теплоснабжения и служб эксплуатации источников теплоснабжения) является комплексное использование ВЭР в схемах теплоснабжения. Хозяйственный механизм до недавнего времени не способствовал проведению таких работ. Часто ведомственные интересы поставщиков тепловой энергии и его потребителей сводились к стремлению, с одной стороны, увеличить мощности источников теплоты, а с другой, исключить его экономное потребление. По установившейся традиции проектировщики схем теплоснабжения вынуждены и сегодня разрабатывать схемы теплоснабжения на основе выданных предприятиям и потребителям завышенных тепловых нагрузок. Такая практика разработки схем теплоснабжения становится своего рода защитой для предприятий промузлов от необходимости проводить энергичную энергосберегающую политику. Выборочная экспертиза проектов промышленных предприятий показывает, что с учетом реальных возможностей энергосбережения тепловые нагрузки многих потребителей могут быть снижены на 20-30% и более. Если сопоставить потребность отраслей в тепловой энергии без учета энергосбережения, т. е. по заявляемым перспективным нагрузкам, с данными, учитывающими возможности резервов энергосбережения, то в таких теплоемких отраслях как химия и нефтехимия без учета энергосбережения на перспективу необоснованно планируется рост теплопотребления по предприятиям на 20-50%. Анализ показывает, что с

учетом реальных резервов энергосбережения потребность в тепловой энергии на тех же предприятиях может быть уменьшена на 30-40%.

Данные анализа энергопользования на промузлах показывают, что основным резервом экономии тепловой энергии являются ВЭР. К ним относятся: потери теплоты с отработанным энергоносителем (уходящие газы топливных агрегатов, конденсат теплопотребляющих агрегатов и т. п.), потери теплоты в окружающую среду и потери теплоты, обусловленные особенностями технологии (это потери с отходами производства, полупродуктом и продуктом). Наименьший КПД в промышленности и, соответственно наибольший выход ВЭР имеют топливно-использующие агрегаты - различного рода печи во всех отраслях промышленности. Теплота уходящих газов от этих агрегатов представляет собой наиболее распространенный вид ВЭР. Поэтому, чем больше предприятия промузла потребляют топлива прямого использования, т.е. для энергоснабжения технологических агрегатов, тем больше выход ВЭР и тем больше возможность покрытия тепловых нагрузок за счет их использования.

По промышленности в целом выход ВЭР, включая низкопотенциальную теплоту уходящих газов, тепловых стоков и вентвыбросов составляет около половины всего их энергопотребления [2]. Следовательно, важнейшей задачей при оценке возможностей энергосбережения на промузлах является анализ их энергопотребления, структуры, характеристики потребителей с целью выявления объемов выхода ВЭР и их возможного использования. Приступая к разработке схем теплоснабжения целесообразно предварительно провести анализ заявляемых тепловых нагрузок с учетом данных о выходе и возможном использовании ВЭР на промузле. Технико-экономические расчеты эффективности реализации резервов энергосбережения, а также сопоставление затрат на энергосбережение с затратами на сооружение дополнительных источников теплоснабжения позволяют обоснованно снижать заявляемые тепловые нагрузки предприятий. При таких расчетах необходимо учитывать кроме того экологический эффект как от использования ВЭР (обычно не учитывается), так и от уменьшения мощности источников теплоснабжения. Во многих случаях экологический эффект от использования ВЭР превышает энергетический и является дополнительным важным стимулом в реализации мероприятий по использованию ВЭР.

Проводимые исследования на промузлах показывают, что при анализе резервов экономии тепловой энергии на предприятиях кроме использования ВЭР большой эффект дают такие крупные мероприятия, как:

регулирование режимов теплопотребления; внедрение систем автоматического контроля и учета за расходом тепловой энергии на стадии потребления; анализ возврата конденсата и повышение степени его использования; анализ удельных расходов тепловой энергии основного технологического оборудования, сравнение их с современным уровнем и рекомендации по внедрению современного оборудования и технологических процессов; обоснованное использование теплоты вентиляционных выбросов [3].

Учет указанных мероприятий на промузле должен явиться серьезным фактором снижения заявляемых нагрузок. Проведение таких техникоэкономических расчетов обосновывает не только снижение тепловых нагрузок, но и экономию энергоресурсов, получаемую от разработки оптимизированной схемы с учетом этих мероприятий, экономию капитальных затрат из-за уменьшения количества производимой и распределяемой тепловой энергии и улучшение экологических показателей на предприятиях и источниках теплоснабжения. Проведение данных расчетов позволит разрабатывать схемы теплоснабжения с учетом реальных возможностей энергосбережения.

Источники

1. Сибикин М.Ю. Пути экономии ТЭР в энергоемких отраслях промышленности // Вестник электроэнергетики, 2009, № 2.

2. Плущевский М.Б. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов // Мировая энергетика, 2007, № 1.

3. Сибикин М.Ю. Использование горючих вторичных энергоресурсов в перспективе до 2015 г. // Вестник электроэнергетики, 2006. № 4.

Зарегистрирована 05.09.2010 г.