Вторичные энергетические ресурсы

Под вторичными экономическими ресурсами понимают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся при технологических процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

Термин “энергетический потенциал” здесь следует понимать в широком смысле, он означает наличие определённого запаса энергии – химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной энергии избыточного давления и напора, кинетической энергии и др. Химически связанное тепло продуктов топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогатительных и др.) к вторичным энергетическим ресурсам не относятся.

Общий выход вторичных энергетических ресурсов за рассматриваемый период времени (сутки, месяц, квартал, год) определяют исходя из удельного или часового. Только часть энергии из общего выхода вторичных энергетических ресурсов может быть использована как полезная. Поэтому для оценки реального потенциала вторичного энергетического ресурса, пригодного к использованию, рассчитывают возможную выработку энергии за счет вторичных энергетических ресурсов.

На основе результатов расчета экономии топлива за счет использования вторичных энергетических ресурсов определяется степень утилизации вторичных энергоресурсов на предприятии.

Выделяют следующие основные группы вторичных энергетических ресурсов: горючие, избыточного давления, тепловые.

1. Горючие вторичные энергетические ресурсы. К горючим вторичным энергетическим ресурсам относятся образующиеся в процессе производства основной продукции газообразные, твердые или жидкие отходы, которые обладают химической энергией и могут быть использованы в качестве топлива. Источником горючих вторичных энергетических ресурсов являются лесная и деревообрабатывающая промышленность, химическая промышленность, сельское и коммунальное хозяйство.

К горючим вторичным энергетическим ресурсам относятся:

- древесные отходы;

- отходы гидролизного производства;

- отходы целлюлозно-бумажной промышленности;

- отходы от производства аммиака, капролактама;

- сельскохозяйственные отходы (солома и ботва растений);

- городской мусор.

В настоящее время большое внимание уделяется утилизации твердых древесных отходов, лигнина, отходов сельскохозяйственного производства и т. п. В лесной и деревообрабатывающей промышленности приблизительно половина заготавливаемой древесины идет в отходы. Одной из первостепенных задач является их утилизация путем сжигания с целью получения теплоты.

Древесные отходы делятся на несколько типов:

- лесосечные отходы (неодревесневшие молодые побеги, хвоя, листья);

- стволовая древесина, кора и древесная гниль.

Древесина по своему составу включает такие же компоненты, что и твердое топливо, за исключением серы. Особенностью древесных отходов некоторых производств является повышенная влажность. Отходы лесозаготовительных предприятий имеют влажность 45-55%.

При этом влажность коры достигает 80%. Отходы деревообрабатывающего и мебельного производства имеют влажность 10-20%. Древесина имеет большой выход летучих веществ, что благоприятствует, несмотря на повышенную влажность, устойчивому процессу горения.

Мелкие древесные отходы различаются также по гранулометрическому составу:

- древесная пыль с частицами менее 0,5 мм;

- опилки - менее 5-6 мм, щепа после рубильных машин - менее 30 мм;

- крупная щепа с размерами частиц более 30 мм.

Гранулометрический состав определяют просеиванием через сито. Способы сжигания древесных отходов зависят от гранулометрического состава и влажности. Древесную пыль без включения абразивных частиц сжигают факельно-вихревым способом, при наличии абразивных частиц - в циклонных топках. Более крупные отходы эффективно сжигать в слоевых топках с "кипящим" или плотным слоем. Первичная переработка местных древесных отходов может включать изготовление брикетов, что позволяет сжигать их в топках с плотным слоем.

Процесс сжигания древесных отходов включает предварительную сортировку и сушку. Сжигание проводится в топке с "кипящим" слоем с частичной рециркуляцией дымовых газов. Это обеспечивает полное сгорание топлива, выносимого с отходящими газами. Сжигание производится с целью получения теплоты и передачи ее энергоносителю - пару или горячей воде, которые могут непосредственно направляться потребителю.

Теплота может также преобразовываться в электричество с помощью паровой или газовой турбины. В настоящее время в Германии, Финляндии, Швеции и других странах на основе отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, включающих остатки лесосечных отходов, стружки и отходов фрезерно-отрезных станков, изготавливаются гранулы (пиллеты).

Древесные гранулы по сравнению с исходным сырьем, которое используется самостоятельно в виде топлива, имеют более низкую влажность (W=8%), высокую плотность (р принимает значения от 1100 до 1300 кг/м3) и теплоту сгорания (Q=19 МДж/кг). Их длина равна 20-50, а диаметр - 4-10 мм. Древесные гранулы в отличие от обычной древесины становятся конкурентоспособными наряду с другими видами твердого, жидкого и газообразного топлива. Их выгодно перевозить на большие расстояния, они занимают меньше места при хранении.

Технология изготовления гранул включает крупное дробление, сушку, мелкое дробление, прессование, охлаждение, сортировку, расфасовку. При изготовлении гранул никакие добавки не используются, так как в качестве связующих выступают естественные смолы, лигнин. Для сушки в качестве источника энергии используются некондиционные отходы после сортировки гранул.

Для производства гранул требуется 3% энергии от их потенциала. Данный вид топлива может сжигаться в котлах с механизированной или ручной подачей. Таким образом, горючие вторичные энергетические ресурсы позволяют замещать первичное топливо, которое закупается за рубежом, и тем самым увеличивают производство энергии за счет собственных энергоресурсов.

2. Вторичные энергетические избыточного давления (напора) – это потенциальная энергия газов, жидкостей и сыпучих тел, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением (напором), которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей, газов, сыпучих тел или при выбросе их в атмосферу, водоёмы, ёмкости и другие приёмники. Сюда же относится избыточная кинетическая энергия.

Вторичные энергетические ресурсы избыточного давления преобразуются в механическую энергию, которая или непосредственно используется для привода механизмов и машин или преобразуется в электрическую энергию.

Примером применения этих ресурсов может служить использование избыточного давления доменного газа в утилизационных бес компрессорных турбинах для выработки электрической энергии.

3. Тепловые вторичные энергетические ресурсы. К тепловым вторичным энергетическим ресурсам относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых вторичных энергетических ресурсов используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41%, а рассеиваемая теплота - 59%. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы делятся на:

- высокотемпературные (с температурой носителя выше 500°С);

- среднетемпературные (при температурах от 150 до 500°С);

- низкотемпературные (при температурах ниже 150°С).

При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.

Рассмотрим некоторые способы и устройства для утилизации тепловых вторичных энергетических ресурсов. Применение энергетических отходов для внутреннего использования рассматривалось ранее при изучении работы парового котла, где за счет рекуперации теплоты отходящих газов проводится подогрев питательной воды в экономайзере и окислителя воздуха в воздухоподогревателе.

Имеются и другие возможности внутреннего использования энергетических отходов. Теплота уходящих дымовых газов используется как для внутреннего, так и для внешнего потребления. При внутреннем потреблении энергоотходов в печах и котлах осуществляется подогрев воздуха, подаваемого на горение.

В котлах дополнительно может подогреваться питательная вода. При внешнем использовании нагревают теплоноситель или сырье. Нагрев рабочей среды проводится в регенеративных, рекуперативных или смесительных (контактных) аппаратах. Регенеративные аппараты по принципу действия являются периодическими.

Через неподвижные насадки потоки дымовых газов и нагреваемой среды проходят попеременно путем переключения направления их течения. Реализуемый уровень температур в регенераторах с керамическими насадками составляет 1700°С. Недостатком этих аппаратов является снижение за цикл температуры нагреваемой среды на 10-15%. Они пригодны для маловязких и чистых сред.

Рекуперативные подогреватели выполняются из металла, поэтому уровень рабочих температур снижается до 700-800°С по сравнению с регенераторами. Преимущество их заключается в постоянстве параметров рабочих сред, что обеспечивает стабильность технологического процесса.

Рассмотрим простейший рекуператор. Передача теплоты от дымовых газов к нагреваемой среде осуществляется через разделяющую поверхность, которая может иметь различное конструктивное исполнение. В нашем случае это кольцевой канал, который связан с раздающим и сборным коллекторами.

При утилизации низкотемпературных дымовых газов целесообразно использовать контактный теплообменник с активной оросительной насадкой для повышения интенсивности теплообмена. С помощью данного устройства можно получать горячую воду 50-70°С, что позволяет проводить сжигание топлива с учетом высшей теплоты сгорания и тем самым добиваться дополнительного энергосберегающего эффекта.

Достоинством аппарата являются небольшие габариты и масса, достигаемые за счет интенсификации теплообмена при орошении пучка труб промежуточным теплоносителем в жидкой фазе, подогретым непосредственным соприкосновением с дымовыми газами. Это также дает косвенный энергосберегающий эффект за счет экономии металла.

Кроме того, в данном аппарате происходит очистка дымовых газов. Энергетический эффект от утилизации теплоты дополняется экологическим эффектом уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду. При внешнем использовании теплоты отходящих газов промышленных печей применяются паровые или водогрейные котлы-утилизаторы.

В отличие от энергетических котлов их поверхности нагрева располагаются не в топке, а по тракту отходящих газов. Конструкция котла-утилизатора включает: экономайзер, барабан-сепаратор, испаритель и пароперегреватель. Циркуляция воды через испаритель осуществляется с помощью насоса или естественной конвекцией. Принцип работы котлов-утилизаторов идентичен котлам котельных установок.