УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ (ПОБОЧНЫХ) ЭНЕРГОРЕСУРСОВ (ВЭР)

Если в данном производстве за счет регенерации не удается полностью ис­пользовать всю энергию, нужно попы­таться не сбрасывать ее в окружающую среду, а продать эти ненужные вторич­ные (побочные) для данного производства энергоресурсы другим по­требителям либо организовать у себя специальное производство, потребляю­щее эту энергию. Такой подход не дает экономии топлива в самом технологиче­ском процессе, но может существенно улучшать экономические показатели производства за счет средств, получен­ных от реализации ВЭР.

Главная трудность при решении про­блемы утилизации ВЭР обычно состоит в поиске потребителя. Приходится ана­лизировать уже не только свое производ­ство, но и в первую очередь сопутствую­щие, а иногда и совершенно не связан­ные. Нередко для утилизации ВЭР со­здают тепличные хозяйства, рыбоводные пруды и т. д. Способ утилизации ВЭР вы­бирают в зависимости от требований по­требителя и вида вторичной энергии.

Если на производстве имеются горю­чие отходы — топливные ВЭР, то исполь­зование их обычно не представляет тру­да. Так, доменный и коксовый газы ме­таллургического комбината сжигаются в топках паровых котлов вместе с други­ми видами топлива. В крайнем случае, если не удается сжечь топливные ВЭР в обычных топках, создают специальные, например топки с кипящим слоем (см. гл. 17) для сжигания высокозоль­ных твердых остатков углеобогатитель­ных фабрик.

За счет ВЭР избыточного давления в расширительных турбинах обычно по­лучают электроэнергию (как на рис. 24.4). Наибольшую долю составля­ют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР, только их и имеют в виду. В 1985 г. в СССР было утилизировано около 0,7-10¹⁸ Дж таких ВЭР — пример­но половина того количества, которое считается экономически целесообразно использовать в настоящее время. В це­лом же тепловых ВЭР много больше.

Тепловые ВЭР газовых потоков с вы­сокой температурой (>400°С) передней (100—400 °С) обычно используются для производства пара или подогрева воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов (см §19.5). Водо­грейные котлы-утилизаторы предназна­чены для подогрева воды, идущей на теплофикацию жилых и промышленных зданий. Конструктивно они представля­ют собой систему труб, через которые прокачивается сетевая вода, поэтому не­редко водогрейные котлы-утилизаторы называют утилизационными экономай­зерами.

Широкое распространение в настоя­щее время получили системы испари­тельного охлаждения элементов высоко­температурных печей. В печах многие элементы приходится делать из метал­ла — прежде всего это несущие и под­держивающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и под­вижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, напри­мер завалочные окна, шиберы, перекры­вающие проходное сечение газоходов, и т. д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400— 600 °С, а температура в печи много вы­ше. Поэтому металлические элементы пе­чей делают полыми и внутри них цирку­лирует охлаждающая вода. Для исклю­чения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода до­лжна быть специально подготовленной.

Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том и в другом случае происходит загрязнение окружа­ющей среды.

Все эти недостатки исключаются, ес­ли в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора (рис. 24.5). Охлажда­емые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в кото­рой теплота уже не сбрасывается в окру­жающую среду, а идет на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной водой, поэтому на­кипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не образуется и срок их служ­бы в 1,5—3 раза больше, чем при охлаж­дении необработанной проточной водой.

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При комплексном под­ходе к утилизации теплоты от газов и ох­лаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, комму­никации, обслуживание и т. д.

В ряде случаев удается использовать теплоту раскаленных твердых продуктов. На многих металлургических комбинатах сейчас работают установки охлаждения (технологи говорят «сухого тушения») кокса (УСТК), в которых охлаждается кокс с температурой свыше 1000 °С, вы­гружаемый из коксовых батарей. Особая сложность этой установки состоит в том, что кокс — горючий материал. Поэтому для его охлаждения используют инерт­ный азот, а всю установку герметизиру­ют, no-возможности предотвращая утеч­ки азота.

Раскаленный кокс в специальных ва­гонах быстро (поскольку на воздухе он горит) транспортируется от коксовой ба­тареи и загружается в герметичную фор-камеру / (рис. 24.6), затем поступает в камеру тушения 2, в которой он снизу вверх продувается инертным газом. За счет постепенной выгрузки снизу кокс плотным слоем движется сверху вниз противотоком к охлаждающему газу. В результате кокс охлаждается от 1000—1050 °С до 200—250 °С, а газ на­гревается от 180—200 °С до 750—800 °С. Через специальные отверстия 3 и пылео-садительную камеру 4 газы попадают в котел-утилизатор 5. В нем за счет ох­лаждения 1 т кокса получают примерно 0,5 т пара достаточно высоких парамет­ров р = (3,9-т-4,0)МПа и f = (440-b 450) °С. После котла-утилизатора ох­лажденный газ еще раз очищают от пы­ли в циклоне 6 и вентилятором 7 вновь направляют в камеру тушения под спе­циальный рассекатель для равномерного распределения по сечению камеры.

Сухой способ охлаждения по сравне­нию с традиционным, когда раскаленный горящий кокс действительно «тушат», поливая водой, позволяет не только по­лучить дополнительную энергию (утили­зировать ВЭР), но и повышает качество кокса, уменьшает его потери за счет вы­горания в процессе тушения, исключает расход воды, а главное — позволяет из­бежать загрязнения атмосферы паром и коксовой пылью.

Аналогичные схемы утилизации теп­лоты других твердых веществ можно ис­пользовать только при достаточно боль­шой производительности, иначе это бу­дет экономически невыгодно по при­чинам, указанным выше. Производитель­ность УСТК по коксу составляет 50— 56 т/ч.

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (<<100°С). В последнее время их все шире используют для отопления и кон­диционирования промышленных и жи­лых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенци­ала или для получения холода. Непо­средственно используют такие ВЭР толь­ко на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.

Очень остроумное решение для ис­пользования низкопотенциальной тепло­ты отходящих газов даже в бытовых условиях было найдено Ф. Нансеном для кухонного аппарата, который он в 1895г. применял во время своего по­хода к Северному полюсу. После обогре­ва сосуда для варки пищи (рис. 24.7) дымовые газы направлялись в дополни­тельные газоходы, где отдавали свою теплоту таящему снегу. КПД этого аппа­рата превышал 90 %, в то время как у обычных газовых плит он менее 50 %.

В промышленных условиях охлажде­ние дымовых газов до температур ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водяных паров. Холодные стенки труб, по которым цир­кулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Конденсация водяных паров имела место и в агрегате, изображенном на рис. 24.7, но ввиду уникальности назначения его можно было изготовить из дорогостоя­щих материалов, не боящихся коррозии, кроме того, действовал он периодически и не долго. Промышленные подогреватели воз­духа для исключения коррозии также иногда изготавливают из некорродирую­щихся стеклянных труб. Если нет вибра­ции, такие трубы работают достаточно долго.

Для подогрева воды низкотемпера­турными газами (/<ЮО°С) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смеси­тельные теплообменники типа градирни (см. рис. 13.2). В них происходит нагрев воды за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта ка­пель воды с газом большая, и теплооб­менник получается компактный и деше­вый по сравнению с рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вред­ными веществами, содержащимися в ды­мовых газах. В ряде случаев это до­пустимо, например, для воды, идущей в систему химводоподготовки в котель­ных или на ТЭС. Если загрязнение воды недопустимо, то ставят еще один теп­лообменник, в котором «грязная» вода отдает теплоту «чистой» и возвращается в контактный экономайзер. Змеевики, по которым циркулирует «чистая» вода, можно установить и внутри контактного экономайзера вместо насадки.