Использование низкопотенциальной теплоты
на предприятиях
1. Целесообразность использования ВЭР.
Традиционные системы энергообеспечения промышленных предприятий не отвечают ряду современных требований в отношении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и качества энергоснабжения.
Приведём несколько примеров.
Получение относительно малоценных энергоносителей для горячего водоснабжения, тёплого воздуха (25÷40 °С) для отопления и вентиляции сжиганием топлива и последующей многоступенчатой трансформацией энергии можно отнести к процессам с очень низким коэффициентом использования энергии первичного топлива (эксергии).
Выработка холода с параметрами 5÷20 °С на парокомпрессионных холодильных установках с большими затратами электроэнергии экономически не всегда оправдана, когда имеется возможность получать этот холод на абсорбционных бромистолитиевых установках с использованием низкопотенциальной теплоты. Для ряда производств параметры холода 15÷18 °С считаются оптимальными. Однако во многих производствах из-за относительно высокой себестоимости получения холода на парокомпрессионных установках вынуждено используют воду от водооборотных систем с повышенной температурой. Это, как правило, сопровождается серьёзными осложнениями в эксплуатации и снижением выработки продукции.
Вместо использования первичного топлива и электроэнергии возможна утилизация низкопотенциальных тепловых ВЭР, что позволяет снизить энергоёмкость промышленной продукции и повысить термодинамическую эффективность использования топлива и энергии. Кроме дешёвых тепла и холода можно получить обессоленную воду из продуктов сгорания, уменьшить вывод от технологических и энергетических потоков, загрязняющих окружающую среду. Большинство подобных технических решений имеют комплексный характер.
Трудности утилизации обычно объясняют ограниченным кругом потребителей, которые могли бы использовать либо непосредственно ВЭР, либо их теплоту. Анализ методом "температурного соответствия" показал несостоятельность этого утверждения.
На низкотемпературный нагрев тратится примерно столько же теплоты, сколько отводится с оборотной водой и охлаждающим воздухом, что составляет около 70 % всей потребляемой теплоты. Эти данные позволяют сделать вывод об огромных резервах повышения эффективности энергоиспользования. Только за счёт разветвлённой и глубокой рекуперации теплоты всех технологических потоков в рамках всего предприятия можно сократить энергопотребление по отдельным заводам до 60 %. При этом не требуется ни изменять технологический процесс, ни затрачивать значительные средства на реконструкцию – необходимо лишь рационально увязать между собой все потоки, установить дополнительные теплообменники-рекуператоры. Также в подобных схемах можно удачно использовать теплонасосную установку или какую-либо из технологий термотрансформации.
2. Оборотное водоснабжение без градирен.
Применение мощных теплонасосных установок даёт возможность одновременно в значительных количествах получать горячую воду с температурой до 80 °С и искусственный холод с температурами 5÷25 °С. Это позволяет существенно расширить область экономически оправданного применения теплонасосных установок и подойти к вопросу создания систем теплохладоводоснабжения (ТХВС), включающих, в том числе, системы оборотного водоснабжения.
Охлаждение оборотной воды на предприятиях полностью или частично осуществляется в градирнях (за редким исключением). Их недостатки известны:
- Значительные потери воды с испарением и продувкой системы (порядка 5÷7 %).
- Ограничение температуры тёплой воды, отводимой от охлаждаемого технологического оборудования величиной 35÷40 оС (что не всегда нужно с точки зрения эффективности теплопередачи), поскольку при более высокой температуре начинается интенсивное выпадение солей карбонатной жёсткости на теплообменных поверхностях. При этом подпитка умягчённой водой или применение ингибиторов накипеобразования экономически не всегда оправдано в связи с большим уносом.
- Контакт воды с атмосферой приводит к её загрязнению и интенсивному зарастанию теплообменных поверхностей технологического оборудования. Результатом этого является снижение производительности, повышенный расход энергии на перекачку воды и либо неизбежные частые чистки теплообменных поверхностей, либо необходимость применения реагентов для предотвращения их зарастания.
- Вся теплота, отводимая от технологического оборудования, теряется.
- Температура охлаждённой воды зависит от температуры окружающей среды и в тёплые периоды года значительно превышает температуру, необходимую для нормальной эксплуатации технологических установок, в результате чего снижается производительность технологического оборудования.
- Завышаются все теплообменные поверхности, т.к. за расчётную принимается температура воды, охлаждаемой в градирнях в наиболее тёплое время года.
- На ремонт градирен затрачиваются значительные средства.
Оборотное водоснабжение, включенное в систему ТХВС, позволит создать замкнутый контур оборотной воды, что делает целесообразным использование в системах деаэрированной умягчённой и даже обессоленной воды. Это даст следующие возможности:
- Увеличит возможную температуру отводимой от оборудования воды и, следовательно, повысит её ценность как горячего теплоносителя.
- Позволит в ряде случаев использовать испарительное охлаждение и получать пар, что снизит необходимое количество воды для охлаждения.
- Будет отсутствовать коррозия и зарастание трубопроводов системы.
- Теплообменные поверхности всегда будут чистыми, и, следовательно, охлаждение – максимально эффективным.
- Нагрузка по холоду не будет зависеть от сезона.
- Освободятся значительные площади.
3. Сравнительные характеристики традиционных технологий энергообеспечения и их возможных альтернатив.
| Система | Температура целевого продукта | Вид и температура первичного теплоносителя / характер теплообменного оборудования | |
|---|---|---|---|
| традиционные | альтернативные (полностью или частично) | ||
| Система хозяйственно-бытового ГВС | гор. вода 60÷65 °С | горячая вода 150/70 °С, пар 0,3÷1,3 МПа в поверхностных подогревателях | низкопотенциальная теплота 40÷120 °С (дым. газы, продувочная вода паровых котлов, оборотная вода 70/40 °С, охлаждаемые теплоносители технол. процессов и т.п.) в поверхностных или контактных подогревателях, теплонасосные установки (парокомпрессионные и абсорбционные) |
| Отопительно-вентиляционная система | гор. вода 60÷65 °С, воздух 25÷40 °С | горячая вода 150/70 °С, пар 0,3÷1,3 МПа в поверхностных подогревателях | низкопотенциальная теплота 40÷120 °С (дым. газы, продувочная вода паровых котлов, оборотная вода 70/40 °С, охлаждаемые теплоносители технол. процессов и т.п.) в поверхностных или контактных подогревателях, теплонасосные установки (парокомпрессионные и абсорбционные) |
| Обеспечение холодом | продукт 5÷20 °С | хладагент -20 ÷ -5 °С в парокомпрессионных холодильных установках | хладагент +5 °С в бромистолитиевых абсорбционно-холодильных установках |
| Оборотное водоснабжение | вода 25÷30 °С | наружный воздух -30 ÷ +30 °С в градирнях и воздушных поверхностных теплообменниках | теплонасосные установки (парокомпрессионные и абсорбционные) |
Альтернативные технологии предусматривают также возможность получения таких важных продуктов как обессоленная вода и электроэнергия.
Деление на традиционные и альтернативные технологии является условным, и далеко не всегда альтернативная технология является более удачной. Например, использование абсорбционных холодильных (теплонасосных) установок выгоднее компрессионных, как правило, только когда генератором процесса является дешёвый ВЭР.
4. Эффективность и перспективы систем теплохладоводоснабжения (ТХВС).
В связи с тем, что альтернативные технологии предусматривают чаще всего одновременное получение нескольких энергоресурсов, можно говорить о целесообразности создания систем теплохладоводоснабжения. При этом главным фактором является не применение альтернативной технологии, а именно комплексность решения задачи.
На основании имеющихся проработок, выполненных по системам ТХВС, можно сделать следующие предварительные выводы об их эффективности и перспективах внедрения:
- Внедрение систем ТХВС обеспечивает значительную экономию первичного топлива.
- Появляется возможность получать относительно дешёвый холод повышенных параметров и пересмотреть масштабы его использования для охлаждения технологического оборудования вместо воды, охлаждаемой в градирнях. Можно ожидать, что эта замена позволит увеличить выработку продукции в ряде технологических производств и сократить издержки на ремонт и чистку оборудования.
- Значительно сокращаются потребности в свежей воде для подпитки систем охлаждения технологического оборудования.
- Сокращается площадь, отводимая под застройку сооружений энергоснабжения.
- При комплексном решении вопроса теплохладоводоснабжения предприятий, на которых преобладает воздушное отопление, совмещённое с вентиляцией производственных помещений, целесообразно перейти на низкотемпературные системы теплоснабжения с расчётными температурами 80/30 °С вместо традиционных 150/70 °С, что более экономично.
- Системы, базирующиеся на абсорбционных теплонасосных/холодильных агрегатах, особенно эффективны, когда имеется дешёвая тепловая энергия 120÷160 °С или бесплатная теплота ВЭР 40÷120 °С.
- Сбалансированность всех потоков в системе ТХВС является одним из основных условий повышения её эффективности, особенно в отношении выработки и потребления теплоты с температурой 80 °С. Следовательно, обязательным этапом, предшествующим разработке систем ТХВС, должны быть выполнение и анализ балансовых теплотехнологических схем (БТТС) производств с целью выявления узлов выхода ВЭР, возможного использования горячей воды с температурой 80 °С, холода различных параметров и охлаждённой технической воды с температурой более низкой, чем расчётная температура воды в градирнях.
В связи с отсутствием обобщённых технико-экономических критериев, позволяющих оценить целесообразность внедрения комплексной системы для различных условий теплохладоводоснабжения, необходимо рассматривать подобные решения для каждого конкретного предприятия с учётом местных условий.
