Энергосберегающие технологии в промышленности

Поскольку наша страна бедна энергетическими ресурсами, необходимо разрабатывать энергосберегающие технологии. Запасов природного газа в РБ не обнаружено. Нефть Гомельской облас­ти, торф юга республики, древесина в общем энергобалансе не превы­шают 10% и в основном ориентированы на бытовой сектор. Открыты месторождения бурых углей и сланцев, промышленные запасы кото­рых составляют около 15 годовых потребностей республики, но низкая теплота сгорания и высокая зольность, большое содержание вредных примесей исключают возможность их использования в большой энер­гетике. Проблематично и применение газификации и гидролиза для по­вышения качества топлива из этого сырья ввиду высокой энергоемкос­ти этих технологий. Бурые угли в брикетах, особенно с торфом, могут использоваться как коммунально-бытовое топливо, что покрыло бы не более 7% потребностей на эти цели. Кроме того, добыча бурых углей связана с экологическими проблемами в зоне их залегания – белорус­ском Полесье: необходимо удаление верхнего слоя почвы и лесов, что нанесет невосполнимый ущерб природе. Торф в основном использует­ся как удобрение для сельскохозяйственных нужд. Основным реаль­ным и экономически целесообразным источником замещения части им­портируемого топлива в Беларуси является древесная масса: отходы деревообрабатывающего производства, маломерная и сухостойная дре­весина, кустарники и т.п. Используя ее в качестве топлива, можно еже­годно экономить до 2,5 млн. т. топлива. Сегодня доля древесных отходов в потреблении первичных топливных ресурсов республики составляет 2,8%, в будущем ее можно удвоить. Использование всех возможных местных топливных ресурсов в Бе­ларуси, согласно экспертным оценкам, в перспективе способно заме­нить ежегодно 2,1-2,3 млн. т нефти. Древесные отходы как топливо обладают целым рядом положитель­ных качеств: низкое содержание серы и малая зольность (1-2%); возможность сжигания отходов с содержанием влаги до 55-60%; меньшая эмиссия двуокиси углерода и низкая коррозионная агрессивность дымовых газов; возможность конденсации влаги дымовых газов и утилизации скрытой теплоты парообразования; низкая цена в сравнении с ископаемым топливом; возможность наращивания объемов ресурсов; использование древесных отходов как топлива адаптируется к существующим технологиям энергопроизводства; конечной про­дукцией их преобразования могут являться теплоносители в виде пара, горячей воды, электроэнергии, моторного топлива. Таким образом, применение отходов лесозаготовок и деревообра­батывающей промышленности в качестве энергетического топлива – эффективное средство улучшения экологической ситуации и снижения себестоимости производимой энергии. Имея ввиду распределенность энергетического ресурса древесных отходов по территории республики, организация его использования тре­бует создания единой в технологическом отношении системы с раз­витой инфраструктурой. Эта система включает следующие обязатель­ные элементы: цепь технологий от заготовки топливного сырья до использова­ния его в энергопроизводящих агрегатах; эффективные технические средства, в которых осуществляют­ся эти технологии; предприятия по заготовке топлива, включая его переработку развитая сеть потребителей, заинтересованных экономически и экологически в замене традиционных видов топлива (угля, ма­зута, газа) на древесные отходы; комплексы технических средств у потребителей для хране­ния резерва, подачи и эффективного использования древесного топлива [13].

К горючим ВЭР агропромышленного производства отно­сятся сельско- и лесохозяйственные отходы: солома зерновых культур, стебли подсолнуха, стебли и стержни початков куку­рузы, отходы льноперерабатывающей промышленности, дре­весные отходы лесных хозяйств и фруктовых садов, опилки и стружки деревоперерабатывающих цехов и др. Количество раститель­ных и других горючих отходов так велико, что значительную часть их используют непосредственно в виде топлива. На ряде льнозаводов в Республике Беларусь также исполь­зуют отходы (льнокостру) для сжигания в котельных с целью получения тепловой энергии. Как уже отмечалось, одним из важнейших природных ре­сурсов Республики Беларусь является лес. Прямое сжигание древесины в виде дров в больших масштабах нецелесообраз­но. В то же время интенсивное развитие деревообрабатываю­щей и бумажной промышленности позволяет говорить о зна­чительных резервах экономии топлива за счет сжигания от­ходов этих производств в специальных котельных. Имеется опыт получения качественного топлива (этанол, метанол и др.) из растительных отходов путем биохимиче­ской переработки, а также получения горючих газов путем газификации. Растительные отходы (солому, кукурузные початки, льнокостру, рапсовую солому и др.) можно обраба­тывать совместно с навозными стоками в анаэробных усло­виях и получать энергоноситель – биогаз.

Тепловые ВЭР отличаются разнообразием видов и пара­метров. Их энергетический потенциал определяется физи­ческой теплотой различных продуктов, отходов производ­ства и отработанных теплоносителей. К ним относятся: уходящие газы от котлов, печей, сушилок и другого технологи­ческого оборудования; вода, нагретая при охлаждении технологического оборудования; воздух, выбрасываемый из систем вентиляции; канализационные стоки; охлаждаемые продукты и др. Значительная часть промышленных тепловых ВЭР обла­дает высоким потенциалом и легко может быть использова­на для непосредственного отбора тепла без дополнительных преобразований. Наиболее показательным примером ути­лизации высокопотенциальных тепловых ВЭР является от­бор теплоты конденсации отработанного в турбинах ТЭЦ пара и использование ее для нагрева воды – теплоносителя для систем теплоснабжения. Этот прием обеспечивает зна­чительное повышение КПД ТЭЦ по сравнению с обычными тепловыми электростанциями и сниже­ние расхода топлива на отопление жилых массивов и про­мышленных предприятий. Использование энергии отработанного пара на предпри­ятиях пищевой промышленности (молочные и спиртовые заводы, сахарное производство и др.) позволяет сэкономить большое количество энергии на сушку получаемой продук­ции и отопление помещений. Установка современного котельного оборудования для ото­пления небольших производственных, административных и жилых помещений позволяет использовать теплоту отработав­ших в топке котла газов для горячего водоснабжения. Физическая теплота основной и побочной продукции животноводства, пищевой и перерабатывающей промы­шленности относится к низкопотенциальным ВЭР, которые утилизируются с помощью теплообменников и теплонасосных установок. Низкотемпературные вентиляционные выбросы исполь­зуются в системах поддержания микроклимата животно­водческих помещений для подогрева приточного воздуха, бытовых и жилых помещений, теплиц и др. Теплообменники значительно деше­вле теплонасосных установок, но не всегда обеспечивают необходимое повышение приточного воздуха и достаточно высокий коэффициент утилизации теплоты. В связи с этим наиболее перспективны системы с последовательным включением теплообменника и теплового насоса, позво­ляющие с максимальным эффектом использовать тепло отработанного воздуха. Одним из важных факторов экономии ТЭР является использование вто­ричных энергетических ресурсов (ВЭР), образующихся в одних техноло­гических установках, процессах и направляемых для энергоснабжения дру­гих агрегатов и процессов [12].

Вторичные энергетические ресурсы, их классификация. Использование вторичных энерго­ресурсов и отходов производства

Горючие (топливные) ВЭР – это горючие газы и отходы одного производства, которые могут быть применены непосредственно в виде топлива в других производствах. Это доменный газ в металлургии; щепа, опилки, стружка в деревообрабатывающей промышленность; твердые, жидкие промышленные от­ходы в химической и нефтеперерабатывающей промышленности и т. д. Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов техноло­гических агрегатов основной, побочной, промежуточной продукции и отходов производства; теплота золы и шлаков, горячей воды и пара, отработанных в технологических установках; теплота рабочих тел систем охлаждения техно­логических установок. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредст­венно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, холода, электроэнергии в утилизационных установках. ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия по­кидающих установку газов, воды, пара с повышенным давлением, которая может быть еще использована перед выбросом в атмосферу. Основное на­правление таких ВЭР – получение электрической или механической энергии. Избыточная кинетическая энергия также относится к ВЭР избыточного давления [15].

Основными направлениями использования ВЭР ресур­сов являются: топливное – когда они используются непо­средственно в качестве топлива; тепловое – когда они ис­пользуются непосредственно в качестве тепла или для выра­ботки тепла в утилизационных установках; силовое – когда они используются в виде электрической или механической энергии, полученной в утилизационных установках; ком­бинированное – когда они используются как электрическая (механическая) энергия и тепло, полученные одновременно в утилизационных установках за счет ВЭР. Значительное количество горючих ВЭР используется непосредственно в виде топлива, такое же непосредствен­ное применение нашли и тепловые ВЭР, например, горя­чая вода системы охлаждения для отопления и др.

При правильном использовании вторичных тепловых энергетических ресурсов, образовавшихся в виде тепла от­ходящих газов технологических агрегатов, тепла основной и побочной продукции, достигается значительная эконо­мия топлива. Проведенными расчетами установлено, что стоимость тепловой энергии, полученной в утилизационных установках, ниже затрат на выработку такого же количест­ва теплоэнергии в основных энергоустановках. Температура отходящих газов различных промышленных печей и нагре­вательных устройств колеблется от 800 ... 900°С (в печах с регенераторами) до 900 ... 1200°С. Кроме того, по степени концентрации энергии различают источ­ники ВЭР: высокопотенциальные, прежде всего тепловые ВЭР высокотем­пературных (400-1000°С) технологий, связанных с нагревом, плавкой, обжигом, термообработкой или возгонкой; величина по­терь энергии с уходящими дымовыми газами от нагревательных термических потерь доходит до 70%; среднепотенциальные – дымовые газы, конденсат, отработан­ный пар, продуктовые потоки с температурой выше 120°С; низкопотенциальные – системы оборотного водоснабжения, ох­лаждения с изменением температуры воды на 5 – 10°С, сброс пара давлением 1 – 1,5 атм. в атмосферу, бытовые стоки, уходя­щие газы температурой 100-150°С, вентиляционные выбросы [12].

На предприятиях машиностроения в настоящее время тепловыми отхо­дами являются физическая теплота уходящих газов, теплота охлаждения на­гревательных и термических печей, и др. В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, производстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров, выплавке теплоизоляционных мате­риалов. К ним относятся физическая теплота уходящих газов различных пе­чей (туннельных, шахтных, вращающихся) и т. д. Крупными потребителями пара различных параметров, электроэнергии, горячей и тепловой воды, а также холода являются почти все отрасли пище­вой промышленности, поэтому и тепловые ВЭР предприятий пищевой про­мышленности также весьма разнообразны. Это, прежде всего, теплота отхо­дящих горячих газов и жидкостей; жидких и твердых отходов производства; отработанного пара силовых установок и вторичного пара, который получа­ется при выпаривании растворов, ректификации и высушивании; тепловых установок; теплота, содержащаяся в продуктах производства. Вторичные энергоресурсы имеются также на тепло- и гидроэлектростан­циях. Для тепловых электростанций наиболее существенный источник ВЭР – низкопотенциальная теплота нагретой охлаж­дающей воды конденсационных устройств, с которой может теряться до 50% теплоты топлива, расходуемого на электростанции. Источником ВЭР счита­ются также дымовые газы котельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты сгорания на газотурбинных установках [3].

Для использования ВЭР применяются утилизационные установки, пред­ставляющие собой устройства для выработки энергоносителей (водяного пара, горячей и охлажденной воды, электроэнергии) за счет снижения энер­гетического потенциала ВЭР. К основным видам оборудования, приме­няемого для утилизации ВЭР, относятся: котлы-утилизаторы; установки испарительного охлаждения; экономайзеры; утилизационные абсорбционные холодильные установки; теплообменники; водоподогреватели; тепловые насосы; утилизационные турбогенераторы и др. Для характеристики использования ВЭР применяют сле­дующие показатели: выход, определяемый как масса (энергия) ВЭР, кото­рая образуется в данной установке за определенный период времени (час, сутки, год); фактическое использование – это масса (энергия) ВЭР агрегата или установки, употребленные в других уста­новках и системах; резерв применения – это количество энергии, которое может быть дополнительно вовлечено в производство за счет их использования; экономия топлива за счет ВЭР – количество топлива,
которое можно сэкономить за счет использования ВЭР. Она может быть возможная и фактическая; коэффициент утилизации – отношение фактической экономии топлива и энергии за счет ВЭР к возможной [13].

Трансформаторами теплоты называются устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой (тепло- отдатчика) к телу с более высокой температурой (теплоприемнику). Они подразделяются на холодильные установки и теплонасосные установки. В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды. Трансформатор теплоты может работать как в режиме холодильной ус­тановки, так и в режиме теплового насоса, либо одновременно в двух режи­мах. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированной ус­тановке происходит одновременно выработка теплоты и холода. Тепловые насосы являются разновидностью трансформаторов теплоты и предназначены для получения теплоносителя среднего и повышенного по­тенциала, используемого на тепловом потреблении. Тепловой насос пред­ставляет устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой к теплоприемнику с высокой температурой. Принцип работы его тот же, что и компрессионного холодильника, с той разницей, что назначение холодильника заключается в производстве холода, а тепло­вого насоса – в производстве теплоты.

Использование ВЭР не ограничивается лишь энергети­ческим эффектом – это и охрана окружающей среды, в том числе воздушного бассейна, уменьшение количества выбросов вредных веществ. Некоторые из этих выбросов могут давать дополнительную продукцию, например, сер­нистый ангидрид, выбрасываемый с отходящими газами, можно улавливать и направлять на выпуск серной кислоты. Считается целесообразным, если при реконструкции или расширении действующих, а также при проектировании новых предприятий будет предусматриваться разработка мероприятий по использованию ВЭР с обоснованием их экономической эффективности. Отказ потребителей от ис­пользования ВЭР как на действующих, так и проектируе­мых предприятиях может быть обоснован только расчетом, подтверждающим экономическую неэффективность или техническую невозможность использования ВЭР.

В ограниченных объемах до настоящего времени исполь­зуются накопленные запасы лигнина (около 2 млн. т) Боб­руйского и Речицкого гидролизных заводов. С этой целью планируется ввод котла для сжигания лигнина на Бобруйской ТЭЦ-1 паропроизводительностью 30 т/ч. Наибольший выход вторичных энергоресурсов (около 96,5%) имеет место на предприятиях концерна «Белнефтехим» (11,1 млн. ккал), концерна «Белэнерго» (2,72 млн. ккал), Ми­нистерства строительства и архитектуры (1,77 млн. ккал), Министерства промышленности (0,97 млн. ккал). При более высоком уровне утилизации других ВЭР низ­кий показатель использования данного топлива обуслов­лен практически полным не использованием теплоты низ­копотенциальных ВЭР оборотной воды, доля которых в общем выходе ВЭР на предприятиях республики в настоя­щее время составляет 50,2%.

Наиболее эффективно используются также теплота конденсата, продувочной воды и вторичного пара (56-76%), хотя в общей структуре вы­хода ВЭР их доля составляет около 3 %. Практически не используется теплота вентиляционных выбросов и охлаждающего воздуха, сточных вод и других низкопотенциальных потоков. Низкий уровень использования вторичных энергоресур­сов в большинстве случаев обусловлен неравномерными режимами и сезонностью их выхода, отсутствием потреби­телей, финансовыми трудностями по внедрению утилиза­ционного оборудования (особенно для утилизации низко­потенциальных ВЭР), отсутствием отлаженного механиз­ма межведомственного использования вторичных энерго­ресурсов.

В результате микробиологических процессов, происходящих в отходах на свалках, образуется биогаз, приобретающий все большее народно-хозяйственное значение. Биогаз обладает значи­тельным энергетическим потенциалом (содержание в нем метана достигает 44-66%) и может быть использован в теплосиловых установках, а в очи­щенном виде – в газовых турбинах. В мире сейчас эксплуатируют около 150 установок по извлечению и использованию биогаза, получаемого в ре­зультате анаэробного разложения органических веществ на свалках го­родских отходов. Например, на свалке в г. Бирмингеме (Англия) отходы за­гружают в отдельно расположенные бункеры, врытые в землю. В Германии (неподалеку от г. Эрфурта) построена промышленная уста­новка по переработке мусора. Получаемый биогаз используется для выра­ботки электроэнергии и обогрева жилых домов. Завоз мусора на свалку предлагается прекратить в 2030 г., после чего она способна будет давать биогаз еще 20 лет.

Обезвреживание твердых бытовых отходов осущест­вляется также методом сжигания на мусоросжигательных заводах. Образующийся при сжигании шлак транспортируют в специальное помещение. Дымовые газы проходят очистку от пыли в электростатических фильтрах. Вырабатываемый котлами пар под повышенным давлением при температуре около 200°С используется для нужд завода, а его избыток направляется в установку для нагревания сетевой воды городской системы теплообеспечепия. Уста­новлено, что при сжигании твердых бытовых отходов не исключается появление в уходящих газах диоксинов и подобных ядовитых веществ [11].

Неко­торые заводы осуществляют промышленную переработку твердых быто­вых отходов в органическое сельскохозяйственное удобрение – компост. В мире разработано множество технологий использования твердых отхо­дов, полученных после сжигания мусора. Производятся стеновые блоки, шлак для дорожных покрытий, бордюрный камень, облицовочная плитка и др. При повышенной темпе­ратуре сжигания (1450-1550°С) бытовых отходов в десятки раз уменьшается количество отходов, подлежащих захоронению. Крупная пыль из уходящих газов возвращается в печь для дожита, а мелкая пыль представляет собой концентрат металлов (цинк, олово, свинец, кадмий и др.) и отправляется на предприятия цветной металлургии для переработки. Полу­ченный в такой печи шлак экологически неопасен и по своему составу почти идеально подходит для производства строительных материалов, ми­неральных волокон, наполнителя для дорожных покрытий. При сжигании каждой тонны мусора на мусоросжигающих заводах вы­рабатывается до 400 кВт/ч энергии и одновременно уменьшается объем отходов, однако неизбежно происходит загрязнение атмосферы продуктами сжигания, и остаются большие объемы золы, которую трудно перера­ботать, ее приходится захоранивать. Твердые бытовые отходы – комплексное сырье. Возврат ценных компонентов из отходов при хорошо налаженной переработке достигает впечатляющих результатов: возврат макулатуры в повторное производство доведен до 60-67% (Дания, Швеция, Голландия), металлолома аккумуляторов ­– до 80% (Япония), из­ношенных шин – до 90% (во всех развитых странах мира).