С.В. Дахин
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Учебное пособие
Воронеж 2014
ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный
технический университет"
С.В. Дахин
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Утверждено редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2014
УДК 621.31
Дахин С.В. Современные проблемы энергосбережения: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (968 КБ) / С.В. Дахин. - Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2014. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. - Систем. требования: Microsoft Office Word 2007. - Загл. с экрана. - Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12х14 см.
В учебном пособии рассматриваются особенности применения в энергетике топливно-кислородных и водородных установок.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 140100.68 "Теплоэнергетика и теплотехника", программе магистерской подготовки "Промышленная теплоэнергетика", дисциплине "Проблемы ресурсо- и энергосбережения в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологии".
Табл. 8. Ил. 16. Библиогр.: 20 назв.
Рецензенты: ОАО "Конструкторское бюро
химавтоматики" (главный конструктор
д-р техн. наук А.В. Иванов);
д-р техн. наук, доц. Ю.Н. Агапов
© Дахин С.В., 2014
© Оформление. ФГБОУ ВПО
"Воронежский государственный
технический университет", 2014
Введение
Необходимость энергосбережения в России обусловлена:
ограниченностью, в первую очередь, относительно легкодоступных месторождений углеводородного топлива;
энергетической безопасностью государства;
экологическими проблемами, связанными со сжиганием органического топлива;
высокой энергоёмкостью валового национального продукта (ВВП).
В рамках так называемого "технологического" энергосбережения, основные проблемы обычно разделяют на две части:
первая - вопросы, связанные с производством и транспортировкой энергоресурсов;
вторая – с их потреблением.
Наиболее перспективными современными направлениями повышения энергоэффективности в традиционной (топливной) энергетике при производстве энергии являются повышение начальных параметров пара в паротурбинных установках, разработка и внедрение парогазовых и газопаровых установок, использование кислорода как окислителя, применение водорода как топлива.
В данном учебном пособии рассматриваются особенности применения в энергетике топливно-кислородных установок работающих по газопаровому циклу и использующих водород как топливо.
1. Сжигание органического топлива в кислородной среде
Истощение запасов углеводородного топлива и ужесточение экологических требований заставляют разрабатывать экономичное, с высокими удельными характеристиками, энергетическое оборудование. В частности для получения пара.
В этом плане, перспективным является сжигание органического топлива в кислородной среде, т.н. "сжигание топлива с нулевым выбросом" и генерация пара непосредственно в струе горячих продуктов сгорания.
Несмотря на то, что особенности сжигания газообразного топлива в кислородной среде известны давно, топливно-кислородные источники энергии является прогрессивным направлением в энергетике и теплотехнологии [1]. С данным способом связывают следующие преимущества:
1) повышенное содержание кислорода увеличивает температуру горения, что способствует уменьшению потерь теплоты с уходящими газами и от химического недожога;
2) замена воздуха кислородом исключает из процесса подогрев балласта в виде азота и уменьшает расход подаваемых и уходящих газов, что приводит к уменьшению энергозатрат на подготовку окислителя и очистку уходящих газов;
3) уменьшение или отсутствие (при полной замене воздуха кислородом) атмосферного азота существенно снижает выбросы в атмосферу NOx;
4) повышенное содержание кислорода приводит к уменьшению образования угарного газа.
Например, при экспериментальном исследовании топливно-кислородного режима сжигания топлива в водогрейном жаротрубнодымогарном котле КСВа-2,0 Гс ВК-21 установлено [2], что увеличение содержания кислорода с 21 до 29 % приводит к полному исчезновению потерь от химнедожога и уменьшению на 1 % потерь с уходящими газами. Кроме того, зафиксировано полное отсутствие в уходящих газах СО.
Кислород для процесса горения может производиться на самом предприятии или закупаться у стороннего поставщика. Традиционно кислород получают вымораживанием воздуха при минус 150 °С на кислородных заводах, что целесообразно для крупных потребителей. Для небольших потребителей интересным и перспективным может быть технология воздухоразделения и крекинга на основе цеолитовых и других мембран (рис. 1) [3].
Рис. 1. Схема сжигания с применением мембран
Технологии мембранного воздухоразделения уже достаточно прочно закрепились на мировом рынке: японская полимерная мембрана Matsushita создаёт повышенную концентрацию кислорода (~27 %) в помещениях при заборе вентиляционного воздуха с загазованных автомобилями улиц; полимерная мембрана Исследовательского центра транспортных технологий при Argonne National Laboratory (США) используется для обогащения кислородом воздуха (~ 32 %) при приготовлении горючей смеси, причем мембраной являются стенки полимерных трубок; композитная мембрана с ионной и электронной проводимостью компании Praxair Inc (США) предназначена для мощных тепловых станций, её работа активизируется при температуре 700 – 1000 °С, поэтому мембрана располагается непосредственно в топке котла и изготавливается в виде труб диаметром порядка 30 мм и длиной около 3 м, максимальная достигнутая концентрация кислорода – 99,5 %.
По общим оценкам экспертов, мембранные технологии в энергетике, теплотехнологии и других отраслях позволят существенно снизить энергетическую составляющую в себестоимости продукции и капитальных затратах.