Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
2. По объектам энергопотребления энергобалансы бывают:
энергобалансы предприятий, цеха, участка, установки, производст-
и т.д.
ва
По целевому назначению энергобалансы делятся на: техно-
3.
логические, отопления, вентиляции, освещения
По совокупности видов энергетических потоков энергоба-
4.
лансы подразделяются на:
телей),
сводные (по суммарному потреблению ТЭР и направлению их
частные (по отдельным видам энергоноси-
и т.д.
использования).
5.
По способу составления энергобалансы бывают: опытные
(разрабатываются по фактическим параметрам энергетических потоков),
расчётные (разрабатываются на основании расчётов конкретного
энергопотребления),
опытно-расчётные или смешанные (разрабаты-
ваются с учётом как фактических замеров, так и расчётных данных).
6.
По форме составления энергобалансы делятся на: синтети-
ческие
(когда анализируются как подведенные, так и произведённые
энергоносители предприятия или его части),
аналитические (состав-
ляются с разделением общего расхода энергоносителя на полезный
расход и потери).
При составлении частных энергобалансов количественное измерение (параметры) выражают либо в гигакалориях, либо в киловаттчасах, либо в тоннах условного топлива.
При составлении сводных энергобалансов измерение нескольких видов энергоносителей производится только в тоннах условного
топлива.
К исходной информации, н
е
обходимой для разработки и анализа
энергетического баланса предприятия, относится:
– общие сведения о предприятии;
– отчётные (фактические) и проектные показатели по использо-
ванию ТЭР;
– технические и энергетические характеристики технологического оборудования, установок, процессов;
– технико-экономические показатели энергоносителей.
В общих сведениях о предприятии должны быть показатели его
хозяйственной деятельности.
Отчётные (фактические) и п
роектные по
казатели по использованию ТЭР находят в действующих формах статистической отчётности и
проектной документации (паспорте предприятия, энергетическом паспорте предприятия, технико-экономических расчётах и т.д.).
41
Технические и энергетические характеристики технологического
оборудования, установок, процессов – основа для разработки энергобаланса предприятия. Они должны содержать необходимую информацию для оценки эффективности использования ТЭР, а именно:
−
материальный баланс;
сведения о расходах и параметрах топлива, сырья, энергии,
−
отходов;
−
сведения об установках, оборудовании (например, их габари-
ты, сведения по изоляции, наличии систем утилизации ВЭР, КИПиА
и т.п.);
−
сведения о режиме работы установок;
наличие и характеристики энергоёмкого оборудования и тех-
−
нологий.
В технико-экономические показатели энергоносителей входят:
−
их стоимость;
параметры энергоносителей (например, для тепловой энер-
−
гии – это температура, давление, теплоёмкость; для электроэнергии –
это напряжение, сила тока, частота; для топлива – это его низшая теплота сгорания, влажность, зольность и т.д.);
−
сведения о степени неравномерности энергопотребления (гра-
фики суточного, месячного, годового потребления энергоносителей,
потребление энергоносителей в зимний и летний периоды).
Энергетические балансы предприятий (оборудования, технологических процессов и др.) используют для анализа состояния его энергетического хозяйства и эффективности использования ТЭР. Анализ
проводят в следующих направлениях:
−
определение структуры потребления ТЭР предприятия (с учё-
том как поступивших, так и произведённых ТЭР);
−
определение показателей энергоэффективности;
−
расчёт обобщённых показателей состояния энергетического
хозяйства;
−
влияние качества энергоносителей на рациональное их ис-
пользование;
−
оптимизация структуры энергобаланса предприятия.
Выявленная в ходе энергоаудита структура приходной и расходной частей энергобаланса предприятия позволяет определить специфику потребления энергоресурсов, выявить различие в уровнях энергопотребления и энергоэффективность по сравнению с аналогичными
42
предприятиями, наметить направления по совершенствованию этой
структуры.
Анализ использования энергоносителей сводится к сравнению
фактических показателей энергоиспользования с нормативными и
фактическими показателями за прошлый год, перспективными, аналогичными показателями на других однотипных (однородных) предприятиях. При этом необходимым условием при проведении сравнительных операций является обеспечение условий сопоставимости.
Основные показатели энергоэффективности, рассматриваемые
анализе полученного энергобаланса:
и
пр
– КПД энергоустановки;
– коэффициент полезного использования энергии в целом,
а также по отдельным видам и параметрам энергоносителей;
– фактический удельный расход для каждого вида энерго-
носителя.
Анализ полученного энергобаланса предприятия позволяет определить и провести сопоставление с аналогичными однородными предприятиями такие обобщённые показатели, как коэффициент электри-
ливный коэффициент, теплоэлектрический коэф-
фикации, электр
отоп
фициент, энергоёмкость, электроёмкость и теплоёмкость выпускаемой
продукции.
Энергетический баланс предприятия должен выявить необходимую информацию для решения задач оптимизации его структуры,
возможность замены одного вида энергоносителя на другой, в том
числе использование ВЭР. Должны быть сформулированы конкретные
направления и мероприятия по экономии ТЭР на предприятии, выявлены резе
рвы экон
омии.
3.3. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ МЕРОПРИЯТИЯ И ЭКОЛОГИЯ
Развитие энергетической отрасли напрямую связано с состоянием
окружающей среды, так как основная часть вырабатываемой энергии
осуществляется путём сжигания органического топлива. При сжигании в атмосферу вместе с уходящими газами выбрасывается определённое количество вредных веществ (например, оксида углерода, оксида азота, диоксида серы, мельчайших твёрдых частиц токсичных
веществ и т.д.).
ных веществ, образующихся при сжигании топлива,
Объём вр
зависит от вида топлива, организации процесса горения, количества
топлива.
ед
43
Удельные выбросы продуктов сгорания при факельном сжи-
(
η
гании органического топлива в котлах представлены в прил. 4
(табл. П4.1).
Так, при сжигании в котельных твёрдого топлива выбрасываемая
с дымовыми газами пыль по количеству зависит от конструкции топочного пространства, способа подготовки топлива, химического и
механического недожога, зольности топлива и содержания горючего в
уходящем газе.
При сжигании в котельны
х жидко
го топлива количество выбрасываемого сернистого ангидрида в дымовых газах зависит от содержания серы в топливе.
Для котельных, работающих на мазуте, характерен выброс в ухо-
дящих отработанных газах пятиокиси ванадия.
Отсюда следует, что снижение количества потребляемого топлива
(при соблюдении нормативов теплопотребления) снижает нагрузку на
окру
ающую среду с заметным экологическим эффектом.
ж
Энергоэкологическая эффективность снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании органического топлива в
котлах в зависимости от применяемых методов и технологий представлена в прил. 5 (табл. П5.1).
Продукты сгорания органических топлив содержат в своём составе различное количество вредных веществ, каждое из которых облад
азличной степени токсичности. Количественно это оценивается по
ет р
суммарному показателю вредности энергетического топлива
продуктов их сгорания, определяемому по формуле
где
П – значения частных показателей вредности (удельное количе-
i
Σ
ПП Σ=
, (3.3)
i
а-
Σ
П
и
ство вредного вещества и его относительная токсичность).
Для топлива с золой частные показатели вредности определяются
из выражения
)
100Г35,0
η−
ri
П
=
i
где
Г – масса примеси в топливе, %;
i
р
MQMFПДК
н
F
ент (для твёрдых частиц изменяющийся в пределах 2…3);
, (3.4)
mi
– безразмерный коэффици-
– степень
удаления данной примеси из дымовых газов перед их выбросом в
44
окружающую среду, %;
примеси в топливе и продуктах сгорания соответственно;
чётная низшая теплота сгорания;
центрация примеси в приземном слое атмосферного воздуха, мг/м
MM , – относительная молекулярная масса
rm
р
– рас-
Q
н
ПДК – предельно допустимая кон-
i
3
.
При сжигании газообразного топлива частные показатели вредности определяются из выражения
П
=
i
где
С – концентрация конкретной примеси в 1 м
i
кг
3
нормальных условиях,
−
10
⋅
3
м
гании 1 кг топлива при нормальных условиях,
r
()
1005,3
i
р
QVCПДК
н
r
;
V – объём дымовых газов при сжи-
η−
, (3.5)
i
3
дымовых газов при
3
м
; η – степень очи-
кг
стки дымовых газов от конкретной примеси перед выбросом в окружающую среду.
Так, с использованием выражений (3.3) – (3.5) выполнены расчё-
Σ
ты суммарного показателя вредности
П
для нижеперечисленных ви-
дов топлива и их продуктов сгорания (табл. 3.1) [1].
Σ
Чем больше
П
, тем выше затраты по защите окружающей среды
и тем важнее роль применения более совершенных энергосберегающих экозащитных мероприятий.
Таблица 3.1
Вид топлива
П
SO
П
2
NO
П
2
П
З
OV
52
Σ
П
Уголь
0,0074 0,0569 0,4500 0,1700 0,6843
(кузнецкий 1СС)
Мазут (Sp = 1,5%) 0,0221 0,0440 0,0015 0,0166 0,0842
Природный газ – 0,0378 – – 0,0378
Примечание.
П
риду;
– показатель вредности по диоксиду азота;
NO
2
вредности по золе;
П
– показатель вредности по сернистому ангид-
SO
2
П
– показатель вредности по пятиокиси ванадия.
OV
52
П – показатель
З
45
Для снижения выбросов котельными агрегатами вредных веществ
в окружающую среду используются различные мероприятия, технические приёмы и материальные средства, например:
−
перевод отопительных и промышленных котельных на ис-
пользование в качестве топлива газ;
специальная подготовка топлива перед его применением;
−
−
совершенствование оборудования по очистке уходящих (ды-
мовых) газов.
Предварительная подготовка топлива
Для снижения количества вредных веществ, образующихся при
сжигании топлива, организуется его предварительная подготовка. Она
заключается, в частности, в удалении из топлива серы. Этот процесс
называется
десульфацией.
При переработке нефти сера удаляется из мазута на нефтеперерабатывающих заводах.
Если это твёрдое топливо (например, уголь), то сера (она называется колчеданной серой) удаляется после его измельчения гравитационной или магнитной сепарацией, а также методом пенной флотации.
Для удаления серы из жидкого топлива (мазута) практикуется
также его высокотемпературный подогрев. Например, при
подогреве
мазута до 250 °С выход оксидов азота уменьшается на 40…50%.
Из твёрдого топлива (каменного угля) сера удаляется путём термической подготовки угольной пыли. Подогрев угольной пыли в восстановительной среде до температуры 500…700 °С приводит к разру-
шению азотосодержащих соединений топлива и снижению выбросов
оксидов азота в 2–2,5 раза.
Применение в качестве топлива вод
угольной суспензии приво-
о
дит к уменьшению выбросов оксидов азота на 25…30%. Под водоугольной суспензией понимается искусственно обводнённый до влажности 35…40% мелкоизмельчённый уголь с размером частиц до 20 мкм.
Перевод топлива из твёрдого или жидкого состояния в газообразное состояние (этот процесс называется
чего получается
генераторный газ) позволяет снизить выбросы окси-
газификацией, в результате
дов азота и серы почти в 10 раз. Суть процесса получения генераторного газа заключается в неполном окислении органической части топлива различными газообразными окислителями при температуре от
900 до 1700 °С [33].
Снижение выбросов оксидов азота
Совершенствование управления процессом горения топлива также приводит к уменьшению выбросов оксидов азота за счёт снижения
температуры в ядре факела и замедления окисления азота воздуха.
46
Для снижения образования оксидов азота используют следующие
методы:
выбор оптимального коэффициента избытка воздуха;
−
−
двухступенчатое сжигание топлива;
−
рециркуляция продуктов горения;
впрыск воды или пара в факел;
−
−
использование специальных горелочных устройств.
Количество воздуха, подаваемого в зону горения
значение избытка воздуха
), значительно влияет на образование окси-
(оптимальное
дов азота, а уменьшение их концентрации способствует уменьшению
температуры в зоне горения и малый избыток воздуха.
Сущность
двухступенчатого сжигания топлива заключается в
следующем: в первичную зону горения воздух подаётся в количестве,
меньшем, чем теоретически рассчитанный для поддержания процесса
горения. Коэффициент избытка воздуха при этом находится в пределах 0,80…0,95. Такое соотношение воздуха и топлива приводит к неполному сгоранию последнего и частичной его газификации (преобразованию в генераторный газ). Всё это в конечном сч
ёте приводит к
снижению образования оксидов азота. Во вторичной зоне горения
происходит дожигание продуктов неполного сгорания первичной зоны. Для обеспечения полного сгорания топлива в эту зону подаётся
либо чистый воздух, либо обеднённая топливовоздушная смесь. Метод
позволяет снизить выброс оксидов азота до 30%.
Метод рециркуляции продуктов сгорания заключается в возврате
около 20% их после водяного экономайзера в топку. Продукты горения, имеющие температуру около 400 °С, специальным дымососом
направляются в зону горения (топку). Более эффективным считается
метод, когда в топку направляется смесь продуктов горения с топливом. Этот метод позволяет почти полностью (до 90%) уменьшить выбросы оксидов азота в окружающую
Метод впрыска воды в количестве до 0,35 кг на 1 м
среду.
3
топлива или
ввод пара в количестве до 3,5% от массы воздуха снижает максимум
температуры горения и замедляет скорость образования оксидов азота
и бензапирена. В результате этого выброс оксидов азота снижается
почти в 2 раза.
Метод применения специальных горелочных устройств. Хорошие
результаты по снижению выбросов оксидов азота даёт применение
плоскопламенных горелочных устройств с внутренней рециркуляцией
газов, имеющих температуру от 800 до 1200 °С с подводом их к фрон-
ту воспламенения. Этот метод позволяет снизить выбросы оксидов
азота почти на 50%.
47
Хорошие результаты по снижению выбросов оксидов азота дают
r
r
методы восстановления последнего до N
на стадии охлаждения про-
2
дуктов сгорания:
– метод селективного некаталитического восстановления
(СНКВ);
– метод селективного каталитического восстановления (СКВ).
Метод СНКВ заключается в организации реакции восстановления
в отсутствии катализатора. В качестве восстановителя применяются
аммиак NH
, мочевина CO(NH2)2 и циануровая кислота (HOCN)3. Вос-
3
становитель вводится в поток дымовых газов с помощью охлаждаемых
инжекторов, расположенных на выходе из топки или в газоходе (в необходимой температурной зоне). Этот метод позволяет снизить выбросы оксидов азота почти на 70%.
Метод СКВ проводится аммиаком в присутствии кислорода на
поверхности катализатора. В качестве катализаторов могут использоваться: диоксид титана TiO
триоксидов вольфрама WO
, пентаоксид ванадия V2O5 с добавками
2
или молибдена MoO3. Каталитические
3
элементы изготавливаются в виде пластин из нержавеющей стали, а
также в виде сот, поверхности которых покрыты порошкообразным
материалом активного элемента. Каталитические реакторы устанавливаются в газоходе между водяным экономайзером и воздухоподогревателем. Этот метод позволяет уменьшить выбросы оксидов азота в
окружающую среду почти на 90% [33].
Очистка уходящих дымовых газов от механических примесей
Очистка дымовых газов от механических примесей осуществляется в
специальных устройствах –
золоуловителях. Золоуловители подразде-
ляются на сухие, мокрые, электрофильтры и комбинированные.
Сухие золоуловители, в свою очередь, бывают циклонного и жалюзийного типов.
На рисунке 3.2 представлена схема циклонного золоуловителя
(циклона) конструкции НИИОГАЗ.
Частицы золы в циклоне выделяются из закрученного газового
потока под действием центробежных сил:
где
m
ч
цы, м/с;
– масса частицы, кг; υ – окружная скорость вращения части-
– радиус вращения частицы, м.
2
υ
mG
=
, (3.6)
чп
Если скорость вращения потока, содержащего взвешенные частицы, фиксированная, то центробежная сила, действующая на них, будет
тем больше, чем меньше радиус вращения частицы.
48
η
3
2
1
4
Рис. 3.2. Схема сухого золоуловителя циклонного типа:
1 – корпус; 2 – днище; 3 – крышка; 4 – патрубок входной;
5 – сборник золы; 6 – труба выхлопная
При больших расходах уходящего газа золоуловитель (циклон)
имеет большой диаметр, а, следовательно, радиус вращения частицы
очень велик и центробежная сила
степени улавливания частиц. Поэтому на практике применяют циклоны батарейного типа, т.е. более эффективным является параллельно
работающие циклоны небольшого диаметра.
Степень очистки газов от механических примесей
зуется отношением массы задержанных частиц
входе в золоуловитель
m (выражается в процентах) и определяется
вх
из выражения
=η
5
6
G мала, что приводит к низкой
п
характери-
m к массе частиц на
зад
m
зад
100
m
. (3.7)
вх
49
Степень очистки дымовых газов от механических примесей в батарейных циклонах обычно колеблется от 80 до 90%.
Мокрые золоуловители вертикального типа применяются с водяной плёнкой, стекающей по стенкам аппарата с прутковыми решётками, а также в аппаратах с трубками Вентури.
Золоуловители с трубками Вентури получили наибольшее распространение из-за простоты и компактности
Вода, выходящая из сопла
6, создаёт разряжение. Под действием этого разряжения в неё
тури
5, расположенного внутри трубки Вен-
конструкции (рис. 3.3).
эжектируется золосодержащий газовый поток, который разгоняется до
скорости 60…70 м/с. Далее происходит дробление воды до размера
капель 0,3…0,5 мкм (туман). В диффузоре
7 газовый поток, содержа-
щий влагу, замедляется, а частицы золы, сохраняя по инерции скорость, отфильтровываются через завесу капель и интенсивно увлажняются, образуя пульпу (смесь воды и золы) [33].
Очищенный газ
4
3
Дымовой (неочищенный) газ
5
2 7 6 Вода
1 8
Рис. 3.3. Схема мокрого золоуловителя типа МВ с трубкой Вентури:
1 – золосмывное устройство; 2 – днище коническое;
3 – корпус цилиндрический; 4 – сопла смывные; 5 – сопла орошающие;
6 – трубка Вентури; 7 – диффузор; 8 – каплеуловитель
50