ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

230

нейных газокомпрессорных станций магистральных трубопроводов перспективны газотурбинные установки с бинарным циклом. В этом случае значительное количество пара вводится в камеру сгорания ГТУ, увеличивает массовый расход через газовую турбину и значительно повышает её мощность.

Другим видом ВЭР в газовой промышленности являются уходящие дымовые газы трубчатых печей газоперерабатывающих заводов средней теплопроизводительностью 67 ГДж/ч, работающих с КПД около 60 %. В этих печах с уходящими дымовыми газами, имеющими температуру 450…500 °С, теряется большое количество тепловой энергии. В настоящее время этот вид ВЭР практически не используется. При переработке природного газа, загрязненного соединениями серы, производится сероочистка газа. Извлеченный из газа сероводород сжигают в специальных печах. Тепловая энергия от сжигания сероводорода относится к ВЭР и используется обычно в котлах-утилизаторах для выработки водяного пара энергетических параметров.

В промышленности строительных материалов ВЭР образу-

ются при обжиге цементного клинкера, варке стекла, обжиге керамических изделий, выплавке термоизоляционных материалов, при плавке чугуна в вагранках и в других термохимических процессах.

Обжиг цементного клинкера производится во вращающихся цилиндрических печах при температуре 1400…1450 °С. На получение 1 т цементного клинкера затрачивается в среднем до 230 кг условного топлива, при этом большое количество тепла теряется с уходящими газами и излучением корпусами печей в окружающую среду. В современных мощных вращающихся печах тепловая энергия уходящих газов в достаточной степени используется для сушки и подогрева сырья в самом агрегате или в специальных устройствах перед подачей в печь.

Вращающиеся печи мокрого способа производства обычно оборудуются внутренними теплообменными устройствами, поэтому уходящие из печи обжиговые газы имеют температуру не выше 200 °С. Вращающиеся печи сухого способа производства оснащаются запечными теплообменниками (конвейерные кальцинаторы, циклонные теплообменники и др.), на выходе из которых уходящие газы имеют сравнительно низкую температуру – около 300 °С.

231

Дальнейшая утилизация тепла уходящих газов в котлахутилизаторах как для печей мокрого способа, так и для печей сухого способа производства трудноосуществима и в настоящее время нецелесообразна. Это связано в высокой запыленностью дымовых газов и низкой эффективностью работы систем их очистки.

Тепловая энергия горячего клинкера, образующегося в процессе обжига, практически полностью используется в холодильниках для подогрева воздуха, идущего на горение топлива в печь.

Вращающиеся печи, как правило, не имеют наружной тепловой изоляции. Температура наружной поверхности корпуса печи в зоне обжига достигает 500…600 °С и более. В связи с этим корпуса вращающихся печей интенсивно излучают тепловую энергию в окружающую среду. Потери тепловой энергии с излучением составляют 15…30 % в тепловом балансе обжиговой печи.

Основой технологии производства стекла является варка сырья

(кварцевый песок, известняк, сода) в ванных и горшковых печах при 1500…1530 °С. Современные стекловаренные печи в основном оборудованы регенераторами, в которых используется тепло уходящих газов на 60…65 % для подогрева воздуха, идущего на горение в печь. Но после регенераторов температура уходящих газов еще достаточно высока (400…500, иногда 900 °С) и их можно использовать для выработки тепловой энергии в утилизационных установках. Кроме того, в стекольной промышленности используются ванные печи прямого нагрева, где уходящие газы выбрасываются в атмосферу с температурой до 1400 °С. Это тепло можно утилизировать в котлах-утилизаторах или рекуператорах радиационного типа. Возможное использование тепловой энергии уходящих газов печей прямого нагрева в котлахутилизаторах составляет до 6,3 ГДж/т стекломассы.

В производстве теплоизоляционных материалов в процессе плавки минерального сырья для нормальной работы вагранок используется водяное охлаждение. Физическое тепло горячей воды с температурой 70 °С может быть использовано для производственных и бытовых нужд.

Производство стеновых материалов включает такие энергоем-

кие процессы, как обжиг кирпича и керамических изделий, пропарка силикатного кирпича и изделий из легких ячеистых бетонов и сборных железобетонных изделий. Тепловые отходы в производстве кирпича используются в самих технологических агрегатах, повышая тем

232

самым их КПД. Экономия топлива при обжиге кирпича достигается за счет перехода от малоэффективных камерных печей периодического действия к непрерывно действующим многотопливным туннельным печам, где без больших потерь используется тепло отходящих газов и тепло продукции. Уходящие газы на выходе из туннельных печей имеют температуру 100…120 °С. Таким образом, при производстве кирпича осуществляется рекуперация тепловых отходов, что снижает выход ВЭР. При высокой запыленности теплоносителей, характерных для этой отрасли промышленности, рекуперация тепла является типовой схемой использования тепловых ВЭР.

Основным энергоемким процессом в производстве силикатного кирпича является пропарка его в автоклавах при температуре 170 °С. Удельный расход тепловой энергии на 1000 шт. кирпича составляет около 1090 МДж, или 400…500 кг пара. В этом процессе наблюдаются большие потери пара после цикла пропарки и с горячим конденсатом. Для снижения расхода пара используют перепуск его из одного автоклава в другой, при этом экономия тепла достигает 23 % по сравнению с индивидуальной пропаркой кирпича в каждом автоклаве. Однако по окончании перепуска пара в автоклаве остается насыщенный пар давлением 0,2…0,3 МПа и загрязненный конденсат. Конденсат в большинстве случаев выбрасывается в канализацию, а насыщенный пар – в атмосферу. Этот пар целесообразно направлять в подогреватели питательной воды для котлов, а конденсат использовать для приготовления технологической массы в мешалках.

Аналогичные ВЭР (пар, загрязненный конденсат) образуются в технологическом процессе производства изделий из ячеистых легких

бетонов.

Производство сантехнических материалов характеризуется та-

кими энергоемкими процессами, как выплавка чугуна в вагранках, обжиг изделий при эмалировании, обжиг керамических изделий, сушка материалов и др. К ВЭР в этом производстве относится тепло охлаждения чугунных вагранок и других технологических печей и тепло уходящих газов обжиговых печей и сушилок. В настоящее время тепловые отходы в производстве сантехнических материалов не используются, так как здесь в основном используются технологические агрегаты небольшой мощности, что затрудняет возможности эффективной утилизации ВЭР.

233

Многообразием тепловых процессов (нагрев, сушка, выпаривание, охлаждение и др.) и значительным выходом тепловых ВЭР отличаются технологические процессы пищевой промышленности.

Обилие технологических процессов и разнообразие комбинаций энергопотоков в ТА, встречающееся в промышленности, обусловливает использование различных схем утилизации ВЭР. Рассмотрим лишь некоторые из них.

7.8.Энергоэффективные схемы использования ВЭР в промышленности

Вобъеме ВЭР различных отраслей промышленности горячие уходящие газы занимают видное место, и если они не слишком запылены, то обычно используются для производства пара или горячей воды в котлах-утилизаторах (КУ). От обычных котлов КУ отличает отсутствие процессов горения топлива и обеспечивающей этот процесс аппаратуры, что упрощает его конструкцию и эксплуатацию. Использование тепловой энергии уходящих из технологических агрегатов горячих газов сдерживается отсутствием котловутилизаторов малой теплопроизводительности.

В черной металлургии до 40 % потребляемого топлива приходится на доменное производство. Образующийся при этом доменный газ является ценным энергоресурсом, поскольку имеет высокую температуру, обладает горючими свойствами и значительным избыточным давлением. Силовой потенциал доменного газа используется в газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах. На рис. 7.3 показана схема работы ГУБТ, используемой для привода воздухонагнетателя, подающего в доменную печь горячий воздух. От замещаемой ГТУ обычной компоновки (на рис. 7.3 слева) ГУБТ отличает отсутствие дорогостоящих компрессора и камеры сгорания, что способствует её быстрой окупаемости. Остаточный тепловой потенциал доменного газа используется при его сжигании в качестве топлива в котельной установке КУ, обеспечивающей теплофикационные потребности металлургического комбината.

234

Рис. 7.3. Схема утилизации доменного газа:

К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; В – воздухонагнетатель; ДП - доменная печь; КУ - котельная установка; ПН - питательный насос; П - потребитель тепловой энергии

В ряде случаев доменный газ перед подачей в ГУБТ подогревается, что обеспечивает выработку в ГУБТ большей мощности. На рис. 7.3 такой подогреватель, так же как и установки подогрева дутьевого воздуха, не показаны.

Значительные объёмы потребления топливного газа во всех отраслях промышленности, особенно на территории Европейской части Российской Федерации влекут за собой необходимость рационально использовать ВЭР, образующиеся при его компримировании.

Тепловой потенциал уходящих газов ГТУ может использоваться лишь непосредственно на газокомпрессорной станции. Частично использовать их тепловую энергию можно путем установки за газовой турбиной специального теплообменника – регенератора. В регенераторе производится подогрев сжатого воздуха, подаваемого из компрессора в камеру сгорания. Установка регенератора в воздушном тракте имеет ряд специфических достоинств и недостатков, влияющих на работу ГТУ, поэтому в 60 – 80-х гг. ХХ века при относительно низкой стоимости топлива далеко не все ГТУ комплектовались регенераторами.

Даже после регенератора весьма чистые уходящие газы имеют

235

достаточно высокую температуру, чтобы их использовать в котлеутилизаторе для производства горячей воды.

Размещение линейных газокомпрессорных станций вдали от жилых массивов не позволяло утилизировать тепловые ВЭР ГКС изза отсутствия потенциального потребителя тепла. В последние годы были выполнены разработки по использованию тепловой энергии уходящих газов для производства пара, позволяющего повысить мощность и эффективность работы газопаровых турбоустановок (ГПТУ). Схема работы такой установки показана на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схема работы газопаровой турбинной установки:

1 – ГПТУ; 2 - котел-утилизатор; 3, 4 - подача форсировочного пара; 5 - блок утилизации водяных паров выхлопа; 6 - впрыск охлаждающей воды; 7 - охлажденный выхлоп; 8 - клапан-регулятор расхода; 9 - подача воды на форсунки; 10 - сбор конденсата; 11 - горячий теплоноситель; 12 - подогреватель воды; 13 - конденсатный бак; 14 - циркуляционный насос; 15 - химически очищенная вода; 16 - конденсатный насос; 17 - аппараты ХВО; 18 - исходная вода; 19 - питательный насос; 20 – деаэратор; 21барабан котла

236

Тепловая энергия уходящих газов используется по двухконтурной схеме. На выхлопе из силовой турбины СТ газы поступают в ко- тел-утилизатор 2, где используются для выработки и перегрева пара. Перегретый пар подается в камеру сгорания. Часть пара 3 подается непосредственно в зону факела для снижения образования в топке вредных оксидов азота, чего не удается избежать при высокоскоростном режиме горения в обычных ГТУ. Остальной пар 4 подмешивается к продуктам сгорания вместе с вторичным воздухом, увеличивая массовый расход газопаровой смеси на вход в ТВД.

Подача одного процента пара в турбину повышает КПД турбоустановки на 1 %, а её мощность - на 3 %.

Поскольку утилизируемое тепло используется в основном для повышения эффективности самой ГПТУ, устраняется влияние отсутствия внешних потребителей, как главного препятствия на пути повышения эффективности использования топлива при транспортировке природного газа.

Однако использование тепловой энергии выхлопа ГТУ – не единственный способ утилизации ВЭР газовой промышленности, поскольку сам природный газ в магистральном газопроводе обладает значительным запасом силовой энергии. Транспортировка газа ведется при избыточных давлениях p1 = 3,0…10,0 МПа. Между тем по условиям нормальной работы топливной аппаратуры промышленного технологического и энергетического котельного оборудования избыточное давление на горелке не превышает p2 = 0,1 МПа. Давление газа каскадно понижается на газораспределительных станциях (ГРС) и газорегулирующих пунктах (ГРП). Обычно перепад давлений «ликвидируется» пропусканием газового потока через дроссель. Располагаемый теплоперепад потока газа пропорционален отношению давлений до и после дросселя

Не сложно убедиться, что у потребителей газа в регионах без утилизации теряются сотни мегаватт механической энергии

N = h (Vρ)ηТДА ,

238

В процессе расширения температура газа резко снижается и при отношении начального и конечного давления на уровне 5..10 достигает -80 °С … -120 °С. Между тем необходимо, чтобы температура газа на выходе из ГРС не опускалась ниже 0 °С. На предварительный подогрев газа расходуется дополнительно до 1 % от объема дросселируемого газа.

Выпуск ТДА мощностью от 1 до 10 МВт Калужским турбинным и Уральским турбомоторным заводами, а также заводами, производящими авиационные и судовые двигатели, позволяет опосредованно сократить потери энергии на транспорт газа у потребителей с расходом газа более 50000 м3/ч.

Часто избыточным давлением обладает и пар, генерируемый в промышленных и утилизационных паровых котлах. При работе паровых котлов снижение давления в барабане котла обычно связано с дополнительными теплопотерями, поэтому пар, отпускаемый потребителю часто приходится дросселировать до требуемого давления в РОУ.

Целесообразно использовать энергию пара в турбине с противодавлением для производства электрической энергии и лишь затем направлять пар потребителю. Однако паровая турбина эффективно работает при мощностях более 1...5 МВт. При малых перепадах давлений (от 1,4 до 0,3…0,15 МПа) такая мощность достигается лишь при очень больших расходах пара. Производительность большинства даже крупных производственных котельных такие расходы пара не обеспечивает, поэтому до последних лет пар дросселировался в РОУ.

В настоящее время отечественной промышленностью освоен выпуск паровинтовых расширительных агрегатов, эффективно работающих при умеренных расходах пара и обеспечивающих выработку мощности на уровне 100…1000 кВт. Электроэнергия при этом расходуется на собственные нужды потребителя. Энергетическая доля себестоимости продукции значительно сокращается, что обеспечивает окупаемость оборудования мини-ТЭЦ в срок до 1,5 лет. Схема перевода производственной паровой котельной в режим мини-ТЭЦ показана на рис. 7.6.

239

Рис. 7.6. Схема работы мини-ТЭЦ на базе паровой котельной: ПК - паровой котел; РОУ - редукционно-охладительная установка; АПВР - паровинтовой расширительный агрегат; ТА - технологический агрегат; СП - сетевой подогреватель; КН - конденсатный насос

В промышленности остро ощущается нехватка потребителей низкопотенциального тепла, что влечет за собой существенные топ- ливно-энергетические издержки. Велики низкопотенциальные тепловые отходы и в коммунальном хозяйстве.

Вместе с тем значительные объемы тепловой и электрической энергии поглощают системы охлаждения оборотной воды. При производстве сжатого воздуха энергопотребление многоступенчатых турбокомпрессоров зависит от его начальной температуры. Повышение давления воздуха в ступени компрессора в 1,5 раза приводит к его нагреву примерно на 100 °С. При работе турбокомпрессоров необходимо использовать промежуточное охлаждение воздуха в ПХВ, а перед подачей потребителю – в КХВ.

Теплоотвод в холодильники составляет 550…750 кВт на каждые 1000 кВт расходуемой на привод ТК электроэнергии. Эффективная работа холодильников воздуха возможна при нагреве воды не более чем на 3…7 °С. На практике расход оборотной воды приходится увеличивать в 1,5…2,5 раза, чтобы обеспечить её охлаждение в градирнях в летний период времени.

Тепловой потенциал оборотной воды можно повысить с помо-