Повышение энергоэффективности (КПД) топливосжигающей установки позволяет достигнуть сокращения выбросов CO2 при условии, что это улучшение приводит к сокращению потребления топлива. В этом случае выбросы CO2 снижаются пропорционально сокращению потребления топлива. Однако результатом повышения КПД может быть и увеличение производства полезной энергии при неизменном расходе топлива (повышение Hp при неизменном Hf в Уравнении 3.2). Это может привести к увеличению производительности или мощности производственной единицы с одновременным повышением энергоэффективности. В этом случае имеет место сокращение удельных выбросов CO2 (на единицу продукции), но абсолютный объем выбросов остается неизменным (см. раздел 1.4.1).

Ориентировочные показатели энергоэффективности (КПД) и соответствующие расчеты для различных процессов сжигания топлива приводятся в отраслевых Справочных документах и других источниках. В частности, в документе EN 12952-15 содержатся рекомендации по расчету КПД водотрубных котлов и соответствующего вспомогательного оборудования, а в документе EN 12953-11 –жаротрубных котлов.

3.1.1. Снижение температуры дымовых газов

Общая характеристика

Одним из вариантов сокращения потерь тепловой энергии в процессе сгорания является снижение температуры дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Это может быть достигнуто посредством:

•подбора оптимальных размеров и других характеристик оборудования исходя из требуемой максимальной мощности с учетом расчетного запаса надежности;

•интенсификации передачи тепла технологическому процессу посредством увеличения удельного потока тепла (в частности, при помощи завихрителей-турбулизаторов, увеличивающих турбулентность потоков рабочего тела), увеличения площади или усовершенствования поверхностей теплообмена;

•рекуперации тепла дымовых газов с использованием дополнительного технологического процесса (например, производства пара при помощи экономайзера, см. раздел 3.2.5);

•установки подогревателя воздуха или воды, или организации предварительного подогрева топлива за счет тепла дымовых газов (см. 3.1.1). Следует отметить, что подогрев воздуха может быть необходим, если технологический процесс требует высокой температуры пламени (например, в стекольном или цементном производстве). Подогретая вода может использоваться для питания котла или в системах горячего водоснабжения (в т.ч. централизованного отопления);

•очистки поверхностей теплообмена от накапливающейся золы и частиц углерода с целью поддержания высокой теплопроводности. В частности, в конвекционной зоне могут периодически использоваться сажесдуватели. Очистка поверхностей теплообмена в зоне горения, как правило, осуществляется во время остановки оборудования для осмотра и ТО, однако в некоторых случаях используется очистка без остановки (например, в нагревателях на НПЗ);

•обеспечение уровня производства тепла, соответствующего существующим потребностям (не превышающего их). Тепловую мощность котла можно регулировать, например, посредством подбора оптимальной пропускной способности форсунок для жидкого топлива или оптимального давления, под которым подается газообразное топливо.

Экологические преимущества

Энергосбережение.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Снижение температуры дымовых газов при определенных условиях может вступать в противоречие с целями обеспечения качества воздуха, например:

135

•предварительный подогрев воздуха горения приводит к повышению температуры пламени и, как следствие, к более интенсивному образованию NOx, что может привести к превышению установленных нормативов выбросов. Внедрение предварительного подогрева воздуха на существующих установках может оказаться затруднительным или экономически неэффективным вследствие недостатка пространства, необходимости установки дополнительных вентиляторов, а также систем подавления образования NOx (при наличии риска превышения установленных нормативов). Следует отметить, что метод подавления образования NOx при помощи впрыскивания аммиака или мочевины сопряжен с риском попадания аммиака в дымовые газы. Предотвращение этого может требовать установки дорогостоящих датчиков аммиака и системы управления впрыскиванием, а также – в случае значительных вариаций нагрузки – сложной системы впрыскивания, позволяющей впрыскивать вещество в область с надлежащей температурой (например, системы из двух групп инжекторов, установленных на разных уровнях);

•системы газоочистки, включая системы подавления или удаления NOx и SOx, работают лишь в определенном температурном диапазоне. Если установленные нормативы выбросов требуют использования подобных систем, организация их совместного функционирования с системами рекуперации может оказаться сложной и экономически неэффективной;

•в некоторых случаях местные органы власти устанавливают минимальную температуру дымовых газов на срезе трубы с целью обеспечения адекватного рассеяния дымовых газов и отсутствия дымового факела. Кроме того, компании могут по собственной инициативе применять подобную практику для улучшения своего имиджа. Широкая общественность может интерпретировать наличие видимого дымового факела как признак загрязнения окружающей среды, в то время как отсутствие дымового факела может рассматриваться как признак чистого производства. Поэтому при определенных погодных условиях некоторые предприятия (например, мусоросжигательные заводы) могут специально подогревать дымовые газы перед выбросом в атмосферу, используя для этого природный газ. Это приводит к непроизводительному расходу энергии.

Производственная информация

Чем ниже температура дымовых газов, тем выше уровень энергоэффективности. Однако снижение температуры газов ниже определенного уровня может быть сопряжено с некоторыми проблемами. В частности, если температура оказывается ниже кислотной точки росы (температуры, при которой происходит конденсация воды и серной кислоты, как правило, 110– 170 ºC в зависимости от содержания серы в топливе), это может привести к коррозии металлических поверхностей. Это может потребовать применения материалов, устойчивых к коррозии (такие материалы существуют и могут применяться на установках, использующих в качестве топлива нефть, газ или отходы), а также организации сбора и переработки кислого конденсата.

Применимость

Перечисленные выше стратегии (за исключением периодической очистки) требуют дополнительных инвестиций. Оптимальным для принятия решения об их использовании является период проектирования и строительства новой установки. В то же время, возможно и внедрение этих решений на существующем предприятии (при наличии необходимых площадей для установки оборудования).

Некоторые применения энергии дымовых газов могут быть ограничены вследствие разницы между температурой газов и потребностями в определенной температуре на входе энергопотребляющего процесса. Приемлемая величина указанной разницы определяется балансом между соображениями энергосбережения и затратами на дополнительное оборудование, необходимое для использования энергии дымовых газов.

Практическая возможность рекуперации всегда зависит от наличия возможного применения или потребителя для полученной энергии (см.раздел 3.3).

136

Меры по снижению температуры дымовых газов могут приводить к увеличению образования некоторых загрязняющих веществ (см. «Воздействие на различные компоненты окружающей среды» выше).

Экономические аспекты

Срок окупаемости может находиться в диапазоне от менее пяти лет до пятидесяти лет в зависимости от множества параметров, включая размер установки, температуру дымовых газов и т.д.

Мотивы внедрения

Повышение энергоэффективности процесса, в особенности, там, где имеет место прямой нагрев (например, в стекольном или цементном производстве).

Примеры

Широко применяется.

Справочная информация

[17, Åsbland, 2005, 26, Neisecke, 2003, 122, Wikipedia_Combustion, 2007, 125, EIPPCB]

3.1.1.1. Установка подогревателя воздуха или воды

Общая характеристика

Помимо экономайзера (см. раздел 3.2.5), в системе сжигания может быть установлен предварительный подогреватель воздуха (газо-воздушный теплообменник). В таком подогревателе воздух горения, как правило, поступающий из атмосферы и имеющий соответствующую температуру, нагревается за счет энергии дымовых газов, что приводит к охлаждению последних. Повышение температуры воздуха способствует улучшению условий горения, что приводит к повышению общего КПД системы сжигания. В среднем, снижение температуры дымовых газов на каждые 20 °C приводит к повышению КПД на 1%. Схема системы сжигания с подогревателем воздуха представлена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2.: Схема системы сжигания с предварительным подогревом воздуха

[28, Berger, 2005]

Менее эффективный, но более простой способ предварительного подогрева состоит в размещении воздухозаборника под потолком в помещении котельной. Во многих случаях температура воздуха в помещении превышает температуру наружного воздуха на10–20 °C. Это может позволить частично скомпенсировать потери тепловой энергии.

Еще одно решение – организация воздухозабора и отведения дымовых газов при помощи коаксиального газохода (трубы с двойными стенками). Дымовые газы отводятся по внутренней

137

трубе, в то время как по внешней поступает воздух горения. Теплообмен между газовыми потоками через стенку трубы обеспечивает предварительный подогрев поступающего воздуха.

Вместо газо-воздушного может быть установлен водно-газовый теплообменник для предварительного подогрева питательной воды котла.

Экологические преимущества

Организация предварительного подогрева воздуха способна обеспечить повышение КПД системы сжигания на 3-5%.

Сподогревом воздуха за счет тепла дымовых газов могут быть связаны и другие преимущества:

•горячий воздух может использоваться для сушки топлива. Это особенно актуально в случае угля или органического топлива;

•если подогрев воздуха предусмотрен уже на стадии проектирования, можно ограничиться котлом меньшего размера;

•горячий воздух может использоваться для предварительного подогрева различных видов сырья.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Помимо преимуществ, с организацией предварительного подогрева воздуха связаны и некоторые проблемы, которые часто оказывается препятствием для реализации подобной схемы:

•газо-воздушный теплообменник, необходимый для подогрева воздуха, требует значительного пространства. Кроме того, теплообмен в нем не настолько эффективен, как

вводно-газовом теплообменнике;

•дополнительное падение давления дымовых газов на теплообменнике требует большей мощности вентилятора дымососа;

•горелки должны быть рассчитаны на подачу подогретого воздуха горения, который имеет больший объем. Кроме того, использование подогретого воздуха может представлять проблему с точки зрения обеспечения стабильности пламени;

•повышение температуры пламени может привести к увеличению выбросов NOx.

Производственная информация

Предварительный подогрев воздуха горения способствует снижению потерь тепла, связанных с дымовыми газами.

Для расчета потерь тепла с дымовыми газами широко используется формула Зигерта:

где:

WL – потери тепла с дымовыми газами (в процентах от общей теплоты сгорания топлива) c – коэффициент Зигерта;

Tgas – измеренная температура дымовых газов (°C)

Tair – измеренная температура поступающего воздуха (°C)

%CO2 – измеренная концентрация CO2 в дымовых газах (в процентах).

Коэффициент Зигерта зависит от температуры дымовых газов, концентрации CO2 и вида топлива. Значения коэффициента для различных видов топлива приведены в табл. 3.3:

138

Таблица 3.3. Расчет коэффициента Зигерта в зависимости от вида топлива

[29, Maes, 2005]

Пример: дымовые газы парового котла, использующего высококачественный природный газ, имеют следующие характеристики: Tgas = 240 °C и %CO2 = 9,8 %. С целью повышения энергоэффективности воздухозаборник, ранее находившийся снаружи котельной, переносится под потолок помещения.

Среднегодовая температура наружного воздуха составляет 10 °C, а среднегодовая температура воздуха под потолком котельной равна 30°C.

Коэффициент Зигерта в данном случае составляет: 0,390 + 0,00860 · 9,8 = 0,4743. До переноса воздухозаборника потери тепла с дымовыми газами составляли:

WL = 0,4743 2409,8−10 =11,1%

После переноса воздухозаборника потери тепла с дымовыми газами составляют:

WL = 0,4743 2409,8−30 =10,2%

Это соответствует повышению КПД системы сжигания на 0,9% в результате простого мероприятия – переноса воздухозаборника.

Применимость

Организация предварительного подогрева воздуха является экономически эффективной при строительстве нового котла или установки. Возможности для изменения существующей схемы воздухозабора или организации предварительного подогрева воздуха на существующем предприятии часто ограничены вследствие причин технического характера и соображений пожарной безопасности. Во многих случаях оборудование существующего котла системой предварительного подогрева воздуха является слишком сложным, а эффективность такого мероприятия незначительна.

Подогреватели воздуха представляют собой газо-воздушные теплообменники, конструкция которых зависит от диапазона рабочих температур. Подогреватели воздуха не могут применяться при использовании горелок с естественной тягой.

Подогретая вода может использоваться для питания котла или в системах, использующих горячую воду (например, системах централизованного отопления).

Экономические аспекты

На практике потенциал энергосбережения в результате предварительного подогрева воздуха горения достигает нескольких процентов энергии производимого пара, как показано в табл. 3.4. Поэтому даже для небольших котлов общий объем энергосбережения может достигать нескольких ГВт·ч/год. Например, для котла мощностью 15 МВт может быть достигнуто

139