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).