Вторинні енергетичні ресурси

Ефективне використання енергетичних ресурсів у світі складає 42%, виходячи з того, що

корисна енергія - це та, що підводиться до енерговикористовуючих агрегатів. Однак, у самих

. агрегатах рівень корисного використання енергії не перевищує в середньому 65%. Отже, повний

ККД використання природних енергетичних ресурсів складає Інші 3/4 втрачаються по ходу

технологічного потоку: від добування до кінцевого використання.

За стадіями енергетичного потоку ці втрати розподіляються так (експертна оцінка):

• при добуванні і транспортуванні -5%;

• при перетворенні в мобільні види енергії (електрична, теплова...) -25%;

• при передачі по енергетичних комутаціях (електричні і теплові мережі, трансформатори...) -10%;

• в енергоприймачах виробничих устав (паливня, камера згоряння) -5%;

• в уставах кінцевого використання (технологічних апаратах) -30%.

Саме устави кінцевого використання палива є джерелами вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР). Тому проблему вторинних енергетичних ресурсів необхідно вирішувати, починаючи з вивчення виробничих процесів і агрегатів.

Енергетичні втрати можна класифікувати наступним чином:

1. За можливістю і доцільністю усунення:

1. повні втрати енергії;

2. втрати енергії, усунення яких у даних умовах технічно можливе;

3. втрати енергії, усунення яких економічно доцільне.

2. За місцем виникнення:

1. в процесі добування;

2. впродовж зберігання;

3. при транспортуванні;

4. в процесі переробки;

5. при перетворенні;

6. при використанні.

3. За фізичною ознакою та характером:

1. втрати тепла у довкілля з димовими (вихідними) газами, технологічною продукцією, технологічними відходами, виносом матеріалу, хімічним і механічним недопалюванням тощо:

2. втрати електроенергії в трасформаторах, дроселях , шинопроводах, лініях електропередач;

3. втрати з витоками через нещільності, від усушки й утруски тощо;

4. гідравлічні втрати - втрати напору при дроселюванні, втрати на тертя при русі потоків рідин, пари і газу в трубопроводі з врахуванням колін, вентилів та інших місцевих опорів;

5. механічні втрати - втрати на тертя.

4. За причинами виникнення:

1. у результаті конструктивних недоліків;

2. унаслідок неправильного вибору технологічного режиму роботи;

3. при неправильній експлуатації агрегату;

4. при низькій якості виконання ремонтних робіт;

5. у результаті браку продукції.

Очевидно, що використовувати як ВЕР можна енергетичні втрати (відходи), що відносяться до класифікаційних груп 1.2, 1.3, 2.4, 2.5, 2.6, 3.1, 4.1. Інші втрати можуть усуватися лише шляхом удосконалення енерговикористання в самих технологічних процесах і агрегатах.

Види вторинних енергетичних ресурсів

Під ВЕР згідно з ДСТУ 2420-94 розуміють енергетичний потенціал продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, що утворюються в технологічних агрегатах (уставах), якщо він не використовується в самому агрегаті, але може бути частково чи повністю використаний для енергопостачання інших споживачів.

За видами енергетичного потенціалу ВЕР поділяють на горючі, теплові та надлишкового тиску.

Горючі ВЕР - хімічна енергія відходів виробництва, які не використовуються чи непридатні для подальшої технологічної переробки, але їх можна використати як паливо (доменний,

конвертерний, феросплавний гази, горючі кубові залишки хімічних виробництв, відходи паливопереробки, переробки деревини тощо).

Теплові ВЕР - тепло основної та побічної продукції, тепло робочих тіл із систем охолодження технологічних агрегатів і установок, тепло вихідних газів, пари і гарячої води, що відпрацювали в технологічних установках.

ВЕР надлишкового тиску - потенціальна енергія газів і рідин, що покидають технологічний агрегат із надлишковим тиском, якщо необхідно знижувати перед наступною стадією використання цих носіїв або при викиді їх у навколишнє середовище.

Енергетичний потенціал ВЕР визначається: для горючих ВЕР - теплотою згоряння; для теплових ВЕР - тепловмістом для теплоносіїв (пари і газу), теплоємністю і температурою для теплоносіїв (рідин і твердих тіл); для ВЕР надлишкового тиску - тиском для енергоносіїв (рідин), тиском і температурою, що визначають потенціально можливу роботу ізотропного розширення, для енергоносіїв (газу та пари).

Вважається, що використання горючих ВЕР у складає 80-90%, теплових - близько 40%, ВЕР надлишкового тиску використовують в одиничних випадках. Загальна економія енергоресурсів складається з економії у споживачів за рахунок зменшення питомих витрат енергоресурсів на одиницю продукції за рахунок підвищення ККД енергетичного обладнання й економії за рахунок використання ВЕР, інших відходів, вторинної сировини, побутових відходів тощо.

Кількісна конкретизація енергозберігаючої політики потребує проведення в усіх галузях народного господарства конкретних заходів з енергоощадності³. Ефективним засобом виконання цієї роботи для економії як основної енергії так і ВЕР є розроблення енергетичних балансів для кожного виробничого підрозділу.

Методика складання енергетичного балансу передбачає наявність результатів обстеження об'єкта (для діючого) чи технологічних і проектних розробок (для проектованих). Баланс дозволяє кількісно оцінити долю корисно використаної енергії й її витрати, ККД та інші показники ефективності. Тобто конкретний пошук рішень з енергозбереження повинен базуватися на використанні енергетичного балансу.

Енергетичні баланси поділяються за:

• призначенням (звітні і планові);

• видами енергоносіїв (часткові - за окремими видами палива й енергії, та зведені);

• об'єктами дослідження (для окремих технологічних процесів, для цехів підприємств тощо);

• принципами складання (аналітичні, синтетичні, нормалізовані, оптимальні);

• принципами оцінки використання палива й енергії (ентропійні й ексергетичні).

Найповніший аналіз використання підведеної енергії можна зробити на основі аналітичних фактичних енергетичних балансів. Втрати енергії визначаються різницею між кількостями підведеної та корисно витраченої енергії.

Як енергетичні критерії широко використовують різного роду ККД, які в загальному визначаються як відношення корисно витраченої енергії Е1 до затраченої Е2:

Якщо в процесі виникають ВЕР (Е_дод), що відпускаються стороннім споживачам, то в цьому випадку можна говорити про повний енергетичний ККД:

У залежності від виду та параметрів ВЕР розрізняють чотири основних напрямки використання ВЕР.

Паливне - безпосереднє використання горючих ВЕР як палива.

Теплове - використання тепла, що отримуємо безпосередньо від ВЕР, або тепла, що виробляється за рахунок ВЕР в утилізаційних установках (котлах-утилізаторах)⁷.

Силове - використання механічної чи електричної енергії, що виробляється в утилізаційних установках за рахунок ВЕР.

Комбіноване - використання тепла й електричної (або механічної) енергії, що одночасно виробляється за рахунок ВЕР в утилізаційних установках (утилізаційних ТЕЦ) по теплофікаційному циклу. Напрям використання ВЕР залежить від величини, структури і режиму енергопостачання підприємства, а також від виду, параметрів і кількостей ВЕР, що утворюються, і в кожному конкретному випадку повинен вибиратися на основі розробки оптимального паливно-енергетичного балансу підприємства з урахуванням забезпечення найбільшої економічної ефективності (див.табл.1). Необхідно розрізняти горючі ВЕР, як відходи основних виробничих процесів, і горючі матеріали, одержані як основний продукт виробничого процесу, й які не є вторинними енергоресурсами. Такі основні продукти - це продукти нафтопереробки, вуглезбагачення, газопереробки. Спірним залишається питання, чи є вторинним енергоресурсом коксовий газ, оскільки можна вважати, що процес коксування вугілля дає 2 рівноправних (основних) продукти -кокс і коксовий газ.

Багато горючих ВЕР мають низьку теплоту згоряння (доменний газ, конвертерний газ, інші відходи) й є хімічно агресивні, що створює значні технічні труднощі їх утилізації¹¹. Є труднощі зі спалюванням і висококалорійних ВЕР (водень, абгази), що мають властивості легкозаймистості, вибухонебезпечності, токсичності тощо.

Для утилізації горючих ВЕР часто необхідне спеціальне обладнання, але основний шлях їх застосування - вишукування способів використання обладнання загальнопромислового призначення.

Теплові ВЕР - найпоширеніший вид ВЕР, їх утилізація проводиться практично повсюди, є значний досвід їх використання. Але в той же час утилізуються в основному високопотенціальні (високотемпературні) теплові ВЕР, значно менше - середньотемпературні. Низькотемпературні ВЕР майже не використовуються.

Основні технологічні агрегати - джерела ВЕР - промислові печі й інші нагрівальні апарати, в яких коефіцієнт використання енергоресурсів ще є низьким (до 50...60%). Навіть після впровадження заходів із підвищення ККД (встановлення повітренагрівачів, налагодження процесу горіння, усунення засмоктування холодного повітря тощо) температура вихідних газів у печах досягає сотень градусів, і їх теплота може та повинна утилізуватися. Ряд промислових технологічних високотемпературних процесів потребує охолодження або конструкцій або проміжних продуктів. Це тепло також може утилізуватися. Дуже багато є процесів, в яких виникають вторинні теплові ресурси у вигляді нагрітих продуктів, скидних вод різного теплового потенціалу й інших теплових відходів. Використання середньо- та низькопотенціальних теплових відходів ускладнюється відсутністю чи недостатньою кількістю споживачів тепла низького потенціалу, невідповідністю режимів виходу ВЕР і споживання, особливо сезонних, тому й утилізація їх у промисловості оцінюється в 5.. .10%.

Крім цього, носіями середньо- та низькопотенціальних теплових ВЕР часто є забруднені рідини та гази з агресивними компонентами, тому виникає проблема вибору матеріалів при розробці теплоутилізаційного обладнання.

Можна виділити 3 класифікації виробничих процесів:

A) за видами використовуваної енергії - паливо-, тепло- й електровикористовуючі та ті, які

використовують так звані місцеві види енергії й енергію енергоносіїв - холод, стиснуте повітря, гази під тиском (азот, кисень, водень та ін.), воду;

Б) за видами використовуваної енергії - механічні, термічні (зокрема, нагрівальні, холодильні, кріогенні), хімічні, електронні та йонні (зокрема, електроерозійні, електроліз, гальваніка, плазмові і т.п.), ультразвукові, променеві (зокрема, світлові, лазерні, гамма-промені і т.п.);

B) за призначенням - силові, високо-, середньо- і низькотемпературні, електрофізичні й

електрохімічні, опалення, вентиляція, кондиціонування повітря, гаряче водопостачання,

освітлення, процеси управління.

Основні джерела ВЕР - високотемпературні процеси, які використовують теплову енергію для нагріву (а також плавлення, випарювання) матеріалів чи хімічну енергію для проведення реакцій, зокрема, ендо- й екзотермічних, і споживаючі переважно паливо, теплову енергію у вигляді пари чи електроенергію. Високотемпературні процеси проходять у найрізноманітніших промислових печах, технологічних котлах і реакторах. Носії ВЕР у цих процесах - горючі тверді, рідкі і газоподібні відходи основного виробництва; високо- і середньопотенціальна теплота відходів, продукції, нагрітих конструкцій самих апаратів; надлишковий тиск відходів і продуктів.

Другі за виходом ВЕР - середньо- і низькотемпературні процеси. За використовуваною енергією вони також відносяться до нагрівальних або хімічних і споживають паливо, пару, гарячу воду, рідше - електроенергію. Апаратами середньо- і низькотемпературних процесів є також печі, котли і реактори, якщо процеси, які проходять у них, потребують порівняно невисоких температур

(до 200 - 300°С), а також різноманітні пропарюючі та миючі апарати, сушильні установки, екстрактори, ректифікаційні і дистиляційні колони та ін. Носії ВЕР тут також тверді, рідкі і газоподібні викиди, які володіють деяким потенціалом хімічної енергії (теплотою згоряння), теплотою чи надлишковим тиском. Основну масу тут складають так звані низькопотенціальні теплові

ВЕР - рідини з температурою нижче 100°С і гази з температурою нижче 300°С, які в недалекому минулому пропонувалось не відносити до вторинних енергорсурсів через низькі показники економічності їх використання при великих технічних труднощах і високих капітальних та експлуатаційних затратах.

У третіх за значеннями процесах джерелами ВЕР є електрофізичні й електрохімічні процеси.

Основне обладнання для утилізації високопотенціальних теплових ВЕР - котли - утилізатори, що використовуються для вироблення пари (газотрубні - для дуже забруднених вихідних газів, водотрубні - для менш забруднених, модульні - крім енергії вихідних димових газів використовують теплоту системи охолодження двигунів внутрішнього згоряння і газових турбін для попереднього підігрівання живильної води), системи охолодження промислових печей, кожухотрубні й інші теплообмінники¹², зокрема, контактні нагрівачі. Є досвід створення енерготехнологічних агрегатів, які виготовляють одночасно основну продукцію і теплову енергію, як правило, у вигляді пари.

Відпрацьовані високотемпературні димові гази використовуються також для попереднього підігрівання повітря, що подається в камеру згоряння, при спалюванні різних видів палив (зокрема, і паливних ВЕР) із застосуванням конвективних і радіаційних рекуператорів . Розрахунки та результати експериментів показують, що підігрівання повітря до температури дає можливість

зекономити до 15...20% основного палива.

Таблиця 1 Напрямки використання різних видів енергоресурсів

Для утилізації середньопотенціальних відходів, як правило, використовуються різноманітні теплообмінники, які здатні працювати при невеликому перепаді температур (теплообмінники з тепловими трубами та з проміжним рідким теплоносієм, пластинчасті, кожухотрубні тощо).

Для утилізації теплових відходів застосовують теплові насоси, які дають можливість якісно покращити параметр ВЕР, тобто підвищити їх температуру.

Основні джерела ВЕР - високотемпературні процеси, які використовують теплову енергію для нагріву (а також плавлення, випарювання) матеріалів чи хімічну енергію для проведення реакцій, зокрема, ендо- й екзотермічних, і споживаючі переважно паливо, теплову енергію у вигляді пари чи електроенергію. Високотемпературні процеси проходять у найрізноманітніших промислових печах, технологічних котлах і реакторах. Носії ВЕР у цих процесах - горючі тверді, рідкі і газоподібні відходи основного виробництва; високо- і середньопотенціальна теплота відходів, продукції, нагрітих конструкцій самих апаратів; надлишковий тиск відходів і продуктів.

Другі за виходом ВЕР - середньо- і низькотемпературні процеси. За використовуваною енергією вони також відносяться до нагрівальних або хімічних і споживають паливо, пару, гарячу воду, електроенергію. Апаратами середньо- і низькотемпературних процесів є також печі, котли і реактори, якщо процеси, які проходять у них, потребують порівняно невисоких температур (до 200 -300°С), а також різноманітні пропарюючі та миючі апарати, сушильні установки, екстрактори, ректифікаційні і дистиляційні колони та ін. Носії ВЕР тут також тверді, рідкі і газоподібні викиди, які володіють деяким потенціалом хімічної енергії (теплотою згоряння), теплотою чи надлишковим тиском. Основну масу тут складають так звані низькопотенціальні теплові ВЕР - рідини з температурою нижче 100°С і гази з температурою нижче 300°С, які в недалекому минулому пропонувалось не відносити до вторинних енергорсурсів через низькі показники економічності їх використання при великих технічних труднощах і високих капітальних та експлуатаційних затратах. У третіх за значеннями процесах джерелами ВЕР є електрофізичні й електрохімічні процеси. При визначенні виходу і плануванні використання ВЕР рекомендуються такі етапи роботи:

1. вивчення й аналіз технології основного виробництва, технологічного обладнання та перспектив їх розвитку в плановому періоді. В процесі вивчення технології повинні бути виділені ті технологічні процеси, проведення яких пов'язане з виникненням вторинних енергоресурсів, і складений перелік агрегатів (установок) - джерел ВЕР;

2. розрахунки матеріальних і теплових балансів технологічних агрегатів - джерел ВЕР - і встановлення за ними видів ВЕР у виробництві, що розглядається;

3. розрахунки виходу всіх видів ВЕР по кожному джерелі;

4. вибір напрямку використання ВЕР у даному виробництві;

5. вибір технологічного обладнання для агрегатів - джерел ВЕР (за виходом ВЕР і їх видом);

6. розрахунок величини виробленої електричної продукції (виробленої та запланованої);

7. розрахунок величини економії первинного палива за рахунок використання ВЕР;

8. визначення економічної ефективності утилізації ВЕР.

До основних вихідних даних для розрахунку ВЕР слід віднести:

• витрату первинного палива і сировини на одиницю продукції чи в визначений період часу;

• план випуску продукції даного виробництва в період, що розглядається;

• план введення нової технології й обладнання на перспективу;

• техніко - економічні характеристики технологічних апаратів і енергетичних установок.

Для одержання техніко - економічних характеристик агрегатів - джерел ВЕР - можуть бути використані технічні паспорти, технологічні регламенти, регламенти підприємств, результати досліджень, заміри окремих параметрів на діючих установках та ін. За даними техніко-економічних характеристик розраховують матеріальні та теплові баланси технологічних агрегатів, із витратної частини яких виділяється стаття затрат, енергія яких може бути використана в якості ВЕР.

Вихід ВЕР розраховують або безпосередньо із матеріально-теплового балансу агрегату -джерела ВЕР, - або як добуток кількості енергоносія на його енергетичний потенціал.

Кількість енергоносія визначають із матеріальних балансів агрегатів - джерел ВЕР, одиниці вимірювання - це одиниці маси (кг,т) чи об'єму (м³).

Види вторинних енергоресурсів

Поняття «енергетичні відходи виробництва», як зазначалось вище, включає у себе всі витрати в енерговикористовуючих агрегатах, а також енергетичний потенціал готової продукції. Практично це означає, що вся енергія, підведена до енерговикористовуючої енергетичної установки, і внутрішні виділення енергії йдуть у відходи, крім тепла ендотермії, включаючи теплоту базових переходів (якщо готова продукція не потребує зворотного фазового переходу - затвердіння після розплавлення, конденсації після випаровування). Проте, не всі ці відходи можна розглядати як вторинні енергоресурси.

Говорячи про вторинні енергетичні ресурси, тут мається на увазі енергетичний потенціал продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, які створюються в технологічних агрегатах (установках), який не використовується в самому агрегаті, але може бути частково чи повністю використаний для енергопостачання інших споживачів.

Енергетичні відходи, які не можуть бути використані в даному технологічному процесі, виникають у результаті: 1) недовикористання енергетичного потенціалу первинного енергоресурсу -продукти неповного згоряння палива, тепло димових газів, м'ята пара, тепло конденсату, стічних вод і т.п.; 2) проявлення фізико - хімічних властивостей матеріалів у ході їх обробки - горючі гази: доменних, фосфорних та інших печей, тепло готової продукції, тепло екзотермічних реакцій, надлишковий тиск рідин і газів, виникаючі протягом протікання технологічного процесу і т.д. ВЕР першого роду слід старатись усунути методом зниження їх виходу. ВЕР 2 роду - побічний результат технології - тому необхідно або створювати на їх базі комбіновані енерготехнічні агрегати з виробленням одночасно неенергетичної й енергетичної продукції, або утилізувати іншим шляхом за допомогою спеціального обладнання.

Горючі, теплові і надлишкового тиску ВЕР можуть бути 1 - го або 2 роду.

Насправді до цього часу вівся недостатній облік ВЕР у промисловості, не завжди грамотно складаються звіти по виходу і використанню ВЕР, багато джерел (особливо низькопотенціальних ВЕР) не враховуються в розрахунках. У той же час, як уже зазначалося, задача повсюдного внесення

ВЕР в енергетичний баланс країни - одна з найважливіших складових частин державної енергоощадної політики, і до її розширення на сучасному етапі розвитку країни необхідно підходити з особливою відповідальністю.

Використання ВЕР, як важлива частина державної енергоощадної політики

Державна енергоощадна політика представляє собою розроблений, розрахований на довгу перспективу комплекс заходів по підвищенню ефективності використання енергоресурсів у народному господарстві. Загальна економія енергоресурсів складається з економії, досягнутої внаслідок неекономічної частини виробничих сил - власне в народному господарстві; економії, створюваної в виробничих, перетворювальних, розподілюючих галузях паливноенергетичного комплексу; економії, одержуваної за рахунок удосконалення енергетичного господарства споживачів.

Економія у споживачів досягається в основному за рахунок зниження витрат енергоресурсів на одиницю продукції в результаті підвищення рівня корисного використання енергоресурсів. До цього додається економія, одержувана за рахунок використання горючих і теплових вторинних енергоресурсів, зниження різного роду відходів і вторинної сировини, включаючи горючі сільськогосподарські відходи і тверді побутові відходи міст.

Кількісна конкретизація енергоощадної політики потребує проведення у всіх галузях народного господарства робіт по виявленню і техніко-економічній оцінці конкретних енергоощадних заходів. Ефективним засобом виконання цієї роботи в частині економії палива, енергії і використання вторинних енергоресурсів служить складення розгорнутого ергетичного балансу кожного виробничого підрозділу. Такі баланси наочно показують резерви економії енергоресурсів і використання ВЕР.