Утилизация вторичных энергетических ресурсов металлургического производства

     Конвертеры  распространенного на медеплавильных заводах типа (садка меди 40 и 75 т) выделяют 20-40 тыс. нм /ч газов, потери тепла с которыми составляют 30 %. Вместе с тем они как вторичные энергоресурсы используются недостаточно. Одним из исключений является завод «Ренскар» (Швеция), где конвертерные газы после осаждения грубой пыли в пылевой камере поступают в котел-утилизатор. Поверхность нагрева котла 620 м , производительность, в зависимости от нагрузки конвертера, достигает 40-100 т/сут пара.

     Отходящие газы шахтных печей медной, никелевой  и свинцовой плавок имеют теплотворную способность 200-700 ккал/нм. Наиболее эффективна их утилизация для нагрева воздуха, идущего на дутье в печь. Ориентировочно это дает экономию топлива до 12-15 % и облегчает обслуживание фурм. Воздухонагреватели можно устанавливать как самостоятельно, так и непосредственно в «свечах» печи.

     В целом использование ВЭР в  цветной металлургии ниже, чем  в черной.

     4 Особенности утилизации низкопотенциального тепла 

     Ранее рассмотренные источники ВЭР  характеризовались высоким температурным уровнем, однако весьма значительно количество вторичных энергетических ресурсов со сравнительно низкими температурами. К ним относятся отходящие газы технологических и энергетических установок с температурами менее 300 °С, вентиляционные выбросы (15-25 °С), теплота отработанного пара, окружающего воздуха и, кроме того, конденсированных сред: подогретой и оборотной воды (25-40 °С); высокотемпературных жидкостей (40-70); водоемов, рек, озер, морей (средняя температура 5-25 °С), грунтовых вод (10-15), грунта (5-10) и др.

     Запасы  низкопотенциального тепла (НПТ) огромны. Их экономический потенциал, т.е. величина энергии, получение которой из данного вида ресурса в настоящее время оправдано экономически, равен для России 31,5 млн т/год условного топлива даже без учета НПТ отходящих газов энергетических и технологических установок. Это составляет 22 % общего энергопотребления страны, превосходит экономический потенциал ветра и солнечной энергии.

     Далее рассматривается использование  НПТ наиболее востребованных (газовых) выбросов.

     Одним из солидных источников НПТ является отработанный производственный пар. Наибольшие его количества образуются при работе кузнечно-прессового оборудования на машиностроительных предприятиях.

     Отметим, что КПД подобных механизмов сравнительно невелик и количество отработанного пара достигает 85-90 % от в них подаваемого. Его давление обычно равно 0,20-0,25 МПа, энтальпия составляет 2510-2720 кДж/кг.

     Энергию отработанного пара целесообразно  использовать, непосредственно передавая  ее рабочему телу: нагреваемой среде  или турбогенератору. Это позволяет обеспечить хотя бы частичное теплоснабжение потребителя (отопление-вентиляция) или выработку электроэнергии на турбинах мятого пара.

     Известно, например, что отработанным паром  молотов кузнечного производства отапливались собственные цехи и расположенный рядом электротехнический завод на Минском заводе шестерен. Экономия за отопительный сезон составляла до 20 тыс. т условного топлива. Также в Белоруссии теплота отработанного в автоклавах пара применялась для горячего водоснабжения, отопления жилых и административных зданий, технологических нужд нескольких комбинатов силикатных изделий. Это позволяло ежегодно экономить до 30 % тепловой энергии.

     Особенности утилизации НПТ связаны с их использованием в энергосиловых установках с легкокипящими теплоносителями, тепловых насосах, экономайзерах и теплообменниках, холодильных устройствах.

     Установки с легкокипящими теплоносителями находят все большее применение. Часто в их качестве выступают органические вещества («холодный» пар, или цикл Ранкина).

     Принцип действия установки можно проиллюстрировать  примером использования в качестве легкокипящего теплоносителя фреона. В этом случае в греющем контуре установки пар давлением не более 0,12-0,20 МПа подогревает фреон до 70-85 °С, что соответствует давлению паров последнего 1,4-1,6 МПа. Пары фреона направляют в турбину. Кроме электроэнергии, установка выдает конденсат греющего пара. В соответствии с расчетами, себестоимость электроэнергии, вырабатываемой в такой установке, в три раза ниже, чем на ТЭЦ.

     Паротурбинные установки на органическом теплоносителе  для производства механической и  электрической энергии (мощность 50-800 кВт) нашли широкое применение в  Германии. В Японии на «холодном» паре работают установки мощностью до 3000 кВт.

     Цикл  Ранкина для выработки электроэнергии уже многие годы используется также  на геотермальных станциях. Недавно  он же внедрен на цементном заводе «Ленгфурт» (Германия) для утилизации тепла охлаждающего воздуха клинкерного холодильника.

     Отличительная особенность установки заключается  в циркуляции в ней пентана с температурой кипения 36,1 °С. В противотоке с жидким маслом он нагревается до 162 °С и испаряется (давление паров ~19 атм), приводя в действие двухступенчатую турбину, соединенную с обычным генератором переменного тока (690 В, 50 Гц). Мощность турбины составляет 1,1 МВт, удельные капитальные вложения равны 7164 немецким маркам.

     В дальнейшем за счет цикла Ранкина  фирма рассчитывает покрывать до 12% потребности предприятия в электроэнергии.

     За  рубежом применяется также цикл Калина, основанный на использовании в качестве легкокипящего теплоносителя водно-аммиачной смеси, подаваемой на лопатки турбины.

     Весьма  эффективны при использовании НПТ  тепловые насосы (ТН). Они предназначаются для повышения потенциала (температуры) рабочего тела от величин, непригодных для использования в данном процессе, до достаточных для этого. Часто имеется в виду увеличение давления паров рабочего тела с целью повышения температуры его конденсации. Повышение ее до значений, превышающих температуру кипения этого рабочего тела при обычных давлениях, делает возможным его испарение (кипение). Данная схема соответствует второму закону термодинамики. В согласии с ним теплота самопроизвольно передается только от более к менее нагретому телу.

     Таким образом, в тепловом насосе энергия  сжатия затрачивается на достижение температуры конденсации рабочего тела до уровня, превышающего температуру его кипения при нормальном давлении.

     Этот  процесс энергетически выгоден. С помощью теплонасосных установок, затрачивая на их привод 1 кВт-ч внешней  электроэнергии, получают 3-6 кВт-ч тепловой энергии с более высоким потенциалом. В четырех наиболее продвинутых в этом отношении странах (США, Швеция, Великобритания, Германия) в настоящее время работает около 10 млн ТН, экономящих ~220 млн т/год условного топлива. В России насчитывается 2-3 тыс. действующих теплонасосных установок.

     Известны  три вида тепловых насосов: компрессионные, сорбционные и термоэлектрические. Экспертная оценка, выполненная Техническим международным комитетом по тепловым насосам, показала, что основным типом намечаемых к внедрению систем являются компрессионные.

     В компрессионном ТН компрессор засасывает из испарителя легкокипящие пары рабочего вещества, например фреона, и сжимает их. Сжатие сопровождается увеличением температуры и давления паров. Сжатые пары поступают в конденсатор, где отдают тепло другому теплоносителю, например воде, используемой далее в системе горячего водоснабжения. Поскольку температура конденсации сжатого газа выше, чем кипения рабочего тела при обычном давлении, то через регулирующий вентиль конденсат подают в испаритель. Таким образом, работа теплового насоса непрерывно воспроизводится.

     Показано, что эффективность применения ТН в периодических процессах выше, чем в непрерывных.

     В качестве источника НПТ в тепловых насосах могут применяться вытяжной воздух, отработанная вода системы  горячего водоснабжения, промышленная и бытовая. Извлеченная теплота передается воде (водо-водяные ТН) или воздуху (воздушные или воздухо-воздушные ТН). Например, в системах отопления и вентиляции широко представлены воздухо-воздушные тепловые насосы.

     Теплоту низкотемпературных газов эффективно утилизируют также в экономайзерах. К ним относятся устройства для подогрева воды (перед впуском в котел котельной установки) или воздуха (перед подачей в топку), использующие теплоту конденсации дымовых газов, выходящих из топки парового котла и охлаждаемых ниже температуры точки росы. Для этого применяются специальные конструкции: поверхностные и контактные экономайзеры. Они повышают степень регенерации отходящих газов, особенно высоковлажных, на 20-40 %.

     В системах кондиционирования воздуха  и вентиляции возможна утилизация теплоты  вентиляционных выбросов в различных  типах теплообменников, например вращающихся регенеративных и с промежуточным теплоносителем.

     В СССР была разработана обширная номенклатура регенеративных теплообменников с производительностью до 125 тыс. м/ч. Использование теплоты вентиляционных выбросов в них составляет 70-75%.

1 - подвод отходящих  газов; 2 - отвод подогретого воздуха; 3 - подвод воздуха; 4 -отвод отходящих газов; 5 - тепловая труба

Рисунок 1 - Схема тепловой трубы 

     К теплообменникам с промежуточным  теплоносителем относятся, в частности, тепловые трубы (ТТ) (рисунок 1). Как следует из рисунка, отходящие газы омывают горячий конец тепловой трубы и испаряют находящуюся здесь жидкость, например даутерм. Ее пары проходят к холодному концу трубы, где отдают теплоту нагреваемой среде, например воздуху, охлаждаются и конденсируются. Конденсат попадает в кольцевой зазор, заполненный пористой массой с капиллярной структурой. Она представляет собой фитили, металлово-локнистые или другие заполнители. Силы капиллярного давления, возникающие в этой массе при заполнении ее жидкостью, возвращают конденсат в зону нагрева. Работа трубы не зависит от сил гравитации, что позволяет располагать ее в любом положении. Тепловые трубы могут существенно различаться по формам и габаритам. Их внутренний диаметр варьирует от нескольких миллиметров до 10-15 см при длине 2-3 м.

     Тепловые  трубы можно монтировать в  пучки с необходимой поверхностью нагрева. Так, в Японии разработаны  установки, использующие теплоту отходящих  газов доменных воздухонагревателей  для подогрева воздуха, поступающего в их горелки. При температуре газов 230 °С воздух прогревается до 180 °С.

     Другими, помимо металлургии, областями применения ТТ являются энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. Наиболее востребованы они при температурах ВЭР -50+250 °С, так как в данном интервале их эксплуатации не требуется дорогостоящих материалов и теплоносителей.

     Теплоту низкотемпературных ВЭР можно эффективно использовать и для получения  холода.

     В отличие от теплового насоса, которым  теплота отбирается от теплоносителя и переносится на более высокий температурный уровень, в холодильной установке производится отъем теплоты в холодильной камере и выброс ее в окружающую среду.

     Холодильные установки сглаживают сезонную неравномерность  применения ВЭР, поскольку в летнее время снижение расхода теплоты на нужды теплофикации компенсируется увеличением потребности в холоде. Последний производится в виде охлажденной воды с температурой 5-7 °С. Для его получения используются незапыленные отходящие газы с температурой 300 °С, пар давлением 0,13-0,15 МПа, горячая вода с температурой 130 °С [8]. 

     Заключение 

     Практика  проектирования и экономического обоснования  эффективности утилизационных установок, их фактическая эксплуатация показывают, что они дают большой экономический эффект. Так, себестоимость «бестопливного» пара, вырабатываемого в котлах-утилизаторах, почти в два раза ниже, чем пара аналогичных параметров от котлов заводских ТЭЦ. Эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании ВЭР в 2-3 раза выше, чем в топливно-энергетическом комплексе промышленности.

     Таким образом, важнейшим результатом  применения ВЭР является экономия первичного топлива, которая в основном определяет величину получаемого экономического эффекта.

     Эффективность вовлечения ВЭР резко повышается при многоступенчатой схеме утилизации тепловых выбросов. Примером такого «комплексного» использования теплоты природного газа является кузнечно-штамповочное производство Донецкого экскаваторного завода. Применяемая на нем схема сводится к следующему. Продукты сгорания после кольцевой печи поступают в многофункциональный блочный теплообменник. В его первом модуле производится подогрев воды, используемой на технологические и хозбытовые нужды. Следующие две ступени представляют собой рекуператор, в котором нагревают воздух, подаваемый на горение топлива, до 340 °С. Четвертая ступень - нагреватель сжатого воздуха, поступающего на пневмомолоты. После блочного теплообменника продукты сгорания при 200-210 °С направляют в контактный экономайзер, а затем при температуре 55-60 °С - в дымовую трубу. Использование рассмотренной схемы повышает КПД с 18 % (кольцевая печь) до 92 %.