Котельные установки

ВТОРИЧНЫЕ И НЕТОПЛИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Кроме рассмотренных органических топлив, для нужд теплоснаб­жения могут быть использованы другие виды энергетических ресурсов— отходы теплоносителей от производственных процессов разных отраслей промышленности, объединяемые термином Вторичные (попутные) энергоресурсы; запасы подземных нагретых вод — г е о т е р м а л ь; ные Ресурсы;, избытки электрической энергии в часы провалов её потребления — Электротермические ресурсы и в дальнейшем отходы теплоносителей с разными потенциалами от парогазовых и газо­вых энергоустановок, от атомных, магнитогазодинамических и др.

В настоящее время для теплоснабжения практически используют вторичные, геотермальные и электрические ресурсы.

Вторичными энергетическими ресурсами производ­ства принято считать поступающие непрерывно и в значительном количе­стве рабочие тела, использованные в основном технологическом процес­се. Эти рабочие тела — отходящие газы, пар и конденсат от теплообмен­ников и других аппаратов, горячая вода, поступающая из водоохлаж­даемых устройств технологических агрегатов, нагретый воздух и подоб­ные им рабочие тела или теплоносители имеют достаточно высоки» температурный уровень для дальнейшего их использования. Однако в 1 м3 пара или газа, 1 кг воды или конденсата содержится небольшое количество теплоты.

Все технологические процессы принято подразделять на три основ­ные группы:

Низкотемпературные, протекающие в области температур около 100°С;

Среднетемпературные — от 100 до 500°С;

Высокотемпературные — от 500°С и выше.

Чем выше температурный уровень основного технологического про­цесса, тем большими могут быть потери теплоты с уходящими газами,, конденсатом и теплоносителями. Следовательно, и вторичные энергоре­сурсы можно разделить на три основные группы по температурному 36 Признаку, т. е. с низкой, средйей и высокой энтальпией в единице объе­ма или массы.

Для оценки степени использования теплоты топлива в рассматри­ваемом производственном процессе можно принять по данным Н. А. Се - мененко следующую методику [Л. 6].

Если обозначить через 0ХТ — химически связанную теплоту топ­лива;

С2экз — теплоту экзотермических реакций в процессе;

<3ф. д —теплоту дутья или нагретых компонентов горения;

Qt. ii — Теплоту технологического продукта;

Фг. м—теплоту технологических материалов;

&>нд —теплоту эндотермических реакций, то коэффициент производственного использования теплоты, считая по прямому процессу, составит:

____ Qt. ii Ог. м + Фэнд /1 1 й

’“Ом + Оиэ + Оф.*: 1 '

Если при производственном использовании теплоты приходится расходовать электроэнергию на тягу, дутье, сжатие воздуха или газа в компрессоре, получение кислорода или других энергоносителей, то приведенное выражение должно учитывать в тепловом эквиваленте и расход электроэнергии 25,, т. е. иметь вид:

__________ Qt. ii Фг. м + вЗэнд_____________________________ / ] 1 п

Ох. т + Иэкз + Оф. ш + Х», ■ V ^

Величина коэффициента производственного использования теплоты без утилизации вторичных энергоресурсов лежит в пределах от 0,15 (на­гревательные и другие печи, мартены, обжиг материала и изделий) до 0,4—0,6 (плавка чугуна, термообработка, приготовление пищи).

Основной потерей в технологических процессах является теплота, теряемая с уходящими газами С}от- В ряде случаев величина Сог дохо­дит до 75% химически связанной теплоты топлива (2х. т. Обозначив че­рез Т — температуру уходящего отхода, Т0—температуру окружающей среды, можно найти значение температурного коэффициента, показы­вающего уровень вторичных энергоресурсов и целесообразность исполь­зования при их непрерывном получении:

% = 2^=Ь>-. (1.20)

Если величина г)т приближается к 1, то степень целесообразности использования отхода возрастает; если т]т>0,5—0,6, то экономичность использования отхода от технологического процесса обычно еще целе­сообразна, при т)т<0,5—0,4 использование не всегда рентабельно. Одна­ко при использовании вторичных энергоресурсоз могут возникнуть за­труднения, связанные с загрязнением отходов, их малой энтальпией и т. д.

Наконец, при любом использовании вторичных энергоресурсов дол­жны быть проведены технико-экономические расчеты для выяснения це­лесообразности выбранного способа утилизации имеющихся вторичных энергоресурсов. Использование вторичных энергетических ресурсов, на­пример, на металлургических производствах может дать от 0,1 до 1,0 т пара на 1 т выпускаемого продукта [Л. 6].

В ряде случаев из-за рассредоточения потребителей теплоты и топлива по территории предприятия может оказаться выгодным исполь­зование теплоты уходящих газов только для подогрева в данной уста-

Човке воздуха или сжигаемого топлива. -Если отходящие газы утилизи-, ровать для подогрева воды на нужды отопления или горячего водоснаб­жения, то децентрализация источников теплоснабжения и перерывы их действия могут оказать влияние на технико-экономические показатели. Технико-экономическое сравнение с централизованными источниками получения теплоты или энергетического пара пока еще не разработано.

Основными направлениями использования вторичных энергетиче­ских ресурсов чаще всего являются нагрев воздуха, материалов или из­делий, воды и получение пара. Величина регенерации теплоты отходя­щих газов путем нагрева воздуха ограничена потребным его количест­вом для данного топлива. Если обозначить количество газов, получае­мых от сгорания 1 кг топлива, через ]/°т (при теоретически необходимом количестве воздуха V°), то почти для всех топлив отношение У°г/У° со­ставляет 1,1—1,2. Отношение избытка воздуха в топочном устройстве к избытку воздуха в области воздухоподогревателя обычно составляет 0,75—0,85. Отношение теплоемкостей воздуха и дымовых газов также меньше единицы и примерно равно 0,85—0,90. Степень регенерации теп­лоты определяется произведением этих величин, т. е. максимально воз­можная величина будет составлять 0,75—0,70 и меньше.

Величина регенерации теплоты за счет предварительного нагрева отходящими газами материалов или изделий в данном процессе приво­дит к сокращению расхода топлива на единицу продукции или увели­чению призводительности агрегатов, если последняя не ограничена дру­гими факторами. При этом учитываются необходимость сооружения до­полнительных устройств и связанные с этим капитальные затраты и эксплуатационные расходы. При подогреве воды для целей теплоснаб­жения или производства пара необходимо учитывать длительность ото­пительного сезона и работы производственных агрегатов, различие в графиках нагрузки, дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты и отвлечение персонала от обслуживания основного агрегата.

Вследствие изложенного чаще используют теплоту отходящих газов на производство пара или подогрев воздуха, чем воды на нужды тепло­снабжения.

При технологических аппаратах периодического действия устанавли­вают одно утилизирующее устройство, использующее вторичные энерго­ресурсы за несколькими технологическими агрегатами. Примером тако­го решения является установка котла-утилизатора за несколькими мар­теновскими печами.

В том случае, когда отходящие газы содержат горючие вещества, которые следует сжечь в теплоиспользующей установке, должна быть установлена топочная камера с радиационными поверхностями нагрева.

В котлы-утилизаторы подается большое количество газов с малой энтальпией. Рост количества подаваемых газов на единицу переданного г количества теплоты приводит к необходимости увеличивать затраты энер­гии на преодоление сопротивлений движению газов через поверхности нагрева.

Кроме теплоиспользующих агрегатов, размещаемых после техно­логических установок, имеются котельные агрегаты, встраиваемые в тех­нологические установки; такие агрегаты называют Энерготехноло­гическими. Греющим телом (вторичным энергоресурсом) являются газы - от технологических печей цветной металлургии, химического, саже­вого и ряда других производств. Такие газы сходны с продуктами сго­рания низкокалорийных топлив; они забалластированы азотом, дву­окисью углерода, водяными парами и твердыми. частицами веществ.

Некоторые из газов, используемых в энерготехнологичееких уста - новках, находятся под давлением. Перепад давлений во встроенном котлоагрегате должен быть минимальным.

Так, например, газы от печей для переработки серы имеют теплоту сгорания (2рн от 9,2 до 22,2 МДж/м3 (от 2200 до 5300 ккал/м3); их дожигают. Сера, содержащаяся в газах, конденсируется на поверхностях нагрева энерготехнологических котлоагрегатов.

Пар в энерготехнологических установках получают с давлением от 1,4 до 4,5 МПа (от 14 до 45 кгс/см2) насыщенным или перегретым до 440°С в количестве от 1,11 До 27,8 кг/с (от 4 до 100 т/ч). Капиталь­ные затраты для получения экономии 1 т условного топлива за счет утилизации вторичных энергетических ресурсов промышленности обыч­но в 4—5 раз меньше капитальных затрат на добычу и транспорт 1 г топлива в европейской части СССР.

Под Геотермическими ресурсами понимают запасы под­земных нагретых (термальных) вод, залегающих на технически доступ­ной глубине и возобновляющихся естественным путем. Специфической особенностью термальных вод является их минерализация и насыщен­ность газами; давление вод обычно выше атмосферного.

Термальные воды расположены на глубине до 20 км в осадочных, изверженных и горных породах. Температура воды по мере углубления от земной поверхности на 33 м увеличивается примерно на 1°С. Но в (районах, подверженных вулканическим, явлениям, в газо - и нефтенос­ных районах, иногда в угольных бассейнах температура вод повышается быстрей. Так, например, на. Камчатке температура увеличивается на 1°С при углублении на 2—3 м.

Источниками теплоты в недрах земли являются процессы распада радиоактивных элементов; процессы сжатия, разрыва при складкооб­разовании в горных породах; нагретые газы, выделяющиеся из расплав­ленных пород (магм) за счет химических реакций, процессов кристал­лизации пород и др. Ориентировочно считают, что в горных породах в среднем генерируется на 1 м3 около 6,3 Дж/год или 0,15 ккал/(м3-год) теплоты. Если же имеются выходы расплавленных пород в верх­ние слои, то образуются очаги (интрузии) с большими запасами теплоты.

Например, количество теплоты, выделяемое термальными источни­ками, в США на площади 5000 км2 составляет 250-106 ГДж/год (6Х Х'Ю10 ккал/год), во Франции оно эквивалентно по теплоте, получаемой при сжигании 100 000 т каменного угля в год, а для всей земли 100 млн. т угля в год.

Наиболее перспективными районами в СССР для практического использования термальных вод являются Курило-Камчатская зона, Кавказ, Предкавказье, Карпаты, Предкарпатье, Западная Туркмения, Фергана и Чу-Илийская впадина.

Термальные источники выносят большие количества химических веществ.

В ЧССР в Карловых Барах из недр земли выносятся и добываются ^1300 т глау­беровой соли, ~800 т углекислого натрия, 6 т фтористого кальция, в Италии до­бывают различных солей до 15 000 т в год. Долговечность и надежность термальных источников велика — например, в Италии некоторые источники действуют по 2000 лет, а электростанции на них работают 30—40 лет без изменения режима.

Теплоэнергетическое использование термальных вод считается вы­годным при:

Залегании не глубже 2000—2500 м от уровня земли;

Температуре не ниже 90—100РС;

Расходе из скважины не менее 15 л/с (1000 м3/сут);

Наличии естественного напора, но не менее 0,2 МПа (20 м вод. ст. над уровнем земли);

Устойчивости дебита (расхода) из скважин в течение 20—30 лет; химическом составе, неагрессивном к металлу.

При использовании термальных вод наибольший экономический эффект можно получить, если обеспечить их применение для теплоснаб­жения, лечебных целей — бальнеологии — и получения химических про­дуктов. Начато применение в СССР термальных вод для теплоснабже­ния жилых районов, производственных предприятий и в сельском хозяй­стве. Однако выработка значительных мощностей электрической энер­гии за счет Подземной теплоты, по данным академиков В. А. Кириллина и М. А. Стыриковича ЦЛ. 7], не представляется перспективной.

Потребление Электрической энергии для теплоснаб­жения может оказаться рентабельным при:

Наличии объектов специального назначения или рассчитываемых на ограниченный срок эксплуатации;

Размещении объектов в районах Крайнего Севера и вечной мерз­лоты;

Наличии децентрализованных источников энергии, высокой стоимо­сти топлива и наличии провалов в суточных графиках.

По данным ряда исследований и эксплуатации нагревательных опытно-промышленных установок, использующих электроэнергию, вы­рабатываемую гидростанциями с низкой стоимостью, наиболее рацио­нально получение тепловой энергии от встроенных в объект потребления котельных с электрокотлами, рассчитанными на напряжение 0,4 кВ, и отдельно стоящих котельных с электрокотлами на напряжение 6 кВ и выше.

Из электрических сетей электроэнергию на теплоснабжение обычно потребляют в часы провала электрических нагрузок. Воду, нагретую в этот период, накапливают в баках-аккумуляторах и расходуют в ча­сы пик. Использование электроэнергии для теплоснабжения допуска­ется только в отдельных случаях.