Часть водорода предполагается использовать в качестве автомобиль-

Часть водорода предполагается использовать в качестве автомобильного, авиационного и ракетного топлива, а также топлива для газовых
турбин и МГД-установок. Например, запас топлива в виде жидкого водорода в 3-4 раза меньше по массе, чем традиционного, что в 2,5 раза увеличивает полезную грузоподъемность или соответственно дальность полета
самолета.
Водород можно эффективно использовать в технологических процессах
превращения тяжелых остатков от перегонки нефти (мазутов) в светлое моторное топливо и гидроочистки (обессеривание) моторного топлива.
Водород с оксидом углерода предполагается использовать в производстве метанола и (на его основе) разнообразных химических продуктов.
Водород и оксид углерода как идеальные газы-восстановители могут
быть применены в доменном производстве и цветной металлургии вместо
природного газа, а также для прямого восстановления. Наиболее перспективным представляется использование СО – водородной смеси для освоения рудных богатств Курской магнитной аномалии.
Конечной целью программы «Энергия» является эффективное использование фиксированного углерода Канско-Ачинского угля (в виде полукокса) как бездымного топлива для производства электроэнергии, а летучего
органического вещества угля как исходного сырья, способного заменить
природный газ и нефть в различных промышленных производствах.
Для практической реализации программы «Энергия» необходимо осуществить большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по создании новой техники и эффективных технологий переработки угля.
Красноярским университетом и Институтом теоретической и прикладной механики СО [2] разработана эффективная энерготехнологическая система по эффективной переработке угля на базе МГД-установки, в
которой предусматривается одновременное производство электроэнергии
и химических продуктов (метанола, моторного топлива, реактивного топлива, газового бензина, топливного масла и пр.). Рабочим телом в МГДустановке служит продукт сгорания оксида углерода в подогретом воздухе
– диоксид углерода. Выходящая из МГД-установки плазма диоксида углерода делится на два потока, каждый из которых поступает в циклонный
газификатор. В первом потоке происходит восстановление диоксида угле273
рода на полукоксе до оксида углерода и отделения жидкого шлака. Далее
поток оксида углерода через системы очистки, теплообменники и компрессор поступает в камеру сгорания. При этом некоторая часть потока
оксида углерода используется в качестве источника теплоты для подогрева
в кауперах воздуха и основного потока топлива.
Во втором циклонном газификаторе поток отработанного газа взаимодействует с подсушенным углем и водяным паром, в результате чего
получается СО – водородная смесь (с некоторой долей азота), служащая
исходным сырьем для химических производств.
В обозримой перспективе для систем комплексного теплоэнергоснабжения промышленных предприятий (химической, нефтехимической
промышленности, черной металлургам и т.п.), а также технологических
процессов производства водорода, аммиака, синтез-газа, метанола и др.,
суммарной тепловой мощностью в десятки тепловых гигаватт, возрастает
актуальность эффективного использования ядерных реакторов атомных
электростанций с температурой гелия 1223-1273 К.
На базе ядерных реакторов предусматривается также разработка систем дальнего теплоснабжения, основанных на хемотермических методах
дальней передачи теплоты [2].
Энергоисточником для такой системы может служить высокотемпературный ядерный реактор, тепловая энергия которого используется для
осуществления каталитической конверсии метана в конверторе. Полученный конвертированный газ, состоящий из водорода и оксида углерода,
транспортируется по газопроводам к центрам потребления теплоты, где в
специальных установках-метанаторах происходит каталитическая реакция
синтеза метана из конвертированного газа, сопровождающаяся выделением теплоты с температурой 675-975 К.
После охлаждения метан возвращается на конверсионный центр, а
выделившаяся при этом вода может использоваться либо на месте, либо
также возвращаться на конверсионный центр. Принципиальная схема теплоаккумулирующей части включает в себя паровую каталитическую конверсию, осуществляемую за счет подвода теплоты высокотемпературного
ядерного реактора с гелиевым теплоносителем; производство технологического пара, необходимого для осуществления процесса конверсии;
предварительный подогрев газовой и паро-газовой смеси, поступающей на
274
конверсию; охлаждение газа и конденсацию избытка пара.
Смесь, содержащая около 95 % СН4, 1 % CO2 и 4% H2, предварительно подогревается в теплообменнике до температуры 573 К за счет
утилизации теплоты конвертированного газа и смешивается в необходимом соотношении с перегретым паром. Парогазовая смесь подогревается в
теплообменнике до температуры начала реакции (~865К) и поступает в
конвертор. Необходимый для осуществления конверсии технологический
пар генерируется частично за счет утилизации теплоты конвертированного
газа в теплообменниках и частично за счет подвода в теплообменник тепла
ядерного реактора.
В зависимости от способа организации процесса метанирования (количества ступеней метанирования и объема рециркулируемого газа) верхний температурный уровень теплоты, производимой в метанаторах, может
изменяться от 675 К до 875-975 К, что позволяет осуществлять как нагрев
в теплообменниках сетевой воды или производство технологического пара, так и генерацию энергетического пара с необходимыми параметрами.
Достоинства транспортировки тепла в химически связанном состояния по сравнению с транспортировкой в виде горячей воды заключаются в
следующем [2]:
в снижении металлоемкости теплопередающей системы на единицу
передаваемой теплоты;
в отсутствии потерь при транспортировке и необходимости теплоизоляции трубопровода. Это позволяет увеличить дальность передачи теплоты.
Применение таких систем дальнего теплоснабжения предполагает
вытеснение из топливно-энергетического баланса значительных объемов
дефицитного газомазутного топлива в сфере промышленного и коммунально-бытового теплоснабжения.
9.2. Производство тепла и электроэнергии на промышленных
предприятиях
На нужды промышленности в странах СНГ расходуется до 50-60%
общего энергопотребления. Поэтому оптимальное использование теплоты
и экономия энергии на промышленных предприятиях – одна из важных
задач в решении топливно-энергетических проблем.
275
Доля электроэнергии, вырабатываемой в промышленности, относительно мала. Электроэнергия чаще всего производится или может производиться на крупных промышленных предприятиях (нефтеперерабатывающих, нефтехимических, алюминиевых и др.), где потребляемая мощность превышает 100 и более МВт. Однако и на небольших предприятиях
выработка электроэнергии может оказаться экономичной даже в тех случаях, когда мощность составляет несколько сот киловатт.
В качестве привода генераторов энергоустановок промышленных
предприятий можно использовать паровые и газовые турбины, дизельные
и поршневые газовые двигатели. Они же могут использоваться в качестве
привода компрессоров и больших насосов. Могут применяться сочетания
паровой и газовой турбин (комбинированный парогазовый цикл), где теплота отработанного газа ГТУ используется для выработки пара паровой
турбины.
Во многих случаях аргументы в пользу производства электроэнергии
на промышленных предприятиях должны основываться на факторе оптимального или эффективного использования сбросной теплоты и круглогодичного использования выработанных теплоты и электроэнергии как,
например, на нефтеперерабатывающих предприятиях. Тем не менее в
большинстве случаев применение таких решений требует тщательного
теоретического исследования и технико-экономического анализа.
Нужно учесть, что для промышленных предприятий могут оказаться
предпочтительными небольшие ЭУ с утилизацией тепла. Экономия энергии здесь достигается в комбинированных системах выработки теплоты и
электроэнергии, где теплота используется для целей теплоснабжения и в
технологических процессах. Например, по данным [3] паровая турбина
противодавления мощностью 50 МВт способна производить 18,6-19,0 ГДж
электроэнергии и 79,4-80 ГДж теплоты на каждый 116 КДж энергии, заключенной в органическом топливе. Общий КПД при этом 84 % (а для
КЭС и котельной ~ 61,3%).
Применение дизельного двигателя с генератором мощностью 1 МВт с
утилизацией сбросной теплоты предполагает получать теплоту и электроэнергию в приблизительно равных долях, причем с КПД ~ 68%, (а для
КЭС и котельной ~ 51 %).
276
Разница КПД замещаемых энергетических установок (КЭС и котельной) в двух выше представленных вариантах объясняется изменением отношения количеств вырабатываемой теплоты и электроэнергии.
Решение вопроса выработки энергии непосредственно на предприятии требует проведения технико-экономического обоснования с учетом
эксплуатационных расходов (на топливо, охлаждаемую воду, вспомогательные средства, ремонт, обслуживание и др.), параметров надежности
(должен предусматриваться дополнительный источник теплоты, резерв
электроэнергии для компенсации непредвиденных нарушений при использовании собственных источников энергии и пр. ), возможных изменений
потребности в теплоте и электроэнергии. Следует отметить, что оптимальный КПД энергетических установок существенно зависит от соотношения
между выработкой теплоты и электроэнергии, и если при нормальных
условиях его влияние незначительно, то в условиях изменения технологических процессов оно может оказывать существенное влияние на КПД
энергетической установки.
Для технико-экономического обоснования необходимо также проанализировать бюджетные и капитальные затраты, полезную площадь.
Если стоимость энергии в себестоимости продукции существенна, т.е.
составляет более 10% общей стоимости, то применение на промышленных
предприятиях собственных энергетических установок целесообразно и
эффективно. Другими благоприятными факторами применения, собственных ЭУ могут быть высокий КПД, наличие топлива и возможность иметь
с целью надежности дополнительную установку для выработки тепла и
электроэнергии непосредственно на промышленном предприятии.
Таким образом, выработка электроэнергии на предприятии целесообразна в тех случаях, когда требуются в больших количествах теплота и
электроэнергия. В перспективе популярность таких ЭУ, возможно, будет
возрастать.
В настоящее время ведутся поиски рабочих тел, отличных по своим
физическим параметрам от воды, для применения в установках с небольшими турбинами при различных значениях температуры и давления. Известно успешное применение ртути в бинарных циклах. С точки зрения
повышения коэффициента использования тепла представляет интерес тур277
бинная установка, работающая на фторорганических соединениях (фреон II, фреон - 113). Термодинамические свойства таких рабочих тел хорошо
известны. В связи с развитием космических исследований были созданы
надежные герметичные системы. Например, в Японии фирмой Ishikawa
Jima-Harima Heavy Industries разработана энергетическая установка с фреоновьпм турбогенератором мощностью 3,8 МВт [3]. В такой установке
фреон питательным насосом под давлением подается в газогенератор, где
он нагревается от сбросного источника тепла и испаряется при постоянном давлении. Пар при относительно высоком давлении поступает в турбину, где подвергается адиабатному расширению, затем конденсируется и
возвращается в цикл питательным насосом. Источниками тепла могут
служить низкотемпературный отработанный пар, горячая сточная вода и
другие жидкие выбросы, солнечная и геотермальная энергия, теплота фазового превращения, бросовое тепло конденсаторов паровых турбин и пр.
9.3. Возможности повышения коэффициента использования
тепла топлива
Одной из важных задач энергосберегающей политики является полное выявление резервов вторичных энергоресурсов и экономически, а
также экологически обоснованное их использование для целей промышленного производства и бытовых нужд.
Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) подразделяют на топливные, горючие, тепловые и избыточного давления [4].
Топливные и горючие ВЭР – это химическая энергия отходов технологических процессов, побочных горючих газов плавильных, доменных
колошниковых шахтных печей, вагранок, конверторов и т.д., древесные
отходы и пр.
Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов различных
технологических процессов. ВЭР избыточного давления, или так называемые «реактивные источники» – это потенциальная энергия газов и жидкостей, выходящих из технологических установок с избыточным давлением.
ВЭР могут быть использованы непосредственно как топливо, а также преобразованы с помощью утилизационных агрегатов в другие энергоносите278
ли. Направление преобразования ВЭР зависит от количества вторичной
энергии, образующейся в единицу времени, степени непрерывности ее получения и температурного уровня.
Различают следующие направления использования вторичных энергетических ресурсов:
топливное – непосредственное использование горючих компонентов
в качестве топлива;
тепловое – использование теплоты, получаемой непосредственно в
качестве вторичных энергетических ресурсов или теплоты и холода, вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных агрегатах, а также в абсорбционных холодильных установках;
силовое – использование механической или электрической энергии,
вырабатываемой в утилизационных установках за счет ВЭР;
комбинированное – использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР.
Регенерация теплоты проводится в таких технологических процессах,
где образуются вещества с высокой температурой и одновременно имеются холодные технологические потоки, которые необходимо нагревать. Регенерация теплоты может осуществляться различными способам и - непосредственно теплообменом через теплопередающую поверхность или с
помощью посторонних тепловых агентов.
В различных отраслях промышленности для регенерации тепла
наиболее распространены: утилизационные установки типа котловутилизаторов (КУ), использующих высокопотенциальные дымовые газы
промышленных печей и технологические газы химических производств
для получения водяного пара; водяные экономайзеры для нагрева питательной воды котлов; воздухоподогреватели рекуперативного и регенеративного типа для нагрева дутьевого воздуха, использующие дымовые газы
высокого и среднего потенциала.
Перспективным является использование низкопотенциальных ВЭР для
производства в абсорбционных холодильных машинах холода, широко применяемого в различных отраслях промышленности, в том числе и для систем кондиционирования воздуха. Использование ВЭР бросовых источников
тепла позволяет существенно снизить стоимость получения холода.
279
9.3.1. Использование сбросной теплоты конденсаторов ТЭС
На тепловых электрических станциях КПД выработки электроэнергии
в лучшем случае составляет ~ 35%. Основная доля потерь - сбросная теплота конденсаторов паровых турбин. Если эту теплоту эффективно утилизировать, то КПД может достигать 75-85%.
Предметом дискуссий являются различные способы утилизации
сбросной теплоты электростанций для теплиц, защиты от мороза, разведения морских водорослей, для повышения температуры воды на базе тепловых насосов и дальнейшем ее использования в системах кондиционирования воздуха.
Наиболее перспективным представляется использование сбросной
теплоты конденсаторов тепловым насосом, приводом компрессора которого является турбина противодавления. В такой схеме сбросная теплота
конденсационной турбины используется в тепловом насосе для первой
ступени подогрева воды в цикле парогенератор-противодавленческая турбина. Вторая ступень нагрева питательной воды осуществляется в подогревателе за счет отбора пара из противодавленческой турбины. При коэффициенте преобразования теплового насоса, равном 6.6, каждая тонна
сжигаемого угля может дать теплоту для целей отопления, эквивалентную
2 т угля [3].
9.3.2. Использование низкопотенциального тепла градирни
Низкопотенциальное тепло градирни, основной функцией которой
является охлаждение нагреваемой в процессе конденсации воды, может
быть также утилизировано путем прямого теплообмена или с помощью
теплового насоса. С учетом этого целесообразно в условиях, когда вода
подается в градирню при температуре свыше 30 °С, проанализировать различные способы утилизации сбросного тепла воды. Например, с помощью
теплового насоса представляется возможность охлаждать воду, при этом
будет снижаться нагрузка на градирни.
9.3.3. Теплоиспользующие системы энергоустановок с ДВС
Поршневые двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с газовой
280
турбиной в тех случаях, когда больше нужна механическая работа (энергия).
Их КПП обычно выше, чем у турбин, и составляет 30-35 %. Кроме того, они
дешевле, но системы охлаждения требуют соответствующих значительных
расходов энергии. Такие агрегаты имеют более низкое отношение мощности
к весу, а их отработанные газы при неудовлетворительной эксплуатации могут быть источником значительного загрязнения атмосферы.
Существует два типа поршневых двигателей, работающих на двух видах топлив с искровым зажиганием. Два вида топлива используются для
двигателей, которые работают в дизельном цикле, при этом для зажигания
применяется дизельное топливо, а основным топливом служит природный
газ. Это позволяет одновременно сжигать распыленное жидкое топливо и
газ, а двигатель может иметь такие же характеристики, как и двигатели,
работающие на чистом природном газе. В тех случаях, когда нет природного газа, двигатель этого типа может без отключения немедленно переключаться на 100 %-е дизельное топливо. Расход дизельного топлива в
данном двигателе составляет ~ 5-10 % суммарного.
Двигатели с искровым зажиганием в прошлом использовались редко.
Ограничением в их использовании являлась цена на газ с высоким содержанием водорода. Поэтому крупные двигатели с искровым зажиганием в
основном производились в центральной Европе и США.
Использование природного газа в качестве топлива имеет следующие
преимущества. Он не дает углеродистого осадка, а это исключает необходимость частых ремонтов двигателя. Кроме того, не происходит разжижения масла, и срок службы смазки существенно увеличивается. Так как основным компонентом природного газа является метан, обладающий высокой стойкостью к детонации, то в двигателях с искровым зажиганием могут быть достигнуты степени сжатия 12:1, что приводит к повышению его
КПД. Входящую в двигатель смесь топливо-воздух легко сделать однородной и холодный запуск возможен без обогащения. Улучшенный состав
смеси топливо-воздух повышает экономичность и снижает уровень токсичности выхлопного газа.
Для увеличения мощности двигателей используется турбокомпрессор.
Мощность двигателя с высокой степенью сжатия (10,5:1) на 35% выше,
чем двигателя с низкой степенью сжатия без наддува (7,5:1) при том же
самом рабочем объеме. Тем не менее в случае необходимости применения
281
более крупных подшипников и коленчатых валов, а также усложнения
конструкции охлаждающей рубашки первоначальная цена за 1 кВт для
двигателя с турбокомпрессором может достигать цены за 1 кВт для двигателя без наддува при одинаковой производительности [3].
Для целей выработки электроэнергии на промышленных предприятиях дизельные двигатели могут быть применены в тех случаях, когда имеется возможность использования на предприятии сбросной теплоты этих
двигателей в системах теплоснабжения. При этом экономически целесообразно выработку электроэнергии осуществлять в течение дня и только в
зимний период (примерно 8 месяцев), а в ночное время и летом использовать электроэнергию от энергосистемы.
Такая система теплоснабжения производственных помещений [8]
работает на заводе фирмы Petbow в Великобритании с дизелями фирмы
Rolls Royce , причем один из трех всегда является резервным. Аккумулятор
теплоты рассчитан на 95 м3. Вода поддерживается почти при температуре
кипения и насосом подается в производственное помещение в специальные нагревательные установки, расположенные в каждом пролете на
уровне крыши для нагрева воздуха. Используются погруженный нагреватель (~ 30 кВт) для поддержания номинальной температуры воды в резервуаре в течение ночи, дополнительный погружной нагреватель (~ 250 кВт)
для обеспечения быстрого нагрева в утреннее время и внешний радиатор
для сброса тепла в особенно жаркое время. Общая стоимость такой системы 200 тыс.фунтов стерлингов.
9.3.4. Теплоиспользующие установки в производстве стали и чугуна
Для утилизация энергии избыточного давления газа доменной печи
могут быть применены газовые турбины. В Японии (1974 г.) газовая турбина, установленная за доменной печью, имеет мощность ~ 6,5 МВт, при
этом количество утилизированной энергии составляет 80-84 %. Постоянная нагрузка на турбине при колебаниях давления в печи обеспечивается
применением безопасной системы. Предполагаемая мощность турбины
составляет 5 МВт для печи с диаметром распара 8 м и до 20 МВт с диаметром 14 м. По расчетам специалистов, период окупаемости таких утилизационных турбин составляет 7 лет [3].
282
На современных металлургических предприятиях ~ 40% общего количества используемой энергии теряется в виде высокотемпературных газов, ~
15% – в виде низкотемпературного пара и горячей воды, ~ 10 % – с излучением. Если эту теплоту утилизировать (особенно газы с высокой температурой) и вторично использовать непосредственно на предприятии или за его
пределами, то можно получить существенную экономит топлива.
Для этой цели фирма British Steel Corporation разработала керамический рекуператор и регенератор для подогрева воздуха горения до 650 °С.
Возможности керамического теплообменника выше, чем металлического,
в особенности с точки зрения ограничений по рабочим температурам.
В кислородных конвертерах теплота уходящих газов может быть использована для подогрева металлического скрапа. Исследования, проведенные на опытной установке в США, показали, что использование тепла
уходящих газов при прохождении их через неподвижный слой размельченного скрапа увеличивается на 43%. Доля утилизированной теплоты при
таком методе подогрева составляла ~ 44 % всей энергии, необходимой для
расплава скрапа. Количество скрапа варьировалось между 20-40 % общей
загрузки печи. Такая же работа проводилась по электродуговым печам [3].
Наибольший интерес представляют непрерывное литье и перспектива
использования больших количеств низкопотенциального тепла, выделяющегося в кристаллизаторах.
9.3.5. Теплоиспользующие установки химических производств
Производство аммиака [4]. Общее количество теплоты, выделившейся
при синтезе на основе метана, пара и воздуха, эквивалентно 34 кДж на 1
моль NH3. При производительности 100 т аммиака в сутки компрессоры
потребляют более 100 МДж/т энергии для получения давления, необходимого для процессов риформинга и синтеза. На практике большая часть потребностей в теплоте и электроэнергии обеспечивается за счет энергетического оборудования, работающего на сбросной теплоте газов, выделившихся в процессах риформинга и синтеза.
Пар, который генерируется при давлении 10-12 МПа и расширяется в
турбине до давления 3 МПа, используется в процессе риформинга и для
других целей. Общая эффективность производства аммиака составляет
283
~ 83%, а потребление энергии – 35 ГДж на 1 т аммиака. Теоретически
можно достичь 15 %-й экономии энергии. Однако практически имеются
невосстановимые потери, включая потери при конденсации, равные ~ 2,1
ГДж/т, что снижает возможную экономию энергии до 6%.
В Нидерландах экономия энергии достигается за счет использования
крупных компрессоров с приводом от паровых турбин. Для привода компрессора могут быть также применяться газовые турбины с использованием бросовой теплоты на подогрев воздуха для горелок риформинга. В этом
случае расход энергии снижается до 33 ГДж на 1 т аммиака.
Производство метанола низкого давления [4]. В этом процессе дистилляция метанола осуществляется с помощью отработанного в турбине
пара низкого давления (482 кПа). На стадии дистилляции использование
теплоты газа риформинга для предварительного нагрева питательной воды
и воды, направляемой в деаэратор, предполагает снижение расхода тепла
на всей установке до 30 -32,5 ГДж/т.
Бросовое тепло может быть использовано для повышения давления пара. На установках с охлаждающей водой отводится большое количество
тепла, которое выделяется в процессе синтеза. Используя некоторую часть
этого тепла, можно повысить параметры пара среднего давления (2930 кПа),
чтобы его можно было вводить в печь риформинга. При этом снижается
общий расход топлива до 9 %.
Теплота процесса синтеза может быть также эффективно использована для нагрева воды котла. Наряду с уменьшением необходимости в дополнительном оборудовании по сравнению с другими методами это предполагает экономию ~ 11%. Кроме того, на стадии дистилляция может быть
использована теплота газов риформинга, которая может уменьшить
нагрузку конденсатора (по газам и сырому метанолу) на 30 %.
Давление продувочного газа (10,3 МПа) из колонны синтеза может быть
использовано в утилизационной турбине (N - 3,7 МВт), что более чем достаточно для удовлетворения потребностей предприятия в электроэнергии.
Нужно отметить, что указанные предложения по усовершенствованию производства в той или иной мере связаны с увеличением капиталовложений.
Производство этилена. В этом процессе также раскрываются большие
284
возможности утилизации бросового тепла на базе автономных и централизованных систем. Автономные системы более целесообразны в тех случаях, когда производство состоит из восьми и менее печей крекинга. Для более крупного предприятия предпочтительна система централизованной
утилизации. При этом общая стоимость утилизационного оборудования
составляет небольшую долю в расходах предприятия в том и в другом
случае. С точки зрения надежности очевидно, что повреждение в любой из
линий потребует отключения только того агрегата, в который включена
система утилизации. В случае же применения централизованной утилизации, при ремонте соответствующих паропроводов необходимо останавливать все производство. Тем не менее в ситуациях, когда обязательны высокие дымовые трубы по соображениям защиты окружающей среды, централизованная утилизация предпочтительнее, поскольку здесь требуется
только одна дымовая груба.
9.3.6. Теплоиспользующие установки нефтеперерабатывающих
производств
На современных нефтеперерабатывающих предприятиях широко используется утилизация тепла. За счет установки дополнительного утилизационного оборудования может быть получена экономия – 5 % стоимости
затрачиваемой энергии. Это исключает повышение КПД печи, которого
можно добиться, используя большое число подогревателей воздуха, главным образом, на печах с низким КПД.
Считают, что эффективность применения теплового насоса с электроприводом компрессоров на нефтеперерабатывающих заводах несколько
уменьшается с учетом низкого КПД выработки электроэнергии при рассмотрении электропотребления в целом. Однако электроэнергия - не единственный источник энергии для привода компрессоров. Если для предприятия мощностью 10-106 т/год использовать все топливо, предназначаемое
для технологических процессов, в цикле газовой турбины, то можно получить 200 МВт электрической мощности и такое количество отработанных
газов с температурой 600°С, которое обеспечит потребность установки в
технологической теплоте. Часть механической энергии может быть ис285
пользована для привода воздушного компрессора, подающего воздух в зону горения с давлением 1,0-1,2 МПа. Можно также использовать энергию
для привода фреонового компрессора, обеспечивая работу теплового
насоса без использования дорогостоящего первичного топлива. В случае
использования низкопотенциального бросового тепла для целей теплоснабжения можно получить до 20 % экономии топлива. При этом следует
отметить, что капиталовложения для осуществления этих мероприятий
будут очень высокими. Это задача на перспективу.
9.3.7. Теплоиспользующие установки целлюлозно-бумажной
промышленности
В процессах сушки бумаги обычно применяется испарения влаги в
тот момент, когда бумага скользит по цилиндрам, обогреваемый изнутри
паром. Нагрев бумаги идет очень медленно. Для осуществления процесса
испарения необходимо, чтобы вся влага в бумаге имела достаточно высокую температуру. Такой процесс сушки требует тщательного регулирования. Кроме того, необходим равномерный подвод теплоты, особенно на цилиндре. Важным является вопрос определения равномерного нагрева и
быстрого удаления конденсата из цилиндра для предотвращения его скопления на периферии цилиндра. Процесс сушки значительно улучшается за
счет качества воздуха вокруг цилиндров, который позволяет ускорить отвод
влажного воздуха из зоны влаговыделения. Совсем недавно стал применяться принудительный конвективный теплообмен между воздухом и внешней
стороной бумаги. Этот способ позволяет утроить количество испаряемой
влаги, которая обычно составляет 15 кг/м2 поверхности цилиндра в час.
Имеются значительные потенциальные возможности использовать бросовое тепло влажного воздуха сушилки до его выброса в атмосферу. Одна
утилизационная установка способна утилизировать до 3 МВт. Теплота используется для нагрева приточного воздуха, для обогрева крыши (чтобы
предотвратить конденсацию), на обогрев фундамента и другие цели.
Производителями тепла и электроэнергии могут быть паровые ТЭЦ.
Бросовое тепло ГТУ используется в котле-утилизаторе для выработки пара, который направляется в турбину с противодавлением. Пар из турбины
286
с давлением около 0,3 МПа используется в технологических процессах.
Анализ теплового баланса установки показывает, что ~ 34 % подведенной энергии теряется с теплотой сбросных газов турбины. Часть этой
теплоты можно использовать для нагрева воздуха, который направляется
на цилиндры для сушки бумаги.
Перспективные процессы сушки – это нагрев от инфракрасного излучения, высокочастотный и микроволновой нагрев, различные нетрадиционные методы сушки.
Инфракрасное излучение (установки мощностью 90 кВт) позволяет
осуществлять нагрев внешней поверхности рулона бумаги за счет инфракрасных газовых нагревательных элементов, проходящих по всей ширине
таким образом, чтобы теплоты было достаточно для немедленного испарения влаги. Это позволяет увеличить производительность. У такого способа сушки единственный и основной недостаток – это широкий радиус
действия длины волны инфракрасного излучения, так как только относительно узкая часть спектра адсорбируется влагой, в результате чего происходит ее испарение.
Высокочастотный и микроволновой нагрев также может эффективно
использоваться в процессах сушки бумаги (и для других процессов сушки), поскольку теплота передается непосредственно туда, где она требуется (например, воде), без потерь, связанных с теплопередачей, т.е. количество израсходованной энергии соответствует получению необходимой
степени сухости.
Применение этого метода на последних стадиях производства бумаги,
где содержание влаги особенно велико, позволяет снизить расход первичной энергии до 50 % и потери с 8 до 4 %. Затраты на такую систему нагрева окупаются через 1,5-2 года в результате экономии энергии.
Развитию нетрадиционных технологических методов сушки в последнее время уделяется большое внимание. Использование тепловых
насосов для сушки целлюлозы и электростатическая укладка сухого древесного волокна могут дать существенную экономию энергии. Однако
применение этих методов требует значительных капиталовложений. Поэтому эти мероприятия лучше всего использовать на новых заводах или
287
при реконструкции уже существующих.
9.3.8. Теплоиспользующие установки сушильных производственных
процессов
Сушка твердых продуктов обычно связана с удалением влаги механическим (центрифуги) или термическим путем. Следует отметить, что возможности экономии энергии намного выше в процессах термосушки.
Термическая сушка (прямая или косвенная, периодическая или непрерывная) считается элективной в том случае, когда влагосодержание
продукта снижается до необходимой степени. Поэтому в процессах сушки
необходимо строго соблюдать нормированное влагосодержание готового
продукта. Что касается использования тепла и экономии энергии, то важность процессов сушки трудно переоценить. Применение высокоэффективных контрольно-измерительных приборов в процессах сушки, кроме
снижения расхода топлива, повышает производительность установки,
улучшает качество продукта и его однородность. Исключение, например, в
цикле работы такого процесса, как пересушка продукта, в большинстве
случаев позволяет снизить расход топлива на 10 %, а в некоторых производствах позволяет вдвое уменьшить затраты энергии на сушку.
Методика измерения влажности основана на том, что когда материал
смывается сушильным агентом, то его температура ниже температуры сушильного агента по сухому термометру. В состоянии насыщения материала влагой его температура приблизительно равна температуре по влажному термометру. Если же влажность материала меньше критической, то его
температура будет повышаться до температуры по сухому термометру.
Разница температур между показаниями сухого и влажного термометров
пропорциональна содержанию влаги в материале. Необходимость регулирования влажности продуктов в различных промышленных производствах
обоснована требованием выпуска качественной продукции.
Например, в текстильной промышленности недосушка материала может вызвать образование плесени и тем самым затруднить ведение нормального технологического процесса.
В производстве керамической плитки нормативное содержание влаги
определяет максимальную прочность плитки: снижается ее крошение,
ломка и увеличивается производительность установки. В производстве силикатного кирпича нормативное содержание влаги снижает разрушения,
288
деформацию и вспучивание кирпича.
289