Введение
Вторичные энергетические ресурсы - энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов.
Потенциальные запасы вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в отраслях народного хозяйства оцениваются более чем в 1000 млн. ГДж. Рациональное использование их является одним из крупнейших резервов экономии топлива, способствующим снижению топливо- и энергоемкости промышленной продукции. ВЭР могут использоваться непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения потребности в топливе и теплоте или с изменением энергоносителя путем выработки теплоты, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.
Принципиальная схема использования ВЭР (рис. 1) иллюстрирует отдельные потоки и сечения, по которым определяются количественные показатели. По виду энергии ВЭР разделяются на три группы:
Топливные ВЭР. Это химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки углеродистого или углеводородного сырья, побочных горючих газов плавильных печей (доменных, колошниковых шахтных печей и вагранок, конвертерных и т. д.), не используемых для дальнейшей технологической переработки древесных отходов лесозаготовок и деревообработки в лесной и деревообрабатывающей промышленности, упаренных горючих щелоков, бардяных концентратов, коры и древесных отходов в целлюлозно-бумажной промышленности и т. д.;
Тепловые ВЭР. Это физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства, теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов и установок, теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических и силовых установках;
ВЭР избыточного давления. Это потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей (газов) или при выбросе их в атмосферу.
В зависимости от видов и параметров рабочих тел различают четыре основных направления использования ВЭР: топливное (непосредственное использование горючих компонентов в качестве топлива); тепловое (использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве ВЭР, или теплоты или холода, вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках или в абсорбционных холодильных установках; силовое (использование механической или электрической энергии, вырабатываемой в утилизационных установках (станциях) за счет ВЭР; комбинированное (использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР).

Рис. 1. Принципиальная схема использования ВЭР

Топливные ВЭР должны использоваться в качестве топлива полностью (на 100 %). Возможное использование вторичных энергетических ресурсов, утилизируемых с преобразованием энергоносителя, определяется возможной выработкой электроэнергии в утилизационной установке.
Наибольшими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства. В этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов.
Теплота высокого потенциала применяется главным образом для изменения физико-химических свойств сырья и полуфабрикатов посредством их плавки, нагрева и обжига (выплавление металлов в металлургии; обжиг нерудных ископаемых в промышленности строительных материалов; интенсификация химических реакций в нефтеперерабатывающей и химической промышленности; плавка и нагрев металла в машиностроении для получения узлов и деталей заданных форм и для последующей их обработки и т. п.).
В настоящее время доля теплоты высокого потенциала в общем расходе полезной энергии составляет 26%, и на ее получение затрачивается 26 % топливно-энергетических ресурсов. Почти 90 % теплоты высокого потенциала используется в промышленности. Из общего расхода теплоты высокого потенциала около 33 % идет на плавку, 40 % - на нагрев и немногим более 20 % на обжиг руд и минерального сырья. Большая часть (более 90%) теплоты высокого потенциала обеспечивается за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических установках.
Примерно 52 % всей полезной энергии в народном хозяйстве расходуется в виде теплоты среднего (373 - 623К) и низкого (323 - 423К) потенциала, а на ее получение тратится 38 % всех топливно-энергетических ресурсов. Эта теплота применяется для удовлетворения технологических нужд промышленности в таких производственных процессах, которые связаны с физико-химическими изменениями свойств обрабатываемых материалов и требуют для своего осуществления повышенных значений температуры и давления. При этом свыше 90 % полезного потребления теплоты среднего и низкого потенциала расходуется в промышленности (44%) и жилищно-коммунальном секторе (48,5 %). Основными энергоносителями, обеспечивающими энергией средне- и низкотемпературные процессы, являются пар и горячая вода.
Многие отрасли народного хозяйства располагают значительным резервом топливных и тепловых ВЭР. В черной металлургии топливные ВЭР об-разуются за счет доменного газа; конвертерного газа мартеновских печей (при охлаждении без доступа воздуха) и газа ферросплавных печей (феррогазы). Использование этих газов в качестве топлива позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы и исключать вредные выбросы токсичного оксида углерода с металлургических заводов.
Тепловые ВЭР образуются за счет физической теплоты уходящих газов мартеновских печей, доменных воздухонагревателей, различных печей, коксовых батарей, кристаллизаторов установок непрерывной разливки стали, а также за счет физической теплоты шлака доменных и мартеновских печей, кокса, доменного и коксового газа и др.
В настоящее время на предприятиях черной металлургии используется примерно 30 % ВЭР от их количества, определяемого полной утилизацией. Менее 10 % утилизируется в доменном и коксохимическом производстве. Наибольшая по объему утилизация достигнута в производстве мартеновской стали посредством установки котлов-утилизаторов, использующих теплоту газов, от-ходящих от высокотемпературных печей, теплоту горячих технологических газов, а также посредством использования систем испарительного охлаждения. Такое охлаждение, впервые осуществленное на мартеновских печах, позволило повысить КПД этих печей от 15-20 до 25-35%, резко сократить расход охлаждающей воды и соответственно уменьшить расход энергии на ее перекачку. Кроме того, водоохлаждаемые элементы в этих условиях вырабатывают пар (0,05-0,4 МПа и выше), пригодный для теплофикации или для использования в паровых турбинах низкого давления.
Тепловые ВЭР цветной металлургии образуются за счет физической теплоты: уходящих газов обжиговых, шахтных, отражательных, рудно-термических, анодных и других печей, конвертеров, агрегатов для кислородно-взвешенной плавки, шлаковозгоночных установок, охлаждения и пр. Годовой выход тепловых ВЭР, пригодных к утилизации, в цветной металлургии состав-ляет 74,1 млн. ГДж.
Наибольшее количество тепловых ВЭР образуется при производстве меди, свинца, цинка, никеля, олова, алюминия, а также при переработке вторичных цветных металлов. Для их использования применяются котлы-утилизаторы различного типа, воздухонагреватели, установки испарительного охлаждения металлургических агрегатов и другие утилизационные установки. Возможно использование физической теплоты расплавленных шлаков.
Топливными ВЭР химической промышленности являются отбросные газы конвертеров (оксид-углеродная фракция); абгазсинтеза ацетилена; печной газ фосфатного производства и производства карбида кальция; хвостовой газ производства оксида этилена и др.
Тепловые ВЭР — физическая теплота уходящих газов ферритных, пиролизных, рудно-термических, дивинильных, кальцинационных содовых печей, печей обжига известняка, плавильных котлов каустика, радиационно-конвективных подогревателей кислорода и метана, продуктовых потоков колонн синтеза (аммиака, метанола, карбамида), конвертеров природного газа и СО, хвостовых газов в производстве азотной кислоты, контактных аппаратов серной кислоты и др. Кроме того, тепловыми ВЭР являются охлаждающая вода, конденсат, дистиллерная жидкость, пар вторичного вскипания, феррит, шлак рудотермических печей.
Изменение технологических схем и процессов в химической промышленности по совершенствованию технологических процессов в направлении укрупнения единичной мощности агрегатов, разработки и внедрения в производство технологических схем с максимальным и многократным использованием энергоресурсов внутри технологических процессов или агрегатов приводит к сокращению потребления энергии со стороны и уменьшает относительный выход ВЭР.
Топливные ВЭР в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности - горючие газы сажевого производства, абгаз в производствах мономеров для синтетических каучуков и других соединений, метановодородная фракция в производстве этилена, различные виды горючих отходов, получаемых в процессе переработки углеводородного сырья. Тепловые ВЭР - это физическая теплота уходящих газов, а также охлаждающей воды, отработанного пара, пара вторичного вскипания; фузельной воды в производстве синтетического каучука.
Основными источниками ВЭР являются процессы переработки нефти, производство синтетических каучуков и синтетических спиртов, а также сажи. Вторичные энергетические ресурсы, например, предприятий по получению синтетического каучука и спирта составляют 35 - 40% их общего потребления энергии. Большая часть ВЭР этих предприятий может быть утилизирована в отопительно-вентиляционных системах для горячего водоснабжения и производства холода. На современных заводах синтетического каучука за счет утилизации тепловых ВЭР покрывается до 25 % общей потребности в теплоте. На нефтеперерабатывающих заводах в основном используется теплота уходящих газов технологических печей, регенерации катализатора на установках каталитического крекинга, при сжигании сероводорода в процессе получения серы и серной кислоты.
Большой экономический эффект может быть получен также за счет максимального вовлечения в топливный баланс таких видов ВЭР, как метано-водородной фракции, получаемой в процессе производства этилена, низкокалорийных отходящих газов производства технического углерода, генераторного газа, получаемого при разложении сланца, в процессе пиролиза и коксования смол, а также максимального использования отработавшего пара, пара вторичного вскипания и теплоты конденсата.
Тепловые ВЭР в газовой промышленности образуются за счет физической теплоты уходящих газов компрессорных станций, трубчатых печей газопереработки и теплоты охлаждения продуктовых потоков газопереработки.
Современные ГТУ, применяемые для привода компрессоров, поддерживающих давление перекачиваемого по магистральным газопроводам природного газа, имеют КПД 26 - 28%. Температура уходящих газов ГТУ составляет обычно 600-700К, а в безрегенераторных 800К. Потери теплоты с уходя-щими газами достигают 70 %. Широкое использование ВЭР сдерживается отсутствием энергоемких потребителей. В настоящее время теплота уходящих газов ГТУ утилизируется в основном для теплоснабжения самих компрессорных станций, прилегающих к ним жилых поселков и небольших тепличных хозяйств. Суммарные объемы утилизируемых ресурсов на эти цели не превышают 15% располагаемых.
При охлаждении уходящих газов до температуры ниже точки росы и конденсации водяного пара, образующегося при сжигании газа, коэффициент использования природного газа можно довести до 95 % по отношению к высшей теплоте сгорания газа. Располагаемую теплоту уходящих газов можно утилизировать путем непосредственного контакта их с нагреваемой средой без промежуточных теплоносителей и затрат металла на создание поверхностей нагрева (контактные экономайзеры). С помощью контактных экономайзеров можно охлаждать продукты сгорания природного газа ниже их точки росы, равной примерно 330К. При этом конденсируется водяной пар, содержащийся в продуктах сгорания в количестве 2м3 на 1м3 природного газа.
Располагаемую теплоту уходящих газов можно применять в сушильных и других низкотемпературных установках, для подогрева нефти на нефтепроводах, проложенных вблизи компрессорных станций.
Предприятия тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения располагают ВЭР в виде физической теплоты уходящих газов мартеновских, нагревательных и термических печей, вагранок, теплоты испарительного охлаждения мартеновских печей и теплоты отработанного пара прессов и молотов.
Тепловые ВЭР в промышленности строительных материалов - это физическая теплота уходящих газов туннельных, шахтных, вращающихся, ванных и других печей, а также вагранок, охлаждения печей, конденсата и отработавшего пара. Тепловыми ВЭР располагают предприятия и других отраслей промышленности.
Одной из важнейших задач совершенствования технологических про-цессов в любой отрасли народного хозяйства является по возможности полное выявление резервов ВЭР и экономически, а также экологически обоснованное их использование для целей производства и удовлетворения нужд бытового потребления.

 
  

М.Ю. Елагин, Д.т.н., профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»
Тульский государственный университет