ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЭР

Энергосбережение в промышленном производстве за­ключается в совершенствовании технологии и аппаратур­ного оформления с целью максимального использования первичных и утилизации ВЭР.

Энергоаудиты показывают, что резервы экономии как за счет уже известных и отработанных технологий, так и принципиально новых направлений достаточно вели­ки. Например, такие энергоемкие предприятия, как РУП «БМЗ», КУП «Минскводоканал», завод «Полимир» ОАО «Нафтан» суммарно потребляют свыше 1,5 млн т у. т. в год, а предложенные к внедрению энергосберегающие мероприятия позволят снизить потребление энергии на 186 тыс. т у. т.

На практике в различных отраслях экономики раз­работаны перечни типовых мероприятий, позволяющих повысить энергоэффективность производства различных видов продукции. В качестве примеров ниже приводятся энергосберегающие мероприятия для некоторых произ­водств (табл. 5.1).

Таблица 5.1.

Министерство промышленности республики проводит работы по энергосбережению в следующих направлениях:

• разработка и внедрение новых энергосберегающих и экологически чистых технологических процессов;

• оптимизация производственных процессов энерго­емких производств;

• производство комплекса приборов учета потребляе­мых энергоносителей;

• создание комплекса новых энергонасыщенных ма­шин и механизмов с низким потреблением энергоресурсов;

• внедрение автоматизированных систем управления (АСУ-Энергия) для оперативного контроля и управления параметрами потребления энергоресурсов в режиме реаль­ного времени по всем производственным участкам;

• применение электроприводов с частотными регуля­торами;

• энергетическая оптимизация устройства и работы производственного освещения и вентиляции и др.

Одним из перспективных направлений энергосбереже­ния является внедрение на многих машиностроительных предприятиях республики низкотемпературных красок, использование которых позволяет не только резко сокра­тить энергозатраты на сушку окрашенных поверхностей, но и существенно снизить выбросы в атмосферу паров раст­ворителей.

Энергосбережение может быть достигнуто за счет со­вершенствования технологических процессов, выбора раци­ональных видов сырья и методов его подготовки, комплекс­ного использования сырья, применения эффективных ка­тализаторов, организации энерготехнологических систем и установок, применения энергосберегающего оборудования, установки приборов учета и контроля.

Перспективным направлением рационального исполь­зования энергоресурсов является организация энерготех­нологических систем - агрегатов, установок, производств, в которых теплота химических реакций и физико-химиче­ских процессов используется полностью. Наиболее эффек­тивно комбинирование крупнотоннажных установок и производств, в которых энерговыделяющие устройства со­четаются с энергопотребляющими. В этих системах низ­ко- и высокопотенциальная теплота дымовых и техноло­гических газов утилизируется с максимальной полнотой, в том числе с подачей выработанного пара другим потре­бителям.

Отличительной особенностью энерготехнологических систем является строгая сбалансированность производ­ства и потребления энергетического пара, основанная на утилизации ВЭР, в частности теплоты экзотермических реакций.

С этой целью все шире начинают использоваться газо­турбинные установки, позволяющие утилизировать теп­ловую и кинетическую энергию технологических и дымо­вых газов с дополнительной выработкой электроэнергии. Такие установки успешно эксплуатируются на предприя­тиях строительных материалов, химической промышлен­ности, металлургии.

Во многих европейских странах, США, Японии и дру­гих экономически развитых странах активно ведется стро­ительство установок малой мощности для комбиниро­ванного производства тепловой и электрической энергии. Мощность таких установок может составлять от несколь­ких киловатт на микроустановках, которые удобно впи­сываются в интерьер домашней кухни, подобно холодиль­нику или стиральной машине, до нескольких мегаватт для промышленных предприятий. Благодаря постоянно­му совершенствованию технологий стоимость энергии, про­изводимой на малых энергоустановках, приближается к ценам на электроэнергию крупных электростанций.

В последнее время в технике широко используется термин «когенерационные установки». Когенерация - это технология, представляющая единый процесс производ­ства теплоты и электричества. Иными словами когенера­ция — термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного ис­точника энергии (обычно применяют природный газ). Од­нако можно применять дизельное топливо, пропан, уголь, отходы от древесины, биомассу, другие возобновляемые источники энергии. Например, в Дании в качестве энер­гетического источника используется солома. Генерируе-

мая теплота применяется для отопления зданий, подо­грева воды или производства пара в различных произ­водственных процессах. В отличие от традиционных электростанций, где отработавшие газы выводятся через вытяжную трубу, газы, генерируемые в результате коге- нерации, охлаждаются, отдавая свою энергию в контуре горячей воды/пара. Охлажденные газы затем выбрасыва­ются в атмосферу.

Установки когенерации теплоты/энергии могут до­стигать КПД, равного 90 %. Кроме того, процесс когене­рации является более экологически безопасным, т. к. во время сжигания природного газа выделяется меньше ок­сида углерода и оксидов азота, чем при использовании нефти или угля. Развитие когенерации позволит сокра­тить выбросы С0₂ на 258 млн т до 2020 г.

Характерным примером комбинированного источни­ка электроэнергии и теплоты, в дальнейшем когенерато- ра, является двигатель внутреннего сгорания с электро­генератором на валу. При работе двигатель-генератора утилизируется теплота газовых выхлопов, масляного хо­лодильника и охлаждающей жидкости двигателя. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности по­требитель получает 150-160 кВт тепловой мощности в виде горячей воды с температурой 900 °С для отопле­ния и горячего водоснабжения. Главное ее преимущество перед обычными системами состоит в том, что преобра­зование энергии здесь происходит с большей эффектив­ностью, чем достигается существенное сокращение рас­ходов на производство единицы энергии.

В настоящее время в промышленности наиболее ши­роко используются тепловые ВЭР, которые чаще всего применяют для предварительного подогрева сырьевых материалов или воздуха, поступающих в производство с помощью различных теплообменников и рекуператоров теплоты. Для утилизации теплоты высокотемпературных

потоков, например, дымовых газов, применяют регенера­торы — камеры, заполненные насадкой из огнеупорного кирпича. При этом утилизация теплоты осуществляется за счет попеременного переключения потоков дымовых га­зов и дутьевого воздуха из одного регенератора в другой.

Теплота нагретых сред снимается в котлах-утилиза­торах и экономайзерах, в которых производится водя­ной пар или нагреваются вода или воздух.

Энергию сжатых газов можно использовать для вра­щения турбин насосов, подающих жидкость в реактор или магистральную сеть.

В настоящее время все шире используются тепловые насосы - принципиально новые энергетические устрой­ства для обогрева помещений. Принцип их действия и устройство аналогичны холодильным машинам, но они предназначены для выработки теплоты. Теплонасосные станции отбирают теплоту низкопотенциальных источ­ников и обогревают объекты, где требуется умеренная температура не выше 60-80 °С. Эти устройства не загряз­няют окружающую среду и экономичны, так как исполь­зуют незначительное количество электроэнергии.

Обычно тепловой насос включает конденсатор, испа­рители, компрессор и расширительный клапан. В испа­рителе рабочее вещество (конденсат) испаряется при низ­ких температуре и давлении за счет отбора теплоты от низкопотенциального источника. Пары засасываются в компрессор, где сжимаются до определенного давления, соответственно которому повышается их температура. После сжатия пары конденсируются в конденсаторе при

охлаждении водой или воздухом, которые используют­ся как теплоносители в системе теплоснабжения. Отдав часть теплоты в конденсаторе, жидкое рабочее вещество, находящееся под давлением, попадает в расширитель­ный клапан, где резко снижаются его давление и темпе­ратура. Далее описанный цикл повторяется. Если в про-

Г лава 5. Пути решения экологических и энергетических проблем _______

цессе работы установки теплота выделена используемым конденсатом, то она будет собственно тепловым насосом. Если эта теплота в установке отобрана используемым конденсатом, то она уже является холодильником.

Особенностью теплового насоса является то, что от­даваемая потребителю энергия превышает ее расход на привод компрессора за счет использования части энергии низкопотенциального источника. Энергетическая эффек­тивность тепловых насосов характеризуется коэффициен­том преобразования энергии, равного отношению количе­ства энергии, переданной в конденсаторе, к ее количеству, израсходованному на привод компрессора. Значение этого коэффициента обычно превышают единицу, а его техниче­ски возможные значения находятся в пределах от 4 до 5.

В настоящее время в Европе и Японии тепловые на­сосы широко используются в системах теплоснабжения, кондиционирования зданий и помещений

Большой интерес представляют тепловые трубы, пред­ставляющие собой устройства, передающие большие тепло­вые мощности при небольших перепадах температур. Они состоят из герметичной трубы, частично заполненной жид­ким теплоносителем, который, испаряясь у одного конца трубы, поглощает теплоту, а затем, конденсируясь у друго­го конца трубы, ее отдает. На этом принципе производятся теплообменники на тепловых трубах.

В настоящее время большой интерес проявляется к топливным элементам. Они представляют собой устрой­ства, вырабатывающие электроэнергию химическим спо­собом, как в аккумуляторных батареях. Однако в них используются другие рабочие вещества - кислород и во­дород, а продуктом химической реакции является вода. В топливных элементах осуществляется процесс обратный электролизу воды — соединение водорода с кислородом с выработкой энергии. В процессе используется электролит с двумя электродами и катализатор. На катод поступает

I_______ 5.3. Энергосбережение и рациональное использование ТЭР

кислород, а на анод - водород. В результате химической реакции образуется электрическая энергия. В качестве электролитов применяют фосфорную кислоту (КПД до 80 %), твердые оксиды (КПД до 60 %) и др. В Европе и Японии проводят испытания топливных элементов на ав­томобилях мощностью до 100 кВт.

Большой резерв энергосбережения имеется при экс­плуатации холодильных машин. По данным Междуна­родного института холода, на охлаждение, необходимое для хранения продуктов и кондиционирование воздуха, используется более 10 % мирового потребления энергии.

К энергосберегающим устройствам относятся транс­форматоры теплоты - это установки для повышения температуры и переноса энергии (теплоты) от низкотемпе­ратурных источников к потребителям. К ним относятся криогенные установки, холодильные машины, кондицио­неры, тепловые насосы и другие аналогичные устройства. В промышленности кроме низкопотенциальных тепловых имеются и высокотемпературные ВЭР, которые эффектив­но можно использовать с помощью сорбционных транс­форматоров теплоты. По принципу действия они могут быть адсорбционными и абсорбционными. В адсорбцион­ных трансформаторах применяются твердые сорбенты, поглощающие вещества пористой массой, а в абсорбцион­ных - жидкости.

Наибольшей распространенностью характеризуются аб- сорбционные трансформаторы. В них рабочим веществом служат двухкомпонентные (бинарные) смеси с различной температурой кипения. Рабочий агент имеет более низкую температуру кипения, а поглотитель (абсорбент) - более вы­сокую. Температура кипения смеси в зависимости от кон­центрации раствора изменяется от минимальной до макси­мальной. Чаще всего в этих трансформаторах применяют­ся водоаммиачные и бромисто-литиевые смеси.

Большой резерв энергосбережения представляет ра­ционально организованная вентиляция производствен­ных, общественных и жилых зданий, так как наиболь­шие потери теплоты из зданий происходят через системы принудительной вентиляции. Здесь необходимо широко использовать рециркуляцию воздуха, очистку воздуха от примесей непосредственно в помещении без выброса его в атмосферу, утилизацию теплоты вентиляционных вы­бросов. Энергосбережение в системах производственной вентиляции может быть достигнуто за счет:

• замены старых вентиляторов на новые, более эко­номичные;

• внедрения рациональных способов регулирования производительности вентиляторов (применение многоско­ростных электродвигателей дает экономию электроэнер­гии на 20-25 %);

• блокировки вентиляторов тепловых завес с устрой­ствами открывания и закрывания ворот;

• отключения вентиляционных установок во время технологических и организационных перерывов (эконо­мия электроэнергии до 20 %);

• внедрения автоматического управления вентиля­ционными установками и др.

Одним из возможных путей решения проблемы ото­пления больших производственных зданий может быть децентрализация системы теплоснабжения по теплоноси­телю, воде и пару за счет внедрения газового лучистого отопления (ГЛО) и газовых воздухонагревателей. В дан­ном случае поток лучистой энергии инфракрасного спек­тра нагревает поверхность пола, стен или оборудования в рабочей зоне. При этом теплота не теряется на нагре­вание воздуха. Системы ГЛО уже более 50 лет успешно функционируют за рубежом. В Беларуси они внедрены с большим энергосберегающим эффектом на некоторых предприятиях.

Практика работы энергетических предприятий сви­детельствует о том, что рациональная организация сбора и возврата конденсата водяного пара дает экономию со­тен тысяч тонн условного топлива в год.

В промышленности на освещение в среднем расходует­ся до 10 % потребляемой энергии. Установленная мощность осветительных установок на предприятиях колеблется от 1 до 20 % мощности используемого силового оборудования. Экономия электроэнергии на освещение может быть полу­чена за счет оптимизации светотехнической части самих осветительных установок и осветительных сетей, опти­мизации систем управления и регулирования освещения, а также его рациональной эксплуатации. Оптимизация светотехнической части осветительных установок и осве­тительных сетей включает в себя правильный выбор си­стемы освещения и типов источников света, экономичных схем размещения светильников, а также рациональный подбор видов светильников по их светораспределению и конструктивному исполнению.

Для освещения помещений используются различные источники света. Эффективность их характеризуется све­товой отдачей (отношением освещенности или светового потока к потребляемой мощности, лм/Вт). Наименьшей светоотдачей характеризуются лампы накаливания, у которых эффективность в два и более раз ниже, чем у остальных (табл. 5.2).

5.3. Энергосбережение и рациональное использование ТЭР

Подсчитано, что при замене источников света на бо­лее эффективные (современные) экономится до 71 % элек­троэнергии (табл. 5.3).

Таблица 5.3