Энергоэффективные технологии теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Крылова Ж.И.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ) Нижний Новгород, Россия

Проблема энергоэффективности теплоснабжения является одной из наиболее острых в энергетике. В настоящее время, основным источником энергии по-прежнему останется органическое топливо. В результате этого, эффективность использования теплоты во многих случаях недостаточна, при этом сохраняется интенсивность выбросов вредных продуктов сгорания органического топлива.

В соответствии с федеральным законом «О теплоснабжении» принципами организации сферы теплоснабжения является [1]:

1) обеспечение надежности теплоснабжения в соответствии с требованиями технических регламентов;

2) обеспечение энергетической эффективности теплоснабжения и потребления тепловой энергии с учетом требований, установленных федеральными законами;

3) обеспечение экологической безопасности теплоснабжения.

В связи с данными принципами и подпрограммой "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в теплоснабжении и системах коммунальной инфраструктуры" целесообразно внедрение тех или иных альтернативных технологий и источников энергии, которые должны быть обусловлены особенностями конкретно рассматриваемой территории, т.е. наличия доступных альтернативных топливных ресурсов.

Наибольший интерес к энергосберегающим проектам проявляют промышленные предприятия и внедряют следующие типы технологий, которые дают значительный энергосберегающий эффект:

- более эффективное производство энергии, включая современные котельные, когенерацию (тепло и электричество), а также тригенерацию (тепло, холод, электричество); - альтернативные источники энергии.

Одна из наиболее распространенных энергосберегающих технологий с большим потенциалом для улучшений в сфере строительства жилья - это котельные. Современные технологии способны существенно уменьшить потребление энергоносителей, снизить затраты на обслуживание, даже повысить КПД. Кроме того, замена котельной часто позволяет компании перейти с экологически грязного и дорогого угля или мазута на более дешевое и чистое топливо, такое как газ или древесные гранулы.

Альтернативой традиционной системе теплоснабжения могут служить теплонасосные установки (ТНУ), превращающие низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, грунта, воздуха), а также "тепловые отходы" промышленных предприятий и коммунальных служб в тепловую энергию требуемого потенциала. Перенос теплоты от источника низкого потенциала (ИНТ) на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в компрессоре (парокомпрессионные ТНУ) или дополнительным подводом тепла (в абсорбционных ТНУ).

Применение ТНУ кардинально улучшает условия теплоснабжения: в 2 раза может быть сокращено потребление первичной энергии (органического топлива); система теплоснабжения становится децентрализованной, не требующей протяженных тепловых сетей; производство электроэнергии и связанный с ним выброс продуктов сгорания органического топлива могут быть вынесены за пределы населенных пунктов.

Эффективность использования ТНУ во многом связана с наличием (выбором) источника низкопотенциальной теплоты, который может быть выбран для широкого применения однотипных ТНУ в регионе: теплота грунта, грунтовых вод, воды естественных водоемов (в том числе морской воды) и т.п. Однако во многих случаях применение ТНУ определяется локальными условиями конкретного потребителя: наличием местного ИНТ, особенностями использования произведенного тепла, особенностями местного энергоснабжения и др. В этом случае теплоснабжение с помощью ТНУ вполне может вписаться в имеющуюся централизованную систему города или поселка.

ТНУ малой тепловой мощности (1-15 кВт) могут быть эффективно использованы для индивидуального теплоснабжения потребителей в сельской местности (индивидуальные дома, коттеджи, фермерские хозяйства и др.). [2]

Рассмотрим примеры использования альтернативных источников энергии (низкосортные виды топлива, твердые бытовые отходы):

Сжигание древесных отходов, торфа, лигнина.

Одним из основных направлений утилизации древесных отходов является их использование для выработки тепловой и электрической энергии. В последние годы энергетическое использование древесных отходов рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что древесные отходы в качестве топлива обладают многими преимуществами:

• являются CO₂-нейтральными;

• относятся к возобновляемым источникам энергии;

• в их составе практически нет серы;

• возможность сжигать влажные отходы (до 55 - 60% влаги);

• уменьшение эмиссии двуокиси углерода;

• низкая коррозионная агрессивность дымовых газов;

• возможность конденсировать влагу дымовых газов и высвободить скрытую теплоту парообразования;

• низкая, по сравнению с ископаемым топливом, цена.

Использование в России древесных отходов не только меньше вредит окружающей среде, но и служит источником экономии средств, предназначенных для покупки топлива.

Сжигание.

Сжигание древесных отходов базируется на нескольких методах сжигания, в том числе:

• Прямое сжигание,

• Сжигание в кипящем/циркулирующем слое,

• Газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания),

• Сжигание пылевидного топлива.

Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной или подвижной колосниковой решеткой. Данный метод используется в водогрейных котлах и печах малой мощности (менее 20 МВт) для сжигания древесного топлива, в том числе с высокой влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т.д. Для автоматизированного сжигания измельченных отходов также используются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обычное использование тепла - для сушки древесины в сушильных камерах, в водогрейных котлах для обогрева производственных и/или жилых помещений. Для выработки электрической энергии отходы сжигаются в паровом котле с последующим использованием пара в паровой турбине. Эта технология имеет низкий электрический к.п.д. порядка 8-13% (для мини-ТЭЦ мощностью 600-1000 кВт), который повышается благодаря использованию более совершенных методов сжигания, таких как сжигание в кипящем/циркулирующем слое или сжигание пылевидного древесного топлива (Рис.1). Однако эти методы используются в электростанциях мощностью не менее 5 МВт, строительство которых требует больших капитальных затрат. Недостатком этого метода является низкая эффективность и высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.

Сжигание в кипящем/циркулирующем слое позволяет достичь большей эффективности и экономичности за счет почти 100%-го сгорания топлива при меньшем уровне эмиссии отходов горения по сравнению с прямым сжиганием. При использовании данного метода измельченное древесное топливо подается в «кипящий» слой, созданный путем продувания воздуха или газа через слой инертного материала, например, песка. Количество инертного материала существенно больше количества топлива, поэтому процесс горения протекает стабильно с высокой эффективностью. В зависимости от скорости продувки частицы инертного слоя остаются в нем или же выносятся из слоя вместе с продуктами горения и собираются с помощью циклонов, после чего возвращаются в кипящий слой (метод циркулирующего слоя).

Рис. 1. Принципиальные схемы топок с пузырьковым (А) и циркулирующим (В) кипящим слоем: 1 - топливо; 2 - первичный воздух; 3 - вторичный воздух; 4 - дымовые газы; 5 - вывод золы.

Метод сжигания в кипящем слое используется в коммерческих или муниципальных котельных и ТЭЦ в диапазоне мощностей от 5 до 600 МВт для получения электрической и тепловой энергии. Дополнительным достоинством данного метода является возможность сжигания различных видов топлива (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т.д.

Газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания) представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе топливо подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно нагревается до такой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере практически без остатка. Продукты сгорания используются в котле или печи для получения горячей воды, пара или воздуха. В когенерационном режиме пар может использоваться в паровой турбине для получения электроэнергии. Диапазон мощностей систем сжигания такого рода от 150 кВт до 30 МВт. Недостаток - высокая стоимость.

Сжигание пылевидного топлива осуществляется с помощью специальных горелок, предназначенных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства или в результате измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от исходных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8%, подачи и сжигания пыли - полностью автоматизирован. Получение энергии с использованием только древесной пыли используется достаточно редко; обычно это топливо используется в котельных или ТЭЦ, работающих на пылевидном угле и/или торфе. Стоимость комплектного оборудования для сжигания древесной пыли также высока. [3]

Быстрый пиролиз

Быстрый пиролиз представляет собой процесс, при котором сухие (<10% влажности), измельченные в порошок древесные отходы, включая опилки, кору и т.д., быстро нагреваются в кипящем слое инертного материала внутри реактора до температуры 450 - 500°С при отсутствии воздуха. Продуктами пиролиза являются частицы древесного угля, неконденсирующийся газ, конденсирующиеся пары и аэрозоли. Частицы древесного угля отделяются в циклоне, а летучие вещества подвергаются быстрому охлаждению, в результате которого образуется жидкость - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо), поступающее в накопительный резервуар.

Пиролизный газ сжигается в горелке реактора, однако, этого тепла недостаточно для поддержания процесса. Поэтому требуется дополнительный источник тепла, например, природный газ. Основной продукт пиролиза - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо) - имеет калорийность, составляющую примерно 55% от калорийности дизельного топлива. Используется путем сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) или дизельных двигателях. Несмотря на высокую эффективность и удобство использования жидкого синтетического топлива, отсутствие отходов, пиролиз только недавно вышел из стадии исследований и опытных разработок (максимальная производительность действующей пилотной установки составляет 10 тонн в сутки), что обусловливает высокую стоимость используемого оборудования. [3]

Газификация

Газификация представляет собой процесс высокотемпературного превращения древесины в форме щепы (и других видов биомассы, а также угля и торфа) при нормальном или повышенном давлении в газ, называемый древесным или генераторным газом, а также небольшое количество золы, в специальных реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха или кислорода.

Модули газификации комплектуются газогенераторами, работающими на древесных отходах, измельченных в энергетическую щепу длиной от 10 до 150 мм и толщиной от 10 до 100 мм, к которой допускается добавление до 10-15% опилок. Имеются Модули газификации, работающие полностью на опилках, а также на других видах биомассы - рисовой шелухе, лузге подсолнечника, жоме сахарной свеклы и др. При использовании опилок потребление топлива увеличивается на 20% по сравнению с твердыми древесными отходами.

Для получения топлива с нужными характеристиками загрузка топлива в газогенератор производится с помощью скипового подъемника, сопряженного с автоматическим дверным механизмом газогенератора. Модули газификации комплектуется модулем подготовки топлива, главными элементами которого являются одна или несколько рубильных машин для превращения древесных отходов в энергетическую щепу и одна или несколько сушилок для щепы, производительность которых соответствует мощности установленных модулей газификации. Если отходы и без подготовки имеют допустимые размеры и/или влажность, ненужные компоненты модуля подготовки топлива исключаются. Заказчик может укомплектовать станцию подобным оборудованием по своему выбору. Модуль газификации предназначен для получения генераторного газа из древесных отходов и других видов биомассы. Генераторный газ используется в котлах, печах и других тепловых установках для получения тепловой энергии. Одно из тепловых применений состоит в использовании для малых ТЭЦ с целью перехода на более дешевое древесное топливо и другие виды биомассы. Для этой цели генераторный газ, полученный в Модуле газификации, сжигается в горелках, в том числе в смеси с мазутом или легким печным топливом. Загрузка топлива в газогенератор производится с помощью скипового подъемника, сопряженного с автоматическим дверным механизмом газогенератора.

Генераторный газ имеет температуру 300 - 600 °С и состоит из горючих газов (CO, H₂, CH₄), инертных газов (CO₂ и N₂), паров воды, твердых примесей и пиролизных смол. Эффективность газификации достигает 85-90%. Благодаря этому, а также удобству применения газа, газификация является более эффективным и чистым процессом, чем сжигание.

В зависимости от реализованного процесса существуют различные типы газогенераторов: с восходящим потоком газа (П - прямой процесс), с нисходящим потоком газа (О - обращенный процесс), в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Используемый процесс, давление получаемого газа, содержание в нем примесей и пиролизных смол, наличие систем охлаждения и очистки газа определяют различны применения генераторного газа. [3]

Брикетирование отходов.

Отходы лесозаготовки, лесопиления и деревообработки, как правило, громоздки, обладают низкой насыпной плотностью, содержание влаги в них неравномерно и, соответственно, теплотворная способность различная. В процессе брикетирования происходит увеличение плотности брикета до 900-1100 кг/м³. При влажности 10-12% брикеты имеют теплотворную способность 3500-4500 ккал/кг. Таким образом объем древесных отходов сокращается в 2-7 раз. Теплотворная способность брикетов по сравнению с древесными отходами возрастет в 2-3 раза и приближается к теплотворности каменного угля.

Брикетирование древесины, в большинстве случаев, осуществляется без введения связующих добавок. При этом развитие прочности брикета происходит за счет свойств веществ, образующихся древесину.

Древесина представляет собой комплекс сложных органических веществ (целлюлоза, лигнин и гелицеллюлоза), составляющих около 96% веса абсолютно сухой древесины.

Таблица 1. Компонентный состав древесины:

Целлюлоза является основным компонентом древесины и обуславливает упругость древесины, ее механическую прочность. Целлюлоза устойчива к воздействию температур вплоть до 200 ^оС. Экзотермический процесс разложения целлюлозы начинается при температуре 275 ^оС.

Лигнин обеспечивает прочность структуры древесины. При нагревании в присутствии влаги лигнин пластифицируется.

Пентозаны и гексозаны обладают более лучшей растворимостью в воде при повышенной температуре и давлении могут выполнять роль склеивающихся веществ.

Таим образом низкомолекулярные компоненты древесины в присутствии влаги в условиях повышенного давления и температуры могут пластифицироваться, плавиться, растворяться и участвовать в формировании адгезионного контакта, обеспечивая прочность брикета.

Топливные брикеты для промышленного использования и длительного хранения должны иметь повышенную прочность и влагоустойчивость. Для получения таких брикетов требуется термическая обработка измельченных отходов при температуре 200-300 ^оС.

Брикетирование древесных отходов позволяет:

• расширить сферу использования древесных отходов в качестве топлива;

• решить проблему переработки древесных отходов; ? повысить теплотворную способность древесного топлива;

• сократить объем древесных отходов.

Прессование является одним из основных процессов в технологии брикетирования измельченных древесных отходов без связующего.

В процессе прессования брикетов происходит сближение частиц измельченного древесного материала на расстоянии, при котором возможно межмолекулярное взаимодействие. [3]

Альтернативные технологии.

На сегодняшний день одна из самых эффективных альтернативных энергосберегающих технологий в теплоснабжении (экономия достигает 300-400%) - это геотермальное отопление.

Источниками тепловой энергии могут быть земля, природные или искусственные водоемы, грунтовые воды и атмосферный воздух. Основной рабочий элемент системы - тепловой насос, оборудование, которое с помощью циркулирующего незамерзающего теплоносителя выкачивает низкотемпературное тепло со дна водоема или недр земли (Рис.2). Работа геотермальной системы отопления не требует регулярного контроля и вмешательства человека - все процессы происходят автоматически.

Принцип работы геотермального отопления схож с принципом работы кондиционера или холодильника. Основным элементом является тепловой насос, включенный в два контура.

Внутренний контур представляет собой традиционную систему отопления, состоящую из труб и радиаторов. Внешний - внушительных размеров теплообменник, находящийся под землей или толщей воды. Внутри него может циркулировать как специальная жидкость с антифризом, так и обычная вода. Теплоноситель принимает на себя температуру среды и «подогретый» поступает в тепловой насос, аккумулированное тепло передается внутреннему контуру. Таким образом происходит нагрев воды в трубах и радиаторах. Геотермальный (тепловой) насос - ключевой элемент системы [4].

Известны три вида геотермального отопления (Рис.3):

Вертикальный теплообменник с насосом для скважины.

Создание такого контура очень затратное из-за необходимости в дорогом оборудовании и потребности в глубоких (до 200 метров) скважинах. Однако, несмотря на высокие расходы, вертикальные теплообменники являются самым эффективным способом получения тепловой энергии. Продолжительность работы такой скважины может составлять до сотни лет.

Рис.2. Схема работы геотермального насоса.

Горизонтальный теплообменник.

В данном случае трубы находятся под уровнем промерзания грунта. Основной недостаток такого типа геотермальной системы -- необходимость значительных площадей (для размещения коллектора) даже для небольшого по размеру здания. К примеру, для дома площадью 100 квадратных метров понадобится 250 квадратных метров под технические нужды. Также в этом случае нужно устанавливать трубы на некоторой дистанции от деревьев (1,5-2 метра).

Теплообменник в воде.

Это самый экономичный с точки зрения капиталовложений теплообменник. Для его размещения нет нужды в высокобюджетных земляных работах. Он должен располагаться в воде на глубине недоступной для промерзания. Теплообменник должен находиться не дальше, чем на стометровом расстоянии от отапливаемого здания.

Рис.3. Методы установки теплообменников: в воде, горизонтальный и вертикальный.

Плюсы использования геотермального отопления:

- для отопления используется тепловая энергия земли, которая является возобновляемой и неисчерпаемой; не существует риска возгорания;

- отпадает потребность в доставке и хранении топливных материалов; при работе оборудования не образуются какие-либо вредные выбросы, система абсолютно безопасна и экологична;

- система работает автономно, не нуждается в постоянном контроле и вмешательстве;

- она экономична, практически не требует от владельца затрат на обслуживание;

- при всем разнообразии моделей, коэффициент производительности оборудования остается неизменно высоким.

Также энергоэффективной технологией является гелиоэнергетика. Физическая гелиоэнергетика предполагает преобразование солнечного излучения в другие виды энергии при помощи солнечных коллекторов, полупроводников или системы зеркал.

Принцип работы солнечной батареи (генератора энергии) - это прямое преобразование электромагнитного излучения солнца в электричество или тепло. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом. При этом генерируется постоянный ток.

Самым распространенным видом коллекторов являются плоские солнечные коллекторы (Рис.4). Их используют в бытовых отопительных и водонагревательных системах. Плоский коллектор представляет собой остекленную теплоизолированную панель, в которой находится пластина поглотителя. Пластина изготавливается из металла, хорошо проводящего тепло. Иногда это алюминий, но чаще всего -- медь, т. к. она менее подвержена коррозии и лучше проводит тепло. Поверхность пластины обработана смесью, которая удерживает солнечный свет. Эта смесь представляет собой тонкий слой аморфного полупроводника, который наносится на металлическое основание. Она имеет очень высокую поглощающую способность. Благодаря стеклянному покрытию в плоских коллекторах снижаются потери тепла. Снижению теплопотерь также способствует покрытие дна и стенок коллектора теплоизолирующим материалом [5].

Рис.4. Схема плоского коллектора

энергия теплоснабжение экологический древесный

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их высокая стоимость. Солнечные коллекторы рекомендуется устанавливать в коттеджах, загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Внедрение современных энергосберегающих технологий равносильно производству энергоресурсов и зачастую именно оно представляет собой более рентабельный и экологически ответственный способ обеспечения растущего спроса на энергию, в том числе на тепловую. Важный фактор при решении вопроса внедрения энергосберегающих технологий - продуманная государственная ценовая политика на энергоресурсы и инвестиции в данную сферу.

Список использованных источников

1. Российская Федерация. Законы. О теплоснабжении [Электронный ресурс]: федер. закон Рос. Федерации от 27.07.2010 № 190-ФЗ: [ред. от 01.05.2016]. - Режим доступа: КонсульнтантПлюс. Законодательство. ВерсияПроф.

2. Калнинь И.М., Лазарев Л.Я., Савицкий А.И. Энергосберегающие, экологически чистые технологии теплоснабжения производственных и жилых помещений / И.М. Калнинь, Л.Я. Лазарев, А.И. Савицкий [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ekip-tnu.ru/doc1.shtml

3. Гаев Ф.Ф. Энергетическое использование древесных отходов / Ф. Ф. Гаев

4. Геотермальное отопление дома - принцип работы и особенности

5. Солнечные коллекторы [Электронный ресурс]

Размещено на Allbest.ru