IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

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 (

Код для цитирования: Скопировать