Рисунок 1 – Использование топлива энергетической промышленностью в США
Авторы: Cecilia Arzbaecher, Ed Fouche, and Kelly Parmenter, Global Energy Partners
Автор перевода: Кравченко В. С.
Значительное количество энергии, используемой промышленностью, теряется в виде тепла, в виде выхлопных газов, воздушных потоков и жидкости, покидающих промышленные объекты. Хотя это технически и экономически не целесообразно для восстановления всего отработанного тепла, валовая оценка заключается в том, что использование отходов может заменить 9% общей энергии, используемой американской промышленностью, или 1,4 квадриллиона БТЕ, что в конечном итоге поможет улучшить глобальную конкурентоспособность США (Энергетика и E3M 2004).
Более широкое использование технологий утилизации отходов в промышленности будет также способствовать уменьшению выбросов парниковых газов (ПГ). Основные источники отработанного тепла в промышленных объектах включают выхлопные газы из печей, работающих на ископаемом топливе, котлы и оборудование для технологического нагрева.
Эти типы источников отработанного тепла могут быть легко использованы для предварительного нагрева воздуха для горения, питательной воды котла и технологических нагрузок. Утилизация отработанного тепла из более низких температурных источников, таких как охлаждающая вода из машин и конденсаторов, как правило, несколько более проблематична, и обычно включает использование тепловых насосов для повышения температуры до подходящей для дистилляции, испарения, нагрева воды и обогрева помещений. В этом документе обобщаются результаты многочисленных исследований, проведенные авторами и их сотрудниками для выявления возможностей для утилизации отходов в промышленных объектах. В нем также описываются последние достижения и приложения в технологии утилизации отходов.
Типичные энергетические проверки
определяют годовую энергию энергии около 5%. Однако этот документ подтверждает, что систематическое восстановление отработанного тепла, основанное на рациональных термодинамических принципах, может обеспечить ежегодную экономию энергии на 10-20% с окупаемостью от 6 до 18 месяцев для промышленных объектов.
Последние достижения в области технологий восстановления тепла показывают, что возможно увеличить экономию энергии на дополнительные 5% до 10%. Поскольку только 5% производственных мощностей США в настоящее время используют утилизацию отработанного тепла, существует огромный потенциал для экономии энергии в промышленном секторе.
Отработанное тепло – это энергия, связанная с потоками отходов воздуха, выхлопных газов или жидкости, которые выходят за пределы промышленного объекта и попадают в окружающую среду. В определении отработанного тепла, подразумевается, что потоки отходов в конечном итоге смешиваются с атмосферным воздухом или подземными водами, и что энергия, содержащаяся в них, становится недоступной в качестве полезной энергии.
Поглощение отработанной энергии окружающей средой часто называют термическим загрязнением. В более узком смысле, отработанное тепло – это энергия, которая отвергается из процесса при высокой температуре достаточной для того, чтобы позволить восстановить часть полезной энергии в экономической целях.
Обычно передаваемая энергия представляет собой внутреннюю тепловую энергию воздуха, но она также может включать передачу скрытой энергии жидкости. Скрытое тепло обычно связано с изменением фазы между паровым и жидким состояниями жидкости, такой как конденсация и кипение. Например, восстановление отработанного тепла из горячего и влажного воздуха, используемого в процессе сушки древесины, включает в себя восстановление как чувствительной, так и скрытой теплоты. Влажный воздух, который в противном случае был бы выпущен в атмосферу, попадает в катушку теплового насоса, где он конденсируется, что обеспечивает не только экономию энергии, но также приводя к улавливанию летучих органических соединений в конденсате.
В количественном определении отработанного тепла используются три важных параметра: количество, качество и временную доступность. Количество имеющегося отработанного тепла обычно выражается в условиях энтальпийного потока отходов:
H = mh
где H = общая энтальпия потока отходов;
m = массовый расход отходов;
h = удельная энтальпия потока.
Качество может быть грубо выражено с точки зрения температуры потока отходов.
Чем выше температура, тем более доступным является отработанное тепло для замены купленной энергии. Использование теплового насоса может значительно улучшить качество отработанного тепла на ограниченный диапазон. Сразу видно, что нельзя использовать поток отработанного тепла при температуре 70оС для нагрева потока жидкости, температура на входе которого составляет 100оС, независимо от общего количества отработанного тепла, имеющегося в наличии. Однако, возможно, использование теплового насоса для повышения температуры отходов до 110оС. Независимо от того, является ли это экономически целесообразным решением, что зависит от окончательного требуемой для нагревания среды.
Временно доступной мерой является наличие отработанного тепла в разы, когда это необходимо. Соответствие доступности отработанного тепла к предельной нагрузке является важным фактором эффективности утилизации отходов.
Поэтому полезность отработанного тепла не зависит от его количества, а зависит от того, соответствует ли его качество требованиям потенциальной нагрузки и доступна ли она в то время, когда это необходимо (временная доступность).
В 2002 году в обрабатывающей промышленности США использовалось приблизительно 16 квадриллионов энергии для работы с широким спектром оборудования, включая котлы, машинные приводы, перегрев оборудования и систем ОВК.
Большинство использованной энергии составлял природный газ (36%), затем электричество (17%) и уголь (7%) (рис. 1). Потому что природный газ объясняется значительным количеством энергии, используемой в обрабатывающей промышленности США и газовые электростанции также генерируют значительную долю электроэнергии в США, обрабатывающая промышленность крайне уязвима к колебаниям цен на природный газ. Дополнительно, обрабатывающая промышленность США все чаще подвергается государственным и федеральным усилиям по сокращению выбросов парниковых газов, поскольку промышленное использование энергии обычно составляет около одной трети выбросов парниковых газов в странах с развитой экономикой. Например, недавно Калифорния провела политику сокращения выбросов ПГ до уровня 2000 года к 2010 году и уровня 1990 года к 2020 году, а также достижение экономии электроэнергии и природного газа, общая экономия около 23 000 КВт и 440 МВт к 2013 году, соответственно.
Рисунок 1 – Использование топлива энергетической промышленностью в США
Калифорнийская энергетическая комиссия стремится экономить 7 800 ГВт электроэнергии и 210 млн. тонн природного газа в промышленности к 2013 году с помощью различных инициатив, включая рекуперацию отработанного тепла.
Согласно недавнему исследованию, потери от потери тепла составляют от 13% до 18%. По оценкам, 1,4 квадриллиона отработанного тепла могут быть технически и экономически восстановлены промышленностью. Если это реализовать, то это переведет к экономии почти на 9% при нынешнем уровне использования энергии.
Хотя в обрабатывающей промышленности США в основном используются электроприводы, они, в значительной степени, зависят от оборудования и отопительных котлов, работающих на ископаемом топливе. Действительно, природный газ составляет около 70% от общей энергии, используемой технологическим отопительным оборудованием в промышленности.
На природный газ приходится 70% общей энергии, потребляемой промышленными котлами, за которыми следует уголь (25%). Химикаты, бумага, пищевая промышленность и нефть нефтеперерабатывающий отрасли доминируют над использованием ископаемого топлива для работы котла, в то время как первичные металлы, химикаты нефтеперерабатывающий отрасли доминируют в использовании ископаемых видов топлива для технологического нагрева оборудования.
Технологическое отопительное оборудование и котлы выпускают от средних до высоких выхлопных газов, отработанного пара и стоков. Например, выхлопы газов из печи, мусоросжигательных установок и другого технологического отопительного оборудования, как правило, выпускаются на температуре выше 1000оС. В результате отработавшие газы от средней до высокой температуры из котлов, работающих на ископаемом топливе, и технологического отопительного оборудования являются первыми кандидатами на регенерацию.
Экономически эффективная утилизация и повторное использование отработанного тепла включает идентификацию отходов по достаточному качеству, количеству и временной доступности, а также нагревательным нагрузкам, которые могут использоваться повторно отработанное тепло. Существует множество промышленных процессов, доступных в странах с низким уровнем диапазона температур, которые могут повторно использовать отработанное тепло, многие из которых находятся в пищевой, текстильной, лесной, нефтехимической и химической промышленности.
Например, некоторые операции дистилляции на нефтеперерабатывающих и химических заводах идеально подходят для открытого цикла системы теплового насоса, которые механически рекомпрессируют верхний
дистилляционный пар, который впоследствии необходимо конденсироваться в ребойлере, где он испарял продукт «днища» в дистилляционные колонны. Это оборудование обычно включают небольшие разности температур и часто является более рентабельным, чем использование сжигания топлива для нагрева ребойлера и градирни до необходимой в дистилляте.
Хотя некоторые промышленные секторы могут предложить большие возможности для утилизации отходов чем другие, большинство промышленных секторов могут повторно использовать отработанное тепло для предварительного нагрева воздуха для горения, подогрева питательной воды котла и предварительной загрузки. Например, теплообменники газ-газ могут передавать тепло от горячих выхлопных газов в поступающий воздух для горения. Так же, теплообменники газ-жидкость могут передавать отработанное тепло от горячих выхлопных газов к питательной воде котла.
Нагрев с предварительным подогревом включает приведение высокотемпературных выхлопных газов в прямой контакт с более холодной жидкостью. Это более экономичное использование отработанного тепла, потому что это не требует использования какого-либо теплообменника.
Интеграция утилизации отходов в местном процессе будет иметь общий процесс последствия для всего объекта. К счастью, существуют стратегии, инструменты и методы чтобы помочь определить наиболее перспективные возможности для утилизации отходов, одновременно обеспечивая оптимальную интеграцию процессов и энергоэффективность для всего промышленного объекта.
Существует два основных типа оборудования для рекуперации тепла, используемого в промышленности: тепло теплообменников и тепловых насосов. Использование теплообменников более распространено, чем использование тепловых насосов, особенно в модифицированных ситуациях. Однако тепловые насосы могут быть более экономичным вариантом в некоторых случаях.
Существует два основных типа оборудования для рекуперации тепла, используемого в промышленности: тепло теплообменников и тепловых насосов. Использование теплообменников более распространено, чем использование тепловых насосов, особенно в модифицированных ситуациях. Однако тепловые насосы могут быть более экономичным вариантом в некоторых случаях.
Подавляющее большинство тепловых насосов работают с температурными лифтами менее 100оС. Существует четыре распространенных типа промышленных тепловых насосов:
– Механические тепловые насосы с замкнутым циклом используют механическое сжатие хладагента. Oни используются для сушки пиломатериалов, обогрева помещений и нагрева технологических жидкостей.
– Автоматические паровые компрессоры с механическим сжатием с открытым циклом используют механическое сжатие для повышения давления паров сточных вод. Они используются для испарения и дистилляционных процессов, обычно встречающиеся в нефти, химических веществах, целлюлозе и продуктах питания.
– Термокомпрессионные тепловые насосы с открытым циклом используют пар высокого давления для увеличения давления паров сточных вод. Они используются в испарителях и восстановлении флеш-пара таких как бумажные сушилки. Как правило, более экономично выбирать открытый цикл теплового насоса, поскольку он имеет как более высокую КС, так и более низкие капитальные затраты по сравнению с замкнутым циклом
– Тепловые насосы с замкнутым циклом используют двухкомпонентную рабочую жидкость и принципы повышения температуры кипения и теплоты поглощения. Они обеспечивают более высокие температуры, по сравнению с другими тепловыми насосами, и имеют возможность обеспечивать одновременное охлаждение и нагрев. Они обычно используются в охлаждающих приложениях.
Утилизация отработанного тепла дает множество преимуществ для промышленности, в том числе:
– Снижает затраты на электроэнергию: все восстановленные отходы автоматически заменяют приобретенную энергию, тем самым снижая затраты на энергию;
– Снижает стоимость основного оборудования: повторное использование отработанного тепла позволяет использовать емкость меньшего энергопотребления, что часто приводит к экономии капитальных затрат, компенсирующих затраты на систему рекуперации тепла;
– Снижает эксплуатационные расходы: поскольку рекуперация отработанного тепла снижает затраты на электроэнергию и часто также снижает капитальные затраты, что снижает эксплуатационные расходы;
– Снижает воздействие на окружающую среду: поскольку вся утилизация отработанного тепла непосредственно заменяет приобретенную энергию, она также снижает воздействие на окружающую среду на воздухе и воде;
– Снижает выбросы ПГ: Утилизация отработанного тепла в промышленности снижает выбросы ПГ, связанные с промышленной эксплуатацией;
– Может снизить затраты на очистку воздуха: стоимость обработки загрязнителей воздуха может быть значительно уменьшена за счет утилизации отходов от выхлопных газов в тех установках, которые полагаются на мусоросжигательные заводы для разложения газообразных или парообразных загрязнителей воздуха;
– Может улучшить качество продукции. Использование тепловых насосов для сушки пиломатериалов обычно обеспечивает более качественный высушенный пиломатериал и более высокие урожаи.
Экономический потенциал систем рекуперации отходов зависит от возврата капитала, что, в свою очередь, зависит от годовой экономии топлива. Трудно предсказать экономию топлива, поскольку они зависят от распределения времени отпущения тепла и тепловой нагрузки.
Кроме того, скорость извлечения капитала из оборудования для рекуперации тепла существенно отличается от оборудования, связанного с производством, поскольку оно обычно фиксируется тарифами на коммунальные услуги и текущими рыночными ценами на топливо и не может быть легко отрегулировано путем манипулирования ценами на продукцию. Наиболее подходящий тип оборудования для рекуперации тепла определяется на основе технической осуществимости, ежегодной экономии затрат и капитальных затрат. Это может быть опасно только для простого периода окупаемости. Например, промышленные тепловые насосы обычно имеют более длительные периоды окупаемости (от двух до пяти лет), чем варианты теплообменника, хотя обычно они обеспечивают лучшие долгосрочные решения. Вместо этого для точного сравнения альтернатив следует использовать надлежащий анализ дисконтированных денежных потоков.
Производственные мощности предоставляют большие возможности для утилизации отходов. Выхлопные газы средней и высокой температуры из печей, работающих на ископаемом топливе, котлы и другое технологическое отопительное оборудование, как правило, составляют наибольшие возможности для пассивной утилизации отходов в промышленности. Однако использование тепловых насосов для повышения температуры низкотемпературного отходящего тепла до более подходящего уровня для дистилляции, испарения, сушки, обогрева помещений и водонагрева также дает большой потенциал. Поскольку менее 5% производственных мощностей США в настоящее время используют утилизацию отработанного тепла, потенциал для утилизации отработанного тепла является огромным в промышленности США. Действительно, считается, что рекуперация отходов может заменить 9% общего потребления энергии промышленностью США – или 1,4 квадриллиона БТЕ.
Дополнительным преимуществом утилизации отходов является сокращение выбросов парниковых газов. В конечном счете, более широкое использование оборудования для утилизации отходов в промышленности США повысит глобальную конкурентоспособность отрасли.
Промышленное оборудование с существенным использованием энергии должно проводить оценки энергоэффективности на местах для определения возможностей снижения энергоемкости и выявления возможностей восстановления и повторного использования отходов. Доступны программы стимулирования от коммунальных служб и федеральных и государственных агентств для компенсации всех или части затрат на оценку эффективности использования энергии на всей территории страны.
Общенациональная оценка энергоэффективности должна:
– Начните с энергетического баланса источников энергии и использования (нагрузки);
– Определить возможности утилизации и повторного использования отходов;
– Использовать анализ пинча, если это применимо;
– Рассмотрите новые варианты технологий, такие как энергосберегающие двигатели, регулируемые скоростные приводы, расширенные средства управления, теплообменники, тепловые насосы, электрические котлы, энергосберегающее освещение, комбинированная тепловая и электрическая энергия, когенерация, хранение энергии и распределенная генерация;
– Определить и реализовать экономически эффективные проекты, которые минимизируют энергоемкость.