Традиционное и альтернативное теплоснабжение объектов малой тепловой мощности
Для выявления причин низкой эффективности полезного использования тепловой
и электрической энергии необходимо проводить энергоаудит общественных
и жилых зданий, потребителей энергии, технологических установок и котельных
/1/. При проведении инструментальных теплоэнергетических обследований
предприятий выделяются объекты, которые комплексно обследуются с помощью
стационарных или переносных, специализированных, прошедших государственную
проверку и аттестованных приборов.
Основным критерием выбора системы теплоснабжения является ее тепловая
эффективность, более низкая себестоимость вырабатываемой тепловой энергии
как по приведенным затратам, так и с позиций окупаемости инвестиций в
реконструкцию (чистый дисконтированный доход).
Для эффективного решения задач энергосбережения, исключения платы за потери
в подводящих системах необходимо организовать постоянный учет и контроль
расхода энергоносителей /1/. При достаточно сильном износе существующих
тепловых сетей и отсутствии необходимого финансирования работ по их замене
более короткие тепловые сети от блочных котельных перспективнее и экономичнее
(рис.1) /2/.
Блочная котельная — малогабаритная, размещается непосредственно вблизи
потребителя либо на крыше. Длина тепловых сетей в этом случае составляет
не более 50 м.
В котельной устанавливаются котлы, насосы и теплообменники для приготовления
воды на горячее водоснабжение. Кроме того, в котельных целесообразна установка
тепловых насосов, утилизирующих теплоту уходящих газов или жидких стоков
котельной. С помощью теплового насоса нагревается вода для горячего водоснабжения
или генерируется холод для систем кондиционирования.
Рис.1. Принципиальная компоновка блочной котельной мощностью 2 МВт
с котлами КСВа-1,0 Гн и тепловым насосом
K1 — водогрейный газовый котел КСВа-1,0 Гн; K2 — циркуляционный насос
контура котла; K3 — циркуляционный насос контура системы отопления; K4
— циркуляционный насос контура котел-теплообменник; K5 — циркуляционный
насос системы ГВ; K6 — подпиточный насос системы отопления; K7 — подпиточный
насос контура котла; K8 — теплообменник контура котла; K9 — теплообменник
ГВ;
K10 — мембранный расширительный бак контура котла; K11 — подпиточный бак
контура котла; K12 — подпиточный бак контура котла системы отопления;
K13 — тепловой насос; K14 — циркуляционный насос
Как показано в работе /2/, использование теплового насоса в системах
децентрализованного теплоснабжения позволяет повысить коэффициент использования
тепловой энергии котельной с 40% до 85%. В летний период тепловой насос
может работать за счет утилизации теплоты воды из водоемов, от вторичных
теплоносителей промышленных предприятий, гелиоустановок.
Выбор варианта компоновки котельной осуществляется на основе технико-экономического
расчета, сопоставления данных энергоаудита существующих котельных (базовый
вариант) и расчетных параметров проектируемых котельных /2/.
На рис. 2 приведена графическая зависимость себестоимости выработки 1
МВт теплоты от тепловой мощности источника теплоснабжения.
Рис. 2. Зависимость себестоимости тепловой энергии от годовой выработки
теплоты котельных
х — типовые существующие котельные;
• — блочные котельные, оборудованные новыми высокоэффективными котлами;
--- — блочные котельные, оборудованные новыми высокоэффективными котлами
и тепловым насосом
Из графика видно, что с установкой блочных котельных себестоимость вырабатываемой
тепловой энергии снижается на 30-50% за счет более коротких тепловых сетей,
а значит, меньших тепловых потерь. При использовании в тепловых схемах
тепловых насосов (рис. 3) себестоимость тепловой энергии снижается дополнительно
на 25-40 %, так как увеличивается загрузка работы оборудования котельной
в течение года /2/.
Перспективна схема теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником
/2/. Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10-15
лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла
для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых
насосов /2/. Этот экологически чистый источник теплоты достаточно часто
используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется
около 4 тыс. таких установок. Вертикальный грунтовой теплообменник размещается
в скважине глубиной не более 100 м.
| Из альтернативных источников теплоснабжения следует выделить комплексное
энергоснабжение, базирующееся на установке блочных котельных и дизель-генераторных
установках резервного электроснабжения /3/. Для получения тепловой энергии в камере сгорания используется дизельное топливо, природный или сжиженный газ. Особенно перспективны мини-ТЭЦ для отдаленных районов сельской местности. В качестве альтернативного топлива в этом случае может использоваться биотопливо (например, метан, полученный в метантенках из отходов сельского хозяйства). |
 Рис.3. Общий вид теплового насоса мощностью 1МВт, устанавливаемого в котельной |
 Рис.4. Общий вид мини-ТЭЦ |
Между подводящими теплоту тепловыми трубами поочередно установлены
также тепловые трубы, отводящие теплоту от зернистой массы. В качестве корпусов тепловых аккумуляторов можно использовать шахтные выемки, заполненные, например горячей водой /4-6/. К преимуществам использования тепловых труб в качестве теплообменных поверхностей следует отнести простоту компоновки, надежность и стабильность их работы, меньшие гидравлические потери в газовом тракте /4-6/. К альтернативным источникам тепловой энергии можно отнести также огневую обработку твердых бытовых и производственных отходов (ТБО). |
Установка может включать несколько печей для огневого обезвреживания ТБО.
Рис.5. Конструкция теплового аккумулятора с бесфитильными тепловыми
трубами
1 — тепловой аккумулятор с зернистой матрицей;
2 — коллектор с нагреваемой средой;
3 — коллектор-газоход с греющей средой;
4, 5 — соответственно, подводящие и отводящие теплоту тепловые трубы;
6 — зернистая масса
Основными элементами печи являются устройство для приема отходов и помещения
для их складирования, кран, бункер для складирования золы и шлака, отгрузочная
воронка с транспортером для удаления шлака, печь.
Каждая печь имеет две секции, отделенные друг от друга перегородкой из
шамотного кирпича. Секции через перегородку сообщены тепловыми трубами,
с помощью которых из секции, где происходит основное сжигание отходов
в слое, в камеру пиролиза подводится теплота.
Пиролизный газ из камеры по газопроводу рециркуляции подается в горелочное
устройство, после чего сгорает в объеме печи, обеспечивая стабильность
горения слоя ТБО на колосниковой решетке.
Продукты сгорания по газоходу подаются в газо-водяной котел-утилизатор,
где нагревается вода для системы теплоснабжения. Из котла-утилизатора
продукты сгорания с температурой 140-150 °С поступают в абсорбер-теплоутилизатор,
где они охлаждаются в результате мокрой очистки до температуры 60-65 оС.
За счет подмешивания байпасного газа они подсушиваются и затем рассеиваются
через дымовую трубу в окружающую среду.
В абсорбере-теплоутилизаторе происходит более глубокое охлаждение продуктов
сгорания для нагрева воды горячего водоснабжения и их абсорбционная очистка
от оксидов азота, углерода и некоторых тяжелых углеводородов, а также
сажи. Орошение продуктов сгорания может проводиться водой (как самым дешевым
абсорбентом). Эффективность очистки продуктов сгорания от загрязняющих
веществ водой составляет 40-50 %.
Рис. 6. Принципиальная схема установки для предварительной огневой
обработки ТБО и их сжигания
1 — прием отходов; 2 — складирование; 3 — кран; 4 — складирование золы
и шлака; 5 — кран; 6 — отгрузочная воронка; 7 — печь; 8 — транспортер
шлака; 9 — газопровод рециркуляции продуктов сгорания; 10 — система ввода
подсушенного шлама; 11 — котел-утилизатор; 12 — мельница-сушилка; 13 —
шламовый бункер; 14 — центрифуга; 15 — сепаратор пыли; 16 — кран; 17 —
камера подсушки и пиролиза топлива; 18 — камера дожига; 19 — скруббер;
20 — дымовая труба; 21 — тепловые трубы для подвода теплоты при пиролизе
При использовании в качестве абсорбента раствора щелочи, циркулирующей
в замкнутом контуре, эффективность очистки от оксидов азота достигает
85-90% с периодическим извлечением из абсорбера ценных химических веществ,
например, натриевой селитры, используемой на химзаводах для производства
удобрений. Окупаемость инвестиций в капитальное строительство печи в этом
случае составляет примерно один год.
Шлам предварительно обезвоживается механически в центрифугах и затем через
мельницу-сушилку в подсушенном виде вводится в виде пыли над слоем горящих
твердых отходов одновременно с предварительно газифицированным топливом.
Рассмотренные перспективные тепловые схемы, работающие на альтернативных
источниках, позволят в недалеком будущем уменьшить или свести к нулю использование
органического топлива для генерирования теплоты.
Список использованных источников
1. Мелькумов В.Н., Турбин В.С., Семенов В.Н., Кумицкий Б.М. Энергетический
и экологический аудиты промышленных предприятий/ Научн.-практ. вестник,
“Энергия” — Воронеж, Энергия, 2001. с. 1-4.
2. Мелькумов В.Н., Сотникова О.А., Турбин В.С. и др. Энергосбережение
в системах традиционного и альтернативного теплоснабжения //АВОК, 2004
г., № 2.
3. Новые генераторные установки на природном газе серии G3500 компании
“Caterpillar”/Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ1 века,
№10 (57), 2003. — с. 22-23.
4. Левенберг В.Д., М.Р. Ткач М.Р., Гольстрем В.А.. Аккумулирование тепла.
— Киев: Техника, 1991. — с. 49-74.
5. Турбин В. С. Эффективность аккумулирования тепловой энергии уходящих
топочных газов котлов и печей в теплоутилизаторах с зернистой матрицей
// Изв. Вузов. Энергетика, № 5-6, 1997. — с. 60-65.
6. Сотникова О.А., Турбин В.С., Григорьев В.А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих
установок систем теплоснабжения/АВОК, 2003, № 5. — С. 40-44.
7. Сотникова О.А., Турбин В.С., Сазонов Э.В., Леппик В.А. Двухстадийное
огневое обезвреживание твердых бытовых отходов в модульных установках/
Энергосбрережение, № 6, с. 52-55.
Мелькумов В.Н., д. т. н., профессор
Турбин В.С., д. т. н., профессор
Сотникова О.А., д. т. н., профессор
Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет (Россия)
