 |
Экологические аспекты энергосбережения
|
|
|
|
Экологические аспекты энергосбережения
Необходимость проведения политики энергоснабжения диктуется рядом обстоятельств.
1. Ограниченность невозобновляемых источников энергии (уголь, нефть, газ), потребление которых в мире составляет 10 млрд т. условного топлива в год. Существующих запасов хватит только на несколько десятков лет, а дальше? Энергосбережение может этот период удлинить, пока будут освоены новые источники.
2. Неопределенность перспектив развития ядерной энергетики. Использование ядерной энергии для выработки тепловой и электриче-
ской энергии может отодвинуть энергетический кризис, но не сможет исклю-
чить полностью. К тому же ядерная энергетика, как показал опыт, небезопас-на. На начало 90 г. в мире произошло около 30 аварий на АЭС, против строи-тельства АЭС активно выступают «зеленые».
3. Неопределенность перспектив развития нетрадиционной энергетики (ВИЭ - малая гидроэнергетика, геотермальная энергия биомасса, энергия ветра, солнечная).
Нетрадиционные ВИЭ могут заменить объем органического топлива, но необходимы побудительные мотивы и значительные инвестиции.
Нетрадиционные источники не так уж безобидны экологически.
4. Энергетика - одна из главных загрязнителей биосферы.
В России и СНГ на долю энергетики приходится 30% всех загрязнений атмосферы, в США – 20%.
Объекты энергетики загрязняют атмосферу, землю и воду выбросами дымовых газов, золы и сточными водами электростанций, сбросами большо-го количества теплоты.
Экологически вредным фактором, связанным с объемом энергопотреб-ления предприятия, города, народного хозяйства в целом, является тепловоезагрязнение. Объемы потребления энергопотребителем топлива, горячей во-ды, пара одновременно являются и объемами теплового загрязнения района.
|
|
|
Температура среды обитания является важнейшим фактором, влияю-щим на процессы жизни животных и организмов. Это особенно актуально для водной фауны и флоры.
Для каждого вида растительного и животного мира существует свой интервал температур, благоприятный для обитания. Изменение температуры воды приводит к изменениям поведения живых организмов. Рыбы мигриру-ют, а растения этого сделать не могут - приходится приспосабливаться или умирать. Привыкнув к теплой воде, организмы становятся беззащитны при снижении температуры в случае остановки ТЭС.
Можно привести целый ряд примеров влияния температуры на поведе-ние и воспроизводство организмов. Отрицательные факторы имеют место.
В большинстве промышленных стран установлены пределы теплового загрязнения водоемов (рек, озер, морей), т. к. они принимают основную часть сбросного тепла и наиболее сильно страдают от теплового загрязнения.
В Европе принято, что вода в водоеме не должна нагреваться более чем на 3оС по сравнению с естественной температурой водоема. В США соответ-ственно установлена температура повышения 3оС для рек и 1, 3оС для озер. В России температура в водоемах не должна повышаться более чем на 3оС по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца в по-следние 10 лет.
Борьба с тепловыми загрязнениями с инженерной точки зрения иден-тична работе по энергосбережению. Чем лучше проводится политика энерго-сбережения, тем меньше будет тепловых загрязнений.
Поскольку в энергетике отходы (загрязнения) неизбежны, то необхо-димо стремиться найти им полезное применение, а не просто сбрасывать тепло.
Некоторые способы утилизации тепловых отходов электростанций:
|
|
|
1. Орошение с/х земель (безвозвратные потери воды).
2. Использование в тепличном хозяйстве.
3. Подогрев свежей воды, поступающей на электростанции.
4. Перегонка мазута и других тяжелых нефтепродуктов.
5. Разведение, выращивание рыбы и ряд других мероприятий.
С точки зрения экологии снижение энергопотребления равносильно энергосбережению, что уменьшает нагрузку на окружающую среду и улуч-шает экологию.
Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов (ВЭР)
Главная трудность при решении проблемы утилизации ВЭР обычно со-стоит в поиске потребителя. Приходится анализировать уже не только свое производство, но и в первую очередь сопутствующие, а иногда и совершенно не связанные. Нередко для утилизации ВЭР создают тепличные хозяйства, рыбоводные пруды и т. д. Способ утилизации ВЭР выбирают в зависимости от требований потребителя и вида вторичной энергии.
Если на производстве имеются горючие отходы — топливные ВЭР, то использование их обычно не представляет труда. Так, доменный и коксовый газы металлургического комбината сжигаются в топках паровых котлов вме-сте с другими видами топлива. В крайнем случае, если не удается сжечь топ-ливные ВЭР в обычных топках, создают специальные, например топки с ки-пящим слоем для сжигания высокозольных твердых остатков углеобогати-тельных фабрик.
За счет ВЭР избыточного давления в расширительных турбинах обычно получают электроэнергию (как на рисунке 16. 1). Наибольшую долю состав-ляют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР, только их и имеют в виду. В 1985 г. в СССР было утилизировано около 0, 7-10'8 Дж таких ВЭР — примерно по-ловина того количества, которое считается экономически целесообразно ис-пользовать в настоящее время. В целом же тепловых ВЭР много больше.
Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой температурой (> 400°С) пе-редней (100—400 °С) обычно используются для производства пара или по-догрева воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов. Во-догрейные котлы-утилизаторы предназначены для подогрева воды, идущей на теплофикацию жилых и промышленных зданий. Конструктивно они представляют собой систему труб, через которые прокачивается сетевая во-да, поэтому нередко водогрейные котлы-утилизаторы называют утилизацион-ными экономайзерами.
|
|
|
Широкое распространение в настоящее время получили системы испари-тельного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла — прежде всего это несущие и под-держивающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и по-движные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие проходное сечение газо-
ходов, и т. д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400— 600 °С, а температура в печи много выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая во-да. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной.
Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том и в другом случае происходит загрязнение окружающей среды.
Все эти недостатки исключаются, если в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора (рис. 16. 2). Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхно-сти, в которой теплота уже не сбрасывается в окружающую среду, а идет на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной во-дой, поэтому накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не обра-зуется и срок их службы в 1, 5—3 раза больше, чем при охлаждении необра-ботанной проточной водой.
Рисунок 16. 2. Упрощенная схема котла-утилизатора с системой испари-тельного охлаждения: 1 — питательный насос; 2 — водяной экономайзер;
3—испарительная поверхность котла; 4—барабан котла; 5 —охлаждаемыеэлементы печи; 6 — циркуляционный насос; 7 — пароперегреватель
Система испарительного охлаждения может работать и как самостоя-тельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При ком-плексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. д.
|
|
|
В ряде случаев удается использовать теплоту раскаленных твердых продуктов. На многих металлургических комбинатах сейчас работают уста-новки охлаждения (технологи говорят «сухого тушения») кокса (УСТК), в которых охлаждается кокс с температурой свыше 1000 °С, выгружаемый из коксовых батарей. Особая сложность этой установки состоит в том, что кокс
— горючий материал. Поэтому для его охлаждения используют инертный
азот, а всю установку герметизируют, no возможности предотвращая утечки азота.
Раскаленный кокс в специальных вагонах быстро (поскольку на воз-духе он горит) транспортируется от коксовой батареи и загружается в гер-метичную фор-камеру 1 (рис. 16. 3), затем поступает в камеру тушения 2, в которой он снизу вверх продувается инертным газом. За счет постепенной выгрузки снизу кокс плотным слоем движется сверху вниз противотоком к охлаждающему газу. В результате кокс охлаждается от 1000—1050 °С до 200—250 °С, а газ нагревается от 180—200 °С до
750—800 °С. Через специальные отверстия 3 и пылеосадительную ка-меру 4 газы попадают в котел-утилизатор 5. В нем за счет охлаждения 1 т кокса получают примерно 0, 5 т пара достаточно высоких параметров p = (3, 9÷ 4, 0)МПа и t = (440÷ 450) °С. После котла-утилизатора охлажденный газ еще раз очищают от пыли в циклоне 6 и вентилятором 7 вновь направляют в камеру тушения под специальный рассекатель для равномерного распреде-ления по сечению камеры. Сухой способ охлаждения по сравнению с тради-ционным, когда раскаленный горящий кокс действительно «тушат», поливая водой, позволяет не только получить дополнительную энергию (утилизиро-вать ВЭР), но и повышает качество кокса, уменьшает его потери за счет вы-горания в процессе тушения, исключает расход воды, а главное — позволяет избежать загрязнения атмосферы паром и коксовой пылью.
Рисунок 16. 3. Схема установки сухого тушения кокса
Аналогичные схемы утилизации теплоты других твердых веществ мож-но использовать только при достаточно большой производительности, иначе это будет экономически невыгодно по причинам, указанным выше. Производи-тельность УСТК по коксу составляет 50— 56 т/ч.
Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (< < 100 °С). В последнее время их все шире используют для отопле-ния и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепло-
|
|
|
вые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Непосредственно используют такие ВЭР только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.
Очень остроумное решение для использования низкопотенциальной теплоты отходящих газов даже в бытовых условиях было найдено Ф. Нансе-ном для кухонного аппарата, который он в 1895 г. применял во время похо-да к Северному полюсу. После обогрева сосуда для варки пищи (рис. 16. 4) дымовые газы направлялись в дополнительные газоходы, где отдавали свою теплоту таящему снегу. КПД этого аппарата превышал 90 %, в то время как
у обычных газовых плит он менее 50 %.
В промышленных условиях охлаждение дымовых газов до температур ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водя-ных паров. Холодные стенки труб, по которым циркулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Конденсация водя-ных паров имела место и в агрегате, изображенном на рис. 16. 4, но ввиду уникальности назначения его можно было изготовить из дорогостоящих материалов, не боящихся коррозии, кроме того, действовал он периодически и недолго.
Рисунок 16. 4. Кухонный аппарат Фритьофа Нансена:
1 —плоский сосуд для льда и снега; 2 — крышка с отверстием; 3 — наруж-ный колпак; 4 — сосуд для варки пищи; 5 — кольцеобразная емкость для тая-ния льда и снега; 6 — подставка для кольцеобразной емкости; 7 — газокеро-синовая горелка «примус»
Промышленные подогреватели воздуха для исключения коррозии также иногда изготавливают из некорродирующихся стеклянных труб. Если нет вибрации, такие трубы работают достаточно долго.
Для подогрева воды низкотемпературными газами (t< 100°С) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смесительные теплообменники типа градирни. В них происходит нагрев во-
ды за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта ка-пель воды с газом большая, и теплообменник получается компактный и де-шевый по сравнению с рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вредными веществами, содержащимися в дымовых газах. В ряде случаев это допустимо, например, для воды, идущей в систему химводоподготовки в ко-тельных или на ТЭС. Если загрязнение воды недопустимо, то ставят еще один теплообменник, в котором «грязная» вода отдает теплоту «чистой» и возвращается в контактный экономайзер. Змеевики, по которым циркулирует «чистая» вода, можно установить и внутри контактного экономайзера вместо насадки.
Вопросы для самопроверки
1. Какими путями следует добиваться сбережения энергии?
2. Перечислите различные способы утилизации ВЭР.
3. Перечислите пути энергосбережения энергетике.
4. Назовите социально экологические аспекты энергосбережения.
5. Назовите, где нашли применение котлы-утилизаторы.
6. Расскажите о системах испарительного охлаждения элементов высоко-температурных печей.
7. Каким образом удается использовать теплоту раскаленных твердых пред-метов?
|
|
|
