TLL Media | Инженеринг ревю | IndustryInfoBG | South-East European INDUSTRIAL Market | Български Технически Каталог | Енерджи Инфо БГ | ТД ИНСТАЛАЦИИ | Екология & Инфраструктура
 
 
 
TLL Media Българското специализирано техническо списание за енергетика
НАЧАЛО     ENGLISH
Търси
TLL Media
TLL Media
ИздателствотоЗа изданиетоАрхивАбонамент РекламаКонтактиПредстоящо
TLL Media
 

ТОПЛОЕНЕРГЕТИКА

Енерджи ревю » Сп. Енерджи ревю - брой 1, 2017, март
Технологии за оползотворяване на отпадна топлина

Kакто е известно, отпадната топлина е остатъчна енергия, генерирана в рамките на промишлен процес, която практически не се използва. Източници на отпадна топлина могат да бъдат горещи горивни газове, изпускани в атмосферата, нагрети продукти, изходящи от индустриалния процес, или загрети повърхности на оборудване.

Въпреки че е трудно е да се определи точното количество на отпадната топлина, различни проучвания установяват, че от 20 до 50% от консумираната в индустрията енергия в крайна сметка се губи. Разбира се, някои топлинни загуби са неизбежни, но предприятията могат да ги ограничат чрез повишаване ефективността на съоръженията или внедряване на технологии за оползотворяване на отпадната топлина.

Те включват улавянето й и повторното й използване в индустриални процеси за генериране на електроенергия, подгряване на въздух, необходим за горене, абсорбционно охлаждане, отопление на помещения и др.

Топлообмен
Топлообменниците се използват най-често за пренос на топлината от горивните газове към подавания в пещи въздух. Тъй като предварително нагретият въздух постъпва в пещта с по-висока температура, по-малка част от енергията ще трябва да бъде осигурена от използваното гориво. Най-разпространените технологии за подгряване на въздух с отпадна топлина са рекуператорите, регенеративните пещи и горелки, ротационните регенератори, и пасивните нагреватели за въздух.

Рекуператорите оползотворяват отпадната топлина от димните газове, като принципът им на работа може да се базира на излъчване, конвекция или съчетание от двете. Те се конструират от метални или от керамични материали. Металните рекуператори се прилагат за температури под 1093 °C, докато за оползотворяване на топлина с по-високи температури се предпочитат тръбните керамични рекуператори.

Регенеративните пещи се състоят от две тухлени камери, през които периодично преминават горещ и студен въздушен поток. При преминаването на димните газове през едната камера, тухлите поглъщат топлина от тях и се загряват. След това потокът на постъпващия в пещта въздух се пренасочва да преминава през нагрятата камера.

Използват се две камери, за да може докато едната се загрява, другата да предава топлина на необходимия за горенето въздух. Посоката на въздушния поток се сменя приблизително на всеки 20 минути. Регенераторите се използват най-често при стъкларски и коксови пещи, както и за доменни пещи. Тези системи са особено подходящи за високотемпературни приложения със силно замърсени горивни газове. Сред недостатъците им са големият им размер и капиталовите разходи, които са значително по-високи в сравнение с тези за рекуператорите.

Ротационните регенератори приличат на статичните регенератори по това, че топлопреносът се реализира чрез съхранението на топлината в порьозна среда и чрез редуването на горещи и студени газови потоци. Те се състоят от въртящ се порьозен диск, разположен напречно на два успоредни въздуховода – един за студените газове и един за горещите отпадъчни газове. Изграденият от материал с висок топлинен капацитет диск се върти между двата въздуховода и пренася топлина от горещия към студения.

Приложението на тази технология обикновено се ограничава за ниски и средни температури заради термичното напрежение, създавано от високите. Големите температурни разлики между двата въздуховода могат да доведат до деформации, които да предизвикат нарушаване целостта на херметичните уплътнения между диска и въздуховодите. Друго предизвикателство при ротационните регенератори е предотвратяването на кръстосано замърсяване между двата газови потока, тъй като замърсителите могат да бъдат пренесени в порьозния материал.

Едно от предимствата им е възможността да оползотворяват и влагата от чисти газови потоци, когато дискът е изграден от хигроскопичен материал. Освен основното им приложение за отопление и климатизация на помещения, ротационните регенератори се използват до определена степен и за средни температури. Разработени са и варианти за високи температури, например за пещи за алуминий, но те не се използват често поради високата им цена.

Пасивните нагреватели за въздух са топлообменници тип газ-газ за ниски и средни температури, които намират приложение за пещи, парни котли и др. Те могат да бъдат два вида – пластинчати или тръбни. Пластинчатите се състоят от множество успоредно разположени пластини, формиращи канали, в които се движат горещи и студени газови потоци. Възможността за кръстосано замърсяване тук е по-малка, но съоръженията често са по-обемисти и скъпи в сравнение с ротационните регенератори.

На пазара се предлагат и регенеративни горелки, които са по-опростени и компактни от регенеративните пещи или рекуператорите. Конструкцията на тези горелки включва топлообменни повърхности, които улавят енергията от изходящия димен газ и я връщат обратно в тялото на горелката.

Подобно на регенеративните пещи, горелките могат да работят по двойки. Поради малкия размер, възстановяването на топлинна енергия не е много високо, но по-ниската цена и възможността за адаптиране в съществуващи системи правят регенеративните горелки атрактивна алтернатива за оползотворяване на отпадната топлина.

Подгряване на суровини
Най-простият пример за предварително подгряване на суровини е загряването на питателна вода за котли чрез икономайзер, оползотворяващ топлината от горещи димни газове. Друга възможност включва директния топлопренос от горивните газове към постъпващите в пещ твърди материали. Например с цел редуциране на енергопотреблението в алуминиевата индустрия, отражателните пещи могат да бъдат заменени с шахтови, при които суровините се зареждат от горната страна и се подгряват предварително от напускащите пещта димни газове.

Докато подгряването на питателна вода за котли е често срещана практика, нагряването на материали преди топене не е толкова разпространено. Това се дължи на редица фактори, включително трудности в управлението на качеството на продуктите, проблеми, свързани с емисиите в околната среда, и по-високите степен на сложност и разходи за изграждането на усъвършенствани системи за зареждане на пещта и оползотворяване на отпадната топлина.

Въпреки това, използването на отпадна топлина за предварително подгряване на суровини придобива по-голяма популярност през последните няколко десетилетия. Наличните технологии и предизвикателствата варират значително в зависимост от вида на пещта и суровините, които ще се подгряват.

Използване на отпадна топлина с ниска температура
Голяма част от отпадната топлина е с ниска температура. Например горивни системи като бойлери често използват технологии, при които димните газове са с температура между 150° и 180 °C, което съответства на поне 460 TBtu отпадна топлина годишно. Големи количества отпадна топлина се съдържат в промишлените охлаждащи води и въздух – в резултат единствено на охлаждането на компресори се получават около 18 TBtu годишно.

Когато става дума за димни газове, значително количество топлина може да бъде възстановено, ако съдържащите се в газовете водни пари бъдат охладени до по-ниски температури. Често се поставят минимални температурни ограничения от 120-150°C, за да се предотвратят кондензацията и отлагането на корозивни вещества по топлообменната повърхност.

Допълнителното охлаждане на отпадъчните газове обаче позволява и оползотворяването на латентната топлина от изпарение. Технологии, които осигуряват свеждане до минимум на химичните въздействия при охлаждане на димните газове под точката на оросяване, могат да доведат до съществени подобрения на енергийната ефективност, благодарение на оползотворяването на латентната топлина от изпарение.

Проучвания показват, че ако газовете се охладят от 150 до 60 °C, ефективността може да се повиши с 3%. В случай че охлаждането продължи до 38 °C, оползотворяването на латентната топлина може да осигури увеличение на ефективността с 11%.
Основните проблеми, свързани с възстановяването на нискотемпературна отпадна топлина, са три:

• корозия на топлообменната повърхност – с охлаждането на съдържащите се в отпадъчните газове водни пари, част от тях кондензират и причиняват отлагания от корозивни твърди и течни вещества по топлообменната повърхност. Топлообменният апарат следва да бъде проектиран с достатъчна издръжливост по отношение на тези отлагания. Това обикновено налага употребата на усъвършенствани материали или честа подмяна на компонентите на топлообменника, което не е рентабилно;

• необходимост от големи топлообменни повърхности – скоростта на топлопренос е функция на топлопроводимостта на топлообменния материал, температурната разлика между двата флуидни потока, и повърхностната площ на топлообменника. Тъй като нискотемпературната отпадна топлина създава малък температурен градиент, за топлопреноса се изискват по-големи повърхности, което ограничава топлообменниците в икономически аспект;

• намиране на приложение за нискотемпературната топлина – възстановяването на топлина в нискотемпературния диапазон е обосновано, само ако тя може да бъде оползотворена. Топлината с ниска температура може да се използва например за битова гореща вода, отопление на помещения и нискотемпературно нагряване в индустриални процеси. Друга алтернатива включва използването на термопомпа за повишаване на температурата й. Разработени са и технологии за генериране на електрическа енергия от топлина с ниска температура.

Сред технологиите за възстановяване на нискотемпературна отпадна топлина са икономайзерите за дълбоко охлаждане, кондензните икономайзери с индиректен или директен контакт, както и наскоро разработените кондензатори с транспортна мембрана. Икономайзерите за дълбоко охлаждане са проектирани да понижат температурата на газовете до 65-71 °C и да издържат на отлагащия се по повърхността им киселинен кондензат. Използването на технологията с индиректен контакт охлажда газовете до 38-43 °C. В този диапазон водните пари в газовете кондензират почти напълно.

Икономайзерите с индиректен контакт са кожухотръбни топлообменници, които могат да бъдат конструирани от неръждаема стомана, стъкло, тефлон и др. Възстановяването на отпадна топлина с директен контакт включва смесване на процесната пара и охлаждащата течност. Тъй като тези системи нямат топлопреносна повърхност, с използването им се избягват някои от ограниченията на апаратите с индиректен контакт.

Един от недостатъците на тази технология обаче е рискът водата да се замърси с вещества от отпадъчните газове. Кондензаторите с транспортна мембрана улавят водните пари от димните газове при температури над точката на оросяване чрез капилярна кондензация, след което ги връщат в питателната вода. Тъй като улавянето на парите става посредством мембрана, няма опасност те да се замърсят от газовете.

В зависимост от конструкцията си, термопомпите могат да изпълняват две функции – да повишават температурата на отпадната топлина или да я използват за работата на абсорбционна охладителна система. Те намират приложение в химическата, нефтохимическата, целулозно-хартиената и хранително-вкусовата промишленост.

Повишаването на температурата на отпадната топлина може да е икономически оправдано в някои случаи, в зависимост от необходимата температурна разлика и свързаните разходи за гориво и електроенергия.

Генериране на електроенергия
Производството на електроенергия обикновено включва използването на отпадната топлина от котли, която създава механична енергия за задвижването на електрически генератор. Технологиите за това са познати отдавна, но се разработват и нови, чрез които може да се осъществи директно генериране на електроенергия от отпадната топлина. Такива са методите на термоелектрично и пиезоелектрично производство например.

Когато се обмисля внедряването на технология за получаване на електроенергия от отпадна топлина, следва да бъдат отчетени термодинамичните ограничения при различните температури. Ефективността на производството на електрическа енергия силно зависи от температурата на източника на отпадна топлина. По принцип възможността за получаване на електроенергия е ограничена само до източници на отпадна топлина със средна до висока температура.

С напредъка на технологиите обаче вече е осъществимо и генерирането при ниски температури. Макар максималната ефективност в тези случаи да е малка, системите от този тип все пак могат да се окажат икономически изгодни за възстановяването на големи количества енергия от отпадна топлина.



Етикети:   отпадна топлина   възстановяване на топлина   топлообменници   рекуператори   регенератори   икономайзери  

« Назад
IFP
BPVA
Екология и Инфраструктура
 
TLL Media
WebDesignBG            © 2017 TLL Media        Начало   |   Права за ползване   |   XML    
TLL Media
TLL Media