Техническая сущность и области применения
Утилизация теплоты – это возврат и полезное использование части тепловой энергии выбросных потоков. Это одно из главных направлений осуществления технологического (прямого) энергосбережения. Утилизация теплоты – актуальная технология активного энергосбережения, соответствующая основам стратегии энергосбережения, состоящей в повышении эффективности использования энергоресурсов, а не в прямом сокращении их использования.
Основой процесса утилизации теплоты является теплоутилизационное оборудование (теплоутилизаторы). Теплоутилизатор – это теплообменник (теплообменный аппарат), в котором осуществляется передача части тепловой энергии от выбросного потока теплоносителя, образующегося в данном технологическом процессе, к потоку другого теплоносителя для использования переданной теплоты в том же или ином технологическом процессе.
Утилизация теплоты является энергосберегающей технологией многоотраслевого применения. Она может применяться в отраслях топливно-энергетического комплекса, промышленности, агропромышленного комплекса, транспорта, коммунального хозяйства – везде, где есть источники тепловых выбросов. По температурному уровню тепловые выбросы можно условно разделить на три группы: высокотемпературные (свыше 600ºС), среднетемпературные (150 ÷ 600ºС), низко-температурные (до 150ºС). Источниками тепловых выбросов первой группы являются металлургические печи, стекольные печи, установки для производства водорода и др., второй группы – котлы, газовые турбины, теплогенераторы, двигательные установки, печи для термообработки различных материалов и пищевых продуктов и др., третьей группы – сушильные установки, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, различное технологическое оборудование и др. Энергетические уровни тепловых выбросов, как правило, превышают оптимальные и являются мощным резервом энергосбережения путем утилизации избыточной выбросной теплоты. Исключения немногочисленны (например, на приемлемом уровне находятся температуры уходящих газов котлов, работающих в большой энергетике). Чрезмерные уровни тепловых выбросов вызваны следующими основными причинами:
1. Во времена проектирования используемого сегодня топливо- и энергоиспользующего оборудования технико-экономический анализ показывал нецелесообразность организации утилизации теплоты вследствие низкой (символической) цены на энергоресурсы в те времена и технического несовершенства теплообменников-утилизаторов, массогабаритные характеристики и материалоемкость которых были соизмеримы с массой и габаритами основного оборудования – источников тепловых выбросов.
2. Нормативно-технические требования к показателям энергоэффективности многих типов топливо- и энергоиспользующего оборудования были и по сути остаются не отвечающими со-временным требованиям.
Энергоэкономичекая эффективность
Базовым абсолютным показателем (характеристикой) энергосберегающего эффекта от утилизации теплоты является величина утилизированного теплового потока (тепловой мощности), по которой определяется утилизированная тепловая энергия за период времени осуществления процесса утилизации теплоты.
Относительными (удельными) характеристиками энергосберегающего эффекта от утилизации теплоты, которые позволяют сравнивать степень энергоэффективности различных технических решений для различных проектов, могут быть следующие характеристики:
1. При осуществлении утилизации теплоты на топливоиспользующем оборудовании (котлы, печи, теплогенераторы, двигательные установки и др.):
— повышение коэффициента полезного действия либо коэффициента использования топлива;
— снижение расхода топлива;
— снижение расхода топлива на выработку единицы массы пара (для парового котла) либо единицы полезной тепловой энергии (для водогрейного котла, теплогенератора и др.).
2. При осуществлении утилизации теплоты на энергоиспользующем оборудовании (сушильные установки, системы кондиционирования воздуха, различное технологическое оборудование и др.) – коэффициент утилизации теплоты как отношение величины утилизированного теплового потока к величине максимально возможного утилизируемого теплового потока для данного технологического процесса.
Реальность, эффективность и целесообразность мероприятий по утилизации теплоты должны быть обоснованы, исходя из следующих критериев:
1. Назначение утилизированной теплоты.
2. Минимально допустимая температура выбросов после утилизации теплоты.
3. Возможность рациональной компоновки теплоутилизационной установки на объекте реализации и обеспечение надежной работы системы в целом.
4. Возможность окупаемости капитальных затрат на утилизацию теплоты за счет ожидаемо-го энергосберегающего эффекта за период, как правило, не превышающий 1,5 ÷ 2 года.
Анализ показывает, что по состоянию на 2021 год доля утилизации теплоты в общем потен-циале энергосбережения Украины оценивается величиной около 20 % и составляет примерно 10 млн. т.у.т. в год. Распределение этого потенциала утилизации теплоты по объектам реализации примерно следующее:
— промышленные и теплофикационные котлы 50 %;
— промышленные печи 25 %;
— другие технологии и оборудование 25 %.
Наш вклад в практическую реализацию систем утилизации теплоты
Примерами успешной реализации энергосберегающей технологии утилизации теплоты вы-бросных потоков от топливо- и энергоиспользующего оборудования являются выполненные и выполняемые предприятиями, входящими в состав группы компаний SOE, комплексные работы по созданию и внедрению высокоэффективных теплообменников-утилизаторов типа «газ-газ», «газ-вода» и «газ-пар» на основе «сверхтеплопроводных» элементов – тепловых труб, а также на основе эффективных рекуперативных теплообменных труб. При наличии необходимых исход-ных данных и по согласованию с заказчиком создаются и внедряются в том числе и теплоутили-заторы, работающие в конденсационном режиме, т.е. обеспечивающие передачу дополнительной теплоты конденсации водяного пара из продуктов сгорания природного газа. Основные характеристики разработанных и внедренных теплообменников в качестве воздухоподогревателей и водоподогревателей паровых котлов, водогрейных котлов, печей, сушильных установок следую-щие: диапазон температур горячих газов на входе 100 ÷ 420ºС; диапазон утилизируемых тепловых потоков 10 ÷ 3500 кВт; достигнутые характеристики компактности и материалоемкости – до 400 кВт/м3 и до 0,5 кВт/кг. Анализ результатов этих разработок и испытаний, опыт внедрения и эксплуатации теплоутилизаторов в промышленных условиях позволяют сделать следующие ос-новные выводы:
1. Теплоутилизаторы обеспечивают повышение на 2 ÷ 15 % показателей энергоэффективности оборудования и технологических процессов и соответствующее уменьшение вредных вы-бросов и теплового загрязнения окружающей среды.
2. Относительно небольшое аэродинамическое сопротивление теплоутилизаторов позволя-ет при оснащении ими оборудования использовать, как правило, штатные тягодутьевые машины.
3. Разработанные теплообменники-утилизаторы характеризуются высокой надежностью и стабильностью характеристик в условиях длительной работы.
Разработанные теплообменники-утилизаторы с 1990 г. успешно эксплуатируются на раз-личном топливо- и энергоиспользующем оборудовании более 200 предприятий различных отраслей. Например, применительно к котлам они используются: 1) в качестве дополнительных хвостовых теплообменников, обеспечивающих возврат теплоты с горячим дутьевым воздухом либо с подогретой водой; 2) в качестве теплообменников, замещающих штатные воздухоподогреватели или водяные экономайзеры, что приводит к значительному суммарному технико-экономическому эффекту от снижения капитальных затрат (на приобретение и установку оборудования) и от сни-жения эксплуатационных затрат (на топливо, электроэнергию и обслуживание); 3) в качестве теплоутилизаторов для получения подогретого воздуха, воды или других теплоносителей, ис-пользуемых в иных технологических процессах.
Срок окупаемости выполняемых работ, как правило, не превышает 1,5 – 2 года.
Пример схемы компоновки котла с теплоутилизатором-воздухоподогревателем на основе тепловых труб изображен на рисунке.
Схема компоновки теплоутилизатора-воздухоподогревателя с котлом:
1 – котел; 2 – теплоутилизатор-воздухоподогреватель на основе тепловых труб; 3 – газоход; 4 – дымосос; 5 – вентилятор; 6 – воздухоход холодного воздуха; 7 – воздухоход горячего воздуха к горелке котла
Частичная информация о теплоутилизаторах, созданных и внедренных предприятиями, входящими в состав группы компаний SOE, приведены далее.
Перспективы развития
Несмотря на несомненную актуальность утилизации теплоты, объемы и масштабы внедрения этой приоритетной энергосберегающей технологии малы по отношению к вышеуказанному потенциалу.
Необходимо с помощью рекламной и информационно-разъяснительной работы, энергоаудита, рационального инвестирования, экономических стимулов и других мер обеспечить значительное расширение областей, объектов и объемов внедрения и в короткие сроки задействовать имеющийся потенциал утилизации теплоты.
Очень важным направлением развития является совершенствование конструкций теплоутилизационных установок с целью повышения их энергетической эффективности, надежности работы, снижения массогабаритных характеристик, расширения типов и сочетаний теплообменивающихся сред.
Частичная информация про розработанные, изготовленные и внедренные теплоутилизаторв группой компаний SOE
Всего более 400 теплоутилизаторов внедрены и успешно эксплуатируются на различ-ном оборудовании более чем 200 предприятий-заказчиков.
| № | Место внедрения | Внедренные теплоутилизаторы | Начало эксплуатации |
| 1 | КП «Киевтеплоэнерго» г. Киев |
Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 4 шт. Воздухоподогреватели котлов КВГ-7,56-150 – 3 шт. Воздухоподогреватель котла ТВГ-4Р – 1 шт. |
1990 г. 1999 г. 2015 г. 2001 г. |
| 2 | КП «Березаньтеплосеть» Киевская обл., г. Березань |
Воздухоподогреватели котлов КВГ-7,56-150 – 3 шт. | 1995 г.
|
| 3 | Фирма «Кагма» Киевская обл., г. Кагарлык |
Воздухоподогреватели котлов Е-2,5/9Г – 3 шт. | 1997 г. |
| 4 | ВАТ «Бориспольский комби-кормовый завод», Киевская обл., г. Борисполь | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 3 шт. | 1998 г. |
| 5 | ВАТ «Житомирхлеб», г. Житомир |
Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 10 шт. | 1995 г. |
| 6 | АОЗТ «Коростеньский фарфор», Житомирская обл., г. Коростень | Воздухоподогреватели котлов Е-2,5/9Г – 2 шт. | 1999 г. |
| 7 | Локомотивное депо «Терно-поль», г. Тернополь | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 5 шт. | 1994 г. 2002 г. |
| 8 | Збаражский сахарный завод Тернопольская обл., г. Збараж |
Воздухоподогреватель котла ОП-50 (50 т/час) – 1 шт. | 1996 г. |
| 9 | ВВАТ «Шумский маслозавод» Тернопольская обл., г. Шумск |
Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 2 шт. | 1998 г. |
| 10 | ЗАО «Шполянский завод продтоваров», Черкасская обл., г. Шпола | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 2 шт. | 1995 г. 2001 г. |
| 11 | ВАТ «Чексил», г. Чернигов | Воздухоподогреватель сушильной установки – 1 шт. | 1996 г. |
| 12 | Концерн «Днепротепло-энерго», г. Днепр | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 2 шт. Водоподогреватель котла ТВГ-8М – 1 шт. |
1998 г. 2001 г. 1999 г. |
| 13 | ВАТ «Промприлад», г. Ивано-Франковск | Воздухоподогреватели котлов ДКВР 2,5/13 – 2 шт. | 1998 г. |
| 14 | АТ «Киевхлеб» (хлебокомбинаты №№ 2, 10, 12, Сквирский х/к и др.) |
Воздухоподогреватели котлов и печей – 10 шт. Водоподогреватели котлов и печей – 10 шт. Теплоутилизаторы-парогенераторы хлебопекарных печей – 2 шт. |
1998 г. 2001 г. 1999 г. |
| 15 | ВАТ «Каравай» г. Луганск | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 6 шт. | 1998 г. 2006 г. |
| 16 | ЗАТ «Автопорт-Чоп», г. Ужгород | Воздухоподогреватель котла Е-1/9Г – 1 шт. | 1999 г. |
| 17 | ВАТ «Полесьехлеб», г. Ровно | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 2 шт. | 2001 г. |
| 18 | ВАТ Лубенский молочный з-д Полтавская обл., г. Лубны |
Воздухоподогреватели котлов Е-2,5/9Г – 4 шт. | 2002 – 2005 гг. |
| 19 | ТОВ «Альбатрос», г. Днепр | Теплообменник сушильной установки – 1 шт. | 2003 г. |
| 20 | ВАТ «Глобинский мясокомбинат», Полтавская обл., г. Глобино | Воздухоподогреватели котлов Е-1/9Г – 1 шт. котлов Е-2,5/9Г – 2 шт. |
2006 г. |
| 21 | Козловский, Мариливский (Тернопольская обл.), Залу-чанский (Ивано-Франковская обл.) спиртзаводы | Воздухоподогреватели котлов ДКВР-10/13 – 4 шт. Воздухоподогреватели котлов ДЕ-16/14 – 2 шт. |
2007 – 2009 гг. |
| 22 | ЗАТ «Молоко», Тернопольская обл., г. Кременец | Воздухоподогреватели котлов Е-2,5/9Г – 2 шт. | 2009 г. |
| 23 | ВАТ «Прилукский хлебозавод», Черниговская обл., г. Прилуки |
Общий теплоутилизатор-водоподогреватель для двух паровых котлов | 2009 р. |
| 24 | ВАТ «Киевмедпрепарат» г. Киев |
Теплоутилизаторы-водоподогреватели котлов ДКВР-10/13 и ДЕ-10/14 Теплоутилизаторы «конденсат-воздух горения» двух котлов ДЕ-10/14 |
2008 г. 2013 г. 2016 г. 2011 г. 2013 г. |
| 25 | Киевская кондитерская фаб-рика «РОШЕН», г. Киев | Теплоутилизаторы-водоподогреватели двух печей производства крекера | 2010 г. 2013 г. |
| 26 | ВАТ «Укртрансдизель» Чер-касская обл., г. Христиновка | Воздушный водоохладитель системы охлаждения ди-зеля тепловоза | 2012 г. |
| 27 | Торгово-офисный комплекс «Gulliver», г. Киев | Водоподогреватели для трех водогрейных котлов Viessmann по 5,3 МВт | 2012 г. |
| 28 | ДП «Житомирский ликерово-дочный завод» ф-л в г. Чуднов | Воздухоподогреватели паровых котлов ДКВР-10/13, ДКВР-2,5/13 |
2014 г. 2015 г. |
| 29 | Харьковская бисквитная фабрика, г. Харьков | Теплоутилизаторы-водоподогреватели для кондитерских печей – 6 шт. | 2014 – 2023 гг. |
| 30 | АТ «Черниговоблтеплоком-мунэнерго», г. Чернигов | Водоподогреватели для водогрейных котлов
(конденсационный режим) КВГ-7,56-150 – 5 шт. |
2010 – 2012 гг. |
| 31 | ТОВ «Нежинтеплосети», Черниговская обл., г. Нежин | Водоподогреватель для котла КВГ-7,56-150 (конденсационный режим) | 2010 г. |
| 32 | КП «Прилукитепловодоснабжение», Черниговская обл., г. Прилуки | Водоподогреватели для двух водогрейных котлов ТВГ-8М (конденсационный режим) | 2011 г. |
| 33 | ТОВ «Ровнотеплоэнерго», г. Ровно | Водоподогреватели для водогрейных котлов КВГ-7,56-150 – 2 шт. ТВГ-8М – 1 шт. |
2012 г. |
| 34 | КП «Белоцерковтеплосеть», Киевская обл., г. Белая Церковь | Водоподогреватели для водогрейных котлов (конденсационный режим) КВГМ-10 – 5 шт. Viessmann по 1,3 МВт – 2 шт. |
2013 г. 2018 г. |
| 35 | КП «Кременчугтеплоэнерго», Полтавская обл., г. Кременчуг | Водоподогреватели для водогрейных котлов (конденсационный режим) Viessmann по 1,1 МВт – 2 шт. два Viessmann по 15 МВт – 1 шт. Riello по 1 МВт – 2 шт. |
2019 г. 2019 г. 2020 г. |
| 36 | Молочный комбинат Киевская обл., г. Вишневое |
Водоподогреватель для парового котла Viessmann 10 т/час | 2019 г. |
| 37 | ТОВ «Малиновский стеклозавод», Харьковская обл., Чугуевский р-н, г. Малиновка | Теплоутилизаторы-водоподогреватели для двух стеклоплавильных печей – 2 шт. | 2021 г. |
| 38 | Предприятие «Фарма Старт» г. Киев |
Воздухоподогреватели двух водогрейных котлов Buderus по 1,4 МВт (конденсационный режим) |
2022 г. |
