Джерела енергії та вибір енергоносія

Джерела енергiї та вибiр енергоносiя Джерела енергiї та вибiр енергоносiя Структура даного параграфа така: • види енергiї i палива; • шкiдливi викиди при спалюваннi палива; • приклади прийняття рiшень; • постачання i вартiсть кiнцевого споживання енергоносiя. або реконструкцiї вашого пiдприємства чи iнфраструктури будiвлi. Але слiд пам’ятати, що з часом змiнюються схеми i вимоги до енергоспоживання i це може призвести до неоптимального використання джерела енергiї. 1. 1 Що таке енергiя? Найпростiше (шкiльне) означення енергiї таке: Енергiя – це здатнiсть тiла виконувати роботу. У системi CІ енергiя вимiрюється у Джоулях (Дж). Один Джоуль – це робота, яка виконується силою в один Ньютон, при перемiщеннi тiла на вiдстань один метр . Але слiд розумiти, що лише здатнiстю виконувати роботу поняття енергiї не вичерпується, скорiше таке означення пiдкреслює той факт, що будь – якi форми енергiї можуть трансформуватися у механiчну енергiю, тобто викликати перемiщення тiл одне щодо одного i виконувати роботу. • один удар серця = 1 Дж; • нагрiв одного лiтра води на один градус Цельсiя = 4182 Дж; • нагрiв води для однiєї чашки кави = 72000 Дж. 1. 2 Що таке потужнiсть? iнтенсивнiсть роботи, У системi СІ потужнiсть вимiрюється у Ватах. Один Ват – це робота, яка виконується силою в один Ньютон на шляху один метр за одну секунду . Дамо декiлька практичних прикладiв потужностi: • щоб пiдвищити температуру одного лiтра води на один °С за одну хвилину , необхiдна потужнiсть 69,7 Ват; • щоб пiдiгрiти воду для однiєї чашки кави за одну хвилину необхiдна потужнiсть 1200 Ват. 1. 3 Що таке кВт-год? Одна кВт-год – одиниця вимiрювання енергiї(роботи). Вона рiвна 3 600 000 Дж, або 3. 6 МДж. 1. 4 Види енергiї Енергiя може iснувати у рiзних видах (формах), включаючи такi: - тепло; - електрична енергiя; - хiмiчна; - механiчна: кiнетична i потенцiальна. Закон збереження енергiї стверджує, що енергiя не може бути знищена або створена, вона може лише переходити з одного виду у iнший. Тому, спалюючи газ, щоб пiдiгрiти каструлю води, ми перетворюємо хiмiчну енергiю палива у теплову енергiю води та нагрiваємо довкiлля. На практицi ми використовуємо термiн "види(форми) енергiї " для позначення рiзних та палив. Тут ми будемо розглядати: - вугiлля; - природний газ. Деякi з них представляють типовi видобувнi палива, якi є основними у використаннi енергiї. Існують iншi види палива, або джерела енергiї, наприклад: - енергiя сонця; - енергiя вiтру; - енергiя хвиль; - гiдроресурси. Цi "вiдновлювальнi" джерела енергiї є безпосереднiм результатом засвоєння енергiї сонця, тодi як видобувнi палива отриманi в результатi дiї енергiї сонця мiльйони рокiв тому назад. Тому видобувнi палива не є вiдновлюваними. Вiдома також ядерна форма енергiї, котра на сьогоднi практично використовується лише для генерування великих кiлькостей енергiї на ядерних електростанцiях. 1. 6 Ланцюг перетворення енергiї , див. рис. 1. На дiаграмi представлено загальний взаємозв’язок мiж енергетичною сировиною i кiнцевою формою енергiї. Ця дiаграма представляє не єдино можливий шлях трансформацiї енергiї, крiм нього, iснують iншi шляхи перетворення. Нижче описано основнi форми енергiї з точки зору її готовностi для споживання. Первинна: - кориснi видобувнi або вiдновлюванi джерела енергiї. - теплова, електрична, механiчна; - бiльш корисна. Кiнцева: - енергiя, доведена до споживача; - енергiя, яка в дiйсностi виконує роботу. Сира нафта, добута з землi, є первинним джерелом енергiї, але має обмежене застосування. Вона може бути перетворена у бiльш кориснi вториннi джерела енергiї, такi як бензин, гас, важке дизельне паливо i т. п. Будь – яка обробка супроводжується втратами енергiї. Вторинна енергiя повинна постачатись споживачу. Цей процес також зв’язаний з втратами. На цьому етапi вона є кiнцевою формою енергiї, наприклад, нафта перевозиться танкерами та зберiгається у спецiальних резервуарах. На кiнцевому етапi енергiя (кiнцева енергiя) перетворюється у корисну енергiю у пунктi її споживання. Наприклад, спалювання нафти в склоплавильнiй печi забезпечує корисне тепло у шихтi. 1. 6. 1 Втрати у ланцюгу трансформацiї енергiї Завжди будуть втрати енергiї: - у всiх точках конверсiї; Наприклад, ефективнiсть ланцюга перетворення кам’яного вугiлля для освiтлення даної кiмнати, %: – вугiлля у електрику 37; – розподiл електрики 90; – електрики у свiтло 10; – всього (0,37 ´ 0,9 ´ 0,1) 3,3. Якщо йти вниз по ланцюгу, то збiльшується вартiсть енергiї за її одиницю. Таким чином, якщо вартiсть вугiлля становить $ 0,01 за кВт-год (приблизно $ 75 за тонну), то ефективна вартiсть свiтлової енергiї стає $ 0,30 за кВт-год. До цього додаються всi капiтальнi, поточнi i витрати на доставку, якi зв’язанi з переробкою чорного вугiлля у свiтло. Оскiльки енергiя не може бути знищена, то бiльша частина вiдсутнiх 97% буде в кiнцевому пiдсумку втрачена у виглядi тепла, розсiяного у навколишньому середовищi. 1. 7 Джерела енергiї, якi використовують у промисловостi У промисловостi на всiх рiвнях ланцюга перетворення енергiї, палива використовують у формах: - вугiлля; - нафти; - електроенергiї; - гарячої води; Причому вибiр конкретного палива залежить як вiд властивостей самого палива, так i вiд наявних трансформаторiв енергiї та, звичайно ж, вiд вiдносної вартостi цих видiв енергоносiїв. 1. 8 Використання енергiї У промисловостi енергiя використовується для вирiшення п’яти задач: - опалювання; - охолодження; - механiчного руху; - електрохiмiчних процесiв. У всiх випадках iснує вибiр: - палива або або ексергiчним (якщо йдеться про перетворення енергiї палива у механiчну) ККД процесiв перетворення та вартiстю палива. 1. 9 Цiни на енергiю Цiна завжди є важливим фактором при будь – якому процесi прийняття рiшень. Наведений на рис. 2 графiк показує середню цiну рiзних палив у Великобританiї та в Українi, рис. 3, протягом 1997 року. Найбiльш дорогi палива – це тi, що вже пройшли етапи певного перетворення, наприклад, кокс отримується з вугiлля, а прикладом кiнцевої енергiї може служити електрична енергiя. Цiна електроенергiї у чотири – вiсiм разiв вища вiд цiни iнших палив. Це пояснюється низьким ККД трансформацiї електроенергiї з первинного палива та втратами при її передачi. Цiни на первиннi палива набагато нижчi, але для бiльшостi випадкiв їх застосувань потрiбний процес перетворення, перед тим як вони будуть використанi. Втрати при таких перетвореннях та всi подальшi розподiлення енергiї будуть означати, що цiна корисної енергiї зростає. У бiльшостi випадкiв цiна корисної енергiї буде залежати вiд використаних технiчних засобiв її трансформацiї i, приймаючи рiшення щодо джерела енергiї, необхiдно орiєнтуватися саме на цiну кiнцевої енергiї, а не на цiну палива. При зiставленнi необхiдно звести цiни до єдиної одиницi. Такою узагальненою цiною є ∙год, як це показано на рис. 2. Приблизна теплотворна здатнiсть рiзних видiв палива, якi використовуються у Великобританiї, наведена нижче: ∙год; 1 тонна коксу = 7800 кВт∙год; 1 тонна важкого дизельного палива = 11800 кВт∙год; 1 тонна газойлю = 12700 кВт∙год; 1000 м3 природного газу = 10800 кВт∙год. Коли ви вимагатимете у постачальникiв назвати цiни на паливо, необхiдно запитати про середню теплотворну здатнiсть палива i вимагати, щоб вони вказали її величину у кВт∙год або у Дж. 2. Шкiдливi викиди, що супроводжують використання палива Вплив на планету в цiлому та на довкiлля є предметом постiйно зростаючої турботи свiтової громадськостi. Достатньо згадати Кiотський протокол країн – членiв ООН щодо обмеження викидiв парникових газiв. У законодавствi бiльшостi країн (в т. ч. України) передбачена вiдповiдальнiсть за негативний вплив дiяльностi пiдприємств та органiзацiй на навколишнє середовище. Основними негативними впливами, що виникають при використаннi палив, є газовi викиди: СО2 , SO2 ,NOx , CO; важкi метали, сажа (продукти неповного згоряння вуглеводнiв), HCl, твердi вiдходи та можливi техногеннi небезпеки, наприклад, витоки з танкерiв, ядернi катастрофи, процеси ерозiї та суфозiї ґрунтiв. Іншими несприятливими впливами є викиди у поверхневi та пiдземнi води, шумове та теплове забруднення довкiлля. Вплив на довкiлля, що створюється викидами, в основному залежить вiд використовуваного палива та технiки трансформацiї енергiї палива. Вид палива впливає на склад викидiв, оскiльки, в залежностi вiд його якостi, процес горiння супроводжується небажаними домiшками, такими як сiрка та азот. Природний газ є дуже чистим паливом. Вiн переважно не мiстить забруднюючих домiшок. Газойль теж чисте паливо, вiн майже (за винятком сiрки) не дає шкiдливих викидiв. Топковий мазут (ТМ) марки HFO, торф та вугiлля мiстять сiрку та iншi домiшки, див. табл. 1. Таблиця 1. Викиди при перетвореннi енергiї SO2 ППил NNOx (O3 ) CCO Радiоактивнiсть ІIншi Клiматоакт. гази Природний газ СO24 Нафта СO2 , CH4 СO24 Уран Сонце, вiтер, гiдроресурси. Бiомаса N2 O Геотермальний HН2 S 2. 1 Основнi типи викидiв при трансформацiї палива Основнi викиди шкiдливих речовин, що супроводжують трансформацiю палива при перетвореннi його у кiнцеву енергiю, такi: - СО2 2 на одиницю корисної енергiї, нiж паливо з високим вмiстом вуглецю, наприклад вугiлля. - SO2 – виникає при згоряннi сiрки, яка мiститься у паливi. Наступнi реакцiї двоокису сiрки з водою у атмосферi викликають появу кислотних з’єднань, котрi є головною причиною кислотних дощiв. Твердi палива зв’язують деяку частину сiрки у золi, але в загальному пiдвищений вмiст сiрки у твердих паливах призводить до її пiдвищеного викиду при згоряннi таких палив. - NOx викликає утворення азотнокислих сполук над поверхнею землi, що дуже шкiдливо для дихальної системи людини. Основнi джерела NOx -це високотемпературнi реакцiї N2 + O2 , продукти яких залежать вiд максимальної температури, часу перебування палива у топцi та присутнi у паливi сполук NOx . Кiлькiсть перших сполук можна зменшити шляхом спецiальних умов горiння, а другi лише спецiальною обробкою палива перед спалюванням. - СО – чадний газ – це токсичний газ, який виникає при неповному згоряннi. Великi викиди СО не тiльки шкiдливi, а й призводять до втрати енергiї. Концентрацiя СО головним чином залежить вiд самого процесу горiння. дихальну систему людини. Необхiдно видаляти золу, яка утворюється у процесi спалювання вугiлля. Очевидно, що зi спалюванням вугiлля та нафти зв’язанi викиди мiлких частинок важких металiв та вуглеводнiв, якi є канцерогенами. Таблиця 2. Інформацiя про шкiдливi викиди рiзних видiв палива Паливо СО2 SO2 NOx CO грам/кВт∙год теплов. виходу грам/кг палива Вугiлля 262 3. 31 6. 1 5. 2 ТМ 213 3. 37 7. 5 0. 5 Газойль 199 0. 17 2. 6 0. 2 144 - 2. 6 0. 1 2. 2 Викиди енергетичних пiдприємств Характеристики викидiв для рiзних комбiнацiй технологiй перетворення палива змiнюються у широкому дiапазонi внаслiдок описаних вище факторiв. Порiвняння рiзних можливих варiантiв процесу трансформацiї палива представлено у таблицi 3. Бачимо, що стосовно виду палива найчистiшими є газоспалюючi пристрої, а щодо виду технологiчного процесу найчистiшими є котли. Звернiть увагу: ∙год електричної енергiї. Для розрахунку питомих загальних викидiв, якi дає ТЕЦ, необхiдно розрахувати теплову продуктивнiсть ТЕЦ, тодi, визначивши величину грам/кВт∙год для повного виходу (теплового + електричного), ми можемо знайти питомi викиди. 2. 3 ККД електропостачання Електроенергiя може бути отримана лише пiсля переробки первинного палива. Існує велика кiлькiсть рiзних типiв обладнання для трансформацiї палива, чи первинної енергiї у електроенергiю як на нацiональному, так i на мiсцевому рiвнях. Розглянемо найпоширенiшi з них: Електричнi станцiї. сильно залежать вiд виду палива та вибраної технологiї перетворення, наприклад, використання гiдроресурсiв чи спалювання вугiлля. Таблиця 3. Викиди енергетичних систем Система СО2 SO2 NOx Т: М Котел грам/кВт-год вихiд тепла грам/кВт-год вихiд тепла ККД 80% Вугiлля (2% S) 410 5. 12 0. 78 ТМ (2. 5% S) 333 5. 27 0. 79 Газойль (0. 3% S) 313 0. 59 0. 26 Газ 226 - 0. 22 ТЕЦ грам/кВт-год електричний вихiд грам/кВт-год електричний вихiд грам/кВт-год електричний вихiд Газова турбiна Прир. газ 610 - 1. 10 1. 6 800 1. 40 1. 60 ГТОЦ Прир. газ 510 - 0. 90 1. 1 Прир. газ 1. 510 - 1. 50 5. 5 Вугiлля (2% S) 2. 700 34. 30 5. 20 ТМ (2. 5% S) 35. 20 5. 30 Дизельний двигун 500…600 0. 10 5…10 1. 4 ТМ (2. 5% S) 700…800 10. 80 8…15 Крб. двигун (комб. згоряння) Природний газ 500 - 3 1. 6 Центральна електро-станцiя грам/кВт-год електричний вихiд грам/кВт-год електричний вихiд грам/кВт-год електричний вихiд Парова турбiна Вугiлля 990 15. 0 3. 60 Вугiлля, низьк. NOx , 990 1. 10 2. 10 0 ГТОЦ Прир. газ 450 - 0. 40 0 Вугiлля 990 2. 70 0 Разом 684 9. 00 1. 70 У табл. 4. показано типовi ККД для рiзних типiв електричних станцiй. В Українi iснує тенденцiя до зростання частки електроенергiї, що вироблена на атомних станцiях, але на сьогоднi бiльша частина електроенергiї поки що виробляється з вугiлля та нафтопродуктiв. Таблиця 4. ККД електропостачання Пристрої для спалювання палива ККД, % Традицiйнi з прямим згорянням вугiлля/нафти 30 Традицiйнi з прямим згорянням вугiлля/нафти – удосконалена технiка 44 Газова турбiна з об’єднаним циклом (ГТОЦ) 55 ГТОЦ, краща технiка майбутнього 60 Мiсцеве виробництво електроенергiї електроенергiї, пiдвищуючи загальний ККД системи. Економiчна доцiльнiсть мiсцевих ТЕЦ залежить вiд рiвня утилiзацiї тепла шляхом його використання у технологiчних процесах або для опалення примiщень. Тому, незважаючи на додатковi капiтальнi та затрати на експлуатацiю, використання мiсцевих ТЕЦ часто є дешевшим, нiж споживання електроенергiї, яка постачається з загальнодержавної енергосистеми. При цьому слiд також враховувати негативнi впливи на навколишнє середовище, зумовленi спалюванням видобувного палива на ТЕЦ, що також лягає додатковим тягарем на користувача та виробника мiсцевої електроенергiї. 2. 4 Вибiр джерела енергiї - придбання електроенергiї з мережi (енергосистеми) – висока цiна, але вiдсутнi iншi витрати; - виробiток власними силами – низька цiна електроенергiї, але витрати на обладнання та очиснi пристрої для зменшення шкiдливих викидiв. Для великих енергокористувачiв найбiльш ефективним рiшенням з точки зору фiнансiв та надiйностi енергопостачання буде, очевидно, комбiнацiя цих двох можливостей. Для малих користувачiв або користувачiв, якi не мають необхiдних технiчних спецiалiстiв на об’єктi, кращим рiшенням буде закупка енергiї з мережi (енергосистеми). 2. 4. 1 Тепло Найбiльшу потребу промисловiсть має у тепловiй енергiї. Генерування тепла може бути роздiлено на два самостiйнi види: - пряме використання первинних (вторинних) видiв енергiї для нагрiву, наприклад, плавильнi печi. 2. 4. 2 Перетворення палива у тепло збереження. В таких випадках зазвичай використовують КОТЕЛ. Вiдомо багато типiв пальникiв та котлiв для рiзних видiв палива, типовi значення їх ККД наведенi у табл. 5. Таблиця 5. Типовi значення ККД в залежностi вiд виду палива Перетворення палива у тепло для непрямого використання ККД, % Добовий 86 75 Нафта 84 80 Газ 80 78 Котли рiзного призначення та конструкцiй мають рiзнi ККД. Їх величини показанi у табл. 6. У багатьох випадках вибiр палива визначається цiною та доступнiстю, тодi як вибiр типу котла переважно залежати вiд капiтальних видаткiв, величини i типу навантаження, а також вiд виду потрiбного тепла, тобто гарячої води або пари i т. п. 2. 4. 3 Генерацiя тепла для безпосереднього використання У багатьох галузях промисловостi тепло, що отримане вiд спалювання первинних або вторинних енергоносiїв, використовується безпосередньо, оскiльки для забезпечення технологiчного процесу необхiднi температури понад 3000 С i вище. В таких випадках потреба у котлi вiдпадає, однак певне обладнання для цього все ж необхiдне. Можна навести такi приклади: - скловарна пiч, що працює з використанням газу або нафти; - вагранка для чавуна, що працює на коксi; - газовi опалювальнi прилади прямої дiї. Таблиця 6. Типовi ККД для котлiв рiзного типу. ККД% Газоконденсатнi 88–92 80–82 Жаротрубний котел для гарячої води 78–80 Жаротрубнi котли для пари 75–88 Котли зворотного полум’я 72–75 Секцiйнi котли з литого чавуну 68–71 Водотрубнi котли Парогенератор 75–78 Водотрубнi котли з економайзером 75–78 Вибiр палива зазвичай визначається вимогами технологiчного процесу, зручнiстю регулювання подачi палива та iншими технiчними питаннями, наприклад: - тверде паливо не може застосовуватись у скловарних печах, оскiльки згоряння вiдбувається безпосередньо над розплавленим склом, i тому твердий залишок (попiл) буде викликати забруднення скла; 2. 4. 4 Прийняття рiшення щодо вибору палива Для прикладу розглянемо вимоги до системи опалення заводу, на якому необхiдно забезпечити комфортну температуру в рiзних будiвлях та офiсах. Це завдання може бути вирiшене, використовуючи такi засоби: - локальнi електричнi нагрiвачi; - повiтряне опалення – використання повiтря, нагрiтого газом; - повiтряне опалення – використання повiтря, нагрiтого парою; - повiтряне опалення – радiатори. В межах кожного варiанта iснує багато можливостей конкретної реалiзацiї, наприклад, центральне водяне опалення (з радiаторами). В даному випадку вода може нагрiватись централiзовано i подаватись насосом у кожну будiвлю, пара може вироблятись i перетворюватись у гарячу воду в самiй будiвлi, або гаряча вода може вироблятись локально у кожнiй будiвлi. Припустiмо, що прийняли рiшення виробляти пару централiзовано i потiм розподiляти її по будiвлях. Це означає, що на наступному етапi необхiдно прийняти рiшення про те, як виробляти пару. 2. 4. 5 Система виробництва пари Основними елементами системи виробництва пари є: - котельня; - система розподiлу пари; - система повернення конденсату. кiнцева величина ККД може бути рiвною 40% або менше, в залежностi вiд конструкцiї системи розподiлу i подачi тепла споживачам та якостi її експлуатацiйного i технiчного обслуговування. Бiльшiсть котлiв, що використовуються у промисловостi, працюють на газi або нафтi (мазутi), хоча деякi великi котельнi використовують i вугiлля. Основними процесами у котельнi є такi: - тепловий обмiн; 2. 4. 5. 1 Пiдготовка палива Для газу вона полягає у тому, щоб подати його до пальника з необхiдним тиском. Якщо тиск у магiстралi низький, то використовують бустерний вентилятор для подачi газу через регулятори на пальники з (обертовими) чашками при тиску близько 100 см водяного стовпчика. Для запуску цього бустера потрiбен невеликий електродвигун. Пiдготовка нафти може бути бiльш складною, якщо використовуються важкi або середнi фракцiї топкового мазуту, оскiльки вони потребують пiдiгрiву. Якщо використовують газойль (вiн переважно необхiдний як резервне паливо для перiодiв, коли вiдсутня подача газу), пiдiгрiв не потрiбен. Для нагрiву важких нафтопродуктiв, зокрема топкового мазуту, потрiбно вiд 2% до 5% теплоти пари, що виробляється котлом. Пiдiгрiв забезпечує: – пiдтримку плинностi у баку-накопичувачi (~400 С), переважно це досягається за допомогою парового змiйовика або випускним нагрiвачем, який забезпечує рециркуляцiю гарячого нафтопродукту; 0 С) для зменшення в’язкостi нафтового палива, що полегшує його перекачку до головки пальника, за допомогою парового або електричного випускного нагрiвача, який встановлений знизу бака; – збiльшення температури (~1000 надiйностi роботи пальника. Щодо затрат енергiї для нагрiву нафтового палива, то використання пари є вигiднiшим нiж електроенергiї, навiть незважаючи на прийняту практику зливу конденсату з системи нагрiву у дренаж (щоб уникнути забруднення). Вартiсть тепла, що отримується вiд пари, становить половину або менше вартостi електричної енергiї. Однак електричну систему пiдiгрiву мазуту все одно необхiдно встановлювати як резервну на випадки, коли пара не виробляється. Системи, що працюють на важкому та середньому нафтовому паливi, можуть бути очищенi та використанi для роботи на газойлi у випадках, коли цi рiдкi палива зберiгаються як резервнi для газових опалювальних систем. електричними конвеєрами, чи фазовими повiтряними. Фазовi конвеєрнi системи використовують розрiджений або щiльний повiтряний потiк. Фазовi системи першого типу забезпечують транспорт при низькому тиску повiтря, що створюється вентилятором. Фазовi системи другого типу використовують стиснене повiтря i є бiльш дорожчими в експлуатацiї. Вугiлля потребує також затрат, пов’язаних з транспортом та видаленням попелу. 2. 4. 5. 2 Процес згоряння палива у котлi Керування процесом горiння є критичним фактором щодо отримання високого ККД i зменшення шкiдливого впливу на довкiлля. Процес горiння потребує достатньо кисню i ретельного змiшування та контакту мiж паливом i киснем. Тому газ є найпростiшим, а вугiлля найскладнiшим паливом з точки зору оптимiзацiї процесiв їх горiння. Дiапазон регулювання витрати для систем пальникiв (тобто вiдношення максимальної до мiнiмальної витрат палива) є кращим для рiдких або газоподiбних видiв палива порiвняно з твердим. Там, де значна кiлькiсть пари витрачається на опалення примiщень, необхiдно мати ширший дiапазон регулювання. Тому, якщо використовується один котел, вугiлля як паливо непридатне. Там, де навантаження стабiльнiшi, можливо спалювати вугiлля бiльш ефективно, однак, в загальному, найкраще застосувати вугiлля для живлення великих установок. З точки зору впливу на природу, використання вугiлля набагато шкiдливiше внаслiдок викидiв SOx , пилу та твердих частинок, хоча теоретично викиди дрiбних твердих часточок легко контролювати. Нафта теж шкiдлива, тому що мiстить сiрку, кiлькiсть якої змiнюється вiд приблизно 0,8% для газойлю, до максимальної величини 3,5% для важкого нафтового палива. Нафтовi палива з малим вмiстом сiрки (до 0,3%) цiнуються вище, але найчистiшим паливом є газ. Необхiднiсть знижувати викиди СО2 , NOx , SOx , а також пилу i дрiбних твердих частинок, змушує багато компанiй використовувати газовi опалювальнi котли з низьким вмiстом NOx . Також розглядаються системи для видалення SOx в димарях пiд час роботи на нафтi в комплексi з рекуператорами тепла, щоб зробити котли бiльш конкурентними. Застосування систем рекуперацiї обмежене, оскiльки температура тепла, що отримується, є вiдносно низькою i потрiбнi спецiальнi засоби для її ефективного використання. 2. 4. 5. 3 Пальники Існують два основнi типи газових пальникiв : - низького тиску; У пальниках першого типу стиснене повiтря виштовхує газ у повiтряний потiк, де вiдбувається грубе перемiшування. В пальниках високого тиску i повiтря i газ подаються до сопла пiд тиском, що сприяє бiльш ефективному змiшуванню, i забезпечує контроль над формою i довжиною полум’я. Системи пальникiв високого тиску є найбiльш гнучкими i можуть мати дуже великi дiапазони регулювання витрати (для котельнi типовим є дiапазон 5:1). Нафтовi форсунки для котлiв бувають трьох видiв: - струменевi з надлишковим тиском; - з розпилювачем повiтря або пари; - з чашкою, що обертається. Струменевi форсунки з надлишковим тиском засмiчуються i мають дiапазон регулювання витрати всього 2:1. Форсунки з розпилювачем повiтря або пари особливо придатнi для важкої нафти, вони мають дiапазон регулювання 4:1, однак споживають бiльше енергiї, щоб створити розпилене середовище. Форсунка з чашкою, що обертається, працює за рахунок створення тонкого шару нафти на чашцi пiд час її обертання. При цьому нафта розпилюється при проходженнi через край чашки, де вона стикається з повiтрям, яке примусово подається. Така форсунка має дiапазон регулювання бiльший вiд 4:1 i потребує бiльш низьких температур в порiвняннi з iншими видами форсунок. Топковi камери для вугiлля можуть бути роздiленi на такi види: - з колосниковою решiткою; - з псевдозрiдженим шаром. Тут не розглядаються системи згоряння флюїдного типу, в яких використовують тонко подрiбнене або пилоподiбне вугiлля, що характерне для установок, якi застосовуються на електростанцiях. Котли для твердого палива з колосниковою решiткою бувають фiксованого, рухливого або спринклерного типу. Рухливi колосниковi решiтки можуть бути безперервного, стрiчкового або нахиленого типу. Взагалi, будь-яке вугiлля повинно перебувати достатньо довго у топцi, щоб забезпечити максимально можливе вигорання вуглецю. Незначна кiлькiсть вуглецю все ж залишається у золi. Обидвi топковi камери потребують, щоб вугiлля мало розмiри певного дiапазону. Вони погано працюють з тонко подрiбненим паливом, що виноситься з печi топковими (димовими) газами. Спринклернi котли мають дiапазон регулювання 3:1. Спалювання з використанням псевдозрiдженого шару зазвичай застосовується на великих котлах, оскiльки такi пристрої потребують великих капiтальних затрат. Однак цi пристрої мають перевагу в тому, що у них знизу можлива подача вапна i таким чином є можливiсть абсорбцiї сiрки з палива i об’єднання горiння з процесом очищення. Недолiк – необхiдно подавати на вентилятори бiльшу потужнiсть, щоб забезпечити зрiдження шару вогнетривкого пiску. Часто швидкiсть потоку повiтря є бiльшою вiд оптимальної, яка необхiдна для повного згоряння, тому ККД отримується на декiлька вiдсоткiв менше, нiж для iнших типiв котлiв. 2. 4. 5. 4 Тепловий обмiн Котли, на вiдмiну вiд пальникiв або форсунок, є теплообмiнниками. Бiльшiсть котлiв призначається для передачi тепла, що отримане при згоряннi палива. Вони забезпечують отримання тепла з певним ККД, величини яких наведенi у табл. 7. У процесi згоряння на виходi отримується тепло у формi випромiнювання та конвекцiї. Для передачi променистого тепла використовується широка жарова труба i комплект вужчих труб для конвективної теплопередачi. Таблиця 7. ККД котла i вмiст вуглецю у паливi Паливо Вмiст вуглецю (ваговий) Газ 75% Нафтопродукти 80–84% 86% Вугiлля На жарових поверхнях накопичується сажа, окисли та iншi забруднення, що утворюються пiд час згоряння палива. Концентрацiя розчинених неорганiчних хiмiчних речовин у водi, яка циркулює у котлi, внаслiдок випарювання збiльшується, що викликає сильне нашарування накипу на водяних поверхнях труб, i в кiнцевому пiдсумку це може бути небезпечним через можливе їх пошкодження. Щоб це попередити, певна контрольована кiлькiсть води видаляється з котла. Ця операцiя називається продувкою котла i виконується за графiком або безперервно. Гаряча вода продувки виносить з собою тепло, що подеколи повертається у бак для гарячого конденсату. Втрати тепла з поверхнi котла майже постiйнi. При повному навантаженнi вони для сучасних котлiв приблизно рiвнi 1–1,5%, але оскiльки навантаження котла часто буває неповним i можлива його робота у резервному режимi, то втрати у таких випадках бувають бiльш високими, бiля 3% -5% вiд повної витрати палива на рiк. Загальний ККД котла в результатi перелiчених втрат знижується до 75%. Це реальна цифра для котлiв, що працюють на газi, нафтi та вугiллi i саме її слiд брати до уваги при проектних розробках нових джерел енергопостачання чи реконструкцiї iснуючих систем генерацiї пари. 2. 4. 5. 5 Подача пари споживачам тепла у трубопроводi утворюється конденсат, який зазвичай видаляють за допомогою конденсацiйного глечика. Використання перегрiтої пари призводить до пiдвищення температури пари i, як наслiдок, збiльшення втрат з трубопроводiв. На величину втрат впливає також розмiр труб. Бiльшiсть систем мають труби бiльшого нiж це потрiбно розмiру, що зв’язане з додатковими капiтальними та експлуатацiйними затратами. Останнє зумовлене частково тим, що труби бiльших розмiрiв мають додатковi втрати тепла. Проте часто розмiри труб завищують, щоб передбачити можливiсть збiльшення продуктивностi системи у майбутньому. Сконденсована пiд тиском пара починає закипати, коли рiдина повертається до умов атмосферного тиску у баках-накопичувачах. Закипаючий конденсат переважно втрачається в атмосферi i для конденсату при тиску 7 бар це становить бiля 50% тепла, яке до того було у конденсатi. Оскiльки сам конденсат при тиску 7 бар має 26% вiд тепла, що була у пiдведенiй парi, та загальна втрата на закипання становить 13% вiд початкової величини. Якщо пiзнiше конденсат при атмосферному тиску випускається у дренаж (каналiзацiю), втрати тепла складають ще 13% вiд кiлькостi тепла у пiдведенiй парi. Таким чином, на типовiй виробничiй площадцi, де вся пара закипання втрачається i повертається лише 50% конденсату, загальнi втрати тепла становлять не менше вiд 20%. Крiм того, тепло втрачається при транспортуваннi конденсату по трубопроводах. 2. 4. 5. 7 Котельня – загальна система Зменшення енергiї у процесi її пiдготовки до споживання показане у табл. 8. Бачимо, що iснують двi дiлянки з найбiльшими втратами – це котел та розподiлювальна мережа подачi пари споживачам. Таблиця 8. ККД системи подачi тепла Зменшення енергiї в рiзних точках системи подачi тепла ККД, % Вартiсть тепла, £/ГДж 100 2,00 Пара вiд котла 80 2,50 Пара вiд котельнi 75 2,67 Пара в точцi споживання 70 2,86 Пара, включно з втратами 50 4,00 Загальний ККД системи подачi тепла близький до 45–50%. Об’єкти з довгими паропроводами, поганим станом iзоляцiї та проблемами з витiканням пари можуть мати значно меншi значення ККД. Це робить тепло, яке подається до мiсця споживання пари, дуже дорогим. Але в загальному, центральна котельня має можливiсть змiни виду палива, що дозволяє знизити експлуатацiйнi затрати. При визначеннi вартостi тепла необхiдно враховувати всю систему, котра забезпечує подачу тепла, а не тiльки котли або котельню. Якщо аналiзувати зростаючу вартiсть пари, буде очевидно, що найбiльша втрата енергiї (з точки зору вартостi), появляється в результатi втрати тепла у паровому конденсатi та на етапi транспортування пари. Мiнiмалiзацiя втрат тепла є одним iз важливих завдань енергозбереження.