Основные технико-экономические показатели

Количество голов КРС ……………………………………………….….300-400

Суточный выход навоза, т…………………………………………..……15…20

Суточный выход биогаза, м³ ……………………………..……….….1100-1400

Суточный выход экологически чистых органических удобрений при влажности 30%, т…………………………………………………...…………………26…35

Суточное количество добавляемого торфа, т ………………………..…11…15

Суммарная стоимость объекта, млн. усл. ед. …………………………..…..6,62

Окупаемость капитальных вложений, лет ……………………………….……1

Стоимость эксплуатационных расходов (фонд оплаты труда, электроэнергия, торф и т. д.), млн. усл. ед. ………………………………………………………1,0

Общие затраты в год окупаемости, млн. усл. ед. ………………………….7,62

Годовой объем биогаза, тыс. м³ ……………………………………………..300

Годовой объем органических удобрений, т……………………....8500…11500

Себестоимость 1 т удобрений, усл. ед. ……………………...……………...900

Ориентировочная рыночная стоимость 1 т удобрений, усл. ед. …............2000

Предполагаемая чистая прибыль от реализации 1 т, усл. ед. …................1100

Годовая прибыль, млн. усл. ед. ….……………………………...……………9,4

Ресурс эксплуатации установки (лет) ………………………………...………10

Этот тип хозяйств широко распространен у нас в стране.

В Москве в институте ВНИИГАЗ разработаны электростанции мощностью от 3,5 до 48 и 100 кВт. Это модульный тип электростанции, оборудование которой смонтировано в вагоне, что предполагает сооружение только фундамента-платформы. Биогаз экономически выгодно применять для получения электроэнергии на свиноводческих и молочных фермах.

Процесс анаэробной ферментации лежит в основе переработки осадков сточных вод ряда отраслей промышленности, преимущественно пищевой, мясомолочной сахарной и т. д., которые являются крупными потребителями воды и источником ее загрязнения. Так, средний мясокомбинат дает 4 тыс. м³ сточных вод в сутки. Выход биогаза из каждого кубометра составляет около 5 м³. Всего за сутки может быть получено более 20 тыс. м³биогаза.

Большие возможности по экономии энергии и затрат имеются в спирто-дрожжевой промышленности, сахарной, крахмало - паточной и др. Во всех случаях при использовании анаэробной ферментации предприятия могут экономить до 20% жидкого и газообразного топлива. Однако работы в этом плане ведутся слабо.

Объем использования биогаза, полученного из осадков коммунальных сточных вод, составляет около 50 тыс. т у. т.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию эффективных установок по использованию биогаза и сокращению энергозатрат на технологические процессы очистных сооружений ведутся рядом организаций.

Разработаны принципиально новые газогорелочные устройства, позволяющие организовать оптимальный режим работы котельной с учетом неравномерности выхода биогаза и изменяющейся тепло- потребностью станции аэрации, а также теплоизоляционные установки к биогазовым двигателям, блоки КИП и автоматики.

Энергетическое использование твердых бытовых отходов

Проблема обезвреживания и уничтожения твердых бытовых, больничных, промышленных и других видов отходов - одна из актуальных современных задач - решается во всем мире различными путями. Учитывая возможность наличия в этих отходах токсичных, бактериальных и других составляющих, повсеместно возрастают масштабы их радикального термического уничтожения.

Широкое распространение получили электростанции (США, Дания), на которых сжигаются твердые бытовые отходы (ТБО) городов, а также электростанции, работающие на биогазе свалок ТБО (Италия).

Наиболее рациональным, в первую очередь для крупных многонаселенных городов, является создание централизованной системы обезвреживания отходов, включающих технологические линии их термической переработки и обеспечивающих потребности территорий с большой численностью населения.

Пилотный образец установки производительностью до 1000 т в год изготовлен и эксплуатируется с 1992 г. Его основное назначение - испытание и отладка основных узлов и агрегатов, а также отработка технологических процессов применительно к различным видам отходов.

Установка производительностью 10 000 т в год спроектирована, изготовлена и поставлена в г. Челябинск. Ее основным назначением является переработка твердых бытовых отходов в смеси с низкотоксичными отходами других типов. Установка размещена на городском полигоне захоронения твердых отходов. Установка производительностью 25 000 т в год для переработки твердых бытовых отходов спроектирована, изготовлена и смонтирована в г. Москва.

Фирмой «ТЕРМОЭКОЛОГИЯ» (АО «ВНИИЭТО») разработана серия установок термической переработки отходов (табл. 3, рис. 11), которые включают устройства, позволяющие осуществить следующие основные стадии обработки отходов: сушку и частичный низкотемпературный пиролиз, горение отходов, обработку твердого остатка горения газовой фазы в барботируемой шлаковой ванне, химико-термическое обезвреживание дымовых газов, утилизацию избыточной теплоты газовой фазы, ее окончательную очистку. Твердый осадок сжигания, расплавляясь в шлаковой ванне и подвергаясь корректировке путем введения минеральных добавок, образует нетоксичный продукт, который может быть использован в строительной промышленности.

Таблица 3. Технические характеристики размерного ряда установок
для термической переработки, обезвреживания, и уничтожения
твердых бытовых отходов с получением шлака

Характеристика установки	Тип установки
ТПО-2,5	ТПО-10	ТПО-25	ТПО-100	ТПО-250
Годовой объем переработки отходов, тыс. т.	2,5	10,0	25,0	100,0	250,0
Мощность источника питания, кВА	250,0	1000,0	1800,0	8000,0	16000,0
Диаметр графитированных электродов, мм	150,0	200,0	250,0	350,0	500,0
Объем дутьевого воздуха, нм^3/ч	500,0	3000,0	9000,0	15000,0	30000,0
Расход электроэнергии, кВт ч/т	210,0	170,0	130,0	100,0	80,0
Расход подпиточной воды на охлаждение, м^3/ч	3,0	4,0	6,0	15,0	30,0
Требуемая численность персонала, чел.
Количество утилизированной теплоты, используемой на собственные нужды, Гкал/год	500,0	2000,0	5000,0	20000,0	40000,0

Многостадийность термохимической обработки позволяет достигнуть полноты обезвреживания токсичных составляющих, содержащихся в отходах.
Установка для обезвреживания и уничтожения твердых бытовых отходов производительностью 25 000 т в год наиболее подготовлена к серийному производству, поэтому описание технологии и оборудования дано па примере этой установки. Сводные экономические показатели оборудования для термической переработки отходов приведены в табл.4.

Таблица 4. Сводные экономические показатели оборудования для термической переработки отходов

Характеристика установки	Тип установки
ТПО-25	ТПО-100	ТПО-250
Годовой объем переработки отходов, тыс. т.	25,0	100,0	250,0
Стоимость оборудования, тыс. долл.	1000,0	3520,0	8000,0
Ежегодное возмещение затрат на переработку отходов (при цене приема отходов 40 долл. за 1т), тыс. долл. в год	1100,0	4300,0	11000,0
Объем производимой продукции, в том числе, т/г: гранулированного металла гранулированного шлака	750,0 4000,0	3000,0 16000,0	7500,0 40000,0

Устройство подачи и загрузки отходов конструктивно представляет собой приемную воронку. Для отходов, поступающих в контейнерах, предусмотрено устройство подъема и опрокидывания контейнеров в жерло загрузочной воронки.

Нижнее основание соединяется с шлюзовой камерой. Верхняя крышка и днище камеры имеют возможность перемещаться вокруг горизонтальной оси под действием массы отходов, что обеспечивает ритмичность загрузки.

Основная задача, выполняемая загрузочным устройством - обеспечение непрерывной регулируемой подачи отходов в установку. При этом конструктивное исполнение устройства исключает возможность выброса в атмосферу вредных веществ и пыли. Устройство предварительной сушки отходов представляет собой вращающийся барабан, состоящий из обечайки, упорных колец для роликов, привода и рамы. Барабан размещен под углом 3 градуса к горизонту. К верхнему торцевому фланцу подводится выход загрузочной воронки, нижний конец входит в промежуточную камеру. Поступающие в барабан отходы за счет наклонного его расположения и вращения перемещаются от одного его конца к другому.

В барабан поступают влажные отходы (до 50 %), что сильно снижает калорийность отходов и возможность эффективного протекания последующих стадий технологической обработки.

Сушка осуществляется попутным потоком дымовых газов (= 400 °С), подаваемых из рециркуляционного контура технологической линии. Дымовые газы являются высокоэффективным сушильным агентом. В массе отходов кроме процесса сушки протекает низкотемпературный пиролиз, т. е. выход летучих из некоторых составляющих, имеющих низкую (до 100…200 °С) температуру разложения. В результате поток отводимого сушильного агента кроме исходных составляющих (СО, М₂, Н₂0 пар) содержит значительное количество паров воды, а также углеводороды СnНm.

Этот поток газовой фазы отводится из промежуточной камеры непосредственно в реактор термохимической обработки, где при дожигании может повысить теплосодержание дожигаемого потока.

Промежуточная камера конструктивно состоит из опоры, корпуса и переходного лотка. Последний обеспечивает подачу подсушенных отходов в барабан сжигания. Корпус представляет собой металлический кожух, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Камера герметизирована и снабжена двумя отверстиями - для отвода продуктов сушки и для подачи дутьевого воздуха в барабан сжигания отходов.

Конструктивные параметры барабана сушки выбраны из расчета наиболее полного протекания процесса сушки (с 40 % до 15…18 % массового содержания влаги в отходах). Это позволяет повысить теплоту сгорания отходов с 1800 ккал/кг до 3000...4000 ккал/кг, что дает возможность эффективно осуществлять последующее сжигание.

Барабан для сжигания подсушенных отходов представляет собой вращающуюся печь, установленную под углом 4-5 градусов к горизонту, скорость вращения 1…3 об/мин. Это обеспечивает равномерное перемещение сжигаемой массы и эффективный доступ окислителя (нагретый воздух) ко всем частям загрузки. Очаговое горение подсушенных отходов приводит к разложению органической части и элементарных составляющих в дымовые газы. Твердый остаток сжигания представляет собой минеральную часть с небольшой долей не сгоревшего кокса (не более 3…5 %). Твердый шлак поступает в электрошлаковую печь.

Электрошлаковая плавильная печь конструктивно выполнена в виде кожуха, футерованного изнутри теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Ее нижняя часть является одновременно реакционным объемом и накопителем жидкого шлака и металла. Температура жидкой шлаковой ванны поддерживается на уровне 1400...1500 ^оС (в зависимости от состава шлака).

В печи предусмотрены фурмы для подачи дутья и организации эффективного перемешивания шлака.

При поступлении твердого остатка сжигания в жидкую шлаковую ванну в ней параллельно протекают два основных процесса: дожигание остаточного углерода и расплавление минеральной части.

Дожигание остаточного углерода осуществляется только при правильной организации поступления реагентов к поверхности реакции кокс-кислород, т. е. полнота протекания реакции определяется правильно организованным гидродинамическим режимом плавильной ванны.

Кислые составляющие дымовых газов, проходящие под вспененным шлаком и через него, вступают в соединение с основными окислами, образуя такие соединения как СаF₂, СаСI₂, СаS0₄ или аналогичные соли магния, и частично ассимилируются шлаком.

Плавление минерального остатка протекает в объеме ванны с постепенным изменением начального ее состава. Перед выпуском товарного шлакопродукта состав должен быть усреднен до предусмотренного технологическим регламентом за счет присадок. Температура шлаковой ванны регулируется изменением мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке. Система термохимического обезвреживания дымовых газов, образующихся в процессе переработки отходов, осуществляется в две стадии:

• в электрошлаковой плавильной электропечи в процессе контакта дымовых газов с расплавом жидкого шлака;

• в реакторе термохимического обезвреживания, состоящем из камеры дожигания, камеры нейтрализации и восстановительной камеры.

В ванне расплава кислые газы контактируют с СаCО₃ с образованием СаS0₄, СаСI₂, СаF₂ по следующим реакциям:

1/2 О₂ + SО₂ + СаСО₃ → СаS0₄ + СО₂

2НСl + СаСО₃ → СаСl₂ + СО₂ + Н₂0

2НF + СаСО₃ → СаF₂ + СО₂ + Н₂0
Hепрореагировавшие кислые газы в камере нейтрализации контактируют с содой по следующим реакциям:

1/2 О₂ +SО₂ + NаС0₃ → Nа₂SО₄ + СО₂

2HСl + Nа₂СО₃→ 1NаСl + СО₂ + Н₂О

2НF+ Nа₂СО₃ → 2NаF + СО₂ +H₂О

Избыток соды в камере нейтрализации составляет 20 %, что обеспечивает на практике 100 %-ную нейтрализацию кислых газов и содержание вредных веществ на уровне требований, например, законодательства Германии (I7ВlшSсhV):

S0₂+НСl< 10мг/м³

НF < 1 мг/м³

в расчете на сухие газы. При сжигании отходов в потоке воздуха образуются оксиды азота NO_Xи оксиды углерода СО.

Оксид углерода устраняется в камере дожигания при подаче острого дутья и температуре свыше 950^оС.

В разработанной установке в камере дожигания поддерживается температура 1000…1135 °С. Время пребывания газов в камере составляет 0,6 с.

После камеры дожигания ожидаемый теоретический выход СО должен быть менее 50 мг/м³ (в расчете на сухие газы).

Оксиды азота устраняются в камере восстановления N0 _x в присутствии карбамида.

Теоретический выход N0_x при горении отходов с учетом содержания паров воды и рециркуляции дымовых газов 300…400 мг/м³.

Восстановление NО_x карбамидном осуществляется в диапазоне температур 1050…960^оС по следующей реакции:

2NО_x + СО(NН₂)₂ → 2N₂ + СО₂ + Н₂О

При поддержании температурного уровня и условий перемешивания на практике достигается восстановление оксидов до 85 %.

Таким образом, ожидаемая концентрация NО_x после камеры восстановления составит менее 80 мг/м³ сухих газов.

Диоксины и фураны, содержащиеся в исходных отходах или образующиеся при сжигании, устраняются при обеспечении температурного уровня 1200 ^оС, наличии кислорода 3% и времени пребывания газов в этих условиях 2 с. Суммарное время пребывания газов в электропечи, камерах дожигания, нейтрализации и восстановления составляет 3,6…3,8 с.

Образование вторичных диоксинов в тракте охлаждения дымовых газов исключено за счет полной нейтрализации кислых газов и отсутствия свободного хлора.

Система утилизации тепловой энергии состоит из воздухо- и водонагревателей. Воздухонагреватель служит для нагрева воздуха, подаваемого в барабан сжигания отходов. Он представляет собой два коаксиальных вертикальных цилиндра, в средней части, которых проходит дым, а в периферийной кольцевой - воздух. Цилиндры соединяются внизу горизонтальной футерованной перемычкой, а подвод и отвод воздуха и дыма осуществляется сверху. Нагрев воздуха до температуры 400^оС повышает интенсивность процесса окисления, что наряду с предварительной сушкой, позволяет реализовать процесс сжигания в автотермическом режиме.

Отвод дымовых газов в сушильный барабан осуществляется из камеры, соединяющий воздухоподогреватель и котел-утилизатор. В соединительной камере для эффективной сушки в дым вводится вода.

Котел-утилизатор снимает избыточную теплоту дымовых газов, охлаждая их до 250 °С. Теплота используется на нагрев воды для собственных нужд.

Система пылегазоочистки предусматривает окончательную очистку потока дымовых газов от вредных веществ и состоит из рукавного фильтра, рассчитанного на работу при температуре 250 °С.

Теоретически возможна очистка газов от пыли до остаточной запыленности 10 мг/м³.

Содержание вредных веществ (мг/нм3) в дымовых газах после системы очистки:

CO - Менее 50

NO_x - То же 80

SO₂+HCl - < 10

HF - < 1

Диоксины - < 100

Пыль - < 10

Система очистки дымовых газов включает в себя рукавный фильтр, дымосос, продувочный вентилятор, устройство для выгрузки пыли, уловленной в фильтре, средства контрольно-измерительных приборов и автоматики.

Рукавный фильтр состоит из двух блоков, каждый из которых включает четыре раздельные секции. Каждая секция имеет прямоугольный корпус, в котором располагаются фильтровальные рукава. В нижней части каждой секции предусмотрен бункер пирамидальной формы. Со стороны одной из торцевых стенок каждого бункера расположен участок газохода диаметром 350 мм для подвода запыленного газа, на котором расположен шибер, дающий возможность отключения входного газохода секции. С противоположной стенки бункера смонтирован люк обслуживания. На верхней крышке каждой секции предусмотрена установка выпускного и продувочного клапанов.

Выпускной клапан сообщается с коллектором очищенного газа, а продувочный клапан - с коллектором продувочного газа.

Общее количество пыли, осаждающейся на рукавах составляет 100…200 кг/ч, поэтому необходимы периодические встряхивания посредством подачи встречного потока воздуха и разгрузки через предусмотренный шлюзовой затвор в специальные емкости контейнеры.

После фильтра дымовые газы поступают в дымовую трубу. Между фильтром и трубой находится дымосос, обеспечивающий по всему тракту давление меньше атмосферного, что, наряду с герметизацией неплотностей исключает выбросы дымовых газов в окружающую среду.

Возможные технологические схемы утилизации минеральной части. При расплавлении минерального остатка сжигания отходов решаются следующие задачи:

1) получение шлаков, кристаллизирующихся с преобладанием стекловидной фазы;

2) достижение соответствия полученного состава требованиям, предъявленным к продукции промышленных строительных материалов.

Решение первой из них позволяет получить устойчивую упаковку вредных соединений, содержащихся в шлаке фторидов, хлоридов и солей тяжелых металлов, При переходе шлака в стеклофазу вымывание солей при любой степени измельчения шлакопродукта исключается.

Соответствие состава шлакопродукта требованиям санитарных и технических норм позволяет полностью утилизировать минеральную частьотходов и вернуть ее в хозяйственный оборот. Результаты санитарно-гигиенической экспертизы, выполненной лабораторией Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора Российской Федерации, свидетельствуют, что шлак не содержит солей тяжелых металлов (медь, цинк, кадмий, свинец, хром) и не токсичен. Исследования шлака показали возможность получения из него путем регулирования состава шихты (смесь молотого шлака с добавками) теплоизоляционного засыпного утеплителя (с насыпной плотностью от 180 до 250 кг/м³), либо пористого заполнителя конструкционных бетонов плотностью до 900 кг/м³. В этом случае насыпная плотность пористого заполнителя составляет 250…300 кг/м³. Возможно получение пирозита для конструкционных легких бетонов, прочностью 20…30 МПа, а также пирозитового песка. Сравнительные характеристики пирозита и керамзита и строительных материалов на их основе приведены ниже:

Свойства Керамзит Пирозит

Пористые заполнители

Насыпная плотность, кг/м³ ………………………580 275

Прочность, М Па ………………………………….2,3 1,4

Теплопроводность, Вт/(м °С) ……………………0,20 0,12

Водопоглощение, %...............................................12 13

Морозостойкость, циклы…………………………15 15

Легкий бетон

Плотность, кг/м³ …………………………………...1200 800

Прочность, М Па …………………………………10,0 10,0

Теплопроводность, Вт/(м °С) ……………………..0,45 0,18

Морозостойкость, циклы…………………………..25 25

Водопоглощение, % ……………………………….13 12

Технология производства пирозита основывается па грануляции существующего шлакового порошка с добавками и последующим обжигом гранул во вращающейся обжиговой печи.

Стеновые ограждения из бетонов на пирозите обладают более высоким термическим сопротивлением, а использование такого рода бетона позволяет снизить расход тепловой энергии на поддержание комфортных условий в зданиях в отопительный сезон.

Малая гидроэнергетика

Экономический потенциал гидравлической энергии в мире оценивается в 8100 ТВт ∙ ч. Установленная мощность всех гидростанций составляет 669 ГВт, а вырабатываемая электроэнергия - 2691 ТВт ∙ ч. Таким образом, экономический потенциал используется на 33%. В России экономический потенциал гидроэнергии составляет 600 ТВт ч и используется на 26% (1575 ТВт ∙ ч). Установленная мощность ГЭС России оценивается 43 940 МВт. Доля малых и микроГЭС в экономическом потенциале составляет примерно 10%.Его используют только на 0,5 %. Это обусловлено сокращение числа малых ГЭС с 5000 в 50-х до 300 в 90-х годах ХХ в. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительство новых малых и микроГЭС. Мировым лидером в малой гидроэнергетике является Китай, где с 1950, но 1996 г. общая мощность малых ГЭС выросла с 5,9 до 19200 МВт. В ближайшем десятилетии в Китае планируется строительство более 40000 малых ГЭС с ежегодным вводом до 1000 МВт. В Индии на конец 1998 г. установленная мощность малых ГЭС (единичной мощностью до 3 МВт) составляла 173 МВт и в стадии строительства находятся ГЭС общей мощностью в 188 МВт. Определены места строительства еще около 4000 станций с общей проектной мощностью 8370 МВт. Эффективно работают малые ГЭС в ряде европейских стран, в том числе в Австрии, Финляндии, Норвегии, Швеции и др.
В последние годы рядом специализированных организаций России разработаны схемы использования гидроресурсов и определены первоочередные объекты возможного строительства с учетом нужд потребителей и дефицита энергопотребления, проведено обследование состояния существующих сооружений малых гидроэлектростанций (МГЭС) и определена возможность их восстановления или реконструкции. НТА «Прогрессэлектро», отдел электроэнергетических проблем Российской академии наук и АО «Гидропроект» (г. Санкт-Петербург) разработали программу строительства на реках Камчатки малых ГЭС.

Разработчики предложили до 2010 г. построить на Камчатском полуострове 20 малых ГЭС. В первую очередь намечено ввести в эксплуатацию шесть ГЭС общей установленной мощностью 50,2 МВт. Эти электростанции будут возводиться на реках, где не развито промысловое рыболовство, или же они будут строиться без плотин.

Вторая очередь строительства охватывает период до 2008 г. За это время будут введены в строй еще 11 ГЭС общей мощностью 132,8 МВт. При проектировании также будут максимально отрабатываться вопросы экологии и сохранения рыбных запасов. С 2008 г. по 2010г. завершится строительство еще трех ГЭС, суммарная мощность которых составит 300 МВт.

Эффективное использование вводимых энергетических мощностей возможно только в комплексе развития сети линий электропередачи. Поэтому программа предусматривает строительство десяти ЛЭП напряжением 35…220 кВ, общей протяженностью 490 км. Как только малые ГЭС первой очереди начнут входить в строй, жители Камчатки смогут более продуманно подходить к использованию близлежащих природных богатств. Очень скоро они почувствуют немалые выгоды, которые принесет им ликвидация лимитов на электроэнергию. Они свободно смогут разрабатывать небольшие, ноимеющие коммерческий спрос залежи полезных ископаемых или, же создавать в леспромхозах комплексы, но переработке древесины утилизовать отходы этой переработки и т. д. Сооружение ГЭС будет сопровождаться развитием дополнительных объектов инфраструктуры: на полуострове появятся карьеры, жилье, производственные здания, мастерские, склады, линии связи и электропередачи, автодороги и пр. Все это может быть использовано в интересах жителей близлежащих районов

По использованию располагаемых гидроресурсов МГЭС можно условно разделить на следующие основные группы:

• новое строительство русловых, приплотинных или деривационных МГЭС с водохранилищами суточного или сезонного регулирования;

• восстановление или реконструкция ранее действовавших гидроузлов;

• утилизация существующих перепадов уровней в водохозяйственных объектах (ирригация, водоснабжение, судоходные сооружения, плотины и запруды в зонах отдыха) или технологических процессах (сбросы бытовых и промышленных очищенных стоков, отеленных вод ТЭС, гидросооружения водоснабжения тепловых и атомных станций и промышленных предприятий);

• использование скоростной энергии свободного течения больших и малых рек, в том числе в условиях ледостава.

В связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России предприятия, традиционно производившие гидроэнергетическое оборудование, частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики.

Одновременно в ряде промышленных центров возникли малые предприятия и акционерные компании, в том числе в рамках конверсии, производящие оборудование для МГЭС. Тем самым снята декларировавшаяся в течение ряда лет проблема с приобретением оборудования для МГЭС за рубежом.

В настоящее время в России может быть обеспечена потребность внутреннего рынка с полностью автоматизированными гидроагрегатами единичной мощностью до 1000 кВт на напоры до 500 м, по индивидуальным разработкам могут быть изготовлены агрегаты значительно большей мощности. Номенклатура электрогенераторов также позволяет укомплектовать серийными машинами гидроагрегаты мощностью до 1000 кВт.

Стоимости комплектных гидроагрегатов мощностью свыше 100 кВт в зависимости от располагаемого напора составляют 200…400 долл. за 1 кВт установленной мощности.

В соответствии с разработанной в 1993 г. программой строительства малых ГЭС в России до 2013 г. может быть введено около 800 МВт установленных мощностей с выработкой электроэнергии свыше 3000 МВт ∙ ч/год. Распределение вводимых мощностей - техническое перевооружение, восстановление, модернизация списанных и законсервированных МГЭС - 250 МВт; новое строительство в районах изолированного энергоснабжения - 200 МВт. Наибольшие гидроресурсы и гидроузлы, подлежащие техническому перевооружению, находятся в следующих энергосистемах (мощности приведены округленно): АО «Краснодарэнерго» (45 МВт), АО «Ставропольэнерго» (100 МВт), АО «Каббалкэнерго» (115 МВт), АО «Севкавказэнерго» (60 МВт), АО «Дагэнерго» (60 МВт), АО «Ростовэнерго» (65 МВт), АО «Хабаровскэнерго» (70 МВт), АО «Карелэнерго» (75 МВт), АО «Красноярскэнерго» (25 МВт).

Эта программа в зависимости от экономических условий и спроса на объекты малой гидроэнергетики может быть уточнена и существенно расширена.

Основными проблемами остаются относительно высокая себестоимость оборудования и строительно-монтажных работ, отсутствие средств у заказчиков в условиях прекращения государственной поддержки развития энергетической отрасли.

Стоимость сооружения МГЭС под ключ составляет от 100 до 400 % к стоимости оборудования в зависимости от типа сооружения и количества агрегатов на станции. Такие стоимости бесперспективны для большинства заказчиков в регионах, где энергия малых рек могла бы обеспечить основные потребности. Предварительный маркетинг показывает, что цена электроэнергии МГЭС должна определяться из условия стоимости 1 т у. т. не более 200 долл. в регионах децентрализованного энергоснабжения или 4...5 центов за 1 кВт ∙ ч в регионах централизованного энергоснабжения с дефицитом электроэнергии.

Энергия морей и океанов

Огромными запасами энергии обладает Мировой океан. Потенциальные запасы энергии, заключенные только в приливах и отливах, составляют 6 ∙10⁶ Вт, теоретически возможная мощность электростанций, работающих на энергии температурного градиента Мирового океана, оценивается в 50 ∙10¹² Вт, общая доступная энергия морских волн составляет 2,7 ∙10¹² Вт.

Основными направлениями преобразования механической и тепловой энергии океана в электрическую, являются приливные электростанции (ПЭС), волновые электростанции (ВолЭС), электростанции, использующие энергию морских течений (ЭСМТ), и электростанции, основанные на использовании температурных градиентов (ГиТЭС).

По всем указанным возможным источникам энергии океана проводятся научно-исследовательские и опытно-экспериментальные исследования. В настоящее время действующими объектами являются лишь ПЭС. Современные задачи их развития концентрируются в области совершенствования инженерных решений и улучшения эксплуатационных экономических показателей.

В России с 1968г. эксплуатируется единственная в стране приливная электростанция - Кислогубская ПЭС, расположенная вблизи г. Мурманска, мощностью порядка 400 кВт. Ежемесячно станция вырабатывает (в периоды, свободные от испытания) до 100 тыс. кВт∙ч.

По своему энергетическому потенциалу приливная энергия может сыграть важную роль на участках побережья Восточного Мурманска, Мезенского залива и Охотского моря. Здесь возможно строительство электростанций, поскольку энергетические ресурсы приливной энергии оцениваются в сотни миллиардов кВт ∙ ч. В этих районах среднемесячная величина приливной энергии оказывается неизменной в любой период года независимо от его водоносности, что выгодно отличает ее от энергии рек.

Исследования отечественных специалистов показали, что в условиях неравномерного графика энергопотребления полученная пульсирующая энергия от ПЭС может быть использована для открытия суточных пиковых потребителей.

В настоящее время за рубежом действует одна приливная электростанция на реке Ранс (Франция) мощностью 240 тыс. кВт. Благоприятные условия для создания приливных станций имеются вСША, Канаде, Великобритании и Аргентине. По расчетам американских специалистов, для гипотетической электростанции мощностью 1600 МВт удельные капитальные вложения составляют 400 долл. за 1 кВт установленной мощности, что ниже удельных капитальных вложений на 1 кВт установленной мощности для строительства электростанции, работающей на других возобновляемых источниках энергии. Себестоимость электроэнергии на ПЭС оценивается в 4 цента за 1 кВт∙ч, что уступает только соответствующим показателям для ГеоТЭС.

Энергию поверхностных воли использовать трудно из-за низкой концентрации и рассеянности на больших пространствах, непостоянства во времени и случайном характере. В нашей стране оценка мощности волн произведена только для акватории Черного моря и составляет 2 кВт/м фронта волны.

Использование энергии волн за рубежом крайне ограничено и направлено, в основном, для электрообеспечения маяков. Предполагаемая расчетная стоимость электроэнергии по волновым электростанциям в 10-20 раз превышает аналогичный показатель для электростанций на традиционном топливе. Гидротермальные электростанции (ГиТЭС) могут быть созданы там, где имеется разность температур между поверхностными и глубинными холодными слоями и между подледной водой и воздухом и предназначены для преобразования тепловой энергии в электричество.

Использование тепловых насосов

Определенная роль в решении проблем энергосбережения принадлежит теплонасосным установкам (ТНУ), обеспечивающим эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты окружающей среды, промышленных и бытовых стоков.

Использование теплового насоса получило интенсивное развитие в мире в последние годы в связи с энергетическими и экологическими проблемами.

Тепловой насос - машина, переносящая теплоту с более низкого на более высокий температурный уровень, затрачивающая при этом меньшее количество энергии, чем переносимая тепловая энергия. Он способен во многих случаях обеспечивать экономию топлива и уменьшать тепловое загрязнение окружающей среды. С помощью ТНУ природную теплоту и тепловые отходы можно использовать для различных целей теплоснабжения.

Так для одного отечественного предприятия был разработан проект системы технологического кондиционирования воздуха с холодильной станцией на базе серийных холодильных парокомпрессионных машин типа МКТ-350-2-1 с винтовыми компрессорами (перевод их в режим теплового насоса согласован с заводом-изготовителем). Для получения в теплонасосной установке (ТНУ) теплоносителя с температурой 65^о С произведена замена хладагента Р-22 на Р- 12 с более высокой температурой конденсации при допускаемых заводом-изготовителем давлениях конденсации. Эффективность применения ТНУ для комплексного теплохолодоснабжения на данном предприятии возросла при наличии сбалансированного потребления холода и теплоты и сбросной теплоты технологического оборотного водоснабжения.

На рис. 11 приведена принципиальная схема разработанной системы выработки холода и утилизации теплоты с ТНУ. Тепловая мощность ТНУ определяется требуемой холодопроизводительностью. В летний период в качестве низкопотенциальной теплоты используется отепленная вода оборотного водоснабжения системы кондиционирования воздуха 4, которая охлаждается в испарителях парокомпрессионных машин 1 с 11 до 6 ^оС и далее используется как хладоноситель. В отопительный период, когда отсутствует нагретая вода системы кондиционирования воздуха, к испарителям подводится вода технологического оборотного водоснабжения 3 с температурой около 25 ^оС, которая при традиционной схеме охлаждалась в градирнях 5.

Для отбора получаемой в ТНУ теплоты организован специальный контур циркуляционной воды с насосной группой 6. Проходя через конденсаторы 2 ТПУ, вода нагревается до 65 °С и используется в качестве теплоносителя для технологических нужд котельной и горячего водоснабжения предприятия. Отработанная во всех элементах тепловой схемы циркуляционная вода с температурой около 42 ^оС возвращается в конденсаторы ТНУ для последующего подогрева.

В отопительный период наряду с покрытием указанных тепловых нагрузок циркуляционная вода от ТНУ используется для предварительного подогрева обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия перед поступлением ее в котельную. Для этого системы отопления и вентиляции промышленных корпусов 7 были спроектированы на температурный график 150/50 ^оС, что дало возможность значительно снизить температуру обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия и тем самым более полно использовать утилизируемую в ТНУ теплоту.

Рис.11. Схема утилизации теплоты: 1 - парокомпрессионная машина; 2 - конденсаторы; 3 - оборотное водоснабжение;

4 - система кондиционирования воздуха; 5 – градирня; 6 - насосная группа; 7 – промышленный корпус; 8-11 теплообменные аппараты; 12 система утилизации.

В разработанной системе утилизации 12 применена схема последовательного соединения тепловых насосов по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением. Среднегодовой расчетный коэффициент комплексной эффективности (отношение эквивалентных количеств выработанных теплоты и холода к количеству электроэнергии, затраченной на привод ТНУ) разработанной системы составил 5,4. В качестве теплообменных аппаратов 8 - 11 в тепловой схеме применены пластинчатые подогреватели типа Р.0б, обеспечивающие наиболее эффективное использование располагаемого напора.

На рис. 12 приведен график тепловых нагрузок предприятия в зависимости от времени года. Заштрихованная область соответствует доле тепловой нагрузки покрываемой ТНУ (Q - среднемесячная часовая тепловая нагрузка предприятия).

Рис. 12. График тепловых нагрузок

Расчеты показывают, что количество утилизируемой теплоты в общем тепловом балансе предприятия составляет около 30 %.

Разработанные технические решения позволяют круглогодично покрывать тепловую нагрузку горячего водоснабжения за счет утилизации ВЭР предприятия и существенно уменьшить потребление органического топлива на нужды отопления, вентиляции и технологии. Расчетная годовая экономия тепловой энергии составила более 12 тыс. Гкал. Кроме того, значительно уменьшаются нагрузки градирен, и улучшается экологическое состояние воздушного бассейна.

С термодинамической и конструктивной точки зрения ТПУ аналогичны холодильной машине, отличаясь от нее лишь температурным режимом работы.

Существует большое разнообразие типов ТПУ, которые могут быть классифицированы по различным признакам: по принципу действия (парокомпрессионные, абсорбционные, термоэлектрические и др.), схеме применения (ТНУ в чистом виде либо в комбинации с дополнительным источником теплоты), используемому источнику низкопотенциальной теплоты (наружный воздух, поверхностные или подземные воды, грунт, тепловые отходы и др.), сочетанию сред - источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой (воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, грунт-воздух и др.), источнику затрачиваемой энергии (электричество, органическое топливо, солнечная энергия, тепловые отходы производства и т. п.), типу привода компрессора (электродвигатель, ДВС, турбина и др.).

Тепловые насосы с передачей тепла от воздуха к воздуху завоевали не слишком хорошую репутацию. Однако новые модели, использующие воду в качестве источника низкопотенциальной теплоты, полностью свободны от недостатков, свойственных тепловым насосам «воздух-воздух», и обладают преимуществами, которых эти насосы лишены. К числу таких преимуществ относятся: лучшие эксплуатационные показатели при низких температурах наружного воздуха (поскольку источником низкопотенциального тепла служит вода), меньшая потребность в подаче дополнительного тепла и более высокий КПД.

В настоящее время тепловые насосы с водяным контуром используются при сооружении новых и реконструкции существующих общественных зданий. Их почти всегда располагают в надпотолочном пространстве, и они не нуждаются в дорогостоящей площади пола. В современных административных зданиях, состоящих из большого количества помещений, вполне возможна ситуация, при которой одни помещения, расположенные по периметру, нуждаются в отоплении, а в тоже самое время другие помещения, расположенные по периметру, нуждаются в кондиционировании воздуха. Внутренняя зона здания будет почти круглый год нуждаться в кондиционировании. Тепловые насосы, расположенные во внутренней зоне, подают теплоту в контур, а насосы, расположенные, но периметру здания, отбирают теплоту из контура. Во многих случаях дополнительный нагрев не требуется, поскольку все здания отапливаются за счет повторно используемой электроэнергии.

Бытовым вариантом теплового насоса с водяным контуром является насос, для которого источником низкопотенциальной теплоты служит грунт. Не требуется ни башенный охладитель воды, ни бойлер: вместо них в качестве поглотителя или источника теплоты используется грунт.

Петля из труб, содержащих жидкий теплоноситель, укладывается в горизонтальную траншею либо помещается в вертикальную скважину или в пруд. Тепловая энергия, выделяемая системой передается грунтовым водам; при обогреве помещения грунтовые воды служат источником низкопотенциальной теплоты. Поскольку температура грунтовых вод колеблется лишь в пределах от 3 ^оС до -26 ^оС, требуется лишь незначительный подогрев, а иногда и не требуется вовсе. При использовании отопительных систем подобного рода период окупаемости капиталовложений обычно составляет от 3 до 5 лет.

Тепловые насосы используются также и для нагрева воды. В этом случае они отбирают тепловую энергию из воздуха, находящегося внутри здания; вода нагревается примерно до 60 ^оС. Работая в этом режиме, тепловой насос обладает коэффициентом преобразования, равным 2-4. Для сравнения укажем, что наиболее совершенные газовые водонагреватели имеют коэффициент преобразования, равный 0,6-0,9, а электронагреватели обладают коэффициентом преобразования, равным 0,9-1,0.

На практике в большинстве случаев применяются парокомпрессионные ТНУ с электроприводом компрессора.

Наибольшее применение ТНУ нашли в следующих областях: теплоснабжение (централизованное и децентрализованное) жилых, административных и производственных объектов; обеспечение теплотой нужных параметров некоторых технологических процессов (сушка, дистилляции, тепловая обработка); теплохладоснабжение сельскохозяйственных объектов (молочно-товарные фермы, фруктохранилища и др.). Новой областью применения ТНУ стало создание высокотемпературных ТНУ открытого цикла для получения пара промышленных параметров, а также высокотемпературных абсорбционных термотрансформаторов для получения горячей воды и пара с температурой до 250 ^оС. Применение ТНУ открытого цикла на водяном паре перспективно на маневренных ТЭЦ, в системах пароснабжения от крупных загородных ТЭЦ, на ТЭЦ при выпаривании солевых растворов. Ведется освоение крупной ТНУ под Выборгом и проектируется комбинированная установка ДЭС+ТНУ в г. Владимире.

Теплопроизводительность ТНУ может составлять от нескольких сотен ватт до 100 МВт в одном агрегате.

В мире ТНУ применяются широко. Они заняли прочное место в ряду других средств теплоснабжения. Так, в США эксплуатируется около 7 млн. ТНУ, половина из которых составляет ТНУ для коттеджей тепловой мощностью 3…30 кВт. В ФРГ имеется около 300 тыс. ТНУ, в том числе около 500 ТНУ большой мощности, десятки ТНУ по 500 кВт с приводом от газовых ДВС для теплиц. Для Швеции (общее количество ТНУ около 150 тыс.) характерно применение крупных ТНУ, эксплуатируется около 50 ТНУ по 20…90 МВт.

В 1986-1989 гг. в бывшем СССР был разработан ряд парокомпрессионных ТНУ на фреоне-12 теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт типа «вода-вода» и «вода—воздух». Большая часть ТНУ этого ряда прошла стадию изготовления и испытания, опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (ТНУ теплопроизводительностью 14, 100, 300, 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. составил более 3000 единиц. Кроме того АО «ИНСОЛАР» осуществило поставку заказчикам около 25 ТНУ на 1,5 и 5 кВт для горячего водоснабжения и отопления коттеджей «воздух-вода» и «грунт-вода», базирующихся на импортных компрессорах.

Отечественные ТНУ по достигаемому коэффициенту преобразования (отношение тепловой энергии, отданной потребителю, к энергии, затраченной на привод ТНУ) не уступают лучшим мировым образцам. При эффективном применении ТНУ обеспечивается экономия топлива в сравнении с прямым электрообогревом до 270 кг у. т. и в сравнении с котельными до 55 кг. на 1 МВт - ч тепловой энергии.

Экономическая целесообразность применения ТНУ в значительной степени определяется отношением стоимости электроэнергии к стоимости топлива в перерасчете на его теплотворную способность, Для нашей страны характерно завышенное в 3-4 раза по сравнению с западными странами значение данного отношения, что сдерживает широкое распространение ТНУ.

Важным резервом экономии топлива и защиты окружающей среды является использование таких источников энергии, как воздух, вода и грунт, температура которых изменяется во времени под воздействием различных природных и антропогенных факторов. При огромной суммарной мощности эти низкопотенциальные источники могут рационально использоваться многочисленными малоэнергоемкими потребителями, удаленными от систем энергоснабжения.

В технико-экономическом докладе ВНИПИэнергопрома «Развитие теплонасосных станций» определены целесообразные области использования тепловых насосов в РФ

• на объектах курортной зоны;

• в электрокотельных, вблизи которых находятся источники низкопотенциального тепла (водохранилища ГЭС);

• на электростанциях 220…500 кВт;

• на ТЭЦ, переводимых в режим котельных и котельных на органическом топливе вблизи источников тепловой энергии;

• на ГЭС для использования теплоты охлаждения гидрогенератора и трансформаторов для теплоснабжения;

• для охлаждения обратной сетевой воды в системах дальнего транспорта тепла отходящих и дымовых газов.

В Краснодаре ведется сооружение опытной теплонасосной установки теплопроизводительностью 100 кВт с использованием взамен фреона специальной пропан-бутановой фракции.

«Роскоммунэнерго» в 2005 г. совместно с Институтом тепло - физики Сибирского отделения Академии наук РФ создает компрессионно - ресорбционный водоаммиачный тепловой насос теплопроизводительностью 1...1,5 МВт для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения на базе низкопотенциальной теплоты 15…30 ^оС.

Для использования тепловой энергии от сжигания твердых и жидких бытовых отходов Сибирский филиал «Техэнергохимпром» (г. Бердск) разработал ряд установок различной мощности и различного конструктивного исполнения в зависимости от вида преобладающей части бытовых отходов.

Применение ТНУ, даже при современном уровне оборудования, выпускаемого отечественными заводами, позволяет использовать их для отопительных нужд (с трансформацией тепловой энергии грунта и Солнца, сборной тепловой энергии от крупных предприятий, холодильных станций и т. д.).

В отдаленных районах Севера и Северо - Востока страны нашли применение подземные машинные распределительные холодильники с зимним холодо - зарядным атмосферным воздухом. Строительство подземных холодильников дешевле наземных па 20…25 %, расход энергии при эксплуатации сокращается на 30 %.

Дата добавления: 2014-01-06