Вторичные энергетические ресурсы: понятие, виды, классификация, использование, достоинства и недостатки применения

Вопросы энергосбережения становятся все острее по мере наращивания мощностных потенциалов современных потребителей. И в бытовой сфере, и в промышленности используемые технические средства, агрегаты и коммуникационные сети требуют все больших объемов энергетических ресурсов. Это вынуждает искать новые, альтернативные источники генерации тепла, электричества и других видов энергии. Несмотря на активное развитие естественных природных носителей энергии, этот сегмент пока еще не позволяет рассчитывать на полное вытеснение традиционных генераторных станций. В то же время немалым интересом пользуются вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), которые в значительной мере являются бесплатными, но требуют меньше вложений в создание обслуживающей инфраструктуры. Впрочем, на этом особенности вторичного энергопродукта не заканчиваются.

Определение ВЭР

Существует два принципиально разных способа выработки энергии – природный и промышленный (искусственный). В первом случае используется энергия природных явлений и процессов – например, течение воды, солнечное излучение, ветер и т. д. Сложность применения таких ресурсов обуславливается техническими проблемами организационного характера – в частности, нестабильностью аккумуляции энергии. Промышленная генерация энергии в этом смысле более контролируема, но требует сырья для обеспечения реакций, в ходе которых и вырабатывается тепло, электричество, газ и т. д. Объединение первичных и вторичных энергетических ресурсов как раз происходит в рамках рабочего цикла генераторных станций. Дело в том, что основные ресурсы используются не полностью, а их остатки в дальнейшем утилизируются или перерабатываются. На этой же основе работают станции вторичной выработки энергии.

При рассмотрении принципов использования ВЭР будет не лишним обратиться к понятию энергетического потенциала. Это объем энергии, который теоретически может образовываться в ходе переработки отходов, побочных продуктов производства и промежуточного сырья, не израсходованного в первичном цикле. При этом само выражение потенциала в виде энергии может быть разным. Запасы тех или иных отходов представляются как физическое или химически связанное тепло, избыточное давление, кинетическая энергия или напор жидкости.

Итак, определение вторичных ресурсов для эксплуатации энергетических установок звучит следующим образом: это энергетический потенциал, который может быть сгенерирован в результате технологического процесса переработки недоиспользованных отходов или продуктов основного производства. При этом и сами отходы, и методы их дальнейшей обработки могут быть разными.

Характеристики ВЭР

Стоит отметить, что длительное время данная концепция выработки энергии не рассматривалась крупными потребителями по причине отсутствия точных методик расчета КПД и энергетических потенциалов. Сегодня же вторичная переработка ресурсов базируется на комплексном анализе широкого спектра показателей, что и позволяет извлекать из тех же производственных отходов максимум пользы. К наиболее распространенным расчетным характеристикам данного типа ресурсов можно отнести следующие:

• Выходной энергетический коэффициент – отношение потенциала выработки к тепловому объему, который поступил в генератор с первичными ресурсами.
• Коэффициент потребления энергии – отношение объема расходованной теплоты от вторичной выработки к полученной в генераторной установке энергии. Данный показатель и отражает эффективность использования конкретной энергетической схемы предприятия. Причем существуют разные способы оценки оптимальных объемов потребления – с акцентом на экономически целесообразные величины, фактические и планируемые показатели потребления.
• Возможности экономии топлива – это объем первичных ресурсов, которые не расходуются благодаря использованию производственных отходов. Причем экономия может рассчитываться и по обратной схеме, когда первичные и вторичные ресурсы заменяют друг друга в зависимости от текущих условий выработки теплоты или электричества.
• Коэффициент утилизации – отношение объема выработанной теплоты к потенциалу энергии ресурса, поступившего в перерабатывающий котел.
• Коэффициент генерации энергии – объем энергии, которая непосредственно вырабатывается при использовании вторичного сырья в утилизирующем агрегате. Надо отметить, что коэффициент генерации отличается от выходной энергии величиной теплопотерь в рабочей установке.
• Эксплуатационный коэффициент – это величина, через отношение определяющая разницу между планируемым выходом энергии и фактически полученным объемом выработки.

Выбор оптимальной модели ВЭР

В каждом случае при разработке проекта энергетического обеспечения посредством вторичных ресурсов на первый план выносится экономическая задача, суть которой заключается в применении наиболее эффективных сырьевых материалов. Для этого выполняется предварительная паспортизация всех доступных источников вторичных ресурсов с указанием их запасов, загрязненности, температуры и режима поступления. Также определяются требования к обеспечению технологических процессов утилизации ВЭР. В зависимости от условий эксплуатации предприятия и способа переработки сырья, это могут быть системы отопления, вентиляции, газо- и водоснабжения.

На завершающем этапе создания проекта также выполняются следующие процедуры:

• Подбирается наиболее целесообразный экономически способ утилизации по одному выбранному или нескольким источникам вторичного сырья.
• Определяется экономический эффект от каждого мероприятия переработки ресурсов.
• Разрабатывается схема работы утилизирующей установки в соответствии с потребностями предприятия. Также основной технологический процесс может дополняться вспомогательными операциями по типу когенерационных установок – например, если требуется преобразование нескольких видов топлива.

Источники вторичных ресурсов

В общем смысле под источниками ВЭР понимается совокупность технологических процессов и перерабатываемого сырья в рамках эксплуатации первичных энергогенераторов. Также и разные производственные направления могут выступать источниками материала для последующей генерации и преобразования теплоты или электричества. Что относится к вторичным энергетическим ресурсам? Конкретные виды материалов определяются сферой первичной выработки сырья. К примеру, металлургические предприятия дают лом, отходы цветных и черных металлов, резиносодержащие смеси и неиспользованные легирующие добавки.

Если речь идет о теплоснабжающих потребителях, то на первый план выйдут мебельные и бумажные фабрики, а также строительные деревообрабатывающие предприятия, которые предоставляют топливные горючие материалы. Можно привести следующие примеры вторичных энергетических ресурсов данного типа:

• Торфяные брикеты.
• Древесная щепа и кора.
• Зола от высокотемпературных сушильных котлов.
• Лигнин.
• Макулатура.
• Твердотельные отходы деревообработки.
• Невостребованные картонно-бумажные продукты.

По мере усложнения технологических процессов производства меняется и структура отходов с выбросами. Наряду с традиционным сырьем все чаще на вторичных циклах переработки используются высококачественные и сложные многокомпонентные отходы. К таким можно отнести следующие материалы:

• Полимерные термопластичные элементы.
• Агломераты синтетических сплавов.
• Резинотехнические изделия и регенераты.
• Галитовые отходы.
• Доменные шлаки.
• Фосфогипс.

Вместе с этим повышается и уровень экологических угроз. Если одним из важнейших преимуществ естественных природных источников энергии является экологическая чистота процессов генерации, то высокую эффективность ВЭР в немалой степени обеспечивают не поддающиеся первичной переработке загрязненные и химически агрессивные вещества. К ним относятся нефтепродукты, осадки и шламы, изношенные шины, ртутьсодержащие отходы и т. д.

Классификация по направлениям использования

Одна из ключевых классификаций вторичных ресурсов, определяющая сферу применения энергетически ценного сырья. Как правило, различают следующие направления использования ВЭР:

• Топливное сжигание в агрегатах, использующих готовое для тепловой обработки сырье. Реализуется простая схема выработки теплоты без промежуточных этапов переработки и преобразования.
• Тепловое использование. Генерация в тепловых утилизирующих агрегатах. В отличие от предыдущего способа использования ресурсов может реализовываться когенерационный принцип выработки энергии, но также без операций преобразования. К примеру, на разных линиях генераторной станции использование вторичных энергетических ресурсов позволяет получать тепло, горячую воду или пар.
• Тепловое и комбинированное использование. Наряду с выработкой тепла также выполняется преобразование в электроэнергию. Например, турбоагрегаты генерируют электричество в теплофикационный или конденсационный виды энергии.
• Электроэнергетическое. Производится выработка электричества с помощью утилизирующего газового турбоагрегата.

Классификация по типу носителя

Под носителем понимается форма энергетического ресурса, а также его агротехническое состояние, под которое будет подбираться и утилизирующая установка. По этому признаку выделяют следующие ресурсы вторичного сырья:

• Жидкие, твердые и газообразные отходы.
• Пары – отработанные и попутные.
• Отходящие газы.
• Промежуточные и готовые производственные продукты.
• Техническая охлаждающая вода.
• Газы с повышенным давлением.

Классификация по основным видам ВЭР

К наиболее распространенным относятся горючие и тепловые вторичные ресурсы для переработки на утилизирующих энергетических подстанциях. Например, горючие ВЭР, как правило, представляют собой производственные отходы, используемые в виде готового топлива для других производственных задач. В данном случае применима следующая классификация вторичных энергетических ресурсов:

• Металлургические доменные газы.
• Древесные отходы в виде щепы, опилок и стружки.
• Жидкие или твердые отходы, используемые в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Тепловые ВЭР обеспечивают получение физической теплоты без преобразования. В этом качестве могут использоваться отходящие технологические газы, побочные отходы производств, шлаки и зола, прямое тепло от работающих агрегатов и аппаратов, пар и горячая вода. Важно подчеркнуть, что тепловые ресурсы могут применяться как непосредственно в качестве источника тепла, так и в виде сырья, переработка которого будет способствовать получению электроэнергии.

Реже применяют ресурсы, потенциальная энергия которых вырабатывается от источников избыточного давления. Это выбрасываемые виды вторичных энергетических ресурсов, которые могут представлять собой пар и газовые смеси, выходящие из рабочих установок в атмосферу. Такие ресурсы разделяют по уровню концентрации энергии и температурным показателям. Теперь можно рассмотреть каждый из упомянутых видов ВЭР по отдельности.

Горючие вторичные ресурсы

В доле мирового использования ВЭР горючее топливо занимает порядка 70-80 %. Основным видом таких отходов является древесина и продукты ее переработки. Целевым оборудованием утилизации ресурса обычно выступают котельно-печные агрегаты, обеспечивающие технологические процессы сжигания с тепловым отводом. В России также действуют специализированные установки переработки горючих видов вторичных ресурсов – например, лигнин перерабатывается на гидролизных заводах, однако в силу сложностей обслуживания продуктов такие технологические подходы встречаются нечасто.

Относятся к вторичным горючим отходам и автомобильные покрышки, утилизация с выделением энергии которых осуществляется тремя способами:

• С подключением каскада дробилок для предварительного измельчения.
• С применением систем непрерывного сжатия в замкнутом объеме в специальных экструдерах.
• С технологией криогенного измельчения, при котором задействуется жидкий азот.

Пользуются популярностью и комбинированные способы сжигания горючих продуктов. После сортировки сырья по определенным признакам (фракции, степени загрязненности, химическому и структурному составу) осуществляется вторичная переработка ресурсов одного типа. Так, вместе с древесными отходами может сжигаться уголь и резиновая крошка, если она подходит по заданным технологическим признакам. На некоторых станциях утилизации производится и подготовка горючих отходов к дальнейшему производству. В частности, из активированного угля, радиотехнических элементов и композитных материалов уже после энергетической переработки изготавливают строительные материалы наподобие шлангов, мастик, наполнителей для различных смесей и лакокрасочных составов.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы

Энергетический потенциал ВЭР данного типа тоже позволяет их широко использовать в самых разных отраслях и направлениях промышленности. Наиболее ценные с точки зрения производительности тепловые ресурсы представляют отходящие газы, выпускаемые в результате химических реакций, пиролиза и сгорания основных топливных продуктов. Применяется и теплота конденсата, хотя из-за технологической сложности процессов отбора энергии данный источник используется только на многофункциональных крупных предприятиях с когенерационными установками. Теоретически может генерироваться тепло от вентиляционных выбросов и других инженерных сетей с горячими потоками воздуха и воды, но его доля в общем объеме вторичной энергетической переработки составляет лишь 2-3 %.

Также существуют и ограничения по использованию тепловых источников вторичных энергетических ресурсов, которые накладываются на системы нагрева приточного воздуха. В частности, не допускается технологическое использование следующих воздушных сред:

• Потоки, удаляемые из помещений, содержащих легковоспламеняющиеся или взрывоопасные вещества. Даже если место забора косвенно связывается с горючими газами или парами по вент-каналам, этот воздух нельзя использовать в тепловых утилизаторах.
• Потоки, которые могут стать носителями вредных веществ. Обычно это происходит, когда циркулирующий воздух забирает с теплообменников конденсирующиеся или осаждающиеся частицы переработки опасного сырья.
• Потоки, которые могут содержать болезнетворные вирусы, бактерии и грибки. Биологическое заражение воздушной среды также обуславливается спецификой конкретного производства или условиями эксплуатации инженерной системы.

Характерной чертой использования вторичных ресурсов с целью тепловой выработки является сезонный режим работы утилизационных установок. Связано это с тем, что значительная часть перерабатывающих котельных активизируется в периоды отопления с прямым забором тепловой энергии. Особенно это касается коммунальных хозяйств, но в условиях промышленного производства тепловая поддержка технологических операций осуществляется в темпах местного графика.

Вторичные ресурсы под избыточным давлением

Преимущественно это производственные отходы, получаемые в результате технологических процессов первичной переработки. Это могут быть газы, жидкости и даже сыпучие вещества. Главной их особенностью является нахождение под избыточным давлением при выходе из рабочей установки или инженерной системы. Именно требования к регуляции давления обуславливают сложности применения данного вида вторичных ресурсов, а также их производных. Как минимум, цикл переработки должен предусматривать операцию снижения давления перед выбросом. Для этого используются специальные регуляторы с редукторами, автоматически нормализующие состояние тел до оптимальных показателей.

Оборудование для обслуживания ВЭР

Для извлечения энергии из вторичных ресурсов используются утилизирующие установки, которые могут обеспечивать разные процессы переработки и производства. Существуют как специализированные, так и универсальные агрегаты. Поскольку к вторичным ресурсам относятся такие среды, как водяной пар с газом и водой, универсальные котельные и бойлерные установки можно рассматривать в качестве когенерационного оборудования. Целевым продуктом таких систем, как правило, является электроэнергия, вырабатываемая в больших объемах.

Если же говорить о специальных узконаправленных установках, то к ним относятся следующие:

• Котлы-утилизаторы.
• Экономайзеры.
• Тепловые насосы.
• Теплообменные установки.
• Абсорбционные холодильные системы.
• Водонагреватели.
• Агрегаты испарительного охлаждения.
• Турбогенераторы и др.

Разумеется, для полноценной эксплуатации таких агрегатов требуется и широкий комплекс вспомогательных устройств, за счет которых система подключается к источникам топлива. Так, для обслуживания вторичных энергетических ресурсов в едином комплексе с газопроводом может потребоваться утилизатор с отдельной компрессорной станцией. В зависимости от характеристик самого ресурса, могут применяться также системы охлаждения, фильтрации, нагрева, регуляции давления и т. д.

Использование ВЭР для отопления

На многих предприятиях непосредственно в технологические процессы производства закладывается возможность отопления помещений и обогрева оборудования за счет энергии, вырабатываемой местными же отходами. Например, термические котлы и печи в процессе работы выделяют вторичные энергетические ресурсы в виде газа. Система их утилизации работает с помощью водяных подогревателей, которые сначала устанавливают температуру газовых смесей примерно до 250 °С, а затем распределяют энергию по теплообменным контурам. После этого оставшиеся технологические испарения удаляются через дымовую трубу. Подогретая вода может расходоваться по-разному. Обычно ее используют в самом производственном процессе как техническую жидкость или в качестве ресурса для горячего водоснабжения.

Эффективность применения подобных технологий обогрева невысока и составляет лишь 10-12 %, но с учетом отсутствия затрат на сырьевой материал этот подход себя оправдывает. Другое дело, что само по себе использование вторичных энергетических ресурсов требует первоначальной организации условий для выработки тепла и последующего распределения продуктов сгорания по теплообменным сетям. Может потребоваться и дополнительное оснащение производственных линий агрегатами для удаления нежелательных взвесей и системами базовой очистки.

Подогрев открытых площадок с помощью ВЭР

Создание рабочих площадей с технологическим оборудованием вне помещений по разным оценкам позволяет сэкономить от 10 до 20 % сметных расходов на организацию производственных процессов. Разумеется, о полном выходе за пределы цехов речи не идет, но минимизация объема строительных конструкций при создании таких площадок значительно сокращает стоимость проектов. Но вместе с этим эксплуатация оборудования будет затруднена из-за наличия снега и наледей на участках. Соответственно, возникает необходимость в организации системы теплообеспечения в условиях открытой площадки. Выбор конкретной установки и типа вторичного энергетического ресурса будет зависеть также от направления работы предприятия и его технологических отходов. Как правило, в качестве теплоносителя используется вода, циркулирующая в межтрубном пространстве с обратным возвращением к источнику нагрева. Для поддержания оптимальных параметров жидкости дополнительно используется антифриз, а регуляцию потоков осуществляет автоматика с буферными расширительными баками.

Теплоотдача будет зависеть от объемов ресурса, конструкции трубопровода и внешних микроклиматических условий. В целях поддержания безопасности при эксплуатации системы зимой рекомендуется устраивать и специальные покрытия на бетонной основе. Также и в интересах повышения теплопроводности технологи советуют покрывать конструкцию растворами на основе тяжелого бетона, базальтовой крошки и гранитных включений. Если речь идет о холодных регионах с сильными морозами, то лучше выберите вторичный энергетический ресурс на водной основе с добавлением в рабочую инфраструктуру снегоплавильных установок. Расчетный объем вырабатываемой теплоты на плавление снежных масс и наледей должен будет составлять примерно 630 кДж/кг. Если же конструкция системы не допускает накопления снега на рабочем участке, то расход энергии на его плавление в момент выпадения увеличится до 1250 кДж/кг.

Преимущества использования ВЭР

Применение альтернативных источников энергии, как правило, обуславливается экономическими, техническими и экологическими факторами. В данном случае работают все эти факторы, но экономический является доминирующим. При грамотно выполненном проекте реализации утилизатора на предприятии можно рассчитывать на снижение затрат на теплоснабжение, к примеру, до 25-30 %. Конкретный показатель экономии определяется условиями выработки и применением вторичных энергетических ресурсов, но выгода будет в любом случае. Особенно если используются местные и собственные материалы переработки на целевом предприятии.

Еще одно преимущество связано с высоким энергетическим потенциалом отходов. Газы, технические жидкости и твердотельное производственное сырье изначально подбирается по принципам максимального извлечения больших объемов теплоты. Более того, в отличие от работы основных традиционных энергоносителей вторичные ресурсы на момент использования уже находятся в оптимальном для переработки агрегатном и температурном состоянии.

Недостатки использования ВЭР

Широкому распространению данной концепции энергетического обеспечения препятствует несколько факторов, главным из которых является сложность технологического устройства подобных систем. Даже если не брать в расчет затраты на оборудование в виде утилизаторов, при технической организации процесса неизбежно потребуется переустройство участка эксплуатации, так как система будет работать в связке с разными инженерными узлами.

Еще один недостаток от использования вторичных ресурсов можно представить как низкие показатели энергетической отдачи. Опять же, с учетом бесплатности данного сырья экономическая целесообразность будет положительной, однако скромный процент теплоотдачи, в частности, не позволит рассчитывать в принципе на обустройство генераторных станций для комплексного обслуживания производств и других объектов потребления. Как правило, это лишь вспомогательный источник энергии.

Заключение

Ресурсы для переработки с целью вторичного извлечения энергии имеют принципиальные отличия, как от традиционных, так и от природных источников энергообеспечения. Отчасти они обусловлены самим происхождением данного сырья, но в большей мере – спецификой технологий их применения. В то же время потребление первичных и вторичных ресурсов может происходить в рамках одного производственного процесса. Например, если на заводе изготавливается арматура, а продукты сгорания из доменных печей направляются в утилизаторы с теплообменниками, обслуживающими уже другие технологические операции. Реализуется полный производственный цикл, который отличается более высокой эффективностью, рациональным использованием ресурсов и экологической чистотой, так как осуществляется переработка отходов.