Перспективы применения теплонасосных технологий с использованием низкотемпературных тепловых отходов технологических процессов для повышения энергетической эффективности работы оборудования металлургических предприятий Республики Казахстан Казахстан А.Ш.Алимгазин, д.т.н., профессор, Директор НИИ «Энергосбережение и энергоэффективные технологии» ЕНУ им.Л.Н.Гумилева г.Астана, 2014 г. В настоящее время вопросы энергосбережения и эффективного использования возобновляемых и альтернативных источников энергии, являются одними из приоритетных направлений развития различных отраслей экономики Республики Казахстан. Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии достигается с помощью теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих трансформировать низкопотенциальную теплоту ВЭР и возобновляемых природных источников до более высоких температур, пригодных для целей теплоснабжения. Эффективным направлением использования ТНУ, как показывает опыт развитых стран мира, является направление энергосбережения, связанное с утилизацией низкотемпературных тепловых отходов (5-45°С) технологических процессов промышленных предприятий (оборотная вода технологических циклов металлургических предприятий,ТЭЦ, ГРЭС, сбросные воды канализационноочистных сооружений крупных городов и населенных пунктов и т.п.) с целью снижения вредных выбросов в атмосферу и одновременным получением теплоты более высоких параметров. Преимущества применения тепловых насосов в промышленности Наличие практически неограниченных источников теплоэнергии, что означает сбережение невозобновляемых энергоресурсов (твердого и жидкого топлива). Защита окружающей среды путем сокращения вредных выбросов в атмосферу, в том числе и СО, SO2 , NOx , золы. Широкий диапазон мощностей тепловых насосов в зависимости от потребности. Первый в Республике Казахстан промышленный тепловой насос НТ-3000 (тепловая мощность 3,7 Гкал) запущен ЗАО «Энергия» на АО «Казцинк» в декабре 1999 г. (г.Усть-Каменогорск) Опыт работы промышленного теплового насоса НТ-3000 на АО «Казцинк» Установлен в 1999 году в теплосиловом отделении энергоцеха предприятия ТН используется для подогрева исходной воды для станции химводоочистки и захолаживания оборотной воды Капитальные затраты - 27,7 млн.тг.(1$ =122 тенге) Средняя себестоимость теплоэнергии – 198 тг/Гкал Срок окупаемости капитальных затрат – 2,5 года Среднегодовая выработка теплоэнергии – 8800 Гкал Выработка ТН эквивалентна 4,5 тн пара в час Коэффициент преобразования - 6 Сбросная теплота городских канализационно-очистных сооружений городов и крупных населенных пунктов как показывают исследования, температура сточных канализационных вод составляет 20–30°С и изменяется в малых пределах в течение года; при использовании ТНУ, даже при температуре канализационных стоков 18–22°С, затрачивая 1 кВт-ч электрической энергии, можно получить 5–8 кВт-ч утилизированной тепловой энергии. Применение теплоты сточных вод для тепловых насосов в КНР • На предприятии по очистке сточных вод (г.Шэньян) установлено оборудование - тепловые насосы типа GSHP- 8800 (8,8 МВт). Источник низкопотенциальной теплоты сточные воды с температурой до 20 С и объемом до 120 000 м3/час. • Твод., подаваемой потребителю 70 С. Суммарная проектная мощность теплонасосной станции, работающей от теплоты сточных вод, составит 280 мВт (30 машин) и позволит обеспечить теплом до 1/3 объектов теплоснабжения в г.Шэньян Перспективы использования ТНУ на АО «АрселорМитталСтил» и других объектах г.Темиртау Согласно «Плана мероприятий по ООС на 2009 -2011 годы на АО «АМТ» разработано ТЭО проекта с применением ТНУ по использованию низкопотенциальной теплоты : - оборотной воды кислородной станции №2; - сточных вод цеха очистных сооружений (ЦОС) Использование низкопотенциальной теплоты оборотной воды кислородной станции №2 Параметры оборотной воды, идущей на градирни КС №2: - температура воды источника теплоты - зима вход./вых. +24/+15 С; - лето вход./вых. +36/+30 С; - объем до 6 500 м3/ час - площади отапливаемых производственных зданий, АБК – 22 845 м2 Сравнительный анализ эффективности работы 2 систем отопления Годовая нагрузка объектов КС-2, Гкал/год: - отопление – 47 251,2, ГВС – 61 320 Суммарные эксплуатационные затраты по использованию оборудования, тыс.тенге/год: - теплоснабжение от ТЭЦ-ПВС - 367 407,2; - предлагаемая ТСТ- 69 891,092 Стоимость 1 Гкал вырабатываемой теплоты: - от ТЭЦ-ПВС – 1 628,0 тенге; ТСТ – 643,73 тенге; Годовая экономия угля, тонн/год - 33 853 Годовой экономический эффект, тыс.тенге – 106 862,84 Срок окупаемости капиталовложений-4,3 года Перспективы использования ТНУ на ТОО «Корпорация Казахмыс» На протяжении 2008-2012 г.г. совместно с ведущими российскими учеными в области внедрения теплонасосных технорлогий (ЗАО «Энергия», г.Новосибирск) нами проводились исследования по возможностям применения ТНУ на предприятиях ТОО «Казахмыс», в частности на ПО «Балхашцветмет». ПО «Балхашцветмет» ТОО «Корпорация Казахмыс» располагает 3 градирнями, работающими в системах охлаждения технологического оборудования Отопление и горячее водоснабжение (ГВС) промплощадки осуществляется по 2 тепловым сетям от Балхашской ТЭЦ по видам нагрузки: 1. Нагрузка системы отопления (1) – 13,9 Гкал/час горячее водоснабжение – 5,5 Гкал/час 2. Нагрузка системы отопления (2) – 12,8 Гкал/час горячее водоснабжение – 1,5 Гкал/час Итого- суммарная потребность в теплонасосном тепле на отопление – 26,7 Гкал/час, на ГВС – 7,0 Гкал/час Схема расположения градирен и магистральных тепловых сетей ПО «Балхашцветмет» Источники низкопотенциальной теплоты 1. Градирня двухконтурная МПЦ - расход воды источника – 1 500 м3/час (вторичный контур); - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 32 ÷ 330С; зима: 28 ÷ 290С - температура воды после градирни: лето: 18 ÷ 200С; зима: 15 ÷ 170С. 2. Градирня одноконтурная СКЦ - расход воды источника – 11 000 м3/час; - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 32 ÷ 340С; зима: 28 ÷ 300С - температура воды после градирни: лето/зима: 230С (система автомат.поддержания заданной температуры) 3. Градирня одноконтурная ППК - расход воды источника – 2 100 м3/час; - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 30 ÷ 340С; зима: 28 ÷ 320С - температура воды после градирни: лето: 20 ÷ 240С; зима: 19 ÷ 220С - Мин.температура, до которой может быть охлаждена вода источника, 0С – не ограничена На теплоснабжение промплощадки предприятия требу- ется, как рассмотрено ранее, 33,7Гкал/час. Для производства такого количества тепла будет достаточно одного низкопотенциального источника – градирни СКЦ. При обязательном выполнении требования – охлаждения воды низкопотенциального источника (зимой и летом) до +23 С охладить всю воду градирен не удастся, будет охлаждена часть оборотной воды градирни СКЦ, коли- чество которой будет определено из расчетов. Производство теплонасосного тепла должно быть сосредоточено в одной точке, максимально приближенной к градирне СКЦ. Помещение для теплонасосной станции (ТНС) должно быть выполнено из сэндвичей, т.к. будет иметь место выделение тепла тепловыми насосами в помещении. Предварительный анализ реальных возможностей рассматриваемого проекта Реально в наличии имеем 2 источника - градирня МПЦ с расходом воды 1 500 м3/час и градирня СКЦ – 11 000 м3/час. Определим максимальное количество сбросного тепла, поступающего из МПЦ и СКЦ. Qнпи от градирни МПЦ= лето (33-18)*1,5*106=22,5 Гкал/час; зима (29-15)*1,5*106=21,0 Гкал/час Qнпи от градирни СКЦ= лето (34-23)*11*106=121 Гкал/час; зима (30-23)*11*106=77,0 Гкал/час Принимаем, что при коэффициентах преобразования в тепловых насосах, равных Ψ =5 ÷ 6, получим от градирни МПЦ: Qпол. = (Ψ/ Ψ -1)*Qнпи лето – Qпол = 28,1 (Ψ=5) ÷ 27,0 (Ψ=6) Гкал/час зима - Qпол = 26,3 (Ψ =5) ÷ 25,2 (Ψ=6) Гкал/час от градирни СКЦ: лето – Qпол =151,3 (Ψ=5) ÷ 145,2 (Ψ = 6) Гкал/час; зима - Qпол = 96,3 (Ψ=5) ÷ 92,4 (Ψ = 6) Гкал/час . Из предварительных расчетов следуют выводы: 1. Для полного теплоснабжения всей промплощадки - 33,7 Гкал/час низкопотенциального тепла МПЦ (21,0 ÷ 22,5) Гкал/час недостаточно. 2. Таким образом, теплоснабжение промзоны наиболее целесообразно осуществлять от ТНС, использующей низкопотенциальное тепло от градирни СКЦ 3. Т.к. на низкопотенциальном сбросном тепле СКЦ зимой можно получить Qпол =96,3 ÷ 92,4 Гкал/час, а всего требуется Qпол =33,7 Гкал/час, то при полном обеспечении отоплением и ГВС промплощадки остается избыток тепла, которое можно будет передать в городские тепловые сети. Определим количество этого передаваемого в город тепла при использовании всего низкопотенциального тепла от обеих градирен МПЦ и СКЦ. Зима: Qполез. градирни МПЦ и СПЦ=(96,2 ÷ 92,4) + (26,3 ÷ 25,2)=122,6 ÷ 117,6 Гкал/час; Лето: Qполез. градирни МПЦ и СПЦ = (151,3 ÷ 145,2) + (28,1 ÷ 27,0) = 179,4 ÷ 172,2 Гкал/час; Qполезное, передаваемое в городские теплосети: Зима: Qпол.отопл.= (122,6 ÷ 117,6) – 33,7= 88,9 ÷ 83,9 Гкал/час Лето: Qпол.ГВС= (179,4 ÷ 172,2) – 7,0 = 172,4 ÷ 165,2 Гкал/час РЕЗЮМЕ Промзона будет круглогодично получать теплонасосное тепло: Зима – 33,7 Гкал/час Лето – 7,0 Гкал/час Городские тепловые сети могут получать при использовании низкопотенциального тепла от 2-х градирен МПЦ и СКЦ теплонасосное тепло: Зима – 88,9 ÷ 83,9 Гкал/час Лето – полное закрытие потребностей города в тепле на ГВС (примерно 80 ÷ 85 Гкал/час) С применением теплонасосных технологий появится в дальнейшем реальная возможность замены существующего в настоящее время теплоснабжения коммунальной и производственной сферы от теплофикационных отборов турбин на Балхашской ТЭЦ, предполагается, что такая замена позволит высвободить пар теплофикационных отборов для производства дополнительной электрической энергии; В отопительный период на это может пойти все тепло теплофикационных отборов, идущее на отопление и ГВС, а летом – только в объеме тепла, затрачиваемого на ГВС Согласно«Регионального комплексного плана по энергосбережению и использованию ВИЭ, вторичных энергоресурсов на 2012-2015 годы г. Астаны » предусматривается применение ТНУ на ряде объектов столицы с использованием сбросной теплоты КОС АО«АстанаСуАрнасы», а также теплоты грунта, грунтовых вод на ряде объектов бюджетной сферы (СШ№41, СШ№ 44, д/сад № 59) использование сбросной теплоты циркуляционной воды ТЭЦ-2 • Перспективным представляется совместная реализация с ЗАО «Энергия» (г.Новосибирск) пилотного энергосберегающего проекта в г.Астане с использованием сбросной теплоты циркуляционной воды ТЭЦ-2 для собственных нужд станции, а также для теплоснабжения различных объектов столицы . • Параметры сбросной воды, идущей на градирни ТЭЦ-2: • - температура 20-32 С; • - объем до 32 000 м3/ час Экономия (замещение) органического топлива с помощью тепловых насосов происходит за счет полезного вовлечения выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭЦ-2 г.Астаны. Это достигается двумя способами: - прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) для тепловых насосов (вместо подачи ее в градирни станции); - использованием в качестве ИНТ для тепловых насосов обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ-2, температура которой снижается до 20...25 °С. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !