Перспективы применения теплонасосных технологий с использованием низкотемпературных тепловых отходов технологических процессов для повышения энергетической эффективности работы оборудования металлургических предприятий Республики Казахстан А.Ш.Алимгазин, д.т.н., профессор, Директор НИИ «Энергосбережение и энергоэффективные технологии» ЕНУ им.Л.Н.Гумилева г.Астана, 2014 г. Казахстан

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 (5-45С) технологических процессов промышленных предприятий (, сбросные воды канализационно- очистных сооружений и т.п.) с целью снижения вредных выбросов в атмосферу и одновременным получением теплоты более высоких параметров. 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 канализационно- очистных 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). 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, SO 2, NO x, золы. Защита окружающей среды путем сокращения вредных выбросов в атмосферу, в том числе и СО, SO 2, NO x, золы. Широкий диапазон мощностей тепловых насосов в зависимости от потребности. 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 Установлен в 1999 году в теплосиловом отделении энергоцеха предприятия ТН используется для подогрева исходной воды для станции химводоочистки и захолаживания оборотной воды ТН используется для подогрева исходной воды для станции химводоочистки и захолаживания оборотной воды Капитальные затраты - 27,7 млн.т г.(1$ =122 тенге) Капитальные затраты - 27,7 млн.т г.(1$ =122 тенге) Средняя себестоимость теплоэнергии – 198 т г/Гкал Средняя себестоимость теплоэнергии – 198 т г/Гкал Срок окупаемости капитальных затрат – 2,5 года Срок окупаемости капитальных затрат – 2,5 года Среднегодовая выработка теплоэнергии – 8800 Гкал Среднегодовая выработка теплоэнергии – 8800 Гкал Выработка ТН эквивалентна 4,5 тн пара в час Выработка ТН эквивалентна 4,5 тн пара в час Коэффициент преобразования - 6 Коэффициент преобразования - 6

Сбросная теплота городских канализационных-очистных сооружений городов и крупных населенных пунктов как показывают исследования, темпера- тура 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 к Вт-ч электрической энергии, можно получить 5–8 к Вт-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 (8,8 МВт). Источник низкопотенциальной теплоты - сточные воды с температурой до 20 С и объемом до м 3/час. Твод., подаваемой потребителю 70 С. Суммарная проектная мощность теплонасосной станции, работающей от теплоты сточных вод, составит 280 м Вт (30 машин) и позволит обеспечить теплом до 1/3 объектов теплоснабжения в г.Шэньян

Перспективы использования ТНУ на АО «Арселор МитталСтил» и других объектах г.Темиртау Согласно «Плана мероприятий по ООС на годы на АО «АМТ» разработано ТЭО проекта с применением ТНУ по использованию низкопотенциальной теплоты : - оборотной воды кисло- родной станции 2; - оборотной воды кисло- родной станции 2; - сточных вод цеха очистных сооружений (ЦОС) - 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 м 3/ час - площади отапливаемых производственных зданий, АБК – м 2

Сравнительный анализ эффективности работы 2 систем отопления Годовая нагрузка объектов КС-2, Гкал/год: - отопление – ,2, ГВС – Суммарные эксплуатационные затраты по использованию оборудования, тыс.тенге/год: - теплоснабжение от ТЭЦ-ПВС ,2; - предлагаемая ТСТ ,092 Стоимость 1 Гкал вырабатываемой теплоты: - от ТЭЦ-ПВС – 1 628,0 тенге; ТСТ – 643,73 тенге; Годовая экономия угля, тонн/год Годовой экономический эффект, тыс.тенге – ,84 Срок окупаемости капиталовложений-4,3 года

Перспективы использования ТНУ на ТОО «Корпорация Казахмыс» На протяжении 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 «Балхаш- цветмет». На протяжении 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 «Балхаш- цветмет».

ПО «Балхашцветмет» ТОО «Корпорация Казах- мыс» располагает 3 градирнями, работающими в системах охлаждения технологического оборудования ПО «Балхашцветмет» ТОО «Корпорация Казах- мыс» 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: 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 1. Нагрузка системы отопления (1) – 13,9 Гкал/час горячее водоснабжение – 5,5 Гкал/час горячее водоснабжение – 5,5 Гкал/час 2. Нагрузка системы отопления (2) – 12,8 Гкал/час 2. Нагрузка системы отопления (2) – 12,8 Гкал/час горячее водоснабжение – 1,5 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 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 1. Градирня двухконтурная МПЦ - расход воды источника – м 3 /час (вторичный контур); - расход воды источника – м 3 /час (вторичный контур); - температура воды, подаваемой на градирню: - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 32 ÷ 33 0 С; зима: 28 ÷ 29 0 С лето: 32 ÷ 33 0 С; зима: 28 ÷ 29 0 С - температура воды после градирни: - температура воды после градирни: лето: 18 ÷ 20 0 С; зима: 15 ÷ 17 0 С. лето: 18 ÷ 20 0 С; зима: 15 ÷ 17 0 С. 2. Градирня одноконтурная СКЦ 2. Градирня одноконтурная СКЦ - расход воды источника – м 3 /час; - расход воды источника – м 3 /час; - температура воды, подаваемой на градирню: - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 32 ÷ 34 0 С; зима: 28 ÷ 30 0 С лето: 32 ÷ 34 0 С; зима: 28 ÷ 30 0 С - температура воды после градирни: лето/зима: 23 0 С (система автомат.поддержания заданной температуры) - температура воды после градирни: лето/зима: 23 0 С (система автомат.поддержания заданной температуры)

3. Градирня одноконтурная ППК 3. Градирня одноконтурная ППК - расход воды источника – м 3 /час; - расход воды источника – м 3 /час; - температура воды, подаваемой на градирню: - температура воды, подаваемой на градирню: лето: 30 ÷ 34 0 С; зима: 28 ÷ 32 0 С лето: 30 ÷ 34 0 С; зима: 28 ÷ 32 0 С - температура воды после градирни: - температура воды после градирни: лето: 20 ÷ 24 0 С; зима: 19 ÷ 22 0 С лето: 20 ÷ 24 0 С; зима: 19 ÷ 22 0 С - Мин.температура, до которой может быть охлаждена вода источника, 0 С – не ограничена - Мин.температура, до которой может быть охлаждена вода источника, 0 С – не ограничена

На теплоснабжение промплощадки предприятия требуется, 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, колиотчество которой будет определено из расчетов. отчество 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. 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 Р еально в наличии имеем 2 источника - градирня МПЦ с расходом воды м 3 /час и градирня СКЦ – м 3 /час. Определим максимальное колиотчество сбросного тепла, поступающего из МПЦ и СКЦ. Р еально в наличии имеем 2 источника - градирня МПЦ с расходом воды м 3 /час и градирня СКЦ – м 3 /час. Определим максимальное колиотчество сбросного тепла, поступающего из МПЦ и СКЦ. Qнпи от градирни МПЦ= Qнпи от градирни МПЦ= лето (33-18)*1,5*10 6 =22,5 Гкал/час; лето (33-18)*1,5*10 6 =22,5 Гкал/час; зима (29-15)*1,5*10 6 =21,0 Гкал/час зима (29-15)*1,5*10 6 =21,0 Гкал/час Qнпи от градирни СКЦ= Qнпи от градирни СКЦ= лето (34-23)*11*10 6 =121 Гкал/час; лето (34-23)*11*10 6 =121 Гкал/час; зима (30-23)*11*10 6 =77,0 Гкал/час зима (30-23)*11*10 6 =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 от градирни МПЦ: Qпол. = (Ψ/ Ψ -1)*Qнпи лето – Qпол = 28,1 (Ψ=5) ÷ 27,0 (Ψ=6) Гкал/час лето – Qпол = 28,1 (Ψ=5) ÷ 27,0 (Ψ=6) Гкал/час зима - Qпол = 26,3 (Ψ =5) ÷ 25,2 (Ψ=6) Гкал/час зима - Qпол = 26,3 (Ψ =5) ÷ 25,2 (Ψ=6) Гкал/час от градирни СКЦ: от градирни СКЦ: лето – Qпол =151,3 (Ψ=5) ÷ 145,2 (Ψ = 6) Гкал/час; лето – Qпол =151,3 (Ψ=5) ÷ 145,2 (Ψ = 6) Гкал/час; зима - Qпол = 96,3 (Ψ=5) ÷ 92,4 (Ψ = 6) Гкал/час. зима - Qпол = 96,3 (Ψ=5) ÷ 92,4 (Ψ = 6) Гкал/час. Из предварительных расчетов следуют выводы: 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. 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 колиотчество этого передаваемого в город тепла при использовании всего низкопотенциального тепла от обеих градирен МПЦ и СКЦ. Определим колиотчество 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; 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) + Лето: Qполез. градирни МПЦ и СПЦ = (151,3 ÷ 145,2) + (28,1 ÷ 27,0) = 179,4 ÷ 172,2 Гкал/час; (28,1 ÷ 27,0) = 179,4 ÷ 172,2 Гкал/час; Qполезное, передаваемое в городские теплосети: Qполезное, передаваемое в городские теплосети: Зима: Qпол.отопл.= (122,6 ÷ 117,6) – 33,7= 88,9 ÷ 83,9 Гкал/час 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 Лето: Qпол.ГВС= (179,4 ÷ 172,2) – 7,0 = 172,4 ÷ 165,2 Гкал/час

РЕЗЮМЕ Промзона будет круглогодично получать теплонасосное тепло: Промзона будет круглогодично получать теплонасосное тепло: Зима – 33,7 Гкал/час Зима – 33,7 Гкал/час Лето – 7,0 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: 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 Зима – 88,9 ÷ 83,9 Гкал/час Лето – полное закрытие потребностей города в тепле на ГВС (примерно 80 ÷ 85 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; 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 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 «Региональн ого комплексн ого план а по энергосбережению и использованию ВИЭ, вторичных энергоресурсов на годы г. Астаны » предусматривается применение ТНУ на ряде объектов столицы с использованием сбросной теплоты КОС АО«Астана СуАрнасы », а также теплоты грунта, грунтовых вод на ряде объектов бюджетной сферы (СШ41, СШ 44, д/сад 59) Согласно «Региональн ого комплексн ого план а по энергосбережению и использованию ВИЭ, вторичных энергоресурсов на годы г. Астаны » предусматривается применение ТНУ на ряде объектов столицы с использованием сбросной теплоты КОС АО«Астана СуАрнасы », а также теплоты грунта, грунтовых вод на ряде объектов бюджетной сферы (СШ41, 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 использо- ванием 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 С; - объем до м 3/ 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 °С.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ! СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !