На пути к эффективному теплоснабжению

Широкое использование в настоящее время теплоснабжения зданий на основе централизованных тепловых станций обладает рядом недостатков. Главный из них – огромные потери тепла из-за большой протяжённости передающих теплотрасс и их высокой изношенности. Потери тепла порою составляют до 40% от исходной вырабатываемой энергии, причем затраты на ремонт теплотрасс превышают затраты на производство тепла. По данным Института народнохозяйственного прогнозирования РАН, за 10 лет, с 2000 года, цена на производство тепла выросла в 4 раза, а стоимость его доставки к потребителю – в 11 раз.

Локальное теплоснабжение зданий с использованием передовых технологий

Альтернативой централизованной теплосети является локальное использование котельных установок непосредственно вблизи потребителей тепла. Однако подавляющее большинство котельных установок имеет низкий уровень КПД (порою ниже 50%, по сведениям академика О.Н. Фаворского), что связано с высокой температурой отходящих газов (tвых = 130 ^оС и выше) и устаревшими системами горелочных устройств.

При необходимости децентрализации теплоснабжения важную роль (взамен штатных котельных установок) могут выполнять широко применяемые в химической промышленности аппараты погружного горения (АПГ), которые вместе с контрольно-измерительными приборами, системами подачи воздуха (вентилятор с приводом) и подачи газа образуют установку погружного горения.

АПГ предназначены в основном для нагрева и выпаривания растворов кислот и минеральных солей, а также сточных вод, содержащих шламы, взвеси и различные механические примеси, то есть для работы в тех областях, где применение обычных теплообменных аппаратов нецелесообразно из-за их малой надёжности и эффективности в агрессивных средах.

По принципу действия АПГ характеризуются барботажными процессами, протекающими между продуктами сгорания (ПС) и жидкостью. Продукты сгорания получаются при сжигании газообразного или жидкого топлива в погружной горелке, расположенной так, чтобы открытое сопло было помещено на некоторую глубину в жидкость (100–300 мм). Благодаря этому продукты сгорания, барботируя в жидкости, разбиваются на газовые пузырьки, образующие большую межфазную поверхность тепломассообмена. При непосредственном контакте ПС с жидкостью процессы теплообмена протекают с заметным снижением теплопотерь по сравнению со схемами, которые включают в себя обычные теплообменные аппараты. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива в АПГ достигает 95–98%, в зависимости от совершенства системы охлаждения отходящих газов.

Принцип действия АПГ для теплоснабжения зданий достаточно часто применялся в конце 90-х годов прошлого века в АО «Теплопроект» (г. Апреловка, Моск. обл.). Температура отходящих газов составляла 40–45 ^оС, что достигалось применением утилизатора тепла, в который снизу поступали продукты сгорания после прохождения через слой воды в баке, а сверху поступала оборотная вода из системы отопления. Уровень воды в баке поддерживался автоматически путем включения подпиточной воды, подаваемой из общей системы водоснабжения. Температура воды в баке водонагревателя объёмом 3 куб. м составляла 80 ^оС при сжигании 80 нм3/час природного газа, что при КПД 98% обеспечивало обогрев зданий площадью почти 5000 кв. м.

За весь трёхгодичный период работы представленной системы теплоснабжения все её узлы проработали без замечаний, требовалась лишь периодическая (1–2 раза в сезон) чистка камеры сгорания. Проводившийся неоднократно химический анализ проб оборотной воды показал отсутствие окислов. Содержание оксидов азота в отходящем выхлопном газе составляло 100–150 мг/нм3, что привело к необходимости разработки и апробирования новых типов горелок с улучшенными экологическими показателями по выбросу вредных веществ.

Специальное выполнение струйных форсунок позволяет гомогенизировать газовоздушную смесь на малой длине в продольно-нарастающем поле противодавления смеси. В результате полного сжигания топлива достигается низкий уровень вредных выбросов в горячем потоке (до 50 мг/нм3).

Таким образом, применение для автономного теплоснабжения зданий котельной установки с погружным нагревом воды позволит:

- уменьшить до 40% потери тепла за счет исключения теплотрасс при централизованной системе теплоснабжения зданий;

- заметно улучшить экологические показатели котельной установки;

- повысить эффективность нагрева воды за счет пониженной (ниже 50 ^оС) температуры отходящих газов;

- уменьшить до 30% стоимость котельной установки за счет упрощения ее технологической схемы.

Для реализации предложенного проекта с использованием передовых научно-технических и технологических достижений специалистов авиационной и химической промышленности под эгидой ГНЦ РФ ЦИАМ разработано патентозащищённое техническое решение, а также изготовлен и успешно испытан демонстрационный образец тепловой мощностью 50 кВт.

Применение погружного нагрева воды в энергосистемах при сжигании биотоплива

Погружной нагрев воды может быть эффективно использован при работе энергосистем на биотопливе. Известно, что при естественной генерации биотоплива из различных органических отходов необходим постоянный нагрев ТБО однородного состава при умеренной температуре (не выше 54 ^оС). Образующееся при этом горючее имеет низкий уровень стехиометрического показателя (около 2), что вынуждает энергопотребителей прибегать к использованию следующей энергосистемы.

Ожидаемые параметры энергосистемы при расходе биотоплива 50 кг/час, давлении сжатого в компрессоре воздуха, равном 0,15 МПа, и температуре воздуха в 1000 К перед турбиной следующие: генерируемое электричество – не менее 50 кВт, а получаемое при погружном нагреве воды тепло – около 150 кВт. Нагретая вода может использоваться как для нужд подогрева органических отходов при получении биотоплива, так и для теплофикационных нужд.

Внимание энергопотребителей должна привлекать малая мощность (до 100 кВт) энергосистемы, что делает ее легко транспортируемой установкой с возможностью различной реализации: от утилизации осенней листвы до утилизации биологических отходов, в частности навоза. При этом биотопливо можно сжигать при его давлении ниже атмосферного, применяя специальные струйные форсунки.

Данное предложение в перспективе может найти широкое применение с учётом положительного опыта трёхгодичной работы поршневых двигателей на биотопливе, получаемом на Курьяновском очистном сооружении на основе канализационных стоков. Об этом в 2009 году подробно писала «Экономическая и философская газета» в № 28.

Валерий Игнатьевич ГУРОВ,

 доктор технических наук