Под тепловыми отходами (или вторичными энергетическими ресурсами) понимается физическое тепло газов, жидкостей, твёрдых тел и излучение, которые образуются в технологических агрегатах, но не используются далее по прямому назначению и рассеиваются в окружающей среде. Основная причина их возникновения — термодинамическое несовершенство современных промышленных процессов, при котором значительная доля подведённой энергии (иногда до 70–80%) неизбежно переходит в тепловую форму и теряется.

Основные источники образования тепловых отходов (вторичных энергетических ресурсов) в промышленности

Для целей анализа и последующей утилизации все источники тепловых отходов можно классифицировать по типу теплоносителя и происхождению.

1. Тепловые отходы с уходящими и дымовыми газами. Это самый масштабный источник потерь, дающий, по разным оценкам, от 50 до 60%, а на некоторых производствах до 70% общего объёма тепловых отходов. Температура газов может варьироваться от 100 до 1000°C, что определяет потенциал их использования. К таким источникам относятся:

  • печи всех типов: металлургические (доменные, мартеновские, конвертеры, нагревательные колодцы прокатных станов), обжиговые (цементные вращающиеся печи, кирпичные туннельные печи), термические и кузнечные;
  • котельные установки и котлы-утилизаторы: физическое тепло уходящих газов за паровыми и водогрейными котлами, а также сами котлы-утилизаторы, работающие на вторичных газах (доменный, конвертерный);
  • сушильные установки: камеры и барабаны для сушки древесины, сельхозпродуктов, например, зерна и семян, а также текстиля, керамических заготовок, распылительные сушилки в химической промышленности;
  • газотурбинные установки (ГТУ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС): высокотемпературные (400–600°C) выхлопные газы газоперекачивающих агрегатов, когенерационных установок и крупных судовых/стационарных ДВС.

2. Тепловые отходы с продуктами производства и технологическими отходами. Здесь тепло накоплено в массе самого материала, который после высокотемпературной обработки необходимо охладить для дальнейшей транспортировки или складирования. Потери этой категории часто недооцениваются, хотя они обладают высоким потенциалом (особенно на начальном этапе охлаждения). Примеры:

  • охлаждение металлопродукции (слитков, слябов, заготовок, сортового проката, листа, а также коксующегося угля после сухого тушения);
  • охлаждение клинкера в цементной промышленности (на колосниковых или вращающихся холодильниках);
  • охлаждение шлаков в чёрной и цветной металлургии (доменных, сталеплавильных, ферросплавных);
  • охлаждение стекломассы и готовых стеклоизделий (на отжиге, формовке);
  • тепло, уносимое с химическими продуктами после экзотермических реакций (например, при производстве серной кислоты или аммиака).

3. Тепловые отходы с охлаждающими средами (вода, воздух, масло, рассол). Это тепло, которое специально отводится для поддержания безопасного теплового режима оборудования, предотвращения перегрева и разрушения материалов. По объёму эти потери могут быть колоссальными, но их температурный потенциал обычно невысок (30–90°C для воды и до 150°C для масла). Они включают в себя:

  • системы охлаждения технологического оборудования: конвертеров (испарительное охлаждение), дуговых электропечей, мощных компрессоров, холодильных машин, экструдеров и реакторов;
  • конденсаторы паровых турбин на ТЭЦ и промышленных ТЭЦ — огромное по массе низкопотенциальное тепло (обычно 25–40°C), которое сбрасывается в градирни или водоёмы;
  • системы охлаждения в химической и нефтеперерабатывающей промышленности: кожухотрубные теплообменники для отвода тепла от реакторов, ректификационных колонн, кипятильников;
  • охлаждение подшипников, уплотнений и гидравлических систем (через масляные и водяные контуры).

4. Тепловые отходы излучением с горячих поверхностей оборудования. Потери за счёт конвекции и инфракрасного излучения от наружных стенок агрегатов и трубопроводов, не имеющих эффективной тепловой изоляции. Хотя доля каждого отдельного источника невелика, суммарно по цеху или заводу они могут достигать 10–15% всех теплопотерь. Примеры тепловых отходов:

  • наружные стенки нагревательных печей, паровых котлов, коксовых батарей;
  • поверхности теплотрасс, паропроводов, горячих резервуаров (битумои мазутохранилищ);
  • фланцевые соединения, арматура, участки трубопроводов с повреждённой изоляцией;
  • корпуса электролизёров и ванн для расплавленных солей.

5. Тепловые отходы со сточными водами.

Нагрев сбрасываемых жидких стоков происходит в результате прямого контакта с горячими продуктами, конденсации пара или использования воды в качестве хладагента. Эта категория часто игнорируется из-за низкой температуры (30–60°C), однако суммарный энергопотенциал крупных промышленных стоков весьма значителен. Источники отходов такого типа:

  • промывочные и барометрические воды в химической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности (например, при промывке целлюлозы или сахара);
  • сточные воды от мойки оборудования, тары, технологических линий на пищевых, фармацевтических и химических предприятиях;
  • воды охлаждения компрессоров и вакуум-насосов с прямоточным водоснабжением;
  • конденсат и продувочные воды паровых систем, которые сбрасываются в канализацию без охлаждения.

Основные направления утилизации тепловых отходов (вторичных энергетических ресурсов)

Выбор конкретной схемы утилизации тепловых отходов определяется эксергетическим потенциалом источника, температурным уровнем теплоносителя [высокопотенциальные (> 300°C), среднепотенциальные (100–300°C), низкопотенциальные (< 100°C)], его агрегатным состоянием, степенью запылённости и коррозионной активностью, а также требуемым видом конечной энергии.

Рекуперация представляет собой наиболее прямой метод возврата тепла, при котором физическое тепло отходящих газов через стенку рекуператора (трубчатого, пластинчатого, керамического или регенеративного с насадкой) передаётся дутьевому воздуху или газообразному топливу, подаваемому в рабочие печи. Применение рекуперативных воздухоподогревателей позволяет снизить удельный расход условного топлива на нагрев металла, стекломассы или клинкера на 10–25%, при этом температура подогрева воздуха может достигать 300–600°C, а в керамических рекуператорах — до 900–1200°C. Эффективность рекуперации характеризуется коэффициентом теплопередачи и степенью регенерации, однако ограничивается запылённостью тракта и низкой коррозионной стойкостью металлических поверхностей при температурах ниже точки росы.

Утилизация в котлах-утилизаторах заключается в выработке насыщенного или перегретого пара, а также горячей воды за счёт охлаждения дымовых газов, отходящих от газотурбинных установок, технологических печей, конвертеров или двигателей внутреннего сгорания. Конструктивно котлы-утилизаторы выполняются как водотрубные, жаротрубные или с принудительной циркуляцией, часто с промежуточным теплоносителем (например, органическим высокотемпературным теплоносителем). Давление вырабатываемого пара варьируется от 0,3–0,5 МПа для отопительных нужд до 4–10 МПа и выше для последующей работы паровой турбины. Коэффициент утилизации тепла (отношение тепла, переданного рабочему телу, к теплу, внесённому газами) обычно составляет 0,7–0,85.

Выработка электроэнергии из тепловых отходов осуществляется с помощью термодинамических циклов, включающих паротурбинные установки, органический цикл Ренкина (ORC) и, в отдельных случаях, газотурбинные схемы. Паротурбинная генерация применяется при наличии котла-утилизатора с высокими параметрами пара (давление от 3–4 МПа, температура 400–500°C) и характеризуется электрическим КПД конверсии тепла в электричество на уровне 20–35%.

Для среднеи низкопотенциальных источников (90–300°C) используется органический цикл Ренкина, где вместо воды в качестве рабочего тела применяются легкокипящие органические вещества (силиконовые масла, пентан, изобутан, хладагенты R245fa и др.), кипящие при более низких температурах. Электрический КПД ORC-установок составляет 8–18% в зависимости от температуры источника и свойств рабочего тела, а единичная мощность варьируется от десятков киловатт до 5–10 МВт. В ряде случаев возможна реализация газотурбинного цикла с внешним подводом тепла, однако из-за высоких требований к чистоте и температуре рабочего газа (не менее 600–800°C) этот метод на практике встречается реже.

Использование тепловых насосов позволяет трансформировать низкопотенциальное тепло охлаждающих вод, сточных вод, вентиляционных выбросов или оборотной воды (с температурой 20–60°C) в тепло более высокого температурного уровня (60–90°C и выше) за счёт подвода внешней работы (электроэнергии или тепла более высокого потенциала в абсорбционных машинах). Парокомпрессионные тепловые насосы характеризуются коэффициентом преобразования (COP) от 3,0 до 5,0 для диапазона подъёма температуры 30–50°C (на каждый 1 кВт затраченной электроэнергии приходится 3–5 кВт полезного тепла). Абсорбционные тепловые насосы приводятся в действие тепловой энергией (например, паром или горячей водой с температурой 100–200°C) и позволяют одновременно повышать потенциал низкопотенциального тепла и вырабатывать охлаждение. Коэффициент использования первичной энергии для абсорбционных машин может достигать 1,5–1,8.

Прямое использование тепловых отходов без преобразования рода энергии является наименее капиталоёмким способом утилизации и включает такие процессы, как сушка дисперсных и кусковых материалов (древесины, зерна, минеральных добавок, угля) за счёт физического тепла уходящих газов после их частичной очистки и дожигания, отопление производственных и вспомогательных помещений, теплиц и животноводческих ферм с помощью горячей воды от систем охлаждения оборудования или от котлов-утилизаторов низкого давления, предварительный подогрев питательной воды паровых котлов, а также подогрев приточного воздуха в системах принудительной вентиляции с использованием пластинчатых или роторных рекуператоров. В металлургии и стекольной промышленности широко применяется прямой подогрев технологических ванн и миксеров за счёт излучения от горячих поверхностей.

Комплексная утилизация тепловых отходов на основе комбинации перечисленных методов позволяет снизить потребление первичных энергоносителей на промышленном предприятии на 15–30% и сократить выбросы парниковых газов в CO2-эквиваленте.

Наиболее короткие сроки окупаемости (один-три года) характерны для рекуперации и котлов-утилизаторов на высокотемпературных источниках, тогда как ORC-установки и тепловые насосы окупаются за три-семь лет при условии высокой годовой загрузки и благоприятной ценовой конъюнктуры на энергоносители.

Экологический и экономический эффект утилизации тепловых отходов

Утилизация тепловых отходов в промышленности даёт значительный и взаимосвязанный экологический и экономический эффект, создавая синергию между рентабельностью предприятия и снижением нагрузки на окружающую среду.

С экономической точки зрения, ключевым результатом является прямое снижение затрат на энергию. Использование утилизированного тепла для выработки пара, горячей воды или даже электроэнергии позволяет заместить покупные энергоносители — природный газ, уголь или электроэнергию из сети, что напрямую сокращает затраты предприятия. Это повышает энергетическую независимость и устойчивость производства к колебаниям тарифов. Кроме того, полезное использование тепла, которое раньше просто рассеивалось, может снизить нагрузку и эксплуатационные расходы на системы охлаждения. Хотя внедрение утилизационных установок требует капитальных вложений, современные проекты, такие как котлы-утилизаторы или тепловые насосы, часто окупаются за два-семь лет за счёт экономии.

Дополнительными преимуществами могут стать сокращение экологических платежей и повышение конкурентоспособности продукции за счёт снижения её энергоёмкости.

Экологический эффект не менее важен и носит как локальный, так и глобальный характер. На глобальном уровне главный вклад — это существенное снижение выбросов парниковых газов, прежде всего CO2, поскольку утилизация тепловых отходов позволяет сэкономить ископаемое топливо, которое в противном случае пришлось бы сжечь. Таким образом, это прямой путь к декарбонизации промышленности. На локальном уровне снижается тепловое загрязнение водоёмов за счёт уменьшения сброса нагретых сточных вод, что помогает сохранить их экологический баланс. Также сокращаются выбросы других загрязняющих веществ — оксидов серы, азота и твёрдых частиц, что улучшает качество воздуха вокруг предприятия. Дополнительным позитивным следствием является экономия свежей воды за счёт её повторного использования в замкнутых циклах и сохранение невозобновляемых природных ресурсов.

Таким образом, утилизация тепловых отходов представляет собой стратегическую меру, которая одновременно повышает экономическую эффективность производства и способствует выполнению экологических обязательств. Растущие цены на энергию, ужесточение экологического законодательства и запросы общества на устойчивое развитие делают инвестиции в такие технологии не только экологически ответственными, но и экономически обоснованными.

Внедрение утилизационных технологий является важным направлением устойчивого развития промышленности, способствующим рациональному использованию ресурсов и снижению негативного воздействия на экологию.