Проблема охраны окружающей среды от негативного воздействия промышленности приобретает всё бóльшее значение. Сохраняя традиционные методы получения энергии с помощью углеводородного топлива, человечество движется к энергетическому кризису в сочетании с экологической катастрофой. Сегодня в России имеется огромный неиспользованный потенциал низкопотенциальных тепловых ресурсов, которые необходимо задействовать в целях повышения эффективности теплоснабжения.

К источникам низкопотенциальной энергии относятся естественные источники низкопотенциального тепла: земля, вода и воздух, искусственные источники, то есть вторичные энергетические ресурсы — тепловые отходы. Технический потенциал определённых ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии составляет порядка 105 млн тонн условного топлива (т.у.т.) в год, значительную часть которых составляют вторичные энергетические ресурсы.

Разработка и внедрение технологий использования низкопотенциального тепла . 8/2017. Фото 1

Большой потенциал использования имеют источники низкопотенциального тепла в горнорудной, угольной и нефтегазовой промышленности и в жилищнокоммунальном хозяйстве: тепло шахтных вод, вентиляционных выбросов, загрязнённые хозяйственно-бытовые стоки, которые сегодня не используются.

Наряду с низкопотенциальным теплом горных пород и вентиляционного воздуха, значительным тепловым потенциалом располагают шахтные воды, температура которых по различным шахтам составляет от 8 до 30 °C.

Состав шахтных вод формируется под влиянием разнообразных процессов, происходящих в самих подземных выработках, а также под влиянием ряда естественных и искусственных факторов, влияющих на состав этих вод. Они загрязнены механическими примесями, нефтепродуктами, другими специфическими загрязнителями, что затрудняет утилизацию низкопотенциального тепла существующими способами, которая сулит большую экономическую выгоду.

Разработка и внедрение технологий использования низкопотенциального тепла . 8/2017. Фото 2

Одно из наиболее эффективных современных направлений использования низкопотенциального тепла в системах теплоснабжения — применение теплонасосных технологий, позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения. Метод является экологически безопасным, так как нет сгорания топлива, выбросов в атмосферу, не расходуются невосполнимые энергоресурсы.

Преимущества применения тепловых насосов заключается в получении 3–7 кВт экологически безопасной тепловой энергии на 1 кВт затраченной электрической энергии за счёт использования низкопотенциального источника, снижении издержек на выработку тепла, увеличении надёжности теплоснабжения за счёт сокращения тепловых сетей.

Авторский научный коллектив проблемой использования низкопотенциального тепла занимается с 1990-х годов. В данном направлении достигнуты значительные теоретические и практические результаты. Разработаны методические основы и алгоритмы эколого-энергетических параметров теплоснабжения и ряд технологий и рекомендаций.

В практическом плане ещё в СССР была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессоров на шахте «Ключевская» производственного объединения «Кизелуголь» (Пермская область) с применением тепловых насосов для улучшения охлаждения процесса сжатия воздуха и отопления промышленной площадки шахты. В результате внедрения значительно улучшились условия охлаждения компрессоров и температурные режимы их эксплуатации, полностью была исключена из работы градирня.

Затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии, было получено 3,5 кВт·ч эквивалентной тепловой энергии.

Затем был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО «Прокопьевскуголь» теплонасосной установкой мощностью 2,4 МВт и рабочий проект, предусматривавший применение тепловых насосов для шахты «Степановская» АО «Ростовуголь» по утилизации низкопотенциальной теплоты хозяйственнобытовых стоков с целью улучшения температурного режима их очистки.

Разработка и внедрение технологий использования низкопотенциального тепла . 8/2017. Фото 3

В начале XXI века на шахте «Осинниковская» ОАО «Кузнецкуголь» в Кемеровской области впервые в России была испытана опытно-промышленная установка по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод, которая полностью удовлетворяет потребности горячего водоснабжения шахты и решает проблему экологии района — позволяет отключить шахтную котельную в летнее и осенневесеннее время года, значительно снизив выбросы вредных веществ в атмосферу.

Одновременно авторами была проведена технико-экономическая оценка утилизации низкопотенциального тепла при откачке воды из шахты «Глубокая» ОАО «Ростовуголь» — получаемое тепло (15 МВт) рекомендовано для отопления жилого фонда посёлка шахты для исключения из работы угольной котельной, с целью значительного снижения вредных выбросов в атмосферу, которая сегодня внедрена в производство.

Сегодня авторы занимаются проблемой утилизации низкопотенциального тепла нефтяных шахт, загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков, которая сулит большую выгоду.

В 2000 году впервые в России разработана и внедрена технология утилизации низкопотенциального тепла загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков с применением теплового насоса, совместно с ЗАО «Энергия», для отопления и горячего водоснабжения на МП «Пермводоканал» на РНС-3 «Гайва». Затраты на теплоснабжение станции сократились в 4,6 раза, срок окупаемости проекта составил два года.

Разработка и внедрение технологий использования низкопотенциального тепла . 8/2017. Фото 4

В 2001 году на шахте «Осинниковская» ЗАО «УК «Южкузбассуголь» в Кемеровской области, впервые в России, внедрена опытно-промышленная технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод для горячего водоснабжения шахты. В технологическую схему включён тепловой насос производства ЗАО «Энергия», теплопроизводительность которого составляет 130 кВт. Затраты на теплоснабжение шахты сократились в 2,1 раза, годовой экономический эффект составил 1986 тыс. руб., срок окупаемости проекта — всего один год. Затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии, технологическая схема позволяет получать около 4 кВт·ч эквивалентной тепловой энергии.

Установка даёт 100 м³ в сутки горячей воды экологически безопасным способом, решает проблему горячего водоснабжения шахты и позволяет исключить из работы шахтную котельную в летнее и осенне-весеннее время года [1].

В 2006 году за счёт внедрения технологии утилизации низкопотенциального тепла загрязнённых хозяйственно-бытовых стоков была исключена из технологического процесса угольная котельная №35 ПГЭС «Теплоэнерго» (город Кунгур) для отопления зданий станции.

Себестоимость вырабатываемой экологически безопасной тепловой энергии стала в девять раз ниже прежней. Срок окупаемости проекта составил 1,2 года.

В 2007 году разработан рабочий проект существующей системы теплоснабжения, подразумевающий замену действующего источника теплоснабжения зданий очистных сооружений МУП «Кудымкарский водоканал» — котельной, оборудованной четырьмя котлами типа «Универсал-6», работающими на угле, — на автономную систему теплоснабжения с использованием теплонасосной установки (ТНУ).

Стоимость 1 Гкал тепловой энергии, вырабатываемой ТНУ, — 843 руб/Гкал, годовой экономический эффект — 1 592 220 руб., срок окупаемости проекта — 2,1 года [2].

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ решена крупная актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в утилизации теплоты низкопотенциальных источников в промышленности и жилищно-коммунальной сфере.

По результатам долголетних выполненных исследований были написаны и изданы книги «Тепловые насосы — теплотрансформаторы на службе экологии и энергоэффективности» [1] и «Использование низкопотенциальной теплоты» [2], в которых рассмотрены экологические и энергетические проблемы, представлена экологическая, энергетическая и экономическая эффективность и актуальность использования тепловых насосов.

 

Выводы

В перспективе, в связи с ростом цен на энергоресурсы и экологических требований, ожидается значительное увеличение использования низкопотенциального тепла, вторичных энергетических ресурсов, тепла промышленных стоков и оборотной воды технологических процессов с применением теплонасосных технологий, которые позволят решить экологические и энергетические проблемы в горнорудной, угольной и нефтегазовой промышленности [3–14].