Рекуперация энергии
В этой статье раскрываются возможности применения отработанного тепла систем сжатого воздуха, существующие методы рекуперации и нереализованный потенциал сокращения выбросов углерода и экономии энергии компрессорного оборудования.
Материальная выгода, которую можно извлечь при инвестициях в технологию рекуперации, представлена на наглядных примерах практического применения рекуперации тепловой энергии.
Утилизация отработанного тепла – это нереализованный потенциал
Известно, что сжатый воздух играет существенную роль как четвертый по значимости энергоресурс для отраслей производства. По статистике, на сжатый воздух приходится около 12% общих затрат на электроэнергию на промышленных предприятиях, а в некоторых случаях этот показатель достигает 40%.
Другим важным, но не получившим широкого признания фактом является то, что до 94% энергии, потребляемой компрессором, преобразуется в тепло, которое отводится в ходе работы компрессора. Без применения технологии рекуперации это тепло просто уходит в атмосферу в результате излучения и через систему охлаждения.
Но такое положение вещей можно и нужно менять. Полноценное использование отработанного тепла значительно снизит потребление энергии и затраты и, в то же время, уменьшит выбросы CO2, тем самым помогая компаниям достичь своих целей по сокращению выбросов углерода. Кроме того, эта технология легкодоступна: до 90% всех промышленных компрессоров "Атлас Копко", установленных на предприятимях наших заазчиков, можно оборудовать системами рекуперации энергии.
Тепловая энергия, выделяемая компрессором, в кВт*ч, в зависимости от мощности компрессора и двигателя
Способы рекуперации тепла воздушных компрессоров
При сжатии воздуха выделяется тепло, что является естественным следствием при сдавливании большего количества молекул воздуха в ограниченном пространстве. Задача в том, что для использования сжатого воздуха необходимо его предварительно охладить. Во многих системах воздух охлаждается между ступенями сжатия, а затем еще раз в конце. Промежуточные охладители отводят тепло между первой и второй ступенями, а доохладители отводят тепло после второй ступени.
Общая тепловая энергия, выделяемая компрессорной установкой:
- тепло от блока 9%;
- тепло от маслоохладителя 72%;
- тепло, рассеивающееся в окружающем воздухе 2%;
- тепло от доохладителя 13%;
- остаточное тепловыделение сжатого воздуха 4%.
Таким образом, общее количество энергии, которое можно рекуперировать - 94%.
Примеры использования тепловой энергии, выделяемой электрическими компрессорами
Автономные устройства рекуперации энергии
Охладители отводят тепло от сжатого воздуха, используя для этого воздух, воду или масло. В основе их действия лежит принцип теплопередачи. Воздух передает тепло охлаждающей среде в охладителе, рассчитанном на определенную производительность компрессора.
Рекуперация энергии компрессорных установок не всегда приводит к нагреву воды до требуемой температуры. Если компрессор работает с переменной нагрузкой, то количество восстановленной энергии меняется. Для того, чтобы рекуперация была возможной, необходим относительно стабильный спрос на тепловую энергию. Рекуперированная тепловая энергия может использоваться для дополнения энергии, подаваемой в систему, в таком случае восстановленная энергия используется постоянно, пока работает компрессор.
Блок управления рекуперацией энергии устанавливается между компрессором и контурами охлаждения и отопления. Рекуперированное тепло может нагреть воду до 90 °C. Тепло, передаваемое через теплообменник в контур охлаждения, можно использовать для санитарных-гигиенических целей и отопления, а также для нагрева технологических жидкостей.
1 - подача холодной воды; 2 - выход сжатого воздуха; 3 - подача электроэнергии; 4 - подача воздуха на сжатие; 5 - выход тепла; 6 - выход горячей воды; 7 - распределение горячей воды потребителям
Виды систем рекуперации энергии
Системы с воздушным охлаждением обычно используются в малых и средних компрессорных системах. Они охлаждают сжатый воздух с помощью воздушного потока более низкого давления. Затем этот нагретый воздух можно использовать для обогрева зданий. Энергосбережение достигается за счет сокращения расходов на обогрев из внешних источников. Ограничивающим фактором является то, что данный вид экономии может быть полностью реализован только в холодное время года.
В системах с масляным охлаждением для отвода тепла от сжатого воздуха используется поток масла. В закрытой системе масло можно вернуть обратно в производственный процесс. Тепло передается через теплообменник, что снижает потребность в электричестве или газовом отоплении.
Системы с водяным охлаждением могут быть открытыми или закрытыми, а также с циркуляцией или без циркуляции воды. Наиболее выгодна закрытая система с циркуляцией воды. Вода циркулирует между охладителем воздушного компрессора и технологическим теплообменником. Конечным результатом является рекуперация избыточного тепла компрессора в производственный процесс, что снижает потребность в нагреве. В закрытой системе качество воды строго контролируется с помощью реактивов, что предотвращает накопление минеральных отложений. Таким образом, это эффективная и качественная система, которая может находиться в рабочем состоянии в течение длительного времени без вмешательства.
В любом случае рекуперация тепла из сжатого воздуха уменьшает потребность в энергии. Именно это сокращение приводит к снижению выбросов CO2 и эксплуатационных расходов. Из-за высокой стоимости энергии эта экономия может стать существенной для компаний в достижении их целей по сокращению выбросов углерода и повышения рентабельности промышленных предприятий.
Количество энергии, которое можно сэкономить. Вычисление потенциала рекуперации. Формула для определения количества рекуперируемой энергии.
При подсчете экономии энергии и окупаемости блоков рекуперации важно сравнивать рекуперацию энергии с текущим источником для выработки тепловой энергии, который может быть дешевым топливом, таким как природный газ. Формула в Схеме 4 рассчитывает годовую экономию расходов и энергии за счет рекуперации тепла от винтового компрессора с воздушным охлаждением для отопления помещения. В тех случаях, когда КПД существующего обогревателя составляет менее 85 процентов, экономия будет пропорционально выше.
Согласно законам физики, практически вся энергия, подаваемая на компрессорную установку, преобразуется в тепло. Чем больше энергии можно восстановить и использовать в других процессах, тем выше КПД системы.
Во многих случаях при эффективном использовании полученной при охлаждении компрессора энергии степень рекуперации тепла может превысить 90%. Решающими факторами являются функция системы охлаждения, расстояние до точки потребления, а также степень потребности в энергии.
Узнайте, какие решения мы предлагаем для рекуперации энергии с помощью маслозаполненных компрессоров GA или безмасляных компрессоров ZR.
Сферы применения рекуперированной тепловой энергии
Горячая вода, полученная от теплообмена со сжатым воздухом, находит применение во многих промышленных процессах.
Пищевая промышленность
Обработка молока: пастеризация, обжигание, очистка и стерилизация варочных котлов, осушение продуктов.
Химическая промышленность
Установка термического парового крекинга, использование пара в ребойлерах и установках отпаривания, электрообогрев, контроль влажности.
Фармацевтическая промышленность
Контроль температуры ферментации, осушение и стерилизация, метод очистки CIP (очистка на месте монтажа), система SIP (стерилизация на месте), прямая контактная стерилизация в биореакторах и ферментерах, паровые барьеры от бактерий.
Текстильная промышленность
Окрашивание тканей, обработка пряжи и волокон.
Целлюлозно-бумажная промышленность
Установки для отбеливания, варочные котлы, пресспаты и выпарные аппараты.
Электронная промышленность
Контроль влажности при сборке электроники и производстве микросхем.
Рентабельность инвестиций
Крупная промышленная компрессорная установка с мощностью двигателя 500 кВт, работая по 8000 часов в год, за год будет потреблять электроэнергию в 4 млн кВт*ч. Возможности преобразования значительного количества отработанного тепла в горячую воду или в горячий воздух вполне реальны. До 94% энергии, подаваемой в компрессор, можно извлечь в виде горячей воды из безмасляных винтовых компрессоров. Этот факт свидетельствует о том, что принятие мер по рекуперации энергии быстро принесет значительную прибыль.
Возврат инвестиций на рекуперацию энергии обычно составляет 1-3 года. Кроме того, энергия, восстановленная с помощью замкнутой системы охлаждения, улучшает условия работы компрессора, его надежность и срок службы благодаря стабилизированному уровню температуры и высокому качеству охлаждающей воды, но и это не все преимущества.
Скандинавские страны можно в некотором роде назвать первопроходцами в этой сфере. Рекуперация энергии компрессорных установок уже давно стала для них стандартной практикой. Большинство средних и крупных компрессоров от известных производителей в настоящее время оснащены стандартным оборудованием для рекуперации энергии или поставляются с автономным блоком рекуперации энергии с простым подключением.
Посмотрите видео об использовании системы рекуперации на одном из предприятий компании "Кока-Кола" в Бельгии.
