Рекуперация отработанного тепла с помощью органического цикла Ренкина

Производители десятилетиями утилизируют тепло отходящих газов, когда перерабатывают металлы и пластмассы. Тепло восстанавливается и расходуется повторно или преобразуется в электрическую энергию или пар.

Это не единственный пример, который часто упускается из виду: высокотемпературные сыпучие материалы - обширный и неоцененный источник энергии, который подойдет для когенерации полезного технологического тепла или электричества. Когенерация реализуется с помощью технологии комбинированного теплообмена с подвижным слоем и органического цикла Ренкина (ОЦР или ORC).

Оценка необходимости восстановить тепло

Часто горячие твердые вещества с температурой 500 - 800 ⁰C охлаждают на воздухе или закаливают в воде. Шлак - побочный продукт плавки материалов - часто помещают в воду на выходе из печи. Воздушное охлаждение и закаливание выбрасывает миллионы гигаджоулей энергии, которые ежегодно рассеиваются в виде пара по миру.

Энергетический потенциал горячих материалов снизит потребление энергии и сэкономит технологическую воду. Тепловая энергия, которая в противном случае теряется впустую, поддержит производственный цикл этого же предприятия.

Восстановленным теплом можно предварительно нагревать и подавать воздух в зону горения. Воздух, который нагрели до температуры 200 - 400 ⁰C, заметно сократит энергопотребление. Воздух температурой 300 ⁰C снизит потребление топлива горелкой.

Если очевидной потребности в горячем воздухе нет, то тепловая энергия потребуется в ОЦР. Тогда отработанное тепло перейдет в электроэнергию.

Технологии ОЦР применяется десятилетиями. Чаще цикл преобразует низкоэнергетическое тепло в механическую энергию, а затем в электричество. Поскольку цикл протекает при пониженных рабочей температуре и давлении, чем в традиционных паровых установках, то преимущество ОЦР - способность утилизировать то сбросное тепло, которое нельзя использовать в традиционном паровом цикле Ренкина.

Технология ОЦР успешно применяется и в геотермальных установках, где органическая рабочая жидкость переходит в пар, который подается на турбину и вырабатывает электроэнергию.

Восстановление тепловой энергии сыпучих материалов

Разогретое сыпучее твердое вещество попадает в теплообменник косвенного нагрева, в который поступает относительно холодная рабочая жидкость, например, термомасло температурой 150 ⁰C.

На выходе из теплообменника рабочая жидкость приобретает температуру 250 ⁰C и по трубопроводу направляется в установку ОЦР, где отдает тепло, чтобы произвести электроэнергию. Далее жидкость возвращается обратно к теплообменнику, чтобы повторить цикл.

С помощью этого процесса производители вырабатывают электроэнергию и компенсируют энергопотребление или получают доход с продаж энергоресурсов. Производителю сбросного тепла не обязательно владеть собственной установкой ОЦР. Тепло можно поставлять по договору на стороннее предприятие.

Теплообменник передает энергию теплоносителю через поверхность, которая состоит из труб, пластин или панелей. Гранулированные твердые частицы проходят через установку самотеком под действием гравитации.

Конструкция теплообменника с подвижным слоем часто состоит из модульных элементов, которые расположены один над другим. Сыпучий материал выходит из теплообменника через выпускное дно и воронку. При необходимости воронка оснащается шнековым механизмом. Верхняя крышка защищает от комков и примесей, чтобы не забились и не повредились каналы.

Как и в других теплообменниках, поверхность теплопередачи определяет количество энергии, которая передается теплоносителю. Противоточная теплопередача повышает производительность теплообменника. В качестве теплоносителя используют воду, термомасло или пар. Теплообменник не содержит движущихся частей, кроме разгрузочного устройства.

В дополнение к пластинам иногда устанавливают вертикально или горизонтально ориентированные трубы, чтобы усилить теплопроводность между твердыми частицами и рабочей жидкостью.

Технология лучше подходит для отраслей, которые перерабатывают много твердого гранулированного продукта температурой 400 - 800 ⁰C. Отрасли, которые соответствуют этому описанию, пропускают не менее 20 тонн твердых частиц в час или потребляют 2,5 МВт-час на охлаждение в указанном диапазоне температур. Черная металлургия и грануляция шлака (сухой шлак), цементные заводы и огнеупорная промышленность - главные примеры, которые получат выгоду, если утилизируют тепло таким способом.

Причина такой высокой пропускной способности твердых частиц заключается в том, что в противном случае капитальные затраты превысят прибыль. Производительность установок ОЦР составляет 20 - 25 %. 4 МВт тепловой преобразуются примерно в 1 МВт электрической энергии.

Горячие сыпучие гранулированные твердые вещества остаются неиспользованным источником энергии. Растрачивать ресурсы и зря тратить воду больше нельзя. Нужны высшие стандарты экологического, социального и корпоративного управления предприятиями.

Источник: Process Heating