Одной из основных задач эксплуатации котельных установок является внедрение энергосберегающих мероприятий в процессе выработки тепловой энергии. В связи с этим различают следующие направления в области энергосбережения:

- сокращение потерь в процессах добычи, переработки и транспортировки энергетического сырья ;

- улучшение структуры и технологий в области производства, преобразования энергии;

-  рационализация и оптимизация развития систем энергопотребления, в частности теплоснабжение объектов со средней и малой концентрацией тепловых нагрузок;

-  совершенствование технологии производственных процессов в области изменения формы, физических свойств и агрегатного состояния вещества;

-  совершенствование конструкционных материалов, улучшение их прочности и теплоизоляционных свойств;

    Значительные резервы экономии топливо-энергетических ресурсов в области выработки тепловой энергии обусловленные несовершенством технологических процессов и оборудования, недостаточным внедрением новых энергосберегающих технологий, нерегулируемого электропривода вентиляторов, дымососов, питательных и подпиточных насосов, низкой оснащённостью приборами счёта, контроля и регулирования технологических процессов и т.д.

Таким образом можно заметить, что в области энергосберегающих мероприятий существуют множество способов по увеличению экономической эффективности котельных установок. Заслуживает внимания использование тепла пара вторичного вскипания , который получается либо в результате вскипания перегретой воды при расширении её от давления P ₁ до P ₂ , либо в системе сбора конденсата. Так перегретая вода после непрерывной продувки направляется в сепаратор, где при снижении давления получается пар вторичного вскипания. Тепло этого пара может быть использовано в системе отопления или в водяных тепловых сетях для подпитки, а оставшийся конденсат используется для нагрева сырой воды в теплообменнике. С непрерывной продувкой теряется значительное количество теплоты. При давлении пара 1-1,3 МПа каждый процент продувки, теплота которой не используется, увеличивает расход топлива на 0,3 %. В отдельных котельных продувки доходят до 10 %, следовательно, без утилизации теплоты продувочной воды перерасход топлива может достигать 3 %, что существенно снизило бы КПД котельной.

Сбор и возврат конденсата также является важным источником экономии теплоты, а следовательно, и топлива. Практика работы показывает, что рациональная организация сбора и использования конденсата даёт экономию, исчисляемую сотнями тысяч тон условного топлива в год. Различают закрытую схему сбора конденсата со встроенным сепаратором и схему с внешним сепаратором. Применение таких схем позволяет использовать тепло полученное из пара вторичного вскипания, как для нужд самой котельной, так и для систем отопления и вентиляции.

Заметная экономия может быть получена и за счёт утилизации теплоты вентиляционных выбросов котельной при использовании воздухо-воздушных теплообменников.

Целесообразно также использовать в тепловой схеме котельной охладители выпара поступающего из деаэратора. Тепло выпара используется для подогрева воды поступающей в деаэратор, это обеспечивает меньший расход пара на подогрев воды в деаэраторе, и как следствие даёт значительный энергосберегающий эффект.

Существенное влияние на КПД котельного агрегата и на работу электродвигателей для привода дымососа оказывает коэффициент избытка воздуха в топке и присосы воздуха по тракту продуктов сгорания. Так, например, увеличение избытка воздуха в топке на 0,1 приводит к перерасходу топлива на 0,7 %. Снижение присосов воздуха по газовому тракту котельных агрегатов на 0,1 уменьшается расход топлива примерно на 0,5 %. Присосы воздуха чаще всего обусловлены: неплотным прилеганием топочной и котельной гарнитуры, неудовлетворительным состоянием или конструкцией уплотнений в местах прохода труб сквозь обмуровку и обшивку, большими зазорами в местах прохода вала сквозь улитку дымососа и т.д. Таким образом, устранение этих неисправностей даст возможность уменьшить расход топлива и электрической энергии на привод дымососа.

Ещё одним способом энергосбережения в котельной является автоматизация производственных процессов, что создаёт определённые технико-экономические преимущества. В результате автоматизации снижается себестоимость единица вырабатываемой энергии, сокращаются расходы на материалы топливо, вода и т.д. При этом решающим фактором является снижение расхода топлива, тепловой и электрической энергии. Использование средств автоматизации увеличивает надёжность оборудования, точность производства, появляется возможность использовать высокоэффективные технологические процессы.

Значительная экономия тепловой энергии при сравнительно небольших капиталовложениях обеспечивается за счёт автоматического регулирования. При установлении оптимального режима работы экономия теплоты может составить 20 % и более газового потребления. Если в качестве примера принять водогрейный котёл для целей теплоснабжения, то сырьё будет представлять холодная вода, энергию газ, а продукцию горячая вода заданной температуры теплоноситель. Для управления процессом приготовления теплоносителя измеряется его температура и преобразуется в информативное воздействие, которое поступает к управляющему устройству. Туда же поступает информация о температуре наружного воздуха. Управляющее устройство на основе полученной информации управляющее воздействие изменение подачи газа в топку котла. Так происходит регулирование температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха.        

Охрана окружающей среды

Природный газ как энергетическое топливо обладает рядом преимуществ, не последнее место среди которых занимают его экологические достоинства по сравнению с углем и мазутом: он не содержит твердых примесей, связанного азота и практически не содержит серы (если не считать тех случаев, когда на ТЭС поступает сернистый газ, не прошедший стадий очистки на газоперерабатывающем предприятии, или когда сжижаются попутные газы, технологические сбросные газы нефтехимического или металлургического производства). В связи с этим борьба с выбросами оксидов азота часто является единственным средством, позволяющем обеспечить чистоту атмосферы в районе расположенного теплоэнергетического объекта, работающего на газу.

Концентрация оксидов азота в дымовых газах при сжигании природного газа в крупных котлах (производительностью по пару 210-420 т/ч) составляет обычно 0,4-0,8 г/м³ ( в пересчете на диоксид NO₂) , а в мощных энергетических котлах может достигать 1,5 г/м³ . В дымовых газах небольших отопительных и промышленных котлов содержится меньше оксида азота ( 0,1-0,5г/м³), но дымовые трубы, которыми оснащают такие котельные, имеют обычно столь малую высоту, что приземная концентрация Nox часто превышают санитарные нормы. В отличие от молекулярного азота N₂, который составляет почти 79% атмосферного воздуха, оксиды азота содержатся в атмосфере в значительно меньших количествах, но несмотря на это роль их в жизни человека весьма существенна.

Оксиды азота обычно классифицируются в зависимости от степени окисления азота. При соединении азота с кислородом по мере увеличения его валентности образуются гелиооксид N₂О, оксид NO, азотистый ангидрид N₂O_{3, ДИОКСИД} NO_2,тетрооксид диазота N₂O₄ и азотный ангидрид N₂O₅. В проблеме охраны атмосферного воздуха практическое значение имеют оксид и диоксид азота, сумму которых часто обозначают как NO_X. Другие оксиды азота не считаются важным с биологической точки зрения или их присутствие в земной атмосфере ничтожно мало вследствие неустойчивости этих соединений.

 Оксид азота NO – малоактивный в химическом отношении бесцветный газ, лишенный запаха и плохо растворимый в воде. При комнатной температуре и атмосферном давлении растворимость NO составляет лишь 0.047 г/см³, с повышением температуры растворимость падает. Диоксид азота NO₂ ,более активен, он красно-бурого цвета и отличается резким запахом.

 Главной проблемой, возникающей в результате присутствия в воздухе оксидов азота, является их токсическое воздействие на здоровье людей. Установлено, что даже кратковременное (до 1 ч) воздействие диоксида азота в концентрации 47-140 мг/м³ может вызвать воспаление легких и бронхит, а при концентрации 560-940 мг/м³ велика вероятность летального исхода в результате отека легких.  

Повышенные концентрации оксидов азота в воздухе воздействуют не только на людей, но и на растительный мир ; по данным американских исследователей , при концентрациях от 280 до 560 мкг/м³ наблюдались повреждения томатов и бобовых.

При внедрении мероприятий, рассчитанных на снижение образования оксидов азота, приходится учитывать, что некоторые из них могут увеличить содержание других, не менее опасных загрязнителей. В частности при некоторых режимах сжигание газа образуются канцерогенные продукты; бензаперен и другие полициклические ароматические углеводороды. Обобщение большого числа измерений позволило сотрудникам ВНИИПРОГАЗ заключить, что концентрация бензаперена в дымовых газах при полной нагрузке газовых котлов составляет 1-10 мкг/100м³, причем нижнее значение соответствует крупным энергетическим котлам, а верхнее- отопительным котлам. Если учесть, что среднесуточная предельно допустимая концентрация бензаперена в воздухе равна 0,001 мкг/м³ , то становится ясным , что при нормальных условиях работы котла токсичность дымовых газов определяется в основном содержанием в них оксидов азота, и только при частичных нагрузках, главным образом на отопительных блоках , или при нарушении нормальных режимов горения суммарная относительная токсичность продуктов неполного сгорания может оказаться сопоставимой с токсичностью оксидов азота.

Простейшим мероприятием, снижающим максимальный уровень температуры в топке, является уменьшение нагрузки котла. Многочисленные измерения проведенные на котлах различной мощности с горелками разных конструкций, показали, что зависимость концентрации Nox от нагрузки котла близка к степенной. Снижение нагрузки котла сопровождается снижением температур в топке за счет уменьшения объемного тепловыделения и температуры подогрева воздуха. Снижение выходных скоростей в горелках также, вероятно, оказывает определенное влияние на образование Nox.

 Понятно, что снижение нагрузки котла нельзя рассматривать в качестве мероприятия по снижению выбросов оксидов азота (за исключением, может быть, случаев особо не благоприятных метеорологических условий, продолжительность которых довольно ограничена), однако влияния теплового напряжения зоны активного горения на образование оксидов азота может быть использовано конструкторами при создании новых котлов на природном газе.

Рециркуляция дымовых газов является простейшим средством снижения температурного уровня, а следовательно, и концентрации оксидов азота в дымовых газах. При сжигании газа, когда отсутствуют слабозависящие от температуры топливные NOx ,эффективность рециркуляции газов весьма велика.

 При рециркуляции дымовых газов через горелки уменьшается также концентрация кислорода, что приводит к дополнительному снижению образования NOx . Если же подавать газы рециркуляции через шлицы в под топки, как это иногда делается для регулирования температуры промежуточного перегрева при снижении нагрузки, то их влияние на выбросы оксидов азота будет незначительно.

Дальнейшее увеличение рециркуляции уже менее эффективно. Ограниченность применения этого метода снижения выбросов оксидов азота объясняется тем, что рециркуляция дымовых газов снижает экономические показатели (возрастают потери с уходящими газами и расход электроэнергии на собственные нужды). В тех случаях, когда рециркуляцию газов необходимо производить на уже действующих котлах, появляются дополнительные трудности, связанные с установкой дымососа рециркуляции и коробов для подачи дымовых газов к горелкам.

Еще одним недостатком этого метода являются опасное возрастание концентрации бензапирена по мере увеличения рециркуляции дымовых газов. Снижение максимальной температуры в топочной камере, а следовательно, и концентрации оксидов азота, можно обеспечить увеличением теплоотвода, например за счет установки двусветного экрана или других тепловоспринимающих поверхностей нагрева в зоне интенсивного горения.

Снижение температурного уровня за счет ввода влаги в зону горения является одним из возможных путей сокращения выбросов оксидов азота при сжигании природного газа. Достаточно подробно этот метод был исследован сотрудниками ВНИИПромгаз. Эти исследования показали, что эффективности метода зависит не только от количества вводимой в топку влаги, но и от способа ввода, а также от коэффициента избытка воздуха в топочной камере.

Список литературы

1. Ривкин С. Л. и Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара . М., " Энергия " , 1975 г.

2. Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. «Энергоатомиздат» 1989

3. К.Ф.Роддатис А.Н.Полтарецкий Справочник по котельным установкам малой производительности. Москва «Энергоатомиздат» 1989

4. Эстеркин Р.И. «Промышленные котельные установки», Л. Энергоатомиздат, 1985

5.,,Аэродинамический расчёт газового тракта котельной установки". Методические указания

6. Ю.А.Гусев Основы проектирования котельных установок. Москва 1973

7. Бузников Е.Ф. и др. Производственные и отопительные котельные. М. Энергоатомиздат, 1984г.

8. В.Белов " Охрана окружающей среды ": Учеб. для техн. спец. вузов . 2-е изд .,М.: Высш.шк., 1991.

9. Онищенко Н.П. Охрана труда при эксплуатации котельных установок. М. Стройиздат. 1991.