Учебное пособие: Джерела енергії та вибір енергоносія

Джерела енергії та вибір енергоносія

1. Технічні і економічні фактори вибору енергоносія

Структура даного параграфа така:

• види енергії і палива;

• ланцюг перетворення енергії;

• шкідливі викиди при спалюванні палива;

• приклади прийняття рішень;

• постачання і вартість кінцевого споживання енергоносія.

При виборі джерела енергії основними факторами, що визначають вибір, є технічні і економічні питання. Здоровий глузд та прості підрахунки завжди підкажуть, який вид джерела енергії слід вибрати при проектуванні або реконструкції вашого підприємства чи інфраструктури будівлі. Але слід пам’ятати, що з часом змінюються схеми і вимоги до енергоспоживання і це може призвести до неоптимального використання джерела енергії.

1.1 Що таке енергія?

Найпростіше (шкільне) означення енергії таке:

Енергія – це здатність тіла виконувати роботу. У системі CІ енергія вимірюється у Джоулях (Дж).

Один Джоуль – це робота, яка виконується силою в один Ньютон, при переміщенні тіла на відстань один метр.

Але слід розуміти, що лише здатністю виконувати роботу поняття енергії не вичерпується, скоріше таке означення підкреслює той факт, що будь – які форми енергії можуть трансформуватися у механічну енергію, тобто викликати переміщення тіл одне щодо одного і виконувати роботу.

Для того щоб у вас виникли уявлення про величину енергії, яка затрачається у різних процесах, запам’ятайте таке:

• один удар серця = 1 Дж;

• нагрів одного літра води на один градус Цельсія = 4182 Дж;

• нагрів води для однієї чашки кави = 72000 Дж.

1.2 Що таке потужність?

Потужність характеризує інтенсивність роботи, це робота, яка виконується за одиницю часу. У системі СІ потужність вимірюється у Ватах.

Один Ват – це робота, яка виконується силою в один Ньютон на шляху один метр за одну секунду.

Дамо декілька практичних прикладів потужності:

• один удар серця потребує потужності один Ват;

• щоб підвищити температуру одного літра води на один °С за одну хвилину, необхідна потужність 69,7 Ват;

• щоб підігріти воду для однієї чашки кави за одну хвилину необхідна потужність 1200 Ват.

1.3 Що таке кВт-год?

Одна кВт-год – одиниця вимірювання енергії(роботи). Це робота, яка виконується силою, що розвиває потужність 1000 Вт, за одну годину. Вона рівна 3 600 000 Дж, або 3.6 МДж.

1.4 Види енергії

Енергія може існувати у різних видах (формах), включаючи такі:

-          тепло;

-          електрична енергія;

-          хімічна;

-          механічна: кінетична і потенціальна.

Закон збереження енергії стверджує, що енергія не може бути знищена або створена, вона може лише переходити з одного виду у інший. Тому, спалюючи газ, щоб підігріти каструлю води, ми перетворюємо хімічну енергію палива у теплову енергію води та нагріваємо довкілля.

1.5 Паливо

На практиці ми використовуємо термін "види(форми) енергії" для позначення різних та палив. Тут ми будемо розглядати:

-      вугілля;

-      нафту;

-      природний газ.

Деякі з них представляють типові видобувні палива, які є основними у використанні енергії. Існують інші види палива, або джерела енергії, наприклад:

-      енергія сонця;

-      біомаса;

-      енергія вітру;

-      енергія хвиль;

-      гідроресурси.

Ці "відновлювальні" джерела енергії є безпосереднім результатом засвоєння енергії сонця, тоді як видобувні палива отримані в результаті дії енергії сонця мільйони років тому назад. Тому видобувні палива не є відновлюваними.

Відома також ядерна форма енергії, котра на сьогодні практично використовується лише для генерування великих кількостей енергії на ядерних електростанціях.

Всі перераховані вище палива утворюють першу, основну, ланку ланцюга перетворення енергії.

1.6 Ланцюг перетворення енергії

Ланцюг перетворення енергії – це шлях енергоносія від його початкового стану до кінцевого, коли він готовий до споживання, див. рис. 1.

На діаграмі представлено загальний взаємозв’язок між енергетичною сировиною і кінцевою формою енергії. Ця діаграма представляє не єдино можливий шлях трансформації енергії, крім нього, існують інші шляхи перетворення.

Нижче описано основні форми енергії з точки зору її готовності для споживання.

Первинна:

-           корисні видобувні або відновлювані джерела енергії.

Вторинна:

-           теплова, електрична, механічна;

-           більш корисна.

Кінцева:

-           енергія, доведена до споживача;

-           складається із вторинних і первинних джерел енергії.

Корисна:

-           енергія, яка в дійсності виконує роботу.

Сира нафта, добута з землі, є первинним джерелом енергії, але має обмежене застосування. Вона може бути перетворена у більш корисні вторинні джерела енергії, такі як бензин, гас, важке дизельне паливо і т. п. Будь – яка обробка супроводжується втратами енергії.

Вторинна енергія повинна постачатись споживачу. Цей процес також зв’язаний з втратами. На цьому етапі вона є кінцевою формою енергії, наприклад, нафта перевозиться танкерами та зберігається у спеціальних резервуарах. На кінцевому етапі енергія (кінцева енергія) перетворюється у корисну енергію у пункті її споживання. Наприклад, спалювання нафти в склоплавильній печі забезпечує корисне тепло у шихті.

1.6.1 Втрати у ланцюгу трансформації енергії

Завжди будуть втрати енергії:

-           у всіх точках конверсії;

-           при будь-якому розподілі.

Наприклад, ефективність ланцюга перетворення кам’яного вугілля для освітлення даної кімнати, %:

– вугілля у електрику                              37;

– розподіл електрики                              90;

– електрики у світло                                10;

– всього (0,37 ´ 0,9 ´ 0,1)                       3,3.

Якщо йти вниз по ланцюгу, то збільшується вартість енергії за її одиницю. Таким чином, якщо вартість вугілля становить $ 0,01 за кВт-год (приблизно $ 75 за тонну), то ефективна вартість світлової енергії стає $ 0,30 за кВт-год. До цього додаються всі капітальні, поточні і витрати на доставку, які зв’язані з переробкою чорного вугілля у світло.

Оскільки енергія не може бути знищена, то більша частина відсутніх 97% буде в кінцевому підсумку втрачена у вигляді тепла, розсіяного у навколишньому середовищі.

1.7 Джерела енергії, які використовують у промисловості

У промисловості на всіх рівнях ланцюга перетворення енергії, палива використовують у формах:

-           вугілля;

-           нафти;

-           природного газу;

-           деревини

-           електроенергії;

-           пари;

-           гарячої води;

-           стиснутого повітря.

Причому вибір конкретного палива залежить як від властивостей самого палива, так і від наявних трансформаторів енергії та, звичайно ж, від відносної вартості цих видів енергоносіїв.

1.8 Використання енергії

У промисловості енергія використовується для вирішення п’яти задач:

-           опалювання;

-           охолодження;

-           механічного руху;

-           освітлення;

-           електрохімічних процесів.

У всіх випадках існує вибір:

-           палива або

-           пристроїв (трансформаторів) для отримання кінцевої енергії.

У кожному випадку існує ряд способів перетворення первинної та вторинної енергії у кінцеву і корисну. Найбільш прийнятний вибір виду палива та процесу трансформації його енергії буде визначатись енергетичним, або ексергічним (якщо йдеться про перетворення енергії палива у механічну) ККД процесів перетворення та вартістю палива.

1.9 Ціни на енергію

Ціна завжди є важливим фактором при будь – якому процесі прийняття рішень. Наведений на рис. 2 графік показує середню ціну різних палив у Великобританії та в Україні, рис. 3, протягом 1997 року.

Найбільш дорогі палива – це ті, що вже пройшли етапи певного перетворення, наприклад, кокс отримується з вугілля, а прикладом кінцевої енергії може служити електрична енергія. Ціна електроенергії у чотири – вісім разів вища від ціни інших палив. Це пояснюється низьким ККД трансформації електроенергії з первинного палива та втратами при її передачі.

Ціни на первинні палива набагато нижчі, але для більшості випадків їх застосувань потрібний процес перетворення, перед тим як вони будуть використані. Втрати при таких перетвореннях та всі подальші розподілення енергії будуть означати, що ціна корисної енергії зростає.

У більшості випадків ціна корисної енергії буде залежати від використаних технічних засобів її трансформації і, приймаючи рішення щодо джерела енергії, необхідно орієнтуватися саме на ціну кінцевої енергії, а не на ціну палива. При зіставленні необхідно звести ціни до єдиної одиниці.

Такою узагальненою ціною є теплотворна здатність палива, виражена у кВт∙год, як це показано на рис. 2. Приблизна теплотворна здатність різних видів палива, які використовуються у Великобританії, наведена нижче:

1 тонна вугілля = 7300 кВт∙год;

1 тонна коксу = 7800 кВт∙год;

1 тонна важкого дизельного палива = 11800 кВт∙год;

1 тонна газойлю = 12700 кВт∙год;

1000 м³ природного газу = 10800 кВт∙год.

Коли ви вимагатимете у постачальників назвати ціни на паливо, необхідно запитати про середню теплотворну здатність палива і вимагати, щоб вони вказали її величину у кВт∙год або у Дж.

2. Шкідливі викиди, що супроводжують використання палива

Вплив на планету в цілому та на довкілля є предметом постійно зростаючої турботи світової громадськості. Достатньо згадати Кіотський протокол країн – членів ООН щодо обмеження викидів парникових газів. У законодавстві більшості країн (в т.ч. України) передбачена відповідальність за негативний вплив діяльності підприємств та організацій на навколишнє середовище.

Основними негативними впливами, що виникають при використанні палив, є газові викиди: СО₂, SO₂, NO_x, CO; важкі метали, сажа (продукти неповного згоряння вуглеводнів), HCl, тверді відходи та можливі техногенні небезпеки, наприклад, витоки з танкерів, ядерні катастрофи, процеси ерозії та суфозії ґрунтів. Іншими несприятливими впливами є викиди у поверхневі та підземні води, шумове та теплове забруднення довкілля.

Вплив на довкілля, що створюється викидами, в основному залежить від використовуваного палива та техніки трансформації енергії палива. Вид палива впливає на склад викидів, оскільки, в залежності від його якості, процес горіння супроводжується небажаними домішками, такими як сірка та азот.

Природний газ є дуже чистим паливом. Він переважно не містить забруднюючих домішок. Газойль теж чисте паливо, він майже (за винятком сірки) не дає шкідливих викидів. Топковий мазут (ТМ) марки HFO, торф та вугілля містять сірку та інші домішки, див. табл. 1.

Таблиця 1. Викиди при перетворенні енергії

2.1 Основні типи викидів при трансформації палива

Основні викиди шкідливих речовин, що супроводжують трансформацію палива при перетворенні його у кінцеву енергію, такі:

-        СО₂ - головний газ, котрий викликає парниковий ефект. Паливо з високим вмістом водню, наприклад природний газ, створює менше СО₂ на одиницю корисної енергії, ніж паливо з високим вмістом вуглецю, наприклад вугілля.

-          SO₂ – виникає при згорянні сірки, яка міститься у паливі. Наступні реакції двоокису сірки з водою у атмосфері викликають появу кислотних з’єднань, котрі є головною причиною кислотних дощів. Тверді палива зв’язують деяку частину сірки у золі, але в загальному підвищений вміст сірки у твердих паливах призводить до її підвищеного викиду при згорянні таких палив.

-          NO_x викликає утворення азотнокислих сполук над поверхнею землі, що дуже шкідливо для дихальної системи людини. Основні джерела NO_x - це високотемпературні реакції N₂ + O₂, продукти яких залежать від максимальної температури, часу перебування палива у топці та присутні у паливі сполук NO_x. Кількість перших сполук можна зменшити шляхом спеціальних умов горіння, а другі лише спеціальною обробкою палива перед спалюванням.

-          СО – чадний газ – це токсичний газ, який виникає при неповному згорянні. Великі викиди СО не тільки шкідливі, а й призводять до втрати енергії. Концентрація СО головним чином залежить від самого процесу горіння.

-          Тверді викиди утворюються в процесі горіння нафти, вугілля та інших твердих палив. Низькоякісне вугілля та неефективні умови згоряння можуть призвести до утворення аерозолів, які шкідливо впливають на дихальну систему людини. Необхідно видаляти золу, яка утворюється у процесі спалювання вугілля. Очевидно, що зі спалюванням вугілля та нафти зв’язані викиди мілких частинок важких металів та вуглеводнів, які є канцерогенами.

-          Топковий мазут (ТМ) марки HFO та вугілля містять сірку та інші шкідливі домішки, див. табл. 2.

Таблиця 2. Інформація про шкідливі викиди різних видів палива

2.2 Викиди енергетичних підприємств

Характеристики викидів для різних комбінацій технологій перетворення палива змінюються у широкому діапазоні внаслідок описаних вище факторів. Порівняння різних можливих варіантів процесу трансформації палива представлено у таблиці 3. Бачимо, що стосовно виду палива найчистішими є газоспалюючі пристрої, а щодо виду технологічного процесу найчистішими є котли.

Зверніть увагу:

Викиди, показані для ТЕЦ, віднесені до кВт∙год електричної енергії. Для розрахунку питомих загальних викидів, які дає ТЕЦ, необхідно розрахувати теплову продуктивність ТЕЦ, тоді, визначивши величину грам/кВт∙год для повного виходу (теплового + електричного), ми можемо знайти питомі викиди.

2.3 ККД електропостачання

Електроенергія може бути отримана лише після переробки первинного палива. Існує велика кількість різних типів обладнання для трансформації палива, чи первинної енергії у електроенергію як на національному, так і на місцевому рівнях. Розглянемо найпоширеніші з них:

Електричні станції. Більшість видів палива використовуються для генерування електроенергії переважно за допомогою парових циклів. Затрати на її генерацію та негативний вплив на довкілля при генерації електроенергії дуже сильно залежать від виду палива та вибраної технології перетворення, наприклад, використання гідроресурсів чи спалювання вугілля.

Таблиця 3. Викиди енергетичних систем

У табл. 4. показано типові ККД для різних типів електричних станцій.

В Україні існує тенденція до зростання частки електроенергії, що вироблена на атомних станціях, але на сьогодні більша частина електроенергії поки що виробляється з вугілля та нафтопродуктів.

Таблиця 4. ККД електропостачання

Місцеве виробництво електроенергії

Електроенергію можливо виробляти на місцевому рівні. Переважно це досягається за допомогою спільного виробництва тепла та електроенергії (когенерація) на ТЕЦ, де утилізується тепло у процесі генерування електроенергії, підвищуючи загальний ККД системи.

Економічна доцільність місцевих ТЕЦ залежить від рівня утилізації тепла шляхом його використання у технологічних процесах або для опалення приміщень. Тому, незважаючи на додаткові капітальні та затрати на експлуатацію, використання місцевих ТЕЦ часто є дешевшим, ніж споживання електроенергії, яка постачається з загальнодержавної енергосистеми. При цьому слід також враховувати негативні впливи на навколишнє середовище, зумовлені спалюванням видобувного палива на ТЕЦ, що також лягає додатковим тягарем на користувача та виробника місцевої електроенергії.

2.4 Вибір джерела енергії

При виборі джерела електричної енергії можливі два варіанти:

-           придбання електроенергії з мережі (енергосистеми) – висока ціна, але відсутні інші витрати;

-           виробіток власними силами – низька ціна електроенергії, але витрати на обладнання та очисні пристрої для зменшення шкідливих викидів.

Для великих енергокористувачів найбільш ефективним рішенням з точки зору фінансів та надійності енергопостачання буде, очевидно, комбінація цих двох можливостей. Для малих користувачів або користувачів, які не мають необхідних технічних спеціалістів на об’єкті, кращим рішенням буде закупка енергії з мережі (енергосистеми).

2.4.1 Тепло

Найбільшу потребу промисловість має у тепловій енергії. Генерування тепла може бути розділено на два самостійні види:

-      використання первинних(вторинних) видів енергії для отримання тепла, наприклад, у вигляді пари; для цього використовуються різного типу котли;

-      пряме використання первинних (вторинних) видів енергії для нагріву, наприклад, плавильні печі.

2.4.2 Перетворення палива у тепло

У багатьох випадках тепло, отримане при згорянні первинного та вторинного палив, безпосередньо не використовується. Тепло передається воді або повітрю для розподілу і доставки до місця використання чи збереження. В таких випадках зазвичай використовують КОТЕЛ. Відомо багато типів пальників та котлів для різних видів палива, типові значення їх ККД наведені у табл. 5.

Таблиця 5. Типові значення ККД в залежності від виду палива

Котли різного призначення та конструкцій мають різні ККД. Їх величини показані у табл. 6.

У багатьох випадках вибір палива визначається ціною та доступністю, тоді як вибір типу котла переважно залежати від капітальних видатків, величини і типу навантаження, а також від виду потрібного тепла, тобто гарячої води або пари і т.п.

2.4.3 Генерація тепла для безпосереднього використання

У багатьох галузях промисловості тепло, що отримане від спалювання первинних або вторинних енергоносіїв, використовується безпосередньо, оскільки для забезпечення технологічного процесу необхідні температури понад 300⁰С і вище. В таких випадках потреба у котлі відпадає, однак певне обладнання для цього все ж необхідне. Можна навести такі приклади:

-           скловарна піч, що працює з використанням газу або нафти;

-           вагранка для чавуна, що працює на коксі;

-           електричні сталеплавильні печі;

-           газові опалювальні прилади прямої дії.

Таблиця 6.

Типові ККД для котлів різного типу.

Вибір палива зазвичай визначається вимогами технологічного процесу, зручністю регулювання подачі палива та іншими технічними питаннями, наприклад:

-      тверде паливо не може застосовуватись у скловарних печах, оскільки згоряння відбувається безпосередньо над розплавленим склом, і тому твердий залишок (попіл) буде викликати забруднення скла;

-      кокс використовується у вагранках, оскільки він необхідний для відновлювального процесу.

2.4.4 Прийняття рішення щодо вибору палива

Для прикладу розглянемо вимоги до системи опалення заводу, на якому необхідно забезпечити комфортну температуру в різних будівлях та офісах.

Це завдання може бути вирішене, використовуючи такі засоби:

-      локальні газові опалювальні прилади;

-      локальні електричні нагрівачі;

-      повітряне опалення – використання повітря, нагрітого газом;

-      повітряне опалення – використання повітря, нагрітого парою;

-      повітряне опалення – радіатори.

В межах кожного варіанта існує багато можливостей конкретної реалізації, наприклад, центральне водяне опалення (з радіаторами). В даному випадку вода може нагріватись централізовано і подаватись насосом у кожну будівлю, пара може вироблятись і перетворюватись у гарячу воду в самій будівлі, або гаряча вода може вироблятись локально у кожній будівлі.

Припустімо, що прийняли рішення виробляти пару централізовано і потім розподіляти її по будівлях. Це означає, що на наступному етапі необхідно прийняти рішення про те, як виробляти пару.

2.4.5 Система виробництва пари

Основними елементами системи виробництва пари є:

-      котельня;

-      система розподілу пари;

-      система повернення конденсату.

Загальний ККД традиційної системи подачі тепла у найкращому випадку не більший від 70% (якщо зіставляти тепло, що подане споживачу, з енергією, підведеною до трьох зазначених вище елементів). Переважно кінцева величина ККД може бути рівною 40% або менше, в залежності від конструкції системи розподілу і подачі тепла споживачам та якості її експлуатаційного і технічного обслуговування.

Більшість котлів, що використовуються у промисловості, працюють на газі або нафті (мазуті), хоча деякі великі котельні використовують і вугілля. Основними процесами у котельні є такі:

-      підготовка палива;

-      згоряння палива;

-      тепловий обмін;

-      парогенерація і конденсація.

2.4.5.1 Підготовка палива

Для газу вона полягає у тому, щоб подати його до пальника з необхідним тиском. Якщо тиск у магістралі низький, то використовують бустерний вентилятор для подачі газу через регулятори на пальники з (обертовими) чашками при тиску близько 100 см водяного стовпчика. Для запуску цього бустера потрібен невеликий електродвигун.

Підготовка нафти може бути більш складною, якщо використовуються важкі або середні фракції топкового мазуту, оскільки вони потребують підігріву. Якщо використовують газойль (він переважно необхідний як резервне паливо для періодів, коли відсутня подача газу), підігрів не потрібен. Для нагріву важких нафтопродуктів, зокрема топкового мазуту, потрібно від 2% до 5% теплоти пари, що виробляється котлом. Підігрів забезпечує:

– підтримку плинності у баку-накопичувачі (~40⁰С), переважно це досягається за допомогою парового змійовика або випускним нагрівачем, який забезпечує рециркуляцію гарячого нафтопродукту;

– підвищення температури нафтопродукту (~55⁰С) для зменшення в’язкості нафтового палива, що полегшує його перекачку до головки пальника, за допомогою парового або електричного випускного нагрівача, який встановлений знизу бака;

– збільшення температури (~100⁰С) для зниження в’язкості нафтового палива до оптимального рівня, що забезпечує утворення маленьких нафтових крапель, за допомогою ліній з паровим або електричним нагрівом.

До головки форсунки подають дещо більше нафтового палива, ніж це необхідно для підтримки правильного тиску, щоб мінімізувати розміри крапель.

Нагрів мазуту парою або електроенергією використовується для підтримки такої температури у лінії подачі палива, щоб виключити їх закупорку. Нафтове паливо також фільтрується на подвійних фільтрах для підвищення надійності роботи пальника.

Щодо затрат енергії для нагріву нафтового палива, то використання пари є вигіднішим ніж електроенергії, навіть незважаючи на прийняту практику зливу конденсату з системи нагріву у дренаж (щоб уникнути забруднення). Вартість тепла, що отримується від пари, становить половину або менше вартості електричної енергії. Однак електричну систему підігріву мазуту все одно необхідно встановлювати як резервну на випадки, коли пара не виробляється.

Системи, що працюють на важкому та середньому нафтовому паливі, можуть бути очищені та використані для роботи на газойлі у випадках, коли ці рідкі палива зберігаються як резервні для газових опалювальних систем.

Якщо котел працює на твердому паливі, то для роботи систем збагачення і транспортування вугілля використовують електричну енергію. Витрати залежать від того, чи транспорт вугілля в котел забезпечується електричними конвеєрами, чи фазовими повітряними. Фазові конвеєрні системи використовують розріджений або щільний повітряний потік. Фазові системи першого типу забезпечують транспорт при низькому тиску повітря, що створюється вентилятором. Фазові системи другого типу використовують стиснене повітря і є більш дорожчими в експлуатації. Вугілля потребує також затрат, пов’язаних з транспортом та видаленням попелу.

2.4.5.2 Процес згоряння палива у котлі

Керування процесом горіння є критичним фактором щодо отримання високого ККД і зменшення шкідливого впливу на довкілля. Процес горіння потребує достатньо кисню і ретельного змішування та контакту між паливом і киснем. Тому газ є найпростішим, а вугілля найскладнішим паливом з точки зору оптимізації процесів їх горіння.

Діапазон регулювання витрати для систем пальників (тобто відношення максимальної до мінімальної витрат палива) є кращим для рідких або газоподібних видів палива порівняно з твердим. Там, де значна кількість пари витрачається на опалення приміщень, необхідно мати ширший діапазон регулювання. Тому, якщо використовується один котел, вугілля як паливо непридатне. Там, де навантаження стабільніші, можливо спалювати вугілля більш ефективно, однак, в загальному, найкраще застосувати вугілля для живлення великих установок.

З точки зору впливу на природу, використання вугілля набагато шкідливіше внаслідок викидів SO_x, пилу та твердих частинок, хоча теоретично викиди дрібних твердих часточок легко контролювати. Нафта теж шкідлива, тому що містить сірку, кількість якої змінюється від приблизно 0,8% для газойлю, до максимальної величини 3,5% для важкого нафтового палива. Нафтові палива з малим вмістом сірки (до 0,3%) цінуються вище, але найчистішим паливом є газ. Необхідність знижувати викиди СО₂, NO_x, SO_x, а також пилу і дрібних твердих частинок, змушує багато компаній використовувати газові опалювальні котли з низьким вмістом NO_x. Також розглядаються системи для видалення SO_x в димарях під час роботи на нафті в комплексі з рекуператорами тепла, щоб зробити котли більш конкурентними. Застосування систем рекуперації обмежене, оскільки температура тепла, що отримується, є відносно низькою і потрібні спеціальні засоби для її ефективного використання.

2.4.5.3 Пальники

Існують два основні типи газових пальників:

-      низького тиску;

-      високого тиску.

У пальниках першого типу стиснене повітря виштовхує газ у повітряний потік, де відбувається грубе перемішування. В пальниках високого тиску і повітря і газ подаються до сопла під тиском, що сприяє більш ефективному змішуванню, і забезпечує контроль над формою і довжиною полум’я. Системи пальників високого тиску є найбільш гнучкими і можуть мати дуже великі діапазони регулювання витрати (для котельні типовим є діапазон 5:1).

Нафтові форсунки для котлів бувають трьох видів:

-      струменеві з надлишковим тиском;

-      з розпилювачем повітря або пари;

-      з чашкою, що обертається.

Струменеві форсунки з надлишковим тиском засмічуються і мають діапазон регулювання витрати всього 2:1. Форсунки з розпилювачем повітря або пари особливо придатні для важкої нафти, вони мають діапазон регулювання 4:1, однак споживають більше енергії, щоб створити розпилене середовище. Форсунка з чашкою, що обертається, працює за рахунок створення тонкого шару нафти на чашці під час її обертання. При цьому нафта розпилюється при проходженні через край чашки, де вона стикається з повітрям, яке примусово подається. Така форсунка має діапазон регулювання більший від 4:1 і потребує більш низьких температур в порівнянні з іншими видами форсунок.

Топкові камери для вугілля можуть бути розділені на такі види:

-      з колосниковою решіткою;

-      з псевдозрідженим шаром.

Тут не розглядаються системи згоряння флюїдного типу, в яких використовують тонко подрібнене або пилоподібне вугілля, що характерне для установок, які застосовуються на електростанціях.

Котли для твердого палива з колосниковою решіткою бувають фіксованого, рухливого або спринклерного типу. Рухливі колосникові решітки можуть бути безперервного, стрічкового або нахиленого типу. Взагалі, будь-яке вугілля повинно перебувати достатньо довго у топці, щоб забезпечити максимально можливе вигорання вуглецю. Незначна кількість вуглецю все ж залишається у золі. Обидві топкові камери потребують, щоб вугілля мало розміри певного діапазону. Вони погано працюють з тонко подрібненим паливом, що виноситься з печі топковими (димовими) газами. Спринклерні котли мають діапазон регулювання 3:1.

Спалювання з використанням псевдозрідженого шару зазвичай застосовується на великих котлах, оскільки такі пристрої потребують великих капітальних затрат. Однак ці пристрої мають перевагу в тому, що у них знизу можлива подача вапна і таким чином є можливість абсорбції сірки з палива і об’єднання горіння з процесом очищення. Недолік – необхідно подавати на вентилятори більшу потужність, щоб забезпечити зрідження шару вогнетривкого піску. Часто швидкість потоку повітря є більшою від оптимальної, яка необхідна для повного згоряння, тому ККД отримується на декілька відсотків менше, ніж для інших типів котлів.

2.4.5.4 Тепловий обмін

Котли, на відміну від пальників або форсунок, є теплообмінниками. Більшість котлів призначається для передачі тепла, що отримане при згорянні палива. Вони забезпечують отримання тепла з певним ККД, величини яких наведені у табл. 7. У процесі згоряння на виході отримується тепло у формі випромінювання та конвекції. Для передачі променистого тепла використовується широка жарова труба і комплект вужчих труб для конвективної теплопередачі.

Таблиця 7. ККД котла і вміст вуглецю у паливі

Для забезпечення ефективного переносу тепла обидві поверхні труб, як жарова (вогнева), так і водяна, повинні бути чистими.

На жарових поверхнях накопичується сажа, окисли та інші забруднення, що утворюються під час згоряння палива.

Концентрація розчинених неорганічних хімічних речовин у воді, яка циркулює у котлі, внаслідок випарювання збільшується, що викликає сильне нашарування накипу на водяних поверхнях труб, і в кінцевому підсумку це може бути небезпечним через можливе їх пошкодження. Щоб це попередити, певна контрольована кількість води видаляється з котла. Ця операція називається продувкою котла і виконується за графіком або безперервно. Гаряча вода продувки виносить з собою тепло, що подеколи повертається у бак для гарячого конденсату.

Втрати тепла з поверхні котла майже постійні. При повному навантаженні вони для сучасних котлів приблизно рівні 1–1,5%, але оскільки навантаження котла часто буває неповним і можлива його робота у резервному режимі, то втрати у таких випадках бувають більш високими, біля 3% -5% від повної витрати палива на рік. Загальний ККД котла в результаті перелічених втрат знижується до 75%. Це реальна цифра для котлів, що працюють на газі, нафті та вугіллі і саме її слід брати до уваги при проектних розробках нових джерел енергопостачання чи реконструкції існуючих систем генерації пари.

2.4.5.5 Подача пари споживачам

Переважно подача пари споживачам здійснюється при тиску дещо більшому, ніж це необхідно. Це гарантує забезпечення кінцевого тиску, необхідного споживачу.

Втрати зумовлені теплопередачею з трубопроводів та витоками пари. Для добре спроектованих та правильно експлуатованих систем втрата тепла не більша від 2–5% початкової потужності пари у котлі. При втраті тепла у трубопроводі утворюється конденсат, який зазвичай видаляють за допомогою конденсаційного глечика. Використання перегрітої пари призводить до підвищення температури пари і, як наслідок, збільшення втрат з трубопроводів. На величину втрат впливає також розмір труб. Більшість систем мають труби більшого ніж це потрібно розміру, що зв’язане з додатковими капітальними та експлуатаційними затратами. Останнє зумовлене частково тим, що труби більших розмірів мають додаткові втрати тепла. Проте часто розміри труб завищують, щоб передбачити можливість збільшення продуктивності системи у майбутньому.

2.4.5.6 Втрати конденсату

Сконденсована під тиском пара починає закипати, коли рідина повертається до умов атмосферного тиску у баках-накопичувачах. Закипаючий конденсат переважно втрачається в атмосфері і для конденсату при тиску 7 бар це становить біля 50% тепла, яке до того було у конденсаті. Оскільки сам конденсат при тиску 7 бар має 26% від тепла, що була у підведеній парі, та загальна втрата на закипання становить 13% від початкової величини. Якщо пізніше конденсат при атмосферному тиску випускається у дренаж (каналізацію), втрати тепла складають ще 13% від кількості тепла у підведеній парі. Таким чином, на типовій виробничій площадці, де вся пара закипання втрачається і повертається лише 50% конденсату, загальні втрати тепла становлять не менше від 20%. Крім того, тепло втрачається при транспортуванні конденсату по трубопроводах.

2.4.5.7 Котельня – загальна система

Зменшення енергії у процесі її підготовки до споживання показане у табл. 8. Бачимо, що існують дві ділянки з найбільшими втратами – це котел та розподілювальна мережа подачі пари споживачам.

Таблиця 8. ККД системи подачі тепла

Загальний ККД системи подачі тепла близький до 45–50%. Об’єкти з довгими паропроводами, поганим станом ізоляції та проблемами з витіканням пари можуть мати значно менші значення ККД. Це робить тепло, яке подається до місця споживання пари, дуже дорогим. Але в загальному, центральна котельня має можливість зміни виду палива, що дозволяє знизити експлуатаційні затрати.

При визначенні вартості тепла необхідно враховувати всю систему, котра забезпечує подачу тепла, а не тільки котли або котельню. Якщо аналізувати зростаючу вартість пари, буде очевидно, що найбільша втрата енергії (з точки зору вартості), появляється в результаті втрати тепла у паровому конденсаті та на етапі транспортування пари. Мінімалізація втрат тепла є одним із важливих завдань енергозбереження.