CC BY
30
РЕЗЕРВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
А.В. МАРЧЕНКО, В.И. ШАРАПОВ
ГОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет
Рассмотрены высокоэффективные энергосберегающие технологии вентиляции производственных цехов, выполнена оценка их промышленной применимости и экономической привлекательности.
Энергоэффективность производства - одно из наиболее приоритетных направлений в политике руководства современных промышленных предприятий. В настоящее время разработано немало различных способов, позволяющих снизить энергопотребление предприятий, например, путем внедрения энергосберегающего оборудования или применения регулируемых электроприводов. Однако зачастую подобные мероприятия связаны со значительными капитальными затратами, не дающими ощутимой экономии в течение первого года их использования. Особое место в энергопотреблении предприятий занимают системы вентиляции, доля потребления электроэнергии которыми может достигать от 30 % до 60 %. Естественно, что большие расходы на вентиляцию отрицательно сказываются на экономической деятельности предприятий, повышая себестоимость их продукции. Поэтому в современных экономических условиях необходимы разработка и реализация таких инженерных решений, которые позволили бы промышленным предприятиям эффективно снизить потребление энергоресурсов с минимальными капитальными затратами и наибольшей экономией от их внедрения.
Авторами разработана и запатентована серия высокоэффективных малозатратных энергосберегающих технологий, позволяющих не только гарантированно снизить энергопотребление системами вентиляции предприятий, но и обезвредить вредные вещества, содержащиеся в производственных выбросах.
Разработанные решения предусматривают использование для вентиляции дутьевых вентиляторов котельных установок, находящихся на территории промышленных предприятий или на незначительном расстоянии от них. Загрязненный воздух из производственных цехов удаляется в топки котлов для термического обезвреживания вредных органических соединений, содержащихся в воздухе. Новые технические решения особенно актуальны для промышленных предприятий, имеющих большой объем пылегазовых выбросов, недостаточно оборудованные или малоэффективные станции газоочистки, котельную установку на своей территории, а также значительное потребление электроэнергии системами вентиляции.
Наиболее эффективная по экономическим показателям технология вентиляции промышленных предприятий [1, 2] изображена на рис. 1 и реализуется следующим образом. Загрязненный воздух рабочей зоны производственного цеха забирается вытяжными зонтами 1 в сборный воздуховод вытяжной вентиляции 2, далее дутьевым вентилятором 3 через всасывающий воздуховод 4 подается в котел 5 для поддержания процесса горения топлива в топке. Органические соединения, содержащиеся в воздухе рабочей зоны
© А.Н. Марченко, В.И. Шарапов Проблемы энергетики, 2007 № 3-4
производственного цеха 6 промышленного предприятия, термически
обезвреживаются в топке котла (окисляются до диоксида углерода СО2 и водяных паров Н2О) и удаляются дымососом 7 через дымовую трубу 8.
Рис. 1. Схема вытяжной вентиляции производственных цехов, реализующая разработанную технологию: 1 - вытяжные зонты (местные отсосы); 2 - сборный воздуховод вытяжной вентиляции; 3 - дутьевой вентилятор; 4 - всасывающий воздуховод вентилятора; 5 - котел;
6 - производственный цех промышленного предприятия; 7 - дымосос; 8 - дымовая труба
Повышение экологической и энергетической эффективности существующих систем промышленной вентиляции при реализации новых технических решений обусловлено следующими факторами [3]:
— гарантированным эффективным термическим обезвреживанием загрязненного воздуха производственных цехов, не зависящим ни от работы систем газоочистки промышленных газов, ни от их комплектации;
— снижением потребления котлами котельных установок чистого атмосферного воздуха;
— дутьевым сжиганием топлива, в частности природного газа, используемого на большинстве котельных установок промышленных предприятий, которое является более экологически безопасным, чем инжекционное;
— снижением энергопотребления системами вентиляции предприятий за счет исключения из работы вытяжных вентиляторов для удаления загрязненного воздуха из рабочей зоны производственных цехов;
— снижением энергопотребления оборудованием систем газоочистки вследствие сокращения объема производственных выбросов, поступающих для обезвреживания, а в некоторых случаях полным исключением станций из работы;
— снижением топливопотребления котельными вследствие подачи в топки котлов избыточных тепловыделений от производственного оборудования;
— уменьшением выплат штрафов за загрязняющие атмосферу промышленные выбросы;
— уменьшением эксплуатационных затрат на обслуживание газоочистного оборудования вследствие сокращения объема загрязненного воздуха, поступающего для обезвреживания.
Для оценки промышленной применимости новых технических решений правомерно задаться вопросом, насколько вытяжной воздух производственных цехов может выступать в качестве окислителя в процессах горения топлива.
Для этого в августе 2006 г. авторами проведено экспериментальное исследование параметров вытяжного воздуха в цехе по производству линолеума «Контакт-2» Ульяновского предприятия ООО «Стройпластмасс-СП». В качестве исследуемых параметров вытяжного воздуха выбраны: его температура,
содержание кислорода и концентрации вредных веществ.
Установлено, что концентрации таких токсичных веществ, как оксид углерода и оксиды азота значительно превышают ПДК [4]. В цехе наблюдается газовый туман, у рабочих, обслуживающих производственную линию часто отмечаются рефлекторные заболевания.
Результаты замеров концентраций оксида углерода и оксидов азота в газовоздушных потоках, отходящих от технологического оборудования цеха «Контакт-2», представлены на рис. 2.
Рис. 2. Содержание оксида углерода СО и оксидов азота N0,; в вытяжном воздухе производственного цеха «Контакт-2»
При измерении содержания кислорода в загрязненном воздухе установлено, что концентрация кислорода не опускается ниже 20,8%, что больше минимальной концентрации кислорода, равной 15%, необходимой для осуществления горения топлива в топках котлоагрегатов.
Минимальная температура газовоздушного потока, удаляемого системой вытяжной вентиляции цеха «Контакт-2», составляет 40°С, что обеспечивает при утилизации этого воздуха в топках котлов значительную экономию топлива.
1\Од-, мг/м3
Результаты замеров концентраций кислорода и температуры вытяжного воздуха над технологическим оборудованием, представлены на рис. 3.
Для обработки результатов исследования вентиляционного воздуха цеха «Контакт-2» применен статистический метод корреляционного анализа. С его помощью установлена степень зависимости концентраций оксида углерода СО, оксидов азота NОх и температуры вытяжного воздуха 4 от различных параметров технологического процесса, которая выражается через коэффициент
множественной корреляции. В качестве примера на рис. 4 показана зависимость концентрации оксидов азота в вытяжном воздухе от температуры пара, подаваемого в агрегат терможелирования № 3.
Рис. 3. Содержание кислорода О2 и температура Ь вытяжного воздуха производственного цеха
«Контакт-2»
Рис. 4. Зависимость концентрации оксидов азота N0, в вытяжном воздухе от температуры пара подаваемого в агрегат терможелирования № 3 цеха «Контакт-2»
В результате корреляционного анализа получены уравнения множественной регрессии, по которым построены линии регрессии. Так, уравнение регрессии (1) получено для зависимости концентрации оксидов азота в вытяжном воздухе от температуры пара, подаваемого в агрегат терможелирования № 3:
у = -0,072х2 +19,41 х -1305,29, (1)
где у - концентрация оксидов азота МОх в пересчете N0^ мг/м3; х - температура пара, подаваемого в технологическое оборудование, °С.
Коэффициент корреляции для зависимости, описываемой уравнением (1), составляет г = 0,51.
В результате анализа полученных результатов экспериментального исследования параметров загрязненного воздуха цеха по производству линолеума «Контакт-2», установлено, что он вполне может быть использован в качестве дутьевого для осуществления процессов горения топлива в котельной предприятия ООО «Стройпластмасс-СП».
Для оценки энергосберегающего и экономического эффектов от внедрения разработанной технологии вытяжной вентиляции (рис. 1) на предприятии ООО «Стройпластмасс-СП» выполнено технико-экономическое исследование [5]. Ниже изложены его основные результаты.
Для реализации новой схемы вытяжной вентиляции производственного цеха «Контакт-2» необходимо смонтировать воздуховод от существующих воздуховодов местной вытяжной вентиляции цеха до всасывающих патрубков дутьевых вентиляторов паровых и водогрейных котлов котельной предприятия и предусмотреть его тепловую изоляцию. В качестве тепловой изоляции выбраны минераловатные маты на синтетическом связующем с параметрами: плотность р = 50 кг/м3, толщина 5 = 0,1 м, коэффициент теплопроводности
= 0,048 Вт/(м*°С). Покровной слой изоляции принят из лакостеклоткани толщиной 5 = 0,00025 м и с коэффициентом теплопроводности = 0,12 Вт/(м*°С). Изоляция с такими параметрами позволила значительно снизить теплопотери в окружающую среду, при этом максимальное снижение температуры загрязненного воздуха по всей длине сборного воздуховода от цеха до всасывающих патрубков дутьевых вентиляторов котельной составило 2°С.
При исследовании экономической эффективности разработанной технологии выполнены: аэродинамический расчет новой вытяжной вентиляции цеха «Контакт-2»; расчет дополнительной мощности дутьевых вентиляторов, необходимой для преодоления аэродинамического сопротивления сборного воздуховода; расчет количества избыточной теплоты от производственного оборудования; подбор тепловой изоляции воздуховода, проложенного на открытом воздухе; расчет количества утилизированной в котельной предприятия теплоты; расчет технико-экономических показателей новой технологии вытяжной вентиляции цеха «Контакт-2» (таблица).
С учетом исключения из работы вытяжного вентилятора цеха «Контакт-2», удаляющего загрязненный воздух от агрегатов терможелирования, сокращения энергопотребления дымососом на станции газоочистки из-за снижения объема газовоздушного потока, поступающего для обезвреживания, а также дополнительного увеличения мощности электроприводов дутьевых вентиляторов котельной энергопотребление предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» уменьшится на 104*103 кВт*ч/год.
Технико-экономические показатели новой технологии вытяжной вентиляции
Показатели ООО «Стройпластмасс-СП»
Теплый период Холодный и переходный периоды Итого за год
Экономия усл. топлива, Этопл, кг/ч 24,8 32,7 28,8
Экономия усл. топлива, Эгтопл, т/год 91,1 166,4 257,5
Экономия газообразного топлива, Эгаз, тыс. м3/год 79,7 145,6 225,3
Снижение мощности электродвигателей, ДЛ, кВт 12,8 11,2 12,0
Экономия электроэнергии, Эгээ, кВт-ч/год 47103 57103 104103
Экономия усл. топлива в денежном выражении0, Э'топл, руб./ч 32,3 42,5 37,4
Экономия электроэнергии в денежном выражении0, Э'ээ, руб./ч 25,1 22,0 23,6
Экономия топливо- и энергоресурсов в денежном выражении, Э', руб./ч 57,4 64,5 61,0
Экономия топливо- и энергоресурсов в денежном выражении, Э, тыс. руб./год 210,8 328,2 539,0
Примечание: Стоимость 1 кВт-ч и 1 кг. у. т. принята на ноябрь 2006 г.
На рис. 5 представлены данные по фактическому потреблению электроэнергии предприятием ООО «Стройпластмасс-СП» и потреблению электрической энергии с учетом реализации новой технологии вентиляции цеха по производству линолеума.
Вследствие утилизации в котельной предприятия тепловыделений от производственного оборудования расход сжигаемого в котлах топлива сократится на 257,5 (т. у. т.)/год или, в пересчете на природный газ, на 225,3 тыс. м3/год. На рис. 6 приведены данные по фактическому потреблению топлива предприятием ООО «Стройпластмасс-СП» и топливопотреблению с учетом реализации новой технологии вентиляции цеха «Контакт-2».
Из представленных диаграмм видно, что потребление природного газа паровым и водогрейными котлами котельной предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» при реализации новой технологии вентиляции цеха по производству линолеума «Контакт-2» снизится в среднем на 16 %, а потребление электроэнергии предприятия сократится на 26 %.
45.0
40.0
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0 5,0 0,0
О Потребление электроэнергии предприятием с учетом реализации новой технологии И Потребление электроэнергии предприятием в настоящее время*
Рис. 5. Экономия электроэнергии предприятием ООО «Стройпластмасс-СП» при реализации новой технологии вентиляции производственного цеха «Контакт-2» ^энергопотребление
приведено за 2005 год)
тыс. м3/год
□ Потребление природного газа предприятием с учетом реализации новой технологии
□ Потребление природного газа предприятием в настоящее время*
Рис. 6. Экономия природного газа предприятием ООО «Стройпластмасс-СП» при реализации новой технологии вентиляции производственного цеха «Контакт-2» (*топливопотребление
приведено за 2005 год)
Для оценки экономической эффективности внедрения новых технологий вентиляции на промышленных предприятиях применен интегральный метод расчета чистого дисконтированного дохода [6]. В общем виде чистый дисконтированный доход ЧДД, руб., рассчитывается по формуле T П
ЧДД = £-------1— - Кинв, (2)
t=1(1 + R)
где П( - потоки денежных средств в конце периода £, руб.; t - рассматриваемый период времени, год; Т- срок жизни проекта, лет; Я - ставка (норма) дисконта; Кинв - капиталовложения в реконструкцию существующей системы вытяжной вентиляции производственных цехов в соответствии с разработанными технологиями, руб.
В формуле (2) ежегодные потоки денежных средств П ( , руб., можно определить по формуле
П£ = Этопл + Эээ + Эштраф + Ээкспл , (3)
где Этопл - экономия условного топлива, руб./год; Эээ - экономия электроэнергии, руб./год; Эштраф - сокращение выплат штрафов за
промышленные выбросы, руб./год; Ээкспл - сокращение расходов на
эксплуатацию вентиляционного и газоочистного оборудования, руб./год.
Капиталовложения в реконструкцию существующей системы вентиляции производственных цехов в соответствии с разработанными технологиями Кинв , руб., определяются по формуле
Кинв = Звозд + Зфас+Зопор + Зт.и. + Змонт , (4)
где Звозд - затраты на дополнительные воздуховоды, необходимые для соединения вытяжной вентсистемы производственного цеха и всасывающих патрубков дутьевых вентиляторов котельной предприятия, руб.; Зфас - затраты
на фасонные части к воздуховодам, руб.; Зопор - затраты на опоры под воздуховоды, руб.; Зт. и. - затраты на тепловую изоляцию воздуховодов, проложенных на открытом воздухе, руб.; Змонт - затраты на монтаж новой системы вентиляции производственного цеха.
Для предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» ЧДД составил 2834 тыс. руб., при этом были приняты следующие условия:
— при расчете ежегодных денежных поступлений учитывалась только годовая экономия топлива и электроэнергии, которая была принята постоянной и составила 539,0 тыс. руб./год (см. таблицу);
— срок жизни проекта принят равным 10 годам, поскольку при реализации новых технологий вытяжной вентиляции используется существующее оборудование, в частности дутьевые вентиляторы ВДН-8, отработавшие 1/2 часть паркового ресурса, составляющего 20 лет;
— ставка дисконта принята равной 11% по данным ЦБ РФ на 26 октября 2006 г;
— капиталовложения в реконструкцию существующей системы вытяжной вентиляции цеха «Контакт-2» в соответствии с разработанной технологией (рис. 1) составили 340 тыс. руб.
Срок окупаемости инвестиций Тр, лет, на реализацию разработанных технологий промышленной вентиляции можно определить по формуле
Т = . (5)
П £
Для предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» срок окупаемости новой технологии цеха по производству линолеума «Контакт-2» составит порядка 8 месяцев. В связи с тем, что срок окупаемости меньше 1 года, то расчет дисконтированного срока окупаемости вложений в реализацию новых технологий промышленной вентиляции не производился.
Таким образом, исследование экономической эффективности и промышленной применимости новых технических решений на примере Ульяновского предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» показало, что реализация разработанной технологии вентиляции на этом предприятии даст значительный эффект как за счет термического обезвреживания вредных органических соединений, содержащихся в вентиляционном воздухе цеха по производству линолеума «Контакт-2», так и за счет значительной экономии топлива и электроэнергии.
Разработанные технологии вентиляции промышленных объектов защищены более чем 20 патентами на изобретения Российской Федерации, отмечены наградами Международных и Российских научно-технических выставок и конкурсов. В частности, за разработку новых решений авторы награждены бронзовой медалью 32-го Международного салона изобретений, новой техники и товаров «Женева-2004».
Выводы
1. Разработаны высокоэффективные малозатратные энергосберегающие технологии вентиляции промышленных объектов, позволяющие гарантированно снизить энергопотребление системами вентиляции предприятий и обезвредить вредные вещества, содержащиеся в производственных выбросах.
2. При исследовании промышленной применимости разработанных технических решений на примере цеха по производству линолеума «Контакт-2» Ульяновского предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» установлено, что содержание в вытяжном воздухе цеха вредных веществ превышает предельно допустимые концентрации, поэтому утилизация этого воздуха в котельной предприятия дает ощутимый экологический эффект.
3. Содержание кислорода в загрязненном воздухе цеха «Контакт-2» колеблется в пределах 20,8 - 21,1%, что является оптимальным для осуществления процессов горения топлива в котлах.
4. Выполнено технико-экономическое исследование разработанной технологии вытяжной вентиляции при ее реализации на Ульяновском предприятии ООО «Стройпластмасс-СП». Установлено, что при реконструкции существующей системы вытяжной вентиляции производственного цеха «Контакт-2» с учетом разработанных технических решений предприятие получит значительный энергосберегающий и экономический эффекты. Годовая экономия электроэнергии составит 104*103 кВт*ч/год, годовая экономия топлива -257,5 (т. у. т.)/год или, в пересчете на природный газ, - 225,3 тыс.м3/год, в денежном эквиваленте годовая экономия топливо- и энергоресурсов составит 539,0 тыс. руб. Срок окупаемости новых технологий не превышает 8 месяцев.
Summary
In this article are considered highly effective energy-saving technologies of ventilation of work rooms. The estimation of their industrial applicability and economic appeal is executed.
Литература
1. Патент № 2253074 Ии, МПК7 Р 24Р 7/06. Способ работы системы вентиляции промышленного предприятия / В.И. Шарапов, А.В. Дзябченко (Марченко), М.И. Сагиров. - Опубл. 2005. - Бюл. № 15.
2. Патент № 2276757 Ии МПК7 Р 24Р 7/06. Способ вентиляции промышленного предприятия / В.И. Шарапов, А.В. Марченко, А.А. Артемов. -Опубл. 2006. - Бюл. № 14.
3. Марченко А.В., Шарапов В.И. Экологические и экономические показатели усовершенствованной технологии промышленной вентиляции // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. V Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова: Материалы докладов. Казань: Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, 2006. - С. 409-412.
4. ГН 2.1.6.1338-03. Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. - М.: Государственный комитет по стандартам, 2003. - 36 с.
5. Марченко А.В., Артемов А.А., Шарапов В.И. Экономические аспекты реализации новых технологий промышленной вентиляции на предприятиях Ульяновской области // Теплоэнергетика и теплоснабжение: Сборник научных трудов научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ. Выпуск 3. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - С. 159-183.
6. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов, утвержденные Министерством экономики Российской Федерации, Министерством финансов Российской Федерации и Государственным комитетом Российской Федерации по строительной, архитектурной и жилищной политике 21 июня 1999 г. N ВК 477.
Поступила 13.01.2007
