Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Использование низкопотенциальной теплоты. Книга 1
Посмотреть оригинал

Теплота вентиляционных выбросов

Удаляемый из помещений вентиляционный воздух является значительным источником низкопотенциальпого тепла. В последние годы разрабатываются способы использования этого тепла для нагрева приточного воздуха и отопления помещений. Исследования говорят о высокой экономической эффективности использования тепла вентиляционных выбросов.

На отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию и кондиционирование воздуха в 80-х годах прошлого века у нас в стране расходовалось 400 млн т условного топлива. Применение в системах приточно-вытяжной вентиляции утилизаторов тепла позволит почти вдвое сократить расходы топлива на отопление и вентиляцию, используя 50-70% тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного [2.1].

На предприятиях химической промышленности тепло низкого потенциала, содержащееся в воздухе, удаляемом из помещений, в настоящее время не используют по следующим причинам: во-первых, на крупных химических предприятиях регенерация тепла

вентиляционного воздуха требует создания громоздкой и дорогостоящей аппаратуры; во-вторых, на предприятиях имеются громадные запасы низкопотенциальных ВЭР, заключенных в воде оборотных систем технического водоснабжения; в-третьих, аппаратура для утилизации тепла вентиляционного воздуха еще далека от совершенства и требуется создание малогабаритных и

высокоэффективных теплообменников [2.22].

Грунтовые, подземные, шахтные, хозяйственно-бытовые сточные воды

Использование грунтовой воды в качестве низкопотенциального источника теплоты дает максимальный эффект, а наличие водоносных горизонтов представляет собой наиболее емкий источник термального тепла. Обычно температура грунтовых вод составляет 8-10 °С. Для выработки тепла теплонасосной установке требуется получить порядка 5 °С. Обратная вода имеет температуру 3-5 °С. Основными требованиями к грунтовым водам являются - их нейтральный химический состав, нейтральная кислотность, отсутствие взвешенных и абразивных веществ, требуемый дебет скважины для покрытия пиковых нагрузок системы отопления. К факторам риска относится гарантированный дебет водоносных скважин. Высоко расположенные водоносные горизонты характеризуются нестабильным расходом воды, а практическая эксплуатация водоразборных скважин показывает их средний срок службы 5-20 лет.

Особенностью такого рода тепла является его привязанность к технологическому процессу его возникновения и как следствие - неравномерность поступления и гарантированность образования первичного тепла. К постоянным источникам можно отнести - тепловые сети и котельные социально значимых объектов, городскую канализацию.

Сложность исполнения теплонасосных систем в данном случае заключается в интеграции низкопотенциальиых контуров в существующие технологические процессы и системы. К тому же проблемным является транспорт тепла к месту его потребления.

Система утилизации теплоты подземных вод с использованием ТНУ

Рис. 2.9. Система утилизации теплоты подземных вод с использованием ТНУ

Грунтовые и подземные воды обладают достаточно высокой теплоотдачей и имеют постоянную температуру, что обеспечивает эффективность и стабильность режимов работы тепловых насосов. Для утилизации теплоты создается циркуляционный контур: вода из грунта подается в теплообменник, связанный с испарителем теплового насоса, охлаждается и закачивается обратно в грунт (см. рис. 2.3).

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру +7-И2 °С. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года.

К сожалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать.

Качество воды в общих чертах должно соответствовать приведенным предельным значениям, различающимся в зависимости от материалов, используемых в теплообменнике (нержавеющая сталь и медь).

Схема утилизации теплоты грунтовых вод с помощью ТНУ 1- теплообменники в скважинах (система теплолсболра)

Рис. 2.10. Схема утилизации теплоты грунтовых вод с помощью ТНУ 1- теплообменники в скважинах (система теплолсболра);

  • 2 - контур незамерзающего теплоносителя (тосол);
  • 3 - тепловой насос; 4 - контур отопительной воды

Многочисленные тепловые насосные установки с грунтовыми тепловыми зондами работают стабильно и пользуются большей популярностью. Проведенные исследования показали, что при хороших гидрогеологических условиях, прежде всего, при наличии стока грунтовых вод, возможна многолетняя эксплуатация теплового насоса без длительного охлаждения грунта.

Предпосылкой для проектирования и установки грунтовых тепловых зондов является точное знание свойств грунта, последовательности слоев, сопротивления грунта, а также наличие грунтовых или почвенных вод, и информация об уровне воды и направлении ее потока [2.28; 2.25]. В случае установки с грунтовыми тепловыми зондами можно исходить из средней мощности 50 Вт на метр длины зонда при стандартных гидрогеологических условиях. В зависимости от свойств конкретного горизонта грунтовых вод, могут реализовываться и более высокие мощности по отбору тепла.

Большим потенциалом использовапияпотенциального тепла обладают сточные воды.

Система утилизации низкопотенциальной теплоты грунта

Рис.2.11 Система утилизации низкопотенциальной теплоты грунта

В понятие «сточные воды» входят различные по происхождению, составу и физико-химическим свойствам воды, которые использовались человеком для бытовых и технологических нужд. При этом вода получила загрязнения, и ее физико-химические свойства изменились. Сточные воды разнообразны по составу и, следовательно, по свойствам.

Сточные воды разделены на три группы:

  • 1. Бытовые (или хозяйственно-фекальные), поступающие от санитарных приборов, установленных в жилых, общественных и промышленных зданиях. К этой категории относятся баннопрачечпые и душевые воды.
  • 2. Производственные (или промышленные), образующиеся при использовании воды в различных технологических процессах производства.
  • 3. Атмосферные (или дождевые), образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков.

По своей природе загрязнения сточных вод подразделяются на органические, минеральные, биологические. Органические загрязнения - это примеси растительного и животного происхождения. Минеральные загрязнения - это кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т.д. Биологические и бактериальпые загрязнения - это различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные - возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др.

Все примеси сточных вод, независимо от их происхождения, разделяют па четыре группы в соответствии с размером частиц.

К первой группе примесей относят нерастворимые в воде грубо дисперсные примеси. Нерастворимыми могут быть примеси органической или неорганической природы. К этой группе относят микроорганизмы (простейшие, водоросли, грибы), бактерии и яйца гельминтов.

Вторую группу примесей составляют вещества коллоидной степени дисперсности с размером частиц менее 10'6см. Гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой системы с особыми молекулярно-кинетическими свойствами. К этой группе относятся и высокомолекулярные соединения, так как их свойства сходны с коллоидными системами. В зависимости от физических условий, примеси этой группы способны изменять свое агрегатное состояние.

К третьей группе относят примеси с размером частиц менее 10'7 см. Они имеют молекулярную степень дисперсности. При их взаимодействии с водой образуются растворы.

Примеси четвертой группы имеют размер частиц менее 10’ см, что соответствует ионной степени дисперсности. Это растворы кислот, солей и оснований.

Состав сточных вод и их свойства оценивают по результатам са- нитарнохимического анализа, включающего наряду со стандартными химическими тестами целый ряд физических, физико-химических и санитарно-бактериологических определений.

Сложность состава сточных вод и невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводит к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Такие показатели называются групповыми или суммарными.

Полный санитарно-химический анализ предполагает определение следующих показателей: температура, окраска, запах, прозрачность, величина pH, сухой остаток, плотный остаток и потери при прокаливании, взвешенные вещества, оседающие вещества по объему и по массе, пермангаиатная окисляемость, химическая потребность в кислороде (ХПК), биохимическая потребность в кислороде (ВПК), азот (общий, аммонийный, нитритный, нитратный), фосфаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и другие токсичные элементы, поверхностноактивные вещества, нефтепродукты, растворенный кислород, микробное число, бактерии. Кроме перечисленных показателей, в число обязательных тестов полного санитарно-химического анализа на городских очистных станциях может быть включено определение специфических примесей, поступающих в водоотводящую сеть населенных пунктов от промышленных предприятий.

Требования к качеству воды, используемой в качестве источника низкопотеициальной теплоты, установленные в результате исследований, должны соответствовать показателям, представленным в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Показатели качества воды

Величина показателей качества воды

Водородный показатель, pH

6,0-8,5

Взвешенные вещества, мг/дм3

50-200

Жесткость, мг-экв./дм

не более 10

Концентрация взвешенных веществ в бытовых сточных водах составляет в среднем 300-350 мг/дм3. Степень очистки этой категории сточных вод необходимо определять с учетом возможности их использования в качестве источника НПТ для ТН. Нормативное содержание взвешенных веществ может быть достигнуто в результате механической очистки (решетки, песколовки, отстойники) бытовых сточных вод.

Проведенный качественный анализ сточных вод на одной из станций механической очистки г. Кунгура, Пермского края представлен в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Качественный анализ источника низкопотенциалыюго тепла

Показатели

Значение, мг/дм

ХПК

485

ВПК

249

Взвешенные вещества

198

Сухой остаток

852

сульфаты

132

Хлориды

158

Азот аммонийный

28

Азот ни тритов

0,022

Азот нитратов

0,140

Фосфаты (по фосфору)

4,6

Нефтепродукты

0,66

Медь

0,02

Цинк

0,06

Никель

0,002

Железо

1,4

Хром

0,015

Фенолы

0,022

СПАВ

2,1

Свинец

0,017

Марганец

0,02

Объем сточных вод, сбрасываемых предприятиями горной промышленности в открытые водоемые, составляет около 500 млн м3 ежегодно. С этими водами в окружающую среду сбрасывается более 10 млн ГДж/год низкопотенциальной теплоты, которая при благоприятных условиях могла бы быть утилизирована.

Температурный режим шахтных вод определяется глубиной разработки на шахтном поле, технологией работ и зависит от времени года. Температура откачиваемой воды по различным шахтам составляет 11-19 °С. Из нефтяных шахт нефтешахтного управления «Яреганефть» откачиваются шахтные воды температурой 30-35 °С [2.14; 2.18].

Добыча угля как подземным, так и открытым способом при существующих методах ведения горных работ не может производиться, за редким исключением, без откачки шахтных и карьерных вод на поверхность. Шахтные воды образуются в результате вскрытия водоносных горизонтов подземными горными выработками в процессе ведения очистных и подготовительных работ и проникновения поверхностных вод в выработанное пространство. Водообилыюсть шахт определяется климатическими и гидрологическими условиями месторождения, глубиной разработки, схемой вскрытия и обработки шахтного поля, системой разработки, способом управления кровлей и другими горногеологическими и горнотехническими факторами. Притоки воды в шахты в зависимости от этих факторов изменяются в очень широких пределах - от 10 до 4000 м'/ч, а коэффициент водообильности - от 0,3 до 20 м3/т. Однако большая часть шахт имеет притоки воды от 200 до 500 м3/ч. Водопритоки свыше 1000 м/ч встречаются как исключение па отдельных шахтах.

По абсолютной величине водопритоков угольные шахты, разрезы, бассейны и месторождения распределяются, согласно классификации М.В.Сыроватко, на четыре группы: 1- практически необводненные и слабо .обводненные (до 100 м/ч); 2 - умеренно обводненные (100- 300 м3/ч); 3 - обводненные (300-1000 м3/ч); весьма обводненные (более 1000 м3/ч) [2.141.

Величина притоков воды на большинстве шахт не остается постоянной в течение года. Заметное увеличение притоков (до 1,5-2 раз) наблюдается в весенний период, что связано с таянием снега и периодом интенсивного выпадения дождей.

Физико-химический состав шахтных вод разнообразен и формируется под влиянием естественных процессов, происходящих в массиве горных пород, в подземных водоносных горизонтах, в результате контакта подземных вод с углем, вмещающими породами, угольной и породной пылыо, а также под воздействием производственных факторов, обусловленных добычей и транспортировкой угля.

По величине pH шахтные воды условно делятся на три категории: нейтральные (pH =6,5-8,5), кислые (рН<6,5) и щелочные (рН>8,5). Основной объем шахтных вод относится к категории нейтральных. Кислые шахтные воды встречаются относительно редко. Их объем составляет не более 8% от общего объема шахтных вод. Кислые шахтные воды обычно обладают высоким содержанием ионов железа и алюминия. Доля щелочных вод так же как и кислых невелика. Щелочные воды, в отличие от кислых не представляют большой опасности для водоемов. По степени минерализации шахтные воды, как и природные, делятся па пресные (с минерализацией до 1 г/л), солоноватые (1-25 г/л), соленые (25-50 г/л) и рассолы (свыше 50 г/л). Преобладающими ионами являются кальций, магний, натрий, хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты и карбонаты. Шахтные воды с высокой степенью минерализации практически отсутствуют.

Жесткость шахтных вод обусловлена присутствием солей кальция и магния, определяется в основном природой подземных вод водоносных горизонтов. Наиболее характерные значения общей жесткости находятся в пределах 5-30 мг-экв/л.

Показатели физико-химического состава шахтных вод обусловлены, преимущественно природой тех подземных или поверхностных вод, которые имеют решающее значение в формировании водопритоков. Исключение составляют кислые шахтные воды, которые образуются в результате закисления нейтральных подземных вод в процессе контакта их с углем и вмещающими породами, содержащими значительное количество пиритных включений.

В процессе нахождения и движения по горным выработкам шахтные воды загрязняются взвешенными, органическими веществами, в том числе нефтепродуктами и фенолами, другими специфическими загрязнителями. Концентрация взвешенных веществ зависит от средств механизации выемки угля и проходки подготовительных выработок, интенсивности выделения пыли при использовании механического способа разрушения пластов угля и др. В зависимости от этих факторов концентрация взвешенных веществ в шахтных водах варьируется в пределах от 30 до 2000 мг/л.

Взвешенные вещества в шахтных водах представлены преимущественно частицами угля и вмещающих пород различной крупности.

Взвешенные вещества шахтных вод представляют полидисперс- ную систему. Максимальная крупность частиц в откачиваемых на поверхность шахтных водах, как правило, не превышает 100 мкм. Основная масса взвешенных веществ (до 90%) представлена частицами крупностями менее 50 мкм. Масса частиц менее 10 мкм незначительна, но на отдельных шахтах может достигать 50-70%. Наиболее тонкие взвеси представлены, в основном, глинистыми частицами.

Характеристика шахтных вод представлена в таблице 2.4 [2.141.

Содержание нефтепродуктов определяется уровнем механизации горных работ и колеблется в пределах от 0,1 до 50 мг/л. Наиболее характерные концентрации невелики и составляют 0,2-1,0 мг/л.

Кроме перечисленных загрязняющих ингредиентов, в шахтных водах содержится целый ряд микроэлементов, в том числе и тяжелые металлы. В отличие от природных, шахтные воды отличаются более высоким их содержанием.

Таблица 2.4

Характеристика шахтных вод_

п/п

Характеристика и состав сбросных вод

Характеристика шахтных вод (концентрация, мг/ л)

1

Взвешенные вещества

40-850

2

Биологическая потребность в кислороде

0,8-45

3

Химическая потребность кислорода

3,8-298

4

Хлориды

5-16000

5

Сульфаты

25-3600

6

Нефтепродукты

0,1-50

7

Фенолы

0,001-0.08

8

Медь

0-0,4

9

Никель

0-3,6

10

Цинк

0-12

11

Хром

0-212

12

Свинец

0,003-0,33

13

Кадмий

0-0,015

14

Марганец

0-14

15

рн

6,2-9,6

В хозбытовых сточных водах содержатся примеси минерального и органического происхождения. Минеральные вещества в бытовых сточных водах представлены солями аммония, фосфатами, хлоридами, гидрокарбонатами и другими соединениями, образующимися в результате Жизнедеятельности человека и разложения органических веществ. Азот аммонийный, фосфор являются продуктами жизнедеятельности человека. Белковые вещества в живом организме в процессе обмена веществ дают мочевину ССЦЫНоЦ, которая под влиянием гнилостных бактерий в сточной воде подвергается гидролизу с образованием азота аммонийных солей.

Бытовые сточные воды имеют обычно слабощелочную реакцию среды (pH 7,2-7,8). Минеральные и органические примеси в воде могут в зависимости от степени дисперсности, находиться во взвешенном, коллоидном и растворенном состояниях.

Таблица 2.5

Усредненные характеристики качества бытового стока, отводимого абонентами жилищного фонда населенных пунктов

п/п

Перечень загрязняющих веществ

Усредненная характеристика хозяйственно-бытовых сточных вод (концентрация, мг/л)

1

Взвешенные вещества

ПО

2

Биологическая потребность в кислороде

180

3

Химическая потребность кислорода

250

4

Жиры

40

5

Азот аммонийный

18

6

Хлориды

45

7

Сульфаты

40

8

Сухой остаток

300

9

Нефтепродукты

1,0

10

Синтетические поверхностноактивные вещества анионные

2,5

11

Фенолы

0,005

12

Железо общее

2,2

13

Медь

0,02

14

Никель

0,005

15

Цинк

0,1

16

Хром +'’

0,003

17

Хром +6

0,0003

18

Свинец

0,004

19

Кадмий

0,0002

20

Ртуть

0,0001

21

Алюминий

0,5

22

Марганец

0,1

23

Фториды

0,08

24

Фосфор фосфатов

2,0

При медленном движении или отстаивании бытовых сточных вод происходит выпадение твердой фазы, содержащей от 80 до 99% воды. Она включает в себя частицы песка, шлака, волокна, органические остатки различного происхождения. Взвешенные органические вещества при осаждении быстро загнивают.

Органические вещества бытовых сточных вод можно разделить на две группы: 1) безазотистые, содержащие углерод, водород, кислород; 2) азотсодержащие вещества.

Показателем содержания органических примесей в сточных водах является величина химической потребности кислорода (ХПК). По данным определения ХПК можно рассчитать, зная состав органического соединения, его содержание в воде.

Степень загрязнения сточных вод выражается также количеством кислорода, необходимого для окисления органических веществ микроорганизмами в аэробных условиях. Этот показатель называют биохомическим потреблением кислорода (ВПК).

Анализ физико-химического состава шахтных, хозбытовых вод и существующих методов их очистки показывает, что для утилизации теплоты сбросных шахтных вод необходимы эффективные незасо- ряющиеся теплообменные аппараты и технологии. Для утилизации тепла шахтных вод и хозбытовых стоков, необходимо разработать соответствующие технологии. Использование низкопотеициальпой тепловой энергии шахтных вод и неочищенных хозбытовых стоков сдерживается отсутствием оптимальных технологий по их утилизации и особенно отсутствием экономичного, технологичного теплообмеиного оборудования, которое могло бы длительное время работать без остановки и специальных методов очистки на загрязненных жидкостях в комплексе с ТНУ [2.19].

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы