6.8. Сверхдальняя транспортировка теплоты

В связи с ужесточением экологических; норм защиты окружающей среды сущест­венно увеличилось минимально допустимое расстояние от атомных источников, а также от мощных источников теплоты на твердом топливе до границы крупных городов.

Возникает необходимость разработки и создания системы сверхдальней (например, более 30км) транспортировки теплоты от источников, удаленных от районов тепло­вого потребления на многие десятки кило­метров. В ряде случаев эти расстояния могут составлять 100—150 км и более.

Для этой цели предлагается использовать процессы, позволяющие существенно повысить количество передаваемой теплоты в единице транспортируемого объёма энергоносителя.

Все эти процессы можно условно разделить на каталитические и некаталитические. Особенность каталитических процессов заключается в возможности транспортировки продуктов разложения по общему трубопроводу, что существенно упрощает систему транспорта энергоносителя. При каталитических методах система дальне! транспортировки остается двухтрубной, как и при традиционном теплоносителе — воде. Основная сложность каталитических процессов состоит в необходимости специ­альной каталитической установки для пре­вращения продуктов разложения в исход­ный продукт.

В качестве одной из таких систем может быть рассмотрена система транспортиров­ки теплоты в химически связанном состоя­нии , базирующаяся на реакции паровой конверсии метана .

Газ метан СН₄ и водяной пар Н₂О, подведен­ные к реактору 1, при температуре около 400 °С вступают в химическую реакцию, которая закан­чивается при температуре около 800 °С. В ре­зультате реакции

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂. в реакторе образуется смесь водорода Н₂ и оксида угле­рода СО.

Рис. 8 Принципиальная схема дальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии

/ — реактор конверсионный; 2 — регенеративный газо-газовый теплообменник; 3 — котел низкого давления; 4 — газоводяной регенеративный подогреватель питательной воды; 5 — химводоочистка; б — питательный насос; 7 — метанатор; 8 — котел повышенного давления; 9 — теплофикационная паровая турбина; 10 — элек­трогенератор; 11 — теплофикационный подогреватель; 12 — газовый подогреватель сетевой воды; 13 — водо­отделитель; 14 — питательный насос; /5 — газовый компрессор; 16 — электропривод компрессора; 17 — обратная линия теплосети; 18 — подающая линия теплосети; 19 — отвод воды в систему технического водо­снабжения; 20 — трубопроводы дальнего транспорта теплоты в химически связанном состоянии; 21 — подвод высокопотенциальной теплоты.

На этот процесс паровой конверсии затрачи­вается значительное количество теплоты, подво­димое к реактору извне 21. В качестве теплоис­точника для процесса конверсии может быть ис­пользована теплота сжигания органического то­плива или внутриядерная энергия. Удельный расход теплоты на процесс конверсии составля­ет 206 ГДж/моль = 12,8 кДж/кг СН₄.

Полученная в реакторе 1 высокотемператур­ная газовая смесь водорода Н₂ и оксида углерода СО проходит через регенеративный теплообмен­ник 2, в котором она охлаждается, отдавая теп­лоту исходным продуктам (метану и водяному пару), которые подогреваются до температуры около 400 °С.

Охлажденная газовая смесь СО + ЗН₂ после регенеративного теплообменника проходит че­рез парогенератор низкого давления 3 и регене­ративный подогреватель питательной воды 4, где, отдавая теплоту, охлаждается до 40—50 °С. При необходимости после регенеративного по­догревателя питательной воды может вклю­чаться дополнительный охладитель газовой смеси, из которого теплота отводится в окру­жающую среду.

Холодная газовая смесь (СО + ЗН₂) транс­портируется по газопроводу 20 в район тепло­снабжения. Транспортировка газа осуществляет­ся под действием перепада давлений, создавае­мого компрессором 75 аналогично транспор­тировке природного газа.

В районе теплоснабжения газовая смесь по­ступает в специальный аппарат — метанатор 7, где снова превращается в смесь метана СН₄ и во­дяного пара Н₂О. Реакция сопровождается выде­лением теплоты при температуре около 600 °С.

Полученная в метанаторе горячая смесь ме­тана и водяного пара поступает в парогенератор 8, в котором за счет использования физической теплоты газовой смеси вырабатывается водяной пар энергетичеоких параметров. Пар поступает в теплофикационную турбоустановку 9, в которой комбинированным методом вырабатываются электроэнергия и теплота. Отработавший пар из турбоустановки 9 поступает в теплофикаци­онный подогреватель 11, где, конденсируясь, отдает теплоту сетевой воде. Конденсат насосом 14 подается в парогенератор 8.

Смесь метана и водяного пара после пароге­нератора проходит через теплообменник 12, где используется для дополнительного подогрева сетевой воды.

Вода, выделившаяся из парогазовой смеси в процессе ее охлаждения в парогенераторе 8 и теплообменнике 12, отводится с помощью водо­отделителя 13 в систему технического водоснаб­жения 19. Осушенный метан возвращается по обратному газопроводу 20 к источнику теплоты.

Таким образом, теплота высокого потенциа­ла, подведенная к конверсионному реактору 1, превращается в нем в основном в химическую энергию. Эта химическая энергия в виде газовой смеси водорода Н₂ и оксида углерода СО переда­ется по сверхдальнему теплопроводу 20 в район теплопотребления. В метанаторе 7, размещен­ном в районе теплопотребления, химическая энергия превращается в теплоту повышенного потенциала и используется для комбинирован­ной выработки электрической энергии и тепло ты низкого потенциала, используемой для тепло­снабжения.

Рассматриваемая система создает возмож­ность выработки электрической энергии и теп­лоты без непосредственного сжигания топлива в городах. В процессе работы системы метан не расходуется, а только циркулирует в замкнутом контуре: конверсионный реактор — газопровод СО + ЗН₂ — метанатор — газопровод СН₄ — конверсионный реактор.

Основные преимущества системы даль­ней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии по сравнению с двух­трубной водяной системой теплоснабжения:

1. возможность передачи теплоты на большие расстояния (100 км и более) прак­тически без потерь в окружающую среду;

2. упрощение конструкции дальних трубопроводов и снижение их стоимости благодаря отсутствию тепловой изоляции и компенсаторов температурных деформа­ций, а также увеличению пропускной спо­собности по теплоте примерно втрое по сравнению с водяной двухтрубной систе­ мой при трубопроводах одного и того же диаметра.

Основные недостатки рассматриваемой системы:

1. усложнение и удорожание теплоис­точников;

2. снижение удельной комбинирован­ной выработки электрической энергии.

Возможно также создание некаталити­ческих систем транспорта теплоты в хими­чески связанном состоянии, основанных на использовании эндотермических реак­ций разложения растворов (на источнике теплоты) и экзотермических реакций их синтеза (в районах теплового потребле­ния). В этих системах теплота на источни­ке (ТЭЦ или котельной) затрачивается на выпаривание летучего вещества из раство­ра. После охлаждения растворенное веще­ство и растворитель раздельно (по отдель­ным трубопроводам) транспортируются в район теплоснабжения.

После выделения энергии растворения в процессе синтеза растворенного веществами и растворителя восстановленный раствор возвращается по обратному трубопровод к источнику теплоты. Системы, основан­ные на некаталитических методах, являют­ся, как правило, трехтрубными.

По двум подающим трубопроводам рас­творенное вещество и растворитель транс­портируются от источника теплоты в район теплоснабжения. По обратному трубопро­воду восстановленный раствор транспорти­руется из района теплоснабжения к источ­нику теплоты. В качестве таких растворов могут быть использованы Са(ОН)₂, MgCOj, Mg(OH)₂, (NH₄)₂CO₃ и др.