Система комплексной рекуперации низкопотенциальной вторичной энергии в теплотехнологической схеме целлюлозно- бумажного производства

АКТУАЛЬНОСТЬ. Целлюлозно-бумажное производство (ЦБП) является энергоемкой отраслью со значительными объемами неиспользованных вторичных энергоресурсов (ВЭР), в особенности низкопотенциальной теплоты (40-80°C). В условиях растущих требований к энергоэффективности и экологии рекуперация этих ВЭР из таких источников, как сточная и оборотная вода, вентиляционные выбросы, теплота охлаждения полупродуктов становится не просто перспективным направлением, а насущной необходимостью. Это позволяет сократить расход топлива, потребление энергии и вредные выбросы, повышая тем самым конкурентоспособность предприятий. ЦЕЛЬ. Целью исследования является повышение энергетической эффективности сложной промышленной тепло-технологической схемы целлюлозно-бумажного производства с использованием методов структурного и термодинамического анализа. Данные методы анализа позволяют объективно оценить потенциал переработки вторичных энергоресурсов и выбрать наиболее эффективные схемы систем рекуперации ВЭР. МЕТОДЫ. Эксергетический анализ выявил значительные неиспользуемые потери теплоты в целлюлозно-бумажном производстве, в частности, в сушильных установках с КПД всего 46.9%. Выявлено, что наибольший потенциал для рекуперации имеют потоки отработанного воздуха, сточных и оборотных вод, верхнего продукта колонн. Их утилизация с помощью теплонасосных установок позволяет существенно повысить энергоэффективность производства, снизив затраты на энергоносители и тепловое загрязнение окружающей среды. РЕЗУЛЬТАТЫ. Термодинамический анализ выявил значительные неиспользуемые потери в ключевых потоках производства (отработанный воздух, сточные и оборотные воды. верхний продукт колонн). Разработана система их рекуперации с помощью теплонасосных установок (ТНУ), которая позволяет повысить общий коэффициент использования энергии системы с 17.88% до 92.58%. Внедрение ТНУ обеспечивает существенную экономию тепловой энергии и снижает экологическую нагрузку производства. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Для решения этой проблемы разработана комплексная система рекуперации на основе термотрансформаторов – теплонасосных установок. Ее внедрение позволит утилизировать 10.13 МВт тепловой мощности из сбросных потоков, повысив общую энергоэффективность производства.

1. Шелгинский Е. А. Полезное использование ВЭР в производстве азотной кислоты / Е. А. Шелгинский, Ю. В. Яворовский // Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VI Всероссийской студенческой научно-технической конференции, Казань, 24–26 мая 2022 года. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2022. – С. 578-580. – EDN GLSDRL.

2. Плотникова Л.В., Торкунова Ю.В. Программное обеспечение системного анализа сложноструктурированных промышленных комплексов при разработке энергосберегающих мероприятий // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). – С. 140-154.

3. Рекуперация и аккумулирование вторичных энергетических ресурсов на предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса / Ю. В. Ваньков, Л. В. Плотникова, Ш. Г. Зиганшин, А. Р. Загретдинов. – Санкт-Петербург: Издательство «Наукоемкие технологии», 2024. – 142 с. – ISBN 978-5-907804-203. – EDN QDKPAB.

4. Шелгинский Е. А. Анализ эффективности использования тепловых ВЭР на основе органического цикла Ренкина в производстве азотной кислоты / Е. А. Шелгинский, Ю. В. Яворовский, А. Я. Шелгинский // Надежность и безопасность энергетики. – 2022. – Т. 15, № 2. – С. 90-95. – DOI 10.24223/1999-5555-2022-15-2-90-95. – EDN DAYIVO.

5. Шелгинский Е. А. Анализ и расчет схемы утилизации теплоты ВЭР в производстве азотной кислоты / Е. А. Шелгинский, Ю. В. Яворовский // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Тезисы докладов Тридцать первой международной научно-технической студентов и аспирантов, Москва, 13–15 марта 2025 года. – Москва: ООО "Центр полиграфических услуг "Радуга", 2025. – С. 765. – EDN MJGVFA.

6. Шелгинский Е. А. Полезное использование ВЭР в производстве азотной кислоты / Е. А. Шелгинский, Ю. В. Яворовский // Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология : Материалы VI Всероссийской студенческой научно-технической конференции, Казань, 24–26 мая 2022 года. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2022. – С. 578-580. – EDN GLSDRL.

7. Бу Дакка Б. Рекуперация тепла с использованием органического цикла Ренкина / Б. Бу Дакка, И. А. Султангузин, Ю. В. Яворовский // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. – 2021. – № 5. – С. 51-57. – DOI 10.24160/1993-6982-2021-5-51-57. – EDN EBEZWU.

8. Повышение энергетической и экологической эффективности теплоэлектроцентрали на основе применения абсорбционных трансформаторов теплоты / Ю. В. Яворовский, И. А. Султангузин, А. И. Бартенев [и др.] // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. – 2020. – № 4. – С. 89-97. – DOI 10.24160/1993-6982-2020-4-89-97. – EDN BBYBWC.

9. Скобелев Д.О. Формирование инфраструктуры ресурсно-технологической трансформации промышленности. Экономика устойчивого развития. - 2020. № 1. -с. 162-167.

10. Плотникова Л.В., Калинина М.В. Структурно-термодинамический анализ теплотехнологической схемы целлюлозно-бумажного производства. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2025;27(3):218-232. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2025-27-3-218-232.

11. V. P. Meshalkin, T. N. Gartman, T. A. Kokhov, L. B. Korelstein. Heuristic Topological Decomposition Algorithm for Optimal Energy-Resource-Efficient Routing of Complex Process Pipeline Systems. Doklady Chemistry. – 2018. – Vol. 482, No. 2. – P. 246-250. – DOI 10.1134/S0012500818100087.

12. Чахирев, Л. В. Использование программного обеспечения системного анализа для управления энергоэффективностью и структурой энергетических систем / Л. В. Чахирев, В. В. Плотников, Л. В. Плотникова // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики : Материалы 92-го заседания Международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко, Казань, 21–26 сентября 2020 года / Ответственный редактор Н.И. Воропай. Том Выпуск 71. Книга 3. – Казань: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, 2020. – С. 90-99. – EDN DZTVVF.

13. Луканин П.В., Казаков В.Г., Зверев Л.О. Концепция модернизации энерготехнологических комплексов в ЦБП. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022;24(4):178-191. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-4-178-191.

14. Назмеев, Ю. Г. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности / Ю. Г. Назмеев, И. А. Конахина. – М.: Московский энергетический институт, 2001. – 364 с. – ISBN 5-7046-0698-9. – EDN XGNUVV.

15. Красавина Е.О., Плотникова Л.В. Энергосберегающий тепловой насос в системах промышленного разделения веществ // Вестник Казанского государственного энергетического университета, 2016, № 4 (32), С. 95-105.