Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий

Семенов, Сергей Алексеевич

Энергетические системы и комплексы

автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий

доктора технических наук: Семенов, Сергей Алексеевич
город: Иркутск
год: 2005
специальность ВАК РФ: 05.14.01

Диссертация по энергетике на тему «Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий»

Автореферат диссертации по теме "Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий"

На правах рукописи

СЕМЕНОВ Сергей Алексеевич

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОММУНАЛЬНЫХ

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ (НА ПРИМЕРЕ РАЙОНОВ С ПРЕОБЛАДАЮЩИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА)

05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Братский государственный университет».

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Каганович Б.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Овчинников Ю.В.

доктор технических наук, профессор Степанов B.C.

доктор технических наук, профессор Таиров Э.А.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Красноярский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 22 июня 2005 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д.003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск - 33, ул. Лермонтова, 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Автореферат разослан « 20» мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, i

д.т.н., профессор A.M. Клер

b$ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Коммунальная теплоэнергетика (КТЭ) России - важнейшее звено системы жизнеобеспечения населения, представляет собой сочетание локальных систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения, состоящих из теплоисточников различного типа, магистральных и распределительных тепловых сетей и потребителей (систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения). Функционирование всех элементов КТЭ в настоящее время связано с рядом накопившихся проблем. Для районов с преобладающей долей в топливно-энергетическом балансе низкосортных углей к ним можно отнести низкую энергетическую и экологическую эффективность работы оборудования, обусловленную плохим техническим состоянием, практически полным отсутствием автоматизации, низкой квалификацией обслуживающего персонала, сжиганием низкокачественного и непроектного топлива, отсутствием или недостаточной эффективностью систем золоулавливания и систем обработки подпиточной воды и рядом других причин. В результате, системы КТЭ работают с большими перерасходами топлива и энергии, чрезмерно загрязняют окружающую среду, не обеспечивают требуемые показатели надежности и уровни комфортности. Наиболее остро проблемы КТЭ проявляются в северных районах, составляющих около 60 % территории страны, где вследствие природно-климатических особенностей к системам теплообеспече-ния предъявляются повышенные требования по надежности, экономичности и экологической безопасности работы оборудования.

Выход из создавшейся ситуации видится в разработке или развитии перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий. Для действующих теплоисточников к ним можно отнести: перевод на более прогрессивные технологии сжигания низкосортных углей (кипящий слой и др.), а также на экологически более чистое топливо; применение новых технологий водоподго-товки; использование нетрадиционных источников энергии и др. Эти мероприятия различаются по срокам реализации, требуемым средствам и достигаемой экономической и экологической эффективности.

Одним из путей повышения эффективности функционирования коммунальных теплоисточников является их обеспечение качественными видами энергоносителей, получаемыми, например, методами пиролиза из низкосортных углей. Основным недостатком пиролиза считается значительно меньший выход искусственного жидкого топлива (ИЖТ) по сравнению с другими угле-химическими процессами (гидрогенизацией, косвенным ожижением). В то же время необходимо учитывать возможности совершенствования и повышения конкурентоспособности данной технологии, как в направлении увеличения производства ИЖТ, так и получения облагороженного твердого топлива (OTT) для энергетического и коммунально-бытового использования.

В связи с этим актуальной является проблема создания методических подходов и соответствующих математических и экспериментальных моделей

■>■ "UbrtAH • > ГЦКА

3 у ( .»>»У)К

для анализа перспективных теплоэнергетических технологий и разработки научно-технических решений по повышению эффективности КТЭ.

Исследования проводились в соответствии с работами ИСЭМ СО РАН по теме 1.9.3.3 «Основные направления научно-технического прогресса в энергетике. Системные исследования эффективности и масштабов использования новых технических средств в энергетике», а также комплексными целевыми научно-техническими программами О.Ц.ОО8 «Энергия», «Энергетика» (подпрограмма «Физико-технические проблемы энергетики»), «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив» (грант Минобразования 1 Гр-98).

Цель исследований: определение направлений совершенствования коммунальных теплоэнергетических технологий.

Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, математическое и физическое моделирование. Содержательные исследования базируются на вычислительных и натурных экспериментах, практических расчетах, конструкторских разработках.

Основные задачи работы.

1. Разработка методики анализа перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий.

2. Построение математических моделей и проведение с их применением исследований технологий пиролиза низкокачественных топлив: оценка потенциальных возможностей совершенствования физико-химических процессов в направлении увеличения выхода качественных энергоресурсов и улучшения энергетических показателей, определение перспективных технико-экономических показателей конкурирующих установок пиролиза, системной эффективности и возможных областей их применения в энергетике страны.

3. Сопоставление конкурирующих направлений энергетического, экономического и экологического совершенствования коммунальных котельных.

4. Определение наиболее перспективных для КТЭ нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и оценка технико-экономической и экологической эффективности их использования в теплоисточниках.

5. Создание экспериментальных установок и проведение исследований гидродинамики и теплообмена топки с кипящим слоем (КС), разработка технических решений по модернизации конструкции малых отопительных котлов, работающих на низкокачественном угле и отходах.

6. Оценка возможностей совершенствования технологий водоподготовки.

7. Совершенствование режимов работы и конструкций батарейных золоуловителей.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложен методический подход к исследованию коммунальных теплоэнергетических технологий, предусматривающий совместный анализ эффективности теплоисточников и установок топливопереработки.

2. Методика прогнозирования новых энергетических технологий ИСЭМ СО РАН, основанная на их последовательном физико-химическом и технико-экономическом исследовании, модифицирована для анализа перспектив разви-

тая технологий пиролиза низкокачественных углей и коммунальных котельных.

3. Разработана термодинамическая модель процессов пиролиза угля, включающая блоки расчета частичных и полного равновесий, термодинамических свойств органических топлив и жидких продуктов их переработки и учитывающая возможные макромеханизмы процессов и наличие в реагирующей системе электрически заряженных частиц. На основе термодинамического анализа определены предельные показатели различных вариантов пиролиза.

4. Предложены модели технологических установок пиролиза, основанные на составлении избыточных расчетных схем; получены конструкторские решения по повышению эффективности установок и определены перспективные технико-экономические показатели.

5. В модели структуры технологий ИСЭМ СО РАН расширен набор переменных для более детального учета разновидностей пиролиза, современных коммунальных котельных и конкурирующих технологий. На основе системного анализа определены перспективные направления развития технологий пиролиза.

6. На физических моделях выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на гидродинамику и тепломассообмен топки с кипящим слоем (КС); показана эффективность сжигания низкокачественных углей в КС; предложены конструктивные и технологические решения конструкции котла для мелких котельных на угле и древесных отходах.

7. В лабораторных условиях получены зависимости процесса умягчения вод различной жесткости природными цеолитами, показана возможность совершенствования технологий водоподготовки за счет использования антинаки-пинов и местных природных цеолитов.

8. Получены эколого-экономические оценки и выявлены области конкурентоспособности нетрадиционных источников энергии применительно к КТЭ.

9. В результате термодинамического анализа и промышленных испытаний получены зависимости образования первичных и вторичных загрязнителей от различных факторов, предложены мероприятия по снижению вредных воздействий теплоисточников на атмосферу, в том числе за счет повышения эффективности работы батарейных золоуловителей с улиточным и полуулиточным подводом газов.

Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы. Внедрение методических положений и технических рекомендаций в проектную практику и на действующих объектах повысит экономическую и экологическую эффективность теплоисточников, их надежность, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень комфорта у потребителей, а также будет способствовать активной реализации энергосберегающей политики в КТЭ.

Полученные в диссертации результаты исследований эффективности технологий пиролиза углей для производства качественных топлив могут быть использованы при разработке региональных энергетических программ и при обосновании направлений НИОКР по данной технологии.

Предложенная термодинамическая модель и результаты термодинамического анализа процессов пиролиза канско-ачинских углей (КАУ) использовались при выполнении научно-исследовательских работ ИСЭМ СО РАН и могут найти применение для изучения процессов переработки других видов органического топлива.

Данные прогнозного анализа эффективности установок пиролиза использовались в лаборатории термохимической переработки КАУ Красноярского политехнического института (технического университета) по плану работ программы «Энергия» (О.Ц. 008) при разработке схемы и установки для термической подготовки углей с целью повышения надежности работы котлоагрегатов.

Технические решения и эколого-экономические оценки по теплоисточникам нашли применение в «Программе энергосбережения г. Братска-2000», разработанной по заданию Администрации г. Братска.

Результаты работ использовались территориальным комитетом по охране природы г. Братска и в ряде проектных и эксплуатационных организаций (СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», районная Галачинская котельная АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод) при разработке природоохранных мероприятий и совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания, подготовки и очистки воды.

Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок.

Научные результаты исследований использованы в учебном процессе в Братском государственном университете по программам курсов: «Охрана окружающей среды при работе теплоэнергетических объектов», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», часть материалов включена в два учебных пособия (с грифами Минобразования и СибРУМЦ)-

логия. Образование. Здоровье» (Иркутск, 1999); IV международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в регионе: проблемы и перспективы» (Омск, 1999); V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999); Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока, институтов СО РАН по теплофизике и теплоэнергетике, посвященного памяти академика С.С. Кутателадзе (Новосибирск, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в регионах России - 2000» (Москва, 2000); IV и V Всероссийской конференции и семинара РФФИ «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 2000, 2001); Ш Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001); Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001); II и III Международных научно-практических конференциях «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2001, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции» (Иркутск, 2002); IV Международной научно-практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003); International Conference «Energy Saving Technologies & Environment» (Irkutsk, 2004), Форуме с международным участием «Высокие технологии-2004» (Ижевск, 2004). Кроме того, материалы докладывались на Межрегиональных научно-технических конференциях «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» (Братск, 1996); «Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе» (Братск, 2002, 2004); «Естественные и инженерные науки - развитию регионов» (Братск, 2002-2004), научно-технических конференциях БрИИ (БрГТУ) (Братск, 1993-2001), Ученом совете и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» ИСЭМ СО РАН (2004) и др.

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 37 печатных работах: 1 монографии и главе в монографии, 4 статьях в центральных изданиях, 6 статьях в межвузовских сборниках трудов, учебном пособии (гриф Минобразования РФ), авторском свидетельстве и 2 патентах, а также в изданиях ИСЭМ СО РАН, БрГТУ, других институтов и организаций; в материалах международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов, конференций и семинаров.

Личный вклад автора в разработку проблемы. Методический подход к анализу коммунальных теплоэнергетических технологий, математические модели МОПР и МОТУС разработаны лично автором, им же получены результаты исследований технологий пиролиза. Экспериментальные модели и другие научно-практические результаты получены под руководством или при непосредственном участии автора, что отмечено в тексте диссертации.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 348 страниц основного текста, включая 59 рисунков и 53 таблицы; список литературы из 425 наименований и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы основные цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимос ть работы, представлены выносимые на защиту положения, изложено краткое содержание разделов диссертации.

В первой главе представлен анализ современного состояния коммунальной теплоэнергетики в России. В настоящее время КТЭ является одним из наиболее крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов; более 50 % всего теплопотребления приходится на социальную сферу: жилищный сектор, коммунальные и общественные нужды. На коммунальное теплоснабжение тратится более 400 млн ту.т. в год и здесь имеется значительный потенциал для реализации энер1 осберегающих технологий. Велика роль коммунальной энергетики и в производстве тепловой энергии. В муниципальной подчиненности находится около 30 % всех котельных, которые покрывают более 34 % потребностей ЖКХ в тепловой энергии. В качестве топлива в коммунальных котельных используют в основном газ и уголь. Сжигание угля на теплоисточниках, особенно мелких, обусловливает низкую эффективность использования ТЭР и порождает серьезные экологические проблемы.

К настоящему времени в коммунальной теплоэнергетике сложилась ситуация близкая к критической. В большинстве систем КТЭ отсутствуют достоверные данные о тепловых нагрузках, фактическом потреблении тепла и затратах топлива на его выработку. Для всех элементов КТЭ характерны большой физический износ, низкая надежность, большие потери тепловой энергии при неудовлетворительном уровне комфорта в зданиях. Причины этого лежат в условиях развития муниципального теплового хозяйства - при недостатке денежных средств широко применялись упрощенные технические решения. Проблемы в КТЭ обусловлены не только низким техническим состоянием объектов, но и недостатками системы управления тепловым хозяйством; там до сих пор действуют старые экономико-управленческие методы. Необходимость повышения эффективности в КТЭ обусловлена исключительной социальной значимостью и топливоемкостью этого сектора экономики страны.

Рассмотрено современное техническое состояние коммунальной теплоэнергетики: теплоисточников, тепловых сетей и систем теплопотребления.

Среди работ, посвященных проблемам развития централизованных систем теплоснабжения, следует отметить публикации Г.Б. Левенталя, Л.А. Ме-лентьева, ЕЛ. Соколова, С.А. Чистовича, А.П. Меренкова, Л.С. Хрилева, Е.В. Сенновой, А.В. Федяева, А.С. Некрасова, В.А. Стенникова и др. В них решались вопросы разработки и развития методов расчета и оптимизации крупных систем, обоснования их рациональных масштабов и структуры. В последнее время все большее внимание уделяется вопросам повышения эффективности

коммунальной энергетики (работы сотрудников МЭИ (ТУ), ВТИ, АКХ им. Памфилова и др.). Однако в этих работах недостаточно проработаны вопросы комплексного анализа перспективных технологий. Как правило, в них не учитываются экологические факторы, условия топливоснабжения, обеспечения требуемых параметров комфорта и др.

Значительная часть регионов, снабжаемых твердым топливом, приходится на северные территории с низкими средними температурами и продолжительным отопительным периодом. Здесь проблемы функционирования КТЭ проявляются наиболее остро. Суровые природно-климатические условия накладывают свои особенности на системы топливо- и теплообеспечения потребителей. В связи с этим закономерен интерес специалистов к данной проблеме. Вопросы развития, как крупных энергосистем, так и энергоисточников малой мощности в условиях Севера исследуются практически во всех НИИ северных территорий. Среди многочисленных публикаций хотелось бы отметить работы сотрудников ИСЭМ СО РАН Б.Г. Санеева, И.Ю. Ивановой, Т.Ф. Тугузовой и др., в которых предпринята попытка комплексного рассмотрения проблем развития малой энергетики Севера. Однако в них недостаточного отражены вопросы экономии энергоресурсов и повышения экологической безопасности в КТЭ за счет проведения активной энергосберегающей политики.

На примере Братска, расположенного в районе, приравненном к Крайнему Северу, показан комплекс проблем функционирования теплового хозяйства муниципальных образований на твердом топливе. Сформулированы основные причины неэффективного использования топлива на теплоисточниках: снижение теплопотребления и, соответственно, выработки тепловой энергии; резкое изменение структуры тепловых нагрузок; физический и моральный износ технологического оборудования; низкая квалификация обслуживающего персонала; сжигание непроектных низкокачественных топлив и др. К числу первоочередных мер по повышению эффективности работы коммунальных котельных следует отнести проведение энергетических обследований с разработкой и реализацией малозатратных энергосберегающих технических решений. Сделаны выводы о необходимости разработки или развития перспективных технологий, реализация которых обеспечит значительное повышение надежности, экономичности и экологической безопасности КТЭ. К таким технологиям отнесены: перевод теплоисточников на более прогрессивные технологии сжигания низкосортных углей (кипящий слой и др.), а также на высококачественное (получаемое, например, в установках пиролиза) и/или экологически чистое топливо; применение новых технологий водоподготовки; использование нетрадиционных источников энергии и др. Эти мероприятия различаются по срокам реализации, требуемым средствам и достигаемой экономической и экологической эффективности. В связи с чем актуальной является проблема создания методики анализа перспективных теплоэнергетических технологий.

Рассмотрены экологические аспекты работы теплоисточников. Отмечается, что в последние десятилетия в Братске сложилась кризисная экологическая ситуация, вызванная интенсивным техногенным загрязнением атмосферы. Значительный вклад вносят источники теплоснабжения, поэтому необходимы до-

полнительные исследования по уточнению условий образования вредных веществ и рекомендаций по снижению их выбросов. В связи с наличием в атмосфере Братска широкого спектра загрязнителей от крупных промышленных предприятий представляется целесообразным исследование возможностей арансформации выбросов теплоисточников в более токсичные вещества. Низкая эксплуатационная эффективность батарейных циклонов, установленных на ряде теплоисточников, и, как следствие, повышенное загрязнение атмосферы твердыми частицами указывают на необходимость совершенствования конструкции применяемых золоуловителей.

На основе проведенного анализа состояния проблемы определены цели работы и задачи теоретического и экспериментального исследований.

Во второй главе исследуются пути повышения эффективности коммунальных теплоисточников.

На основе энергетического аудита, выполненного сотрудниками ИСЭМ СО РАН и БрГТУ с участием автора, выявлены основные причины низкой энергетической и экономической эффективности коммунальных котельных: несовершенство тепловой схемы, низкая культура обслуживания, устаревшие конструкции котельных агрегатов, неполная комплектация приборами контроля и отсутствие автоматизации, недостаточная режимная наладка оборудования, низкое качество сжигаемого топлива. Предложены энергосберегающие мероприятия, которые по требуемым затратам разделены на три группы. Беззатратные мероприятия: 1) экономичное распределение нагрузки между котлами (количество одновременно работающих котлов должно определяться исходя из условия максимума их КПД; при совместной работе нескольких котлов в первую очередь загружаются котлы, имеющие наибольший КПД); 2) составление ежемесячных балансов выработки и отпуска тепловой энергии для своевременного выявления непроизводительных потерь. Малозатратные мероприятия. 1) уплотнение топок и газоходов для уменьшения присосов воздуха; 2) организация регулярного контроля КПД котлов для под держания оптимальных условий горения топлива; 3) очистка внутренних и наружных поверхностей нагрева котла. Затратные мероприятия: 1) совершенствование тепловой схемы котельной; 2) проведение режимной наладки оборудования; 3) предварительная подготовка топлива - сортировка и дробление крупных кусков угля и отсев мелочи; 4) утилизация теплоты уходящих дымовых газов; 5) внедрение эффективных технологий водоподготовки; 6) перевод котлов на более качественные виды топлива, например, термобрикеты или природный газ. Для муниципальной котельной Братска определена экономическая эффективность предлагаемых первоочередных энергосберегающих мероприятий: ожидаемый эффект составляет более 3,5 млн. руб/год (в ценах 2000г.), а простой срок окупаемости дополнительных капитальных вложений - чуть более полугода.

Выполнен качественный анализ перспективных, но более затратных направлений развития коммунальных котельных: модернизация установленных и разработка принципиально новых конструкций котлов, перевод котельных на более качественные виды топлива и использование нетрадиционных источников энергии. Показано, что на газ в первую очередь необходимо переводить

мелкие коммунальные котельные, как самые неэффективные. При этом целесообразна установка теплоутилизаторов с глубоким охлаждением дымовых газов, что дает возможность использовать скрытую теплоту парообразования и довести экономию топлива до 10... 15 %.

Для угольных коммунальных котельных выбрано два наиболее эффективных, по мнению автора, решения: 1) использование облагороженных твердых топлив, производимых в установках пиролиза, и 2) применение котлов с кипящим слоем (КС). Рассмотрены особенности реализации каждого направления.

Для исследования гидродинамики кипящего слоя автором совместно с к.т.н. В.А. Ханхаловым была разработана и изготовлена холодная модель топки с КС. Проведенные на ней исследования позволили получить количественные зависимости основных гидродинамических характеристик для частиц угля различного фракционного состава и определить оптимальные скорости псевдоожижения, а также наметить направления оптимизации параметров воздухораспределительных решеток. Основные результаты исследований представлены на рис. 1. Из сопоставления экспериментальных данных с расчетными значениями сделан вывод о низкой надежности предлагаемых зависимостей по определению гидродинамических характеристик кипящего слоя для угольных частиц и ограниченной области их применения в практических расчетах.

На огневой модели рабочей камеры котельной установки, сконструированной и изготовленной в БрГТУ с участием автора (рис. 2), проведены исследования теплообмена при сжигании угля в кипящем слое. В результате натурных экспериментов доказана возможность эффективного сжигания в КС низкокачественных углей с достаточно высоким (для моделей такого класса) КПД (табл.1). Полученные удельные теплонапряжения топки превысили аналогичные показатели выпускаемых котлов малой производительности.

На основании патентных и экспериментальных исследований автором разработаны технические предложения по конструкции котла КС для передвижных механизированных котельных установок (ПМКУ), выпускаемых Братским заводом отопительного оборудования. Принципиальная схема котла представлена на рис. 3. В конструкции котла предусмотрена экранированная топка квадратного сечения с двумя трубными пучками, один из которых помещен в слое, а другой - над слоем. Последний служит для охлаждения продуктов сгорания, что позволяет отказаться от выносных конвективных поверхностей. Для гибкого управления температурным режимом кипящего слоя возможно применение увлажненного дутья, что позволяет надеяться также на улучшение экологических показателей (за счет протекания реакций паровоздушной газификации угля). Система очистки газов от твердых частиц состоит из устройства первичной сепарации и инерционного циклона. Для повышения эффективности сжигания топлива выбран циркуляционный режим с возвратом уноса в кипящий слой.

ДЯЬт, Па

Рис. 1. Кривые псевдоожижения угля и гидравлическое сопротивление рептеток.Л 3, 5, 6 - уголь полидисперсного состава: 1,3- для ДЛл?. (-? - при //с- 65 мм, 3 - при Нс = 50 мм), 5, б - для ДРСТ, (5 - при Яс = 65 мм, 6 - при #с = 50 мм); 2, 4 - уголь с =15 мм: 2 - для АР„2, 4 - для А7,8- решетка: 7 - с ¿<пв= 2,5 мм, 8 - с <4™= 4,5 мм.

В пзмяшжвр

(С02С002)

Рис. 2. Схема экспериментальной установки с огневой моделью: 1 - воронка; 2 - отборник газа; 3 - топочная камера; 4 - редуктор; 5 - ресивер; 6 - вен гиль; 7 - штуцер подвода воздуха; 8 - штуцер огвода золы; 9 - штуцер растопки; 10 - дифманометр; 11 - термопара; 12 - задвижка; 13 - насос; 14 - бак воды; 15 - бункер; 16 - циклон; 17 - шибер; 18 ~ потенциометр.

Таблица1

Технические характеристики огневой установки_

Показатель Уголь

каменный бурый

Максимальная тепловая нагрузка, кВт 13,9 10,3

Максимальная теплопроизводительность, кВт 11,8 6,7

Объемное теплонапряжение, МВт/м3 3,8 2,8

Теплонапряжение газораспределительной решетки, 1,6 1,2

МВт/м2

Давление пссвдоожижающего воздуха, Па 220 200

Высота засыпки угля, м 0,08 0,08

Коэффициент избытка воздуха 2,5 2,72

Максимальный КПД 0,85 0,65

Рис.3. Принципиальная схема котла с КС: 1 - воздушная камера; 2 - воздухораспределительная решетка; 3 - змеевиковый теплообменник в слое; 4 - корпус; 5 - змеевиковый теплообменник над слоем; б - устройство первичной сепарации; 7 - циклон; 8 - затвор; 9 - эоловой бункер; 10 - увлажнитель воздуха; 11 - воздуходувка.

Для предложенной конструкции котла с КС ПМКУ автором были оценены прогнозные технико-экономические показатели:

Номинальная производительность, МВт 1,63

Расчетный КПД, % 83,0

Максимальпая температура воды на входе 343/368

в котел / на выходе из котла, К

Средняя температура слоя, К 1123

Температура уходящих газов, К 473

Удельные теплонапряжения топочной ка-

меры: объема, МВт/м3 1,85

сечения, МВт/м2 4,11

Технические характеристики топки определялись по соотношениям, применяемым для расчета аппаратов кипящего слоя. В сравнении с базовым вариантом, в качестве которого принят выпускаемый котел со слоевым сжиганием «Братск-М», может снижаться металлоемкость (более чем на 80 %) и отмечаться экономия приведенных затрат у потребителя до 1,33 руб/ ГДж перерабатываемого угля (в ценах 1989 г.).

Из проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что в случае успешного решения всех технических проблем данный метод сжигания низкокачественных топлив в ближайшей перспективе будет широко применяться не только в крупной энергетике, но и в мелких коммунальных котельных.

В главе рассматриваются вопросы применения перспективных технологий водоподготовки для коммунальных котельных. На основе аналитического обзора из известных методов автором выбраны два перспективных: 1) замена в установках Л^-катионирования дорогих сорбентов природными цеолитами и 2) коррекционная обработка воды реагентами, обеспечивающими предотвращение накипеобразования и снижение коррозии (на примере антинакипина СК-110).

Природные цеолиты находят все большее применение в процессах очистки природных и сточных вод. Для коммунальных и промышленных котельных они могут рассматриваться как альтернатива применяемым в установках водоподготовки катионитов (КУ-2-8, сульфоуголь). Основное их достоинство - низкая стоимость (в 25 и 12 раз ниже, чем стоимость КУ-2-8 и сульфоугля соответственно), что позволяет в ряде случаев исключить стадии регенерации.

В лабораторных условиях автором с участием сотрудников БрГТУ исследованы ионообменные свойства природных цеолитов и традиционно используемых в технологиях водоподготовки искусственных катионитов. Установлено, что мало- и высокоминерализованные воды можно очищать от ионов Са2 и снижая жесткость с 1,4...1,5 и 7...8 мг-экв/л, соответственно, до 0,05...1 мг-экв/л, с использованием природных цеолитов Сибири - клиноптилолита и шивыртуина вместо дорогого искусственного катионита КУ-2-8 (рис. 4 и 5). Динамическая и рабочая обменная емкость адсорбентов уменьшается в следующем порядке: КУ-2-8 - клиноптилолит - шивыртуин - сульфоуголь - ба-дарминские цеолиты. Цеолиты могут применяться без предварительной термической обработки, желательна стадия отмывки от глинистых минералов технической водой с последующей сушкой.

Экспериментально определены оптимальные по условиям ионнообмена размеры частиц цеолита для умягчения жестких вод - 0,5...2,5 мм. Доказано, что при умягчении жестких вод возможна многократная регенерация клиноптилолита путем обработки его 2,6 % раствором ЫаС1, после которой ионнооб-менная способность адсорбента восстанавливается. Сделан вывод, что природные цеолиты могут найти применение в традиционных системах умягчения подпиточных вод вместо дорогих искусственных катионитов.

ч 1,6

1200

Объем пропущенных вод, мл

Рис. 4. Зависимость текущей жесткости ангарской воды от объема пропущенных вод

Рис. 5. Зависимое гь текущей жесткости вихоревской воды от объема пропущенных вод для цеолита различного размера

Для муниципальной котельной разработана схема стабилизациошюй обработки подпиточной воды. Выполненные технико-экономические расчеты показали, что внедрение данной технологии обеспечивает следующий эффект: резко сокращается расход сырой воды на собственные нужды химводоподго-товки и теплоты на ее подогрев, снижается плата за сброс сточных вод, обеспечивается экономия средств на химреагенты, идущие на регенерацию катеонита. Ожидаемый экономический эффект составляет более 1 млн. руб/год при сроке окупаемости дополнительных капитальных вложений менее 0,1 года. Результаты расчетов экономических показателей сведены в табл. 2.

100 200 300 400 500 600 700 800 Объем пропущенных вод, мл

Таблица 2

Экономические показатели вариантов водоподготовки

Экономические показатели

Схема водоподготовки

с Na- С антинакипи-

катионитом

ном

Затраты на химреагенты, тыс.руб./год Затраты на воду собственных нужд, тыс.руб./год Затраты на платежи за сточные воды, тыс.руб./год Затраты в связи с потерей тепла при удалении воды, тыс.руб./год

Затраты на электроэнергию, тыс.руб./год Дополнительные капвложения, тыс. руб. Сумма приведенных расчетных затрат, тыс.руб./год

Экономический эффект, тыс.руб./год

Срок окупаемости рекомендуемого варианта, лет

1479,3

124,6 378,8 388,4

586,9 0,6

320,0 1160,0 0,08

308,7

0,02 94,0

В целом, сравнивая две альтернативные технологии (цеолиты в качестве дешевых катионитов и антинакипин СК-110) предпочтение следует отдать стабилизационной подготовке воды, обеспечивающей высокий экономический и экологический эффект в коммунальных котельных. Для теплоисточников, работающих на пониженных температурных графиках возможен полный отказ от традиционной схемы водоподготовки. В этом случае экономический эффект от внедрения данной технологии будет значительно выше.

Третья глава посвящена разработке методики анализа эффективности новых энергетических технологий для коммунальной теплоэнергетики, основанной на системном подходе. Последний широко и успешно используется в стране для исследований больших систем энергетики, что пашло отражение в работах JI.A. Мелентьева, JI.C. Беляева, А.З. Гамм, A.A. Макарова, Б.Г. Санее-ва, Н.И. Воропай, Ю.Д. Кононова, Б.М. Кагановича, С.П. Филиппова, Л.Д. Кри-воруцкого, сотрудников Института проблем моделирования в энергетике АН Украины, Энергетического института им. Г.М. Кржижановского и других научно-исследовательских и учебных институтов. Необходимо отметить, что применительно к муниципальной теплоэнергетике системный анализ пока не получил широкого применения.

Рассмотрены системные свойства коммунальной теплоэнергетики: структурные (иерархичность, целостность, автономность), свойства движения (динамичность, гибкость и экономичность), свойства управляемости (неопределенность, многокритериальность, самоорганизуемость). Отмечены характерные особенности, отличающие КТЭ от систем централизованного теплоснабжения: особая схема финансирования - из местных и частично региональных бюджетов; структура КТЭ может состоять из нескольких автономных систем различной конфигурации, полностью или поэлементно принадлежащих разным собственникам, которые ставят и решают свои цели и задачи.

Предложенный автором методический подход к исследованию коммунальных теплоэнергетических технологий предусматривает совместный анализ источников и потребителей тепловой энергии с установками топливоперера-ботки, предназначенными для получения качественных видов энергоресурсов из низкосортных углей. Одной из перспективных технологий топливоперера-ботки следует признать пиролиз, который автором рассматривался наиболее полно.

С целью выявления наиболее эффективных схем пиролиза выполнен прогнозный анализ данной технологии. Он основывался на системном подходе и выполнялся по алгоритму, предложенному в ИСЭМ СО РАН для исследования новых энергетических технологий (рис. 1). Его характерной особенностью является иерархичность структуры исследований, выполняемых по схеме: технологический процесс, технологическая установка и энергетическая система. На каждом этапе применяются свои показатели эффективности и соответствующие математические модели.

Этапы Математические

модели

Рис 6 Схема прогнозирования перспектив развития технологий пиролиза угля

Для анализа физико-химического совершенства процессов пиролиза разработана термодинамическая модель (МОПР), включающая:

- блок расчета частичных и полного равновесий, в основе которого лежит модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) ИСЭМ СО РАН (Б.М. Каганович и др.), имеющая вид для фиксированных значений параметров (Т, Р) и начального состава реагентов:

найти тах(^(лс) = £ с х 1 = /^(х"') (1)

V. )

при условиях Ах = Ь, (2)

А 00 = {*:*< Си)}, (3)

= (4)

*;>0, (5)

где у = {У\,—,У1)Т - вектор количеств молей исходных реагентов, у ах; У"' -множество индексов исходных компонентов, эффективность использования которых нас интересует; с7- - коэффициент, ранжирующий полезность (вредность

или какое-либо другое свойство) /-го компонента вектора х, с] > 0; Xе*' - состав смеси в точке частичного равновесия, отвечающего максимуму целевой функции С и - энергия Гиббса соответственно системы и ее ]-го компонента.

Матричное уравнение (2) представляет собой условие сохранения количеств молей элементов. Выражение (3) определяет область термодинамической достижимости (допустимых решений) для любого перехода из х/ в по непрерывной траектории, вдоль которой й{х) монотонно не возрастает. В области термодинамической достижимости £>г (у) соблюдается неравенство:

<3(.ке9) <<?(*)< СО')- разновидности представления целевой функции (1):

а) с учетом макромеханизма процесса

Уголь-> тах£С(х; тах £С1 х] , (6)

¡•I

где £ и М- множества индексов компонентов промежуточных веществ и целевых продуктов соответственно;

б) с расширением ассортимента веществ

найти тах (р , (7)

где (р - вспомогательная переменная, удовлетворяющая условию

С&><р, (8)

- систему дополнительных ограничений, в том числе на баланс электрически заряженных частиц

1и,ху-и.= 0, (9)

где tij - кратность ионизации у'-го компонента; пе- число молей электронного газа;

- блок расчета предельных энергетических показателей;

- алгоритм расчета термодинамических свойств для органических топлив (углей, нефти, твердых и жидких продуктов их переработки).

В модели при составлении списка веществ (вектора х) и определении соответствующих значений Gj использовался банк данных термодинамических свойств индивидуальных веществ, содержащихся в справочной литературе, и дополненный А.Н. Круговым с участием автора в отношении свойств сложных органических соединений и конденсированных фаз. Состав перерабатываемого угля был представлен молекулой органической части (условная химическая формула СНаОь - без учета балластных элементов и - с учетом азо-

та и серы: для КАУ Ирша-Бородинского месторождения а= 0,83335, Ъ= 0,23308, с= 0,01199, d- 0,00157), минеральные компоненты и влага задавались весовыми частями от общей массы угля.

Разработана математическая модель установок пиролиза (МОТУС), предназначенная для оценки технико-экономических показателей (КПД, удельных расходов топлива и энергии, затрат на производство конечного продукта и др.) в зависимости от прогнозируемых физико-технических и конструкционных показателей. Предложен избыточный граф технологической установки, включающий все возможные варианты схемы. В графе каждому элементу оборудования соответствует вершина, а связи между элементами оборудования или с внешними объектами описываются дугами. В избыточный граф включены основные элементы: блок подготовки угля, состоящий из стадий транспортировки, дробления, сушки и помола; реактор-пиролизер; блок разделения продуктов (циклоны, ректификационные колонны и др.); теплогенераторы (парогенераторы, технологические топки); нагнетатели; электрогенерирующее оборудование; теплообменные аппараты; блоки очистки и переработки продуктов (очистки конденсата и смолы, брикетирования полукокса и др.).

Задача ставится в выборе оптимальной схемы при заданных ограничениях на производительность по перерабатываемому углю или по отпускаемым продуктам (OTT, ИЖТ, электроэнергии или их различным сочетаниям). В качестве минимизируемой целевой функции выступают суммарные затраты. В общем виде целевая функция представлена следующей зависимостью:

3 = f{x,T,P,F,Q,3) = ^3 М.Р.ЛаА), 00)

I I

где x,T,P,F,Q,3- векторы мольных содержаний веществ, температур, давлений, поверхностей нагрева, потоков тепловой и электрической энергии в узлах схемы; /- номер узла; 3,- затраты на элемент установки, обозначаемый z'-м узлом.

Система ограничений включает линейные материальные и энергетические балансы в узлах. Уравнение материальных балансов в матричной форме имеет вид:

Аг = В (11)

где А - блочная матрица, содержащая т матриц А соединений линейно независимых узлов и участков технологической схемы Щ т - число элементов, из которых состоят реагирующие в системе вещества; А - матрица с размерами (/г -1) х ; I* и У"" - числа соответственно узлов и участков в схеме Щ г = - вектор потоков элементов на участках;

В - (Ь\,...,ЪХ 1~\,...,Ьт\,...,ЬтI \)Т - вектор внешних притоков (стоков) элементов в узлах системы.

Уравнения энергетических балансов для узлов имеют вид:

1е,+Еэ,=о, (12)

где Q и Э; - потоки тепловой и электрической энергии на участках, смежных

с 1-м узлом; знак «+» принадлежит притекающим и знак «-» отходящим от узла потокам.

Для каждого элемента графа составлена система уравнений, описывающих материальные, гидравлические и энергетические балансы, а также блоки расчета массогабаритных и стоимостных характеристик.

Математические соотношения, связывающие физико-химические, конструкционные и экономические характеристики элементов, составлены на основе апробированных регрессионных зависимостей, заимствованных из специальной литературы. Для преодоления существенной неопределенности прогнозных стоимостных показателей сырья, энергоресурсов, материалов и оборудования предусматривается варьирование соотношений между отдельными статьями затрат.

Для определения суммарных капиталовложений в установку использовалась формула:

К=КоКшфИКгТ1К,) (13)

ре Р ' '

где к„ - коэффициент, учитывающий общезаводскую составляющую; кинф-коэффициент инфляции; КР - капиталовложения в р-й элемент схемы, руб.-, Р -множество элементов технологической схемы; к- коэффициенты, учитывающие удорожание />го элемента в связи с установкой вспомогательного оборудования; £) - множество экономических коэффициентов.

Используемые для определения капиталовложений в отдельные элементы Кр регрессионные зависимости в общем виде могут быть представлены следующими соотношениями:

Кр=Ах\ (14)

КР =

Ус/ >

(16)

где х - параметр (температура, масса, поверхность теплообмена и т.д.); J — множество зависимых параметров; п - показатель степени; АиА0~ постоянные коэффициенты.

Формулы (14) и (15) используются в случае, когда Кр является функцией одного параметра; (16) - когда Кр является функцией нескольких параметров. В случае отсутствия таких зависимостей применяется метод производственных функций: соотношения между производительностью оборудования и его стоимостью связаны следующим выражением:

где К) нК.2~ капиталовложения при базовой Р1 и большей производительности Р2; п - показатель степени, зависящий от вида оборудования, его производственных функций и степени увеличения производительности.

Для исследования системной эффективности пиролиза и коммунальных котельных (различий в затратах на создание и функционирование системы при наличии и отсутствии в ее составе данной технологии) использовалась линейная оптимизационная модель структуры технологий переработки КАУ (МОСТ), разработанная в ИСЭМ СО РАН (С.П. Филиппов и др.) и адаптированная автором к решению поставленной задачи.

Необходимость в системных моделях определяется тем, что попарное сопоставление технологий даже с приведением их к одинаковому производственному эффекту (путем ввода замыкающих производств) не позволяет получить обоснованные выводы о конкурентоспособности таких многопродуктовых производств, как, например, пиролиз. При попарных сопоставлениях не учитываются системные факторы, возможности совершенствования самих установок пиролиза, а также рассматривается лишь ограниченный перечень технологий.

Реализация принципов системного подхода в энергетике для оценки возможных масштабов внедрения технологии пиролиза выражалась в выполнении ряда условий: 1) учете ограничений на денежные и топливные ресурсы, потребностей народного хозяйства в различных энергоносителях, учете экологических факторов; 2) рассмотрении возможно более полного спектра конкурирующих технологий переработки и использования угля, которые предположительно смогут найти применение в энергетике страны в прогнозный период; 3) варьирован™ важнейших факторов, влияющих на сравнительную эффективность исследуемых технологий: вариантов развития энергетики (структуры производства, потребления энергоресурсов и т.д.); стоимостных показателей добычи первичных энергоресурсов; соотношений между энергоэкономическими показателями технологий переработки угля и др.; 4) учете неполноты исходной информации: подборе таких сочетаний исходных данных, которые бы

К2 = КХ(Р2-Р,У,

(17)

моделировали как оптимистические, гак и пессимистические условия развития и применения установок пиролиза.

МОСТ содержит описание балансов «исходное топливо — конечные продукты» для сравниваемых технологий переработки и сжигания КАУ, балансы покрытия конечными продуктами потребностей зоны КАТЭКа и укрупненное описание топливно-энергетического баланса (ТЭБа) страны в целом. К зоне КАТЭКа отнесены все установки непосредственного использования КАУ, а также потребители электрической и тепловой энергии независимо от территориального расположения, которые обеспечиваются только КАУ или продуктами его переработки. В описание ТЭБа включены лишь те энергоносители, которые конкурируют с КАУ или получаемыми из него облагороженными топли-вами.

Потребление электрической и тепловой энергии в модели распределено между двумя условными узлами: 1 -й узел - это зона КАТЭКа, 2-й - остальные потребители. В первом узле выделены комбинированные и раздельные технологии получения OTT, ИЖТ из угля, моторного топлива, метанола, водорода.

Минимизируемая целевая функция, в качестве которой выступают суммарные затраты, имеет вид:

3 = сКАУх1САУ +Сзнхзн +Ic x + I I Z С X + I I z с х , (18)

/ теЫ\ ItitJtJ^ mMl lelQ jeJi

где с - удельные приведенные затраты; M^L и J - множества индексов потребителей, энергоносителей и технологий соответственно; 1 и 2- индексы первого и второго узлов; /- индекс технологии переработки КАУ; j - индекс технологии использования энергоносителей у потребителей первого и второго узлов; I -индекс энергоносителя; т - индекс потребителя; ЗН - индекс замыкающей нефти; хкау - объем добычи КАУ; хзн - объем добычи замыкающей нефти; Xf-объем переработки КАУ с применением f-Pt технологии; xmi, - расход 1-го энергоносителя для обеспечения т-го потребителя с применением j-й технологии.

Применительно к решаемой задаче автором в модель введены дополнительные переменные, представляющие различные модификации пиролиза, альтернативные установки топливопереработки (гидрирование, косвенное ожижение, внутрицикловая газификация), а также перспективные коммунальные котельные (топки с КС угля, слоевые топки на коммунально-бытовом топливе и ДР-)-

Четвертая глава посвящена исследованию системной эффективности технологий пиролиза низкокачественных топлив на примере канско-ачинских углей. Приведен анализ работ по процессам пиролиза (З.Ф. Чуханова, В.Г. Каширского и других исследователей) и состояние технологических разработок. Отмечено, что до настоящего времени остаются неясными перспективы и основные направления совершенствования данной технологии, а также условия, при которых установки пиролиза окажутся конкурентоспособными.

Выполнена классификация процессов пиролиза по составу конечных продуктов, которая позволила систематизировать существующие разновидности технологии и стадии переработки промежуточных продуктов (в том числе в те-

плоэнергетических установках), отобрать конкурирующие варианты для возможных областей промышленного применения и провести их предварительное сопоставление.

На основе анализа потенциальных достоинств и недостатков выделенных в классификации процессов получены качественные оценки их экологической, энергетической и экономической эффективности и определены возможности технической реализации. Составлены технологические схемы установок, которые в принципе могут быть созданы на основе изучаемых процессов, и проанализированы возможности применения пиролиза в системах топливоподготовки электростанций и крупных котельных, для производства облагороженных топ-лив для коммунальных котельных, а также химических продуктов, в том числе в сочетании с различными типами теплоэнергетических установок.

Выполненные с помощью МОПР термодинамические исследования показали, что в широком диапазоне варьирования условий проведения процесса оптимальные составы смесей резко отличаются от равновесных и характеризуются большой долей целевых продуктов. Так, предельно достижимое производство на основе естественного пиролиза моторного топлива (состоящего исключительно из предельных углеводородов) или химического сырья (например, бензола) составило 0,306 и 0,662 кг/кг органической массы угля соответственно.

Из расчетов обнаружилось, что оптимальные выходы целевых продуктов при используемых на практике параметрах процесса в большинстве случаев совпадают с максимально возможными по условиям материального баланса. Следовательно, термодинамика не накладывает дополнительных ограничений на предельное совершенство этих процессов и выбор модификации пиролиза, его параметров может производиться с учетом, в первую очередь, кинетических, диффузионных и других факторов, влияющих на приближение их к термодинамически идеальным. Лишь для плазменного пиролиза обнаружены ограничения по условиям термодинамики: выход ацетилена снижается, когда механизм процесса описывается схемой: Уголь-►СЯ4+...-»С2#2 + ... Поэтому в промышленных условиях может потребоваться изменение механизма, подобного рассмотренному, например, с помощью ингибиторов.

По данным термодинамических расчетов выполнен анализ энергетической эффективности исследуемых процессов пиролиза канско - ачинского угля. Полученные в результате расчетов теоретически достижимые (оптимистические) показатели сравнивались с достигнутыми (пессимистическими), определяемыми на основе обработки экспериментальных данных современных установок - высокоскоростного пиролиза с комбинированным теплоносителем (ЭТХ) ЭНИНа, гидропиролиза И1 И и плазменного пиролиза Института горного дела Польши.

Анализ сравнительных данных показал, что для всех процессов пиролиза имеются потенциальные возможности значительного увеличения производства целевых продуктов, существенного улучшения энергетических и экономических характеристик. Так, термодинамически достижимые расходы угля на единицу целевого продукта во всех процессах оказались в 2...2,2 раза ниже, имеющих место в реальных установках. Показана эффективность утилизации

физической теплоты продуктов (КПД увеличивается на 5... 11 %). Оценена сравнительная эффективность двух конкурирующих в производстве ИЖТ из угля процессов: естественного и гидропиролиза. Как по достигнутым, так и по предельным энергетическим показателям предпочтительным оказался естественный пиролиз. Однако разработка в последнее время более эффективных каталитических добавок позволяет надеяться на повышение термодинамической эффективности гидропиролиза. Для плазменного пиролиза обнаружено, что термодинамика допускает снижение расхода электроэнергии с 32 до 8 МДж/кг ацетилена. Отмечено, что приближение процессов пиролиза к термодинамически идеальным связано с большими практическими трудностями и требует коренного усовершенствования их организации. Однако наличие большой разницы между достигнутыми и предельными показателями вселяет надежды на существенное повышение эффективности пиролиза и обусловливает целесообразность продолжения фундаментальных исследований в этой области.

Для перспективных технологических установок пиролиза на основе экспериментальных исследований и обработки литературных данных выбраны наиболее приемлемые, с точки зрения автора, конструкции пиролизеров: циклонные и с кипящим слоем инертного материала или катализатора, работающие в термоокислительном режиме. Требуемый подвод теплоты в них обеспечивается за счет окисления части выделившихся при пиролизе летучих веществ. Выбранные конструкции имеют по сравнению с другими возможными аппаратами следующие преимущества: значительно упрощается технологическая схема установок; снижаются металло- и капзатраты, потери теплоты в окружающую среду; улучшаются эксплуатационные показатели. По результатам конструкционных разработок предложено техническое решение устройства для производства облагороженных топлив, защищенное авторским свидетельством (рис. 7).

С помощью модели МОТУС определены прогнозные технико-экономические показатели конкурирующих установок пиролиза: в системах то-пливоподготовки тепловых электростанций, высокоскоростного с комбинированным теплоносителем (ЭТХ), то же с брикетированием полукокса (ЭТХ-Б) и с максимальным выходом смолы (ЭТХ-2), каталитического для производства OTT (КП) и для производства OTT и ИЖТ (КП-2), гидропиролиза. При анализе процесса каталитического пиролиза (КП-2) предполагалось, что применяется катализатор, обладающий высокой селективностью. Благодаря этому обеспечивался повышенный выход жидких углеводородов (30% на органическую массу угля), что позволило оценить влияние на эффективность пиролиза возможного увеличения производства ИЖТ.

Технико-экономические показатели установок рассчитывались на потребление 25 • 106 m КАУ в год для нескольких вариантов, отличающихся ассортиментом производимой продукции: 1) OTT, ИЖТ и электроэнергия; 2) ИЖТ и электроэнергия, 3) OTT и электроэнергия и 4) только электроэнергия.

Рис. 7. Устройство для термической переработки пылевидного топлива: 1 - газоотводя-щая труба; 2 - пиролиэер; 3 - патрубок для полукокса; 4 - рукав, 5 - шнековый питатель; 6 -воздушные сопла; 7 - циклонная топка; 8 - патрубок для юлы; 9 - подъемная труба; 10 - топливное устройство; 11 - камера смешения.

Под ИЖТ подразумевалась смола пиролиза, прошедшая гидроочистку и близкая по своим потребительским свойствам традиционной нефти. Для OTT предполагалось только энергетическое использование. Удельные капиталовложения и приведенные затраты оценивались в относительных единицах - по отношению к соответствующим показателям эталонной технологии (паротурбинной ГРЭС на КАУ). Расчетами получено, что в сравнении с ГРЭС установки пиролиза имеют лучшие энергетические и экономические показатели.

Для предварительного сопоставления конкурирующих установок все варианты были приведены к одинаковому потребительскому эффекту (равному отпуску OTT, ИЖТ и электроэнергии). Для этого предусматривалось производство недостающей продукции: OTT - в установках термообработки угля, ИЖТ - добычей традиционной нефти, электроэнергии - на ГРЭС на КАУ. Экономические показатели рассчитывались для перспективного соотношения стоимости КАУ и капиталовложений в эталонную установку равного 1,4-10'3 (руб/ГДж)/(руб/КВт) и варьируемых соотношений затрат в добычу КАУ и традиционной нефти. Сравнительные результаты расчетов приведены на рис. 8

Исследования показали, что по сравнению с прямым сжиганием использование на ТЭС пиролиза для топливоподготовки (11111) обеспечивает решение

63у, %

-10

-20

-30

ТПП ЭТХ ЭТХ-2 КП КП-2 Гидропиролиз

Рис. 8. Экономия или перерасход удельных затрат в установки пиролиза по сравнению с эталонной технологией: 1.. .4 - варианты технологической схемы.

проблемы устойчивости работы электростанций к колебанием качества поступающего угля; улучшаются экологические показатели при практически равной экономической эффективности. Достижение хороших показателей возможно и для установок с совместным производством электроэнергии и OTT (КП). Для установок пиролиза с получением ИЖТ экономическая эффективность сильно зависит от выхода жидких продуктов. Если установки с комбинированным теплоносителем (ЭТХ), наиболее подготовленные к промышленному внедрению, характеризуются перерасходом затрат в производство конечной продукции, то в случае резкого (примерно в 2 раза) увеличения выхода жидких углеводородов при дальнейшем развитии технологии (ЭТХ-2 схема 1) может быть достигнута равноэкономичность сравниваемых вариантов. При достижении выходов ИЖТ, близких к теоретически возможным (например, в установках каталитического пиролиза) возможна экономия затрат. Установки гидрониролиза, в отличие от других модификаций, характеризуются значительным расходом энергетических и финансовых ресурсов вследствие многостадийности и энергоемкости блоков производства и подготовки водорода. Необходимое условие повышения их экономической эффективности - наличие дешевых источников производства электроэнергии и водорода. Повышение затрат в добычу традиционной нефти относительно КАУ способствует улучшению сравнительных показателей таких технологий. По результатам предварительного технико-экономического сопоставления отобраны установки для дальнейших системных исследований: ЭТХ и ее модификации, обе разновидности каталитического пиролиза, пиролиз в системе топливоподготовки ТЭС.

1 Л ✓ 3

—2^- 3

:з А --32—

2У 3

С помощью МОСТ выполнено системное сопоставление установок пиролиза и перспективных коммунальных котельных с конкурирующими технологиями для нескольких гипотетических вариантов развития энергетики и структуры топливно-энергетического баланса страны. В ходе расчетов варьировались: размер годовой добычи КАУ и других первичных энергоресурсов, технико-экономические показатели добычи КАУ и технологий его переработки. В результате расчетов выявлены условия, при которых станет эффективным крупномасштабное внедрение пиролиза в энергетику страны. Так, повышению этой эффективности способствуют увеличение общего объема добычи КАУ и снижение затрат в нее, рост стоимости замыкающей нефти, уменьшение доли зоны КАТЭКа (зоны, обеспечиваемой только КАУ или продуктами его переработки) в энергетических потребностях страны, удлинение сроков достижения предельно возможных показателей конкурирующих с пиролизом технологий.

Первоочередными направлениями применения установок пиролиза могут стать: топливоподготовка на электростанциях (при невозможности эффективного решения проблем прямого сжигания угля) и производство OTT для энергетического и коммунально-бытового потребления. Применение разработанных технологий пиролиза для крупномасштабного получения моторных топлив оказалось экономически неэффективным. Поэтому сооружение в ближайшее время соответствующих промышленных установок представляется нецелесообразным. Однако, в случае реализации процессов с повышенными (в 2,5...3 раза) выходами жидких продуктов при некоторых условиях конкурентоспособность производства ИЖТ методом пиролиза может быть существенно повышена.

Следует отметить, что применение установок пиролиза для централизованного получения качественного твердого топлива может существенно повлиять на оптимальные масштабы теплофикации Сибири. При снабжении котельных OTT следует ожидать повышения технико-экономических показателей, улучшения условий их эксплуатации, сокращения вредных воздействий на окружающую среду. С учетом дополнительно сжигаемых количеств топлива на ТЭЦ (для выработки электроэнергии) раздельное теплоснабжение окажется более экологически эффективным. При переводе систем централизованного теплоснабжения с ТЭЦ на котельные, работающие на OTT, появится возможность сократить размеры систем и тем самым решить острые проблемы их управляемости и надежности.

Результаты выполненных исследований позволяют считать необходимым продолжение НИОКР по пиролизу низкосортных твердых топлив для производства качественных энергопосителей для коммунальных котельных.

В пятой главе рассматриваются нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (НВИЭ) и возможные схемы их использования в системах теплоснабжения. Выполнена оценка потенциальных ресурсов НВИЭ. Отмечается, что в настоящее время доля НВИЭ в энергетическом балансе страны не превышает 1,5 %, что почти в три раза ниже индустриальных стран. Отмечаются факторы, влияющие на развитие нетрадиционной энергетики.

В качестве наиболее перспективных нетрадиционных теплоисточников для КТЭ регионов Севера и Сибири выбраны: теплонасосные установки (ТНУ),

утилизирующие низкопотенциальные тепловые отходы и теплоту природных источников; энергоустановки, использующие древесные и твердые бытовые отходы, а также электрокотельные (условно отнесены к нетрадиционным теплоисточникам).

В работе исследована эффективность теплоснабжения на базе тепловых насосов: рассмотрены достоинства ТНУ и трудности их внедрения в нашей стране, особенности и основные схемы систем теплообеспечения с ТНУ, характеристики источников низкопотенциалыюй теплоты. Отмечается, что в централизованных системах теплоснабжения ТНУ целесообразно эксплуатировать совместно с другими теплоисточниками: теплонасосные установки, как более экономичные, должны работать в базисном режиме, а существующие котельные покрывать пиковые нагрузки. Такой режим работы позволяет улучшить энергетические и экономические показатели работы теплового насоса.

На примере муниципального предприятия, расположенного в Братске определена технико-экономическая и экологическая эффективность применения ТНУ для теплообеспечения коммунальных объектов. В качестве низкопотенциального источника выступают сточные воды с температурой 292...294 К и расчетным расходом 5400 м /ч.

Рассматривались два варианта теплоснабжения: 1) с тепловым насосом НТ-500 для покрытия нагрузки системы ГВС; 2) с тепловым насосом НТ-3000 для обеспечения нагрузок систем отопления и горячего водоснабжения. Для второго варианта в связи с низкой температурой теплоносителя, поступающего после теплового насоса в системы отопления, было рассмотрено два технических решения: а) установка теплового насоса НТ-3000, вырабатывающего 0,44 МВт на ГВС и 2,18 МВт на отопление (в расчетный зимний период), и одного водогрейного электрокотла марки КЭВ-1000-0,4 для догрева воды, идущей в системы отопления при температурах наружного воздуха ниже 247 К; б) установка одного теплового насоса НТ-3000 производительностью 3,45 МВт при переводе системы теплоснабжения на пониженный температурный график 343323 К. Этот вариант требует незначительной реконструкции системы отопления: увеличения поверхности нагрева отопительных приборов и переход от элеваторного смешения к принудительной циркуляции с помощью насосов.

Основные результаты расчетов представлены в табл. 3. Их анализ показывает, что наилучший вариант применения ТНУ в качестве теплоисточника для рассматриваемого потребителя - обеспечение нагрузок ГВС и отопления при переходе на пониженный температурный график (вариант 26). Однако как по требуемым капвложениям, так и по получаемому экономическому эффекту и сроку окупаемости, этот вариант следует отнести к затратным, малоэффективным и весьма долгосрочным энергосберегающим мероприятиям. Установка двухтарифного электросчетчика (средневзвешенная стоимость электроэнергии 0,0775 руб/кВтч) в этих условиях дает лишь незначительное улучшение показателей. Исследовалось влияние различных факторов на технико-экономические показатели системы теплоснабжения с ТНУ: коэффициента нагрузки теплового насоса (отношения теплопроизводительности в заданном режиме к номинальной мощности); соотношения тарифов на тепловую и электрическую энергию;

экологического ущерба, наносимого окружающей среде альтернативным теплоисточником .

Получено, что при 100 % загрузке НТ-500 для обеспечения нужд горячего водоснабжения (0,68 МВт ч) с числом часов использования установленной тепловой мощности 8400 ч/год ожидаемый годовой экономический эффект составляет более 72 тыс. руб/год со сроком окупаемости чуть превышающем 5 лет (при стоимости теплоты на котельной 83,3 руб/МВт ч). В сравнении с рассмотренным вариантом теплоснабжения (вариант 1 в табл. 3, коэффициент нагрузки 0,64) эффект возрастает почти в 3 раза. На сравнительные экономические показатели существенное влияние оказывает соотношение цен на теплоту, вырабатываемую на конкурирующих теплоисточниках, к электроэнергии, потребляемой из энергосистемы. Увеличение этого соотношения всего на 20 % приводит к резкому росту эффективности ТНУ. Так, срок окупаемости дополнительных капвложений в рассматриваемом варианте (при коэффициенте нагрузки 1,0) снижается с 5,1 до 3,5 года. Полученные результаты позволяют сделать вывод о приоритетном внедрении ТНУ в системах теплоснабжения с наименее экономичными теплоисточниками (мелкими угольными котельными).

ТаблицаЗ

Расчет экономической эффективности применения ТНУ_

Показатель 1. Вариант расчета

1 2а 26

Вид тепловой нагрузки ГВС Отопление и ГВС

Марка теплогенератора НТ-500 НТ-3000 КЭВ- НТ-3000

1000

Число часов работы, ч/год 8400 8400 606 8400

Годовая выработка тепло-

ты, МВт-ч/год 3703 10508 1725 12233

Тепловая нагрузка, МВт:

отопление - 2,18 0,82 3,00

ГВС 0,44 0,44 - 0,44

Удельный расход электро-

энергии на выработку теп- 0,270 0,334 1,002 0,334

лоты

Капитальные вложения,

тыс. руб. 1135,1 2862,0 157,7 2862,0*

Себестоимость выработки 61.5 50.9 98 4 48.0

теплоты, руб./(МВт-ч) 57,5 45,9 43,0

Экономический эффект, -61,4 -206,9 106,9

тыс.руб./год 33,5 -154,0 135,7

Срок окупаемости, лет 14,1 17.7

10,8 13,5 5,8

Примечание: В числителе - при стоимости электроэнергии 0,09 руб./(кВт-ч), в знаменателе - 0,078 рубДкВгч). * Не учитывались дополнительные затраты на реконструкцию системы отопления.

При увеличении установленной теплопроизводительности теплового насоса (с ТН-500 до ТН-3000) и полной загрузке оборудования экономический

эффект возрастает многократно (в рассматриваемых вариантах - до 1,1 млн. руб), срок окупаемости может составлять менее 2 лет.

Расчетные исследования показывают, что использование ТНУ с электроприводом в условиях Братска с преобладающей долей ГЭС в выработке электроэнергии обеспечивает практически полную экологическую безопасность системы теплоснабжения (если не учитывать экологический ущерб, наносимый ГЭС). При замещении тепловым насосом угольной котельной экологический эффект выражается в снижении выбросов в атмосферу загрязнителей (оксидов серы, азота, углерода и твердых частиц), а также уменьшении количества зо-лошлаковых отходов, размещаемых на золоотвалах. Расчет одного из рассматриваемых вариантов показал, что использование ТНУ с электроприводом позволяет предотвратить поступление в окружающую среду более 210 т/год опасных загрязнителей. Однако низкие базовые нормативы за выброс в атмосферу (размещение отходов) 1 т загрязняющего вещества не дают ощутимого экономического эффекта предотвращаемого ущерба.

На основании выполненных исследований сформулированы основные предпосылки для эффективного применения ТНУ в коммунальной теплоэнергетике: наличие источника НПТ с температурой не ниже 280...281 К\ наличие крупных потребителей теплоты с температурой 330.. .350 К, обеспечивающих максимальную загрузку оборудования ТНУ в течение всего года; наличие в регионе относительно дешевой электроэнергии и дефицита органического топлива; государственная поддержка в части регулирования тарифов на электроэнергию, льготного кредитования и других экономических рычагов.

В работе рассмотрены перспективные теплоисточники на древесных отходах. Приводятся оценки ресурсов, достоинства и недостатки данного вида топлива. Выполненная в виде графа классификация позволила систематизировать существующие методы энергетического использования древесного топлива и стадии переработки промежуточных продуктов (в том числе в теплоэнергетических установках), провести качественное их сопоставление и отобрать наиболее перспективные для промышленного применения в коммунальных теплоисточниках. К ним отнесены: прямое сжигание в высокоэффективных топках котельных и двухстадийная термохимическая переработка методами пиролиза или газификации. Дан обзор технологических разработок по данным способам, по результатам которого сделан вывод, что в настоящее время имеются технические, экологические и экономические стимулы энергетического использования местных древесных отходов путем одно- или двухстадийного сжигания. Возможен перевод существующих мазутных котельных на генераторный газ из древесины или создания газогенераторных мини-ТЭЦ для децентрализованного энергоснабжения. Вместе с тем, для эффективного использования древесных отходов требуется проведение ряда организационных и технических мероприятий.

Отмечено, что использование древесных отходов связано с определенными трудностями, для преодоления которых требуется разработка новых, более эффективных конструкций теплогенераторов. С целью повышения энергетической и эколого-экономической эффективности сжигания древесных отходов в

слое сотрудниками БрГТУ с участием автора была разработана конструкция топки-котла, защищенная патентом (рис. 9). Применение данной конструкции возможно на котлоагрегатах любой мощности, включая индивидуальные теплоисточники для теплоснабжения отдельных зданий и сооружений. Для принятой мощности (1,16 МВт) определены основные конструктивные характеристики топки и выполнена оценка тепловой эффективности котла. Расчеты показали, что КПД теплогенератора может бьггь повышен на 5 % по сравнению с аналогами за счет уменьшения химического и механического недожога.

Рис. 9. Топка-котел для сжигания древесных отходов: 1, 2 - камера: 1 - сгорания, 2 -дожигания; 3 - зажимающая решетка; 4 - цилиндр; 5 - поршень; б- скребки; 7 - конус; 8 - стержень; 9 - бункер топлива; 10 - сопло; 11 - устройство для удаления шлака.

В работе отмечается, что одной из самых острых проблем, стоящих перед современным обществом, является переработка твердых бытовых отходов, образующихся в результате жизнедеятельности людей. Рассмотрены состав, ресурсы и теплотехнические свойства ТБО, а также дан обзор установок для их энергетического использования, отмечены основные их особенности. Показано, что при сжигании ТБО выделяется широкий спектр загрязнителей, в том числе высокотоксичные соединения тяжелых металлов, диоксины, фураны, ПАУ и др. На современных зарубежных мусоросжигающих котельных и ТЭС чистота выбросов достигается за счет использования сложной системы газоочистки, что резко увеличивает стоимость установок по сжиганию ТБО. Недостатки прямого

сжигания ТБО могут быть частично решены путем двухступенчатой термической переработки: предварительного пиролиза органической части отходов с последующим дожиганием получаемых газообразных продуктов. Приводятся технико-экономические показатели опытных установок и данные по потенциалу выработки тепловой энергии за счет утилизации ТБО.

Одним из направлений комплексного решения проблемы обеспечения тепловой энергией коммунальных потребителей может стать их электротеплоснабжение (ЭТС). Возможны следующие варианты теплоснабжения с использованием электроэнергии: 1) строительство электрокотельной; 2) перевод теплоисточников, работающих на органическом топливе, на электроэнергию и 3) индивидуальное ЭТС. Выполнен анализ достоинств и недостатков электротеплоснабжения, рассмотрены возможные схемы. На примере курорта, расположенного на севере Иркутской области, автором совместно с к.т.н. А.И. Чупра-ковым выполнена оценка эколого-экономической эффективности применения электрокотельной в качестве теплоисточника. На действующей котельной установлено три слоевых котла КЕ-4-14, сжигающих бурый ирша-бородинский уголь. Поступление значительных количеств токсичных соединений с дымовыми газами и шлаковыми отходами не обеспечивало требуемой для территории курорта экологической безопасности. Поэтому был рассмотрен вариант установки в здании котельной дополнительно двух паровых электрокотлов КЭПР-2500/6 и одного водогрейного - КЭВ-4000/6 и соответствующего вспомогательного электротехнического оборудования (угольные котлы рассматриваются как резервные).

Для электрокотельной стоимость вновь устанавливаемого оборудования определялась по прайс-листам заводов-изготовителей, ежегодные амортизационные отчисления принимались равными 0,03 от дополнительных капиталовложений. Затраты на возмещение загрязнения атмосферы и размещение отходов при работе угольной котельной рассчитывались по действующей методике (учитывались коэффициенты экологической ситуации, северных и курортных территорий). Проведенные расчеты показали, что экономические показатели теплоисточника существенно ухудшаются: помимо дополнительных капиталовложений (на электрокотлы и вспомогательное электротехническое оборудование) значительно возрастают эксплуатационные издержки за счет превышения затрат на потребляемую электроэнергию по отношению к стоимости закупаемого угля. Равноэкономичность действующей угольной и вновь вводимой электрокотельной достигается лишь в случае снижения тарифов на электроэнергию в 4...5 раз.

Таким образом, можно сделать вывод, что эффективное использование электрокотельных возможно лишь в отдельных случаях: при избытках вырабатываемой на ГЭС электроэнергии или при решении острых экологических проблем.

Шестая глава посвящена анализу экологических характеристик коммунальных теплоисточников. Приводятся результаты проведенных автором совместно с к.т.н. В.К. Елсуковым, а также сотрудниками ИСЭМ СО РАН теоретических и экспериментальных исследований, направленных на уточнение

условий образования загрязнителей при горении органических топлив, выявление закономерностей влияния на их концентрацию режимных факторов и, как следствие, обоснование мероприятий по повышению экологической безопасности коммунальных теплоисточников. В качестве основного объекта для анализа был выбран ирша-бородинский уголь, широко используемый в муниципальных котельных. Исследования основывались на термодинамическом анализе с применением МЭПС, кинетическом моделировании и натурных экспериментах.

Результаты расчетных исследований показали, что на уровень образования оксидов серы существенное влияние оказывают состав золы и температура горения. Давление в практическом диапазоне значений не изменяет состава и концентраций загрязнителей (аналогичные результаты получены в термодинамических исследованиях образования и других вредных веществ). Установлено, что благодаря высокому содержанию в золе СаО при температурах ниже 1273 К практически вся содержащаяся в тЬпливе сера может быть связана. Повышение температуры в зоне горения приводит к резкому росту выхода S02: уже при 1473... 1493 А"достигается максимум концентрации SO2 в дымовых газах - 620 мг/нм3 (при коэффициенте избытка воздуха а=1,2). Выполненные термодинамические расчеты показали, что и при сравнительно низких температурах в дымовых газах могут достигаться высокие, сверхравновесные концентрации диоксида серы, что указывает на неполное его связывание щелочными металлами. Основная причина заключается в недостаточном времени контактирования реагентов в газовом тракте котла. Тем самым в данном случае имеют место кинетические ограничения. При недостатке окислителя (а < 1), что наблюдается при непроектных и аварийных режимах сжигания угля, в дымовых газах в достаточно широком температурном интервале могут образовываться такие вредные серосодержащие соединения, как H2S, COS, CS и др.

Результаты термодинамических исследований были проверены натурными испытаниями на паровых и водогрейных котлах котельной Братска, работающей на ирша-бородинском угле. Они подтвердили зависимость концентрации SO2 в уходящих газах от температуры горения. Так, на водогрейных котлах, в топках которых общий температурный уровень на 100... 150 К ниже по сравнению с паровыми (за счет наличия в зоне горения рециркулирующих через мельницы-вентиляторы дымовых газов), уровень выбросов диоксида серы оказался более чем в 2 раза ниже. Это можно объяснить более благоприятными условиями для связывания SO2 минеральной частью золы в данном температурном интервале. В ходе испытаний концентрации S02 значительно изменялись в зависимости от нагрузки и доли рециркулирующих газов, подаваемых в зону горения. Из чего сделан вывод о том, что даже режимными мероприятиями можно в несколько раз уменьшить выбросы сернистого ангидрида в атмосферу. Еще в большей степени это можно отнести к конструктивным решениям (например, организацией подачи рециркулирующих дымовых газов в топку парового котла).

Термодинамические исследования трансформшцш соединений .ееры по ходу дымовых газов в котле показали, что при срав нигяьно низких'ММйе^ачу-

33 Bf./ЧШ

М» РК

pax идет процесс доокислепия S02 до S03, при Тг < 800 К возможно образование паров серной кислоты, а при температурах ниже 400 К - почти полное связывание оксидов серы водянки паром, однако эти процессы протекают достаточно медленно и поэтому в пределах котла образование 50? и H2S04 незначительно, что подтверждается экспериментами. На примере сжигания ирша-бородинского угля были проведены термодинамические исследования по определению температуры конденсации раствора серной кислоты (температуры точки росы), которые позволили установить, что она в значительной степени зависит от режима сжигания топлива, состава минеральной часта и коэффициента избытка воздуха в уходящих газах (что не учитывается используемыми расчетными методиками). Так, при высокотемпературном сжигании (более 1450 К) она может быть снижена на 20...25 К, а при низкотемпературном - на 40...50 К. За счет этого возможно значительное снижение потерь тепла с уходящими газами и повышение экономичности сжигания.

Основные закономерности образования оксидов азота при сжигании КАУ изучались на основе результатов термодинамического анализа, выполненного с участием автора, и данных теоретических и экспериментальных работ других исследователей. Расчеты показали, что при сгорании топлива в котлах образуется главным образом монооксид азота NO. В температурном интервале 1400... 1700 К наряду с NO в дымовых газах содержатся N¡0, N02 и в незначительных количествах KN02, NaN02, HN02. При более высоких температурах появляется HNO. Подтверждено, что концентрация NOx зависит от температуры и избытков воздуха (а) в зоне горения. В интервале температур 1400... 1900 К (характерных для угольных котлов) топливные оксиды азота мало зависят от температуры и основной вклад в рост выбросов NOx оказывают термические оксиды азота. При температурах ниже 1500 К фактические выбросы могут превышать равновесные значения за счет образования в дымовых газах сверхравновесных количеств топливных и быстрых NOx. За счет снижения а можно существенно уменьшить выбросы NOx. Однако при подавлении оксидов азота (при а < 1) образуются продукты неполного сгорания, многие из которых значительно опаснее NO.

Сравнение полученных в термодинамических расчетах результатов с данными промышленных испытаний показало их достаточно хорошее соответствие. Так, удельные выбросы NOx на водогрейных котлах в 2 раза ниже, чем на паровых, что можно объяснить меньшими температурами в топочной камере и предварительной термической подготовкой угля в мельницах-вентиляторах. В ходе испытаний на паровом котле БКЗ-75-Э9 ФБ только за счет уменьшения избытков воздуха до оптимальных значений удавалось снизить содержание NOx в дымовых газах почти в 2 раза.

Исходя из результатов теоретических и экспериментальных исследований уточнены основные условия, способствующие снижению образования оксидов азота. Отмечается, что на практике они могут быть не реализованы но причине, например, ухудшения условий горения, роста химического недожога топлива и, как следствие, увеличения концентрации других загрязнителей, в том числе и более опасных.

Термодинамические исследования показали, что в образовании монооксида углерода существенную роль играет температура процесса. При 'Г <1500 К обеспечивается практически полное отсутствие выбросов СО при сжигании ирша-бородинского угля с а = 1,25. Концентрация СО резко возрастает с ростом температуры, что можно объяснить диссоциацией СО2. Результаты расчетов показали, что выход СО находится в обратнопропорциональной зависимости от коэффициента избытка воздуха. Однако борьба с СО путем увеличения а ведет к росту тепловых потерь котла. Полученные в результате термодинамических расчетов зависимости позволили уточнить условия образования СО и основные мероприятия по обеспечению низкой концентрации СО и других продуктов химического недожога в дымовых газах конкретных типов котлов.

Термодинамические исследования процессов образования бенз(а)пирена (Б[а]П) и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) показали, что выбросы данных загрязнителей резко снижаются при увеличении температуры и коэффициента избытка воздуха. Это подтверждает экспериментальные данные о том, что наличие в дымовых газах углеводородов, как и других продуктов неполного сгорания (СО, Н2), является следствием неэффективной организации процесса горения (несовершенство перемешивания топлива с окислителем, пульсации при их подаче, переходные режимы). Сделан вывод, что на угольных котлах за счет режимно-технологических мероприятий принципиально возможно достичь существенного снижения выбросов Б[а]П и других ПАУ.

Выполнен анализ выбросов твердых частиц, при этом особое внимание уделено высокотоксичным микроэлементам. Отмечено, что данные о содержании вредных микропримесей в углях и их трансформации при сжигании и в атмосфере отражены недостаточно полно и в отдельных случаях имеют разноречивый характер. С применением МЭПС были определены формы образующихся фтористых соединений и их концентрации, которые достигали максимальных значений в конечном равновесии. Определено, что фтор является достаточно легколетучим элементом и в температурном интервале 900... 1100 К происходит его практически полное выделение из угля в виде фтористого водорода ЯР. Дальнейшее повышение температуры практически не оказывает влияния на уровень генерации Ш. С применением уравнений химической кинетики была оценена скорость реакции и степень связывания ЯР оксидом кальция в конвективных газоходах котла. Результаты расчетов показали, что фтористые соединения покидают котел преимущественно в газообразном состоянии, т.к. в газоходах котла возможно связывание лишь незначительной части Ш? до концентрированного фторида кальция.

С применением МЭПС выполнен анализ экологической эффективности перевода теплоисточников с твердого топлива на природный газ, например, Братского месторождения. Он показал, что ввиду отсутствия в топливе сернистых соединений и минеральной части в дымовых газах будут отсутствовать выбросы твердых частиц и оксидов серы, но за счет увеличения температур в топочных камерах возможен резкий рост концентраций монооксида углерода и оксидов азота, а также появление высокотоксичных цианидов, в основном циа-

нистого водорода IICN. Результаты расчетных исследований позволили сформулировать основное условие повышения экологической безопасности теплоисточников при переводе их на природный газ: обеспечение в топочной камере минимально возможного уровня температур (при условии полноты сгорания топлива).

Выполненный автором анализ эмпирических методик, применяемых на котельных и ТЭС для расчета выбросов загрязнителей, показал их несовершенство и ограниченность применения для определения экологических характеристик реальных котлов.

Во втором разделе главы на примере Братска выполнен термодинамический анализ процессов загрязпения атмосферы, который позволил определить потенциальные возможности образования более токсичных веществ в результате трансформации первичных загрязнителей и оценить их возможные максимальные концентрации при различных состояниях атмосферы.

Результаты расчетов по образованию сероуглерода в атмосфере г. Братска в расчетный зимний период показали, что за счет химической трансформации серосодержащих соединений в атмосферном воздухе теоретически вероятно появление CS2. Он может образовываться лишь в промежуточных термодинамических состояниях и в количествах меньших, чем по материальному балансу (0,138 и 0,287 мг/м3 соответственно), что свидетельствует о наличии термодинамических ограничений. В промежуточном состоянии неизбежно образование серного ангидрида и паров серной кислоты, что тем самым ограничивает ресурсы серы в возможных процессах получения сероуглерода. Избытки Н20 существенно влияют на исследуемые процессы, особенно в зимнее время. Изменения в химических составах атмосферы обусловлены изменениями парциальных давлений водяного пара и его фазовыми переходами. В результате в промежуточных состояниях могут достигаться предельные по условиям материального баланса количества сероуглерода в воздухе.

Полученные теоретически возможные концентрации сероуглерода превышают в десятки раз предельно-допустимые значения. Теоретические результаты подтверждаются экспериментальными данными. На протяжении десятка лет в Братске наблюдается парадоксальная ситуация, когда контролирующие органы постоянно регистрируют в атмосфере наличие сероуглерода, а производств, которые выбрасывали бы его, на территории города не обнаружено. Поэтому можно сделать предположение, что рассматриваемое соединение образуется в атмосфере в результате химических превращений первичных загрязнителей. В лабораторных условиях получено, что сернистые соединения, содержащиеся в выбросах целлюлозного производства (метилмеркаптан, диметилсуль-фид и др.), могут превращаться в другие загрязнители, в том числе в сероуглерод.

С применением МЭПС была выполнена оценка возможностей образования в атмосфере Братска и других опасных соединений, например, фосгена (СОС12) - боевого отравляющего вещества. Источником поступления в атмосферу города хлора, как одного из компонентов, может рассматриваться лесопромышленный комплекс, в состав которого входит хлорное

производство. В расчетах исходный состав атмосферы включал хлор в количестве 0,1 ПДК. Выполненные термодинамические расчеты показали, что образование фосгена возможно только в промежуточных состояниях, в равновесном составе СОС12 отсутствует. Расчетная концентрация фосгена при заданных исходных данных составила 5,0 мкг/м3, что близко к значению, полученному по материальному балансу. Расчетные концентрации СОС12, полученные для летнего и зимнего периодов, превышают ориентировочный безопасный уровень вредности. При залповых выбросах хлора в аварийных ситуациях максимально возможные концентрации фосгена могут резко возрасти.

Сделан вывод о том, что при работе теплоисточников и других промышленных объектов необходимо учитывать возможности вторичного загрязнения атмосферы.

Одним из путей улучшения экологических характеристик теплоисточников является повышение эффективности р&боты золоуловителей (ЗУ). В первую очередь это относится к батарейным циклонам с улиточным и полуулиточным подводом газов, имеющим низкие среднеэксплуатационпые коэффициенты очистки. Результаты промышленных исследований ЗУ типа ЦБР-150У, установленных в районной Галачинской котельной Братска, позволили установить основные причины низкой эффективности и надежности работы данных золоуловителей - забивание золой газоходов и циклонных элементов за счет вредных перетоков газов из камер запыленных газов в золовые камеры. Реализация технических решений по совершенствованию схемы ЗУ позволила увеличить среднеэксплуатационный КПД установки на 13 %.

В результате аналитических и экспериментальных исследований, выполненных автором совместно с к.т.н. Елсуковым В.К., получено, что в ЗУ с улиточным и полуулиточным подводом газов летучая зола приобретает значительные несвязанные заряды, величина которых зависит от типа золоуловителя, фракционного состава и физико-химических свойств золы, условий эксплуатации котла. Так, значение удельного электрического заряда мелкой неуловленной золы увеличивается с 1,8 • 10"5 Кл/г на входе в ЗУ до 1,8 • 10"2 Кл/г на выходе, т.е. на три порядка. Величина заряда зависит от нагрузки котла и, как следствие, от скорости газов примерно в кубической степени. Согласно расчету заряжаются преимущественно частицы с размером менее 15 мкм. Подтверждено предположение об основном влиянии на забиваемость элементов батарейных циклонов ЦБР-150У при улавливании зол КАУ-ее электризация.

Показана необходимость и возможность совершенствования ЗУ с улиточным и полуулиточным подводом газов путем внедрения технологических и конструктивных мероприятий по нейтрализации статического электричества. Среди технологических решений наиболее перспективным является повышение относительной влажности дымовых газов путем снижения их температуры, т.к. при этом возможна дополнительная утилизация теплоты. Из сравнения конструктивных средств защиты - индуктивных или емкостных нейтрализаторов предпочтение отдано последним. В результате промышленных испытаний вы-

явлена и запатентована оптимальная конструкция нейтрализатора статического электричества, изображенная на рис. 10.

Рис. 10. Циклон с нейтрализатором статического электричества: 1 - циклон; 2 - диффузор; 3 - аэродинамический вихрь; 4 - угол между образующей диффузора и осью циклона; 5 - золовой бункер; 6 - течка.

В заключении приведены основные результаты и выводы.

1. На основе анализа современного состояния коммунальной теплоэнергетики в районах с преобладающим потреблением твердого топлива обоснована актуальность и сформулированы основные направления повышения эффективности энергетических технологий, показана необходимость и предложен методический подход к решению проблемы их анализа. Этот подход позволяет изучать КТЭ в комплексе с установками топливопереработки, в т. ч. на основе пиролиза.

2. Методика прогнозирования новых энергетических технологий ИСЭМ СО РАН, предусматривающая иерархичность структуры исследований по схеме: технологический процесс, технологическая установка и энергетическая система, конкретизирована применительно к анализу перспектив развития установок пиролиза и коммунальных котельных.

3. Создан комплекс математических моделей для прошозпого анализа технологий пиролиза: МОПР - для исследования физико-химических процессов; МОТУС - для определения технико-экономических показателей конкурирующих вариантов. Разработанная в ИСЭМ СО РАН модель структуры технологий адаптирована для оценки системной эффективности установок пиролиза и перспективных коммунальных котельных.

4. Выполнена классификация процессов пиролиза, позволившая систематизировать существующие разновидности технологии, отобрать конкурирую-

щие варианты для возможных областей промышленного применения и провести их предварительное сопоставление. Получены качественные оценки экологической, энергетической и экономической эффективности процессов пиролиза. Результаты термодинамического анализа выявили большие потенциальные возможности совершенствования технологий пиролиза в направлении увеличения выходов жидких углеводородов и улучшения энергетических показателей, что свидетельствует о целесообразности продолжения фундаментальных исследований по оптимизации физико-химических основ процесса. На основе экспериментальных исследований и конструкторских разработок выбраны наиболее приемлемые, с точки зрения автора, конструкции пиролизеров. Определены прогнозные технико-экономические показатели конкурирующих установок пиролиза и оценены возможные масштабы и спектр их применения в энергетике при предполагаемых вариантах ее развития. Показано, что первоочередными направлениями могут стать: пиролиз в топливоподготовке электростанций и производство облагороженных твердых топлив для коммунальных котельных.

5. На основе результатов энергетического аудита муниципальной котельной предложены энергосберегающие мероприятия, которые по требуемым затратам разделены на три группы (беззатратные, малозатратные и затратные мероприятия), и определена их эффективность. Ожидаемый эффект от реализации малозатратных мероприятий составляет более 3,5 млн. руб/год (в ценах 2000 г.), а простой срок окупаемости дополнительных капвложений - чуть более полугода.

6. Созданы экспериментальные установки для исследования гидродинамики и теплообмена топки с КС. Полученные на них результаты дали качественную картину процесса кипящего слоя для частиц угля различного фракционного состава, позволили определить оптимальные скорости псевдоожижения и наметить направления оптимизации параметров воздухораспределительных решеток. Результаты натурных экспериментов показали возможность эффективного сжигания в КС низкокачественных углей с достаточно высоким (для моделей такого класса) КПД. Разработаны технические решения по конструкции котла с КС для мелких угольных котельных, оценены прогнозные технико-экономические показатели.

7. Установлена возможность использования природных цеолитов Сибири для эффективного умягчения подпиточных вод различной жесткости, что позволяет рекомендовать их к применению в традиционных системах водоподго-товки вместо дорогих искусственных катионитов. Показано, что более высокая эколого-экономическая эффективность достигается при стабилизационной обработке воды; первоочередное внедрение данной технологии целесообразно на мелких котельных, в которых в настоящее время отсутствует водоподготовка.

8. Определены наиболее перспективные для КТЭ нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: тепловые, древесные и твердые бытовые отходы, электроэнергия (отнесена к НВИЭ условно). Получены оценки технико-экономической и экологической эффективности применения в качестве коммунальных теплоисточников тепловых насосов при утилизации теплоты сточных

вод и электрокотелышх. Определены перспективные методы энергетического использования древесного топлива; предложено техническое решение топки по сжиганию древесных отходов, обеспечивающее повышение эффективности котлоагрегатов.

9. Уточнены условия образования и трансформации загрязнителей, образующихся при сжигании органических топлив, и рекомендации по сокращению их выбросов в атмосферу. На основе анализа опыта эксплуатации батарейных циклонов с тангенциальным подводом газов определены причины низкой эффективности и надежности работы. Показана необходимость и возможность совершенствования ЗУ с улиточным и полуулиточным подводом газов путем внедрения предлагаемых технологических и конструктивных мероприятий.

10. Изложенные в диссертации научно-методические разработки позволяют выбирать оптимальные решения по коммунальным теплоэнер!-етическим технологиям. Полученные результаты могут служить информационной базой для обоснования НИОКР по установкам пиролиза, котельным и нетрадиционным теплоисточникам; определять рациональные направления развития коммунальной теплоэнергетики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Каширский В.Г., Васильев Ю.А., Семенов С.А. Конструирование и исследование циклонного агрегата для высокотемпературной термической переработки твердых топлив // Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и других отраслях промышленности: Материалы XII Всесоюзн. конф. - Днепропетровск, 1982 - С. 61-62.

2. Семенов С. А. Прогнозный анализ эффективности технологий пиролиза угля: Препринт / СЭИ СО АН СССР. - Иркутск, 1988. - 24 с.

3. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г., Семенов С.А. Предельные показатели технологий. Термодинамические пределы // Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы -Новосибирск: Наука, 1989. - С. 28-48.

4. Семенов С.А. Оценка предельной энергетической эффективности процессов пиролиза угля // Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлива: Межвуз. науч. сб. Сарат. политехи, ин-т. - Саратов: СПИ, 1989. - С. 37-42.

5. Семенов С.А. Оценка энергетической эффективности плазменного пиролиза угля // Технико-экономические оценки плазмохимических процессов переработки углей и углеводородов: Материалы Всесоюзн. семинара - Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1989. - С. 62-68.

6. Чупрахов А. И., Семенов С. А. Эколого-экономический анализ перевода угольной котельной на электрокотельную. - Братск: БрИИ, 1991. - 9 с. -Деп. в Информэнерго № 3263 - эн 91.

7. Едсуков В.К., Семенов С.А., Бондаренко A.B. Анализ опыта эксплуатации и пути совершенствования золоуловителя типа ЦБР-150У // Промышленная энергетика. - 1994. - № 7. - С. 21-24.

8. Елсуков В.К., Семенов С.А. Исследование электростатических явлений в батарейных циклонах ЦБР-150У // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Иркутск, 1994, ч. 2. - С. 91-92.

9. Семенов С. А., Елсуков В.К. Расчетно-теоретические исследования влияния вредных выбросов промпредприятий на состояние атмосферы г. Братска // Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной эколог, ситуации, пути и способы их решения / Докл. межрсг. науч.- практ. конф. - Братск, БрИИ, 1996.-С. 4-6.

10. Семенов С.А., Елсуков В.К., Пак Г.В. Теоретические и промышленные исследования по снижению вредных выбросов теплоисточников в атмосферу г. Братска // Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной эколог, ситуации, пути и способы их решения: Докл. межрег. науч.-практ. конф. -Братск, БрИИ, 1996. - С. 148-150.

11. Елсуков В.К., Семенов С.А., Пак Г.В. Термодинамические исследования образования канцерогенных соединений при сжигании топлив и их трансформации в атмосфере г. Братска // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Иркутск, 1998. - С. 71-72.

12. Семенов С.А., Елсуков В.К. Экологическая эффективность перевода теплоисточников на газ Братского месторождения: Материалы пятой Всерос. науч. - технич. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 1999 - С. 216 - 217.

13. Семенов С.А. Некоторые аспекты реализации энергосберегающих технологий в коммунальном хозяйстве г. Братска // Компрессорная техника и пневматика № 3-4 (22-23). Вып.19. Гидродинамика больших скоростей -Красноярск: КГТУ, 1999 - С. 142-146.

14. Семенов С.А., Пак Г.В. К вопросу об энергосбережении в системах теплоснабжения г. Братска // Теплофизика и теплоэнергетика. Проблемы науки и образования: Тр. семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике - Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2000. - С. 153156.

15. Семенов С.А. Расчет и контроль загрязнения атмосферы при работе котельных и ТЭС: Учебное пособие, 2-е изд., перераб. и^доп. - Братск: Изд-во БрГТУ, 2000. - 99 с. - (Гриф Минобразования РФ). *

16. Семенов С.А. Некоторые аспекты управления энергосбережением в системах теплоснабжения индустриальных центров Восточной Сибири // Новые технологии управления и методы анализа электрических систем и систем тягового электроснабжения: Межвуз. сб. науч. тр. с междунар. уч. - Иркутск: ИрИИТ, 2000. - Вып. 1 - С. 205-213.

17. Семенов С.А. Особенности разработки и реализации программ энергосбережения для систем теплоснабжения индустриальных центров Восточной Сибири // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения:

материалы IV Всерос. конф. и семинара РФФИ - Н. Новгород: НГТУ, 2000. - С. 66-67.

18. Семенов С.А., Паршин Е.А. Применение тепловых насосов для утилизации теплоты бытовых сточных вод // Красноярск. Энергосбережение: проблемы и перспективы: Избр. тр. Всерос. науч.-практ. конф. / Под общ. ред. А.И. Матюшенко. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. - С. 98-99.

19. Семенов С.А., Потапова Т.А. Анализ состояния систем теплоснабжения индустриальных центров в условиях Севера // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов: Сб. материалов Ш Между-нар. науч.-практ.конф. - Пенза, 2001, Ч. 1. - С. 74-77.

20. Семенов С.А., Потапова Т.А. Анализ проблем развития источников теплоснабжения северных городов Восточной Сибири на примере г. Братска // Тр. Братск, гос. техн. ун-та. Т. 2. - Братск: БрГТУ, 2001. - С. 39-42.

21. Семенов С.А., Елсуков В.К. Термодинамические и кинетические исследования образования фтористых соединений при сжигании твердых топлив // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 7 / СПбГАСУ. - СПб.:, 2001. -С. 161-165.

22. Семенов С.А., Елсуков В.К. Термодинамическое моделирование образования и трансформации загрязнителей при сжигании органических топлив // Математическое моделирование в образовании, науке и производстве: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Тирасполь: РИО ПТУ, 2001. -С. 313-314.

23. Семенов С.А., Филиппов С.П. О системном подходе к энергосбережению в коммунальной теплоэнергетике // Технические науки, технологии и экономика: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Ч. 2. - Чита: ЧитГТУ, 2001. -С. 47-50.

24. Семенов С.А. Модельные исследования топки с кипящим слоем // Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции: Сб. докл. Всерос. науч.-практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. - С. 67-79.

25. Семенов С.А., Потапова Т.А. Математическое моделирование установки пиролиза низкокачественных топлив // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып.8 / СПбГАСУ. - СПб., 2002. - С. 282-291.

26. Семенов С.А., Потапова Т.А. О повышении эффективности управления энергосбережением в ЖКХ // Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: Сб. материалов IV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2003. - С. 235-237.

27. Курбацкий В.Г., Семенов С.А., Жданова С.П., Потапова Т.А., Казаков B.C., Шуманский В.Б. Внедрение первоочередных энергосберегающих мероприятий в секторе жилищно-коммунального хозяйства Братска // Вестник Амур. гос. ун-та. Сер. «Естественные и экономические науки», вып. 17. -Благовещенск: АмГУ, 2002. - С. 41^5.

28. Семенов С.А., Елсуков В.К. Термодинамические исследования образования сероуглерода в атмосфере г. Братска // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 9 / СПбГАСУ. - СПб., 2003. - С. 54- 60.

29. Семенов С.А., Марковцева О.Г. Моделирование на основе системного подхода технологий топливоснабжения коммунальных потребителей // Математическое моделирование в образовании, науке и производстве: Материалы П1 Междунар. науч.-практ. конф. Тирасполь, 17-20 сент. 2003 г. -Тирасполь: РИО ПТУ, 2003. - С. 328- 329 .

30. Семенов С.А. Экспериментальные исследования применения природных цеолитов в технологиях водоподготовки коммунальных котельных // Проблемы энергетики. - 2004. - № 3-4. - С. 27-33.

31. Семенов С.А. Методологический подход к управлению энергосбережением в коммунальной теплоэнергетике // Вестник Ирк. гос. техн. ун-та -

2004. -№2. -С. 19-24.

32. Семенов С.А. Методика расчета термодинамических свойств органических топлив и продуктов их переработки // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 10 / СПбГАСУ. - СПб., 2004. - С. 219- 223.

33. Семенов С.А. Развитие коммунальных теплоэнергетических технологий в районах с преобладающим твердым топливом. - Новосибирск: Наука,

2005.-347 с.

34. Semjenov S.A., Elsukov V.K. About thermodynamic modeling of secondary atmosphere pollution processes // Energy Saving Technologies & Environment: Proceedings of the International Conference 29-31 March 2004, Irkutsk -Irkutsk, 2004. - P. 341- 346.

35. A.c. 1286611 (СССР). Устройство для термической переработки пылевидного топлива / В.Г. Каширский, В.А. Ханхалов, С.А. Семенов; Братск, ин-дустр. ин-т. - Б. И., 1987. - № 4.

36. Патент РФ № 2091174, Россия. Циклон для улавливания пылей, имеющих низкую электропроводность / В.К, Елсуков, С.А. Семенов, A.B. Бондарен-ко- Б.И., 1997,- №27.

37. Патент № 2110014 РФ. Топка-котел для сжигания древесных отходов / В.К. Елсуков, Г.В. Пак, С.А. Семенов. - Гос. реестр изобретений от 27.04.1998 г.

Соискатель: [-<У/

Заказ № 394. тираж 100 экз. Отпечатано в типографии ГОУ ВПО «Братский государственный университет» 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

РНБ Русский фонд

2007-4 2989

09 Ш 2005 4 '

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Семенов, Сергей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ КОММУНАЛЬНОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Современное состояние коммунальной теплоэнергетики

1.2. Особенности топливо- и теплоснабжения северных территорий

1.3. Проблемы функционирования теплового хозяйства муниципальных образований (на примере Братска).

1.3.1. Структура теплового хозяйства.

1.3.2. Анализ производства теплоты в системе теплоснабжения города.

1.3.3. Проблемы функционирования источников теплоснабжения

1.3.4. Экологические аспекты работы теплоисточников.

1.4. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОММУНАЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ.

2.1. Повышение энергетической эффективности действующих котельных.

2.2. Перспективные направления развития коммунальных теплоисточников.

2.3. Моделирование и конструкторские разработки топки с кипящим слоем.

2.4. Исследование перспективных технологий водоподго-товки.

2.4.1. Аналитический обзор методов водоподготовки для коммунальных котельных.

2.4.2. Экспериментальные и промышленные исследования применения цеолитов в технологиях водоподготовки.

2.4.3. Оценка эколого-экономической эффективности применения стабилизационной обработки воды.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ КОММУНАЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ.

3.1. Основы системного подхода к исследованию энергетических технологий.

3.2. Термодинамические модели энергетических и экологических процессов.

3.3. Математические модели энергетических установок.

• 3.3.1. Модели технологических установок пиролиза.

3.3.2. Показатели экономической эффективности.

3.3.3. Экологические показатели энергетических установок

3.4. Математические модели энерготехнологических комплексов

3.5. Выводы.

§ ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПИРОЛИЗА НИЗКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТОПЛИВ.

4.1. Состояние работ в области производства качественных энергоносителей для коммунальных котельных.

4.1.1. Исследования механизмов пиролиза.

4.1.2. Состояние технологических разработок.

4.2. Разработка технологических схем установок пиролиза

4.2.1. Классификация процессов пиролиза.

4.2.2. Потенциальные достоинства и недостатки процессов пиролиза.

4.2.3. Технологические схемы установок пиролиза.

4.3. Термодинамические исследования процессов пиролиза

4.4. Технико-экономический анализ установок пиролиза

4.5. Системная эффективность установок пиролиза.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

5.1. Характеристика и особенности нетрадиционных источников энергии.

5.2. Исследование эффективности теплоснабжения на базе тепловых насосов.

5.3. Перспективные теплоисточники на древесных и твердых бытовых отходах.

5.4. Оценка эффективности применения электрокотельных

5.5. Выводы.

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

КОММУНАЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ. ф 6.1. Исследование процессов образования загрязнителей при сжигании органических топлив.

• 6.2. Термодинамический анализ вторичного загрязнения атмосферы (на примере г. Братска).

I 6.3. Исследования по повышению эффективности работы батарейных циклонов.

6.3.1. Промышленный опыт совершенствования схемы золо

• уловителя.

6.3.2. Изучение электростатических явлений.

6.3.3. Конструкторские разработки по нейтрализации статического электричества

6.4. Выводы.

Введение 2005 год, диссертация по энергетике, Семенов, Сергей Алексеевич

Диссертация посвящена исследованию перспективных технологий для коммунальной теплоэнергетики (КТЭ). КТЭ России - важнейшее звено системы жизнеобеспечения населения, представляет собой сочетание локальных систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения, состоящих из теплоисточников различного типа, магистральных и распределительных тепловых сетей и потребителей (систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения). Функционирование практически всех элементов КТЭ в настоящее время связано с целым рядом накопившихся проблем. Для районов с преобладающей долей в топливно-энергетическом балансе низкосортных углей к ним можно отнести низкую энергетическую и экологическую эффективность работы оборудования, обусловленную плохим техническим состоянием, практически полным отсутствием автоматизации, низкой квалификацией обслуживающего персонала, сжиганием низкокачественного и непроектного топлива, отсутствием или недостаточной эффективностью систем золоулавливания и систем обработки подпиточной воды и рядом других причин. В результате системы КТЭ работают с большими перерасходами топлива и энергии, чрезмерно загрязняют окружающую среду, не обеспечивают требуемые показатели надежности и уровни комфортности. Наиболее остро проблемы КТЭ проявляются в северных районах, составляющих около 60 % территории страны, где вследствие природно-климатических особенностей к системам теплообеспечения предъявляются повышенные требования по надежности, экономичности и экологической безопасности работы оборудования.

Выход из создавшейся ситуации видится в разработке и развитии перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий. Для действующих теплоисточников к ним можно отнести: перевод на более прогрессивные технологии сжигания низкосортных углей (кипящий слой и др.), а также на экологически более чистое топливо; применение новых технологий водоподго-товки; использование нетрадиционных источников энергии и др. Эти мероприятия различаются по срокам реализации, требуемым средствам и достигаемой экономической и экологической эффективности.

Одним из путей повышения эффективности функционирования коммунальных теплоисточников является их обеспечение качественными видами энергоносителей, получаемыми, например, методами пиролиза из низкосортных углей. Основным недостатком пиролиза считается значительно меньший выход искусственного жидкого топлива (ИЖТ) по сравнению с другими угле-химическими процессами (гидрогенизацией, косвенным ожижением). В то же время необходимо учитывать возможности совершенствования и повышения конкурентоспособности данной технологии, как в направлении увеличения производства ИЖТ, так и получения облагороженного твердого топлива (ОТТ) для энергетического и коммунально-бытового использования.

В связи с вышеизложенным актуальной является проблема создания методических подходов и соответствующих математических и экспериментальных моделей по анализу перспективных теплоэнергетических технологий, разработки и внедрения научно-технических решений по повышению эффективности КТЭ.

Исследования проводились в соответствии с работами СЭИ (ИСЭМ) СО РАН по теме 1.9.3.3 «Основные направления научно-технического прогресса в энергетике. Системные исследования эффективности и масштабов использования новых технических средств в энергетике», а также комплексными целевыми научно-техническими программами О.Ц.ОО8 («Энергия»), «Энергетика» (подпрограмма «Физико-технические проблемы энергетики»), «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив» (грант Минобразования 1 Гр-98).

Цель исследований заключается в определении направлений совершенствования коммунальных теплоэнергетических технологий.

Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, математическое и физическое моделирование.

Содержательные исследования базируются на вычислительных и натурных экспериментах, практических расчетах, конструкторских разработках.

Основные задачи работы состоят в следующем.

1. Разработка методики анализа перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий.

6. Оценка возможностей совершенствования технологий водоподготовки.

7. Совершенствование режимов работы и конструкций батарейных золоуловителей.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

2. Методика прогнозирования новых энергетических технологий ИСЭМ СО РАН, основанная на их последовательном физико-химическом и техникоэкономическом исследовании, модифицирована для анализа перспектив развития технологий пиролиза низкокачественных углей и коммунальных котельных.

Предложенная термодинамическая модель и результаты термодинамического анализа процессов пиролиза КАУ использовались при выполнении научно-исследовательских работ СЭИ (ИСЭМ) СО РАН и могут найти применение для изучения процессов переработки других видов органического топлива.

Практические результаты исследований нашли применение при совершенствовании теплоэнергетических технологий и разработке природоохранных мероприятий в административных, проектных и эксплуатационных организациях (Территориальный комитет по охране природы г. Братска, Братское теплоэнергопредприятие, СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», Братские тепловые сети АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод). Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок. Технические решения и эколого-экономические оценки по теплоисточникам нашли отражение в «Программе энергосбережения г. Братска-2000» и использовались при определении перспективных направлений развития коммунальной теплоэнергетики города.

Научные результаты исследований использованы в учебном процессе в Братском государственном университете по программам курсов «Охрана окружающей среды при работе теплоэнергетических объектов», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», часть материалов включена в два учебных пособия (с грифами Минобразования и СибРУМЦ).

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международных (11), всесоюзных (3), республиканских (Украина) и всероссийских (8) конференциях и семинарах: XII Всесоюзной конференции "Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и др. отраслях промышленности" (Днепропетровск, 1982); II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергетики теплотехнологии» (Москва, 1987); Республиканском семинаре «Повышение эффективности использования низкосортных топлив в энергетике Украинской ССР (Киев, 1987); Всесоюзном семинаре «Технико-экономические оценки плазмохимических процессов переработки углей и углеводородов» (Иркутск, 1988); Республиканской конференции «Повышение эффективности использования топлива в энергетике, промышленности и на транспорте» (Киев, 1989); Международной (1998), Всероссийской (1994) и региональных (1992, 1995-1997) конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск); Международной конференции «Природные цеолиты в народном хозяйстве России» (Иркутск, 1996); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999); Международной конференции «Экология. Образование. Здоровье» (Иркутск, 1999); IV международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в регионе: проблемы и перспективы» (Омск, 1999); V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999); Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока, институтов СО РАН по теплофизике и теплоэнергетике, посвященного памяти академика С.С. Кутателадзе (Новосибирск, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в регионах России - 2000» (Москва, 2000); IV и V Всероссийской конференции и семинара РФФИ «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 2000, 2001); III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001); Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001); II и III Международных научно-практических конференциях «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2001, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции» (Иркутск, 2002); IV Международной научно-практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003); Всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003); International Conference «Energy Saving Technologies & Environment» (Irkutsk, 2004), Форуме с международным участием «Высокие технологии-2004» (Ижевск, 2004). Кроме того, материалы докладывались на Межрегиональных научно-технических конференциях «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» (Братск, 1996); «Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе» (Братск, 2002, 2004); «Естественные и инженерные науки - развитию регионов» (Братск, 2002-2004), научно-технических конференциях БрИИ (БрГТУ) (1993-2005), Ученом совете и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» ИСЭМ СО РАН и др.

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены: в монографии: «Развитие коммунальных теплоэнергетических технологий в районах с преобладающим твердым топливом» (Новосибирск: Наука. -2005); в главе монографии: «Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы» (Новосибирск: Наука. - 1989); в статьях отраслевых журналов; в межвузовских сборниках трудов; в изданиях ИСЭМ, БрГТУ, других институтов и организаций; в материалах международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов, конференций и семинаров; в 1 авторском свидетельстве и 2 патентах; в учебном пособии «Расчет и контроль загрязнения атмосферы при работе котельных и ТЭС» (гриф Минобразования РФ).

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 348 страниц основного текста, включая 59 рисунков и 53 таблицы, список литературы из 425 наименований и 3 приложения.

Заключение диссертация на тему "Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий"

4.6. Выводы

1. Выполнена классификация процессов пиролиза по составу конечных продуктов, которая позволила систематизировать существующие разновидности технологии и стадии переработки промежуточных продуктов (в том числе в теплоэнергетических установках), отобрать конкурирующие варианты для возможных областей промышленного применения и провести их предварительное сопоставление.

2. На основе анализа потенциальных достоинств и недостатков выделенных в классификации процессов получены качественные оценки их экологической, энергетической и экономической эффективности и определены возможности технической реализации в прогнозный период.

3. Составлены технологические схемы установок, которые в принципе могут быть созданы на основе изучаемых процессов, и проанализированы возможности применения пиролиза в системах топливоподготовки электростанций и крупных котельных, для производства облагороженных топлив для коммунальных котельных, а также химических продуктов, в том числе в сочетании с различными типами теплоэнергетических установок.

4. Термодинамические исследования, проведенные с помощью модели МОПР, углубили понимание физики процессов пиролиза (целевые продукты могут быть получены лишь в промежуточных состояниях; термодинамика не ограничивает возможности изменения ассортимента продуктов); а также позволили определить влияние на предельное совершенство пиролиза ряда факторов (температуры, давления, механизма, состава угля и других).

5. Выявлены большие потенциальные возможности совершенствования технологий пиролиза в направлении увеличения выходов жидких углеводородов и улучшения энергетических показателей. Это свидетельствует о целесообразности продолжения фундаментальных исследований по изучению и оптимизации физико-химических основ процесса.

6. Для перспективных технологических установок пиролиза на основе экспериментальных исследований и обработки литературных данных выбраны наиболее приемлемые, с точки зрения автора, конструкции пиролизеров: аппараты с кипящим слоем инертного материала или катализатора и циклонного типа, работающие в термоокислительном режиме. Предложено техническое решение устройства для производства облагороженных топлив, обеспечивающее повышение технологической эффективности пиролиза.

7. Определены прогнозные технико-экономические показатели конкурирующих установок пиролиза и проведено предварительное сопоставление установок различного производственного назначения при приведении сравниваемых вариантов к одинаковому потребительскому эффекту. Отобраны варианты установок пиролиза для исследований на системной модели.

8. С помощью системной модели оценены возможные масштабы и спектр применения установок пиролиза и коммунальных котельных в энергетике при предполагаемых вариантах ее развития; выявлены условия, благоприятствующие их промышленному внедрению. Первоочередными направлениями могут стать: пиролиз в топливоподготовке электростанций и производство облагороженных твердых топ лив. Показано, что организация крупномасштабного производства ИЖТ на основе пиролиза возможна только при условии существенного (в 2,5. .3 раза) увеличения выхода жидких углеводородов.

Глава 5

Библиография Семенов, Сергей Алексеевич, диссертация по теме Энергетические системы и комплексы

1.1. Характеристика и особенности нетрадиционных источников энергии

2. Согласно Энергетической стратегии России 234. в ближайшее время ожидается резкий рост использования нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов (НВИЭ), млн т у. т.:2000 г. 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2020 г.1 3.4 5.7 8.12 12.20

3. Ресурсы возобновляемых источников энергии России 93.

4. Ресурсы Потенциал, млн. т у. т./годваловой технический экономический

5. Малая гидроэнергетика 360 125 65

6. Геотермальная энергетика 180-Ю6 20-Ю6 115.1501. Энергия: биомассы 10-Ю3 50.70 35.50ветра 26-Ю3 2000 12.15солнечная 2,3-10б 2300 13.15

7. Низкопотенциальное тепло 525 105 30.35

8. Всего 183-Ю6 25-Ю6 270.325

9. В настоящее время доля НВИЭ в энергетическом балансе страны не превышает 1,5 %, что почти в 3 раза ниже индустриальных стран 285.

10. Уже в настоящее время НВИЭ способны заместить значительную часть традиционного топлива в наиболее энергодефицитных северных регионах. Многие НВИЭ можно использовать в комбинации как с традиционными энергоносителями, так и другими видами НВИЭ.

11. Для децентрализованных систем теплоснабжения к уже упоминавшимся теплоисточникам следует добавить солнечные коллектора, которые успешно применяются в ряде регионов.

12. В табл. 5.2 приведены ориентировочные экономические показатели производства теплоты от традиционных и нетрадиционных источников энергии 93.1. Т а б л и ц а 5.2

13. Ориентировочные показатели стоимости теплоты от некоторых традиционных и нетрадиционных теплоисточников 93.

14. Источники тепла Удельные капвложения, 103 дол. (1985)/МВт Затраты (без стоимости топлива), дол.(1985)/ (МВт-ч) кпд Стоимость тепла при коэффициенте удорожания топлива, дол. (1985 г.)/(МВт-ч):1 2 31 2 3 4 5 6 71. Крупные установки

15. Котельная на угле (уголь 100дол./т у. т.) 330.350 20.25 0,65 40.45 60.65 85.90

16. Котельная на мазуте (мазут160 дол./ту. т.) 140.150 15.16 0,70 70.75 95.110 135.140

17. Котельная на природном газегаз 145 дол./т у. т.) 120.130 14.15 0,75 40.42 65.70 95.100

18. Солнечный коллектор 1160.1200 100.110 105 105 105

19. Тепло "сухих" пород и гео- 450.600 18.25 0,9 20.30 20.30 20.30термальных аномалий

20. Термальные воды (самоизли- 15.30 6.12 0,9 7.14 7.14 7.14вом)

21. Солнечный коллектор 900. 1000 135 — 135 135 135800.1000 дол./ кВт; **160-200 дол./(кВт-год); ***0,45 кг у. т./(кВт-ч)

22. Исследование эффективности теплоснабжения на базетепловых насосов

23. Технико-экономические характеристики ТНУ ЗАО «Энергия»

24. Источник Местонахождение и Тепловой насос Срок Стоимость

25. НПТ и его характеристика объек- (тепловая мощ- оку- тепла, % оттемпература та теплоснабжения ность, кВт) паемости, лет стоимости тепла котельных

26. Питьевая во- Тюмень, Велижанов- 1,9 51.53да ский водозабор: ото- Два НТ-3000 280282 К пление поселка и производства (4500)

27. Питьевая во- Карасук: отопление ДваНТ-300 (0,7 1Д 38.40да 297 К школы на 1200 Г 1 \ ? МВт) учащихся (6 тыс. м2)

28. Грунтовые Горно-Алтайск; ото- НТ-300 (270 кВт) 1,6 50воды пление и ГВС здания 280282 К ЦСУ (1500 м2)

29. Сбросная во- Курорт Белокуриха 1,2 40.45да радоновых (Алтайский край): ото- Два НТ-300 ванн пление и ГВС радоно- (850 кВт)** 303308 К лечебницы

30. Циркуляци- Барнаул, ТЭЦ-1: на- НТ-3000 1,3 50.60онная вода 291. .297 К грев подпиточной воды (2,3 МВт)

31. Техническая Каунас (Литва); завод НТ-3000 1,8 50.60вода оборот- искусственного волок- (2 МВт) ной системы на водоснабже- ния**

32. Суммарная тепловая мощность.

33. Опыт работы ТНУ за рубежом и в России 246, 362. позволяет отметить положительные и отрицательные аспекты применения тепловых насосов для систем теплоснабжения. Достоинства ТНУ видятся в следующем.

34. Высокая экологическая эффективность. ТНУ, замещающие теплоисточники на органическом топливе, обеспечивают снижение вредных выбросов ватмосферу, что актуально для муниципальных котельных, сжигающих низкокачественное твердое топливо.

35. Высокая надежность работы оборудования ТНУ, а также работа в автоматическом режиме, что позволяет сократить до минимума обслуживающий персонал.

36. Использование электроэнергии для привода компрессора позволяет избавиться от проблем, связанных с приобретением топлива, его транспортировкой и хранением; снижается зависимость систем теплоснабжения от внешних поставок топлива.

37. Для ТНУ характерны минимальные сроки сооружения: 0,5.1 год вместо 10. 15 лет для мощных ТЭЦ.

38. ТНУ могут выступать в качестве теплоисточников как централизованных, так и децентрализованных систем теплоснабжения.

39. Возможность использования ТНУ зимой для отопления и горячего водоснабжения, а летом для кондиционирования воздуха, что увеличивает число часов использования установленной мощности и тем самым повышает их экономическую эффективность.

40. Из приведенного примера следует, что даже незначительная государственная поддержка в части регулирования энерготарифов и содействия в инвестировании может обеспечить широкое вовлечение ТНУ в системы теплоснабжения коммунальных потребителей.

41. Влияние температуры источника НПТ Т на (р и КИТ может быть представлено следующими численными значениями 246.:т,к 278 283 288 293 298 303 308 313ф 3,6 4Д 4,6 5,3 5,9 6,6 7,2 7,9кпи 1,37 1,56 1,75 2,01 2,24 2,5 2,74 3,00

42. Схемы тепловых насосов, применяемых в системах теплоснабжения. Как известно, тепловые насосы (ТН) подразделяют на три основных типа: компрессионные, сорбционные и термоэлектрические 189, 233.

Похожие работы

Энергетика
05.14.00