автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Исследование технологий сжигания низкокачественных топлив в промышленных и коммунальных котельных

_ /\ п

г? о ^

V, •* Российская академия наук Сибирское отделение Сибирский энергетический институт

На правах рукописи Елсуков Владимир Константинович

УДК 001.57:536.7,662.73,662.965

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ СЖИГАНИЯ НИЗКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТОПЛИВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ

Специальное п. 05.14.01 - Энергетические

системы и комплексы

Автореферат (Пн\ертишш пи соискание ученой степени кашиниппа технических наук

Иркутск 1995

Российская академия наук Сибирское отделение Сибирский энергетический институт

На правах рукописи Елсуков Владимир Константинович

УДК 001.57:536.7,662.73,662.965

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ СЖИI V11IIЯ IIИ3КОКАЧЕСТВЕННЫХ ТОПЛИВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ

Спалшлыккч ь 05.14.01 - Энергетические

системы и комплексы

Автореферат атх ертаини на соискание ученой степени ка11()шктш технических наук

Прклтск 1995

Работа выполнена и Сибирском энергетическом институте СО РАН. Братском пнд> ел риальном институте

Наум н ы 11 р\- ко вол I ттел ■>: Официальные оппопет ы:

доктор технических наук Каганович Б.М.

доктор технических наук Сеннова Е.В.. кандидат технических наук Буйнов Н.Е.

Ведущая ор1 анп :;ишя: предприятие "Северныетепловые сети",

АС) "Иркутскэнерго", г.Братск.

Зашита состоится 7 декабря 1995 г.. в 10 часов, на заседании специализированна!о сонета Д 002.30.01 при Сибирском энергетическом пнеппчте (664033. Иркутск. 33. Лермонтова, 130).

Отзывы в дв\\ жэемн. ¡ярах. заверенные печатью, просим присылать но \ка ;анп.>м\ адресу ученому секретарю Совета.

Автореферат ра ¡ослан 6 Iк->яоря 1995 г.

Ученый секре Iа}и> специалп шрованпо! о соне! а Д 002.30.01.

к.т.н. А.М. Тришечкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Повышение энергетических и экологических показателей работы котельных на угле является важной задачей. Она приобретает особую значимость в районах Восточной Сибири. Колоссальные запасы канско-ачинских углей (КАУ), низкое содержание в них серы и золы, дешевизна делают эти угли основным топливом в регионе в настоящее время и в обозримом будущем.

Для обоснования выбора направления котельной техники, ее экологического и энергетического совершенствования необходим предварительный физико-химический анализ используемых технологий. Для оценки вида концентраций и всей гаммы загрязнителей, образующихся при сжигании топлив, рядом исследователей применялись термодинамические модели конечных равновесий. В то же время многие вредные вещества образуются не в состоянии конечного равновесия, а на пути к нему - в промежуточных точках.

В связи с изложенным являются актуальными исследования технологий сжигания низкокачественных топлив в котельных с помощью развиваемых в настоящее время термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), созданных в СЭИ под руководством д.т.н. Б.М. Кагановича. Практически важно теоретические исследования дополнить промышленными экспериментами.

Настоящие исследования проводились в рамках общеакадемической программы фундаментальных исследований на период до 2000 года "Коренное повышение эффективности энергетических систем" в соответствии с выполняемыми в СЭИ работами по теме 19311 "Применение термодинамического анализа в прогнозных исследованиях энергетических технологий".

Цель исследований: 1) разработка методики оценки экологических и энергетических показателей котельных; 2) выявление наиболее перспективных технологий сжигания низкокачественных углей как в новых котельных, так и в существующих; 3) определение наиболее оптимальных условий сжигания этих углей и альтернативных топлив при использовании различных технологий; 4) развитие методического подхода выбора структуры энергоисточников, учитывающего совместное воздей-

ствие на окружающую среду объектов промышленности, транспорта и энергетики.

Научная новизна:

- усовершенствована методика исследования энергетических технологий, включающая предварительный термодинамический анализ процессов генерации различных загрязнителей. в направлении более комплексного их рассмотрения с учетом энергетических и надежностных показателей;

- развита методология выбора структуры технологий и источников энергии в системах теплоснабжения городов, включающая предварительное термодинамическое моделирование совместного воздействия на окружающую среду объектов промышленности, транспортных средств и энергоисточников, с последующим технико-экономическим расчетом оптимального варианта этой структуры:

- выявлена возможность повышения экологической чистоты низкотемпературного факельного сжигания бурого угля;

- показана эффективность крупномасштабного применения электроэнергии в системах теплоснабжения городов с тяжелыми экологическими условиями.

Практическая ценность. В работе выявлены наиболее перспективные способы сжигания КАУ и альтернативных топлив. Целесообразно внедрение рекомендованных технологий в новых и существующих котельных.

Развиваемые в диссертации методики исследований энергетических технологий позволяют: обоснованно оценивать их экологические, энергетические и надежностные показатели; выбирать оптимальные варианты структуры энергоисточников.

Результаты работ использовались при разработке природоохранных мероприятий и для совершенствования процессов сжигания и золоулавливания: территориальным комитетом по охране природы г.Братска; Сибирским отделением института ВНИПИЭНЕРГОПРОМ; районной Галачинской котельной г.Братска.

На защиту выносятся:

- методический подход к исследованию сжигания топлив, основанный на комплексном анализе энергетических, экологических и надежностных характеристик, включающий термодинамическое моделирование;

- термодинамические модели процессов образования вредных примесей (монооксида углерода, оксидов азота и серы, бенз(а)пирена, фтористых соединений и др.) и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла;

- результаты термодинамических исследований экологических и энергетических характеристик технологий сжигания топлив: в кипящем слое, в низкотемпературном факеле, водо-угольной суспензии, в кольцевых топках и топках ЛПИ;

- технические решения по организации факельного сжигания, полученные на основе экспериментальных и теоретических исследований;

- технические решения по повышению эффективности золоулавливания в новых и существующих котельных, найденные на основе аналитических и экспериментальных исследований;

- предложения по изменению структуры теплоисточников с учетом экологических, энергетических и экономических ограничений (на примере г.Братска).

Личный вклад автора заключается:

- в постановке задач термодинамического анализа процессов образования вредных примесей и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла;

- в разработке совместно с группой специалистов технических решений по организации факельного сжигания и совершенствованию методов золоулавливания, в том числе защищенных авторскими свидетельствами, одно из которых внедрено в производство;

- в выполнении комплексного анализа эффективности различных энергоисточников в системах теплоснабжения городов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- ежегодных региональных научно-технических конференциях в Иркутском государственном техническом университете (1992-1995гг.).

- ежегодных научно-технических конференциях Братского индустриального института (1992-1995гг.);

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации отражены в 11 печатных работах, включая два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (145 наименований), списка часто встречающихся сокращений и одного

приложения: изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечены элементы новизны полученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко изложен анализ современного состояния теории образования ряда загрязнителей при сжигании органических гоплив, а именно: канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на примере бенз(а)пирена (С20Н12), угарного хаза (СО), оксидов азота (ЫОх), фтористых и сернистых соединений. Рассмотрены изменения физико-химических свойств золы различных фракций КАУ, образующейся при разных условиях сжигания. Отмечается недостаточность теоретических разработок процессов генерации газообразных и твердых загрязнителей, что, по мнению автора, прежде всего относится к бенз(а)пирену (Б[а]П).

Рассматриваются применяемые в настоящее время и предлагаемые методики определения температуры точки росы уходящих газов (tT.ii.). Особенно большая погрешность при определении 1Гр. существующими методами получается для углей с высоким содержанием оксида кальция, типа КАУ. Кроме того, существующая методика совершенно не учитывает условий сжигания топлива.

Во втором параграфе главы рассматриваются перспективные для выработки тепловой энергии низкого потенциала методы сжигания углей и вспомогательные технологии (безмазутной растопки и подсветки пылеугольного факела и золоулавливания). К ним отнесены: сжигание в кипящем слое (КС) (циркулирующем, факельно-кипящем (ФКС), стационарном): двухступенчатое сжигание (при разделении ступеней горения по отдельным агрегатам); приготовление, транспортирование и сжигание водоугольной суспензии (ВУС); сжигание топлива в низкотемпературном вихре в топках ЛПИ; сжигание углей в кольцевых топках; безмазутная растопка и подсветка факела генераторным газом, получаемым в специально установленных генераторах; то же при использовании для воспламе-

нения угольной ныли предварительно нагретых (электроэнергией) поверхностей; то же при использовании плазмотронов; золоулавливание с использованием электрических, тканевых, роторных зернистых и циклонных фильтров.

Сделан вывод, что использование КАУ в большинстве рассмотренных технологий пока проблематично либо связано с определенными сложностями. Это обусловлено недостаточной теоретической и экспериментальной изученностью процессов.

Результатом анализа стала постановка задач исследования. Основными из них. с учетом вышеизложенного методического подхода, являются:

- совершенствование существующих теоретических методов изучения процессов генерации загрязнителей, образующихся при сжигании органических топлив;

- уточнение расчетными методами условий связывания сернистого ангидрида (SO2) в конденсированный сульфат кальция (CaSO-i) при различных условиях горения КАУ и экспериментальная проверка полученных значений;

- получение (с помощью составленных моделей) зависимостей концентраций образующегося Б[а]П от вида топлива и условий его сжигания;

- расчетное сопоставление выбросов СО и NOn при сжигании КАУ и природного газа с получением качественных зависимостей концентраций образующихся загрязнителей от режимных параметров горения;

- определение с помощью термодинамических расчетов концентраций и вида фторосодержащих соединений, образующихся при сжигании КАУ. и оценка с помощью уравнений химической кинетики скорости протекающих реакций в газоходах котла с целью уточнения вида и концентраций выбрасываемых соединений;

- выявление температуры точки росы уходящих газов при различных условиях сжигания КАУ и сопоставление ее с реальными температурами уходящих газов с целью определения возможностей уменьшения тепловых потерь q^;

- проверка полученных результатов в промышленных условиях и разработка на их основе технических решений по совершенствованию технологий сжигания и золоулавливания;

- выбор способов сжигания и вспомогательных технологий с учетом полученных результатов термодинамических и экспериментальных исследований;

- проведение комплексных технико-экономических и экологических исследований системы теплоснабжения промышленного центра Восточной Сибири и обоснование предложений по изменению структуры теплоисточников.

Вторая глава посвящена термодинамическому анализу процессов генерации вредных веществ при горении топлив и образования конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

Дано обоснование необходимости применения для такого анализа термодинамической модели МЭПС. На основе общей МЭПС была составлена модель процессов образования вредных примесей, которая имеет вид: найти

max F(x) = £ CjX, (1)

j6r

при условиях

Ах = в, (2)

G(x«i)<G(x) <G(y). (3)

G(x')>G(x") (4)

для любого непрерывного перехода из х" в х"

G(x) =xic}g. + RTlnp-^|x, +TG'! х., (5)

Jgv ; J, J

xj>0, (6)

где x = (xi„..x„)T (при n, изменявшемся от 140 до 190) и y=(yi,..y/)T (при L изменявшемся в зависимости от вида топлива от 8 до 13). соответственно векторы количеств молей всех возможных компонентов системы и исходных реагентов, которые составлялись на основе литературных и справочных данных, у ex; Q - коэффициент, ранжирующий полезность или вредность j-компонента, принимался равным I; А = [a,j] - матрица размера m • п содержаний элементов в компонентах системы; в-—(в | ,...Вщ)т - вектор количеств молей элементов; G и G, - свободная мольная энергия Гиббса системы и ее j-компонента; jexl -множество компонентов целевой функции; eq - индекс равновесного состояния; G0 - стандартная мольная энергия Гиббса; jg, jc - множества, соответственно, газообразных и конденсированных веществ; о - общее число молей газообразных компонентов: R - универсальная газовая постоянная; Т, Р - соответственно, температура и давление системы.

Термодинамические ограничения (3)-(4) написаны для случая. когда фиксированы температура Т и давление Р. имеющиеся в системе, что соответствует уменьшению свободной энергии Гиббса. Эти параметры выбраны с учетом того обстоятельства, что при стабильном горении их можно считать величинами, постоянными во времени.

Расчеты проводились для двух видов топлива: КАУ и братского природного газа. Варьировались температуры и избытки воздуха. Для органической массы угля была принята условная формула CH0.s33O0.293N0.01280,002- Минимальная часть угля задавалась суммой оксидов 8107. СаО и др. Были проведены серии расчетов, в которых в качестве целевой функции (1) последовательно менялись искомые концентрации интересующих нас вредных веществ: СгоН^, СО, ЫО\, БОг, СаБО^ СаБг, НИ, НСНО, СБг.

Термодинамическая модель процесса образования конденсированного раствора серной кислоты была построена на основе блока конечного равновесия МЭПС для гетерогенных систем и имеет вид: найти

( х- >

1шгЮ=1 С* + ЛТ1пР—- х +£С°х + 0(>.хи. + *Л У) к '' 1

\

+11 О0 + ЯТ1п —

ГО0

I I Ь

к (7)

при условиях

Ах = в, (8)

х.,>0. (9)

где ^ .]'п, .Ь - множества, соответственно, газообразных веществ, конденсированных, нейтральных компонентов раствора и электролитов; - индекс, относящийся к конденсированной воде; ст„, ст5 - общее количество молей, соответственно, в газовой фазе и растворителе с растворенными веществами; -

рациональный (отнесенный к мольной доле) коэффициент активности; 0- постоянный коэффициент.

Для выявления влияния условий сжигания топлива на температуру образования конденсированного раствора серной кислоты был применен прием исключения из конечных продук-

тов сжигания (являющихся исходными реагентами в гетерогенной системе) веществ, реакции которых с другими компонентами системы протекают достаточно медленно. Это относится к конденсированным соединениям: CaSC>4, СаСЬ, CaFa, СаСОз-

При расчете процесса образования Б[а]П при сжигании природного газа (когда максимизируемой функцией (I) являлась концентрация Б[а]П) было выявлено, что термодинамически возможно движение системы к равновесию через точку, в которой концентрация Б[а]П равна максимальной величине, определенной по материальному балансу. Понятно, что такой режим сжигания в реальных котлах не осуществляется, поскольку тогда весь углерод топлива перешел бы в Б[а]П. Поэтому максимизируемая функция была изменена, в нее был введен дополнительный показатель, характерный для интенсивного горения. На последней стадии расчетов максимизировалась сумма ZC2()Hp + NO + N02 . Его использование позволило установить, что концентрация образующегося газообразного канцерогена резко уменьшается при увеличении температуры и избытка воздуха. При температурах горения газа выше 1850 К и коэффициенте избытка воздуха а > 1 образование Б[а]П становится несущественным (< 0,02 мкг/м3). При а = 0,54 предельные концентрации образующегося многоядерного арена с ростом температуры меняются в значительно меньшей степени и остаются высокими во всем расчетном диапазоне (1500-1900 К). Выявлена зависимость концентрации образующегося Б[а]П от вида топлива: в сопоставительных расчетах сжигания газа, мазута и КАУ концентрация канцерогена была максимальной при использовании угля и минимальной - при применении газа.

Выбросы оксидов азота рассчитывались для КАУ и братского природного газа. Подтверждено, что главную роль в увеличении NO* играет температура. Значительно повышает конц ентрацию N04 и избыток воздуха а при горении.

Получено, что при уменьшении температуры горения ниже 1500 К концентрация NOx снижается значительно быстрее, чем при более высоких температурах. По мнению автора, это объясняется тем. что концентрация оксидов азота при таких температурах снижается не только по механизму Зельдовича, но и в результате связывания элементами минеральной части топлива (до NaNOj).

Для котлов, работающих на газе, определено, что в температурном интервале 2000-2300 К в продуктах сгорания наряду с 10

оксидами азота (N0, N02, N20) в незначительных количествах могут образовываться очень ядовитые цианиды, в основном цианистый водород НС1Ч.

В результате сопоставительного анализа сделан вывод, что при сжигании газа выбросы N0* могут быть ниже, чем при использовании угля; однако при применении и того, и другого топлива для соблюдения допустимых значений удельных выбросов требуется организация процесса горения при низких температурах (< 1500 К).

Концентрация угарного газа возрастает с ростом температуры в еще большей мере, чем оксиды азота. Получено, что сжигание при температуре 1500 К и ниже обеспечит практически отсутствие выбросов СО при сжигании газа с а = 1.05 или ирша-бородинского угля с а= 1.246. Поэтому при переводе теплоисточников с угля на газ, для уменьшения выбросов СО, необходимы организация процесса горения при низких температурах и а> 1.00 либо сжигание при высоких температурах с обеспечением дожигания СО в зоне пониженных температур.

Термодинамические расчеты по определению фтористых соединений, образующихся при сжигании ирша-бородинского угля, проводились при условии, что коэффициент избытка воздуха в топке равен 1.246. а содержание фтора в исходном угле составляет 6 г/т. Расчетным путем получено, что при сжигании угля в топке образуется фтористый водород (НР), а в температурном интервале 800-600 К возможен переход фтора в конденсированный фторид кальция (СаРг). Степень перехода оценивалась с помощью уравнений химической кинетики с использованием литературных данных по аналогичным реакциям. Из анализа расчетов сделан вывод, что при сжигании КАУ подавляющая часть фтора будет выбрасываться в виде фторово-дорода вместе с дымовыми газами (при сухом золоулавливании).

В работах СЭИ и исследованиях автора теоретически показано. что при температурах сжигания КАУ ниже 1500 К возможен переход диоксида серы в конденсированный сульфат кальция. С целью проверки и уточнения условий связывания БОз в СаБО.! при низкотемпературном факельном сжигании были проведены экспериментальные исследования в районной Галачинской котельной г.Братска, оборудованной двумя котлами БКЗ-75-Э9ФБ с шахтными мельницами и тремя котлами КВТК-100-150 с мельницами-вентиляторами и работающей на

ирша-бородинском угле. Обработка данных своих экспериментов, проводившихся в течение нескольких отопительных сезонов. и замеров, проведенных другими организациями, позволила установить: 1) факельное сжигание КАУ возможно осуществлять при температурах горения в ядре факела ниже 1450 К; 2) выбросы диоксида серы при этом снижаются в соответствии с термодинамическими расчетами конечных равновесий и могут быть ниже значений ПДВ.

С целью выявления возможностей повышения экономичности сжигания угля рассмотрена задача определения температуры конденсации раствора серной кислоты (температуры точки росы - (и.р. ). Для оценки зависимости точки росы от режима сжигания в качестве исходных брались продукты горения КАУ при различных температурах в топке (Тг). Все расчеты проводились при коэффициенте избытка воздуха в уходящих газах а = ¡.5. Расчеты показали, что температура точки росы зависит не только от вида топлива, но и в значительной степени от условий сжигания. Конденсация продуктов горения с Тг =

1400К начинается примерно на 25° ниже, чем продуктов горения с-Тг=1900К, соответственно. ^325К и 350К.

Определено, что на значение и.р. оказывают противоположное влияние избытки воздуха при горении ат и в уходящих газах ауг .

Анализ полученных результатов показывает, что при сжигании ирша-бородинского угля рекомендуемые (в еще большей степени реальные) значения температур уходящих газов могут быть значительно снижены, особенно сильное уменьшение может быть достигнуто па котлах с температурой горения ниже 1450 К.

В третьей главе рассматриваются технологии сжигания и золоулавливания, позволяющие наиболее эффективно, с экономической и энергетической точек зрения, использовать топливо в существующих котельных.

Исследования, результаты которых изложены во второй главе, показали, что наиболее эффективное факельное сжигание КАУ возможно осуществлять при температурах горения ниже 1450К. Обосновано, что наиболее подходящими для реализации такого сжигания являются топки, оборудованные пы-лесистемами с мельницами-вентиляторами (МВ). Однако эти топки сложны в регулировании нагрузки.

Автором совместно с Даниленко Л.В., Чупраковым А.И. и Николаевым В.В. предложен способ регулирования нагрузки котла с МВ путем изменения (отключения) числа мельниц с подачей аэросмеси от работающих МВ на все горелки котла. Для реализации способа каждая мельница соединяется пыле-проводами со всеми горелками котла. В этом случае обеспечивается надежная работа котла со всеми включенными горелками при любых нагрузках, а загрузка мельниц топливом может быть максимальной. Следовательно, возможна высокая эффективность сжигания топлива при минимальном расходе электроэнергии на собственные нужды. Это технологическое решение защищено авторским свидетельством.

Схема, реализующая предложенный способ, в техническом исполнении может оказаться достаточно сложной. Однако на практике ее полное исполнение может не потребоваться. Достаточно каждую МВ соединить не менее чем с двумя мельницами (рис.1). Такая схема реализует частный случай описанного выше способа,и ее практическое воплощение позволит регулировать нагрузку котла (согласно расчету) в диапазоне примерно 50-100% номинальной, что в подавляющем большинстве случаев вполне достаточно. При работе всех горелок возможна организация сжигания топлива в наиболее совершенной аэродинамической форме - вихревой. Для этого необходимо направлять поток аэросмеси от горелок тангенциально к воображаемому кольцу в центре камеры сгорания. В этом случае представляется возможным достичь устойчивого горения при более низком температурном уровне в топке.

"а

Р

г

-ц.

а

\ I

"Я:

о

в

Рис. 1. Схема иылеприготовления, реализующая способ регулирования нагрузки котла [110] в упрощенном варианте: 1 - топка котла; 2 - горелки;

3- пылепроводы; А. Б. В. Г - мельницы-вентиляторы

I \

В следующем параграфе главы рассмотрены возможности повышения эффективности батарейных циклонов с улиточным и полуулиточным подводом газов (распространившихся в нашей стране в последние десятилетия) на примере золоуловителей (ЗУ) типа ЦБР-150 У. Промышленные исследования проводились в районной Галачинской котельной г.Братска, где эти ЗУ установлены за водогрейными котлами. Исследованиями выявлено, что через общие золоспускные желоба происходят вредные перетоки газов из камер запыленных газов в золовые камеры, поскольку давление в этих камерах различно.

Для исключения перетоков газов при централизованном сбросе золы автором с группой специалистов предложено устройство, в котором реализуется следующее техническое решение: течки от бункеров, находящихся под различным давлением, снабжаются патрубками, которые подводятся к затвору непрерывного действия (мигалке) коаксиально на расстояние, не превышающее расчетную высоту золового столба. На предложенное устройство получено авторское свидетельство. Основные элементы устройства показаны на рис.2. В результате использования изобретения средний КПД ЗУ за отопительный период возрос на 13% и было дополнительно уловлено около 600т. золы в год.

Для оценки эффективности различных реконструкций ЗУ типа ЦБР - 150 У предложена формула:

/\т ,, ч „ max , _ „ min

(N- n) • Г|уст + n • rjycT

где N. п - число всех циклонных элементов в установке или камере и число забитых элементов соответственно;

л"ст •'Пуст " максимальный и минимальный КПД установки.

Сопоставление значений КПД, рассчитанных по этой формуле и экспериментально полученных, показало их достаточно близкое совпадение.

Рис. 2. Устройство для сброса золы из нескольких бункеров, находящихся под различным давлением: '

1 - затвор непрерывного действия (мигалка);

2 - затвор периодического действия (шибер);

3 - течки;

4 - бункера;

5 - водозоловой смеситель;

6 - канал гидрозолоудаления;

7 - коаксиальный ввод течек

При проведении замеров запыленности газов было замечено, что пылезаборные трубки (электрически изолированные от газоходов) в течение опыта приобретали электрический заряд. Сделано предположение о возможной связи эффективности ЗУ (забиваемое™ циклонных элементов) и заряженности пылегазового потока. Для проверки предположения автором с группой сотрудников Братского индустриального института проведены аналитические и экспериментальные исследования. Получено, что при трении в циклонных элементах с полуулиточным подводом газов значение заряда мелкой неуловленной

золы увеличивается примерно на три порядка от 1.8 Ю-3 Кл/г

на входе в ЗУ до 1.8 ■ 1(Г2 Кл/г - на выходе. Выявлено, что заряжается преимущественно мелкая зола с диаметром золинок, согласно расчету, <15 мкм. Определено, что величина заряда возрастает пропорционально нагрузке котла (скорости газов) в кубической степени.

Сопоставительный анализ работы двух ЗУ. имеющих в результате реконструкций разный "парадный" КПД и эксплуатируемых при различных нагрузках (скоростях), с пофракционным учетом электрофизических и химических свойств золы позволил сделать вывод о преимущественном влиянии электризации золы на забиваемость циклонных элементов.

На основе литературных источников рассмотрены существующие способы защиты от статического электричества (СЭ) применительно к исследуемому ЗУ: соблюдение безопасных скоростей в циклонных элементах; повышение относительной влажности газов на входе в ЗУ; создание оптимальных конструкций циклонов. Обосновано, что наиболее перспективным из них является повышение относительной влажности газов путем снижения их температуры, поскольку при этом возможна дополнительная утилизация тепла. Показано, что по всем способам защиты от СЭ необходимы дальнейшие исследования.

В четвертой главе с учетом результатов термодинамических и экспериментальных исследований выбираются наиболее эффективные способы сжигания КАУ и вспомогательные технологии из рассмотренных в первой главе. Рассматриваются вопросы комплексных технико-экономических и экологических исследований промышленных и коммунальных систем тепло-

снабжения, выбора типов источников энергии и энергоносителей.

Предложены следующие основные принципы сжигания бурых углей: организация качественного смешения топлива с окислителем и увеличение времени нахождения продуктов сгорания в топке при низких температурах. Отмечено, что наиболее полно из рассмотренных технологий этим принципам отвечают способы сжигания в котлах с различными модификациями кипящего слоя. По мнению автора, наиболее перспективными из них для применения на котлах мощностью свыше 20 МВт, сжигающих КАУ, будут топки с циркулирующим КС. Выявлено, что оптимальный температурный уровень сжигания КАУ в слое, согласно термодинамическим расчетам, находится в пределах 1050-1150 °С (1320-1420 К) и, соответственно, примерно на 200-300 °С выше усредненных значений 800-900 °С, рекомендуемых в некоторых литературных источниках. Показано, что экономичность котлов с КС может быть повышена путем дополнительной утилизации тепла уходящих газов, так как температура точки росы в них имеет более низкое значение, чем при традиционном сжигании. Сделан вывод о необходимости ускорения отработки технологий КС (прежде всего циркулирующего и ФКС) на опытно-промышленных котлах.

В результате проведенных исследований выявлены значительные возможности и для совершенствования существующих технологий сжигания КАУ. Это относится, прежде всего, к факельному сжиганию в топках с прямым вдуванием пыли, оборудованных МВ. Для организации устойчивого низкотемпературного (1450 К) вихревого сжигания при любых режимах в этих котлах целесообразно использовать способ регулирования мощности котла, рассмотренный в третьей главе. Показано, что по возможностям снижения выбросов отдельных ингредиентов низкотемпературное вихревое сжигание конкурентно-способно со сжиганием в КС. Экономичность котлов при таком сжигании может быть повышена за счет снижения потерь тепла с уходящими газами.

Отмечена необходимость дальнейшего совершенствования технологий безмазутной растопки и подсветки пылеугольного факела, что наиболее актуально для пылесистем прямого вдувания.

Кратко рассмотрены возможности технологий улавливания золы КАУ, образующейся при низкотемпературном сжига-

нии в фильтрах различных типов. Обосновано, что электрофизические свойства такой золы могут быть очень неблагоприятными для ее улавливания в электрофильтрах. Применение тканевых ЗУ имеет ограничения из-за широкого использования мазута для растопки котлов в настоящее время. Предложена следующая схема очистки дымовых газов: котлоагрегат - циклонные, сравнительно эффективные ЗУ (с КПД>90%) - тканевые фильтры с обводными газоходами. Отмечено, что при проектировании и эксплуатации батарейных циклонов с улиточным и полуулиточным подводом газов (особенно ЦБР-150 У) необходимо выявлять и соблюдать условия (оптимальные скорости и значения относительной влажности газов), когда электризация золы минимальна и забития циклонных элементов не происходит.

Во втором параграфе главы рассматривается перспективная система теплоснабжения промышленного центра Восточной Сибири (на примере города Братска). Для Братска характерна особенно тяжелая экологическая ситуация, обусловленная совместными выбросами алюминиевого завода, лесоперерабатывающего комплекса, транспортных средств и энергетических объектов. По данным различных исследователей, в воздухе города обнаружено около 300 органических веществ и десятки неорганических соединений. Концентрации многих соединений превышают ПДК в десятки и сотни раз (метилмеркаптан - CH3SH, Б[а]П, фтористый водород и др.).

С целью выявления возможностей образования в атмосфере города других токсичных веществ автором были проведены термодинамические исследования с помощью модели (1)-(6). В частности, расчетами выявлено, что возможно вторичное загрязнения атмосферы соединениями Б[а]П. фосгена - СОСЬ (отравляющий газ), сероуглерода - CSj (высокотоксичное вещество второго класса опасности). Максимально возможные концентрации вышеперечисленных веществ для зимнего и летнего периодов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Максимальные концентрации вредных веществ. образование которых возможно в атмосфере г.Братска

Вещества Концентрация, мг/нм3

летний период (+25°С) зимний период (-43°С)

Сго Н12 не рассчитывалась 0,265

сось 4,185- Ю-3 5,87- Ю-з

СБ2 0,218 0,138

Примечание. В исходном составе атмосферы концентрации исследуемых веществ близки к нулю.

Отмечено, что в такой тяжелой экологической ситуации ПДК по ряду загрязнителей будут превышены даже при полном отключении энергоисточников на органическом топливе. Поэтому необходимо кардинальное снижение выбросов загрязнителей всеми предприятиями города. Всесторонний экологический анализ загрязнения биосферы в Братске показал, что экологическая ситуация требует принципиального изменения проектных решений. Основное изменение связано с резким увеличением доли электроэнергии в обеспечении тепловых нагрузок города. На первом этапе теплоснабжение реально может быть осуществлено от электрокотельных. Такой подход обусловлен также дешевизной электроэнергии в регионе в настоящее время.

Сделан вывод, что в дальнейшей перспективе при существенном снижении выбросов загрязнителей всеми предприятиями города и значительном подорожании электрической энергии необходимо будет развивать технологии, позволяющие уменьшить ее потребление: использование тепловых насосов, сжигание угля в котельных, применение угольных брикетов для печного отопления. Автором определена оптимальная доля электрокотельных в теплоснабжении города в различных экономических ситуациях. При существующем соотношении цен на КАУ и электроэнергию эта доля составляет примерно 25%. Большую часть тепловых нагрузок целесообразно (экономически) обеспечивать от крупных и средних котельных на твердом топливе.

Отмечена сложность выработки рекомендаций на отдаленную перспективу в связи с необходимостью разработки приемлемых тарифов на тепловую и электрическую энергию в па-стоящее время и будущем, оценки стоимости природоохранных мероприятий и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для оценки эффективности технологий сжигания низкокачественных топлив в промышленных и коммунальных котельных применен и развит методический подход СЭИ, основанный на предварительном термодинамическом анализе физико-химических процессов с помощью математических моделей.

2. На основе общей модели МЭПС созданы термодинамические модели образования вредных примесей при сжигании топлив и генерации конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

3. В результате проведенных исследований получены экологические характеристики различных технологий сжигания КАУ и зависимости температурь; конденсации раствора серной кислоты от условий сжигания.

4. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны технические решения по организации экологически чистого факельного сжигания КАУ.

5. На основе аналитических исследований и натурных экспериментов найдены технические решения по совершенствованию батарейных циклонов с полуулиточным подводом газов и схем золоудаления.

6. Для исследования системы теплоснабжения промышленного центра усовершенствована методика СЭИ, учитывающая совместное воздействие на окружающую среду объектов промышленности, транспорта и энергоисточников.

7. Показана необходимость изменения структуры энергоснабжения для районов с катастрофической экологической ситуацией, увеличения в этой структуре доли электроэнергии.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Елсуков В.К., Семенов С.А., Семенов Е.А. Расчетные исследования образования фтористых соединений при сжигании угля// В сб.: ХУ научно-техническая конференция,- Братск: БрИИ. 1994,- С.20-21.

2. Семенов С.А., Елсуков В.К., Семенов Е.А. Экологическая эффективность перевода теплоисточников на сжигание газа Братского месторождения// В сб.: Х1У науч-

но-техническая конференция,- Братск: БрИИ, 1993.-С.30-31.

3. A.C. 1652750 СССР, МКИ F 23 С1/00. F 23 N 1/02. Способ регулирования мощности котельного агрегата / Ел-суков В.К., Даииленко JI.B., Чупраков А.И., Николаев В.В. Опуб.Б.И. № 20, 1991 г.

4. A.C. 1747801 РФ, МКИ F 23 1/00. Устройство для централизованного сброса золы из нескольких бункеров, находящихся под различным давлением / Швалов В.Т., Елсуков В.К., Румянцева JT.B.. Якименко H.A. Опуб.Б.И. №26, 1992 г.

5. Елсуков В.К., Семенов С.А. О путях совершенствования золоуловителя ЦБР-150// В сб.: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов к регион, научно-технической конференции,- Иркутск, 1992.- С.41-42.

6. Елсуков В.К., Семенов С.А.. Пак Г.В.. Бондаренко A.B. О совершенствовании батарейных циклонов с рециркуляцией газов// В сб.: XIY научно-техническая конференция.-Братск: БрИИ, 1993,- С.28-29.

7. Елсуков В.К., Семенов С.А., Бондаренко A.B. Анализ опыта эксплуатации и пути совершенствования золоуловителя типа ЦБР-150У// Промышленная энергетика,

1994,- № 7,- С.21-23.

8. Елсуков В.К., Семенов С.А., Пак Г.В., Бондаренко A.B. О нейтрализации электрических зарядов в батарейном золоуловителе ЦБР-150У// В сб.: XY научно-техническая конференция,- Братск: БрИИ, 1994.- С.22.

9. Елсуков В.К.. Семенов С.А. Исследование электростатических явлений в батарейных золоуловителях ЦБР-150У// В сб.: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции,- Иркутск: ИрГТУ, 1994,- С.91.

10. Елсуков В.К., Семенов С.А. Промышленные исследования связывания сернистого ангидрида при факельном сжигании канско-ачинского угля// В сб.: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов региональной научно-технической конференции.- Иркутск: ИрГТУ,

1995,- С.88.