автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Комплексное использование плазменных методов переработки и интенсификации горения энергетических топлив

министерство науки, высшей,школы и технической политики российской федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Pf 6 OD -1 MAR 1993

На правах рукописи УДК 537.533:662.61 КАРПЕНКО Евгений Иванович

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГОРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ТОПЛИВ

05.14.05 — Тепловые электрические станции

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

новосибирск 1992

Работа выполнена в лаборатории энергоплазменных технологий Гусиноозерской ГРЭС (ГО ГРЭС).

Научный консультант — академик РАН М. Ф. Жуков Научный руководитель — кандидат технических наук С. Л. Буянтуев

Официальные оппоненты: доктор технических наук В. Е. Мессерле кандидат технических наук Ю. Н. Дубинский

Ведущая организация — Сибтехэнерго, Корпорация «Рос-энерго»

Защита состоится « » 1992 г.

в часов на заседании Специализированного Совета

_ в Новосибирском электротехническом институте

по адресу: ____________

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЭТИ г. Новосибирск.

Автореферат разослан «_»_1992г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор технических наук, профессор

Г. В. Ноздренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рост элэктро-теплопогреблоштя приводит к истощении запасов высококачественных энергоносителей (газа, нефти» мазута) и их замецанио твердым топливом, в оонов-нон низкосортным. Непосредственное сжигание низкосортных углей в традиционных топочных устройствах сопровождается снижением эффективности топливоиспользования (из-за необходимости использования для розгига и подсветки пылвугольного факела значительного количества мазута) н повышенны» уровней вредных пнлэгазовых выбросов на тепловых электростанциях (ТЗС).

Суцествушдие методы повыаения эффективности сжигания твердых топлив и подавления вредных выбросов в основном исчерпали . себя,и необходима разработка принципиально новых технология топливоиспользовзния с приемлемыми (по современным нормативам) экологическими показателями. Особуо оогроту эта проблема приобретает в регионах с повышенными экологическими требованиями, таких как прибра.$ная зона Байкала. В чавтноотя, экологический ущерб природе Байкала, по данным СЗИ РАЯ, от объектов теплоэнергетики составляет более 1,2 млрд.рублеа а год (в ценах 1990 г.).

Наиболее,перспективными на сегодня техническими ранениями, позволявшими реаить указаннуп проблзму, яаляотся плазменный методы- переработки и интенсификации горения экэргэдичаских топлив.

Комплексное использование плазмэнных технологий паресаботки ■л воспламенения энергетических углей позволит вытеснить из тэп-лозого баланса дефицитный мазут, повысить эффективность топливо-использования, улучшить экономические покэзатэди и получить ценные продукта ддя других отраслей промышленности.

йвбогы в этой направлении 9 нашей стране интенсивно проводятся крупнейшими научными коллективами, руководимыми М.Ф.Яуковын (ИТФ СО РАН), Г.Н.Кружилиным (ЭНИН им.Г.М.Кржиаановского), Л.С.Полаком (ИНХС АН РАЯ), З.Б.Сакиповыы (КазШШ Минэнерго Казахстана) и др.

Анализ зарубежных работ позволяет заклпчить, что разработка плазменных технологий и оборудования для энергетики осуществляется рядом известных фирм СШАДанады, Австралии, §РГ и Китая. При этом сообщается о резком сокращении капвложений (на 30,0, снижении срока окупаемости оборудования (до 5 лет) и экономической эффективности (до 2 млн.долларов в год нь блок 1000 МВт) при замене розжиговых мазутных форсунок на плазменные системы воспламенения углей.

Настоящая работа выполнена в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР £ 434 "О мерах по обеспеченно охрани и рациональному.использовании природных ресурсов бассейна озера Байкал" от 13.04.87 г.; Программой й 125-92 Академии технологических наук Российской Федерации "О переходе на децентрализованные после теплоисточника схемы теплораспределения объектов жилого, гражданского и промышленного назначения с целью сбережения энергонооитедей и улучшения технологии" от 18.05.92 г. и Программой СМ РСЖЗР "Тервсоп Байкала" ("Территориальная комплексная схема охраны природы бассейна озера Байкал") от 14.04.1990 г.

Цель работы. Разработка экологически приемлемой и экономически эффективной концепции теплоснабжения прибрежной зоны Байкала; в рамках этой концепции создание плазменных техн^огий подвига мазута, воспламенения и стабилизации горения низкосортных углей Бурятии, их газификации и комплексной переработки на

основе расчетно-теоретических и экспериментальных исследований ооответствуоиих плазменных процессов и устройотв; разработка плазменных установок для розжига мазутного и подсветки пылеуголь-ного факеле, газификации и комплексной переработки твердых топ-лиа; выдача технологических рекомендаций для практической реализации исследованных процессов и устройств.

Научная новизна работы заключается в предложенной концепции топливоиспользовэния в экологически легко уязвимых регионах страны; проведенном комплексе расчэтно-тэоретических, стендовых и промышленных исследований плазменных технологий обработки твердых и жидких топлив, показавших высокув эффективность применения низкотемпературной плазмы; разработке метода оценки экономико-экологической эффективности технологий топливоиспользо-вания; определении оптимальных параметров рассматриваемых плазменных процессов и устройств.

Практическая ценность работа заклпчаетоя в научном обоснования комплексного использования плазменных технологий для экономически эффективных и экологически чистых методов теплофикации и электроснабжения регионов о особыми требоаакиями к защите окрукашцей среды от вредных выбросов. Наличие обширных раочотно-теорэтических и эпопериментальных материалов позволяет использовать их для разработки и проектирования опытно-промышленных установок о плазменным источником для комплексной переработки, газификации и воспламенения низкооортных углей. Разработанный метод оценки экономико-экологической эффективности нетрадиционных технологий топяивоиопользования был использован при определении перопектианооти плазменных технологий для теплофикации прибрэяной зоны Байкальского региона. Опытно-промыяленные испи-

3.

тения плазменных технологий поджага мазутного факела, газификация и комплексной переработки холбояьдкинскнх я тугнуйских углей проведенн на безе лаборатории энерголлазменных технологий ГО ГРЭС в накотло ТПЕ-215 Сет. & 5) ГО ГРЭС.,

Завиваемые в диссертации основные научные полокенкя и полученные результаты сформулированы в ЗАКЛЮЧЕНИИ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обоуаделнсь на Всэооюэных семинарах "Нестационарные дуговые 8 приэлектродные процессы в электрических аппаратах и плазмотронах" (Алма-Атав 1990; Улан-Удэ, 1991г.); Всеоовзнов нвучной конференции "Электротехнология-91" (Алма-Ата,1991 г.); XXIX научной конференции ВСГИ (Восточно-Сибирского технологического института) (Улан-Удэ, 1990 г.); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГИ с участием специалистов проектных и производственных организаций (Улан-Удэ, 1992 г.); научно-практической конференции по топливно-энергетическому комплексу Бурятии (Улан-^дэ,. 1972 г.); Ш регионального научно-практического совещания по проблемам комплексного развито производительных сил Бурятии (Улан-Удэ, 1979 г.); П научно-практическое конференции по гфобдамам развития производительных сил и рационального использования природных ресурсов бассейна озера Байкал (Уяан-Удэ, 1934 г.); научных семинарах Бурятокого института рационального природоиспользования и Институте тепло- • физики СО РАН, Алмр-Атинского энергетического института (19911992 г.г.); научно-технических совещаниях Министерства топливных ресурсов и энергетики Российской Федерации н ПОЭиЭ "Бурят-заврго".

. Публикации. Основное содержание диссертационной работы вложено в 7 научных статьях и докладах, опубликованных в еопубликанских и центральных изданиях; по теме диссертации эдано 5 заявок на изобретение.

Структура и объен работы. Диссертация состоит из введения; атнрех глав, заключения, вписка литературы и приложения. Работа зяожвна на 187 страницах, вклвчаощих 45 рисунков, П таблиц и ? ссылок на литературные источника.

Во введении обоснована актуальность избранного научного управления, сформулирована цель и основные задачи исследования, затко охарактеризованы основные результаты работы, отмечена их >учная ценность и практическое значение.

Глава I. Анализ современного состояния проблемы

сшгэния и комплексной переработки энергетических топлив при приемлемых экономических и экологических показателях.

Первая глава посвящена проблемам теплофикации в регионах а »вызенными экологическими требованиями, вопросам плазменной Iреработки, розжига а стабилизации горения топлива в энаргетн-ювих котлах.

Проведенный анализ литературных данных показал, что существу. ;ие методы повышения эффективности топливоиспользования и сияния вредных выбросов в ооновиом исчерпали себя,и необходима зработка принципиально новых технологий ожигания углей и жид-го топлива, обеспечивавших не только экономичность процессов,' и приемлемый уровень вредных пылегазовых выбросов. В чвот-оти» из-зв принципиальных недостатков использование техноло-и электротеплоснабетшм.(ЭТО) взамен теплоснабжения на базе шествующих методов сяагавия топлив в районах о легко ранимой

Ъ*'

окруаавщей средой (Байкальский регион) на удовлетворяет как с экономической, гак и о экологической точек зрения.

Наиболее перспективныи, на ваг взгляд, вариантом решения проблемы теплоонабления прибрежной гоны представляется плазменная газификация углей с комплексным использованием физического тепла, синтез-газа и полезных продуктов, полученных в результат Бездействия низкотемпературной плазмы на органичеокув (ОМУ) к ыинеральнув (ММУ) «ассу углей. >

Предлагаемая для зоны ¿айкала схема теплофикации (рисЛ) предусматривает создание плазменного реактора для газификации угля и переработки его минеральной части, использование котла-утилизатора физического тепла синтез-газа, газонаполнительной станции синтез-газа, дробильного оборудования в утилизации пэре рэботанной минеральной части. Схема теплофикации позволяет утилизировать физическое тепло не только газообразных продуктов переработки углей, но и тепло охдахдвщвй реактор воды, подаваемо й на подпитку тепловой сети, или ге использовать для охлаждения плазменного реактора обратную сетевув году.

Научные публикации отечественных и зарубежных исследователей, 8 текве накопленный б настоящему времени опыт, г освоении

©

плазменных технодогвй не позводявт в полной мере, без существенной доработка, применить их для Эффективного решения проблем экономически выгодной и экологически чистой теплофикации Байкал ского региона не базе местных энергетических углей.

Отоада ясно, чго предлагаемый вариант теплос^абкения Байкальской зоны, основанный на плазменных процессах, требует для своей реализации опережающего развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по создании новых промышленных

технология и разработке головных образцов плазменного оборудования.

Сказанное выше в основном и определило задача исследований диссертационной работа, заклвчаопдеася в научном обосновании новой концэгвди теплоснабжения, устранявшей недостатки, как традиционного с«игания углей, так и альтернативной схемы ЭТС региона; расчетно-теоретическом и экспериментальном исследовании плазменной газификации и комплексной переработки углей Бурятии на созданных образцах плазменного оборудования^разработке и освоении технологий блигзйпей перспективы - плазменный под«иг мазутного и воспламенение лылеугольного факела; определении оптимальных параметров рассматриваемых процессов а совершенствовании плазменных устройств для их осуществления о выдачей технологических рекомендация для практической рэализацап . выдвинутой концепции теплоснабжения; тохннко-эконоиичоской оценке эффективности плазменной переработка я воспламенения топлив.

Глава 2. Поджиг мазутного факела

воздупно-плазмаиной струой.

3 этой главе рассмотрено состояние» вопроса, выполнен- анализ способов активация топлпано-воздуаннх смэооа, обооновэи выбор способа воспламенения мазутного фзколэ плазменной отруэа а проведен выбор оптимальной конструкции линейного генератора постоянного тока на основании исследования ога энергетических характеристяз. Главный акцент в главе сделан на промышленных испытаниях плазменного воспламенения мазутного факела на котле ТИЗ-215 с?.& 15 ГО ГРЭС. На котле установлены ялоскофакельныв паромазутные форсунка типа "Веер-М" с расходом мазута 1000 кг/ч и пара 60 кг/ч. Плазмотрон помещался в дик. расположенный вблизи

мазутной форсунки в одной с ней горизонтальной плоскости. Расход воздуха через плазмотрон до 2,5 г/с при давлении З'Ю^ Па. Запуск плазмотрона осуществляли осциллятором с пробиваемым промежутком до 2 мм. йель экспериментов - в обеспечении надежного воспламенения мазуте при минимальном значении электрической мощности плазмотрона. %и испытаниях после подачи пара и мазута (Я Р я 9530 ккал/кг и вспышки Т«120°С) нажатием пусковой кнопки включали плазмотрон номинальной модность«) 20 кВт (V 3200 В., 1 = 100 А). Срез плазмотрона устанавливали на расстоянии 0,020,12 м от внелней поверхности конуса распыла мазута с углом раскрытия факела 78°. Через 3-5 сек. наблюдалось устойчивое воспламенение факела. В процессе исследований потребляемая модность плазмотрона была снижена до 5 кВт при сохранении устойчивости воспламенения мазута.

Во второй серии экспериментов была осуществлена плазменная подсветка мазутного факела в течении I часа (при мощности плазмотрона 15 кВт), обеспечивающая стабилизации горения мазута, что необходимо в известных случаях в связи с ухудшением качества жидких топлив.

промышленные испытания показали, что плазмотрон является безинерционным элементом, обеспечивавшим надежный поджиг мазутного факела и его подсветку в процессе розюга котла и молет быть включен в существующую систему защиты факела от погасания (ЗЗУ). Это позволит искдочить использование второго вида топлива (газа) и устранить еще одну операции (искровой подлиг газа) при традиционном воспламенении мазута. Экономический эффект от внедрения плазменного поджига мазута на ГО ГРЭС составляет более 200 тыс.руб/год (в ценах 1990 г.) при сроке окупаемости 0,75 года.

Глава 3. Плазменная переработка и воспламенение пылеугольных топлив.

В главо представлены термодинамические расчеты плазменной газификации и комплексной переработки тугнуйских и холбольдшш-скиху5урятил, Проведанные с помоцьа нодифицировзнного автоматизированного программного комплекса АСТРА-Э на персональной ЭВМ фирма ИВМ. Количество окислителя для процессов плазменной переработки углей Бурятии рассчитывалось о учетом их элементного состава. В частности, при комплексной переработке принимали зо внимание содержание кислорода не только э ОМУ, но я (в отличие от суцествуэцих технологий) в ММУ. В расчетах определяли состав газообразных и конденсированных продуктов переработки, тэмперз-туру процесса, а тзкзе удельные энергозатраты а потрабнуэ электрическую модность плазмотрона по следуецин аналитическим вира-

авКИЯМ:. + Нох'А Ц (т)0х} (I)

где^ равн - полная энтальпия смеси (угэль+окнслитэль),находящиеся в равновесном состоянии; ,7 по - стандартная энтальпия продуктов сгорания смеса;

(298)ок - стандартная теплота образования окислителя» - выедая теплота сгорания твердого топлива; 2ТТ»20Х ~ соответственно массовые доли твердого топянв) и окислителя в смеси (уголь+окислитель).

Определив такии обоазом 8 , , ио^сно рассчитать иинямадь-

уд.

нуа потребную электрическуа мощность, плазмотрона:

Р =>9 (5 + & ) кВт. (2)

гдэ - <г„. 50К - секундный расход твердого топлива а окислителя, соответственно.

В качестве характерного примера рассмотрим результаты расч чатз ходбольд.-шнекого угля (рис.2).Из рис.За видно, что газовая фэзэ при Т> 2000Л на 9сЗ-99^_состоит аз синтез-газа (СО+Н,),

используемого в вышерассмотренной схеме теплофикация в качестве экологически чистого топлива, т.к. концентрации N0% » }0¡¡ в сумме не превышают 3-5 мг/нм3, что на 2 порядка тле, чем при традиционном скигании этого <е угля.

Отличительной особенностью процессов комплексной переработки при высоких температурах (Т> ЗОООЮ является выход в газо-вуп фазу восстановленных из МЛУ металлов ( tdt ?f(L )

и металлоидов С 5 ),имевцих высокуо стоимость на мировом рынке, и способных при их утилизации резко повысить экономическую эффективность комплексной переработки углой.

Конденсированная фаза (рис.26) при температурах выио 180011 содер/5ит восстановленные компоненты карбосилиций (-5¿C) и ферросилиций используемых в качества высокотемпературного топлива и раскислителя сталей, соответственно.

Таким образом, при плазменной переработке СГя3200-34СКЖ) можно перевести ОМУ в синтэз-газ, свободный от оксидов серы в азоте, а оксиды ММУ М^О » др> восстановить

до ценных элементов.

Анализ результатов расчета показывает, что комплэкснув переработку углей мояно осуществить по двум технологическим схемам: низкотемпературной СГ»1600~2200К) с получением синтез-газа, ферросилиция, карбосилация и глинозема ц высокотемпературной (T=3I00~33üQíQ , целевыми продуктами которой является синтез-газ и ценные элементы ACf ty, Ti,К идр). Теплота сго-

рания синтез-газа, состоящего из ko-kTÍ СО и 53-55Í Hg н получаемого в обоих случаях при пароплазмечной газификации весьма высока и составляет 4600-5500 ккал/кг газае

Удельные энергозатраты на комплекснуа переработку и трабуе-мыэ для этого мощности плазмотрона представлены на рис. 3,

откуда видно, что возрастает с температурой нелинейно и для обоих углей имаот разнуо величину.

Конкротно, для низкотемпературной технологической схемы (Т=1800-2200К) 0. уд>=1,25-1,Ю квтч/кг угля (кривая I) и для кривой 2 - 1,0-1,1 квтч/кг угля.

Для высокотемпературной технологической схемц (Т*3100-3300Ю 9 уД<»2,^2,5 квтч/кг угля (кривая I), а для кривой 2 Я уд."1»7^-квтч/кг угля.

Необходимая электрическая мощность плазмотрона составляет

((?уг 3 1000 кг/ч), как видно аз рис.3 (кравио 3-6),для тугнуя-

ских углэа: Рэя> - 1150 кВт (Т-2000К) и Рэл#* 2620 кВт (Т-ЗЗООК).

э для холбояьдганского угля: ?эд * 1020 кВт (Т=2вдвК) и

Р„ » 2120 кВт (Т-ЗЗООК). эд*

Экспериментальная проверка плззиенной переработки углэа Бурятии была провэдона на созданной в лаборатории энергоплазменных технологий ГО ГРЗС установке (рис.4) о совмещенным плазменная реактором постоянного тока I. Мощность плазмотрона до 100 кВт, расход угля 2-15 кг/й, пара 1-3 кг/ч.

В процессе> экспериментов контролировались и' измерялись материальные и тепловые потоки во всех узлах экспериментальной установки, что необходимо для сведения материального и теплового балансов процессов плазменной газификации и комплексной переработки. Состав газов измеряли хроматографом Газохром-3101» а состав конденсированных продуктов дмфрэктометрон ДРОН-2. На основа сведения материального а.теплового балансов были определены интоградьнца показатели плазменной переработки хоябольдкинских углей (табл. I).

Табл.1

Теплотехнические характеристики и состав угля, нвоА

с"

,0

А° «16,71 Уг - 37,32 « 3700 ккал/кг

59

0.15

Интегральные показатели процесса, осредненныэ для трех серия экспериментов, сведены в таблицу 2.

Из таблицы слэдует, что в интервале температур 3300-3900 К,

определяемых из уравнений материального и теплового балансов

рассматриваемых процессов, достигнуты высокие показатели. При

О, „_ ■ 2,2-3,6 кВтч/кг выход синтвз-гаса составил 95,2-96,82, уд.

е степень газификации Хс * 93,5-96,42. Следует» однако,отметить необходимость оптимизации процесса по. удельны» энергозатратам и тоншрэтурм, добиваясь их существенного снижения.

По данным рэктгонофазового анализа I славах, отобранных нз илакооборника и дуговой каморы, наряду о аморфным материалом (ыулдитом.кварцем,глиноземом) содержится и восстановленный материал в виде кремния, ферросилиция и карбидов крамния и .железе»

Таким образом, результат экспериментов подтвердили возможность получения в единое плазменном технологическом процессе комплексной пэреррабогки углей Бурятии наряду о высококалорийным:' синтез-газон к ценных компонентов ММУ.

■Табл.2

Показатели плазменной переработки

fcx этдко пз ?збляца 2» при плззионнсп газафякащш угла а получает сяятоз-газ с взсокой твлпаратуроя, что требует утилизация его фяэячеехого -.гэплз "для позкоекия схонояячоской с$фвх?аз~ seers "п база пяозионнах гехнедогий. С целью ксслэдовпчяя еоз-ксгзФсгя тепла сйстоз-рэзэ» а зск.ад зхспорлмеиталь-

г.сЯ провоза онаррсууичэсяоз с£}зк?и2аост.| плээкзнних яояиолегяп пор-эрзйсгхя п воепдеггоиэтя пааэугольного фзлоло бая рэзрэбоадн и создай пп Сээо сарайного котла ^згзиорз-ШГ иззиостьо 140*5? уаззэрззльяал сзсясраяоягол&кяп стзяд (рло.54-. •;• /чзомиЗ з реактор IJ сантоз-гзз по ?ру<5опройзду 14 изо*;.. « зстол I, откуда поело охдзздоняя сгс ззлачаязг/г з йазлела 13 через труйу 19 a 2o:inpoccop 20, Хроно гсго, саитзз~гзз кокио ггодигь. в горелку 7 а асполъгогап. его для роз;ягэ а подезбткя еялзуголь-ного ¿-ззолз. Сгоад узкяэ позголясг поело Еклачаиая плазмотрона 9 (пра сгзлзчсвпс« р-ззвторо 12) а подача азросмееа з городку 7 песлэдогагь j:mk;i c/mneimcre госплзасяеияя угольной паля.

Из описанием стенда была проведена иетгапния пылоугольнерз иеспяаионошя холбольдяанекого угля (с р-эсходся до 5С0 кг/ч), педаизекего tr г;!;-!~й:?:гатояя II а горэлку 7. Пря • концентрации пяля з оэрсс::)«:: П„с-053 кг/кг и «оцнооти плазмотрона постоянного ?о»а 50 доспгглуго устойчивое сосплаиааошо топляга о песледугсш! ого до глгзииом з -капора 2, отзуда продузтц гораназ поступав? п пстэл I, гдо я парада8Т тепло появрхнеогям паграга» В прдассэ ясслвдсЕзяяй бал:? разработаны иа уровне изобрз-Tsrratl чогиро порспозтяззних конструкции вдазмонних устройств для всоязаязнеиия я газификация угольной паля (плазменный реактор с электродами ™апя 'лессчпне чзсн'% дэухотруйний плазменный зэпаяьаяк, порэдзпаасЯ плазменная реактор и плазмстран-реактор

с л^пязлп сло^и).

Глава 4. ТеккгЕО-эсоносшчоокиэ ■ оценки зффоггксйаотв ПДЭЗКЭКНЗЕ Пвропзбатси к восплзценекея ТОПЯКЕ.

Для оценка .зкзлога-экокакичаокой аффоктескосте разшчнцх охом топлофякецни прзбракной зоны Байкала разработав специальная к&тодмкв, базарусцзяся на определена: зпаткзк ?~ажвиоо1<-толэй и сниеэкия установленной иоцпасти бсточнвеоз элзктрээкзр-гй8» При этом принимается» что эколэгнчэсгкй ущэрб при плазменное технологии теплофикации g ЭТС одинаковой. Гзвшшн прзетка-отоя капитальные а постоянные эксплуатационные згтрзти. йспользоз ванне эффекта от выделения ценных компонентов КлУ при плэзион-ной переработке углей в капитальные затрате ка реконструкции распределительных и транзитных сетей с учагои уменьшения эдоктро-погребдэния при плазменной технологии а расчет ко приникается» Таким образом, эконохическув эффективность от топлафзкацяк ка . базе плазменной газификации, по ерэзнэкго о ЗТС, олрздехзикуи npia указанных условиях, сладуат расскатравс-уь esk юшикзгьвуп«

Экономическое обоснованна прзродоохранких кэрпрзятсР осуществляет оя по Ервтврзв правэдэнкых затрат И3Я;

3 Вн* .К ♦ И ♦ У « Э - П,. руб/год, (3)

где Бн * 0,15 - коэффициент, эффективности капвловонай; К - капитальные влоеения; У - ущерб опруяавивй среде, загрязнение атмосферы; И - эксплуатационные затраты; Э - экологический эффект от вэменэшя технико-экономических показателей энвргосистзкы (нэ учитывается); П - экэномячеокк£ аффекг ет >рззлазсцви побоч-.кой продукции (не учитывается)«.

Вираseнес для И икозт вид:

И - Я ' * ПУ- , руб/год, (4)

7ÙQQ * 1т-Г

гд® ^ т - погребная плановая мощность, Гкал/ч;

Пу - стоимость тонны условного топлива, руб/т.у.т.; - коэффициент эффективное?л лобой технологий.

Кэзффйцаэзт эффзкткакэста пяззизннзй тзкноаогки теплофикации t „ опрэдэгяот кз выраеткия;

■я • п 0 уд . Кэ ■ in . „V Я с-г ty^-tr^T- t (5)

. я;

где « ГОО * 4 J / (100 - Я'/?), ккал/кг;' Кэ - тепловой зквзвзгоит (I кВ?ч = 850 ккаа); 1 * 0,3- КПД плэзмзиной уагзнэвхз (баз утилизация ззпжз охлзядааяэа водм); Q, с_г ■ « 0.фйз + " поякзя удмыяя зноргяя скитэз-газа,ккэя/кг;

О ф,|3 ■ ^ Ср ciT. - физическое тепло; £1хкм - химическая энергия синтэз-гэзз, -разная его удольшй теплота сгорания:

где Ci ti Hi - концентрация а тзплогаорнзя способность i • J-го коипокзктэ ( I » Н^; СО);

■ tэл. - коэффициент эффэетивноота заработки а транспорта

элзктрээнаргии; В « (Byif - Взоди ♦ В^ - удельный

выход сйнтез-rass, кг/кг.

Капвложения находят яз формулы:

К = ^ * V - - -. руб/год, (б)

Вп

где К - удельные затрата т I кВт установленной мощности, руб/кВт; Вп - количество топлз, пояученногэ при расходе I квтч

зкоргнм прн плазменной газкфзкацяи угля;

Вп » В • Я 0_jy а уд.' ккал/кВгч. (7)

Расчет величин по выражениям (3-7) был проведен для туг-«уйсках и хоябольдхшиских углей с привлечением опнтшх данных з использованием программы "АСТРЛ-З". Для технологии ЭТС коэф-

фациент эффективности по данным ГО ГРЭС (1590г.) составил: 1этс = 0,36 ° 0,94 * 0,9 а 0,3, Для 56хпологй;з тсплосяабсзиул на базе плазменной газификации тугнуйсхвх в хсябодьдлаиезях уггга ^п, ссрэднешшй для обоих углей, равен:

f) 5Р - * = -MLt-^Л « 0,585. . (8) п 2 2

Определенные та кия о «Зразой галнчк!ш дял дьух периодов времена (1957 и 2000 г.г.) сведены и таблицу 3, из которой следует, что КПД пдазнг.и!сй схеми твпяоенабжишя из 951 suoa, чем по схеяз ЭТО. Такое соотношение приводит к двухкратной экономии топлива при плазмонной с хеке теплоснсб^эння.

При огом приведенные затраты снизятся при парохода е.? ЗТС к плазменной технологии г З.разв (1987 г.) ы в 2,8 pass (2000 г.), что при £Я2ной экологической чистоте обоих еяшз делает топяофикащзэ на базе плазменной газификации углей пред-поч-гяголыюп.

■ Теним образам» сршштслышй экономико-экологнч»>ск'.Ш анализ по прздложжной мвтодяко трох схон теплоснабжения (традиционная, зге я плазменная) доказал безуслояноо преимущество последней пврэд двумя остальными.

Расчет экономической эффективности плазменного весплама-нояия пылеугольного факела для ГО ГР0С бил проводок по отрзс-лоеой методике для внедрения новей техники на T3G (с использованием сгатотчатиосгн ГО ГРЭС на IS90 г.). В результате внод-рзния плазменной технологии воспламенения предлагается исключить расход мазута на розжзг и подсветку палоуго т: того факела на энергоблоках ГО ГРЗО, что дает экономически*. - 2/35 май. рублей в год в ценах 1990 г.

При утилизации ценных компонентов ММУ в процесса комплэк-

Сравненко аксномичоской оффективностн различншс схем топлосиабленил прибрагдюй зони Байкала

Существующая схема теплое п Мнения

Йлазыен "* ЗТС ноя схема тевдоснаб лгпия

. Таблиуа_3____________

_ _ 2Л0 :•. Суцссг- ~ "Илазг/.ён- ЭТС" вуадая пая схе-схема иа тепло ты, лее- снабпенкл

Н£бЖГЧ.1Я

I. Потребность а тсплогнергни ГкалЛсс 1192,91 1192,91 1192,91 1367,17 1367,17 1367,17

2. Чиряо часов отопительного сезона

3. КПД

4. Дополнительная одектричсс-иал мощность

5. Расход топлива

6. Ущерб, нвносгашй природа оз.Байкал

7. Стошость 1 квт.ч. установленной мощности

6. Стоимость топлива

9- Приведенные затраты

час/год 5760 5760

0,7 0,585

Нвт

тут/год . 1402277

•шс,руб/год1276П25

руб/кВт 169 169

руб/зут 12,56 12,58 •шо.руб/год 1293025 26106

5760 5760 0,3 0,7

5760 0,565

238 1455 - 273

1677939 3271981 1607122 1923052

1926094000

169 - 169

12,58 1^,58 12,58 83940 1946369 32130

5760 0,3

1667 37494®

169

12,58

92359

- сной пороработки. углей Бурягки экономический эффект от внедро-шзя плазнонных технологий существенно возрастает, поскольку но только устраняется загрязнсько окруетоцей среды шлевини выбросами и отчуждение земельных пловадей под золоотвалы, но и дополнительно получает тохарнув продукцию для других отраслей пре- . ыызлонносте. Оценке эффективности плазменной переработки тугнуй-ских в хоябольдешеккх углей проведена по мстодико Инстнгуто акоиокцкв с организации промпроизводства СО РАН в мировых ценах с учетои получения es ИФ слодуоашх компонащ-ов: iif Atf Mgf

ta) к; Fe } SlO f Ätg 0$ n Fe St , концентрации

которых взяты us расчетов, подобных приведенные на рис.2. Результаты в вадо зависимостей от температура суммарного выхода товарной продукции по хсеы указанны» компонентам показаны на р;зс.б. Как 13ЩШО IIS рИОс 6s в диапазоне 2300-2500 К максимальная стойкость товарной продукции, ввдедяаной из газовой фазы I t углой, достигает 26-28 тыс.долларов. Стойкость товарной продукции, вы-дсхаемой ва кочае^еировецной фазы (рас.бб), в интервале температур 1800-2000 К составляет 500-1000 долларов для холбольдкин-ского в I400-1800 долларов для тугнуйевого угля. Годовой экономический эффект о"т утилизации "ценных компонентов ИИУ п средней для обовх^тлоп составляет белее 8000 долларов на I ¥ натурального топлива. Указанная эффективность получена бег учета затрат на тонкие хсмпческно технологии вцдэлокия ценных элементов,

1зкш образом, комплексное использование плазменных технологий в прэд msonmü концепции теплофикации ие только рапа er окологичссгуо задачу, ко в ко«ст пр:шосто значительный эсономичс-с5её зффзет Ь uuposux цеяах.

-ЗА'ЯДИЧВНВВ I« На основе проведенного анализа состояние пробдеш сен-

is.-

гания и комплексной пораработки энергетических топлив для рагионов с повышенными экологическими требованиями показано, что существуищио катоды с.гаганяя углой на обаспачавазт приемлемы!) экономические и эвологичасаиз показателя.

2. Продлояана и обоснована новая концепция таплоснзбсзняя прибрелной зоны Байкала на база плазменных тахнологяй топливо-использования, устранявшая недостатка как традиционного иотода сстгания угля, так а альтернативного ему электротеплоснабааипя региона озера Байкая.

3. Разработан метод оценки экономико-экологической эффективности технологий топливэяспользования применительно к районам с особыми условиями прнродоисполъзовання.

4. Проваленный термохимический анализ процэосов плззнохана-ческой подготовка к слиганид и комплексной парэработки холбольд-лннских и гугнуйских углай с использованием универсальной программы расчетов многокомпонентных гэтарогенных систон "АСТРА"

что термохимическая подготовка оптимальна в интервале твигшратур 800-1200 К, комплексная пэрзрэбэ'гт для низкотемпературной технологической схема - з диапазона 1800-2200°К, а для высолотэмпоратуонэй - 3100-3300°К,

5. Для отработки плазменных технологий разработаны и смонтированы система г.лазмзикого воспламенения мазутного и пылеугольнога фэгелоз п провэдацы ик испытания; взедан в эксплуатация плазменный реактор для комплексной перэработка углэЯ с

сн чегазозодоснаблеавя я КИП, а тэ«е униворозлънца лаиэраторнь';" стенд для исслэдовансп эффективности плазменных технологи?, с утилизацией твпдз на базэ серийного хотлэ "Г'эгэморв?':

о. Экспериментальные исследования газификации а ломпдахс-ао;1 переработки \ол&эльд*й#зхзх '/глот а совмещенном плазменном

ьС

реакторе мощностьп 50 кВт показали, что степень перевода серы 2 гэзовув фазу - 96-97£. В газовой фазе получен синтез-газ состава: СО - ^ - 52-55I. Конденсированная фаза пред-

ставлена следуащими компонентами:

7. На основе проведенных исследований а полученных результатов для теплоснабжения населенных пунктов прибрежной зоны Байкала рекомендовано создание плазменных газификаторов мощ-ностьв 100-1000 кВт.

8. На экспериментальном стенде успедно осуществлен розжиг плазмой факела холбольджинского угля, что дает основание в принципе отказаться от мазута для розжига котлов и тем самым повысить экономичность и улучшить экологическую обстановку.

При плазменном розжиге устойчивое воспламенение достигнуто при концентрации пыли в аэросмеси 0,6-0,8 кг/кг и мощности плазмотрона 50 кВт.

При обеспечении экологически приемлемых показателей экономический эффект составит от внедрения плазменного воспламенения угля на ГО ГРЗС при замене мазута твердым топливом, за очет снижения мехнедожога и повышения КДД-брутто котла - 2,35 млн. руб./год.

9. Установлена Еысокая эффективность воспламенения мазута струей низкотемпературной плазмы при промышленных испытаниях

на котлах ТПЗ-215 и ЛдВР-20-13-250. Устойчивое загорание мазута наблюдалось через 3-5 сек. после подачи мазута в форсунку. Требуемая для воспламенения мазута минимальная модность плазмотрона составляла 5 кВт.

10. Комплекс проведенных расчетных и звспертшентальных исследований, а также технико-экономические оценки подтвердили

техническую реализуемость и экономическую эффективность предложенной концепции теплоснабжения экологически легко уязвимых рггненоз страны.

11. Комплексная переработка угля с извлечением ценных компонентов минеральной массы топлива значительно повышает экеномическуп эффективность процесса.

12. Сравнительная экенвмихо-экологический анализ трех схем теплоснабжения (традиционного,плазменного и электротепло-снабзения) показал преиц/щеетва плазменной схейы теплоснаблсе-ни2 Байхальзкей зены.

Основное содержание диссертации опубликовано в еллцущих работах:

1. Карпенко Е.И., Мельников С.А. Эненомическая эффективность использования вторичных ресурсов// Основные направления повышения производительности труда. - Улан-Удэ: Бурятское книзнее издательство, IS73 - С.95-101.

2. Емелнн A.C., Карпадко Е.й. О перспективах увеличения мерности Гусиновзерскоя FPX// Материалы третьего регионального научно-практического создания по проблемам комплексного развития производительных cim Бурятии. - Улан-Удэ, Бурятское книжное" издательство, 1981. - С.279-281.

3. Карпенко Е.И. Разработка технологии и установки для плазмен-но-деноративньгх покрытий строительных материалов// Тезисы докладе» XXIX Научной конференции. - Улан-Удэ: ЮТИ, 1990.-С.7.

4. Карпенко Е.И., Цьщьшва Д.Б. Проблемы разработки математических моделей электрических аппзратви в уелевиях автоматизированных испытательных стендвв на баз« микрв-ЭВМ// Неста-цизнарные дуговые я приэлзктрсцные процессы в электрических аппаратах и плазмотронах. - Алма-Ата: Институт математики и механики, - IS9I. - С.98-100.

5. Карпенко Е.И., Буян туев С.Л. Плазменные технологии топлива-использования и снижение выбросов в окрутащую вреду. СО РАН, ЕЧЦ, Байкальский институт рационального природопользования. Препринт. Улан-Удэ - 1992» - С.46.

5. Карпенко Е.И. Теплофикация на оснвве плазненна? технологии сжигания углей как средство решения экономических проблем Сна примере Байкальского региона)// Электрические станции.-1992. - » 10. - С.

7. Буянтуев С.Л., Дандарон Г-Н,Б., Карпенко Е.И. и др. Плазменная технология в решении экологических проблем Байкальского региона. Межвузовский сборник научных трудов.// Электротехнология.- 91. - Алма-Ата: АЭИ, 1992.- С.73-83

Рис Л- Схема теплофикация в регионах с '

потаенными экологическими требованиями:

I - плазменный реактор, 2 - шлакосборник, 3 -котел-уТилизатэр, 4 - газзнзполнительная станция, 5 - дробилке, 6 - пылепитатель,' 7 - утилиззтор минеральной части, 3 - источник электропитания, 9 - хакера разделения синтез-газа п шлака, 10 -баллон. .

С1о5% 100

Ь'Ц

Юс5**559кг

1200 #00 $000 В4О0 ВЮ0 }$Ь0

Рис.2. Равновесный состав тазо»ой (а) и конденсированной (б)

фаз в зависимости от температуры процесса комплексной,.,,,^ переработки холбодьдстнскйх углей (^21,32,0 Р=Э550Ш£; Смесь: 1000 «г угля + 510 кг пара "

- объемная концентрация газообразных компонентов; !

- нвгсовая доля конденсированных компонентов МИУ.

ДРА.ЯЗГ 3№

2000

аоо геоо вооо £4оо то зт то 4ооо Т. к 1 ■ ' ■ 1 ' 1 ' ' ' ' 1 ' 1 «

О £00 400 $00 МО то ¿200 хг/ц

Рис.3. Загисимость удельных энергозатрат от температуры и энергетической мощности плазмотрона ог рэсхода угля при комплексной переработке углей Зурягии.

I - гугнуйский; 2 - холбо1ьд*инс*ий;

3 - Т - 2000 К, 5 - Т = 3300 ¡{ (холбольдтанский)

4 - Т - 2000 л, 5 - Т = 3300 К (тугнуйсхий уголь)

о.

Рис.4. Схема плазменной установки для комплексной

( переработки и газификации углзй. I - реактор. 2 - камера разделения гага и влака, 3 - ш1акосборник, и - камера вывода синтез-газа, 5 - измерительная диафрагма, 6 - камзра охлаждения сйнтез-газа, 7 - пылепигатэль, В - система еодззн|го охлаадания, 9,10 - источники электропитания плазмотрона и хвтушки, 11,12 - двигатель и редактор.

Рас. 5. Схема эк^пвряччнтэльного стенда

для испытаний плазменных установок:

I - кэтел "Лэгэморв", 2 - камера сгиганяя, 3 - гляделки, 4 - отверстия для термопар, 5,3 - фланцы, 5 - завихрителъ вторичного гоздуха, 7 - хэнал ээросмеси, 9 - плазмотрон, 10 - патрубок первичного вэздухз, II - пыле-пиг-згель, 12 - бокс, 13 - плазменный реактор, 14 - трубопровод, 15 - циклон, 17 - дымовая труба, 13 - баллон, 1) пнлепровед, 2С> -компрессор.

Рис.6. Вдияниэ температуры процесса газификации на экономическую эффективность выхода газообразных (а.) и .сондексированных (б) продуктов перэработхи углей" Бурятии.

1 - тугнуйс.<ий уголь

2 - холбольдиинслий уголь