автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Комплексные исследования эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения

На правах рукописи

Елсуков Владимир Константинович

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

17 ЯНЗ "'113

Иркутск-2013

005048476

005048476

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) и ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Официальные оппоненты: Ноздренко Геннадий Васильевич

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет, профессор

Степанов Владимир Сергеевич доктор технических наук, ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет, профессор

Тюрина Элина Александровна доктор технических наук, ФГБУН ИСЭМ СО РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация - ФГБУН Институт теплофизики

им. С.С. Кугателадзе СО РАН (г.Новосибирск)

Защита диссертации состоится «12» февраля 2013 г. в 9 часов на заседании Диссертационного совета Д.003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ СО РАН) по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д.130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭМ СО РАН

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «21» декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.003.017.01 доктор технических наук, профессор Клер A.M.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность исследований

В диссертации рассматривается комплексный подход к повышению энергетической, экологической и экономической эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения. Исследуются новые и существующие технологии сжигания органических топлив, методы оценки образования вредных выбросов и способы их сокращения, вопросы энергосбережения и выбора структуры энергоисточников.

Для обоснования выбора направлений развития котельной техники, ее экологического и энергетического совершенствования необходим предварительный физико-химический анализ используемых технологий. Для оценки вида концентрации 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.

Представляемые исследования технологий сжигания различных топлив на теплоисточниках проводятся с помощью развиваемых в настоящее время термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), созданных в ИСЭМ СО РАН (СЭИ) Б.М. Кагановичем с сотрудниками. Практически важно теоретические исследования дополнить промышленными экспериментами.

Целями исследований диссертационной работы являются.

1) Анализ эффективности действующих источников систем централизованного теплоснабжения.

2) Развитие методики комплексных исследований источников теплоснабжения, включающей выбор структуры системы и технологий производства тепловой энергии в результате проведения теоретических и экспериментальных работ.

3) Выбор перспективных новых и способов модернизации существующих технологий производства тепловой энергии на теплоисточниках.

На основе проведенного анализа теоретических положений горения топлив и технологий производства тепловой энергии сформулированы задачи исследований.

1. Построение моделей процессов генерации вредных примесей при горении и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

2. Определение условий связывания диоксида серы (БОг) в конденсированный сульфат кальция (Са504) при сжигании КАУ путем совместного использования термодинамических моделей и натурных экспериментов.

3. Получение (с помощью составленных моделей) зависимостей концентраций образующегося бенз(а)пирена (Б[а]П) от вида топлива и

условий его сжигания. Выявление технологических мероприятий по одновременному снижению выбросов Б[а]П и оксидов азота (Ж>х).

4. Оценка влияния минеральной части КАУ . на генерацию N0* и расчетное сопоставление выбросов СО и Ж>х при сжигании КАУ и природного газа с получением качественных зависимостей концентраций образующихся загрязнителей от режимных параметров горения.

5. Определение с помощью термодинамических расчетов концентраций и вида фторсодержащих соединений (при усредненном содержании фтора в топливе).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.

6. 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 - ц2.

7. Проверка полученных результатов в промышленных условиях и разработка на их основе технических решений по совершенствованию технологий сжигания и золоулавливания.

8. Разработка энергосберегающих мероприятий включаемых в действующие и новые технологии производства тепловой энергии на энергоисточниках.

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

Методы исследований. В диссертационной работе применяется и уточняется системный подход, развиваемый в ИСЭМ СО РАН и предусматривающий поэтапное математическое моделирование энергетических процессов, установок и систем. Комплексность исследований обусловлена, также, сочетанием, при необходимости, математического моделирования и промышленных экспериментов.

Предметом исследования являются процессы генерации загрязнителей при сжигании топлив и технологии производства тепловой энергии.

Научную новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие положения. ,,

1. Методика исследований технологий производства энергии в источниках теплоснабжения, основанная на комплексном анализе энергетических, экологических и надежностных характеристик, включающая термодинамическое моделирование.

2. Термодинамические модели процессов образования вредных примесей (оксидов азота и серы, бенз(а)пирена, фтористых соединений) и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

3. Результаты термодинамического анализа экологических характе-

ристик процессов сжигания КАУ, природного газа и условий образования раствора серной кислоты в газоходах котла.

4. Технические решения по организации факельного сжигания в топках с мельницами-вентиляторами, слоевому сжиганию древесных отходов, полученные на основе экспериментальных и теоретических исследований.

5. Энергосберегающие технологии в производстве тепловой энергии (схем утилизации тепла конденсации водяных паров в конденсаторах турбин; установок для использования тепла дымовых газов в воздухоподогревателях котлов).

6. Технические решения по повышению эффективности золоулавливания в новых и существующих теплоисточниках, найденные на основе аналитических и экспериментальных исследований.

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

Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером научных исследований: сопоставлением результатов термодинамического анализа энергетических процессов и промышленных экспериментов; выполнением теплотехнических расчетов установок с использованием различных методик; сходимостью полученных результатов и данных других исследований.

Научная значимость работы состоит: в развитии методики исследования энергетических технологий на ТЭЦ и в котельных путем предварительного термодинамического анализа процессов генерации различных загрязнителей и их последующим комплексным рассмотрением с учетом энергетических и надежностных показателей; в совершенствовании теплоисточников и как элементов структуры систем теплоснабжения и за счет модернизации установок (систем) внутри теплоисточников; в разработке модели генерации Б[а]П на основе МЭПС при сжигании природного газа с учетом балансных ограничений на механизм процесса.

Практическая значимость полученных результатов. В работе выявлены наиболее перспективные технологии сжигания КАУ, древесных отходов и природного газа. Представлены разработки по модернизации существующих технологий производства тепловой энергии и золоулавливания. Показана возможность повышения экологической чистоты низкотемпературного факельного сжигания КАУ. Выявлена экономическая целесообразность освоения отечественными турбинными заводами теплофикационных турбин небольшой мощности (2,5-6 МВт) типа Т на начальные параметры пара р° =1,3 МПа и t° = 225 °С с последующим оснащением ими многочисленных теплоисточников страны.

Результаты работы использовались при разработке природоохранных мероприятий, совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания и производства тепловой энергии, улучшении структуры систем

теплоснабжения: территориальным комитетом по охране природы г. Братска; Сибирским отделением ВНИПИЭНЕРГОПРОМ; районной Гала-чинской котельной г. Братска;ТЭЦ-6 (Иркутскэнерго); лесопромышленным комплексом г. Братска (группа "Илим").

Также, результаты работы используются: при обучении студентов по направлению "Теплоэнергетика" в Братском государственном университете (БрГУ) в учебных курсах "Источники теплоснабжения", "Эксплуатация теплоэнергетических систем и установок"; при проведении под руководством автора научно-исследовательской работы "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив" (грант Минобразования 1 Гр-98).

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались на Международных (3 публикации), Всероссийских (9 публ.) и межрегиональных конференциях (11 публ.), отраженных в списке публикаций, а также на региональных научно- технических конференциях, проводимых Иркутским и Братским государственными техническими университетами.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 77 научных трудов, из них 9 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, 4 патента и 2 авторских свидетельства, 1 свидетельство программы для ЭВМ, 2 учебных пособия с грифами УМО. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 34 до 50% результатов. Положения, составляющие научную новизну, получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 272 наименований. Общий объем работы составляет 286 страниц и включает 36 рисунков и 27 таблиц.

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.

Кратко изложен анализ современного состояния теории образования ряда загрязнителей при сжигании органических топлив, а именно: канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на примере бенз(а)пирена (С20Н12), угарного газа (СО), оксидов азота (ИОх), 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 ^р уходящих газов. Особенно большая погрешность при определении ^ р. существующими методами получается для углей с высоким содержанием оксида кальция, типа КАУ. Кроме того, существующая методика совершенно не учитывает условий сжигания топлива.

Рассматриваются перспективные дли 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"ХФКС), 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 воспламенения угольной пыли предварительно нагретых (электроэнергией) поверхностей: то же при использовании плазмотронов; золоулавливание с использованием электрических, тканевых 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.

В первой главе излагается методика комплексных исследований технологий производства тепловой энергии. Методика основывается на системном подходе ИСЭМ СО РАН, предусматривающим иерархичность (поэтапность) структуры исследований, выполняемых по схеме: технологический процесс, технологическая установка и энергетическая система. На указанных этапах разрабатываются и применяются математические модели, соответственно, процессов (МОПР), установок (МОТУС) и структур (МОСТ). Комплексность исследований обусловлена как применением вышеуказанного системного подхода ИСЭМ СО РАН, так и сочетанием (взаимным дополнением) теоретических и экспериментальных методов получения новых знаний. Применительно к этим исследованиям вышеуказанный системный подход был уточнен. Схема исследований представлена на рис.1 .

На первом этапе определяются задачи исследований.

На втором этапе исследуются физико-технологические процессы, протекающие при горении топлив и последующей трансформации продуктов сжигания в газоходах, золоуловителях и атмосфере.

Изучение процессов проводится, в основном, на основе термодина-

мического моделирования, в частности, модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПф. Для исследования различных процессов применяются три модификации МЭПС (рассматриваемые в разделе 2.2): 1) без ограничений на механизм процесса; 2) с дополнительными балансными ограничениями на механизм процесса; 3) для расчета гетерогенных систем. Первые две модификации предназначены для расчета систем,' включающих идеальную газовую фазу и конденсированные чистые вещества, а третья - для систем, включающих, также, смешанный водный раствор нейтральных веществ и электролитов.

При изучении процессов образования отдельных загрязнителей окружающей среды термодинамическое моделирование было дополнено кинетическими исследованиями (учет нетермодинамических факторов). Таким образом, в разделе 2.2.1 были качественно оценены вид и концентрации фтористых соединений, содержащихся в уходящих газах котлов при сжигании канско-ачинских углей.

Экспериментальные исследования проводились при изучении следующих процессов: золоулавливание и золоудаление; измерение температурных полей в топках паровых и водогрейных котлов при одновременной фиксации выбросов различных загрязнителей; определение расходов и параметров различных Теплоносителей на котлах малой мощности при проведении энергоаудитов.

Моделирование установок включало: проведение предварительных технологических расчетов на основе известных методик; разработку предложений по модернизации установок; уточнение (при необходимости) методик расчета; проведение технико-экономических расчетов модернизированных установок.

Структуры технологий изучались автором на примере исследования системы теплоснабжения г. Братска. Оценивались два возможных направления совершенствования указанной структуры. Первое — это увеличение доли ТЭЦ в теплоснабжении города. Второе - внедрение теплонасосных установок. Расчет тепловой схемы действующего теплоисточника для оценки первого направления производился с помощью компьютерной программы «Источники теплоснабжения», разработанной в Братском государственном университете.

._-пг_

| Пастонсйка эдДан исгл5^э&аний

¿кспррц-«ен:па/!Ь-ные иссге-Зсйзния

Термсбинанические ие:/н;до6ания (НЗПО

X

5«? огвзничший на мех;ншм процесса

3=

учет ненкрко-Эинакических (ракаюрай

X

4

С 0ОДО.1-

шлталь-

ными

Эля

тпч расче-

«р-ани- та ге-

ченья- теро-

Н1» на генных

мг*а- систем

низм

про-

игсси

X

X

X

Принятие решении о ссбертенстЬсЬаниилроцессоа

|Нзйели|

МСПР

Разрабсткс нсЬах или сойершенспь 5о6ание известных 1):тснсйок и технологий

Упачнение кетсвики теллсЬэго расчета пылесиспен t кеяьнииами-Ьенпшляторами

Технико-экономические расчеты копмозгрвеа-гооб и пысесиггаея с я^льньцаки-Ьентиля.рор а ми

Тепловые и техникс-зконсничаскив расчвгпи квплой со с/юедып схигсшгм йгеЬесных ртовсЛ

Технико-экономические вогчепы по со&ершенст&оЗснш тегмобых схем и их злеиешпай на сцщемЬ^нщи); теплоисточниках

Тепловые и шехнико-зконт'ическиа расчеты

поверхностей нагре5о-когпло5 ¡с использованием йойянцх теплоносителей й»я утилизации теп.'-а щоЗящих еазоЫ

Тепловые и технико-экононические расчеты «саернизациийоэВухйпоаогееВашегей Вля утилизации тепла уходящих газов

X

Выбор установок и решений

X

Выбер струк.пурч т?*н магий теплоисточник^

Термодинамический анализ процессо5 бшорцч-нога ззгрязнрния екецуднщвц среды

Тея? с&ь1е и технисо-зкснс-мические расчеты по

_пер°5сдц рзйсннсй к.о.-пе.-ьной 6 ТЗЦ

Те х нико- э ко нэническ ие ра с ч е ты по Йн^Зреш.» крупных тгплзйых насосов 5 централизованные системы теплоснабжения

Н МОТУС |

мост

Рис. 1 — Схема исследований технологий производства тепловой энергии на теплоисточниках

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 (без ограничений на механизм процесса) была составлена модель процессов образования вредных примесей, которая имеет вид найти:

шах F(х) = £ cjX . = F(xc* ) '

(1)

при условиях

Ах = Ь , (2)

Dt(y) = {х :х < у}, (3)

G(X) = Е G j(x)Xj' (4)

j

х . > 0 , (5)

где х = (хь...Хп)т - вектор количеств молей компонентов реакционной

смеси; у = (уь.....уь)т - вектор количеств молей исходных реагентов,

у d X; Cj - коэффициент, ранжирующий вредность j - го компонента вектора X ; А - (ш X п) - матрица содержаний элементов в компонентах системы; b - вектор количеств молей элементов; Dt(y) - область (множество) термодинамической достижимости из у; G - энергия Гиббса; ext - индекс состояния равновесия, соответствующего экстремуму целевой функции; Jext - множество индексов компонентов, экстремальная концентрация набора которых должна быть определена.

Целевой функцией (1) определяется набор компонентов, экстремальная концентрация которых нас интересует. Матричное уравнение (2) представляет условие сохранения количеств молей элементов. Выражение (3) определяет область термодинамической достижимости. Знак «<» внутри фигурных скобок имеет термодинамическую трактовку: х < у, если из у можно перейти в х по непрерывной траектории, вдоль которой характеристическая функция (в данном случае G) монотонно не возрастает. В области Dt(y) соблюдается неравенство

G(Xe4) <G(x)<G(y), (6)

где Xeq - точка конечного (полного) равновесия. Вид функций Gj( X ) в правой части уравнения (4) определяется природой фаз, входящих в исследуемую систему, а также характером межфазных взаимодействий. Энергия Гиббса многокомпонентной идеальной газовой фазы и чистых конденсированных веществ в (4) определяется выражением

G(x) = I (о; + RT ln(p Ц)хj + Z g; • Xj, (7)

где гу - общее количество молей газообразных компонентов; О0- стандартная мольная энергия Гиббса .¡-го компонента, значения которой либо берутся из справочников, либо рассчитываются в зависимости от его молекулярного строения и других физико-химических свойств. Индексы ё и с относятся к веществам, соответственно в газовой и конденсированной фазах.

Составление списка веществ, участвующих в сжигании осуществлялось мной на основе анализа литературных данных. Он варьировался и включал в отдельных расчетах 190 компонентов в газовой и конденсированных фазах, состоящих из 12 химических элементов. Исходными данными являлись давление и температура, а также химические составы топлива и окислителя, которые задавались массовыми долями.

Расчеты проводились для двух видов топлива: КАУ и братского природного газа. Варьировались температуры и избытки воздуха. Для органической массы угля (ОМУ) была принята условная формула СН0 833, Оо ,293 N0,012* 8о,оо2- Минеральная часть угля задавалась суммой оксидов 8Ю2, СаО и др.

Были проведены серии расчетов, в которых в качестве целевой функции (1) последовательно менялись интересующие нас вредные вещества: С20Нг2, СО, ТМОх, 802, СаБ04, СаР2, НТ, НСНО, С82,

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

тш(С = £(С^ +КТ1пр^)х! + 1;Со0х1 + с:х„+1(С:+КТ1п^)х( +

' С78 ¡с ' ¡, О,

при условии:

Ах = Ь , (9)

х| > 0, (10)

где 1 , £с э 1п, 1е - множества, соответственно, газообразных веществ, конденсированных, нейтральных компонентов раствора и электролитов; \\> -индекс относящийся к конденсированной воде; Ст® - стандартная энергия

Гиббса 1 — ГО компонента; <т а - общее количество молей, соответст-

ё ' 8

венно, в газовой фазе и растворителе; Я,Т,Р - соответственно, универсальная газовая постоянная, абсолютная температура и давление в единицах СИ; у+;- рациональный (отнесенный к мольной доле) коэффициент

активности; 0 - постоянный коэффициент; + р сумма стехиомет-

рических коэффициентов катиона и аниона в реакции диссоциации j -го электролита.

Для определения коэффициента активности использовалась известная статистическая теория разбавленных растворов Дебая-Хюккеля,

согласно которой у i определяется по формуле:

где - заряды, соответственно, катиона и аниона, на которые дис-

социирует >й электролит; 1 - ионная сила раствора; хе- вектор количеств молей электролитов; ср и *Р - коэффициенты.

Для выявления влияния условий сжигания топлива на температуру образования конденсированного раствора серной кислоты был применен прием исключения из конечных продуктов сжигания (являющихся исходными реагентами в гетерогенной системе) веществ, реакции которых с другими компонентами системы протекают достаточно медленно. Это относится к конденсированным соединениям: Са804, СаС1, СаР2,СаС03.

МЭПС с дополнительными балансными ограничениями записана в виде (для фиксированных давления, температуры и исходного состава реагентов):

наити:

при условиях

шах Xj (12)

Ах = Ь , (13)

0,(у)={ X: X <у}, (14)

0(х) = £0.(х)хг (15) }

АН = Н(хех1) - Н(у) < Ч*, (16)

хг < ф,г е Я, (17)

х^ >0, (18)

где Н - энтальпия системы; Я - наборы индексов ограничений на макроскопическую кинетику; Ч'.ф - постоянные.

Неравенство (16) представляет дополнительные ограничения энергетического баланса, регулирующие, в частности, эндотермическое образование компонентов. Кроме того, задание различных значений в (16) позволяет поэтапно изучать процесс горения, поскольку каждому этапу

соответствуют свои значения Н и

Ограничения (17) составлялись в виде системы неравенств, включающих соотношения между основными углерод и водород - содержащими компонентами и требующих при окислении топлива, образования наряду с водяными парами угарного и углекислого газов. Указанные соотношения определялись в состоянии x(Grain (Н = Н(у))) . Достоверность этих соотношений была выявлена путем их сопоставления с результатами кинетических исследований зарубежных специалистов.

В разделе 2.2 представлены расчеты образования различных загрязнителей на основе (1)-(7) и утвержденных методик. .

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 2 С20Н12 + NO + NOz. Ее 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 минимальной - при применении газа.

Выбросы оксидов азота рассчитывались для КАУ и братского природного газа. Подтверждено, что главную роль в увеличении NOx играет температура. Значительно повышает концентрацию NOx 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 NaNOz)- В результате сопоставительного анализа сделан вывод, что при сжигании газа выбросы NOx могут быть ниже, чем при использовании угля; однако при применении и того, и другого топли-

ва для соблюдения допустимых значений удельных выбросов требуется организация процесса горения при низких температурах (< 1500 К).

Промежуточные термодинамические оценки по (1) - (7) выбросов угарного газа, фтористых и сернистых соединений выполнены автором совместно с С.А.Семеновым. Выводы получены автором самостоятельно.

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= 1,25. 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 1,25. а содержание фтора в исходном угле, составляет 6 г/т. Расчетным путем получено, что при сжигании угля в топке образуется фтористый водород (Ш7), а в температурном интервале 800-600 К возможен переход фтора в конденсированный фторид кальция (СаР2). 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 фтороводорода вместе с дымовыми газами (на котлах с твердым шлакоудалением).

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 БОг в СаБОд при низкотемпературном факельном сжигании были проведены экспериментальные исследования в районной Галачинской котельной г. Братска, оборудованной двумя котлами БКЭ-75-39ФБ 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 равновесии и могут быть ниже значений ПДВ; 3) выбросы БОг зависят от избытков воздуха (а) при сжигании, в частности, с ростом а на котлах с жидким шлакоудалением они увеличиваются, а на котлах с температурой горения < 1500 К - снижаются.

В разделе 2.2.2 с целью выявления возможностей повышения экономичности сжигания угля рассмотрена задача определения температуры

конденсации раствора серной кислоты (температуры точки росы - (t,.p). 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 = 1,5. 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 = 1400 К начинается примерно на 25° ниже, чем продуктов горения с Тг= 1900 К соответственно ~ 325 К и 350 К.

Определено что на значение t^ оказывают противоположное влияние избытки воздуха при горении а, ив уходящих газах ауг. Анализ полученных результатов показал, 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 на котлах с температурой горения ниже 1450 К.

В разделе 2.2.3 автором представлен термодинамический анализ экологических характеристик процессов сжигания природного газа, выполненный на основе модели (12)-(18). Предварительными расчетами было выявлено, что термодинамически возможны состояния, в которых экстремальные концентрации бенз[а]пирена (х ) включали весь углерод

топлива (природного газа); при этом водород топлива переходит в различные соединения, прежде всего в воду. Поскольку такие состояния не соответствуют реальному горению, то последующие расчеты проводились с использованием ограничений (17), записанных для основных образующихся углеродсодержащих компонентов в следующем виде

где индекс «§» относится к веществам в газообразном состоянии.

Концентрации образующихся водородеодержащих компонентов и N0* были ограничены значениями, определенными в состоянии х(Отл (Н = Н (у))) , и записаны неравенствами

хСо> 1,9 хн2 Хсо> 1,25 хН; хСо>0,87Хр,

H2o/g»

>

(19)

хсо2>0,23 х

H20/g

XNO'XHNO'XHNC,2

XHNO, ' XNH ' ХШз ' XNH, 'Х.Ч,Н; ' XNjI[10!

x ho 2 ' хн2о2 —

хон <0,61 X,

<0,001 X

Г (2°)

■H20/g

Различные состояния, соответствующие процессу начала горения, задавались варьированием концентраций образующихся водяных паров, которые определялись неравенствами (17) в виде

где у — число молей газообразной воды, которое менялось с последовательным увеличением вплоть до значений состояния (х(С"п(Н = Н(у))))> в котором у составляло 54,5.

„ ехг

Из результатов расчетов следует, что хБаП уменьшается по мере

образования водяных паров и, соответственно, разрушения метана, а затем резко падает (—*0) вблизи состояния Х(0"""(Н = Н(у)))' ® состоянии

начала горения (и образования водяных паров) концентрации Б[а]П и метана увеличиваются сравнительно с исходным (у) за счет разрушения других насыщенных углеводородов. Можно предположить, что состав топлива влияет на генерацию Б[а]П: чем больше в нем тяжелых углеводородов, тем легче образуется Б[а]П. Содержание кислорода в рассматриваемом состоянии максимально, поэтому следует сделать вывод, что Б[а]П образуется в процессе пиролиза.

На следующем этапе исследований изучалось образование различных загрязнителей в процессах пиролиза топлива, предшествующих его горению. В связи с полученным выше выводом о близости состояния х(От1п(Н = Н(у))) реальному горению, процессы пиролиза были рассмотрены в состояниях промежуточного равновесия х(От,°(Н = Н(у)))> определенными расчетами системы (12) - (16), (18), т.е. без учета кинетических ограничений. Варьировались малые избытки воздуха (а = 0,0 0,3), сравнительно небольшие температуры (Т = 500-2000 К) и влагосодержания топливной смеси (Унго = 0,0 -0,3). Часть результатов иллюстрируется рисунком 2. Вектор X включал 8 ПАУ, из которых 4 (Б[а]П, ди-бенз[а]антрацен - С22Н14, дибенз[ао]пирен - С24Н,4 и холантрен - С2оНм) являются канцерогенноопасными, другие - нет. Изменения концентраций С22Н14 и С24Н14 аналогичны Б[а]П, но имеют ~ на порядок меньшие значения и на рис.2 не показаны.

Рис. 2 Концентрации различных углеводородных соединений, .определенные в состоянии промежуточных равновесий, в зависимости от избытков воздуха а.Уно=0;Т = 2000 К.

Из рис. 2 следует, что в состоянии х(о-(Н = Н(у))) БМП имеет

максимум (Ун20 - 0,0 и Т = 2000 К) при а = 0,1, как и другие ПАУ за исключением холантрена. При увеличении а > 0,1 концентрации всех ПАУ снижаются и становятся пренебрежимо малыми при а> 0,3. Экстремальный вид зависимостей концентраций ПАУ от а можно объяснить разнонаправленными процессами: с одной стороны разложения насыщенных углеводородов, а с другой - увеличения СО. Экстремально велики при а = 0,2 значения НСИ, что позволяет предположить появление цианво-дорода в факеле, преимущественно, в результате пиролиза.

Влияние водяных паров на генерацию рассматриваемых углеводородов в какой-то мере аналогично влиянию воздуха: при Уц20 > 0,2 концентрации ПАУ, а также ИСК пренебрежимо малы.

Влияние Т на генерацию различных ПАУ существенно отличается: концентрации Б[а]П, СиНю с ростом Т (500 - 2000 К) снижаются, а концентрации СгоНм, СюН8 - увеличиваются.

Таким образом, результаты расчетов состояний х(От'п(Н = Н(у)))> в

которых варьировались а, температуры нагреваемой смеси и концентрации в ней водяных паров показывают, что снизить выбросы ПАУ можно различными способами. Так, регулирование температуры нагреваемой смеси представляется малоэффективным, особенно с учетом необходимости снижения выбросов N0. Принципиально возможно смешивание топлива с воздухом при а = 0,3 перед нагревом. Взрывоопасное содержание смеси при этом значении а не достигается. Однако такой способ снижения генерации ПАУ во многих случаях может потребовать существенной реконструкции горелочных устройств из-за увеличения диаметров газопод-водящих труб. Наиболее перспективным из рассмотренных способов представляется предварительное смешивание топлива с водяными парами при значении 0 г > 0,2 кг на 1 кг газа. Температура точки росы дымовых газов при этом возрастет примерно на 2...3 К, т.е. практически несущественно для работы газоотводящего оборудования котлов.

Из сопоставления результатов термодинамических расчетов со-

стояний конечных равновесий с различными кинетическими исследованиями по трансформации загрязнителей в газоходах котлов сделан вывод о целесообразности установки (для снижения выбросов ЫОх) дополнительной ступени дожигания перед пароперегревателем (пп), либо в рассечку между его ступенями с получением температуры газов в интервале 1150 - 1200 К путем подмешивания воздуха. Избыток воздуха после предыдущей ступени может составлять ~ 1 ± 0,05, а после предлагаемой ~ 1,1

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

Исследования, результаты которых изложены во второй главе, показали, что наиболее эффективное факельное сжигание КАУ возможно осуществлять при температурах горения ниже 1450 К. Обосновано, что наиболее подходящими для реализации такого сжигания являются топки, оборудованные пылесистемами 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 пылепроводами со всеми горелками котла (рис.3). 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.

± 0,05.

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.

реализующая способ регулирования нагрузки котла

1 — топка котла; 2 - горелки; 3 - пыле-проводы; 4 - мельницы-вентиляторы

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 поток аэросмеси от горелок направляется тангенциально к воображаемому кольцу в центре камеры сгорания. В этом случае представляется возможным достичь устойчивого горения при более низком температурном уровне в топке.

Предложены формулы, уточняющие методику расчета пылесистем прямого вдувания с МВ в части определения расходов газов через МВ и дымососы котла при любых режимах его работы.

В частности, для расчета вентиляционной производительности (ВП) при нагрузках МВ по топливу, отличающихся от справочных, предлагается формула

у р = у с,,р + К • (Вр - В 'пр ), (22)

вл.см вл .см \ у у /

где - расход газов (влажной смеси) за МВ при справочном расходе

топлива (тыс. м3/час); ВР,ВС"Р - соответственно, расчетный и справочный

расходы топлива (т/час); К- коэффициент пропорциональности, при Всп? < 25 Т/'4 - минус 0,7, при т/ч - минус 1,7, при

В ",р >25 т/ч - минус 2. (тыс. м3/т). Точное значение К должно определяться при испытаниях пылесистем, а вышеприведенные значения являются ориентировочными.

Использование формулы позволяет, в ряде случаев, уточнить выбор типоразмера МВ.

На примере районной Галачинской котельной г. Братска, оснащенной водогрейными котлами типа КВТК - 100-150 с МВ-1600/400/980, проведен расчет (оценка) экономического эффекта и срока окупаемости от внедрения рассматриваемой технологии регулирования мощности котельного агрегата.

Согласно расчета экономический эффект от внедрения рассматриваемой технологии на одном котле за отопительный сезон продолжительностью 3600 часов составит ЕАЗ= 1 млн. 570 тыс. руб. (в ценах 2010 г.). Это значение не учитывает снижения затрат (из-за отсутствия данных) на покупку мазута и уменьшения загруженности оперативного персонала. Указанные затраты снизятся в связи с повышением стабильности (надежности) горения. Капитальные вложения можно оценить близкими к экономическому эффекту, а срок окупаемости ~ 1 год.

Во втором разделе главы рассматривается новая технология регулирования вентиляционной производительности (ВП) МВ, разработанная и запатентованная автором совместно с к.т.н. Г.В. Паком. Цель разработки - уменьшение необратимых потерь энергии при регулировании ВП, когда число МВ на котле не меняется. Способ заключается в том, что дросселирование всасывающего тракта вентилятора осуществляют топливом, количество которого меняют на наклонном участке топливопровода

перед МВ в обратной зависимости от расхода газов. На рисунке 4 представлено устройство для реализации способа. На наклонном участке всасывающего тракта 2 устанавливается поворотный шибер 1. Шибер создает с нижней стороной газохода угол а, величина которого может меняться в зависимости от потребности в газах. Через вершину регулируемого угла проходит ось вращения 3 шибера, связанная с электроприводом.

Устройство работает следующим образом. При большом расходе топлива регулируемый угол равен нулю и шибер не задерживает топливо 5, стекающее по наклонному топливопроводу на поверхность шибера и далее в МВ 6 , поскольку угол наклона топливопровода на практике делают большим угла естественного откоса топлива. Расход газа при этом максимален. При малом расходе топлива регулируемый угол может быть увеличен вплоть до 90 градусов, высота слоя топлива находящегося на нем, возрастает, а расход газов уменьшается.

При этом из-за накапливания топлива на шибере с увеличением угла поворота наибольшая часть сечения топливопровода будет перекрываться топливом и время его пребывания во всасывающем (сушильном) газоходе 7 возрастает. Были проведены расчетные исследования по определению технико-экономических показателей рассматриваемого устройства, в которь1х использовались результаты промышленных экспериментов действующих пылесистем, полученные немецкими специалистами. Исследования показали, что дополнительный съем влаги в устройстве составит » 1,5% от массы рабочего топлива, а экономия электроэнергии от 0,6 до 8,4% в зависимости от получаемой влажности пыли. Отмечено, что в условиях высокотемпературной газовой сушки с температурой = 500°С следует ожидать переход азотсодержащих соединений топлива в молекулярный азот - N2 и, соответственно, снижение генерации вредных Ж)х при сжигании.

В третьем разделе главы рассматриваются топочные устройства для сжигания древесных отходов. Отмечено, что применяемые в настоящее время топки скоростного горения плохо регулируются при изменении качества топлива, требуют ручного труда» имеют большие габаритные размеры и высокую металлоемкость. Для преодоления указанных недос-

Рис. 4 - Способ регулирования вентиляционной производительности мельницы-вентилятора и устройство для его осуществления 1 - поворотный шибер; 2 - всасывающий тракт; 3 - ось вращения шибера; 4 - газы; 5 -топливо; 6 -мельница-вентилятор; 7- газоход

татков автором совместно с Г.В. Паком и С.Л. Семеновым разработана и запатентована конструкция топки - котла для сжигания древесных отходов, представленная на рис. 5.

Рисунок 5 - Топка - котел для сжигания древесных отходов

Выше цилиндра на вертикальной штанге подвешен конус 7 со стержнями 8. Топливо в котел поступает сверху из бункера 9.

Применение изобретения позволит регулировать топочный режим. При использовании влажного топлива поршень 5 поднимают, увеличивая высоту слоя и устойчивость его горения. Регулируемость повышается, также, перераспределением воздуха на первичный и вторичный, который подается в камеру дожигания тангенциально. Реализация предложенной компоновки топочных устройств позволит обеспечить минимальные габариты и металлоемкость котла в целом, поскольку при экранировании стен камеры дожигания охлаждаемыми трубами увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания и. соответственно, повышается съем тепла подобно тому, как это происходит в кольцевых топках.

Согласно, предварительных расчетов КПД предлагаемой топки может быть повышен сравнительно с аналогами ~ на 5% и более от уменьшения химического и механического недожогов (при вихревом горении).

В четвертой главе рассмотрены возможности повышения эффективности батарейных циклонов с улиточным и полуулиточным подводом газов 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 желобка 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 - производственников (В.Т. Швало-вым, JI.B. Румянцевой и H.A. Якименко) предложено устройство, в котором реализуется следующее техническое решение: течки от бункеров, находящихся под различным давлением, снабжаются патрубками, кото-

Шахтная камера сгорания 1 смонтирована соосно в цилиндрической камере дожигания 2. Камеры горения и зажигания разделены зажимающей решеткой 3. Первичный воздух подведен в камеру сгорания снизу через цилиндр 4 с отверстиями. Внутри цилиндра установлен поршень 5, а с его наружной стороны закреплены скребки 6.

рые 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.6. В результате использования изобретения средний КПД ЗУ за отопительный период возрос на 13% и было дополнительно уловлено около 600 т. золы в год.

Для оценки эффективности различных реконструкций ЗУ типа ЦБР - 150 У автором совместно с Семеновым С.А. предложена формула

, = (N - п)п- + п -л™ , (23) "" N

где N, п - число всех циклонных элементов в установке или камере и число забитых элементов соответственно: •Пп,ах —

1уст Iyer

максимальный и минимальный КПД установки. Сопоставление значений КПД,

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

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 (за-биваемости циклонных элементов) и заряженности пылегазового потока. Для проверки предположения автором совместно с Семеновым С.А. проведены аналитические и экспериментальные исследования. Постановка задач этих исследований и представленная редакция выводов принадлежат лично автору.

Получено, что при трении в циклонных элементах с полуулиточным подводом газов значение заряда мелкой неуловленной золы увеличивается примерно на три порядка от 1,8- 10'5Кл/г на входе в ЗУ до 1,8 • 10'2 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.

Рис 6. 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.

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: 1. соблюдение безопасных скоростей в циклонных элементах; 2. повышение относительной влажности газов на входе в ЗУ; 3. создание оптимальных конструкций циклонов. Показано что технологические способы (1 и 2) имеют ограничения на применение и недостаточно эффективны.

Автором совместно с Семеновым С.А. и Бондаренко A.B. разработана конструкция циклона, в которой реализован принцип емкостной защиты от статического электричества (рис.7). Циклон 1 имеет металлическую поверхность, установленную у выхода из течки 6 и выполненную в виде диффузора 2, уменьшающего скорость отрыва золы от циклона. Электрическая сила притяжения золы к течке находится в прямой зависимости от уменьшения скорости отрыва золы от циклона, и залипания течки не происходит. Диффузор выполнен с высотой £, не превышающей 1,5 диаметра корпуса и углом а между его образующей 4 и осью равным 10-35 градусам.

Применение этой запатентованной конструкции позволит не только избежать забития циклонных элементов, но и повысить «парадный» КПД, поскольку диффузор 2 охватывает аэродинамический вихрь 3, сохраняя его симметричную форму и уменьшая этим вторичный унос золы очищенными газами.

Поскольку технологические способы имеют ограничения на применение, необходимо использовать возможности всех рассмотренных (и технологических и конструктивных) мероприятий.

В пятой главе рассматриваются технологии энергосбережения на ТЭЦ и в котельных. В первом разделе главы ¡исследуются традиционные технологии производства энергии. Энергосберегающие мероприятия в

Рис. 7 Циклон для улавливания пылей, имеющих низкую электропроводность

этих технологиях разделены на четыре направления: 1) совершенствование тепловых схем теплоэлектростанций; 2) совершенствование тепловых схем котельных установок; 3) выявление и поддержание оптимальных режимов работы теплоэнергетического оборудования; 4) внедрение и использование частотно-регулируемого электропривода.

Эффективность первого направления оценивается на примере оптимизации схемы и условий работы конденсатора турбины ПТ-60-130/13, установленной на промышленно-отопительной ТЭЦ г. Братска. Рассматриваются два мероприятия по снижению потерь тепла в конденсаторе. Первое - секционирование поверхности конденсатора. Второе - перевод турбины в противодавленческую путем отключения последних ступеней турбины вместе с конденсатором.

Секционирование включает выделение в конденсаторе отдельных секций (отсеков), в каждом из которых пар отдает теплоту конденсации различным потокам воды, используемым на ТЭЦ. Предложена компоновка отсеков один над другим в вертикальной плоскости. В верхние отсеки необходимо подавать водяные потоки с большей температурой, а в нижние - с меньшей, что улучшит откачку неконденсирующихся газов и повысит общий коэффициент теплопередачи.

Предлагаются формулы, уточняющие методики теплового и технико-экономического расчетов сравниваемых вариантов снижения тепловых потерь. При секционировании конденсатора в каждом отсеке будет использоваться лишь часть теплоты парообразования (г„). Методику теплового расчета можно кратко описать следующим алгоритмом: задается величина г„; рассчитывается по известным уравнениям коэффициент теплопередачи (К), определяется используемая поверхность нагрева (Рн0); уточняются значения ги и температур теплоохлаждающих потоков на выходе из отсека.

Экономические эффекты в сравниваемых мероприятиях рассчитывались по изменениям энергетических потоков в тепловой схеме станции.

' Так, в первом мероприятии общая прибыль предприятия (ЕП) была принята равной выручке.от реализации дополнительной тепловой энергии (ее изменению), полученной в конденсаторе (Вк). Во втором мероприятии величина £П кроме Вк включала еще одно слагаемое - разницу выручек от продаж электроэнергии, Недовыработанной в последних ступенях турбины и тепловой энергии эквивалентного количества. Применительно к условиям ТЭЦ-6 г. Братска при соотношениях цен на тепловую и электрическую энергию 2011г получено, что реализация любого из мероприятий дает существенную прибыль, но первое выгоднее, чем второе (ЕП соответственно » 17,4 и 10,1 млн. руб в год).

В рамках второго и третьего направлений необходимы мероприятия по уменьшению потерь тепла и воды в теплоаккумулирующих и теплооб-менных аппаратах, режимно-наладочные испытания оборудования и его эффективная эксплуатация. Потенциал энергосбережения 2 и 3 групп тех-

нологии оценен автором по результатам энергоаудита теплоэнергохозяи-ства локомотивного депо станции «Вихоревка» (Иркутская обл.). Для снижения энергетических потерь были разработаны и оценены (в ценах 2003 г.) следующие мероприятия: 1. установка пароструйного эжектора для утилизации выпара с конденсатного бака (экономический эффект (Э) -727 тыс. рублей); 2., возврат конденсата с технологических цехов с помощью дополнительно устанавливаемых насосов (Э ~ 873 тыс. рублей); 3. установка парорасходомеров на котельных, вентиляторов «острого» дутья, регулировка режимов горения (Э ~ 887 тыс.рублей); 4. подвод трубопровода технической воды к технологическим потребителям (Э ~ 659 тыс. рублей). Срок окупаемости представленных мероприятий изменялся от 2 до 20 месяцев.

Для котлов малой мощности (на которых отсутствуют парорасхо-домеры) предлагается методика определения расхода топлива, основанная на зависимостях между расходами топлива, дымовых газов и воздуха.

Отмечено, что технологии четвертого направления требуют значительных капиталовложений. Для их снижения предлагается выбирать преобразователь частоты не по установленной, а по максимальной потребляемой мощности двигателя. Предлагаются уточняющие методики для расчета эффективности внедрения преобразователей, соответственно, на тягодутьевом оборудовании и на насосном.

Во втором разделе главы рассматриваются технологии передачи теплоты уходящих газов водяным теплоносителям и методики расчета экономии энергоресурсов при утилизации этой теплоты.

Для определения значения температуры точки росы (^.р.) на действующих теплоисточниках предлагается формула, отличающаяся от известной тем, что приведенное содержание серы в топливе (8рпр) умножается на коэффициент, представляющий долю перехода серы топлива в диоксид серы. Формула примет вид:

пр пл шах н л V Зи -»

ТР- Р я АР '

1,05 " * 24)

где аун - выход зольного уноса; р - эмпирический коэффициент;

<30™" - соответственно, фактически измеренное и расчетно-максимальное

содержание диоксида серы в дымовых газах, мг/м3.

Расчет экономии энергоресурсов и экономического эффекта предлагается проводить в зависимости от условий работы теплоисточника (их изменений) в четырех различных случаях (вариантах): 1. утилизируемая теплота (УТ) компенсирует теплоту, вырабатываемую котельными, либо редукционными установками ТЭС; 2. УТ компенсирует теплоту отборного пара и его энергия частично используется в турбине; 3. УТ компенсирует теплоту отборного пара и его энергия полностью используется в тур-

бине; 4. УТ частично компенсирует энергию отборного пара, и его энергия полностью полезно используется в турбине. Для всех случаев представлены методики расчета.

Выделено два технологических направления утилизации тепла без конденсации водяных паров: 1. передача теплоты воде в дополнительной поверхности нагрева; 2. передача дополнительной теплоты питательной воде в имеющихся поверхностях нагрева, достигаемая предварительным снижением температуры этой воды. Расчетами получено, что установки первого направления позволяют снизить температуру уходящих газов со 150-170 °С до 100-110 °С применительно к котлам паропроизводительно-стью от 50 до 320 т/ч, а срок их окупаемости меняется в зависимости от материала изготовления от 1 до 3-х лет. Меньший срок относится к чугунным, а больший - к стальным поверхностям. УТ по второму направлению может быть очень выгодной, если потери тепла в конденсаторе меняются незначительно. Так, расчеты автора применительно к ТЭЦ с турбиной ПТ- 60-130/13 показали, что отключение одного регенеративного подогревателя при сохранении расхода пара на турбину, дает дополнительную прибыль от реализации электроэнергии и экономии топлива в размере 5 млн. 516 тыс. руб. (в ценах 2006 г.).

Автором рассмотрены две группы технологий утилизации тепла с конденсацией водяных паров, в которых используются теплообменники, соответственно, контактного и поверхностного типов. Выделены три технические проблемы, препятствующие развитию технологий: 1. опасность ухудшения санитарно-гигиенического и технологического качеств нагреваемой воды в контактных теплообменниках либо приобретение сильных коррозионных свойств конденсатом, выделившимся из газов в поверхностных теплообменниках; 2. сложность и не всегда высокая надежность схем подсушки дымовых газов после теплоутилизатора; -3. различие и сложность методик расчета теплоутилизаторов дымовых газов с конденсацией водяных паров. Сделан вывод, что первые две проблемы могут быть преодолены путем использования замкнутых схем циркуляции, биметаллических теплообменников и подсушкой «холодных» дымовых газов воздухом. Для решения третьей проблемы необходимо накопление дополнительных материалов экспериментальных исследований.

Внедрение рассматриваемой технологии с контактными теплоути-лизаторами на котле паропроизводительностью 60 т/час окупается за срок менее 0,5 лет при экономическом эффекте более 1 млн. руб. в год (в ценах 2001 года). Близкие расчетные значения экономических показателей получены и для технологии с поверхностными теплоутилизаторами.

В третьем разделе главы рассматриваются технологии энергосбережения в воздухоподогревателях котлов. Исследования проводились совместно с инженером Елсуковым К.В. Были сформулированы три технологических направления дополнительной утилизации тепла уходящих газов в воздухоподогревателях (ВЗП) котлов. Первое. Это уточнение и

поддержание оптимальных значений температур воздуха на входе в ВЗП (V). Второе. Создание перекоса входных температур (V) воздуха по высоте первого хода с увеличением их сверху вниз. Третье. Внедрение новых способов и схем подогрева воздуха в ВЗП и перед ним.

Значение V предлагается определять в зависимости от температуры стенки воздухоподогревателя 0^.), коэффициентов теплоотдачи от воздуха к стенке (ав) и от стенки к газам (аг), а также температуры уходящих газов

(«ух). = *„(".+ а г) ~ (25) а .

Значение ^ следует определять (согласно нормативных документов) на 5-40 °С выше ^р, которая, как было показано в разделе 5.2, определяется содержанием Б02 и Н20 в дымовых газах. Отмечено, что величина С должна изменяться в зависимости от указанных параметров и иух на десятки градусов. Расчетами получено, что снижение на 3 °С уменьшает г)^ = на 1 °С.

Создание перекоса температур по высоте хода (ВЗП) позволит снизить среднее значение при сохранении постоянного значения ^ Указанный перекос можно получить изменением конструкции калориферов, в частности, уменьшением поверхности теплоотдающих элементов в верхней части. Для различных конструкций ВЗП перекос может составить 1030 °С, а снижение среднего значения ^ - 5-15 °С.

В рамках третьего направления рассмотрены 3 новые и 2 известные технологии подогрева дутьевого воздуха.

На кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Братского государственного университета разработан и запатентован способ увеличения тепловой мощности рекуперативного многоходового ВЗП. (Далее по тексту: схема и способ ступенчатого отвода теплоты). Способ включает предварительный подогрев воздуха в калориферах с последующим частичным нагревом и охлаждением в ВЗП до значений, исключающих снижение температуры стенки ниже ^р. Схема для реализации способа на крупном котле с двухпоточным воздухоподогревателем показана на рис. 8. В «холодную» секцию 3 направляют предварительно подогретый в калориферных ступенях 5 (1 и 2 ступени) воздух Б, охлаждение осуществляют ступенчато в теплообменниках 3-й ступени, которые устанавливают по ходу движения воздуха, начиная с «холодной» секции. Число ступеней охлаждения определяется технико-экономическими расчетами в зависимости от конструкции и условий эксплуатации котла.

Разработаны и рассмотрены, также, две комбинированные технологии, в которых авторы стремились объединить сильные стороны технологий каскадного подогрева и ступенчатого отвода теплоты. Комбинирование включает установку первой ступени охлаждения в «холодной» секции ВЗП и добавление части холодного воздуха к нагретому после «холод-

ной» секции. Комбинированные технологии поясняются рис. 9.

Л Б . А \ А Б

I" !

ту

Рис. 9. Первая ступень ВЗП котла БКЗ - 320 - 140 ПТ с комбинированной схемой без подогрева добавляемого воздуха. Обозначения те же, что и на рисунке 8.

Рис. 8 Первая ступень ВЗП со схемой ступенчатого отвода теплоты

1- первая ступень ВЗП; 2- второй ход воздуха; 3- первый ход воздуха; 4- насос рециркуляции промежуточного теплоносителя; 5 -калориферы, соответственно, 3,2 и 1 ступеней теплообмена; А- дымовые газы; Б- дутьевой воздух.

В комбинированных технологиях, так же как и при каскадном подогреве, добавляемый после первого хода ВЗП воздух либо совсем не' подогревается предварительно в калориферах, либо подогревается лишь частично. Это позволяет использовать теплоту дымовых газов для нагрева добавляемого воздуха непосредственно в ВЗП. Отличия между комбинированными технологиями следующие. В первой (не представленной на рис.) - теплота, отводимая то первой ступени охлаждения, направляется для подогрева добавляемого воздуха, а во второй - для предварительного подогрева воздуха, направляемого в «холодную» секцию ВЗП. (рис. 9).

Для получения технико-экономических показателей перспективных технологий подогрева воздуха в ВЗП были проведены тепловые расчеты конвективных поверхностей нагрева котлов БКЗ-320-140 ПТ, которые установлены на промышленно-отопительной ТЭЦ г. Братска. Расчеты были выполнены при условии последовательного внедрения на котлах одной из пяти технологий. Первая - широко применяемая в настоящее время технология, включающая предварительный подогрев всего воздуха в калориферах и направление его полностью в «холодную» секцию ВЗП. Она принята в расчетах в качестве исходной, с которой сравниваются другие технологии. Вторая - известная технология каскадного подогрева, разработанная отечественными специалистами. Другие три технологии описаны выше.

Наименьшими значениями и" и, соответственно, потерями тепла я2

характеризуются комбинированные технологии (снижение на 1,1 -1,4%). Большие значения потерь ц2 в технологии 3 (ступенчатого отвода теплоты) обусловлены величиной 1'в, которая, в свою очередь, определяется параметром ^ (при высоких скоростях воздуха). Все рассматриваемые технологии имеют сравнительно небольшие сроки окупаемости, но минимальным сроком отличается технология каскадного подогрева (Т ~ 0,55 года), что объясняется отсутствием капитальных вложений в приобретение оборудования. На основе проведенных расчетов можно определить предпосылки применения рассматриваемых технологий. При сравнительно небольших значениях ^ < 80 °С, т.е. при сжигании КАУ, наиболее эффективна технология 5 (комбинированная технология без подогрева дополнительного добавляемого воздуха). При более высоких значениях ^ - технология 4 (без подогрева добавляемого воздуха). Технология 3 требует дополнительных исследований для выявления возможности повышения ее эффективности. Эффективность второй технологии (каскадного подогрева), хотя и характеризуется наименьшим сроком окупаемости, представляется, с учетом показателей надежности и экономичности, более низкой, чем у комбинированных.

В шестой главе с учетом результатов термодинамических и экспериментальных исследований выбираются наиболее эффективные способы сжигания КАУ и вспомогательные технологии из рассмотренных во введении. Рассматриваются вопросы комплексных технико-экономических и экологических исследований промышленных и коммунальных систем теплоснабжения, выбора типов источников энергии и энергоносителей. В первом разделе главы выбираются альтернативные установки и технологии производства тепловой энергии.

Отмечено, что на теплоисточниках, где сохранится традиционное сжигание газа, оно должно быть поэтапным с оптимальными условиями на каждом этапе. Необходимо скорейшее внедрение высокоэффективных технологий использования газа: ПГУ (с производством дополнительной электроэнергии на ТЭС); ГТУ (с переводом котельных в ТЭЦ); утилизации тепла водяных паров содержащихся в дымовых газах (с повышением КПД котлов).

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 значе-

ний 800-900 °С, рекомендуемых в некоторых литературных источни <ах. Показано, что экономичность котлов с КС может быть повышена п; тем дополнительной утилизации тепла уходящих газов, так как темпера гура точки росы в них имеет более низкое значение, чем при традицио) ном сжигании, Сделан вывод о необходимости ускорения отработки техг оло-гий КС (прежде всего циркулирующего и ФКС) на от тно-промышленных котлах.

В результате проведенных исследований выявлены значите: ьные возможности и для совершенствования существующих технологий сжигания КАУ. Это относится, прежде всего, к факельному сжиганию топках с прямым вдуванием пыли, оборудованных МВ. Для организац и устойчивого низкотемпературного (1450 К) вихревого сжигания при : юбых режимах в этих котлах целесообразно использовать способы регул фова-ния мощности котла и вентиляционной производительности М1 , рассмотренные в третьей главе. Показано, что по возможностям сш жения выбросов отдельных ингредиентов низкотемпературное вихревое ;жига-ние конкурентоспособно со сжиганием в КС. Экономичность кот.1 )в при таком сжигании может быть повышена за счет снижения потерь 1епла с уходящими газами.

Из рассмотрения технологий для сжигания древесных отходов следует, что целесообразно проведение конструкторских и внедренческих работ по созданию топки-котла, описанной в разделе 3.3.

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

Кратко рассмотрены возможности технологий улавливания золы, образующейся при низкотемпературном сжигании 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.

В следующем разделе главы рассматривается экологическая обстановка в г.Братске - одном из промышленных центров Восточной Сибири. 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 - СН35Н , Б[а]П, фтористый водород и др.). С целью выявления возможностей образования в атмосфере города других токсич-

ных веществе автором совместно с Семеновым С.А. были проведены термодинамические исследования с помощью модели (1)-(7). Расчетами выявлено, что возможно вторичное загрязнения атмосферы соединениями Б[а]П, фосгена - СОСЬ (отравляющий газ), сероуглерода С82- (высокотоксичное вещество второго класса опасности). Максимально возможные концентрации вышеперечисленных веществ для зимнего и летнего перио-

Вещества Концентрация, мг/нм3

Летний период (+25°С) Зимний период (-43°С)

с20н12 Не рассчитывались 0,265

СОС12 4,185-Ю"3 5,87-Ю"3

сб2 0,218 0,138

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 организационных и проектных решений. Предложены следующие организационные мероприятия: 1. организация штаба по разработке и внедрению мероприятий по уменьшению выбросов загрязнителей (в штаб должны входить представители предприятий, научных и общественных организаций); 2. создание фонда средств для финансирования мероприятий (вышеуказанных); 3. выявление технологических процессов и установок («узких» мест), ответственных за образование загрязнителей; 4. устранение «узких» мест на основе конкурса предложений и разработок.

В третьем разделе главы рассматриваются вопросы выбора структуры теплоисточников энергетических систем промышленных центров Восточной Сибири в настоящее время и в перспективе (на примере г. Братска). Из анализа работы системы теплоснабжения сделан предварительный вывод о том, что увеличения тепловых мощностей системы в ближайшей перспективе не требуется, но настоятельно необходима её модернизация (в отдельных случаях замена оборудования) с целью повышения экологической и общей эффективности. Рассматриваются два возможных направления указанной модернизации. Первое - это увеличение доли ТЭЦ в теплоснабжении города, путем установки на крупных котельных паровых турбин. Второе - внедрение теплонасосных установок. Объектом исследования была райоцная котельная города (45 квартала), в которой установлены три паровых котла типа КЕ — 50-14-225 и три водогрейных котла типа КВТС - 30-150 общей мощностью 207 МВт. Была составлена и рассчитана тепловая схема котельной с определением расходов пара на сетевые подогреватели и на собственные нужды. Расчет производился с помощью комплекса компьютерных программ «Источники теплоснабжения», на который получено Свидетельство о государственной

регистрации. Комплекс включает три самостоятельных учебных программы: «Режим», «Котел», «Тепло». Программы написаны на языке «Object Pascal» общим объемом 2,6 МБ и предназначены для расчета тепловых схем источников теплоснабжения.

Программа включает следующий (краткий) алгоритм расчета: предварительное задание паропроизводительности котельной по эмпирической формуле в зависимости от нагрузок на технологию, отопление и вентиляцию, горячее водоснабжение; определение расходов пара внешними потребителями и от расширителя непрерывной продувки; определение расхода пара потребителями внутри котельной, начиная с первого подогревателя по ходу движения сырой воды и заканчивая деаэратором; уточнения паропроизводительности котельной.

Были выполнены расчеты 2 вариантов модернизации теплоисточников, в которых менялись типы устанавливаемых турбин. Оба варианта в определенной степени условны, что объясняется несовпадением параметров (температур) котельного и турбинного оборудования на давление 1,3 МПа, выпускаемого отечественными заводами.

В связи с изложенными обстоятельствами в первом варианте на условном теплоисточнике устанавливается теплофикационная турбина ПР-2,5-1,3 на начальные параметры пара Рабс = 1,3 МПа и t = 300 °С. Этот теплоисточник отличается от рассматриваемой котельной города только температурой вырабатываемого пара (t = 300 °С). Во втором варианте на рассматриваемой реальной котельной устанавливается условная теплофикационная турбина Тусл = 2,5-1,3, которая отличается от турбины ПР-2,5-1,3 начальной и конечной температурами пара, соответственно t°- 225 °С и L = 104°С.

Расчетами тепловой схемы получено, что установка одной турбины позволяет вырабатывать тепловую и электрическую энергии с коэффициентом теплофикации а^ц ~ 0,42. В обоих вариантах модернизации теплоисточника турбины полностью загружены весь отопительный период, а летом частично загружены лишь их противодавленческий (конденсационный) отборы.

Экономические показатели для обоих вариантов модернизации определены при двух значениях цен на электроэнергию ЦГ) Э и, соответственно, двух 5 (соотношениях цен на условное топливо и электрическую энергию, Руб ■ МВт ■ ч )• Первое значение Цэ.э - 1110 руб/МВт • ч (8 = 1,16) равно та-

руб • т.у.т

рифу на электроэнергию по Иркутской области в 2010 году. Второе значение принято в два раза больше первого, что близко к тарифам в некоторых других регионах в настоящее время или - по Иркутской области в недалеком будущем (8 = 0,58). Затраты на приобретение турбин в обоих вариантах, учитывая их конструктивную близость, приняты одинаковыми и равными отпускным ценам завода в 2010 году.

Из результатов расчетов следует, что сроки окупаемости в обоих

вариантах модернизации составили: при 8 = 1.16 Ток - 4,18 - 4,76 года, что для энергетических объектов приемлемо; при 5 = 0,58 Ток - 1,61 ^ 1,78 года, что экономически выгодно. Меньшие сроки окупаемости соответствуют первому варианту, что объясняется несколько большим полезным теплоперепадам турбины сравнительно со вторым вариантом.

Сделан вывод о том, что производство турбин типа Т малой мощности с начальными параметрами пара 1° = 225 °С и р° = 1,3 МПа с последующим оснащением ими многих теплоисточников могло бы дать большой экономический эффект, особенно в масштабах страны.

Объектом исследования для возможного внедрения тепловых насосов (ТН) послужило целлюлозно-бумажное производство (ЦБП) лесопромышленного комплекса (ЛПК). Для отбеливания целлюлозы используется большой расход технологической воды ~ 800 т/ч, который в настоящее время предварительно подогревается отборным паром с ТЭЦ от 44 до 55 °С. По предложению администрации ЛПК в данном исследовании рассмотрена возможность использования тепловых насосов для утилизации сбросной теплоты от компрессорной станции, аккумулированной в воде, охлаждающей компрессоры, с расходом в0 ~ 345 т/ч и температурой 1Н -20 °С. Утилизируемая теплота передается вышеуказанному технологическому потоку вт (или его части). Конечная температура охлаждаемой воды принята равной 9 °С, что позволяет использовать эту воду повторно в компрессорной.

Параметры в характерных точках цикла определены по термодинамическим таблицам и диаграммам для фреона Ш34а. Коэффициент трансформации ср составил 3,51. Цена на тепловую энергию Цт.э. принята равной тарифу АО «Иркутскэнерго» на 2010г. - 0,578 руб/кВт ч (672,6 руб/Гкал), при которой цена топлива (условного) составляет 1274,5 руб/т.у.т. Таким образом, расчет ТН соответствует значению 5 - 1,16. Инвестиции в проект Ин определялись согласно удельных отпускных цен ЗАО «Энергия» (Новосибирск) для крупных ТН, которые составляют 6,3 млн. на 1 Гкал отпускаемого потребителям тепла (2010г.). Полученный расчетом срок окупаемости (с учетом дисконтирования) Ток при существующих в регионе ценах составил 3,1 года, что для энергетических объектов приемлемо.

Отмечена необходимость включения механизмов государственной и региональной поддержки рассматриваемой прогрессивной технологии с ТН (льготные тарифы на электроэнергию, помощь производителя либо покупателя ТН и другие мероприятия).

34

Заключение

1. Для оценки эффективности технологий производства тепловой энергии при сжигании различных топлив на теплоисточниках применен методический подход ИСЭМ СО РАН, основанный на последовательном математическом моделировании процессов, установок и структур технологий, уточненный применительно к решаемым задачам и дополненный экспериментальными и промышленными исследованиями.

2. На основе общей модели МЭПС (в 3-х модификациях) 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, природного газа и зависимости температуры конденсации раствора серной кислоты от условий сжигания.

4. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны технические решения по организации экологически чистого факельного сжигания КАУ, природного газа и древесных отходов в зажатом слое.

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

6. На основе анализа работы действующих теплоисточников, результатов теоретических и экспериментальных исследований найдены основные направления и технические решения по энергосбережению: оптимизация их тепловых схем; утилизация тепла дымовых газов при использовании водяного и воздушного теплоносителей; наладка режимов эксплуатации котельных агрегатов; применение частотно-регулируемого электропривода на механизмах собственных нужд. Представлены методики расчета и примеры определения эффективности указанных энергосберегающих мероприятий (направлений).

7. Показана необходимость модернизации систем теплоснабжения промышленных центров Восточной Сибири, включая структуру теплоисточников. Сделаны выводы: о экономической целесообразности перевода отопительных котельных с параметрами пара р°=1,3 МПа и 1°=225 °С в ТЭЦ путем оснащения теплоисточников турбинами типа Т; о необходимости государственной и региональной поддержки во внедрении тепловых насосов в системы теплоснабжения.

Список публикаций по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Елсуков В.К. Анализ опыта эксплуатации и пути совершенствования золоуловителя типа ЦБР-150 У/ В.К. Елсуков, С.А. Семенов, А.В Бондаренко // Промышленная энергетика - 1994,- №7.- С.21-23.

2. Елсуков В.К. Влияние электростатических явлений на эффективность батарейных циклонов типа ЦБР-150-У/ В.К. Елсуков // Промышленная энергетика - 2009. - №2.- С. 13-18.

3. Елсуков В.К. Выбор источников теплоснабжения в энергетических системах Восточной Сибири / В.К. Елсуков // Проблемы энергетики -2011. -№3-4,- С. 17-26.

4. Елсуков В.К. Оценка возможностей утилизации теплоты уходящих газов котлов на примере сжигания к.анско-ачинских углей / В.К. Елсуков// Промышленная энергетика - 2007,- №11.- С. 21-28.

5. Елсуков В.К. Повышение эффективности котельных установок и пылесистем, оборудованных мельницами-вентиляторами / В.К. Елсуков// Теплоэнергетика - 2007. -№9.- С. 34-36.

6. Елсуков В.К. Секционирование конденсаторов турбин и энергосбережение на ТЭЦ и в котельных / В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Системы. Методы. Технологии - 2011 - №4 - С.61-67.

7. Елсуков В.К. Термодинамический анализ экологических характеристик процессов сжигания природного газа / В.К. Елсуков // Теплоэнергетика - 2010. -№7.- С. 75-80.

8. Елсуков В.К. Технологии энергосбережения в воздухоподогревателях котлов / В.К. Елсуков, К.В. Елсуков // Промышленная энергетика - 2010.-№12.- С. 24-33.

9. Пак Г.В. Новые технологии регулирования вентиляционной производительности мельниц-вентиляторов./ Г.В. Пак, В.К. Елсуков // Системы. Методы. Технологии - 2010. -№1.- С.127-131.

Свидетельства и патенты

10. A.c. СССР 1652750, МКИ, F23 cl 100, F 23№1/02 Способ регулирования мощности котельного агрегата/ Елсуков В.К., Даниленко JI.B., Чупраков А.И., Николаев В. В. (СССР). - № заявки 4689607; заявл. 15.05.1989; опубл. 30.05.91, Бюл. №20.

11. A.c. РФ 1747801, МКИ F23J1/00 Устройство для централизованного сброса золы из нескольких бункеров, находящихся под различным давлением/ Швалов В.Т., Елсуков В.К., Румянцева Л.В., Якименко H.A. - № заявки 4836507; заявл. 27.04.1990; опубл. 15.07.92, Бюл. № 26.

12. Пат. № 2091174 МКИ 6В 04С5/14. Циклон для улавливания пылей, имеющих низкую электропроводность / Елсуков В.К. .Семенов С.А., Бондаренко A.B. - № заявки 93029903; заявл. 17.06.1993 г., опуб.

27.09.1997 г, Бюл.№27.

13. Патент РФ № 2110014. МКИ 6F 23В 1/12. Топка-котел для сжигания древесных отходов/ Елсуков В.К., Пак Г.В., Семенов С.А.- - № заявки 96106605; заявл. 03.04.1996 г., опуб. 27.04.98 г, Бюл. № 12.

14. Патент РФ № 2263541. МКИ В 02 С 13/08. Способ регулирования вентиляционной производительности мельницы-вентилятора и устройство для его осуществления/ Елсуков В.К., Пак Г.В - № заявки 2003123590; заявл. 24.07.2003 г., опуб. 10.11.2005 г, Бюл. № 31.

15. Патент RU 2363887 С 1. Способ увеличения тепловой мощности рекуперативного многоходового воздухоподогревателя и устройство для его осуществления/ Елсуков В.К., Пак Г.В., Елсуков К.В. - № заявки 2008107205; заявл. 26.02.2008 г., опуб. 10.08.2009 г, Бюл. № 22.

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617047. Источники теплоснабжения / Самохина М.И., Елсуков В.К.; зарег. в реестре программ 12.09.2011.

Учебные пособия с грифами учебно-методических объединений

17. Елсуков В .К. Теплотехнические расчеты на предприятиях лесопромышленного комплекса. Практикум. (Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области лесного дела)/ В .К. Елсуков, С.В. Латушкина// - Братск: «БрГУ». 2005,- 81с.

18. Елсуков В.К. Эксплуатация котельных агрегатов и пылесистем с мельницами-вентиляторами: учебное пособие для высших учебных заведений. (Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «МЭИ»)/ В.К. Елсуков. - Братск: БрГУ, 2010,- 82с.

В других журналах и изданиях

19. Елсуков В.К. Исследование возможности внедрения регулируемого электропривода на муниципальных предприятиях г. Братска / В.К Елсуков // Тр. Брат. гос. техн. ун-та.- Братск, 2001. -Т.2. - С.42-46.

20. Елсуков В.К. Исследование технологий утилизации теплоты уходящих газов при конденсации водяных паров/ В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Тр. Брат. гос. техн. ун-та - Братск, 2001. - Т.2. - С.46-48.

21. Елсуков В.К. Методика и результаты энергоаудита системы теплоснабжения Братского завода столярных изделий / В.К. Елсуков, A.A. Федяев, Г.В. Пак [и др.] // Тр. Брат. гос. техн. ун-та: Сер. Ес-теств. и инж. науки - развитию регионов. - 2004. - Т. 2. - С. 61-64.

22. Елсуков В.К. Повышение эффективности использования отходов лесопиления / В.К. Елсуков, В.А.Корякин, Г.И. Смирнов// Тр. Брат, гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири,- 2006. - Т.2.- С. 97-100.

23. Елсуков В.К. Повышение эффективности систем теплоснабжения ЖКХ лесных поселков на примере больничного комплекса пос. Ха-

ранжино./ В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. — 2004. -Т. 2.-С. 57-60.

24. Елсуков В.К. Повышение эффективности теплоэнергохозяйства локомотивного депо станции «Вихоревка» на основе энергоаудита /В.К. Елсуков // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. -2003. -Т.2.- С. 51-56.

25. Елсуков В.К. Проект внедрения схемы каскадного подогрева дутьевого воздуха на котле БКЭ-320-140 ТЭЦ-6 / В.К. Елсуков, Г.В. Пак, К.В. Елсуков // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. -2008. - Т.2.- С.60-62.

26. Елсуков В.К.Уточнение методики расчета пылесистем с мельницами-вентиляторами / В.К. Елсуков, Г.В.Пак // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - 2005. - Т 2. - С.16-18.

27. Елсуков В.К. Экологическая оценка технологий регулирования вентиляционной производительности мельниц-вентиляторов / В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер. Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири,- 2009. - Т.2.- С.47-52.

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

29. Elsukov V.K A Thermodynamic Analysis of the Environmental Indicators of Natural Gas Combustion Processes. ISSN 0040_6015, Thermal Engineering, 2010, Vol. 57, No. 7, P. 631-638. © Pleiades Publishing, Inc., 2010.0riginal Russian Text © V.K. Elsukov, 2010, published in Teploenergetika.

30. Elsukov V.K Improving the Effectiveness of Boiler Units with Coal Dust Systems Equipped with Mill-Ventilators (статья)/ ISSN 0040-6015, Thermal Engineering, 2007, Vol. 54, No. 9, pp. 709-71 III © Pleiades Publishing, Inc., 2007.Original Russian Text © V.K. Elsukov, 2007, published in Teploenergetika.

В трудах научно-технических конференций

31. Елсуков В.К. Дополнительная утилизация тепла уходящих газов на примере сжигания ирша-бородинского угля / В.К. Елсуков, Г.В. Пак// Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы Всероссийской науч. техн. конф. - Братск, 2007.-С.76.

32. Елсуков В.К. Исследование электростатических явлений в батарейных золоуловителях ЦБР-150У/ В.К. Елсуков, С.А.Семенов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. Иркутск,

1994.-С. 91-92.

33. Елсуков В.К. Комплекс технологий утилизации древесных отходов / В.К. Елсуков, В.А.Корякин, И.В. Корякин // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы Межрегион, науч. техн.конф. - Братск, 2006,- С.47.

34. Елсуков В.К. Образование и снижение выбросов бенз[а]пирена и других загрязнителей при сжигании канско-ачинских углей.Горение твердого топлива/В.К. Елсуков//Сб. докл. VI всерос. конф., Новосибирск, 8-10 2006 г. - Новосибирск, 2006. - Ч. 3. - С.221-228.

35. Елсуков В.К. Организация технических мероприятий по уменьшению выбросов вредных веществ на теплоисточниках г. Братска. Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе / В.К. Елсуков // Материалы II межрегиональной науч. практ. конф. - Братск, 2005. - С.239-240.

36. Елсуков В.К. Перспективы внедрения схемы каскадного подогрева дутьевого воздуха на котлах, сжигающих канско-ачинские угли / В.К. Елсуков, Г.В. Пак, К. В. Елсуков // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы VII Всероссийской науч. техн. конф.- ГОУ ВПО «БрГУ», 2008,-С.104.

37. Елсуков В.К. Расчетное определение температуры точки росы и её влияние на эффективность золоулавливания. Горение твердого топлива / В.К. Елсуков// Сб. докладов VI Всерос. Конф., Новосибирск, 8-10 2006 г. - Новосибирск: Изд-во. Института теплофизики СО РАН, 2006 -ч.З - ,С. 179-187.

38. Елсуков В.К. Снижение потерь тепла в конденсаторах турбин ТЭЦ /

B.К. Елсуков, Г. В. Пак // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы XI Всероссийской науч. техн. конф. - Братск, 2012. - С.75.

39. Елсуков В.К. Снижение потерь энергии при дросселировании в пы-лесистемах с мельницами-вентиляторами / В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Естественные и инженерные наука-развитию регионов Сибири: материалы Межрегион, науч. техн. конф. - ГОУ ВПО «БрГУ», 2006.-

C.48.

40. Елсуков В.К.Совершенствование методики расчета пылесистем с мельницами-вентиляторами/ В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Естественные и инженерные наука - развитию регионов: материалы Межрегион, науч. техн. конф. - ГОУ ВПО «БрГУ», 2005.- С.97.

41. Елсуков В.К. Совершенствование системы теплоснабжения больничного комплекса поселка Харанжино/В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Естественные и инженерные науки — развитию регионов: материалы межрегион, науч. техн. конф. - БрГТУ, 2004. - С. 88-89.

42. Елсуков В.К. Технологии регулирования вентиляционной производительности мельниц-вентиляторов и их экологический анализ / В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Естественные и инженерные науки - раз-

витию регионов Сибири: материалы VIII (XXX) Всерос. науч. техн. конф. - ГОУ ВПО «БрГУ», -2009.- С. 111.

43. Елсуков В.К. Топочные технологии с использованием водяных паров / В.К. Елсуков, Г.В. Пак // Естественные и инженерные науки -развитию регионов: Материалы межрегион, науч.-техн. конф.-Братск, 2002.-С. 15.

44. Елсуков В.К. Эксплуатация водогрейных котлов сельских систем теплоснабжения./ В.К. Елсуков // Естественные и инженерные наука - развитию регионов: материалы Межрегион, науч. техн. конф.-Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2005.- С.97-98.

45. Елсуков В.К. Энергетический аудит системы теплоснабжения деревообрабатывающего цеха Братского завода столярных изделий/

B.К. Елсуков, А.А.Федяев, Г.В.Пак и др.// Естественные и инженерные науки - развитию регионов: тез. докл. межрегион, науч. техн. конф.- Братск, 2004. - С. 90-91.

46. Елсуков В.К. Энергоаудит промышленного предприятия на примере локомотивного депо станции «Вихоревка»/ В.К. Елсуков, А.Н. Дойников// Естественные и инженерные науки - развитию регионов: материалы межрегион, науч.- техн. конф. - БрГТУ, -2003. -

C.81-82.

47. Семенов С.А. Расчетно-теоретические исследования влияния вредных выбросов промпредприятий на состояние атмосферы г. Братска. / С.А.Семенов, В.К.Елсуков // Докл. межрег. научно- практич. конф. Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной эколог, ситуации, пути и способы их решения - Братск, БрИИ, 1996.- С.4-5.

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

49. Семенов С.А. Экологическая эффективность перевода теплоисточников на газ Братского месторождения/С.А. Семенов, В.К. Елсу-ков//Материалы пятой Всерос. науч. техн. конф. Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - С. 216217.

50. Семенов С.А.Технико-экономическая оценка применения частотно-регулируемого привода на теплоисточниках г. Братска/С.А.Семенов,

B.К. Елсуков// Материалы пятой Всерос. науч. техн. конф. Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томск: Изд-во ТПУ, 1999. -

C.59-60.

51. Семенов С.А.Термодинамическое моделирование образования и трансформации загрязнителей при сжигании органических топлив. / С.А. Семенов, В.К. Елсуков// Материалы международной науч.-

практ.конф. Математическое моделирование в образовании, науке и производстве - Тирасполь: РИО ПТУ, 2001,- С.3'13-314.

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

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

Отпечатано в авторской редакции в издательстве БрГУ 665709, Братск, ул.Макаренко, 40 ФГБОУ ВПО «БрГУ» Тираж 100 экз. Заказ ¡£1

s

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А.Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) и ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

На правах рукописи

Елсуков Владимир Константинович

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

СО

О Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

00 О

Ю

° Диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иркутск-2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1 МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛО- 37

ГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Глава 2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ 42

2.1 Применение термодинамических моделей при изучении процес- 42 сов сжигания топлив

2.2 Расчетный анализ процессов горения 58

2.2.1 Сопоставительный анализ процессов образования загрязни- 58 телей на основе МЭПС (без ограничений на механизм процесса)

и других известных методик

2.2.2 Применение МЭПС при расчете гетерогенных систем для 90 определения температуры точки росы

2.2.3 Применение МЭПС (с дополнительными балансными огра- 99 ничениями на механизм процесса) для анализа экологических характеристик процессов сжигания природного газа

Глава 3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХ- 114 НОЛОГИЙ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

3.1 Регулирование мощности котлоагрегатов и пылесистем с мельни- 114 цами-вентиляторами

3.2 Регулирование вентиляционной производительности мельниц- 128 вентиляторов

3.3 Топочные устройства для сжигания древесных отходов 133 Глава 4 ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В ЦИКЛОННЫХ АППАРАТАХ 139

4.1 Опыт совершенствования батарейных циклонов типа ЦБР-150У 139 в промышленных условиях

4.2 Влияние электростатических явлений на эффективность батарей- 146 ных циклонов типа ЦБР-150У

Глава 5 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ НА ТЭЦ И В КОТЕЛЬНЫХ 158

5.1 Энергосбережение в традиционных технологиях производства 158 энергии на теплоисточниках

5.2 Технологии утилизации теплоты уходящих газов с использова- 171 нием водяного теплоносителя

5.3 Технологии энергосбережения в воздухоподогревателях котлов 185

Глава 6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СОПОСТАВЛЕНИЕ НОВЫХ 211

ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

6.1 Выбор альтернативных установок и технологий производства 211 тепловой энергии

6.2 Термодинамический анализ процессов вторичного загрязнения 222 окружающей среды

6.3 Выбор альтернативных систем производства тепловой энергии 230 применительно к промышленным центрам Восточной Сибири ЗАКЛЮЧЕНИЕ 245 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 247 Часто встречающиеся сокращения 277 Приложение 1. Материалы по внедрению 278 Приложение 2. Методика определения расхода топлива на кот- 285 лоагрегат косвенными методами

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований

В диссертации рассматривается комплексный подход к повышению энергетической, экологической и экономической эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения. Исследуются новые и существующие технологии сжигания органических топлив, методы оценки образования вредных выбросов и способы их сокращения, вопросы энергосбережения и выбора структуры энергоисточников.

Согласно прогнозным исследованиям отечественных и зарубежных специалистов [126] определяющая роль органического топлива в мировой энергетике сохранится, по крайней мере, до 2060 г. В настоящее время в теплоснабжении России используется более 40% всего потребления первичных энергоресурсов [27], из которых около третьей части составляют потери. Низкая эффективность систем теплоснабжения и, в частности источников энергии, обусловлена рядом причин. Первая - это физический и моральный износ оборудования [241,165], 17% которого уже выработало свой ресурс, 38% введено в эксплуатацию до 1970 года. Другой причиной является несовершенство цен и тарифов на различные виды топлива и энергии, что приводит к уменьшению теплопотреб-ления от ТЭЦ и увеличению нагрузок автономных котельных [48]. Из-за низких цен на природный газ сравнительно с углем доля газа в потреблении ТЭР возрастает (на момент 2004 г.-52,9%), а доля угля снижается (16,2%) [26]. Отметим, что определенная доля теплоисточников, потребляющих уголь, должна сохраниться для исключения абсолютной зависимости энергохозяйства от газа.

В качестве главной стратегической задачи, в части повышения эффективности теплоисточников в [226] предлагается перевести подавляющую часть ТЭЦ и котельных на сжигание природного газа с установкой на них ГТУ.

При колоссальных запасах и сравнительной дешевизне природного газа, (в нашей стране разведанные запасы и прогнозные ресурсы составляют около

40% мировых), при высокой эффективности использования ГТУ в современных схемах 111У КЭС и на ТЭЦ, реализация этой задачи позволит, по мнению автора [226], почти вдвое сократить расходы условного топлива, сравнительно с нашими лучшими КЭС, и резко снизить выбросы загрязнителей.

Начиная с 2000 года (за прошедшее десятилетие) в нашей стране на нескольких станциях были внедрены парогазовые технологии [128,165]. Внедрение технологий сдерживается недостатком денежных инвестиций и дефицитом ГТУ, выпускаемых отечественной промышленностью (в настоящее время изготавливается лишь один типоразмер турбин ГТЭ-160).

В период 2005-2015 годы доли ТЭЦ и котельных составляют, соответственно, 46,8% и 48% [247] в теплоснабжении страны. Согласно этим исследованиям, при сжигании газа ТЭЦ могут быть более эффективными сравнительно с котельными при тепловых нагрузках более 40 ГДж/ч, причем при нагрузках менее 400 ГДж/ч предпочтительнее ТЭЦ на базе ГТУ, а при нагрузках более 400 ГДж/ч - ПГУ. Недостаточно исследований о совершенствовании структуры действующих теплоисточников, особенно на твердом топливе. В частности, применительно к современным экономическим условиям нет данных: о развитии ТЭЦ с невысокими начальными параметрами пара (1,4 МПа); о,эффективности внедрения теплонасосных установок в системы централизованного теплоснабжения промышленных центров Восточной Сибири. Отметим, что внедрение теплонасосных установок (ТНУ) в энергетику России сильно отстает от промышленно развитых стран [231,258,188,176].

Россия обладает огромным потенциалом для расширения и использования биологических топлив и, в частности, древесных отходов. Только на Северо-Западе России возможно заготавливать и использовать древесные отходы в количестве, достаточном для покрытия 20% нужд региона в энергоносителях [35]. Одним из факторов, ограничивающих использование древесной биомассы, является отсутствие эффективных топочных устройств.

Следовательно, повышение энергетических и экономических показателей теплоисточников на различных видах топлива является важной и актуальной задачей. Это положение приобретает особую значимость в районах Восточной Сибири. Уникально высокая экологичность и дешевизна канско-ачинских углей (КАУ) делает их вполне конкуренто-способными сравнительно с природным газом [226].

Проблемам сжигания органических топлив посвящено множество исследований, в большей части которых изучается кинетика реакций и процессы теплообмена, протекающие в камере сгорания. Есть и термодинамические исследования, но все они основаны на моделях конечных равновесий. Реальные же процессы образования вредных веществ при горении, в которых могут участвовать сотни компонентов, не всегда успевают достичь термодинамического равновесия.

В данной работе для термодинамического анализа возможностей совершенствования процессов сжигания были использованы принципиально новые математические модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), созданные и развиваемые в ИСЭМ СО РАН д.т.н. Кагановичем Б.М. с сотрудниками [115-119, 38, 266], которые позволяют изучать системы из сотен веществ не только в состоянии термодинамического равновесия, но и на пути к нему с учетом ограничений на механизм процесса. Рассмотрение промежуточных состояний позволяет, по моему мнению, выполнить более полный и точный анализ процессов горения.

На основе общей МЭПС автором представляемой диссертации создавались термодинамические модели образования вредных примесей при сжигании органических топлив и генерации конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла. При построении моделей автором решались следующие вопросы.

1. Выбор параметров взаимодействия рассматриваемой системы с окружающей средой. При моделировании процессов горения топлив в топках котлоагрегатов

возможны фиксирование как энтальпии (Н) и давления (Р), так и температуры (Т) и Р. В обоих случаях происходит идеализация рассматриваемых процессов, поскольку и Н и Т быстро меняются (снижаются) по мере движения системы к равновесию. Указанную идеализацию необходимо учитывать при анализе результатов расчетов (см. разделы 2.1 и 2.2.3). В представляемыхисследованиях все термодинамические расчеты проводились при фиксированных Т и Р, т.к. принимались, что в стационарном режиме в каждом сечении топочного объема (в определенной части) эти параметры постоянны.

2. Выбор вида целевой функции. В большей части расчетов максимизировалась концентрация одного исследуемого загрязнителя окружающей среды. Однако при изучении процессов образования бенз(а)пирена (БаП) максимизировалась и подбиралась сумма двух или трех компонентов, что позволило выявить на многограннике материального баланса состояния, более приближенные к реальному горению (раздел 2.2.1).

3. Составление и варьирование списка вектора мольных содержаний исходных реагентов (у). Варьированием вектора у задавались такие параметры как: вид и состав топлива, избытки воздуха при горении, содержание влаги в смеси.

4. Составление и варьирование списка вектора мольных содержаний компонентов (х) , усх. При составлении вектора х важно учесть все характерные для рассматриваемого процесса группы веществ или отдельные образующиеся компоненты. С увеличением списков векторов х и у изменяются траектория движения системы к конечному равновесию и, соответственно, экстремальная концентрация искомого загрязнителя. Состав вектора х в различных расчетах менялся от 70 до 190 компонентов. Изменение вектора х и анализ результатов расчетов позволяют сделать выводы о возможном влиянии отдельных компонентов на исследуемый процесс. Так в разделе 2.2.1 автором был получен вывод о влиянии минеральной части топлива на образование оксидов азота при горении.

5. Задание и варьирование максимального или минимального значения энтальпии системы при фиксированных Р и Т. Задание энергетических ограничений (на Н) позволяет ограничить область расчетных состояний и, соответственно, приблизить искомое значение (xjext) к реальному процессу. В разделе (2.2.3) было получено, что экстремальная концентрация Б(а)П (х^я) соответствует условно Н(х)=Н(у), т.е. энтальпия системы задавалась равной исходному значению при фиксированных Р и Т. Полученный результат наряду с другими расчетными факторами позволили сделать вывод, что образование БаП предшествует процессу окисления топлива.

6. Ограничения на допустимые значения отдельных компонентов вектора х. С помощью дополнительных (по отношению к уравнению сохранения массы элементов) материальных ограничений в термодинамических моделях можно учесть влияние кинетики и (или) тепломассообмена на результаты процесса. В частности, в разделе (2.2.3) автором накладывались такие ограничения на водо-родсодержание компоненты, требующие при сжигании образования угарного и углекислого газов в определенных пропорциях с водяными парами.

7. Учет механизма химических реакций. Экстремальные концентрации искомых загрязнителей (x/xt) могут существенно отличаться в зависимости от механизма (траектории) процесса. Для нахождения оптимального механизма (значения Xjext) в [115, 116] предложена двухстадийная схема вычислений, в которой на первой стадии определяются x/xt при движении системы от общего исходного состояния (у) к различным промежуточным точкам, а на второй стадии - новые значения xjext при движении системы от указанных точек к общему конечному равновесию. Важно оценить необходимость такого двухстадийного вычисления исследуемого процесса и выбрать для него промежуточные точки. В разделе (2.2.2) автором были получены различные температуры точки росы дымовых газов образующихся при различных условиях сжигания бурого угля. В качестве промежуточных точек брались состояния конечных равновесий, со-отвествующих различным условиям сжигания.

Подробное описание построения термодинамических моделей представлено в разделе (2.1).

Рассмотрим некоторые важные проблемы теории сжигания органических топлив и технологий производства тепловой энергии на энергоисточниках.

Современная наука о горении в нашей стране начинается с работ академиков H.H. Семенова и Я.Б. Зельдовича. Так в статьях [202, 203] H.H. Семенова впервые сформулированы два возможных механизма воспламенения - тепловой и "цепной" взрывы. В работах Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого [111, 110] впервые построена теория распространения пламени с учетом аррениусов-ской зависимости скорости химической реакции от температуры. Зельдовичем была дана первоначальная формулировка механизма образования NOx при исследовании взрывов газов в сосуде постоянного объема [109].

Многочисленные последующие исследования, обобщенные в [34, 28], подтвердили предложенный Зельдовичем механизм образования NOx в области высоких температур.

Образование №)х, по этому механизму происходит за фронтом пламени после завершения процессов горения. >ЮХ, образующиеся по этому механизму, называют термическими, поскольку реакция ( В.1) имеет высокую энергию активации (318 кДж/моль) из-за тройной связи в молекуле N2. В соответствии с формулами, образование Ж)х зависит от температуры и в меньшей степени от содержания в смеси кислорода.

В 70-х годах были выявлены еще два механизма образования N0*. С. Фенимор обнаружил [264], что при сжигании метановоздушных смесей Ж)х образуется непосредственно в зоне горения, причем за очень короткий период времени (1- 4)-10"4 с. Это на порядок меньше времени горения топливно-

Проблемы теории горения

o+n2=n+no, n+o2=o+no,

n + он = no + н,

(В.1) (В.2) (В.З)

воздушной смеси. Фенимор сделал предположение, что быстрое образование NOx объясняется связыванием молекул азота воздуха радикалами СН, СН2, С2, которые появляются уже при выходе и горении летучих угля.

CH + N2 = HCN + N (В.4)

Получающиеся продукты реагируют с радикалами О, Н и ОН, присутствующими в пламени в значительных количествах. Р. Гаррисом с соавторами [267] предложены реакции образования NOx с малыми энергетическими затратами, которые получили название "ранних" или "быстрых" NO.

Термодинамические исследования низкотемпературного сжигания КАУ с помощью модели экстремальных промежуточных состояний [116], подтвердили возможность образования при горении активных частиц О, Н, ОН, CN, СН, СН2, а также синильной кислоты HCN в количествах значительно превосходящих равновесные значения. При условии подведения энергии к системе извне (процесс Р и Т = const) концентрации О и Н в диапазоне температур 600-1200 К линейно возрастают, а ОН - линейно уменьшается.

Экспериментальные исследования И. Сигала и сотрудников [220] показывают, что с увеличением температуры скорость образования "быстрых" NOx не увеличивается, а даже снижается. С учетом результатов термодинамических исследований (зависимости концентраций ОН от температуры) можно предположить значительный вклад в образование NO реакций с учетом ОН.

Для обозначения NOx, образующихся из азотосодержащих компонентов органической массы жидких и твердых топлив, применяют термин топливные оксиды азота. Наличие этого источника оксидов азота было показано в работах С.Фенимора [265], Д.Тарнера, Р.Эндрюса, К.Зигмунда [272], проведенных в США, в исследованиях А.И.Бабия с сотрудниками [233], А.А.Отса и сотрудников [166] в СССР и в ряде других исследований.

При температурах 1000 - 1400 К на начальном участке факела, где происходит воспламенение и горение летучих, обнаруживается значительный выход топливных NOx. Сигал считает [220], что азот топлива вначале переходит в

промежуточные соединения - радикалы СЫ, ЫН, N112 и молекулы ЫНз и НСЫ а затем частично окисляется до оксидов азота, а значительная часть его переходит в молекулярный азот. П.В.Росляковым [195] предложены 18 реакций взаимодействия вышеуказанных промежуточных соединений с радикалами О, ОН, Н. Из расчета и анализа системы, в которую входят уравнения образования - термических, "быстрых" и топливных Ж)х, П.В. Росляков сделал вывод, что конверсия НСИ и ЫНз в N0 лишь незначительно зависит от состава смеси.

Американскими специалистами отмечается снижение Ж)х при вводе в топочную камеру третичного воздуха с кальций - содержащими сорбентами [269]. Однако автору неизвестны и