автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и исследование энергетических схем предприятий по термической переработке отходов с парогазовым циклом энергопроизводства

На правах рукописи

ЩЕПИЛЛО ЛЕОНИД ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СХЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ С ПАРОГАЗОВЫМ ЦИКЛОМ ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВА

05.17 08 - Процессы и аппараты химических технологий 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2005

Работа выполнена на кафедре инженерной экологии городского хозяйства Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ)

Научные руководители

член - корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор

СИСТЕР Владимир Григорьевич

доктор технических наук профессор ГОНОПОЛЬСКИЙ Адам Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

ТИМОНИН Александр Семёнович

доктор технических наук, профессор КУЛИШ Ольга Николаевна

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют»

Защита состоится «19» мая 2005г в 14.00 ч на заседании диссертационного совета по защите докторских диссертаций Д 212 145 01 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу 105066, Москва, Б-66, ул Старая Басманная, 21/4 в зале заседаний Ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии

Автореферат разослан «18» апреля 2005 г

Ученый с е к р ^—--^ /

диссертационного совета

-- У'

Бутков В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Атуальность темы. Среди задач, охраны природы и рационального использования ресурсов, одной из значимых является повышение энергетической эффективности производств, в том числе предприятий по термической переработке твёрдых бытовых отходов (ТБО)

Эффективность энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов (МСЗ) на сегодняшний день низка Кпд их энергопроизводств не превышает значений 19'- 23 %, что обусловлено низким уровнем использования тепла отходящих топочных газов (ОГГ) вследствие применения паровых и пароводяных циклов утилизации тепла

Как следует из опыта большой энергетики, повышение эффективности утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки отходов может быть достигнуто в случае применения парогазовых установок (ЛГУ), комбинирующих газотурбинный и паровой цикл

Также известно, что применение пиролизного режима переработки и газификации отходов позволяет существенно снизить количество газовых выбросов и осво бодить их от пыли (золы), соединений серы, а также избежать образования оксидов азота и диоксинов В результате чего значительно снижается воздействие на окружающую среду

На основании изложенного актуальной является задача разработки новых технологических схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов на основе пи-ролизных методов термической переработки отходов с использованием парогазовых энергетических установок

Цель работы. Разработка способа утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов пиролизной переработки отходов на основе парогазового энергетического цикла Создание системы физико-математических моделей описывающих технологическую схему энергопроизводств мусоросжигательных заводов Разработка инженерной методики включающей в себя систему номограмм для определения основных показателей эффективности энергетических установок в системе производства энергии мусоросжигательных предприятий Создание компьютерного программного комплекса для моделирования и расчёта технологических схем производства энергии на предприятиях по термической переработке отходов

Научная новизна работы. Разработан способ утилизации тепла отходящих топочных газов МСЗ с использованием пиролизных реакторов термической переработки органических отходов и применением парогазовой энергетической установки Разработана и экспериментально апробирована система физико-математических моделей энергопроизводящего комплекса на основе парогазового энергетического цикла для мусоросжигательных предприятий Разработана инженерная методика расчета эффективности энергетических установок утилизации тепла отходящих топочных газов мусоросжигательных предприятий

Защищаемые положения. - Способ утилизации тепла отходящих топочных газов мусоросжигательных заводов, реализуемый путем перевода печей термической переработки отходов в пиролизный режим, а системы утилизации тепла отходящих топочных газов о пароводяного на парогазовый цикл,

- Система математических моделей энергопроизводящих комплексов предпри ятий по термической переработке отходов и результаты её экспериментальной апробации на действующем МСЗ №4 (г Москва);

- Инженерная методика определения энергетической эффективности парогазовых энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов, а также полученная на её основе система номограмм;

- Программный комплекс для компьютерного моделирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой тепловой и электрической энергии;

- Результаты численного исследования эффективности энергетических комплексов мусоросжигательных заводов при применении способа утилизации OTT МСЗ основанного на парогазовом цикле (на примере шахтного реактора - газификатора отходов ФГУП ММПП «Салют» и печи сжигания отходов с вихревым кипящим слоем МСЗ №4 г. Москва).

Практическая значимость. Разработан и запатентован новый способ утилизации тепла отходящих газов мусоросжигательных заводов с применением парогазового цикла, позволяющий повысить общий тепловой к п.д. энергопроизводства мусоросжигательных предприятий до 42 - 45 % Разработана система математических моделей энергопроизводящего комплекса МСЗ, позволяющая проводить анализ физико - химических процессов термической переработки отходов и процессов, протекающих в элементах технологических схем как на стадии проектирования, так и при эксплуатации МСЗ. Разработана инженерная методика расчёта и система номограмм для определения показателей эффективности энергетических парогазовых установок мусоросжигательных заводов Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой тепловой и электрической энергии

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на- Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г Москва, 2002 г); 6-ом, 7-ом Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г Москва, 2002, 2003 гг.); Научно-практической конференции «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (Москва, 2003 г); Круглом столе РАН «Экология города» (Москва, 2004 г.), Международном конгрессе ВЭЙСТЭК (Москва, 2003 г), Международном конгрессе ЭТЭВК-2003 (Ялта 2003 г), 6-ой научно-практической конференции «Экологическая безопасность московской области» (Мытищи, 2004). Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 8 статей и тезисов докладов; получены положительные решения по заявкам на патенты Российской Федерации на изобретение. №2003131092 от 23 10.03 г. и №2003131091 от 23 10 03 г

Объём работы. Диссертационная работа объёмом 169 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 169 источников, иллюстрирована 35 рисунками, 8 таблицами и приложением на 9 страницах

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, указываются её цели, научная новизна и основные научные положения

В первой главе представлен литературный обзор существующих способов утилизации тепла отходящих газов и схем энергопроизводящих комплексов на основе реакторов термической переработки отходов Показано, что основным способом, применяемым на сегодняшний день на МСЗ, является выработка пара в котлоагре-гатах Общий тепловой кпд ссуществующих энергопроизводящих комплексов МСЗ, не превышает 19-23 % и является низким для современного уровня развития науки и техники

В обзоре проведена оценка усредненного морфологического состава твердых бытовых отходов и определена возможность использования их в качестве топлива

На основании рассмотрения существующих способов утилизации тепла, используемых в энергетике и анализа условий проведения известных процессов термической переработки отходов сформулирован вывод о целесообразности и возможности повышения эффективности энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных предприятий путем использования бинарных парогазовых энергетических циклов При этом рациональным является способ объединения парогазового цикла утилизации тепла OTT с процессами пиролизной переработки отходов

Преимуществом способа является повышение кпд производства электрической и тепловой энергии до 45 - 55 % Кроме того, в настоящее время газовые турбины являются наиболее экологически чистыми из тепловых электрогенерирующих источников, а применение пиролизной переработки отходов и газификации позволяет существенно уменьшить объемы газовых выбросов

Вторая глава посвящена разработке системы математических моделей для конструкторских и поверочных расчетов энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов, разработке инженерной методики определения основных показателей их энергетической эффективности, а также созданию прикладного компьютерного программного комплекса для моделирования и расчета энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов

Построение математической модели схемы энергопроизводства МСЗ включает два основных этапа - построение моделей отдельных элементов и построение модели установки в целом

На основании предварительного анализа возможных вариантов формирования энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов выявлен следующий необходимый для исследования состав элементов газогенератор - реактор термической переработки отходов, радиационный теплообменник, конвективный теплообменник, газовая турбина (рабочее тело - продукты сгорания OTT), воздушный компрессор, отсеки паровой турбины, конденсатор паровой турбины, регенеративные подогреватели поверхностного типа деаэратор воды, водяные насосы, вспомогательные элементы

Для каждого указанного элемента была составлена его математическая модель, создан их общий архив

Алгоритмы расчета отдельных элементов, использованные в моделях, основаны на принятых в проектно - конструкторской практике методах расчета. При отсутствии узаконенных и общепринятых алгоритмов расчета элементов, использовались подробные описания основных протекающих в них физико-химических процессов.

Расчет технологических схем энергопроизводящих комплексов МСЗ сводится к системам нелинейных алгебраических трансцендентных уравнений большой размерности.

Для автоматизации математического моделирования была создана прикладная компьютерная система «Waste to energy» (Отходы в энергию). Схема программного комплекса представлена на рис. 1.

Рис 1 Информационная блок - схема программного комплекса «Waste to Eneigy»

Система позволяет на базе архива математических моделей типовых элементов схем, на основе информации об элементном составе и заданной структуры связей в конкретной схеме, и целей расчета автоматически построить программу. Для решения системы соотношений, описывающей технологическую схему энергопроизводства МСЗ, используется итерационный метод Зейделя.

Отходящие топочные газы реакторов по термической переработке отходов обычно представляют собой реальную смесь неидеальных газов. В связи с ограниченной применимостью вириального уравнения состояния для расчёта параметров

смеси реальных газов предложено использовать эмпирические уравнения состояния, применяя соответствующие правила комбинирования констант, входящих в уравнения состояния чистых компонент.

В основу системы «Waste to Energy» положена возможность производить расчеты с использованием уравнений состояния Пенга - Робинсона и Соаве - Редлиха -Квонга в следствие их простоты и малого числа эмпирических параметров.

Решение задачи разработки математических моделей схем энергопроизводств МСЗ предложено разделять на следующие этапы:

1. Разработка расчетной схемы.

2. Уменьшение числа переменных в моделях, заменой группы однотипных, параллельно работающих, и равномерно загруженных элементов технологической схемы на один элемент расчетной схемы.

3. Построение одноуровневых математических моделей с применением метода декомпозиции.

Для проведения поверочных расчётов применяется модифицированный метод Ньютона.

Предложенный подход значительно повышает скорость сходимости и устойчивость работы модели установки.

Для определения основных показателей эффективности энергетических установок МСЗ разработана инженерная методика расчета, которая может быть использована для расчётов всех видов энергетических установок в системах утилизации тепла ОТГ.

Построение математических моделей различных схем энергетических установок предприятий по термической переработке отходов в разработанном программном комплексе дало возможность выполнить технико-экономические исследования целого ряда установок, в том числе действующих мусоросжигательных предприятий (МСЗ №4 г. Москва и реактора - газификатора отходов Института прикладной химической физики в Черноголовке РАН).

Предложенная инженерная методика расчёта энергетических показателей парогазовых установок МСЗ использована в дальнейшем в работе для оценки эффективности схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов, как для действующих производств, так и для перспективных схем.

В третьей главе приведено описание экспериментальной апробации математической модели энергокомплексов МСЗ и методики определения их энергетической эффективности.

Эксперименты по апробации математической модели и исследованию эффективности энергетических комплексов проводились на действующем мусоросжигательном заводе №4 (г. Москва) в режиме пусконаладочных работ.

В ходе экспериментов проводилось исследование влияния условий сжигания твердых бытовых отходов на газообразование в процессах термической переработки отходов и исследование вырабатываемой паротурбинным агрегатом мощности, с целью определения адекватности предложенной физико-математической модели энергопроизводящего комплекса МСЗ и выбора рациональных режимов термической переработки отходов, а также возможности исследования энергетической эффективности предприятия на основе прикладного компьютерною программного комплекса "Waste to eneigy"

Сжигание отходов осуществлялось в топке КОМТЕС с вихревым кипящем слоем. Температура в слое около 650 °С, в надслоевом пространстве и на выходе из топки - около 860 °С. Технологическая схема МСЗ №4 представлена на рисунке 2

1 • мостовой грейферный кран, 2 - загрузочная воронка с питателем 3 - печь с кипящим слоем, 4 - горелки розжига, 5 - стабилизирующая горелка, 6 - котел-утилизатор, 7 - сдвоенный циклон, 8 - распылительный абсорбер 9 - реактор летучего потока, 10 - рукавный фильтр, 11 - бункер песка, 12 - подпиточный бункер, 13 - бункер известковой муки, 14 - двойное вибросито, 15 - шлаковый транспортер 16 - бункер шлака 17- бункеры золы уноса, 18 - бункер продук тов газоочистки, 19 - бункер гидрата кальция 20 - резервуар приготовления известкового молока, 21 - вентилятор рециркуляция дымовых газов 22 - дымосос, 23 - вентилятор вторичного воздуха, 24 - вентилятор первичного воздуха 25 - ветилятор для удаления золы 26 - бункер смеси активированного угля и извести, 27 - система подогрева ру кавного фильтра, 28 - паровая турбина, 29 - генератор, 30 - дымовая труба 31 - точка отбора проб

В ходе первого эксперимента варьировалась подача первичного воздуха в топку, что позволяло получить различный коэффициент избытка воздуха от а = 0,6 до а = 4,0 и температуры ОТГ от 673 К до 1473 К.

Во время эксперимента проводился сбор информации с компьютера газоанализатора в виде суточных файлов, представлявших собой таблицы с измеренными значениями параметров по с интер-

валами обновления 125 секунд при различных температурах термической переработки отходов и различных коэффициентах избытка воздух в топке.

Первые пять компонентов измерялись с помощью инфракрасного спектрометра (газоанализатора Advance CEMAS - FTIR). Содержание Q2 измерялось с помощью электрохимического датчика Содержание С06Щ определялось с помощью пламенного фотометра типа FED.

В процессе обработки информации рассчитывались средние, максимальные и минимальные значения концентраций газообразных компонентов в течение суток. Результаты эксперимента статистически обрабатывались.

По полученным экспериментальным данным были построены графики зависимостей образования газообразных компонентов от температуры и коэффициента избытка воздуха. Экспериментальные результаты сопоставлялись с результатами, полученными расчетным путем по разработанной математической модели на основе программного комплекса «Waste to eneigy» График зависимости

Рис 2 Технологическая схема мусоросжигательного завода №4 (г Москва)

газообразования от коэффициента избытка воздуха, при температуре О1Г 1G73 К (один из режимов) представлен на рисунке 3.

Одновременно было проведено численное компьютерное моделирование процессов газообразования в топке реактора газификатора института прикладной химической физики РАН при различных условиях термической переработки отходов.

В результате расчетов было определено влияние температуры горения, коэффициентов избытка воздуха на образование газообразных компонентов в реакторе -газификаторе отходов и проведено сопоставление результатов полученных с помощью программного комплекса с данными, содержащимися в ряде литературных источников.

График зависимости концентраций компонентов от коэффициента избытка воздуха в реакторе - газификаторе отходов, при температуре OTT I073 К приведен на рисунке 4.

Сравнение результатов полученных расчетным путем с газообразованием при горении твердых бытовых отходов, полученными при проведении эксперимента на МСЗ №4 показывает их практически полное совпадение.

Сравнение рассчитанных по разработанной методике данных с процессом паровоздушной газификации в реакторе - газификаторе [6] показало, что состав продуктов газификации совпадает с расчетным по компонентам: водород, метан, моно- и диоксид углерода, а отклонение значений концентраций компонентов не превышает 10%.

В ходе второго эксперимента проводилась апробация разработанной методики и построение реальной энергетической характеристики паровой турбины № 2 МСЗ №4 с поправками на параметры свежего пара, температуру циркулирующей воды, давление в производственном отборе.

Испытания проводились на номинальных параметрах перед турбиной на нагрузках 6, 5,4, 3,2, 1 МВт на каждой ступени мощности в течение 30 минут, при неизменных параметра пара.

Для построения энергетической характеристики турбины измерялись: давление и температура свежего пара; давление и температура пара регулируемого отбора; давление пара в камере регулирующей ступени за регулирующими клапанами; температура основного конденсата в конденсатосборнике и за регенеративным подогревателем; температура циркуляционной воды до и после конденсаторов; вакуум на конденсаторах; расход основного конденсата на деаэратор; расход свежего пара; расход пара в регулируемый отбор; расход питательной воды; барометрическое давление; электрическая нагрузка

По характеристикам, полученным по фотографиям видеограмм, обработанным в специализированном программном комплексе Freelance, собранным за весь 2004 год была построена зависимость мощности турбины №2 от расхода свежего пара (рис. 5).

Для оценки возможности применения расчетных зависимостей, в части определения показателей энергетической эффективности энергопроизводства МСЗ, на основе программного комплекса «Waste to energy» был проведен расчет коэффициента полезного действия котельного агрегата, паропроизводительности котла утилизатора, определен КПД турбогенератора; результаты расчета сопоставлялись с

экспериментальными данными полученными в ходе проведения промышленного эксперимента на МСЗ №4.

Сопоставление расчетных показателей энергетической эффективности утилизационной пароводяной ТЭЦ МСЗ № 4 с эксплуатационными показателями МСЗ № 4 показывает, что расхождение по основным показателям не превышает 10 %, что соответствует инженерной точности расчетов.

Из полученных результатов, видно, что с позиции выбора термического режима переработки отходов, при создании энергопроизводящего предприятия на базе МСЗ, интерес представляет термическая переработка отходов при коэффициенте избытка воздуха в топке а равным 0,5 ~ 0,6 и температуре отходящих топочных газов 600 - 800 К.

Применение режима пиролиза в процессе термической утилизации отходов обеспечивает высокий выход компонентов OTT способных экзотермически реагировать с кислородом воздуха (СО, Н2, СНЦ) и обеспечивает сокращение газовых выбросов по сравнению с режимом сжигания отходов более чем в два раза.

Наличие таких компонентов как оксид углерода, водород, метан и др. позволяет осуществить дожигание ОТГ в среде кислорода воздуха в специальных газогоре-лочных устройствах, сопровождающееся повышением температуры и давления газового потока до значений достаточных для устойчивой работы низконапорной газовой турбины.

Не более чем 10 % отклонение показателей энергетической эффективности и концентраций газовых компонентов, полученных расчетным путем, по предложенной математической модели и инженерной методике расчета, от реальных показателей действующих предприятий по термической переработке отходов свидетельствует о правильности выбора расчетных соотношений и адекватности предложенной математической модели.

06 0,7 08 0,9 1 1 1 12 1,3 1,4 1.5 1.6 17 18 19 2 Коаффициаит избыта воздуха а

^dVliTc02^Hi"oN0 702^ГН20 1 NTOHI

Рис 3 Зависимость образования газообразных компонентов от коэффициента избытка воздуха при сжигании отходов при Т= 1073 К на мусоросжигательном заводе №4 (г Москва) (линиями показаны расчетные данные, точками экспериментальные)

Рис 5 Зависимость вырабатываемой паротурбинным агрегатом мощности от расхода пара через паротурбинный агрегат МСЗ №4

Четвертая глава посвящена разработке способа утилизации тепла отходящих топочных газов пиролизных реакторов термической переработки отходов, основанному на парогазовом энергетическом цикле и перспективам его использования при внедрении на действующих мусоросжигательных предприятиях (на примере МСЗ №4 и реактора - газификатора ИХФ РАН)

По результатам анализа энергоэффективных схем термической переработки от ходов с помощью программного комплекса «Waste to energy» для повышения эффективности энергопроизводств МСЗ в диссертации предложена следующая схема термической переработки отходов и утилизации тепла отходящих топочных газов МСЗ (рис 6) процесс термической переработки осуществляется в режиме пиролиза с коэффициентом избытка воздуха а равным 0,5 - 0,6, для создания в потоке от ходящих топочных газов веществ, способных экзотермически реагировать при окислении с кислородом воздуха OTT направляются в устройство для согласова

ния параметров OTT с параметрами газового потока (УСПП), необходимыми для устойчивой работы газотурбинного агрегата парогазового цикла, представляющее собой газоструйный компрессор, где происходит тепловыделение за счёт экзотермических реакций окисления неполных окислов, содержащихся в OTT; полученный газовый поток направляется в газотурбинный агрегат парогазового цикла и далее в паротурбинную установку парового цикла.

Схема энергопроизводства МСЗ с ПГУКУ содержит: реактор термической переработки отходов, соединённый газоходом с низконапорным соплом газоструйного компрессора 3 (УСПП). Воздушный компрессор 2, соединённый воздухопроводом с высоконапорным соплом газоструйного компрессора 3. Газоструйный компрессор 3, содержащий осциллятор 4, соединённый газоходом с газовой турбиной 5, которая соединена валом с электрогенератором 6 и газопроводом с парогенератором 8.

Рис б Принципиальная энергетическая схема предприятия по термической переработке органических отходов с парогазовой установкой с котлом утилизатором

I - реактор термической переработки отходов, 2 - воздушный компрессор, 3 - устройство согласования параметров потока, 4 - осциллятор, 5 - газотурбинный агрегат; 6 - генератор, 7 - теппообменное устройство, 8 - парогенератор, 9 - паротурбинный агрегат, 10 - генератор, 11 - конденсатор, 12 пароводяной теплообменник, 13 - насосы, 14 -газоводяной теплообменник

Парогенератор 8 соединён паропроводом с паровой турбиной 9, которая соединена валом с электрогенератором 10 Паровая турбина 9 связана с конденсатором 11 и теплофикационным пароводяным теплообменником 12, которые связаны с насосами 13. Газоводяной теплообменник 14, связан с парогенератором 8 и насосами 13.

В качестве рабочего тела газотурбинной установки используется отходящий топочный газ реактора термической переработки отходов.

Для исследования эффективности энергопроизводящих комплексов МСЗ с ПГУКУ и определения зависимостей основных энергетических показателей в разработанной компьютерной программной среде «Waste to energy» был смоделирован процесс перевода термической переработки отходов на МСЗ №4 из режима сжига-

¿HL

1

Отходы

i

ния в режиме пиролиза с коэффициентом избытка воздуха а равным 0,6 - О,' путем возврата потока ОТГ через дополнительную магистраль в реактор кипящего слоя, через нижний ярус сопел вторичного воздуха, для создания в потоке отходящих топочных газов веществ, способных экзотермически реагировать при окислении с кислородом воздуха.

Утилизация тепла ОТГ осуществлялась предложенным выше способом на основе ПГУКУ

Расчётная схема энергопроизводства МСЗ №4 с ПГУКУ моделируемая в программном комплексе «Waste to energy» на основе реактора с вихревым кипящим слоем показана на рисунке '

По аналогии была смоделирована расчетная схема энергопроизводящего комплекса на базе реактора-газификатора отходов ИХФ РАН.

Результаты расчётов показателей энергетической эффективности энергопроизводящих комплексов МСЗ №4 и реактора - газификатора отходов, полученные при моделировании технологической схемы в программной среде «Waste to energy» при различных значениях температур отходящих топочных газов перед газовой турбиной Т3 и Т4 - 600 К = const (а) и Т4 = 800 К = const (б) приведены на рисунке 8

Рис 7 Расчетная схема перспективного энергопроизводящего комплекса МСЗ №4 с парогазовой установкой с котлом утилизатором

31 - газовая турбина, 32 - электрогенератор, 33 - устройство для согласования параметров потока, 34 - воздушный компрессор, (остальные обозначения соответствуют рисунку 2)

На рис. 9 приведены полученные при моделировании обобщённые зависимости к.пд выработки электрической энергии т^ в газотурбинной установке МСЗ и удельной выработки электроэнергии эг на единицу тепла, отведенного в систему теплоснабжения от расчетных параметров отходящих топочных газов э, =

а;т3Л-ьТ/Гз).

Из приведенных результатов также следует, что печь кипящего слоя, работающая в режиме пиролиза по основным показателям энергетической эффективности не уступает реактору газификатору отходов с ПГУКУ.

а) б)

Рис 8 Расчетная зависимость знеркгпвеских показателей теплофикационной газотурбинной установки схемы эиергопроизводства т базе МСЗ с парогазовой установкой от температуры рабочего тела на выходе из УСПП Т3 приТ, - 270 К, а Т< = 600 К (а) и Т,-800 К (б) __МСЗ№4

— — - Реактор - газификатор ИХФ РАН

Полученные данные позволили определить граничные параметры и область рационального использования газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов и выявить зависимость тепловой экономичности теплофикационной газотурбинной установки МСЗ от расчётных параметров рабочего тела

о 01 04 05 06 08 09 i от/г

Рис 9 Обобщенные тнергетические показатели теплофл кашоиноВ газотурбинной установки МСЗ

! Т/Г, 4,34 2-1/Г„-40 3 Т/Г -3 7

I 2 3 Si*

Рис Î0 HowoqîaMua тля опрелгяекия показателей ГГУ МСЗ простого цикла при температуре на входе в ком прессорТ(=?88 К

1 ,ту - удельная работа I ТУ %-п - кпд П У МСЗ без использования теплоты отрабоганших тзов 1 - с~еп" ии скятия оптимальные по сдельной работе 2 - степе ни с л атия оптимальные по к п д

Анализ результатов моде-шрования ¡ясргопротводяших комплексов К" 3 и

оценки их энергетической эффективности позволил построить, целый ряд номограмм, положенный в основ) инженерной методики определения показателей энергетической эффективности схем производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов

На рисунке 11 показана номограмма для определения зависимости показателей эффективности простой газотурбинной установки в схеме энергопроизводства МСЗ от степени сжатия при температуре ОТГ перед турбиной 1200 К; на рисунке 12 -номограмма для определения значения кпд ГТУ МСЗ и удельной работы с ГТУ простого цикла при разных начальных температурах газов и степенях сжатия

^ЧитУ- е=20

ад» кю

ол 132 0J »¿в 0.26 чм 0.22 0.2 ОН 01«

•• o» ** J И 17

2, < n * ■ ú

4 Ф ✓ N -i

s / 4 \ T T 1

\ / / i J

í Y f - ■ r 1 / г

j i / ) / /

ц i /1 f /

т г« i 't H f\ 1 / /

i 1 / ' L \ e -3

íj \ IIX OK l\ 12. 0K 1 ж

Рис 11 Номограмма для определения показателей простой ГТУ МСЗ от степени сжатия при Тт1200 К % - степень сжатия ОТГ перед газовой турбиной 1 п-удельная работа ГТУ МСЗ, 1 т - удельная работа турбины, 1, - удеш ная работа компрессора т]гту -кпд ГТУ МСЗ без использования теплоты отработавших газов г^ф ~ к п д ГТУ МСЗ с использованием теплоты отработавших газов Пк - относительное изменение давления в компрессоре (УСПП), Т; температура рабочего тела на выходе из компрессора, Ер степень сжатия оптимальная по удельной работе ц степень сжатия 01ггамальная по кпд

< 40 Я0 129 160 200 240 2Я0 1гтгКВгЛпут

Рнс 12 Номшрамма для определения показателей ГТУ МСЗ простою цикла на ОТГ при температуре на входе в компрессор Ti -288 К I гту- удельная работа ГТУ, Цгту- кпд ГГУ МСЗ без использования теплоты отработавших газов 1 - сте пени сжатия оптимальные по удельной работе 2 степени сжатия оптимальные по к п д.

Проведенное исследование позволило оценить и обосновать энергетическую эффективность мусоросжигательных заводов с системами утилизации тепла ОТГ основанными на парогазовом энергетическом цикле, а также предложить целый ряд способов утилизации тепла ОТГ МСЗ основанных на предложенном в работе способе ,

Перспективные схемы МСЗ с производством электрической и тепловой энергии на основе бинарных парогазовых энергетических циклов представлены на рисунках 13-17.

TW I

Рис 13 Принципиальная энергетическая схема газификации органических отходов с парогазовым циклом и камерой смешения эжекторного типа в качестве камеры сгорания ГТУ

ГФ - реактор-газификатор отходов, КЭ МСЗ - котел энергетический, КУ - хотел • утилизатор, ПТ - паровая турбина, ЭГ - электрогенератор, ГО - газоочистка, Э - камера смешения эжектор но го типа, ГТ - газовая турбина, КВ - компрессор воздушный, ТБО - твердые бытовые отходы, ПГ природный газ, В - воздух, СГ - синтез-газ, ПСГ - продук* ты сгорания синтез-газа, ОГ отходящие газы, ДГ дымовые газы, УГ - уходящие газы, ПП - перегретый пар, ПО -пар отбора, ЭГ - электрогенератор, ЭЭ - электроэнергия, ТЭ тепловая энергия, ЛЗ - летучая зола, Ш - шлак, ГРЦ газы рециркуляции

Рис 16 Принципиальная энергетическая схема паровоздушное газификации органических отходов с газотурбинным энергетическим циклом, сжатием синтез -газа в камере смешения эжекторного типа со сбросом газов в котел - утилизатор МСЗ и утилизацией низко-эигалымйного тепла OTT в пароводяном теплофикационном цикле

(Все обозначают соответствуют рис 13)

Рис 14 Принципиальная энергетическая схема пиролизной переработки отходов в печи кипящего слоя с парогазовым циклом и камерой смешения эжекторного типа в качестве камеры сгорания ГТУ со сбросом газов в котел утилизатор

ИКС печь с кипящим слоем, (остальные обозначения соответствуют рис 13)

Рис 15 Принципиальная энергетическая схема паровоздушной газификации органических отходов с парогазовым энергетическим циклом, сжатием синтез -газа в компрессоре и сбросом газа в энергетический котел МСЗ

КСГ - компрессор синтез - газа, (остальные обозначения соответствуют рис 13)

Рис 17 Принципиальная энергетическая схема паро воздушной газификации органических отходов с парогазовым энергетическим циклом, сжатием синтез - газа в камере смешения эжекторного типа и сжатием природного газа в компрессоре природного газа со сбросом газов в энергетический котел МСЗ КПГ-компрессор природного газа, остальные обозначения соответствуют рис 13)

Моделирование схем энерюпроизводящих комппексов МСЗ на ои оьс i.1 л гаженных схем покачало, что КПД бинарных парогазовых установок МСЗ, реализуемых по предложенным способам, находятся в пределах 40 - 45%

Гак, КПД парогазового цикла газификатора отходов с камерой сгорания эжек-торного типа ГТУ со сбросом газов в энергетический котел и утилизацией тепла в паротурбинном агрегате (рис 13) составляет значение 42 %

КПД цикла на основе пиролизного реактора с кипящим слоем и камерой сгорания эжекторного типа ГТУ со сбросом газов в котел - утилизатор МСЗ (рис 14) составляет значение 44 %.

При паровоздушной газификации органических отходов со сжатием синтез - газа в компрессоре и сбросом газов в энергетический котел МСЗ и утилизацией низкопотенциального тепла ОТГ в паротурбинном агрегате (рис 15) КПД ПГУ составит значение 39 %.

КПД газотурбинного цикла МСЗ без утилизации тепла ОТТ в паротурбинном агрегате на основе газификатора отходов с камерой сгорания эжекторного типа ГТУ со сбросом газов в котел - утилизатор МСЗ и утилизацией низкоэнтальпийно-го тепла в пароводяном теплофикационном цикле (рис 16) составляет 35 %

КПД бинарного цикла (рис 17) на основе паровоздушной газификации отходов с сжатием синтез - газа в камере сгорания эжекторного типа ГТУ и сжатием природного газа в компрессоре природного газа со сбросом газа в энергетический котел МСЗ составляет 45 %.

Применение разработанного в работе способа утилизации тепла ОТТ МСЗ на основе пиролизных методов термической переработки отходов позволяет повысить КПД энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов более чем в 2,3 раза без полной их реконструкции на основе существующих производственных мощностей.

Реализация предложенных в работе схем энергетических комплексов мусоросжигательных производств будет способствовать уменьшению вредных выбросов в атмосферу от предприятий и позволит снизить их негативное воздействие на окружающую среду Увеличению доли коммунальной энергетики в общем объеме производства энергии, позволит снизить потребление первичных энергоресурсов за счет вовлечения в производственный цикл вторичных источников энергии - отходов Применение предложенных схем энергопроизводств МСЗ также должно способствовать экономическому росту и устойчивому развитию территории

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан способ утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки органических отходов, позволяющий повысить эффективность энергопроизводящих комплексов на их основе до 42 - 45 % путем применения пиролизного режима термической переработки отходов и утилизации тепла OTT в парогазовом энергетическом цикле.

2. Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей пригодная для технологических расчетов энергопроизводящих комплексов МСЗ с парогазовыми циклами энергопроизводства. Разработаны алгоритм и программа для моделирования схем энергопроизводств МСЗ и расчета основных показателей их энергетической эффективности. Показано: отклонение основных характеристик полученных экспериментальным и расчетным путем не превышают 10 - 12 %.

3. Разработана инженерная методика определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов, а также получена на её основе система номограмм для определения зависимостей энергетической эффективности и показателей тепловой экономичности систем утилизации тепла OTT от параметров рабочего тела (на примере мусоросжигательных заводов).

4. Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой энергии; предложен ряд принципиальных энергетических схем утилизации тепла OTT в парогазовом цикле (на примере МСЗ №4 и реактора - газификатора отходов г. Москва). Показана возможность повышения их энергетической эффективности более чем в 2,3 раза путем реализации парогазового цикла утилизации тепла отходящих газов.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях-

1 Систер В Г, Гонопольский Л М Щепилло Л В , Нефедова Ю А, Москвичев В Ф Энергетическая переработка отходов Техника и технология экологически чистых производств Материалы VI международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов / Под ред Беренгартена М Г - М МГУИЭ 2002 -188 с

2 Гонопольский А М Федоров Л Г , Щепилло Л В , Нефедова Ю А , Москвичев В Ф Твердые бытовые отходы как энергетическое топливо Инженерная зашита окружающей среды Сборник докладов Международной конференции / Под ред Баранова ДА- М МГУИЭ, 2002 - 244 с

3 Гистер В Г Щепилло Л В , Гонопольский А М , Нефедова Ю А Современные технологии производства энергии на заводах по термической переработке ТБО Сб докладов Мсжд Конгресса ЭТЭВК 2003 Ялта, 2003 с 375 379

4 Систер В Г Гонопольский А М, Нефедова Ю А , Щепилло Л ВО возможности перевода печей кипящею слоя МСЗ №4 в пиролизный режим Сб тезисов и докладов «Доркомзкспо Дорожное и коммунальное хозяйство» М, 2003 с 69 70

5 Гонопопъский А М , Николайкина Н Б , Щепилло Л В , Нефедова Ю А Пиролиз-ная переработка твердых отходов авианредприягий с использованием отработав ших Г1Д Научный вестник МГТУ ГА «Эксплуатация воздушною транспорта и ремонт авиационной техники Безопасность полетов», № 66 - М 2003 с 121123

6 Систер В Г Г онопольский А М Нефедова Ю А Щепилло Л В Исследование

течения реагирующей смеси оходящих пиролизных газов с воздухом в камере сгорания эжекторного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение -№5, 2004 с 33 37

7 Положительное решение о выдачи патента на изобретение (заявка №2003131092 от 23 10 03) Камера сжигания пиролизных газов Систер В Г, Гонопольский А М , Нефедова Ю А , Щепилло Л В

8 Положительное решение о выдачи патента на изобретение (заявка №2003131091 от 23 10 03) Способ утилизации тепла отходящих топочных газов пиролизного реактора термической переработки отходов и оборудование для ею осуществления Систер В Г Гонопольский А М , Щепилло Л В Нефедова Ю А

9 Систер В I , Гонопольский А М Щепилло Л В, Небедова Ю А Применение математического и компьютерного моделирования для анализа эффективности энергопроизводящих систем мусоросжигательных заводов Инженерная экология проблемы города, промышленности, подготовка кадров Сборник научных трудов - М МГУИЭ, 2004 - 352 с

10 Систер В Г Гонопольский А М , Щепилло Л В , Нефедова Ю А Экспериментальное и теоретическое исследование течения реагирующей смеси отходящих пиролизных газов с воздухом в камере сгорания эжекторного типа Инженерная экология проблемы города промышленности подготовка кадров Сборник научных трудов - М МГУИЭ, 2004 - 352 с

OS- CPS м

с Г Л

it о

1 „ Ш

Ведение.

Глава 1. Проблемы повышения энергетической эффективности предприятий по термической переработке отходов.

1.1. Предпосылки и задача повышения эффективности энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

1.2. Твёрдые бытовые отходы как энергетическое топливо.

1.3. Энергетическая переработка отходов.

1.4. Анализ исследований применения энергопроизводств МСЗ в системах тепло- и энергоснабжения.

1.5. Научно-методический подход к задаче создания энергоэффективного предприятия на базе заводов по термической переработке отходов.

1.6.0собенности основных технологий термической переработки отходов.

1.6.1.Определение рациональных технологий термической переработки отходов для создания энергоэффективных мусоросжигательных заводов.

1.7,Основные способы утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

1.8. Способы повышения эффективности утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

Глава 2. Разработка методики анализа эффективности энергопроизводящих предприятий по термической переработке отходов.

2.1. Теоретические основы моделирования процессов энергетической переработки отходов.

2.2. Программная реализация методики.

2.2.1. Разработка компьютерной системы «Waste to Energy» для моделирования энергетических схем мусоросжигательных заводов.

2.2.2. Выбор и обоснование физико-математических моделей элементов энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

2.2.2.1. Исходные уравнения.

2.2.2.2. Математические модели элементов энергетических комплексов МСЗ.

2.2.2.3. Математическое моделирование установок энергетических систем МСЗ.

2.2.2.4. Методика определения эффективности энергоиспользования отходов при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии на мусоросжигательных заводах.

2.2.2.5. Методика определения основных показателей эффективности энергопроизводящих установок мусоросжигательных заводов.

Глава 3. Экспериментальные и численные исследования показателей эффективности энергопроизводств предприятий термической переработки отходов.

3.1. Экспериментальное исследование процессов газообразования и показателей энергетической эффективности паровой турбины действующего предприятия по термической переработке отходов (на примере МСЗ №4).

3.1.1. Описание экспериментальной схемы.

3.1.2. Исследование процессов газообразования при термической переработке отходов.

3.1.3. Экспериментальное исследование энергетической характеристики паротурбинного оборудования МСЗ №4.

3.1.3.1. Методика измерения энергетической эффективности паротурбинного агрегата при различных режимах эксплуатации.

3.2. Численное исследование процессов газообразования и основных показателей энергетической эффективности МСЗ №4.

3.2.1. Расчетная технологическая схема.

3.2.1.1. Методика численного эксперимента.

3.3. Численное исследование процессов газообразования предприятия по термической переработке отходов (на примере реактора - газификатора отходов ИХФ РАН).

3.3.1. Расчетная технологическая схема.

3.3.2. Методика численного эксперимента.

3.4. Анализ применимости расчётных моделей для оценки параметров отходящих топочных газов и эффективности энергопредприятий заводов по термической переработке отходов.

Глава 4. Разработка и моделирование перспективных схем энергопредприятий МСЗ с применением парогазовых энергетических установок.

4.1. Исследование основных показателей эффективности парогазовой энергетической установки реактора термической переработки отходов.

4.1.1. Моделирование схемы энергопредприятия МСЗ с ПГУКУ на базе реактора термической переработки с вихревым кипящем слоем.

4.1.2. Моделирование технологической схемы энергопроизводящего комплекса МСЗ с ПГУКУ на базе реактора-газификатора органических отходов.

4.2. Расчетно - теоретический анализ переспективных схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов.

4.3. Определение граничных параметров газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий термической переработки отходов.

4.4. Исследование зависимости эффективности газотурбинной установки энергопроизводящего комплекса МСЗ от параметров рабочего тела.

4.5. Определение области рационального использования энергетических газотурбинных установок в технологиях утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

4.6. Инженерная методика определения эффективности энергопроизводящих комплексов предприятий по термической переработке отходов.

4.7. Разработка перспективных схем производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий по термической переработке отходов.

Выводы.

Актуальность проблемы. Среди задач, связанных с решением проблемы охраны природы и рационального использования ее ресурсов, одной из важнейших является повышение энергетической эффективности действующих производств, в том числе предприятий по термической переработке твёрдых бытовых отходов и промышленных отходов (ТБО и ТПО).

Эффективность схем производства энергии на предприятиях по термической переработке отходов на сегодняшний день сравнительно низка, что обусловлено: низким уровнем энергоиспользования тепла отходящих топочных газов в процессах термической переработки отходов; применением устаревших технических решений и морально устаревшего оборудования при формировании энергопроизводящих систем мусоросжигательных заводов (МСЗ).

Но главными причинами такого положения являются: отсутствие комплексного системного подхода к проблеме повышения эффективности выработки электрической и тепловой энергии на базе коммунальных предприятий по термической переработке отходов.

Основными способами решения вышеназванных проблем являются: проведение комплексного анализа эффективности производства энергии на заводах по термической переработке отходов; определение возможности и рациональных условий использования ТБО в качестве топлива для выработки электрической и тепловой энергии на предприятиях коммунального сектора; оптимизация процессов термической переработки отходов, с позиций их энергетической эффективности; постановка и решение задач совершенствования энергетических схем МСЗ;

- разработка способов повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на МСЗ с использованием парогазовых циклов энергопроизводства; нахождение области рационального использования теплофикационных газотурбинных установок в технологиях энергетической переработки отходов; создание математических моделей энергопроизводящих комплексов МСЗ и проведение схемно - параметрической оптимизации энергетических систем МСЗ.

Как следует из опыта большой энергетики, многие проблемы утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки отходов могут быть решены в случае применения парогазовых установок (ПТУ), комбинирующих газотурбинный и паровой цикл в системах утилизации тепла отходящих топочных газов (ОТГ) МСЗ.

Также известно, что применение пиролизного режима переработки и газификации отходов на предприятиях по термической переработке отходов позволяет существенно снизить количество газовых выбросов и освободить их от пыли (золы), соединений серы, а также избежать образования оксидов азота и диоксинов. В результате чего значительно уменьшаются затраты на предотвращение вредных выбросов в окружающую среду.

На основании вышеизложенного актуальной является задача разработки новых, для мусоросжигательных заводов, схем энергопроизводства с использованием бинарных парогазовых циклов, а также разработки научных основ проектирования энергопроизводящих комплексов МСЗ и создания методик расчёта основных показателей энергетической эффективности на основе системных математических моделей мусоросжигательных заводов.

Использование теплофикационных парогазовых установок позволяет повысить основные показатели энергетической эффективности МСЗ более чем в 2,3 раза и снизить, по сравнению с паротурбинными установками МСЗ, удель ный расход топлива на производство электроэнергии, удельную металлоёмкость и капвложения.

Цель работы.

1) Разработка способа утилизации тепла отходящих топочных газов пиролиз-ных реакторов термической переработки органических отходов на основе парогазового цикла, позволяющего более чем в 2,3 раза повысить эффективность энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

2) Создание, апробация и исследование системы математических моделей описывающей технологическую схему энергопроизводств предприятий по термической переработке отходов.

3) Разработка инженерной методики определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

4) Создание и исследование прикладного компьютерного программного комплекса для моделирования и расчёта технологических схем производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

Методы исследования.

В диссертации использованы следующие методы исследования: автоматизированный сбор и программная обработка информации по проблемам проектирования схем энергопроизводств на базе предприятий по термической переработке отходов; проведение опытно - промышленного эксперимента в условиях действующего производства и обработка экспериментальных данных по оценке эффективности схем производства электрической и тепловой энергии на действующих предприятиях по термической переработке отходов; математическое моделирование и численное исследование технологических процессов термической переработки отходов с утилизацией тепла отходящих топочных газов в парогазовых установках МСЗ.

Научная новизна.

1. Разработан и исследован способ утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере пиролизных реакторов термической переработки органических отходов) с применением парогазовой энергетической установки.

2. Разработана система математических моделей энергопроизводящего комплекса на основе парогазового энергетического цикла (на примере МСЗ).

3. Разработана инженерная методика расчета эффективности энергетических установок утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ).

Практическая значимость работы.

1) Разработан способ утилизации тепла отходящих газов мусоросжигательных заводов на основе пиролизного режима термической переработки отходов с применением парогазового цикла, позволяющий повысить эффективность энергопроизводства мусоросжигательных предприятий до 42 45 %%;

2) Разработана математическая модель энергопроизводящего комплекса МСЗ, позволяющая проводить анализ физико - химических процессов термической переработки отходов и процессов, протекающих в элементах технологических схем как на стадии проектирования, так и при эксплуатации

Разработана инженерная методика расчёта показателей эффективности энергетических парогазовых установок мусоросжигательных заводов;

4) Разработана систем номограмм для определения энергетической эффективности систем утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ);

5) Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой тепловой и электрической энергии.

Автор защищает: 1) способ утилизации тепла отходящих топочных газов мусоросжигательных заводов, реализуемый путем перевода печей в пиролизный режим термической переработки отходов, а системы утилизации тепла отходящих топочных газов с пароводяного на парогазовый цикл; 2) систему математических моделей энергетических установок предприятий по термической переработке отходов; 3) инженерную методику определения энергетической эффективности энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов и результаты её экспериментальной апробации на действующем МСЗ №4 (г. Москва); 4) результаты численного исследования эффективности энергопроизводства при применении способа утилизации ОТТ МСЗ основанного на парогазовом цикле (на примере шахтного реактора - газификатора отходов ФГУП ММПП «Салют» и печи сжигания отходов с вихревым кипящим слоем МСЗ №4 г. Москвы).

Достоверность представленных научных результатов обеспечивается:

1) использованием фундаментальных законов при построении математической модели расчёта теплофикационных установок на базе предприятий по термической переработке отходов; 2) использованием апробированных в научной практике методов технико-экономических расчётов в энергетике, а также методов расчёта тепло- и массообмена; 3) использованием экспериментальных данных разных авторов, полученных на основе стандартизованных методов исследования; 4) не более чем 10 %-ой разницей результатов собственных экс-перментальных исследований автора и результатов расчёта теплофизических параметров и основных показателей энергетической эффективности энергопроизводств действующих предприятий по термической переработке отходов.

В рамках поставленных задач были выполнены следующие работы:

1. Разработан комплексный научно - методический подход к задаче формирования эффективного энергопроизводящего предприятия на базе заводов по термической переработке отходов производства и потребления, учитывающий: морфологический состав и основные теплотехнические показатели отходов; особенности технологий термической переработки отходов и утилизации тепла отходящих топочных газов.

Проанализировано влияние температурного режима переработки отходов на энергетическую эффективность малой ТЭЦ на базе предприятия по термической переработке отходов и обоснован его выбор для целей создания энергоэффективного предприятия на базе МСЗ. Проведена оценка выбранного термического режима переработки отходов с позиций экологической безопасности.

Предложены способы повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на мусоросжигательных заводах путём применения бинарных парогазовых циклов при формировании энергосистем мусоросжигательных заводов.

Разработана схема энергоэффективного предприятия по термической переработке отходов, состоящая в том, что процесс термической переработки отходов организован в режиме пиролиза для создания в потоке отходящих топочных газов, веществ способных реагировать при окислении с выделением тепла, а процесс производства электрической и тепловой энергии организован на основе бинарного парогазового цикла с котлом - утилизатором, в котором рабочим телом газотурбинного агрегата являются отходящие топочные газы реактора термической переработки органических отходов.

2. Разработана инженерная методика определения эффективности энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

3. Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей, пригодная для проведения согласованных технологических расчётов энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов, разработаны алгоритм и программа для моделирования схем производства электрической и тепловой энергии и оценки основных показателей энергетической эффективности МСЗ.

4. Для действующих технологических схем заводов по термической переработке отходов (газификация и сжигание в печи кипящего слоя) смоделированы энегопроизводящие предприятия на основе парогазовых циклов энергопроизводства. Показано, что применение парогазового цикла в технологии утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов повышает коэффициент полезного действия теплофикационного цикла МСЗ, в среднем, на 25 %. Разработана и экспериментально апробирована система номограмм для определения энергетических показателей и показателей тепловой экономичности энергетических установок МСЗ с ПГУ от параметров рабочего тела, в том числе, от температур отходящих топочных газов реакторов по термической переработке отходов на входе и выходе из газовой турбины. Определены граничные параметры и области рационального использования теплофикационной газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г. Москва,

2002 г.); 6-ом, 7-ом Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г. Москва, 2002, 2003 гг.); Научно-практической конференции «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (Москва,

2003 г.); Круглом столе РАН «Экология города» (Москва 2004 г.), Международном конгрессе ВЭЙСТЭК (Москва, 2003 г.), Международном конгрессе ЭТЭВК-2003 (Ялта 2003 г.), 6-ой научно-практической конференции «Экологическая безопасность московской области» (Мытищи, 2004).

По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей и тезисы 3 докладов; получено два положительных решения на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.

Результаты работы использованы при разработке перспективных схем энергопроизводства на проектируемых МСЗ ГУЛ «Экотехпром» в соответствии с Постановлением Правительства Москвы №164 от 23.03.04 г.

Выводы.

1) Разработан способ утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки органических отходов, позволяющий повысить эффективность энергопроизводящих комплексов на их основе до 52 - 55 %% путем применения пиролизного режима термической переработки отходов и утилизации тепла ОТГ в парогазовом энергетическом цикле.

2) Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей пригодная для технологических расчетов энергопроизводящих комплексов МСЗ с парогазовыми циклами энергопроизводства. Разработаны алгоритм и программа для моделирования схем энергопроизводств МСЗ и расчета основных показателей их энергетической эффективности. Показано: отклонение основных характеристик полученных экспериментальным и расчетным путем не превышают 10-^-12 %%.

3) Разработана инженерная методика определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов, а также получена на её основе система номограмм для определения зависимостей энергетической эффективности и показателей тепловой экономичности систем утилизации тепла ОТГ от параметров рабочего тела (на примере мусоросжигательных заводов).

4) Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой энергии; предложен ряд принципиальных энергетических схем утилизации тепла ОТГ в парогазовом цикле (на примере МСЗ №4 г. Москва и реактора - газификатора отходов г. Москва). Показана возможность повышения их энергетической эффективности более чем в 2,3 раза путем реализации парогазового цикла утилизации тепла отходящих газов.

1. Авцинов А.Ф., Бородулин А.В., Моделирование процессов газодинамики и теплообмена в шахте доменной печи // Сталь, 1996. № 8. - с. 4 - 9.

2. Алътшулер B.C. Новые процессы газификации твердого топлива. М.: Недра, 1976. - 279 с.

3. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. -М.: Высшая школа, 1975.

4. Анисимов А.В. Совершенствование механизма природопользования в современных условиях (на примере твердых бытовых отходов). Ростов на Дону: «Издательство Рост, ун-та», 2002. - 186 с.

5. Анисимов А. С. Парогазовые технологии в системах теплоэнергоснабжения: Учеб. пособие. Омск: Оме. гос. ун-т путей сообщ., 2003.

6. Аристархов Д.В. Разработка научных и методических основ экологически эффективных паротермических технологий переработки и рециклинга органических отходов для строительства: Автореф. дис. . д-ра техн. Наук. М., 2002. -20 с.

7. Арсеньев JI. В., Рисс В., Черников В. А. Комбинированные установки с паровыми и газовыми турбинами: Учеб. пособие; С.-Петерб. гос. техн. ун-т. -СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 1996.

8. Арсеньев J1. В., Тырышкин В. Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Д.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1982.

9. Асланян Г. С., Иванов П. П., Мунвез С. С. Программы расчета состава, термодинамических и переносных свойств многокомпонентных химически реагирующих гетерогенных систем. М.: Науч. об-ние "ИВТАН", 1994.

10. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим слоем. Л.: Химия, 1968.

11. Безлепкин В. П. Парогазовые и паротурбинные установки электростанций. -СПб: Изд-во СПб ГТУ, 1997.

12. Белосельский Б. С. Внутрицикловая газификация твердого топлива на электростанциях с получением экологически чистого газа: Учеб. пособие по курсу "Энергет. топливо и процессы горения". М.: Изд-во МЭИ, 1996.

13. Белоусенко И.В., Лезнов А.С., Гольдштейн А.Д. и др. Технические и экономические аспекты создания и использования парогазовых установок на базе газотурбинных двигателей мощностью до 25 МВТ. М.: ИРЦ Газпром, 2001.14