Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и проблемы раз вития коммунальной теплоэнергетики на твердом топливе. постановка задач исследования 17
1.1. Современное состояние коммунальной теплоэнергетики 17
1.2. Особенности топливо- и теплоснабжения северных территорий 30
1.3. Проблемы функционирования теплового хозяйства муниципальных образований (на примере Братска) 35
1.3.1. Структура теплового хозяйства 36
1.3.2. Анализ производства теплоты в системе теплоснабжения города 39
1.3.3. Проблемы функционирования источников теплоснабжения 41
1.3.4. Экологические аспекты работы теплоисточников 44
1.4. Цели и задачи исследования 53
Глава 2. Пути повышения эффективности комму нальных теплоисточников 57
2.1. Повышение энергетической эффективности действующих котельных 57
2.2. Перспективные направления развития коммунальных теплоисточников 63
2.3. Моделирование и конструкторские разработки топки с кипящим слоем 69
2.4. Исследование перспективных технологий водоподготовки 89
2.4.1. Аналитический обзор методов водоподготовки для коммунальных котельных 89
2.4.2. Экспериментальные и промышленные исследования применения цеолитов в технологиях водоподготовки 95
2.4.3. Оценка эколого-экономической эффективности применения стабилизационной обработки воды 100
Глава 3. Методика исследований новых техноло гий для коммунальных котельных 109
3.1. Основы системного подхода к исследованию энергетических технологий 109
3.2. Термодинамические модели энергетических и экологических процессов 121
3.3. Математические модели энергетических установок 132
3.3.1. Модели технологических установок пиролиза 133
3.3.2. Показатели экономической эффективности 141
3.3.3. Экологические показатели энергетических установок . 144
3.4. Математические модели энерготехнологических комплексов 147
Глава 4. Исследование технологий пиролиза низкокачественных топлив 154
4.1. Состояние работ в области производства качественных энергоносителей для коммунальных котельных 154
4.1.1. Исследования механизмов пиролиза 156
4.1.2. Состояние технологических разработок 160
4.2. Разработка технологических схем установок пиролиза 168
4.2.1. Классификация процессов пиролиза 168
4.2.2. Потенциальные достоинства и недостатки процессов пиролиза 171
4.2.3. Технологические схемы установок пиролиза 184
4.3. Термодинамические исследования процессов пиролиза 193
4.4. Технико-экономический анализ установок пиролиза . 207
4.5. Системная эффективность установок пиролиза 223
4.6. Выводы 232
Глава 5. Нетрадиционные источники энергии и их использование в системах теплоснабже ния 235
5.1. Характеристика и особенности нетрадиционных источников энергии 23 5
5.2. Исследование эффективности теплоснабжения на базе тепловых насосов 241
5.3. Перспективные теплоисточники на древесных и твердых бытовых отходах 263
5.4. Оценка эффективности применения электрокотельных 280
5.5. Выводы 286
Глава 6. Анализ экологических характеристик коммунальных теплоисточников 288
6.1. Исследование процессов образования загрязнителей при сжигании органических топлив 288
6.2. Термодинамический анализ вторичного загрязнения атмосферы (на примере г. Братска) 322
6.3. Исследования по повышению эффективности работы батарейных циклонов 327
6.3.1. Промышленный опыт совершенствования схемы золоуловителя 328
6.3.2. Изучение электростатических явлений 332
6.3.3. Конструкторские разработки по нейтрализации статического электричества 339
6.4. Выводы 342
Заключение 345
Литература 349
Список основных сокращений 393
Приложение
- Особенности топливо- и теплоснабжения северных территорий
- Перспективные направления развития коммунальных теплоисточников
- Термодинамические модели энергетических и экологических процессов
- Разработка технологических схем установок пиролиза
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию перспективных технологий для коммунальной теплоэнергетики (КТЭ). КТЭ России - важнейшее звено системы жизнеобеспечения населения, представляет собой сочетание локальных систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения, состоящих из теплоисточников различного типа, магистральных и распределительных тепловых сетей и потребителей (систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения). Функционирование практически всех элементов КТЭ в настоящее время связано с целым рядом накопившихся проблем. Для районов с преобладающей долей в топливно-энергетическом балансе низкосортных углей к ним можно отнести низкую энергетическую и экологическую эффективность работы оборудования, обусловленную плохим техническим состоянием, практически полным отсутствием автоматизации, низкой квалификацией обслуживающего персонала, сжиганием низкокачественного и непроектного топлива, отсутствием или недостаточной эффективностью систем золоулавливания и систем обработки подпиточной воды и рядом других причин. В результате системы КТЭ работают с большими перерасходами топлива и энергии, чрезмерно загрязняют окружающую среду, не обеспечивают требуемые показатели надежности и уровни комфортности. Наиболее остро проблемы КТЭ проявляются в северных районах, составляющих около 60 % территории страны, где вследствие природно-климатических особенностей к системам теплообеспечения предъявляются повышенные требования по надежности, экономичности и экологической безопасности работы оборудования.
Выход из создавшейся ситуации видится в разработке и развитии перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий. Для действующих теплоисточников к ним можно отнести: перевод на более прогрессивные технологии сжигания низкосортных углей (кипящий слой и др.), а также на экологически более чистое топливо; применение новых технологий водоподго-товки; использование нетрадиционных источников энергии и др. Эти меро-
приятия различаются по срокам реализации, требуемым средствам и достигаемой экономической и экологической эффективности.
Одним из путей повышения эффективности функционирования коммунальных теплоисточников является их обеспечение качественными видами энергоносителей, получаемыми, например, методами пиролиза из низкосортных углей. Основным недостатком пиролиза считается значительно меньший выход искусственного жидкого топлива (ИЖТ) по сравнению с другими угле-химическими процессами (гидрогенизацией, косвенным ожижением). В то же время необходимо учитывать возможности совершенствования и повышения конкурентоспособности данной технологии, как в направлении увеличения производства ИЖТ, так и получения облагороженного твердого топлива (ОТТ) для энергетического и коммунально-бытового использования.
В связи с вышеизложенным актуальной является проблема создания методических подходов и соответствующих математических и экспериментальных моделей по анализу перспективных теплоэнергетических технологий, разработки и внедрения научно-технических решений по повышению эффективности ктэ.
Исследования проводились в соответствии с работами СЭИ (ИСЭМ) СО РАН по теме 1.9.3.3 «Основные направления научно-технического прогресса в энергетике. Системные исследования эффективности и масштабов использования новых технических средств в энергетике», а также комплексными целевыми научно-техническими программами О.Ц.008 («Энергия»), «Энергетика» (подпрограмма «Физико-технические проблемы энергетики»), «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив» (грант Минобразования 1 Гр-98).
Цель исследований заключается в определении направлений совершенствования коммунальных теплоэнергетических технологий.
Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, математическое и физическое моделирование.
Содержательные исследования базируются на вычислительных и натурных экспериментах, практических расчетах, конструкторских разработках. Основные задачи работы состоят в следующем.
Разработка методики анализа перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий.
Построение математических моделей и проведение с их применением исследований технологий пиролиза низкокачественных топлив: оценка потенциальных возможностей совершенствования физико-химических процессов в направлении увеличения выхода качественных энергоресурсов и улучшения энергетических показателей, определение перспективных технико-экономических показателей конкурирующих установок пиролиза, системной эффективности и возможных областей их применения в энергетике страны.
Сопоставление конкурирующих направлений энергетического, экономического и экологического совершенствования коммунальных котельных.
Определение наиболее перспективных для КТЭ нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и оценка технико-экономической и экологической эффективности их использования в теплоисточниках.
Создание экспериментальных установок и проведение исследований гидродинамики и теплообмена топки с кипящим слоем (КС), разработка технических решений по модернизации конструкции малых отопительных котлов, работающих на низкокачественном угле и отходах.
Оценка возможностей совершенствования технологий водоподготовки.
Совершенствование режимов работы и конструкций батарейных золоуловителей.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Предложен методический подход к исследованию коммунальных теплоэнергетических технологий, предусматривающий совместный анализ эффективности теплоисточников и установок топливопереработки.
Методика прогнозирования новых энергетических технологий ИСЭМ СО РАН, основанная на их последовательном физико-химическом и технико-
экономическом исследовании, модифицирована для анализа перспектив развития технологий пиролиза низкокачественных углей и коммунальных котельных.
3. Разработана термодинамическая модель процессов пиролиза угля,
включающая блоки расчета частичных и полного равновесий, термодинамиче
ских свойств органических топлив и жидких продуктов их переработки и учи
тывающая возможные макромеханизмы процессов и наличие в реагирующей
системе электрически заряженных частиц. На основе термодинамического ана
лиза определены предельные показатели различных вариантов пиролиза.
Предложены модели технологических установок пиролиза, основанные на составлении избыточных расчетных схем; получены конструкторские решения по повышению эффективности установок и определены перспективные технико-экономические показатели.
В модели структуры технологий ИСЭМ СО РАН расширен набор переменных для более детального учета разновидностей пиролиза, современных коммунальных котельных и конкурирующих технологий. На основе системного анализа определены перспективные направления развития технологий пиролиза.
6. На физических моделях выявлены наиболее значимые факторы,
влияющие на гидродинамику и тепломассообмен топки с кипящим слоем (КС);
показана эффективность сжигания низкокачественных углей в КС; предложены
конструктивные и технологические решения конструкции котла для мелких ко
тельных на угле и древесных отходах.
В лабораторных условиях получены зависимости процесса умягчения вод различной жесткости природными цеолитами, показана возможность совершенствования технологий водоподготовки за счет использования антинаки-пинов и местных природных цеолитов.
Получены эколого-экономические оценки и выявлены области конкурентоспособности нетрадиционных источников энергии применительно к КТЭ.
9. В результате термодинамического анализа и промышленных испытаний получены зависимости образования первичных и вторичных загрязнителей от различных факторов, предложены мероприятия по снижению вредных воздействий теплоисточников на атмосферу, в том числе за счет повышения эффективности работы батарейных золоуловителей с улиточным и полуулиточным подводом газов.
Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы. Внедрение методических положений и технических рекомендаций в проектную практику и на действующих объектах повысит экономическую и экологическую эффективность теплоисточников, их надежность, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень комфорта у потребителей, а также будет способствовать активной реализации энергосберегающей политики в
ктэ.
Полученные в диссертации результаты исследований эффективности технологий пиролиза углей для производства качественных топлив могут быть использованы при разработке региональных энергетических программ и при обосновании направлений НИОКР по данной технологии.
Предложенная термодинамическая модель и результаты термодинамического анализа процессов пиролиза КАУ использовались при выполнении научно-исследовательских работ СЭИ (ИСЭМ) СО РАН и могут найти применение для изучения процессов переработки других видов органического топлива.
Данные прогнозного анализа эффективности установок пиролиза использовались в лаборатории термохимической переработки КАУ Красноярского политехнического института (технического университета) по плану работ программы «Энергия» (О.Ц. 008) при разработке схемы и установки для термической подготовки углей с целью повышения надежности работы котлоагрегатов.
Практические результаты исследований нашли применение при совершенствовании теплоэнергетических технологий и разработке природоохранных мероприятий в административных, проектных и эксплуатационных организациях (Территориальный комитет по охране природы г. Братска, Братское тепло-
энергопредприятие, СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», Братские тепловые сети АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод). Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок. Технические решения и эколого-экономические оценки по теплоисточникам нашли отражение в «Программе энергосбережения г. Братска-2000» и использовались при определении перспективных направлений развития коммунальной теплоэнергетики города.
Результаты работ использовались территориальным комитетом по охране природы г. Братска и в ряде проектных и эксплуатационных организаций (СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», районная Галачинская котельная АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод) при разработке природоохранных мероприятий и совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания, подготовки и очистки воды.
Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок.
Научные результаты исследований использованы в учебном процессе в Братском государственном университете по программам курсов «Охрана окружающей среды при работе теплоэнергетических объектов», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», часть материалов включена в два учебных пособия (с грифами Минобразования и СибРУМЦ).
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международных (11), всесоюзных (3), республиканских (Украина) и всероссийских (8) конференциях и семинарах: XII Всесоюзной конференции "Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и др. отраслях промышленности" (Днепропетровск, 1982); II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергетики теплотехнологии» (Москва, 1987); Республиканском семинаре «Повышение эффективности использования низкосортных топлив в энергетике Украинской ССР (Киев, 1987); Всесоюзном
семинаре «Технико-экономические оценки плазмохимических процессов переработки углей и углеводородов» (Иркутск, 1988); Республиканской конференции «Повышение эффективности использования топлива в энергетике, промышленности и на транспорте» (Киев, 1989); Международной (1998), Всероссийской (1994) и региональных (1992, 1995-1997) конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск); Международной конференции «Природные цеолиты в народном хозяйстве России» (Иркутск, 1996); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999); Международной конференции «Экология. Образование. Здоровье» (Иркутск, 1999); IV международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в регионе: проблемы и перспективы» (Омск, 1999); V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999); Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока, институтов СО РАН по теплофизике и теплоэнергетике, посвященного памяти академика С.С. Кутателадзе (Новосибирск, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в регионах России - 2000» (Москва, 2000); IV и V Всероссийской конференции и семинара РФФИ «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 2000, 2001); III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001); Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001); II и III Международных научно-практических конференциях «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2001, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции» (Иркутск, 2002); IV Международной научно-практической конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003); Всероссийской научно-
практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003); International Conference «Energy Saving Technologies & Environment» (Irkutsk, 2004), Форуме с международным участием «Высокие технологии-2004» (Ижевск, 2004). Кроме того, материалы докладывались на Межрегиональных научно-технических конференциях «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» (Братск, 1996); «Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе» (Братск, 2002, 2004); «Естественные и инженерные науки - развитию регионов» (Братск, 2002-2004), научно-технических конференциях БрИИ (БрГТУ) (1993-2005), Ученом совете и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» ИСЭМ СО РАН и др.
Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены: в монографии: «Развитие коммунальных теплоэнергетических технологий в районах с преобладающим твердым топливом» (Новосибирск: Наука. -2005); в главе монографии: «Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы» (Новосибирск: Наука. - 1989); в статьях отраслевых журналов; в межвузовских сборниках трудов; в изданиях ИСЭМ, БрГТУ, других институтов и организаций; в материалах международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов, конференций и семинаров; в 1 авторском свидетельстве и 2 патентах; в учебном пособии «Расчет и контроль загрязнения атмосферы при работе котельных и ТЭС» (гриф Минобразования РФ).
Содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 348 страниц основного текста, включая 59 рисунков и 53 таблицы, список литературы из 425 наименований и 3 приложения.
В первой главе представлен анализ современного состояния коммунальной теплоэнергетики в России, из которого сделан вывод о необходимости разработки и развития перспективных технологий для КТЭ и соответствующих
методических подходов к анализу их эффективности. Сформулированы цели теоретического и экспериментального исследования.
Во второй главе приводятся результаты решения ряда научно-практических задач применительно к коммунальным теплоисточникам. На примере муниципальной котельной показаны возможности повышения энергетической и технико-экономической эффективности действующих теплоисточников за счет внедрения первоочередных беззатратных и малозатратных энергосберегающих мероприятий. Выполнен анализ двух конкурирующих направлений развития теплогенераторов: внедрение технологии сжигания в кипящем слое и перевод существующих котлов на высококачественные продукты термохимической переработки низкосортных углей методами пиролиза. Реализация этих направлений связана со значительными капитальными затратами. Приводятся результаты расчетных и экспериментальных (на холодной и огневой моделях) исследований топки с кипящим слоем. Выявлены основные факторы, влияющие на гидродинамику и тепломассообмен, условия сжигания частиц угля различного фракционного состава. Показана возможность эффективного сжигания в топочных устройствах данного типа низкокачественных углей с достаточно высоким КПД. На основании патентных и экспериментальных исследований выполнены конструкторские разработки по промышленной реализации данной технологии применительно к передвижным механизированным котельным установкам.
В этой же главе выполнен анализ малозатратных перспективных технологий водоподготовки для муниципальных котельных. На основании аналитического обзора отобраны две схемы: применение природных цеолитов в качестве катионитов и стабилизационная обработка воды. В лабораторных условиях установлено, что при использовании природных цеолитов Сибири возможно эффективное умягчение подпиточных вод различной жесткости. Для котельных, оборудованных системами водоподготовки замена традиционных катионитов (КУ-2-8, сульфоуголь) природными цеолитами позволит получить существенную экономию эксплуатационных затрат. Более высокую эколого-
экономическую эффективность можно ожидать при применении вместо традиционных схем водоподготовки стабилизационной обработки воды. Внедрение данной технологии целесообразно в первую очередь на мелких котельных, в которых в настоящее время отсутствует водоподготовка.
В третьей главе приводится описание предложенного автором методического подхода к анализу коммунальных теплоэнергетических технологий, основной особенностью которого является комплексность рассмотрения систем КТЭ: совместно с теплоисточниками анализируются установки топливоперера-ботки, предназначенные для получения качественных видов энергоресурсов из низкосортных углей. На основе анализа системных свойств КТЭ сделан вывод, что во многом коммунальная теплоэнергетика по своим свойствам соответствует системам теплоснабжения, однако имеет ряд важных особенностей, которые осложняют технологическую управляемость системы.
Для технологий топливопереработки на основе пиролиза, технико-экономические показатели и перспективы внедрения которых в настоящее время не известны, прогнозный анализ предложено выполнять на основе системного подхода, предложенного в СЭИ (ИСЭМ) СО РАН для изучения новых энергетических технологий. Он основан на иерархичности структуры исследований, выполняемых по схеме: технологический процесс, технологическая установка и энергетическая система. На каждом этапе применяются свои показатели эффективности и соответствующие математические модели: термодинамические - для анализа физико-химических основ энергетических и экологических процессов; энергетических установок - для определения технико-экономических показателей и модели энерготехнологических комплексов - для оценки системной эффективности исследуемой технологии. Приводится описание моделей.
Четвертая глава посвящена исследованию системной эффективности технологий пиролиза низкокачественных топлив на примере канско-ачинских углей. Приводятся данные по состоянию работ в области пиролиза углей. На основе предложенной классификации процессов пиролиза разработаны техно-
логические схемы установок. В результате термодинамического анализа выявлены большие потенциальные возможности совершенствования изучаемой технологии в направлении увеличения выходов целевых продуктов и улучшения энергетических показателей. С применением математической модели технологических установок определены прогнозные технико-экономические показатели конкурирующих установок пиролиза. На модели структуры технологий оценены возможные масштабы и спектр их применения в энергетике при различных вариантах ее развития. Показано, что в настоящее время наиболее перспективным направлением технологии пиролиза является организация производства из низкосортных углей облагороженных твердых топлив для коммунальных котельных.
В пятой главе рассматриваются нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (НВИЭ) и возможные схемы их использования в КТЭ. В качестве наиболее перспективных НВИЭ выбраны: тепловые, древесные и твердые бытовые отходы, ветровая энергия. Условно к нетрадиционным теплоисточникам отнесены электрокотельные. Рассмотрены перспективные теплоисточники на древесных и твердых бытовых отходах. Приводится описание предложенной в БрГТУ конструкции топки-котла для сжигания древесных отходов. На практических примерах оценена технико-экономическая и экологическая эффективность применения в качестве коммунальных теплоисточников электрокотельных и теплонасосных установок, утилизирующих низкопотенциальную теплоту сточных вод. Выявлены области конкурентоспособности нетрадиционных источников энергии применительно к коммунальной теплоэнергетике.
В шестой главе приводятся результаты расчетных исследований процессов образования загрязнителей при сжигании органических топлив. Определено влияние различных факторов (температуры, давления, состава исходной смеси и др.) на концентрации токсичных веществ в дымовых газах котлов и предложены направления по их снижению. На примере Братска выполнен термодинамический анализ процессов вторичного загрязнения атмосферы. Показана потенциальная возможность образования более токсичных соединений в ре-
зультате трансформации в атмосфере первичных поллютантов. Рассматривается один из возможных методов снижения выбросов загрязнителей - повышение эффективности работы батарейных золоуловителей. Приводятся результаты промышленных исследований и конструкторских разработок.
В заключении содержатся основные выводы работы.
В приложениях приводятся: алгоритм расчета термодинамических свойств органических топлив и жидких продуктов их переработки, кинетические модели процессов пиролиза и материалы по внедрению результатов исследований.
Место выполнения. Работа выполнена в ГОУ ВПО «Братский государственный университет» (Братский государственный технический университет).
Автор глубоко признателен д.т.н., профессору Б.М. Кагановичу и д.т.н., профессору СП. Филиппову за помощь в уточнении постановок решаемых задач.
Особенности топливо- и теплоснабжения северных территорий
Уже отмечалось, что проблемы функционирования КТЭ наиболее остро проявляются в северных регионах, которые составляют значительную часть территории страны. Эти территории характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, что накладывает свои особенности на системы энергообеспечения потребителей. В связи с этим закономерен интерес специалистов к данной проблеме.
Среди многочисленных публикаций, посвященных вопросам Севера, например, [112, 145, 179, 218, 271, 290, 294 и др.], хотелось бы отметить последние работы сотрудников ИСЭМ СО РАН по данной тематике [112, 294], в которых предпринята попытка комплексного рассмотрения проблем энерго- и топливоснабжения регионов Севера с целью определения наиболее эффективных путей развития энергетики, в первую очередь малой. Однако в данных работах не нашли достаточного отражения особенности этих регионов, схем их теплоснабжения, а также вопросы экономии энергоресурсов в КТЭ за счет проведения активной энергосберегающей политики, о чем далее пойдет речь.
Выделим характерные проблемы в топливо- и теплоснабжении северных территорий, обусловленные в первую очередь экономико-географическими и климатическими особенностями.
Площадь северных регионов составляет 60 % всей территории страны. Она включает районы Крайнего Севера природные зоны, расположенные севернее 60-й параллели, для которых характерны труднодоступность, наличие много-летнемерзлых грунтов («вечной мерзлоты») и, как следствие, значительное (в 2.. .3 раза) удорожание строительно-монтажных и других работ. К северным регионам относятся также районы, приравненные к Крайнему Северу, где климатические условия не столь суровы. Однако эти районы труднодоступны или существенно удалены от промышленно развитых районов. Здесь коэффициент удорожания несколько ниже и составляет 1,2... 1,7 [112].
Для экономики Севера характерны:— ресурсная специализация с очаговым характером развития производственной и социальной инфраструктуры, что в условиях кризиса привело к существенному росту безработицы и бедности населения;- низкая экономическая эффективность производства и отсутствие условийдля его диверсификации;- проблемы строительства: трудности в транспортировке материалов иоборудования; недостаточная мощность строительных баз, особенно в условияхкризиса; малый срок эксплуатации зданий и сооружений и, как следствие, существенное удорожание и удлинение сроков строительства.
Серьезной проблемой экономического развития Севера являются ограниченность трудовых ресурсов (население северных территорий составляет только 6 % населения страны) и резкая неравномерность Расселения жителей по территории: 3,3 чел./км2 на Европейском Севере и лишь 0,2 чел./км2 в Восточно-Сибирском [112].
Для этих регионов характерны высокая смертность, в первую очередь среди коренных малочисленных народов, и массовая миграция, что приводит к снижению численности населения в отдельных районах до 50 %. Вместе с тем здесь отмечается наличие избыточного населения и объектов социальной инфраструктуры [290].
В условиях плановой экономики при строительстве энергетических объектов в северных регионах ограниченность трудовых ресурсов учитывалась путем дополнительных затрат на привлечение рабочей силы [149]: для районов Крайнего Севера капитальные вложения планировались в размере 29 тыс. руб./чел., а ежегодные издержки - 3,3 тыс. руб./(чел.-год), для Центральной Сибири и зоны БАМа эти показатели составляли 6 тыс. руб./чел. и 1,9 тыс руб/(чел.-год) соответственно.
К основным климатическим особенностям северных территорий следует отнести: низкие расчетные температуры наружного воздуха (- 40...50 С и ни же), большую продолжительность отопительного периода (3/4 года и более), отрицательные значения среднегодовых температур наружного воздуха.
Особенности топливообеспечения. Очевидно, что работа систем энергоснабжения в первую очередь зависит от наличия и качества топливно-энергетических ресурсов. Ввиду неравномерности размещения и освоения ресурсов по территориям Севера топливообеспечение потребителей сильно различается. По обеспеченности ТЭР районы Севера делят на три группы [112]:1) открытые, в которых добываемые ТЭР имеют общероссийское значение;2) полуоткрытые, ТЭР которых влияют на топливные балансы сопредельных территорий;3) закрытые, имеющие ТЭР местного значения.
Целый ряд регионов Севера является топливодефицитным и зависит только от внешних поставок ТЭР. Такие энергоресурсы, как моторное топливо и нефтепродукты практически для всего Севера поставляются извне. Так, около 2 млн т жидкого топлива потребляется в автономных энергоисточниках. Для этих регионов обеспечение топливом зависит от развития транспортных систем.
Наиболее остро проблемы топливоснабжения стоят для изолированных потребителей. В отличие от европейского Севера, имеющего развитую транспортную инфраструктуру, значительные территории азиатского Севера не имеют дорог круглогодичного действия. Поэтому поставки топлива носят сезонный характер и могут иметь ограниченные сроки, что требует множественных перегрузок на промежуточных складах.
Трудности топливоснабжения изолированных потребителей следующие:- невозможность взаимозаменяемости и выбора наиболее эффективных видов энергоресурсов;- сезонность завоза топлива («северный завоз»), ограниченность периодов завоза, что может удлинять сроки доставки до года и более;- необходимость создания больших запасов на промежуточных складах;- многозвенность транспортировки с множеством перегрузок топлива и потерями, доходящими до 20 % и более;
Перспективные направления развития коммунальных теплоисточников
Среди перспективных, но часто более затратных направлений развития коммунальных котельных следует выделить:- модернизацию установленных и внедрение принципиально новых конструкций котлов, рализующих прогрессивные технологии сжигания низкокачественных топлив в первую очередь в топках кипящего слоя;- перевод котельных на более качественные виды топлива: природный газ, продукты термической переработки низкосортных углей (коксобрикеты, термоуголь и др.);- использование нетрадиционных источников энергии: низкопотенциальной теплоты с применением тепловых насосов, отходов деревообработки, твердых бытовых отходов, солнечной и ветровой энергии, вторичных энергоресурсов и др. (см. гл. 5).
В связи с разработкой новых месторождений природного газа в ряде районов, снабжаемых преимущественно твердым топливом, возможна частичная газификация теплоэнергетики. В первую очередь целесообразно переводить на газ мелкие коммунальные котельные - самые неэффективные. В этом случае достигается существенное повышение экономичности котлов за счет уменьшения избытков воздуха, снижения температуры уходящих газов, улучшения теплообмена, уменьшения загрязнения поверхностей нагрева [36]. Улучшаются при этом и экологические показатели котлов (см. разд. 6.1).
Дальнейшего повышения энергетической эффективности газифицированных котлов можно достичь за счет установки контактных насадочных и поверхностных (конденсационных) теплоутилизаторов с глубоким, ниже температуры точки росы, охлаждением дымовых газов. Это дает возможность ис пользовать не только явную, но и скрытую (латентную) теплоту и довести экономию топлива до 20 %.
Следует отметить, что экономические показатели такого энергосберегающего мероприятия могут быть довольно высокими [229]. Капитальные затраты на собственно теплоутилизаторы, особенно контактные, сравнительно невелики и, как правило, не превышают затрат на традиционные экономайзеры той же мощности. Стоимость установки в целом увеличивают необходимые меры по нейтрализации конденсата (рН составляет 4...6), по антикоррозионной защите оборудования или по предотвращению конденсации остаточных водяных паров в газоходах и дымовой трубе. Но за счет дополнительно получаемой теплоты срок окупаемости капитальных затрат (с учетом всех возможных сопутствующих расходов) обычно не превышает 1,5...2 года, что свидетельствует о высокой экономической эффективности их внедрения.
В нашей стране промышленностью выпускались контактные насадочные теплоутилизаторы ЭК-БМ-1-1 и ЭК-БМ-1-2 (для котлов паропроизводительно-стью 2,5 и 10 т/ч соответственно); контактные теплообменные аппараты с активной насадкой из пучка труб широкого ряда типоразмеров [279]. Особенность конструкции КТАН - наличие двух потоков воды: один в зоне орошения контактирует с дымовыми газами и изменяет свои качественные показатели, другой проходит по трубам насадки и не загрязняется. Был также накоплен определенный опыт внедрения конденсационных поверхностных теплоутилиза-торов на котле ДЕ-10 [ 18].
Однако в условиях дефицита денежных средств, низких цен на топливо и, как следствие, недостаточной заинтересованности предприятий в экономии тепловой энергии теплоутилизаторы с глубоким охлаждением газов в нашей стране не нашли широкого применения. Наоборот, в Швейцарии, Великобритании и других развитых странах данные аппараты широко используются начиная с 80-х годов прошлого столетия [251]. В последнее время в нашей стране интерес к теплоутилизаторам с глубоким охлаждением газов значительно возрос. Так, во ВТИ разработана и реализована на котле КВГМ-20 установка для подогрева дутьевого воздуха на основе контактного экономайзера [229]. Результаты испытаний показали повышение КПД котла на 3...5 %, снижение выбросов оксидов азота на 50...70 % (за счет повышения влажности дутьевого воздуха). Конденсат, выходящий из теплоутилизатора, при малозатратной кор-ретировке химического состава может использоваться в качестве подпиточной воды.
Среди перспективных и, пожалуй, наиболее эффективных направлений развития коммунальных котельных следует выделить два альтернативных решения: 1) использование облагороженных твердых топлив, производимых, например, в установках пиролиза (см. гл. 4), и 2) применение котлов с кипящим слоем. Рассмотрим более подробно каждое направление.
Преимущества реализации в котельных первого направления могут проявиться в следующем.1. Решается проблема снабжения потребителей со слоевой системой сжигания сортовым топливом, которая в настоящее время и на ближайшую перспективу представляется довольно серьезной. Действительно, часто в коммунальных и бытовых теплогенераторах сжигается непроектное топливо, что резкоснижает их производительность и энергетическую эффективность работы. Так,для механизированных котлов «Братск» КПД изменяется от 81 % при работе нагрохоченном каменном угле до 19 % на рядовом каменном и 70 % на буром угле; теплопроизводительность падает с 1,3 до 1,1 и 1,0 МВт соответственно [35].
Кроме того, фактические показатели качества поставляемых углей, как правило, хуже расчетных, принятых при проектировании котельных. Действующие в стране ГОСТы у большинства угольных бассейнов допускают возможность поставки для слоевых, факельно-слоевых топок и коммунальных потребителей некондиционных рядовых углей низкого качества: зольностью до 40 %, с содержанием мелочи (0.. .6 мм) до 60 % и повышенной влажностью до 40.. .45 %.2. За счет улучшения качества топлива можно ожидать снижение приведенных затрат на тепловую энергию, отпускаемую от этих котельных (по эксперт ной оценке автора на 25...30 %); существенное повышение энергетической эффективности его сжигания.
Так, сотрудниками ИГИ проведены исследования процесса сжигания в бытовой печи различных видов твердого топлива. Значения КПД печи при этом составили [36]: рядовой бурый уголь - 46,7 %; сортированный уголь - 62,5 %; буроугольные брикеты - 70,0 %; термобрикеты - 75,1 %; гранулы из мелочи бурых углей - 75,5 %. Аналогичные данные получены при сжигании твердых топлив в паровом котле ДКВ-6,5 /13, оборудованном факельно-слоевой топкой с шурующей планкой. При работе на гранулах КПД котла из мелочи угля составил 73 %, в то время как на рядовом подмосковном угле - лишь 60 %. Повышение КПД при работе на облагороженных видах топлива обеспечивается в основном за счет снижения механического недожога.
Второе перспективное направление развития коммунальных котельных -внедрение теплогенераторов с КС связано со значительными первоначальными затратами денежных и трудовых ресурсов на переоборудование старых или создание новых котлов. За рубежом наибольшего развития работы по созданию топочных устройств с КС получили в Германии, США и Великобритании [163, 275]. В нашей стране уже накоплен определенный опыт перевода небольших паровых котлов на КС [85, 194, 195] и разработки крупных энергетических парогенераторов с кипящим слоем [280]. В последние годы ведутся интенсивные работы по модернизации котлов муниципальных котельных с реализацией как низкотемпературного, так и высокотемпературного слабокипящего или циркуляционного кипящего слоя [176, 196, 270]. Работы по созданию малых автоматизированных паровых и водогрейных котлов для сжигания низкокачественных углей в КС проводились в ограниченном размере в 80-х годах прошлого столетия [22, 86, 171] и возобновились лишь сравнительно недавно [170, 348, 349]. Однако широкого их внедрения в коммунальную теплоэнергетику можно ожидать лишь в перспективе.
Рассмотрим особенности сжигания низкокачественных топлив в теплогенераторах с КС малой производительности. По сравнению со слоевой системой
Термодинамические модели энергетических и экологических процессов
Анализ физико-химического совершенства процессов термической переработки углей и экологических показателей коммунальных котельных основывается на термодинамических исследованиях. Необходимость и целесообразность применения термодинамических моделей для изучения различных природных и технологических процессов отмечалась в многочисленных публикациях, например, [123, 124,133, 202, 263, 266, 352 и др.].
Известно, что пределы физико-химического совершенствования процессов определяются законами термодинамики. Ограничения, устанавливаемые термодинамикой на развитие технологий, являются более универсальными, чем налагаемые законами химической кинетики, тепло- и массообмена или гидродинамики. Они не могут быть изменены или устранены за счет улучшения конструкций аппаратов, более совершенной организации протекающих в них процессов (например, подбором катализаторов), других подобных факторов, определяющих в значительной мере нетермодинамические предельные показатели.
Достоинство термодинамического анализа состоит в относительной простоте использования получаемых ограничений, что в сочетании с успехами в раз витии вычислительной техники и методов математического моделирования сильно уеличивает его возможности для исследования физических процессов.
Для анализа различных природных и технологических процессов достаточно широко распространены термодинамические модели конечных равновесий [133, 202, 216, 263, 264, 266, 273, 292, 352, 411]. К середине 1980-х годов было разработано свыше 100 алгоритмов их реализации на ЭВМ [20]. Все они основаны на законе действия масс или принципе максимума энтропии (минимума свободной энергии Гиббса).
Модель конечных равновесий. Экстремальная модель с максимизацией энтропии выражается в форме:найтигде S - энтропия (индекс «т.р.» относится к тепловому резервуару); J - заданная полная энтальпия системы; А = [ау]т,п - матрица содержаний элементов в компонентах термодинамической системы; ау - содержание z-ro элемента в у -м компоненте; х = (х],...,хп) — вектор мольных содержаний компонентов; B=(b], ...,bm) - вектор количеств молей элементов.
Термодинамическая модель, основанная на минимизации свободной энергии Гиббса при фиксированныхр и Т, имеет вид:
Свободная энергия Гиббса вычисляется по формулегде G,0 - стандартная энергия Гиббса; г - число компонентов в газовой фазе; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; р - давление; а - общее число молей газообразных компонентов; R -r -число компонентов в к-м растворе; к— число растворов.
Результаты практического использования термодинамических моделей (3.1),(3.2) и (3.3)...(3.5), приведенные, например, в [216], в том числе полученные в СЭИ (ИСЭМ) СО РАН [121, 126], показали ограниченные возможности этих моделей для анализа технологических и природных процессов, в которых состояние конечного равновесия не достигается. К таким процессам можно отнести термическую переработку топлив (пиролиз, гидрогенизацию и др.), образование некоторых вредных веществ при сжигании топлив, трансформацию загрязнителей в атмосфере и др. Следовательно, можно предположить, что в этих процессах получение интересующих нас веществ возможно только на промежуточных стадиях в точках так называемых «частичных равновесий» [70], когда некоторые реакции по каким-либо причинам замедляются или совсем не протекают.
Задача поиска промежуточных равновесий (или иначе «обхода равновесия») с целью получения сверхравновесных концентраций отдельных веществ была впервые поставлена и решена в теоретических работах по термодинамическому анализу кинетики химических процессов А.Н. Горбанем и др. [68]. Несколько позже аналогичные вопросы рассматривались американскими учеными [417].
В СЭИ (ИСЭМ) СО РАН Б.М. Кагановичем и др. [17, 70, 123-125, 393] проблему нахождения оптимальных составов веществ химических реакций было предложено решать на основе моделирования промежуточных термодина мических состояний. С этой целью разработана модель экстремальных промежуточных состояний и ряд ее модификаций.
Модель экстремальных промежуточных состояний. МЭПС - это модель области возможных состояний частичных равновесий термодинамической системы при переходе от заданной точки к конечному равновесию [124]. В общем виде для фиксированных значений параметров (Т, Р) и начального состава реагентов МЭПС может быть записана следующим образом:где У = (УІ,.-.,УІ) — вектор количеств молей исходных реагентов, у ах; J8 множество индексов исходных компонентов, эффективность использования которых нас интересует; с - коэффициент, ранжирующий полезность (вредностьили какое-либо другое свойство) у-го компонента вектора х, с- 0; xext — состав смеси в точке частичного равновесия, отвечающего максимуму целевой функции F; G и Gj - энергия Гиббса соответственно системы и ее j-го компонента.
Матричное уравнение (3.7) представляет собой условие сохранения количеств молей элементов. Выражение (3.8) определяет область термодинамической ДОСТИЖИМОСТИ (ДОПУСТИМЫХ решеНИЙ) ДЛЯ ЛЮбоГО Перехода ИЗ X] В Х2 по непрерывной траектории, вдоль которой G(x) монотонно не возрастает. В области термодинамической достижимостиDt (у) соблюдается неравенство:
Необходимо отметить, что МЭПС является более общей по отношению к другим моделям: стехиометрической и конечных равновесий и включает их как частные случаи. Так, если не учитывать термодинамическое ограничение (3.11) из МЭПС может быть получена стехиометрическая модель. В модель конечных равновесий МЭПС превращается при условии, когда оптимальный состав веществ оказывается одновременно и равновесным.
Для термодинамического анализа различных технологических и природных процессов был разработан ряд модификаций МЭПС [70, 123 -125], в которых предусмотрено изменение целевой функции и ограничений с целью: 1) расширения ассортимента получаемых продуктов, 2) оптимизации состава исходных реагентов, 3) оптимизации состава реагентов при ограничениях на выход вредных веществ, 4) минимизации выхода вредных веществ и 5) минимизации выхода вредных веществ при ограничении на выход полезных.
Таким образом, вид целевой функции и система ограничений будут определять модель того или иного исследуемого процесса. Ограничимся рассмотрением термодинамических моделей процессов пиролиза (МОПР), образования и трансформации загрязнителей.
Термодинамическая модель процессов пиролиза (МОПР). Разработана на основе общей модели экстремальных промежуточных состояний. В математическое описание модели (3.6)...(3.10) включены дополнительные уравнения, описывающие ограничения:
Разработка технологических схем установок пиролиза
Согласно принятому алгоритму прогнозных исследований (см. разд. 3.1) при изучении перспектив производства качественных топлив из углей на основе пиролиза на первом этапе проведена классификация процессов, лежащих в основе данной технологии.
Для удобства решения системных задач в качестве основного классификационного признака выбран состав получаемых продуктов. Это позволило систематизировать не только все существующие разновидности технологических процессов, но и соответствующий каждому из них набор стадий переработки промежуточных продуктов. Получаемая в результате иерархическая структура предопределила выбор формы представления классификации в виде графа (рис. 4.1).
Как уже отмечалось, в данной работе под пиролизом понимается широкий спектр технологий, в которых вещество угля разлагается без доступа окислителя, а процесс описывается уравнениемгде v - стехиометрические коэффициенты; СНуОу, СтНю Ск- условные химические формулы органического вещества угля, углеводородов и углерода в продуктах; индексы «к» и «г» указывают соответственно на конденсированное и газообразное состояние вещества.
Все процессы пиролиза разделены на две основные группы: авто и аллотер-мические. В автотермических процессах источником энергии являются уголь или продукты его переработки при сжигании их либо непосредственно в пиро-лизере, либо в отдельно расположенной топке. Тогда основное уравнение процесса (4.1) дополняется уравнением сжигания
В аллотермических процессах используются другие источники энергии: электрическая, ядерного горючего, солнечного излучения и т.д. В данной клас сификации из аллотермических рассматриваются только плазмохимические процессы с использованием электроэнергии для получения плазмы. Однако благодаря выбранной форме ее представления возможно включение принципиально новых процессов.
К автотермическим отнесены следующие процессы пиролиза: 1) с твердым теплоносителем, 2) с газовым теплоносителем, 3) термоокислительный, 4) гидропиролиз. Очевидно, что данное деление довольно условно, так как некоторые из процессов могут быть отнесены сразу к нескольким группам. Например, гидропиролиз осуществляется в потоке молекулярного водорода, служащего газовым теплоносителем.
Разделение процессов в зависимости от типа применяемого теплоносителя (газового или твердого) связано с получением качественно различных продуктов. При пиролизе с твердым теплоносителем (разогретый кокс, шары, гранулы и т.д.) производится высококалорийный газ, в то время как при использовании газового теплоносителя (в основном инертные или дымовые газы) газ пиролиза из-за смешения с теплоносителем характеризуется низкой теплотворной способностью. Это определяет спектр возможных направлений их использования.
Среди автотермических выделен процесс термоокислительного пиролиза, в котором необходимая энергия производится непосредственно в пиролизере путем сжигания части угля.
В процессе гидропиролиза осуществляется сочетание пиролиза в среде молекулярного водорода с гидрированием продуктов разложения. Уравнение процесса
Из процессов переработки промежуточных продуктов пиролиза в классификации представлены лишь основные, которые предположительно смогут обеспечить крупномасштабное и эффективное использование получаемых продуктов в качестве энергоресурсов, технологического и химического сырья: 1) сжигание; 2) гидрогенизация; 3) облагораживание газа пиролиза (очистка от балластных примесей, разделение); 4) газификация с последующей конверсией и синтезом; 5) брикетирование полукокса. Очевидно, что выбор рациональных стадий переработки - задача системного анализа.
При сжигании продуктов пиролиза избытки тепловой энергии (после покрытия собственных нужд процесса) могут быть использованы для нужд теплоснабжения и/или производства электроэнергии на теплоэнергетических установках различного типа: паротурбинных, парогазовых и т.д. Поэтому дополнительным классификационным признаком может выступать тип ТЭУ.
В случае необходимости классификация может быть выполнена и по другим признакам: по способам организации процесса и подвода теплоты, виду теплоносителя, количеству стадий, параметрам процесса и т.д. При разработке в будущем принципиально новых способов пиролиза угля и переработки его продуктов классификация может быть и расширена.
Очевидно, что представленный в классификации набор процессов вполне достаточен для качественного анализа достигнутого уровня развития технологий пиролиза, выявления возможных областей их применения и, как результат, отбора тех кандидатур, которые могут претендовать на успех и поэтому требуют детального изучения.
