Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тенденции развития топливной базы россии и проблемы защиты окружающей среды 10
1.1 Перспективы изменения структуры топливной базы России и характеристика используемых углей 10
1.2 Методы подавления образования вредных компонентов в процессе горения твердого топлива 14
1.3 Обзор методов очистки дымовых газов в пределах конструкции пылеугольных котлов 27
1.4 Вынесенные системы глубокой очистки дымовых газов от оксидов серы и азота 38
Выводы по главе 1. Постановка задач исследования 46
ГЛАВА 2. Математическое описание систем очистки дымовых газов от твердотопливных установок для решеня оптимизационных задач 47
2.1 Методические основы сопоставления и оптимизации схем и рабочих параметров систем газоочистки 47
2.2 Математическое моделирование каталитического реактора для восстановления оксидов азота дымовых газов 61
2.3 Математическое описание устройств очистки дымовых газов от оксидов серы 83
2.4 Обобщенная математическая модель системы очистки дымовых газов от твердотопливных установок 87
Выводы по главе 2 100
ГЛАВА 3. Технико-экономическая оптимизация схемы и рабочих параметров системы газоочистки при модернизации промышленного агрегата 101
3.1 Оптимизация системы газоочистки на основе использования тепла подогретого воздуха 101
3.2 Оптимизация системы газоочистки модернизируемого котельного агрегата на основе использования насыщенного пара из барабана котла 110
3.3 Сопоставление альтернативных вариантов систем газоочистки 117
Выводы по главе 3 123
Глава 4. Экономическая оценка перспектив внедрения технологий глубокой газоочистки в отечественную практику 125
Выводы по главе 4 146
Заключение и выводы 147
- Методы подавления образования вредных компонентов в процессе горения твердого топлива
- Математическое моделирование каталитического реактора для восстановления оксидов азота дымовых газов
- Обобщенная математическая модель системы очистки дымовых газов от твердотопливных установок
- Оптимизация системы газоочистки модернизируемого котельного агрегата на основе использования насыщенного пара из барабана котла
Введение к работе
Актуальность темы. Рост экономики тесно связан с возрастанием использования в производствах различных видов топлива. При этом в настоящее время твердое органическое топливо рассматривается в качестве основного природного источника на длительную перспективу. Это обстоятельство потребует широкого внедрения малотоксичных методов сжигания и использования установок для очистки дымовых газов от оксида азота и диоксида серы.
Применяемые сегодня технологические методы подавления образования вредных ингредиентов при горении твердого топлива имеют невысокую эффективность. Более эффективными являются вынесенные системы глубокой очистки дымовых газов, обеспечивающие степень очистки 98 99 %. Но из-за высокой стоимости их внедрение сдерживается введенным в 1978 году ГОСТ 17.2.3.-78. В соответствии с этим документом выбросы в интервале ПДВ и ВСВ оплачиваются предприятиями по директивно установленным тарифам в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 01.07.2005 года № 410 с учетом инфляционного коэффициента. В результате предприятию по-прежнему выгоднее платить за вредные выбросы, чем внедрять малотоксичные технологии и системы очистки.
В условиях увеличения доли твердого топлива крайне актуальным становится широкое внедрение эффективных систем глубокой очистки отходящих дымовых газов. Однако для успешного внедрения указанных систем необходимо решить ряд задач научно-исследовательского характера, связанных с определением вариантов схемных решений, оптимизацией рабочих параметров и конструктивных характеристик оборудования, сопоставлением схем по экономическим критериям. В связи с этим тематика настоящей работы является актуальной и своевременной.
Цель работы: разработка методических основ оптимизации схем, конструктивных и рабочих характеристик системы глубокой очистки дымовых газов для использования при модернизации твердотопливных промышленных установок с определением перспектив внедрения.
Объект исследования: система глубокой очистки дымовых газов от оксидов азота и диоксида серы для промышленных установок, работающих на твердом топливе.
Основными задачами исследования являются:
-
Установление наиболее перспективных способов подавления образования и глубокой очистки дымовых газов от оксидов азота и диоксида серы.
-
Определение возможных вариантов схемных решений вынесенных систем глубокой очистки дымовых газов при модернизации действующих установок.
-
Разработка математического описания эффективной системы очистки дымовых газов применительно к модернизации твердотопливных агрегатов на основе использования современных методов и соотношений физической химии, адаптированных к процессам восстановления оксидов азота.
-
Определение оптимальных массогабаритных характеристик и рабочих параметров оборудования вынесенной системы глубокой очистки дымовых газов на примере модернизации пылеугольных котлов типа ПК-14 с использованием разработанного математического описания и учетом критериев экономической эффективности.
-
Определение экономических условий и тарифов, обеспечивающих заинтересованность предприятий во внедрении установок для глубокой очистки дымовых газов при модернизации твердотопливных промышленных установок.
Научная новизна:
-
Выбран и обоснован критерий экономической оптимизации для возможных вариантов схемных решений вынесенных систем глубокой очистки дымовых газов при модернизации действующих твердотопливных промышленных установок.
-
На основе соотношений химической кинетики, тепломассопереноса и газодинамики разработано математическое описание реактора селективного каталитического восстановления (СКВ) оксида азота аммиаком, предназначенное для последующей интеграции в экономико-математическую модель системы газоочистки.
-
Разработано математическое описание элементов вынесенной системы газоочистки, позволяющее выявлять наивыгоднейшие условия обеспечения работы реактора СКВ.
-
Программно реализована экономико-математическая модель системы газоочистки для модернизируемых установок, учитывающая особенности схемных решений, взаимосвязь элементов системы газоочистки и их взаимное влияние друг на друга.
-
Определены оптимальные схемные решения и рабочие параметры, состав и конструктивные характеристики оборудования системы очистки дымовых газов для модернизируемого пылеугольного котла и получены их зависимости от экономических факторов: коэффициента эффективности инвестиций, стоимостей энергоносителей, оборудования и катализаторной массы.
-
На основе использования рекомендованной UNIDO методики оценки эффективности инвестиционных проектов определены экономические условия, обеспечивающие заинтересованность промышленных предприятий во внедрении установок глубокой очистки дымовых газов.
Практическая ценность:
-
Предложенные варианты схемных решений рекомендуются для использования проектными организациями при создании систем глубокой очистки дымовых газов как для действующих, так и вновь проектируемых твердотопливных промышленных установок.
-
Разработанное методическое обеспечение для расчета элементов системы очистки дымовых газов позволяет конструкторским организациям определить оптимальные рабочие параметры и конструктивные характеристики оборудования в зависимости от экономической ситуации при создании эффективных систем глубокой газоочистки.
-
Результаты оптимизации и полученные показатели экономической эффективности вынесенных систем очистки дымовых газов будут полезны при внедрении таких систем на различных предприятиях, использующих твердое топливо.
На защиту выносятся: схемные решения вынесенных систем очистки дымовых газов и модернизируемого агрегата; методические положения экономической оптимизации и сопоставления систем очистки дымовых газов от оксида азота и диоксида серы; экономико-математические модели установок системы газоочистки; результаты численных исследований и оптимизации систем газоочистки; экономические условия, обеспечивающие внедрение систем очистки дымовых газов в отечественную практику.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методологии системного подхода при решении поставленных задач, применением фундаментальных законов технической термодинамики, физической химии и тепломассообмена при разработке математических описаний процессов очистки дымовых газов от оксида азота и диоксида серы, использованием рекомендованных UNIDO критериев и современных методов оценки эффективности инвестиционных проектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и научно-технических конференциях кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета (2004 – 2008 гг.), Международной научной конференции, посвященной памяти профессора А. И. Андрющенко «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (г. Саратов, 29-31 октября 2008 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 2 изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 160 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 44 рисунка, 2 таблицы. Список использованной литературы включает 108 наименований.
Методы подавления образования вредных компонентов в процессе горения твердого топлива
Основными источниками первичной энергии являются нефть, уголь и газ, которые обеспечивают около 80 % мирового энергопотребления. Угольное топливо в настоящее время обеспечивает около четверти мировой потребности в энергоресурсах. Объемы мировой добычи углей в 2000 году составляли около 5 млрд. т (3,1 млрд. т у. т.) [1].
Значимость угля, как одного из энергоносителей, обусловлена рядом факторов: - стабильность и обширная ресурсная база; -удобство и простота хранения запасов у поставщиков и потребителей; -относительная дешевизна угля по сравнению со стоимостью его заменителей; - сравнительно низкая степень монополизации предложения; - возможность для экспортеров угля выходить на различные рынки сбыта. В соответствии со стратегией развития энергетики России до 2015 года такая тенденция не изменится. В настоящее время значимость угля по сравнению с другими первичными энергоресурсами снизилась. Если в начале XX века на долю угля приходилось свыше 60 % мирового потребления первичных энергоресурсов, то уже в 80-е годы его доля составила 23 %. В последнее десятилетие за счет бурного экономического роста развивающихся стран доля угольного топлива поднялась до 25 % и стабилизировалась на данном уровне. Для России доля угля в балансе энергоресурсов составляла менее 26 %, а к 2001 году - 17,8 % [1]. Из анализа разведанных запасов угля различных стран мира следует, что Россия занимает второе место после США по запасам твердого топлива. На долю России приходится 15,9 % от мировых запасов угля. В США доля твердого топлива составляет 25,1 % от мировых запасов угля, остальные 59 % приходятся на Китай, Австралию, Индию, Германию и другие страны мира. На 2001 год разведанных запасов угля при сложившейся тенденции их использования хватило приблизительно на 230 лет, тогда как открытые запасы нефти и газа оцениваются в 100 лет [30]. В настоящее время политика Российского государства складывается так, что цены на природный газ приближаются к мировым. В этом случае топливопотребляющие установки будут переведены на использование резервного топлива, которым является уголь.
Распределение запасов твердого топлива на территории России крайне неравномерно: около 90 % всех запасов приходится на слабо освоенные восточные районы России (юг Западной Сибири, Забайкалье, Приамурье, Северо-восток страны), где более 80 % запасов бурого угля находится только в одном Канско-Ачинском бассейне.
Основными направлениями использования угля являются энергетическое (около 70 %) и технологическое (около 30 %). Уголь используется для выработки энергии и тепла, для производства кокса, в химической промышленности, однако наибольшее значение уголь как энергоресурс приобрел в электроэнергетике [1]. В России большинство электростанций Уральского, Сибирского и Дальневосточного регионов используют для получения тепла и электроэнергии твердое топливо.
По данным на 2001 год из общего объема добываемых в России углей использовались: - на нужды электроэнергетики - 39,6 %; - населению и коммунально-бытовые нужды -10,4 %; - на коксование - 16,4 %; - остальным потребителям - 17 %; - на экспорт — 16,6 %. В настоящее время в российской практике имеются расхождения с общемировыми тенденциями по добыче и использованию твердого топлива из-за неоправданно высокой доли природного газа в топливном балансе. Например, в России происходило снижение доли выработки электроэнергии на основе сжигания угля с 25 % в 1987 году до 18 % в 1999 году. Вытеснение угля из топливного баланса связано с неконкурентоспособностью угля по сравнению с природным газом и нефтью. До повышения цен на нефть и нефтепродукты 1998 года цена на уголь была выше, чем на мазут. В мировой практике цены на газ, как правило, превышают цены на уголь на 30 - 40 % (в расчете на т у. т.) [22].
Огромные запасы углей в России и анализ складывающейся конъюнктуры ископаемых видов топлива на мировых энергетических рынках и рынках страны позволяют предполагать, что в перспективе целесообразно более широкое использование в топливно-энергетическом балансе России угольного топлива. Сложившиеся представления о безграничности и уникальности природного газа, низких производственных издержках на его добычу и транспортировку в России пересматриваются. В связи с этим и с учетом общемировых тенденций необходимо увеличение доли угольных ресурсов в структуре энергетического баланса страны, в том числе на выработку электроэнергии на основе сжигания угля [1].
Расширение сфер использования угля, как источника первичной энергии, потребует внедрения экологически чистых технологий добычи, переработки и использования угля.
Угольная промышленность России располагает достаточной сырьевой базой для полного удовлетворения потребностей экономики, но ее развитие осложняется рядом факторов [27]: - ограничение по экологическим причинам; - объемы перевозок железнодорожным транспортом; - зависимость цен на угольное топливо от тарифов на его перевозку. Развитие угольной промышленности России (2010-2020 года) определяется "Энергетической стратегией России", 2000 год. В стратегии рассматриваются два варианта темпов роста угледобычи до 2020 года [27]: - повышенный — со среднегодовыми темпами прироста добычи 2,6 %; - пониженный - со среднегодовыми темпами прироста добычи менее 1,5 %. Варианты предусматривают возрастание доли угля в топливно-энергетическом балансе России к 2020 году до 44,4 % за счет снижения доли природного газа и нефти. По прогнозам в ближайшее время истощение запасов нефти и газа приведет к снижению их потребления в качестве топлива [97]. Относительно запасов угля такой обеспокоенности нет: по современным оценкам его доступные ресурсы превышают 10000 Гт [104].
Математическое моделирование каталитического реактора для восстановления оксидов азота дымовых газов
Все существующие твердотопливные агрегаты можно разделить по условиям организации топочного процесса на три категории и для каждой из них рассмотреть технологические методы снижения вредных выбросов.
К первой категории относят установки для сжигания высоковлажных бурых углей, оборудованные топками с твердым шлакоудалением и пылесистемами с прямым вдуванием. В этих агрегатах максимальная температура горения не превышает 1673 К, практически все оксиды азота образуются из азотосодержащих компонентов топлива. Методы снижения температуры в зоне горения, основанные на впрыске воды и снижении температуры подогрева воздуха, нежелательны, так как ухудшается воспламенение и эффективное сгорание угольной пыли. Если использовать дымовые газы для сушки топлива, а затем с топливом направить их в топку, одновременно снижая количество первичного воздуха, это приведет к уменьшению концентрации окислителя на начальном участке факела и снижению образования оксидов азота. Использование данного метода позволяет уменьшить на 20 % концентрацию оксидов азота в уходящих дымовых газах.
Ко второй категории относятся установки, оборудованные топками с жидким шлакоудалением, используемые для сжигания углей Кузбасса и Донбасса, а также антрацитового штыба и сильношлакующихся бурых углей. Для такого типа агрегатов температура в ядре горения топлива составляет 1873 - 2023 К. Уменьшения количества оксидов азота, образующихся при горении топлива, можно было бы достичь за счет понижения максимальной температуры горения, но для удаления шлака с пода топки необходима высокая температура продуктов сгорания. Для данной категории котлов этот метод не может быть использован. Исключением могут быть установки, в которых имеется большая разница между фактической температурой в нижней части топки и температурой, необходимой для надежного выхода шлака. Уменьшение температуры на 323 - 373 К приводит к двукратному снижению концентрации оксидов азота в дымовых газах [45]. Уменьшение температуры в зоне горения достигается использованием рециркуляции дымовых газов.
К третьей категории относят твердотопливные установки с твердым шлакоудалением и высокой температурой в ядре горения (до 1873 К). Впрыск воды в топку через форсунки, установленные в центральные горелки нижнего яруса, приводит к снижению концентрации окислителя в зоне горения топлива и уменьшению образования термических и топливных оксидов [63].
Уменьшение коэффициента расхода воздуха приводит к снижению образования оксидов азота на 20 - 25 % [48, 50]. Недостатком данного метода является то, что происходит образование продуктов химического недожога.
«Нестехиометрическое сжигание» является широко распространенным методом уменьшения образования вредных веществ. При наличии двух или большего числа ярусов горелок устанавливается такой режим, когда коэффициент расхода воздуха в нижних горелках снижается, а в верхних повышается. На нижний ярус горелок обычно подается заведомо меньше вторичного воздуха, а на верхний ярус горелок больше при равномерном распределении топлива по горелкам. Можно сохранить равномерное распределение воздуха по ярусам, но увеличить расход топлива на горелки нижнего яруса, следовательно, сократить его расход на верхние горелки. В результате уменьшается образование топливных оксидов азота при сгорании топлива, поступающего через нижние горелки. При этом практически не происходит ухудшения экономичности топочного процесса, так как продукты неполного сгорания топлива от нижнего яруса горелок, поднимаясь, встречают на своем пути обогащенные воздухом продукты сгорания от горелок верхнего яруса [46].
При уменьшении расхода вторичного воздуха на нижний ярус горелок на 10 % (при соответствующем увеличении расхода вторичного воздуха на верхние горелки) концентрацию оксидов азота в дымовых газах сокращается на 20-25 % без заметного ухудшения топочного процесса [51].
Метод ступенчатого сжигания, как процесс совершенствования нестехиометрического сжигания, основан на том, что часть воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, подается помимо горелок в конечную зону факела. При этом воспламенение и горение летучих происходит при пониженной концентрации кислорода на начальном участке факела, что и приводит к уменьшению образования оксидов азота. Промышленные опыты показали, что концентрация оксидов азота снижается при этом до 1,5 раз [49].
Комбинация метода многоступенчатого сжигания с вводом извести или известняка в топку способствует снижению содержания в дымовых газах как оксидов азота, так и диоксида серы. При этом диоксид серы адсорбируется на поверхности извести и совместно с золовыми частицами удаляется в электрофильтрах.
Многоступенчатое сжигание и ввод известняка в топку котла позволяют снизить содержание оксидов азота и серы на 50 % при относительно небольшом количестве нового оборудования и весьма умеренных затратах.
Ступенчатое сжигание может быть осуществлено за счет организации специальной аэродинамической схемы топочного устройства. Примерами являются топки МЭИ с пересекающимися струями [72], у -топки ВТИ [92], вихревая топка НПО ЦКТИ [28]. Измерения концентрации оксидов азота в дымовых газах котлов такого типа были выполнены при комплексном исследовании у-топки, работавшей на бурых углях Канско-Ачинского бассейна. Аэродинамика топки такова, что большая часть газов движется по петлеобразной траектории, проходя к пережиму между горелочными струями. При этом не только улучшается воспламенение аэросмеси за счет принудительного подвода высокотемпературных газов к корню факела, но также выносится по закороченной траектории к пережиму часть вторичного воздуха. В результате на участке петлеобразной траектории уменьшается избыток воздуха, что приводит к снижению образования оксидов азота.
Применение специальных конструкций горелок (при двухстадийном сжигании топлива) способствует торможению процесса образования оксидов азота и позволяет интенсифицировать восстановительные реакции, в результате чего достигается уменьшение выбросов оксидов азота. Такая конструкция горелок обеспечивает уменьшение концентрации кислорода на начальном участке факела, в зоне, где происходит воспламенение и горение летучих веществ топлива.
Обобщенная математическая модель системы очистки дымовых газов от твердотопливных установок
Как видно из рис. 1.1, предварительная очистка газов от золовых частиц и диоксида серы исключает забивание и, соответственно, снижение активности катализатора реактора СКВ. Гипс, получаемый на установке сероочистки, не содержит шлам из золовых частиц.
Для реализации процесса восстановления оксида азота аммиаком температура дымовых газов должна соответствовать 250 + 350 С. Эта температура достигается за счет установки подогревателя П (рис. 1.1). На Подольском машиностроительном заводе предложены два типа подогревателя - газовый и паровой. В газовом подогревателе дымовые газы смешиваются с продуктами сгорания резервного топлива. В паровом подогревателе рекуперативного типа в качестве греющего теплоносителя используется пар. Есть и другие варианты достижения оптимальной для работы реактора СКВ температуры.
Представленный на рис. 1.1 вариант вынесенный за пределы котельного агрегата системы глубокой очистки дымовых газов от вредных ингредиентов однозначно является капиталоемким решением.
Регулирование выбросов загрязняющих веществ стационарными источниками осуществляется введенной в 1978 году (ГОСТ 17.2.3.-78) системой разрешаемых местными природоохранными органами предельно допустимых (ПДВ) и временно согласованных выбросов (ВСВ). Выбросы в интервале ПДВ и ВСВ оплачиваются предприятиями по директивно установленным ценам в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 01.07.2005 года№ 410 [67].
Вместе с тем в соответствии с [81] затраты на снижение выбросов оксидов азота в зависимости от обеспечиваемой эффективности очистки (15 - 90 %) и выбора соответствующих технологий изменяются от 50 до 1000 долларов за тонну NO, что в 30 - 500 раз больше, чем платежи за выбросы NO в пределах ПДВ и в 6 - 130 раз - в пределах ВСВ. Таким образом, принятая в России система регулирования выбросов не обеспечивает их сокращение. Предприятиям выгоднее платить за вредные выбросы, чем внедрять малотоксичные технологии.
Принятая в России система регулирования выбросов является не эффективной, а предприятия продолжают загрязнять окружающую среду. Необходимо принять за основу, используемую в странах ЕС систему регулирования выбросов, предполагающую директивное внедрение нормативов по выбросам вредных веществ. В этом случае реализация природоохранных мероприятий становится обязательной при вводе в эксплуатацию новых котлов и действующих котлов с остаточным ресурсом более 34000 часов [84]. Для котлов с меньшим ресурсом, возможно, устанавливать более либеральные нормативные требования. При невыполнении этих требований может предусматриваться временное прекращение эксплуатации или снижение нагрузки твердотопливных промышленных энергоустановок до завершения внедрения намеченных мероприятий.
Важным моментом, способствующим активному внедрению технологий глубокой очистки дымовых газов от пылеугольных котлов является обеспечение наилучших с позиций экономики массогабаритных характеристик используемого оборудования и оптимальных рабочих параметров системы. Из анализа имеющихся на данный момент работ, посвященных глубокой очистке дымовых газов от вредных компонентов (NOx и SO2), можно сделать вывод, что ни в одной работе не рассматривается комплексная оптимизация рабочих и конструктивных параметров системы очистки дымовых газов и источника. Для котла традиционно определяется оптимальная температура отходящих газов, для реактора СКВ - в лучшем случае массогабаритные характеристики аппарата и температура восстановления оксида азота. То есть определяются условия работы отдельного элемента схемы. Основное внимание уделяется разработке способов и методов, обеспечивающих снижение выбросов до установленных нормативными документами значений.
Сделанные выводы позволяют сформулировать цели и задачи настоящего исследования. Целью диссертационной работы является оптимизация схемы, конструктивных и рабочих характеристик систем глубокой очистки дымовых газов от твердотопливных промышленных установок. В связи с этим необходимо решить следующие задачи: 1. Конкретизировать схемы глубокой очистки дымовых газов от пылеугольных котлов в части, связанной с доведением температуры дымовых газов перед реактором СКВ до оптимальной. 2. Выполнить математическое описание системы очистки дымовых газов и источника. 3. Выполнить оптимизацию конструктивных характеристик элементов схемы. 4. Выполнить оптимизацию рабочих параметров системы очистки дымовых газов и источника этих газов. 5. Определить экономические условия, обеспечивающие внедрение установок для глубокой очистки дымовых газов от загрязняющих атмосферу веществ. 1. Российская Федерация занимает одно из ведущих мест по запасам твердого топлива. В условиях приближения цен на природный газ и мазут к мировым значениям предусматривается увеличение доли твердого топлива в топливно-энергетическом балансе России. 2. При увеличении доли твердого топлива в выработке энергоносителей актуальным становится вопрос о негативном воздействии на окружающую среду оксидов азота и серы, образующихся в процессе горения. В этой ситуации потребуется принятие мер по снижению содержания этих компонентов в уходящих дымовых газах. 3. Так называемые технологические методы подавления образования вредных ингредиентов, основанные на снижении температуры и концентрации окислителя в зоне горения, и других факторах, специальные методы сжигания приводят к уменьшению вредных выбросов, но эффективность этих методов не высока. 4. Для более глубокого удаления оксидов азота и серы необходимо использовать очистку уходящих от котла дымовых газов в вынесенных системах. Анализ различных способов показал, что наиболее эффективными, обеспечивающими степень очистки 98 - 99 %, являются мокрая известковая сероочистка и селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком.
Оптимизация системы газоочистки модернизируемого котельного агрегата на основе использования насыщенного пара из барабана котла
Из анализа приведенных на рис. 2.1 и 2.2 схем систем глубокой очистки дымовых газов от пылеугольных котлов следует большое влияние эффективности теплопередающих поверхностей на выходные экономические показатели внедрения. В связи с этим при разработке экономико-математического описания системы в целом предусматривается решение внутренних задач оптимизации теплопередающих устройств. При оптимизации теплопередающего оборудования используется метод одномерного сканирования, который заключается в поиске экстремума функции от одного фактора. В качестве исследуемой функции выступают годовые расчетные затраты в виде: где Иээ- издержки на электроэнергию, связанные с преодолением гидравлического сопротивления при движении газовых потоков по трубному и межтрубному пространствам, руб./год; Кр- капитальные затраты на поверхность теплопередачи, руб. В качестве оптимизируемой величины выступает скорость движения газового потока в трубном пространстве теплообменного аппарата. Она определяет гидравлические сопротивления при движении газового потока, влияющие на затраты электроэнергии Иээ. С другой стороны, скорость оказывает влияние на условия теплообмена в аппарате, которые определяют конструктивные размеры и капитальные затраты в него Кр. Анализ конструктивных особенностей используемых теплопередающих устройств и предварительные расчеты позволили установить, что в диапазоне скоростей дымовых газов в трубном пространстве 10-30 м/с происходит увеличение на 42 % скорости газов, а также на 58 % аэродинамического сопротивления и мощности, потребляемой дымососом при движении газов по межтрубному пространству. Следовательно, при оптимизации теплопередающих поверхностей системы очистки в эксплуатационных издержках на электроэнергию необходимо учитывать мощности перекачивающих устройств при перемещении газов по трубному и межтрубному пространствам. Эксплуатационные издержки на электроэнергию, входящие в функцию (2.77), определяются: где Nmp,NMmp мощность, потребляемая перекачивающими устройствами при перемещении газов по трубному и межтрубному пространству, кВт; г - годовое число часов использования установленной мощности, ч/год; Цээ - стоимость электроэнергии с учетом тарифной политики в регионе, руб./(кВт ч).
При оптимизации теплопередающих поверхностей схемы необходимо определиться с доверительным интервалом изменения скорости газового потока. На рис. 2.14 представлена зависимость изменения эксплуатационных издержек и капитальных затрат на теплообменник-регенератор теплоты от скорости. Как видно из рис. 2.14 увеличение скорости газового потока до 40 м/с приводит к увеличению эксплуатационных издержек на электроэнергию в 50 раз. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление пропорционально квадрату скорости газового потока. Капитальные затраты на поверхность теплообмена уменьшаются в 6 раз по сравнению со скоростью 5 м/с. Из рис. 2.14 следует, что темпы увеличения издержек на электроэнергию существенно выше, чем уменьшения капитальных затрат на поверхность теплообмена. На основе этих данных, а также с учетом частного случая зависимости расчетных затрат от скорости принят доверительный интервал скорости газового потока в трубном пространстве от 5 до 25 м/с. На рис. 2.15 представлен обобщенный алгоритм расчета системы очистки дымовых газов и котельного агрегата, включающий последовательный расчет всех элементов схемы.
Оптимизация системы газоочистки и модернизируемого котла реализуется на основе метода покоординатного спуска. Эффективность этого метода заключается в том, что это метод направленного поиска. Не просто исследуется область факторного пространства, а происходит продвижение в этом пространстве в сторону искомого экстремума.
Исходными данными для оптимизации системы очистки дымовых газов и котельного агрегата являются: элементный состав топлива, расход вырабатываемого котлом перегретого пара, его температура и давление, стоимость электроэнергии, стоимость извести и воды, стоимость единицы массы поверхности теплообмена, стоимость катализатора, используемого в реакторе СКВ.
Целью поверочного расчета котла (блок 1 рис. 2.15) является определение расхода топлива, необходимого для выработки пара, и дополнительного подогрева воздуха, используемого в теплообменнике-подогревателе перед реактором СКВ. Из расчета определяется температура горячего воздуха, поступающего в теплообменник-подогреватель, и температура дымовых газов, отходящих от котла. Для обеспечения заданного значения температуры горячего воздуха необходимо увеличить размеры воздухоподогревателя 2-ой ступени. Из поверочного расчета котла определяются дополнительный расход топлива и изменение затрат электроэнергии для привода вентилятора, подающего воздух при увеличенной площади поверхности воздухоподогревателя.
Поверочный расчет электрофильтра (блок 2 рис. 2.15) связан с определением дополнительных затрат электроэнергии на очистку дымовых газов от твердых частиц за счет увеличения объема дымовых газов.
Конструкторский расчет абсорбционной колонны (блок 3 рис. 2.15) заключается в определении ее массогабаритных характеристик, расхода извести и воды для обеспечения снижения содержания диоксида серы в дымовых газах. Преодоление сопротивления при движении газов через колонну потребует затрат электроэнергии, определяемых из расчета.
Перед очисткой дымовых газов от оксида азота в реакторе СКВ их необходимо подогреть. Теплообменник - регенератор теплоты позволяет использовать теплоту газов после реактора СКВ для подогрева газов, направляющихся в него. Из конструкторского расчета этого элемента схемы (блок 4 рис. 2.15) определяется площадь теплопередачи и соответственно его масса, а также затраты электроэнергии на преодоление сопротивления при движении газов через него.
Похожие диссертации на Оптимизация схем и рабочих параметров систем глубокой очистки дымовых газов при модернизации твердотопливных промышленных энергоустановок
