Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка схемно-параметрических решений по новой технологии получения искусственного жидкого и твердого топлив 21
1.1. Принципы технологии искусственного композитного жидкого и твердого топлив 21
1.2. Схемно-параметрические решения реализации технологии 23
1.2.1. Насос кавитирующего режима (диспергатор-кавитатор) 23
1.2.2. Циклическая переработка материала 29
1.2.3. Подготовка твердого топлива в ротационных быстроходных мельницах ударно-сдвигового типа (дезинтеграторах) 35
1.3. Технологический модуль производства искусственного композитного топлива 38
1.4. Выводы 43
2. Методика комплексного исследования свойств и сжигания искусственного композитного топлива на базе торфяного геля и низкореакционных углей 45
2.1. Основные цели методики исследования 45
2.2. Структура методики 45
2.2.1. Исследование исходных компонентов 45
2.2.1.1. Лабораторное исследование угля по ГОСТ 45
2.2.1.2. Лабораторное исследование торфа по ГОСТ 46
2.2.1.3. Лабораторное исследование нефтепродуктов 46
2.2.1.4. Размол угля, исследование гранулометрического состава порошка 46
2.2.2. Получение ВУС (водоугольной суспензии) и исследование ее свойств 47
2.2.3. Исследование стабильности ВУС 48
2.3. Получение ИКЖТ с добавкой нефтепродуктов 50
2.3.1. Кавитирование системы 50
2.3.2. Наблюдение за стабильностью системы 50
2.3.3. Введение добавок 50
2.4. Исследование ИКЖТ 51
2.4.1. Исследование топливных свойств ИКЖТ 51
2.4.2. Исследование реологических свойств ИКЖТ 52
2.4.3. Опытное сжигание ИКЖТ 52
2.5. Исследование теплотехнических свойств ИКТТ 53
2.5.1. Производство ИКТТ 53
2.5.2. Технические характеристики ИКТТ 53
2.5.2.1. Механические характеристики (прочностные свойства)53
2.5.2.2. Гидрофобные свойства 54
2.5.2.3. Теплотехнические свойства ИКТТ 54
2.6. Обобщенные характеристики ИКТТ 54
2.7. Дериватографические исследования ИКТТ 55
2.8. Сжигание ИКТТ 56
2.8.1. Постановка задачи 56
2.8.2. Экспериментальная установка по определению времени выгорания гранул ИКТТ 57
2.8.3. Измерение температуры поверхности горящей частицы пирометрическим методом 61
2.8.4. Факторное планирование эксперимента 63
3. Результаты исследования 65
3.1. Исследование исходных компонентов. 65
3.2. Размол твердых компонентов. Гранулометрический состав порошка 65
3.3. Технические свойства ИКЖТ 68
3.4. Результаты реологических исследований 70
3.5. Сжигание ИКЖТ 74
3.5.1. Сжигание ИКЖТ на демонстрационной опытно-промышленной установке 74
3.5.2. Сравнительный анализ результатов сжигания ИКЖТ 76
3.6. Исследование теплотехнических свойств ИКТТ 77
3.6.1. Производство ИКТТ 77
3.6.2. Технические характеристики ИКТТ 78
3.6.2.1. Механические характеристики ИКТТ 78
3.6.2.2. Гидрофобные свойства ИКТТ 79
3.6.2.3. Теплотехнические свойства ИКТТ 79
3.7. Обобщенные характеристики ИКТТ 80
3.8. Дериватографическое исследование ИКТТ 84
3.9. Экспериментальное исследование сжигания гранул ИКТТ в лабораторной электрической печи 89
3.10. Сжигание гранул ИКТТ в водогрейном котле 93
4. Технико-экономическая оценка технологии производства искусственного композитного твердого топлива 98
4.1. Инновационный проект производства ИКТТ 98
4.2. Методические положения по оценке эффективности инвестиционных проектов 99
4.2.1. Инвестиционный проект и инвестиции 99
4.2.2. Эффективность инвестиционных проектов. 101
4.3. Сущность и назначение инвестиционного проекта производства ИКТТ 103
4.3.1. Потребность, сфера применения, рынок сбыта твердого топлива на примере Новосибирской области 103
4.4. Экологический анализ ИКТТ 105
4.5. Расчет экономической эффективности строительства цеха по производству брикетов ИКТТ 106
4.5.1. Расчет инвестиционных вложений 106
4.5.1.1. Расчет капитальных вложений на приобретение, изготовление и установку технологического оборудования цеха по производству топливных брикетов 106
4.5.1.2. Расчет полных затрат на возведение здания 111
4.5.1.3. Расчет нематериальных активов 111
4.5.1.4. Расчет амортизационных отчислений основных средств и нематериальных активов 111
4.5.1.5. Годовые эксплуатационные расходы 112
4.5.1.6. Показатели оценки эффективности проекта 115
4.6. Расчет экономической эффективности производства ИКЖТ 116
4.6.1. Расчет дополнительных нематериальных затрат и амортизационных отчислений 116
4.6.2. Годовые эксплуатационные расходы 118
4.6.3. Показатели оценки эффективности проекта 119
Заключение 122
Литература 125
Приложение
- Схемно-параметрические решения реализации технологии
- Структура методики
- Размол твердых компонентов. Гранулометрический состав порошка
- Методические положения по оценке эффективности инвестиционных проектов
Введение к работе
Возвращение к широкому использованию угля в качестве основного энергетического ресурса неизбежно в недалеком будущем в связи с истощением легкодоступных месторождений нефти и газа.
От 70 до 90% мировых запасов органического топлива приходится на уголь, их извлекаемость составляет 30...60% [1].
Производство тепловой энергии из угля значительно дешевле, чем из природного газа и нефти. В ряде развитых стран поддерживается тенденция к росту объемов потребления угля с ростом валового национального продукта. Доля угля в производстве электроэнергии разных стран мира в 2000 г. составила: Польша - 96%, ЮАР - 88%, Австралия - 86%, Китай 86%, Индия - 75%, Чехия - 73%, Греция - 70%, Дания - 59%, США - 56%, Германия - 51% [1]. В России, с учетом коммунального хозяйства, для выработки тепловой и электрической энергии используется только 45%) добываемых углей.
Возвращение к угольным технологиям сопровождается увеличением интереса к низкосортным топливам, как более дешевым и доступным. Вместе с тем, неравномерное распределение угольных месторождений по территории РФ ведет к тому, что, в основном, добыча угля и проблемы, связанные с его переработкой и транспортировкой, ложатся на плечи сибирских регионов. Достаточно отметить, что на европейскую часть СНГ приходится 25%, а на азиатские регионы 75% запасов углей [2, 3]. В угледобывающих регионах, например в Кузбассе, сосредоточены значительные запасы некондиционных топлив [4, 5, 6]: угольных отсевов, мелочи, отходов обогатительных фабрик, технологических шламов. Введение в энергетический оборот этих ресурсов требует, однако, развития новых технологий их переработки.
Одной из современных проблем является проблема стоимости транспортировки энергоносителей [7]. В табл. В.1 дана относительная стоимость транспортировки различных энергоносителей. За единицу принят транспорт единицы энергии природного газа по трубопроводу на расстояние 1000 км.
Таблица В. 1
Относительная стоимость единицы транспорта энергоносителей
Транспортные затраты в настоящее время составляют значительную долю стоимости топлива "франко-бункер", поэтому они не могут не касаться непосредственно проблемы использования топлива.
Общее потребление угля, например, в Новосибирской области в 2000 г. составило 5902 тыс. т.у.т., из них каменного угля в котельных 1649,9 тыс. т.у.т., бурого угля - 55,8 тыс. т.у.т. Население потребляет около 530 тыс. т.у.т. кузнецких углей марок ДР, ГД-Р, Г-Р, разницу потребляют Новосибирские ТЭС [8]. Все это топливо ввозится из Кузбасса, а небольшое количество (бурые угли) из Красноярского края. Доставка осуществляется по железной дороге, что само по себе является дорогим способом {табл. В.1). В общей средневзвешенной цене угля 675 руб./т.у.т. транспортная составляющая доходит до 120 руб./т (январь 2002 г.).
На территории Новосибирской области имеются собственные месторождения углей.
Во-первых уникальное угольное Листвянское месторождение (Горлов-ский бассейн). Бассейн расположен на правобережье р. Оби в пределах Черепа-новского, Искитимского и Тогучинского административных районов. Ближайшие к Новосибирску месторождения находятся в 40 км к юго-востоку от города. Бассейн ориентирован с юго-запада на северо-восток и имеет протяженность около 120 км при ширине 2...8 км [9]. Основные разрезы находятся в Листвянке. Угли Горловского бассейна по своим физико-химическим свойствам являются антрацитами и отличаются высоким качеством. Они характеризуются относительно низким содержанием золы и серы, незначительным выходом летучих веществ, высокими значениями теплоты сгорания, термической стойкости, и механической прочности. Элементный состав угля на горючую массу характеризуется следующими содержаниями: углерода - 93...95%, водорода -1,7...2,1%, кислорода- 1,4... 1,8%, азота- 0,4... 1,1%, золы (по рабочей массе) -7...15% [10].
Основная задача угольной промышленности Горловского бассейна -обеспечение сырьем Новосибирского электродного завода (НОВЭЗа). Годовая потребность НОВЭЗа в антрацитовом концентрате класса 25...120 мм составляет 120 тыс. т, (по стране в целом - около 240 тыс. т). Для получения такого количества концентрата класса 25...120 мм нужно около 2500 тыс. т рядового угля. При обогащении из него также можно получить около 230...240 тыс. т концентрата класса 13...25 мм. При выделении и обогащении класса 6...13 мм общий выход концентрата может достигнуть 1/3 от общего объема товарного угля. Таким образом, даже при использовании на технологические цели средних классов антрацита, не менее 2/3 добываемых углей будет приходиться на отсевы, пригодные в основном для энергетических нужд [11, 12].
Использование антрацитов в качестве энергетического и коммунального топлива связано с рядом проблем. Непосредственное сжигание антрацита в бытовых печах невозможно из-за высоких локальных температур в зоне горения.
9 Камерное сжигание антрацитов в энергетических котлах требует специально оборудованных топок. Слоевое сжигание антрацитов в промышленных и коммунальных котельных требует специального переоборудования топок и поверхностей нагрева. Таким образом, эти проблемы связаны с серьезными капиталовложениями в энергоустановки. Для масштабного использования отсевов антрацита Горловского бассейна на локальных энергоисточниках НСО также требуется проведение исследований по созданию новых топлив на основе отсевов и разработке специального оборудования для сжигания отсевов [8].
Вторым источником местных углей являются шахты пос. Горный, Тогу-чинского района Новосибирской области. В настоящее время эти шахты закрыты вследствие нерентабельности.
Проблема возврата к использованию углей и вытеснения мазута угольными топливами на основе новых технологий актуальна.
Использование отсевов антрацита Листвянской обогатительной фабрики не решает проблему снабжения топливом Новосибирской области, но существенно облегчает ее решение.
В целом в Сибирском регионе, запасы антрацитов оцениваются на уровне 60 млрд. тонн (табл. В.2, [10, 13]).
Таблица В. 2 Прогнозные ресурсы антрацитов
Кроме отсевов антрацита в Новосибирской области существенную роль в качестве местного энергетического ресурса могут играть промышленные шламы Новосибирского электродного завода (НОВЭЗ).
Эти шламы представляют собой массу с содержанием углерода 85%, гранулометрического состава 0...13 мм, причем основную фракцию составляет пыль 0...200 мкм. Важно отметить, что шламы не содержат токсичных добавок
10 и солей тяжелых металлов. Ежемесячное производство этих шламов - 7000 т. на заводе накоплены запасы шламов в размере не менее 500 тыс. т.
При всех несомненных топливных достоинствах (высокое содержание углерода, низкая зольность) антрацит, а также его отсевы и шламы являются низкореакционным топливом, создающим проблемы при воспламенении.
Одним из путей повышения эффективности использования низкореакционного топлива является его композиция с высокореакционными компонентами: отходами нефтепереработки, отработавшими горюче-смазочными материалами, а также местными высокореакционными топливами, к числу которых относится торф.
На территории Западной Сибири (Новосибирской, Омской, Томской, Тюменской и Кемеровской областях) запасы торфа оцениваются на уровне 90 млрд. т, [14, 15] (табл. В.З). Заторфованность территории по НСО достигает 17,9%, а средние запасы на 1 км составляют 41,31 тыс. т [16]. В целом НСО располагает запасами торфа порядка 900 млн. т.
Таблица В.З Запасы торфа Западной Сибири
Значительная часть площади Западной Сибири находится в зоне интенсивного торфообразования, таким образом, торф является возобновляемым природным топливным ресурсом.
Вовлечение в энергобаланс промтеплоэнергетики низкореакционных углей осуществляется с помощью следующих технологий:
смешивание перед сжиганием с более качественным твердым топливом;
сжигание в пылеугольных топках в присутствии мазута или газа, добавки которых стабилизируют факел;
сжигание в топках кипящего слоя;
газификация с получением энергетического газа;
брикетирование (с добавками высокореакционных связующих).
В последние годы во многих странах (Россия, Болгария, Германия, Греция, Финляндия и др. [17]) низкореакционный уголь сжигается в котлах в пылевидном состоянии. Несмотря на положительный в целом опыт, выявились многие трудности, связанные с поддержанием и обеспечением стабильной работы котлоагрегатов (низкая экономичность, необходимость подсветки факела высокореакционным топливом для устойчивости горения и др.). Это вынуждает искать другие более эффективные способы использования таких топлив.
В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений технологий производства искусственных топлив является водоугольное топливо (ВУТ) [18...21] и брикетирование некондиционной угольной мелочи.
Технологии приготовления водоугольного топлива основаны на мокром размоле угля в шаровых барабанных мельницах в пропорции с водой близко 1:1 [22]. В процессе приготовления в ВУТ добавляют присадки [23, 24], назначение которых создавать пластифицирующие эффекты, стабилизировать систему, улучшить экологические качества топлива. Предназначение ВУТ - вытеснение мазута в энергетических установках.
Технико-экономические расчеты использования ВУТ показывают достаточно высокую экономическую эффективность этой технологии [25].
Основные недостатки существующей технологии приготовления ВУТ -это большая металлоемкость и энергоемкость углеразмалывающих устройств (свыше 25 кВт-ч/т продукции). Не совсем удовлетворяют размеры размолотого топлива: хотя основная масса частиц лежит в области менее 100 мкм (мода ~ 75 мкм) довольно значительная фракция 200...300 мкм, верхняя граница крупности доходит до 1000 мкм. Значителен абразивный износ обычных мазутных форсунок при работе на ВУТ. Недостаточна стабилизация системы [26]: расслоение ВУТ при длительном хранении в большом объеме наблюдается в период от 30 суток до 3.. .4 месяцев.
Основные трудности при работе с ВУТ возникают при транспорте, хранении и сжигании топлива, последнее связано с низкой реакционной способностью. Усложняющим фактором является длительный период отрицательных температур в условиях российского климата.
Тем не менее, экономические преимущества делают ВУТ весьма привлекательным. В ряде стран ВУТ широко используется в энергетике. Крупным импортером ВУТ является Япония, в США производство ВУТ достигает значительных размеров. В Китае существует крупная государственная программа развития производства водоугольного топлива и развития исследований в этой области. Значителен интерес к работам в области ВУТ со стороны Южной Кореи.
В Российской Федерации принята федеральная программа развития исследований в области технологии водоугольного топлива (2001 г.). В соответствии с этой программой открыт Западно-Сибирский региональный центр (Кемерово) развития водоугольных технологий. Существуют центры также в Новосибирске и Новокузнецке.
Технология брикетирования некондиционной угольной мелочи в куски геометрически правильной, однообразной формы и практически одинаковой массы широко распространена во всем мире.
В России брикетирование твердого ископаемого топлива (отсевы каменных и близких к ним бурых углей с относительно прочной механической структурой, рядовые слабоструктурные молодые бурые угли и торф) производится в основном для энергетики и коммунально-бытового хозяйства на брикетных фабриках [27]. Зольность получаемых брикетов до 20%. Они достаточно прочны, выдерживают длительное хранение на открытом воздухе, не разрушаются до конца горения. Брикеты применяются в качестве составной части коксования для получения металлургического кокса из газовых слабоспекающихся углей. Тощие угли, антрацит, бурые угли, полукокс брикетируются со связующими (каменноугольный пек в твердом или жидкорасплавленном виде, нефтяной битум и др.).
Существенный недостаток брикетов с пековым и нефтебитумными связующими, ограничивающими их потребление, - выделение копоти и низкая термоустойчивость [27].
Основная масса (70...80%) брикетов, как в мировом производстве, так и в России - это буроугольные брикеты.
Основными причинами, сдерживающими развитие брикетирования низкосортных углей, являются: отсутствие недефицитного и безвредного связующего, относительно высокая стоимость переработки угля в брикеты из-за высокой стоимости связующего и образования большого количества копоти при горении брикетов [28].
В основном используется два вида связующего материала - это нефтесвя-зующее и каменноугольный пек [29] (также в последние годы применяются материалы на основе карбометил-целлюлозы, карбомидоформальдегидных смол и лигносульфатов). На ряде заводов брикетирование проводилось в смеси с торфяной сушенкой влажностью 15...18%.
Каменноугольный пек представляет собой твердый остаток, получаемый на коксохимических заводах при разгонке каменноугольной коксовой смолы при температуре 350...400С. Применение каменноугольного пека в углебри-кетном производстве ограничивается вследствие его канцерогенности и дефицитности [30, 31].
Нефтебитум - смесь высокомолекулярных веществ, получаемая из тяжелых остатков переработки нефти. Нефтебитум получают главным образом окислением кислородом воздуха гудронов и крекинг-остатков при температуре 230...250С. Нефтебитумное связующее обладает лучшими связующими свойствами, чем каменноугольный пек, и его расход на брикетирование на 30...40% меньше расхода пека [30, 31].
Специфической особенностью связующих является их термическая устойчивость, которая определяется спекаемостью в период горения. Это свойство связующих выражается в том, что, выгорая при более низких температурах,
14 до воспламенения угля, они образуют коксовую сетку, не допускающую распад брикетов.
Технологическая схема производства буроугольных брикетов складывается из ряда последовательно протекающих основных операций: приема угля на фабрике, подготовки его к сушке, сушки, контрольной подготовки и охлаждения сушенки, прессования сушенки и погрузки брикетов (рис. В.1).
-Г)
Рис В.1. Принципиальная технологическая схема цепи аппаратов производства энергетических брикетов: 1 - приемный бункер угля, 2 - лопастной питатель, 3 - крыльчатая дробилка, 4 - грохот, 5 - дробилка, 6 - сушилка, 7 - узел контрольной подготовки, 8 - охладитель, 9 - штемпельный пресс, 10 - охладительные лотки, 11 - охладительный конвейер, 12 - брикеты на погрузку
Из приемного бункера 1 уголь питателем 2 подается на сборный конвейер, а затем на дробилку 3 для предварительного дробления. Пройдя дробилку, уголь поступает в дробильно-сортировочный цех фабрики, где подвергается грохочению на грохотах 4 и дроблению в дробилке 5, а затем направляется на сушку. Твердые бурые угли перед сушкой измельчаются до размера 3...4 мм.
Сушка угля на фабриках осуществляется в паровых трубчатых сушилках или в газовых трубах-сушилах 6.
Уголь из сушилок (сушенка) выходит с температурой 80...90С, подвергается контрольной подготовке 7 (отсеивание крупных частиц угля и доизмель-чение их до принятой крупности) и поступает в охладитель 8. После охлаждения сушенка поступает на прессование в штемпельные прессы 9.
Выходящие из прессов брикеты охлаждаются сначала в охладительных лотках 10, а затем на охладительном конвейере 11, после чего их отгружают на транспорт 12. Технологическая схема брикетирования каменноугольной мелочи со связующими веществами представлена карие. В.2.
Рис В.2. Принципиальная технологическая схема цепи аппаратов брикетирования с каменноугольным пеком: 1 - приемные ямы, 2 - газовые барабанные сушила, 3 - каменноугольный пек со склада, 4 - дробильное отделение, 5 - бункера дозировочного отделения, б - винтовой конвейер, 7 - малаксеры прессовых агрегатов, 8 - шнек, 9 - валковый пресс, 10 - брикеты на охлаждение и отгрузку
Поступающие на фабрику отсевы углей разгружаются в приемные ямы 1, затем подсушиваются до влажности 3% в газовых барабанных сушилах 2. Гра-
нулированный каменноугольный пек со склада 3 поступает в дробильное отделение 4 и измельчается до 1 мм.
Подсушенный уголь и измельченный пек поступают в бункера 5 дозировочного отделения. С помощью питателей уголь и пек дозируются в требуемом соотношении и смешиваются в винтовом конвейере 6. Из смесительного конвейера шихта поступает в малаксеры 7 прессовых агрегатов, в которых пропаривается и нагревается до 90...100С. После охлаждения в шнеке 8 до 80С шихта поступает на валки 9 пресса и брикетируется. Брикеты после охлаждения до 40С грузятся на транспорт.
Брикетирование с нефтебитумом показано шрис. В.З.
Рис. В.З. Принципиальная технологическая схема цепи аппаратов брикетирования с нефтебитумом: 1 - приемные ямы, 2 - сушилки, 3 - бункер прессового агрегата, 4 - двухвальный лопастной смеситель, 5 - малаксер, 6 - двухвальный охладитель, 7 - валковый пресс, 8 - битумохранилище, 9 - трубчатая печь, 10 - промежуточная емкость, 11 - окислительный реактор, 12 — брикеты на охлаждение и отгрузку
Поступающая на фабрику угольная мелочь из приемных ям 1 подается в сушильное отделение фабрики, где подсушивается до влажности 2...3% в трубах сушилках 2. Сушенка подается в бункер прессового агрегата 3, откуда вибродозатором направляется в двухвальный лопастной смеситель 4, в который
17 поступает жидкий нагретый нефтебитум. Затем шихта поступает в малаксер 5, где нагревается до температуры 80...90С и после охлаждения в двухвальном охладителе 6 до температуры 60...65С брикетируется на валковом прессе 7. Брикеты после охлаждения на ленточных конвейерах до 40...45С грузятся на транспорт.
Рассмотренные основные технологические схемы производства брикетов имеют ряд недостатков:
сложность технологических процессов;
применение энергозатратных аппаратов и устройств;
необходимость термообработки компонентов в ходе операций;
крупность применяемых компонентов (уголь, торф) велика, брикеты имеют крупнозернистую структуру.
Эти недостатки приводят к удорожанию производства, необходимости применять высокие давления при прессовании, снижают конкурентность продукции по отношению к сортовым углям.
В 1994...1995 гг. фирмой НПЦ "Брикет", Институтом горючих ископаемых (Москва) и Новосибирским предприятием СТ "Стройкомплект" разрабатывалась технология изготовления полубрикетов на основе торфа в смеси с антрацитовыми отсевами, каменно- и буроугольной пылью, отходами деревообрабатывающего и сельскохозяйственного производства, а также твердыми бытовыми отходами. Полубрикеты изготавливались на модифицированной технологической линии, поставляемой СТ "Стройкомплект", путем прессования кусков и гранул, приготовленных из тофоугольных и торфоопилочных смесей и проклеенных специальным торфяным гелем [32]. В отличие от применяемых технологий, описанных выше, данный метод допускает более широкий спектр исходных материалов и влажностных режимов. Экспериментальные работы показали, что наиболее прочные и термостойкие полубрикеты получаются из смеси 50...70% угля и 45...20% торфа. Опытным сжиганием в колосниковой бытовой печи и опытной установке, имитирующей топку водогрейного котла,
18 установлено, что полубрикеты полностью сгорают, не рассыпаясь при горении без выпадения угольной мелочи в подтопочное устройство [32]. Однако брикеты, полученные по этой технологии, оказались дорогими и недостаточно прочными.
Производство брикетов в России в основном ориентировано на промышленное потребление.
Важнейшие характеристики - гранулометрический состав, спекаемость, зольность, выход летучих веществ, реакционная способность и теплота сгорания.
По данным Института горючих ископаемых (ИГИ) и Института обогащения твердого топлива (ИОТТ) [1] КПД сжигания брикетов и гранул, на колосниковой решетке составляет 0,7...0,75 против 0,5...0,55 у рядового угля.
Нужно подчеркнуть, что обоснованность брикетного производства определяется экологическими факторами. На мировом рынке цена кондиционного угля составляет около 35 $/т, а цена некондиционных угольных отсевов не поднимается выше 20 $/т. Разница почти в 2 раза, что делает брикетное производство экономически выгодным даже при дорогостоящих технологических схемах, описанных выше.
Поворот энергетических технологий в сторону угля как энергетического ресурса требует развития новых методов его переработки и использования.
Новые условия хозяйствования ставят новые проблемы перед энергетической наукой и техникой, и, среди них, особо актуальна проблема использования местных низкореакционных и некондиционных топлив. Решение этой проблемы всегда конкретно и зависит от природно-экономических условий региона. Для Новосибирской области такой актуальной проблемой является научно-техническая задача использования отсевов Листвянской обогатительной фабрики и технологических шламов НОВЭЗа.
Указанные выше проблемы подчеркивают актуальность настоящего исследования, посвященного решению важной региональной народно-
19 хозяйственной задачи, по эффективному вовлечению в топливный баланс региона местных топливно-энергетических ресурсов.
Место исследований - регион Новосибирской области с располагаемыми в нем запасами низкосортных торфов, отходов углеобогащения, сырой нефти.
Рассматривается вопрос энергоснабжения промышленных и коммунальных энергопотребителей, а также населения топливом, позволяющим снизить стоимость товарного энергоресурса, снизить, а возможно, исключить дотации на топливо из областного бюджета. Под коммунальными потребителями подразумеваются котельные, использующие кондиционные твердые топлива и мазут.
Научная новизна работы заключается в разработке принципиальных положений новой технологии получения высокогомогенизированных жидких и твердых композитных топлив, базирующиеся на использовании высокоскоростных скалывающих и кавитационных эффектах переработки твердых топлив, в разработке схемно-параметрических решений по новой технологии получения искусственного композитного твердого (ИКТТ) и жидкого (ИКЖТ) топлив с заданными (в пределах исходных компонентов) свойствами, а также в разработке методики комплексного исследования ИКТ, проведении исследований и получении результатов по его характеристикам и сжиганию с выработкой рекомендаций по получению и теплоэнергетическому использованию.
Практическая значимость выполненной в соответствии с задачами иссле
дования диссертационной работы состоит в разработке схемно-
параметрических решений технологии производства ИКЖТ и ИКТТ, в созда
нии методики исследования, в полученных рекомендациях и параметрах про
гнозируемого ИКТ, в результатах опытно-лабораторных и опытно-
промышленных исследований, патентах полученных на новую технологию и в
разработках проектно-конструкторского бюро ОАО «Новосибирскэнерго».
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция высшей школы и академической науки» проект №А0050.
Результаты работы докладывались на семинарах Проблемной лаборатории энергетики НГТУ (Новосибирск, 1997...2001гг.), на международных сим-
20 позиумах и конференциях «Экология энергетики 2000» (Москва, 2000 г.), «29-й Технический коллоквиум по проблемам тепловых электрических станций» (Дрезден 1997 г.), «32-й Технический коллоквиум по проблемам тепловых электрических станций» (Дрезден 2000 г.), «33-й Технический коллоквиум по проблемам тепловых электрических станций» (Дрезден 2001 г.), «П-ой семинар вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике» (Томск, 2001 г.).
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 11 (в том числе 3 патента РФ) печатных изданиях.
Экспериментальная часть работы выполнена в Лаборатории проблем теплоэнергетики Новосибирского государственного технического университета, в ФГУП «НПЦ «Экотехника» (г. Новокузнецк). Лабораторные исследования проведены в Лаборатории топлива и шлаков котельного цеха АООТ «Сибтехэнер-го». Расчетно-теоретические исследования проведены на кафедре «Тепловых электрических станций» Новосибирского государственного технического университета.
Личный вклад автора в разработку новой технологии заключается в разработке (с участием других авторов) основных теоретических положений технологии, в участии в разработке схемно-параметрических решений, и в разработке методик исследования технологии ИКТ, проведении лабораторных и опытно-промышленных исследований, обработке их результатов и получении рекомендаций для промышленного теплоэнергетического использования технологии.
Автором было проведено технико-экономическое исследование технологии на примере НОВЭЗа.
Личный вклад автора подтвержден печатными работами и патентами РФ.
Схемно-параметрические решения реализации технологии
Это новое устройство роторно-пульсационного типа, в котором сочетаются принципы работы роторных смесителей, дезинтеграторов и дисмембрато-ров, центробежных и вихревых насосов, коллоидных мельниц и гомогенизаторов.
Реализуемые в установках условия обработки - большие градиенты скоростей, активный гидродинамический режим, эффективная турбулизация и пульсация потока, поле мощных акустических колебаний широкого диапазона частот, кавитационные эффекты, высокие напряжения сдвига сочетаются с одновременным механическим воздействием на частицы дисперсной фазы (диспергирование, деформация, резание, перетирание частиц между движущимися поверхностями), что приводит к резкой интенсификации всех процессов и операций.
В силу того, что технологические процессы с использованием установки насоса кавитирующего режима за счет комплексной механо-акустической обработки протекают совмещенно (например, диспергирование и гомогенизация), более интенсивно и при меньших температурах, чем в традиционно используемых технологиях, существенно уменьшается время обработки и, соответственно, снижаются прямые энергозатраты. Большой эффект достигается в виде упрощения самого технологического процесса, а также обслуживания аппаратуры и обеспечения вспомогательных процессов и операций.
Глубокая диспергация и гомогенизация исходных компонентов при образовании промежуточных и конечных продуктов ИКЖТ и ИКТТ обеспечивает однородность топливных структур и качество получаемых топлив. При этом возрастает эффективность топочных процессов, улучшаются экологические характеристики сжигания топлив.
Для отработки технологии получения конечного продукта для исследований были выполнены проекты и изготовлены 2 аппарата для диспергации и гомогенизации субстанций:- промышленный диспергатор-кавитатор производительностью 10 т/ч продукта;- лабораторный диспергатор-кавитатор производительностью 100 кг/ч.Аппараты были изготовлены в ОАО "Стройкомплект" и ПРП "Новосибирскэнерго".
Лабораторный кавитатор оснащен специальным электроприводом, разработанным и изготовленным в НГТУ, который позволяет плавно изменять частоту вращения дисков в аппарате в пределах 0...15 000 об/мин. Работа с кавита-тором показала, что деструкция торфа в водной среде приводит к образованию водного коллоида на основе торфа (торфяного геля).
Переработка угольных порошков (до 1000 мкм) в водной среде с использованием кавитатора в качестве насоса циркуляционного контура позволила получить улучшенные ВУТ с более глубокой диспегацией твердой фазы, чем в традиционных технологиях.
На рис. 1.1 и 1.2 представлены фотографии аппаратов. Нарис. 1.3 приведена конструктивная схема лабораторного кавитатора-диспергатора.
Устройство работает следующим образом. Реагенты, мелко размолотый уголь и торф, увлекаемые водой поступают в патрубок входа 7 диспергатора-кавитатора. Затем смесь винтовым насосом 3 подается на диски 4 и 5.
При этом диск 4, расположенный на валу 2, вращается с постоянной частотой, обеспечивая постоянную скорость продвижения смеси через диспергатор-кавитатор, а диск 5, расположенный на валу 6 вращается с регулируемой измельчения и перемешивания за счет возникновения кавитационных эффектов.
Концентрация и комбинация реагентов может быть любой при условии, что суммарное количество жидкой фазы в приготовляемой смеси должно быть не ниже 20% по объему для обеспечения надежной работы дис-пергатора-кавитатора. Процессы образования эмульсий, содержащих жидкие реагенты, осуществляются посредством кавитационных эффектов в отверстиях 10, расположенных на дисках кави-татора-диспергатора и последующим схлопыванием каверн (пузырьков), а также за счет тур-булезации среды при вращении дисков. Процессы образования
Структура методики
Основной задачей является исследование технологии производства искусственного композитного топлива и установление зависимости между исходными факторами технологии и свойствами конечного продукта.
Под исходными факторами технологии подразумевают физико-химические свойства исходных компонентов, технические характеристики оборудования, схемно-параметрические решения технологических линий.
Под свойствами конечного продукта подразумеваются теплотехнические свойства композитного топлива.
Кроме теплотехнических свойств важными характеристиками конечного продукта являются: - механическая прочность твердого топлива; - гидрофобность топлива; - шлакующие свойства минерального остатка; - экологические характеристики процесса сгорания; - смерзаемость топлива; - время выгорания гранул и капель топлива; - вязкость, реологические свойства жидкого топлива; Методика является комплексной: на основе единого методического подхода разрабатывается развернутое исследование ИКТ.
Учитывая, что ИКЖТ является промежуточным продуктом производства ИКТТ, методика исследования состоит из следующих этапов: определение эле ментного состава топлива по рабочей (сухой, горючей) массе, теплоты сгорания, состава минеральной части, температуры плавления золы.
Возможно более детальное лабораторное исследование по методике ISO, включающей в себя петрографические показатели, стадии метаморфизма, содержание токсичных, радиоактивных и редкоземельных элементов.
Лабораторное исследование торфа производится так же, как для угля. Содержит данные по степени разложения торфа.
Лабораторное исследование нефтепродуктов для товарных топочных мазутов содержит основные характеристики: марка, плотность, вязкость в условных единицах ВУ (а также динамическая и кинематическая вязкость), температура застывания, вспышки, коксуемость, зольность, элементный состав, содержание ванадия на сухую массу, теплота сгорания.
Нефть не рассматривается как топливо, поэтому паспортные характеристики нефти отличны от паспортных и теплотехнических характеристик мазута.
Отработавшие масла характеризуются плотностью, вязкостью, зольностью, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды, содержанием серы, температурой вспышки и застывания.
Целесообразно выполнение лабораторных исследований нефти (отходов нефти), отработавших масел по схеме мазута.Лабораторное исследование гранулометрического состава угольного порошка после мельниц и раздробленного отсеянного торфа перед поступлением в насос кавитирующего режима.
В зависимости от крупности порошка и распределения его состава выбирается режим его переработки в суспензию (гель) в насосе кавитирующего режима. Длительность циклической переработки определяется исходными размерами порошка и коэффициентом размолоспособности угля.
Установка состоит из бака 1 и насоса кавитирующего режима 2, образующих циркуляционный контур. Насос снабжен электроприводом 3. Из бака 1 приготовленный продукт перекачивается насосом 5 в расходный бак 6.
Твердая фаза перед подачей в бак 1 предварительно размалывается в лабораторной ШБМ до необходимой крупности. В баке 1 расположен активатор 4 с электроприводом.
Продолжительность циклической переработки водоугольной смеси определялась опытным путем при наблюдениях за перерабатываемой смесью. Для этого периодически отбиралась проба ВУС и производилось наблюдение за осаждением твердой фазы в стеклянной бюретке.
Образование коллоидной фазы сопровождается резким изменением времени осаждения, которое увеличивается от нескольких суток до нескольких месяцев.
Образование коллоидной фазы в ВУС различно у различных углей. Антрациты, полуантрациты и тощие угли слабее образуют коллоидную фазу, чем другие угли. Бурые угли при переработке на кавитаторе образуют весомую коллоидную фазу, особенно угли БЗ.
Исследование стабильности ВУС производилось путем наблюдения за расслоением системы. Информация о срединном диаметре частиц в суспензии и о гранулометрическом распределении крупности является важной для определения стабильности.
Опыт работы с ВУС [39] показал, что срединный диаметр частиц в суспензии для Кузнецких углей Г и Д должен составлять 20...27 мкм. Расчеты выполненные в [39], позволили определить, что суспензия со срединным диаметром dM = 20 мкм способна удерживать частицы крупностью Д = 200 мкм, а суспензия
Размол твердых компонентов. Гранулометрический состав порошка
Размол углей осуществлялся на лабораторной ШБМ и на дезинтеграторе технологического модуля. Гранулометрическая характеристика угольного порошка после помола определялась путем рассева на вибрационных ситах в Лаборатории ТЭ и при помощи лазерного денситометра в лаборатории Новосибирского электровакуумного завода (прибор сертифицирован).
Порошок после ШБМ получен в целом более крупный, чем после дезинтегратора. Среднее значение dM 65 мкм. Это недостаточно для получения стабильной ВУС. Дальнейшая доработка порошка производилась в жидкой среде в кавитаторе. После кавитатора порошок отсевов антрацита имел средний диаметр dM 30 мкм.На дезинтеграторе размололи каменный уголь Быковского месторождения Д-12.Было выполнено исследование однократного и двукратного помола угля.
Результаты исследования гранулометрического состава порошка однократного и двукратного помола представлены в табл. П.1.5, П.1.6, Приложения 1, откуда следует, что:- средний диаметр частиц после однократного размола - 37,3 мкм, после двукратного - 32,2 мкм. Таким образом, вторичный помол не изменяет существенно гранулометрические характеристики порошка;- основная доля частиц (95%) имеют размеры менее 90 мкм;- фракция 0... 10 мкм занимает до 18% по массе. В табл. П.1.5, П.1.6, Приложения 1 обозначено:V - доля частиц от 0 до данного размера, %; Н - доля частиц данной фракции, %; S - доля поверхности частиц данной фракции, %; Р - доля в объеме частиц данной фракции, %. Average - статистическая мода (статистическое среднее) фракционного состава, мкм. Выводы следующие: в технологической линии достаточен однократный пропуск угольной дробленки через дезинтегратор, наличие мелкой фракции 0...10 мкм в составе порошка является важным стабилизирующим фактором водоугольной системы.
Частицы угля по технологической схеме перерабатывались в дальнейшем в кавитаторе. Как показали исследования твердой фракции, выделенной из суспензии при переработке, мода смещается во фракцию 20...30 мкм. В технологической линии использован секционный кавитатор с термодиспергатором, эта система позволяет осуществить диспергацию и гомогенизацию ИКЖТ за один проход.
В табл. 3.1 представлены удельный размер поверхности и доля частиц данной фракции в процентах для образцов №2 и 3.Очень важным является вопрос о потере летучих веществ в процессе размола. Чтобы решить этот вопрос были проведены лабораторные исследования угольных порошков на выход летучих. Результаты этих исследований представлены в табл. 3.2.
Данные табл. 3.2 в сравнении с данными исходного угля (см. Приложение 1, табл. П. 1.1) убедительно показывают, что практически потерь летучих при размоле нет. А так как в технологической линии (см. рис. 1.12) получение ИКЖТ происходит за один проход компонентов, то летучие, прежде чем они могут быть утеряны, оказываются зафиксированы в жидкой системе. В дальнейшем потеря летучих может иметь место при хранении жидкой системы.
Толмачевский торф после переработки во флотационной машине теряет часть минеральной составляющей и очень хорошо перерабатывается в кавитаторе, с получением торфяного геля с размерами частиц 0...20 мкм.В соответствии с методикой исследования и технологией [56, 57] было приготовлено несколько серий искусственного композитного жидкого топлива.
Серия 1 (проба №153): W = 66,8%; уголь - 20%; торф - 8%; нефть - 8% (сумма влаги и остальных компонентов не равна 100%). Это объясняется тем, что навеска перед сжиганием в калориметрической бомбе высушивалась при 100С до состояния W и следовательно часть легколетучих, содержащихся в нефти, испарилась. Данные по объемному выходу фракций из нефти представлены в табл. П. 1.2, Приложения 1).Серия 2 (проба №25): W = 54,5%; уголь - 45,5%.Серия 3 (проба №55): W = 56,05%; уголь - 17%; торф - 10%; мазут - 17%.
Результаты исследования серий 1, 2, 3 представлены в табл. П.1.7...П.1.9, Приложения 1 в форме протоколов. За стабильностью серий ИКЖТ наблюдали в течение 6 месяцев.Кроме отсевов Листвянского антрацита при приготовлении ИКЖТ были исследованы угли Д, Быковского разреза 12 (о. Сахалин).
Особенностью порошка Быковского угля Д-12 являются адгезивные свойства в водных смесях. Переработка этого порошка в диспергаторе-кавитаторе с водой показала, что образующееся водоугольное топливо обладает хорошо выраженными коллоидными свойствами.Была приготовлена суспензия (массовые доли):
Методические положения по оценке эффективности инвестиционных проектов
Инвестиционные проекты обычно существуют в виде некоторого множества альтернативных вариантов, реализация которых сопряжена с необходимостью осуществления инвестиций (инвестированием).
По источникам образования инвестиции различаются на две группы -собственные и заемные.Собственные: финансовые ресурсы (прибыль, амртизационные отчисления, накопления, страховые выплаты, безвозмездные субсидии и ассигнования из бюджетов и фондов разных уровней, паевые взносы, средства от эмиссии долевых ценных бумаг), а также иной собственный капитал. Заемные: различны по форме и видам кредиты и займы (в том числе облигационные займы, средства от эмиссии векселей и т.д.).
Эффективная подготовка и реализация ИП предполагают необходимость составления инвестиционного бизнес-плана, который в современных условиях призван выполнять, по крайней мере, две функции.
Первая - функция стратегического планирования в условиях рынка. Иными словами бизнес-план какого-либо ИП есть элемент планирования развития реципиента.Вторая функция состоит в привлечении инвестиций со стороны внешних инвесторов - потенциальных кредиторов и партнеров: банков, покупателей будущей продукции, или услуг реципиента, поставщиков материалов и оборудования, заинтересованных в расширении рынка сбыта, индивидуальных инвесторов и др.
Объем и структура бизнес-плана (равно как и количество этапов в реализации ИП) зависят от масштаба проекта и от цели составления плана.Большое значение для инвестора имеет информация об условиях возмещения его затрат. В ней указываются способы и сроки возврата инвестиций.Наиболее часто применяется их возврат в денежной форме в виде погашения ранее полученной, как правило, банковской ссуды. Тогда в плане приводятся данные о предлагаемой процентной ставке за пользование инвестициями и даты начала и окончания выплат.
Другой способ возмещения затрат - это предоставление инвестору права собственности на часть продукции, которая будет производиться после реализации проекта. При этом способе в плане должны быть приведены сведения о доле и объеме продукции, которая будет принадлежать инвестору в период возврата инвестиций.Третий способ предполагает, что инвестору может быть предоставлено право на совместное владение, распоряжение и пользование созданными объек Эффективность ИП характеризуется соотношением затрат и результатов применительно к интересам его участников.
Различают эффективность проекта как такового и участия в нем отдельных лиц с учетом их вкладов.Горизонт расчетов измеряется количеством шагов (период начисления доходов). Шаг при этом обычно может быть равен месяцу, кварталу или году.Для стоимостной оценки результатов и затрат могут использоваться базисные, мировые, прогнозные (текущие) и расчетные цены.
Сравнение различных вариантов ИП и выбор лучшего из них осуществляется с использованием системы показателей, которые можно разбить на две группы по тому, учитывают ли они фактор времени с помощью дисконтирования или нет. В практике инвестиционного анализа преобладают дисконтные методы и соответствующий набор показателей [75].
Дисконтные методы основаны на приведении (дисконтировании) разновременных платежей и поступлений (будущих стоимостей) к некоторому фиксированному моменту времени to. Инструментом приведения является норма дисконта Е, называемая также требуемым уровнем (нормой) доходности, ставкой сравнения или "барьерной" ставкой. Она олицетворяет собой приемлемый для инвестора процент возврата на инвестируемый капитал за определенный период начисления:Чистый дисконтированный доход относится к показателям эффекта капиталовложений и характеризует чистый абсолютный результат или отдачу от реализации ИП: т=0где Орт - объем реализованной продукции, И[ - суммарные эксплуатационные издержки без отчислений на амортизацию, Нт - налог на прибыль, Кт инвестиции в год т, Е - ставка дисконтирования.
Отрицательный ЧДД свидетельствует о неэффективности инвестиционного проекта при данной норме дисконта.Дисконтированный срок окупаемости в отличие от простого учитывает разновременность поступлений и расходов и значение процента на вложенный капитал.
Внутренней нормой доходности (ВНД) Ет называется расчетная процентная ставка, при которой капитализация регулярно получаемого дисконтируемого дохода в виде чистых денежных поступлений дает сумму, равную приведенным инвестициям и, следовательно, капиталовложения являются окупаемыми.
Преимуществом ВНД перед другими оценками является то, что уровень Ет полностью определяется внутренними данными, характеризующими инвестиционный проект. Предложение об инвестировании считается приемлемым, если ВНД превышает "барьерную" ставку для данного инвестора. Когда имеется несколько вариантов размещения капитала, то предпочтение отдается тому, при котором ВНД наиболее высока.
Индекс доходности (рентабельность) представляет собой отношение суммы приведенных чистых поступлений к приведенным на туже дату инвестиционным затратам: Значение ИД, большее единицы, считается приемлемым с точки зрения финансовой перспективы ИП и наоборот.
Рассмотренные показатели эффективности объединяет одна общая черта, все они строятся на основе дисконтирования элементов потока платежей и поступлений. Результат сравнения проектов с различными распределениями чистого эффекта во времени может существенно зависеть от нормы дисконта. Поэтому объективный подход к выбору ее величины достаточно важен.При определении коммерческой эффективности ИП норма дисконта носит вообще говоря индивидуальный характер и зависит, кроме действующей налоговой системы, от состава и структуры вкладываемого капитала.
