Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние топливно-энергетического комплекса Архангельской области и пути его совершенствования 14
1.1. Характеристика топливно-энергетического комплекса региона 14
1.2. Глобальные проблемы экологии и экологическая обстановка в Архангельской области 26
1.3. Некоторые аспекты развития ТЭК области и снижение воздействия энергетики на окружающую среду 38
1.4. Выводы 47
2. Проблемы сжигания сильношлакующих топлив в топках котлоагрегатов 49
2.1. Анализ основных процессов в топках котлов с прямоточным факелом 49
2.2. Вихревое сжигание печорских и кузнецких углей в топке котлоагрегата Е-220-100 ст.№11 ТЭЦ-1 АЦБК 57
2.3. Результаты внутритопочных исследований 70
2.4. Некоторые результаты сжигания немолотых топлив по НТВ-технологии 83
2.5. Выводы 95
3. Утилизация отходов производства и применение местного топлива с целью совершенствования ТЭК и улучшения экологической обстановки в регионе 96
3.1. Оценка энергетического потенциала лесных массивов 96
3.2. Характеристика древесных отходов как энергетического топлива. 104
3.2.1. Исследование теплотехнических характеристик отходов лесопиления и деревообработки 106
3.2.2. Исследование характеристик древесно-шлифовальной пыли 112
3.2.3. Основные характеристики гидролизного лигнина 115
3.3. Определение запасов и исследование теплотехнических характеристик лигнина в отвалах гидролизных и биохимических заводов 118
3.4. Запасы и теплотехнические характеристики торфа, перспективы применения в энергетике региона 123
3.5. Анализ методов энергетического использования биотоплива 126
3.6. Получение высококачественного топлива из отходов переработки биомассы 144
3.7. Выводы 146
4. Современное состояние теории горения твердого топлива 149
4.1. Анализ методов исследования выгорания топлива 149
4.1.1. Стадийность процесса горения частиц твердого топлива. 149
4.1.2. Выход и горение летучих, формирование структуры коксового остатка 152
4.1.3. Исследование выгорания коксового остатка 160
4.2. Анализ выгорания частиц топлива в НТВ-топке 166
4.3. Выводы и задачи дальнейших исследований 169
5. Экспериментальное исследование тепло-и массообмена при горении топлива. Исследование теплофизических, аэродинамических и кинетических характеристик твердых топлив 171
5.1. Экспериментальная установка для исследования тепло-и массообмена при прогреве и горении частиц твердого топлива 171
5.2. Характер поведения крупных частиц твердого топлива при разных условиях теплообмена 176
5.3. Исследование теплофизических характеристик твердых топлив 185
5.3.1. Определение коэффициентов температуропроводности топлив и их плотности 185
5.3.2. Исследование теплоемкости твердых топлив 188
5.3.2.1. Влияние влажности на теплоемкость топлив 191
5.3.2.2. Зависимость теплоемкости топлив от содержания минеральных примесей и горючих составляющих 195
5.3.2.3. Влияние температуры на эффективную теплоемкость топлива 197
5.3.3. Исследование теплопроводности твердых топлив 201
5.4. Исследование аэродинамических характеристик топливных частиц205
5.4.1. Экспериментальная установка и методика исследования 209
5.4.2. Результаты экспериментальных исследований 212
5.5. Экспериментальное исследование процесса термической подготовки и воспламенения твердых топлив 216
5.6. Выводы 222
6. Методика расчета процессов воспламенения и горения немолотого топлива
6.1. Экспериментальное и расчетное исследование прогрева сухих частиц твердого топлива 224
6.2. Исследование процесса прогрева и сушки частиц влажного твердого топлива 233
6.3. Результаты экспериментального исследования процессов воспламенения и горения частиц твердого топлива 243
6.4. Расчет процесса термического разложения органической массы топлива 253
6.5. Анализ процесса термомеханического разрушения частиц немолотого топлива 263
6.6. Методика расчета горения твердых топлив в топках с многократной циркуляцией частиц 273
6.7. Выводы 281
7. Программно-методический комплекс для обработки результатов испытаний теплоэнергетического оборудования и расчета вредных выбросов 283
7.1. Планирование эксперимента при проведении испытаний 284
7.2. Определение составляющих теплового баланса 289
7.3. Методика расчета выбросов оксидов азота 296
7.4. Определение температуры сернокислотной точки росы 305
7.5. Вибрационная надежность оборудования 309
7.6. Выводы 314
8. Рекомендации по сжиганию сильношлакующих каменных углей 315
8.1. Повышение производительности и эффективности работы котлоагрегатов Е-220-100 ТЭЦ-1 АЦБК 315
8.2. Комплексное повышение эффективности работы котлоагрегатов ПК-10 321
8.3. Экологические показатели работы котлов 325
8.4. Выводы 333
9. Повышение эффективности работы утилизационно-энергетических котлов, сжигающих древесные отходы 335
9.1. Перевод на слое-вихревую схему сжигания топлива котлоагрегатов ТЭЦ-1 АЦБК 335
9.1.1. Краткое описание котлов и анализ их работы до реконструкции 335
9.1.2. Объем реконструкции и анализ полученных результатов 340
9.1.3. Выводы и предложения 348
9.2. Реконструкция котлоагрегата ЦКТИ-40-34х2 ст.№1 ТЭЦ-1 СЦБК
на факельно-вихревую схему сжигания древесных отходов 350
9.2.1. Описание котла и анализ работы до реконструкции 350
9.2.2. Объем реконструкции и анализ полученных результатов 353
9.3. Модернизация котлоагрегатов Е-75-40 ОАО «АГЗ» на НТВ-схемы сжигания гидролизного лигнина 359
9.3.1. Конструкция котлоагрегатов и анализ их работы до модернизации 359
9.3.2. Результаты первого этапа реконструкции котлов 362
9.3.3. Результаты второго этапа реконструкции 365
9.3.4. Выводы и предложения 375
9.4. Повышение эффективности работы утилизационно-энергетических котлов малой энергетики 377
9.4.1. Основные результаты исследований эффективности работы котлов с шахтными предтопками и наклонными неподвижными колосниковыми решетками 377
9.4.2. Исследование работы котлов с предтопками скоростного горения и разработка предложений по повышению эффективности сжигания биотоплива 380
9.5. Исследование аэродинамики закрученного потока с целью разработки циклонного предтопка для сжигания древесных отходов 396
9.5.1. Экспериментальная установка и методика измерений 396
9.5.2. Влияние геометрии и режима работы предтопка на его аэродинамику 399
9.5.3. Рекомендации по проектированию циклонных предтопков для сжигания древесных отходов 409
9.6. Выводы 411
10. Заключение 414
11. Список литературы
- Глобальные проблемы экологии и экологическая обстановка в Архангельской области
- Некоторые результаты сжигания немолотых топлив по НТВ-технологии
- Определение запасов и исследование теплотехнических характеристик лигнина в отвалах гидролизных и биохимических заводов
- Выход и горение летучих, формирование структуры коксового остатка
Введение к работе
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является основой экономики России, как и любой другой страны мира [1]. От выбора направлений разви-
тия ТЭК в значительной степени зависит и экологическое состояние окру
жающей среды (ОС). Одной из важнейших целей Энергетической стратегии
России на период до 2020 г. является обеспечение энергетической безопасно
сти страны и её регионов [2,3], в соответствии с этим суммарное производст
во электроэнергии при ожидаемых темпах развития экономики должно воз
расти (по сравнению с уровнем 2000 г.) в 1,34 раза к 2010 г. (до 1125 млрд.
кВт-ч) и в 1,8 раза к 2020 г. (до 1585 млрд. кВт-ч).
Основой электроэнергетики России на всю рассматриваемую перспективу останутся тепловые электростанции, доля которых в структуре установленных мощностей отрасли составит к 2010 г. 68%, а к 2020 г. - 67...70%. Необходимость радикального изменения условий топливообеспечения ТЭС в европейских районах страны и ужесточение экологических требований к
ним обуславливает существенные изменения структуры мощностей ТЭС по типам электростанций и видам используемого ими топлива. Однако дефицит инвестиций и инерционный характер развития ТЭК препятствуют быстрой перестройке структуры их мощностей и изменению топливного баланса ТЭС. Поэтому в ближайшие годы (до 2005 г.) необходимо ориентироваться на продление срока службы оборудования ТЭС на основе замены базовых узлов паровых турбин и котлов [2,3]. В дальнейшем основными направлениями должны стать техническое перевооружение и реконструкция существующих, а также сооружение новых ТЭС. Приоритет будет отдан экологически чистым угольным ТЭС, конкурентноспособным на большей части территории России. Ежегодный объем технического перевооружения ТЭС должен со-
ставлять 4...6 млн. кВт. Развитие мощностей на существующих и вновь вводимых ТЭС должно базироваться на использовании новых технологий и оборудования. Структура генерирующих мощностей останется достаточно ус-
тойчивой: доля энергии, вырабатываемой на ГЭС и АЭС, не будет опускаться ниже существующего уровня (31%).
В настоящее время, вследствие неоправданного перекоса цен на топливо (низкая стоимость газа) в топливном балансе ТЭС газ составляет примерно 62%, на уголь приходиться 26% и 11% на мазут. Однако энергетической стратегией развития России планируется скорейшая ликвидация диспропорций между ценами на природный газ, уголь и мазут путем пересмотра регулируемых государством цен на газ.
Энергетической стратегией страны намечено, что приоритетными направлениями использования основных энергоносителей являются:
природного газа - на нетопливные цели, на энергоснабжение коммунально-бытового сектора, включая ТЭЦ, и технологических процессов в металлургии, машиностроении и промышленности строительных материалов;
нефти — на обеспечение потребности в моторных топливах и сырье для нефтехимии; к приоритетным направлениям использования газа и нефти в период до 2010-2012 гг. отнесен также их экспорт, как основной источник валютных поступлений в страну;
угля - на выработку электроэнергии и производство кокса, а также на топливообеспечение рассредоточенных бытовых потребителей.
Обеспеченность добычи разведанными запасами топлива оценивается по нефти и газу на несколько десятков лет, а по углю — на несколько сотен лет, что и предопределяет долговременную перспективу его применения. В соответствии с оптимальной структурой топливно-энергетического баланса, востребованные объемы добычи угля по стране составят до 320 млн.т. в 2010 г. и до 400 млн.т. в 2020 г. Принципиально важно, что в отличие от быстро дорожающих газа и нефти цены на уголь к 2020 г. будут на 10...15%) ниже, чем в 2010 г., из-за вовлечения более эффективных его запасов, улучшения хозяйственной организации отрасли и главное - благодаря научно-техническому прогрессу в добыче, переработке и транспортировке угля. Увеличение добычи угля прежде всего планируется в бассейнах федерального значе-
ния - Кузнецком и Канско-Ачинском, а также в бассейнах межрегионального значения - Печорском, Донецком, Южно-Якутском и Восточной Сибири [2].
Перестройка экономики предусматривает проведение целенаправленной энергосберегающей политики, и Россия располагает большим потенциалом организационного и технологического энергосбережения. В соответствии с прогнозом экономия энергии (относительно 2000 г.) должна составить к 2010 г. 105... 140 мпн.т.у.т, в том числе электроэнергии 60... 130 млрд. кВт-ч, а к 2020 г. 300...420 мпн.т.у.т, в том числе электроэнергии 190...300 млрд. кВт-ч.
К числу важнейших принципов обеспечения энергетической безопасности отнесены: - принцип заменимости исчерпаемого ресурса; - диверсификации видов топлива и энергии; - экологической приемлемости; - максимально возможного использования во всех технологических процессах и проектах отечественного оборудования; - приоритетности внутреннего потребления энергоресурсов их экспорту и рационализации структуры экспорта путем перехода от преимущественного экспорта первичных энергоносителей к более широкому экспорту продуктов их переработки и ряд других принципов [2].
Наиболее экономичным путем обеспечения растущей потребности в электроэнергии является создание установок повышенной мощности 500...1200 МВт, которыми должны комплектоваться новые ТЭС, устанавливаемые вблизи месторождений топлива, в основном дешевых углей добываемых открытым способом. Однако основной проблемой при их строительстве является уровень выбросов вредных веществ (ВВ).
Необходимо отметить два перспективных направления в развитии ко-тельно-топочной техники, которые обеспечивают снижение выбросов ВВ. Первое - применение режимных мероприятий и низкотемпературных или низкоэмиссионных способов сжигания для уменьшения образования ВВ в топочной камере; как правило, оно требует меньших затрат, но не всегда позволяет обеспечить предельно допустимые выбросы (ПДВ). Второе - очистка уходящих газов от ВВ до заданного уровня - требует значительных капи-
тальных и эксплуатационных затрат (до 30% от стоимости основного оборудования). Наиболее оптимальный путь — сочетание первого и второго направлений [4].
т Экологическая политика в сфере энергообеспечения предусматривает:
стимулирование производства и потребления топлива и энергии технологиями, улучшающими здоровье населения и состояние ОС; вовлечение в топливно-энергетический баланс возобновляемых источников энергии и отходов производства в целях уменьшения негативного влияния энергетической деятельности на ОС и сохранения потенциала невозобновляемых энергоресурсов для будущих поколений и др.
Важнейшим вопросом, стоящим перед отечественной энергетикой, является модернизация и замена морально устаревшего и физически изношенного оборудования ТЭС, доля которого с каждым годом увеличивается. Экономически выгодно техническое перевооружение проводить с сохранением по возможности существующих элементов установки с обязательным повы-
шением экологических показателей оборудования на базе новых методов и
прогрессивных конструктивных решений. В настоящее время использование биотоплив в электроэнергетике занимает менее 2% и не может решить проблемы защиты ОС от выбросов ВВ в масштабах всей страны. Однако применение биотоплив там, где это возможно - вместо невозобновляемых первичных энергоресурсов (ПЭР) является обязательным элементом совершенствования ТЭК.
При решении этих вопросов наибольшие трудности возникают в котельной установке ТЭС, особенно при сжигании твердых топлив. Практически повсеместное использование прямоточного пылеугольного факела (ППФ) различной модификации позволило успешно решить многие проблемы сжигания твердых топлив [4,5]. Однако, повышенная взрывоопасность схемы ППФ, эмиссия значительного количества ВВ в высокотемпературной зоне горения, шлакование поверхностей нагрева (ПН) заставляют энергетиков искать новые решения в котельно-топочной технике. В качестве альтер-
нативных направлений, позволяющих решить некоторые из названных проблем ППФ, можно указать, например, низкотемпературные схемы сжигания твердого топлива: в топках с кипящим и циркулирующим кипящим слоем (КС и ЦКС) и в топках с низкотемпературным вихрем (НТВ-технология).
Для Северо-востока Европейской части страны основным источником местного относительно дешевого твердого топлива являются каменные угли Печорского бассейна. Однако экономичное использование данных углей, особенно интинского длиннопламенного, в качестве энергетического топлива на ТЭС Архангельского, Котласского ЦБК и Северодвинской ТЭЦ-1 затруднено, так как при его сжигании отмечается интенсивное шлакование ПН кот-лоагрегатов [5]. Для борьбы с которым была использована схема НТВ.
Архангельская область включена в список наиболее загрязненных регионов России [6]. В то же время она является крупнейшим в Европе производителем лесной продукции, а соответственно обладает и большими запасами некондиционных отходов лесопромышленного комплекса (ЛПК) и микробиологической промышленности. Данные отходы часто не находят применения в народном хозяйстве и вывозятся на свалки и отвалы, где, разлагаясь, наносят существенный вред ОС. Поэтому с экологической и экономической точек зрения наиболее целесообразно использовать некондиционные древесные отходы и гидролизный лигнин в качестве энергетического топлива.
Древесина является самым древним видом топлива, однако проблема эффективного сжигания древесных отходов до сих пор остается актуальной во всем мире. Это связано в основном с тем, что они относятся к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85%), низкой теплотой сгорания и неоднородным фракционным составом. Отходы микробиологической промышленности - гидролизный лигнин имеет более равномерный фракционный состав, но также характеризуется высокой влажностью (до 75%) и низкой теплотой сгорания.
Топки скоростного горения с зажатым слоем системы проф. В.В. Померанцева установлены на многих предприятиях ЛПК, однако они были раз-
работаны для сжигания топливной щепы в смеси с опил ком (до 50%) при относительной влажности биотоплива до 55% [7]. Сегодня они вынуждены работать на непроектном топливе (опилках или смеси опилков с корой), что явилось главной причиной значительного снижения их технико-экономических и экологических показателей. В настоящее время отечественной промышленностью не выпускается достаточно надежных и эффективных топочных устройств для сжигания различных видов древесных отходов (или их смеси) неоднородного фракционного состава и с высокой влажностью.
Суммарная мощность ТЭЦ Архангельской области составляет 1698,8 МВт, они вырабатывают ~ 75% тепловой энергии, генерируемой централизованными источниками, оставшаяся часть вырабатывается отопительными котельными, которых насчитывается более 1600, из них 90% имеют мощность менее 23 МВт. В топливном балансе области доминирующая роль принадлежит высокосернистому топочному мазуту и каменным углям, ввозимым из других регионов РФ, доля древесных отходов и торфа при их огромных запасах составляет менее 7%. Среди каменных углей преобладают угли Печорского бассейна (92...95%). Технологическое несовершенство и изношенность основных производственных фондов, характерные для ТЭК региона, а также сложившаяся структура топливного баланса явились основными причинами низкой эффективности функционирования систем энергоснабжения, тяжелой экологической ситуации, а также одних из самых высоких в РФ тарифов на тепловую и электрическую энергию.
Основными целями работы были следующие: - на основании анализа процессов в топках с ППФ и НТВ-топках усовершенствовать НТВ-технологию для сжигания сильношлакующих углей Печорского бассейна и высоковлажных биотоплив, обеспечив снижение выбросов ВВ; - разработать технические предложения для создания новых и модернизации старых кот-лоагрегатов, обеспечивающие комплексное повышение экономических и экологических показателей, а также позволяющие оптимизировать структуру топливного баланса за счет значительного увеличения доли биотоплив; - раз-
/з
работать программно-методический комплекс для оценки эффективности и надежности работы теплогенерирующего оборудования, оптимизирующий условия выбора и реализации энергосберегающих программ.
В данной работе представлен комплекс исследований, посвященных научному обоснованию, изучению на промышленных установках и стендах и промышленному освоению новых схем сжигания твердых топлив, обеспечивающих повышение эффективности энергетического использования сильно-шлакующих углей и биотоплив, а также совершенствование ТЭК Архангельской области и других регионов. Он направлен на совершенствование ко-тельно-топочной техники при прямом сжигании топлив, а также на разработку методической базы для комплексной оценки эффективности работы теплогенерирующего оборудования с учетом экономических и экологических показателей, а также параметров надежности. При выполнении автором данного комплекса исследований научными консультантами являлись: по разделу 6.6 - профессор СМ. Шестаков; по разделу 8.2 - ген. директор «Политех-энерго» Ф.З. Финкер; по разделу 9.5 - профессор Э.Н. Сабуров.
Исследования проводились в соответствии: с общесоюзными и отраслевыми научно-техническими программами 0.01.02 «Создание новых видов оборудования для производства тепловой и электрической энергии», ОЦ.002 «Создать и освоить на крупных ТЭЦ новое теплофикационное оборудование....», «Экологически чистая энергетика»; с межвузовскими научно-техническими программами «Энергосистема», «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики», «Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы РФ»; с Федеральной целевой НТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»; а также с региональной НТП «Система функционирования химико-лесного комплекса Европейского Севера России на 1994-2000 гг.» при поддержке Миннауки, Минобразования РФ и администрации Архангельской области.
Глобальные проблемы экологии и экологическая обстановка в Архангельской области
Интерес к глобальным проблемам изменений ОС вследствие антропогенного воздействия резко активизировался с начала 70-х годов. Это было вызвано отмеченной токсикацией атмосферы, загрязнением отвалами и свалками литосферы, нефтепродуктами гидросферы, что в комплексе оказывало влияние на климатические изменения ОС техногенного характера. Вследствие трансграничного переноса ВВ наиболее подверженной глобальным изменениям оказалась атмосфера, и за нею - стратосфера, куда различные типы промышленных, транспортных и энергетических установок выбрасывают газообразные продукты (оксиды углерода, серы, азота; метан; хлорфтор-углероды и др.). Данные явления не только ухудшают среду обитания, но и меняют тепловой баланс Земли, влияют на состояние защитного озонного слоя и, в конечно итоге, могут привести к изменению климата не только в региональном, но и в глобальном масштабе [3,4].
Существует множество сценариев ожидаемого антропогенного воздействия на биосферу, климат и антропогенную среду, включая проблему деградации ОС [3,15]. Сторонники «адаптационных мер» считают, что принцип Ле-Шателье-Брауна в экосистеме Земли уже не работает, система не способна к восстановлению и надо адаптировать её к новым условиям. Независимо от того, по какому сценарию будут развиваться события необходимо принятие обоснованных кратковременных и долговременных мер по устойчивому снижению загрязнения ОС [4].
Важнейшими международными конференциями ООН, посвященными данным вопросам, являются: Стокгольм-72 - по окружающей человека среде; Стокгольм-82 — трансграничный перенос; РИО-де-Жанейро-92 - по окружающей среде и развитию «Повестка дня на XXI век»; Киото-97 - дифференцированные обязательства государств по сокращению выбросов парниковых газов [3,4]. Основными рекомендациями конференций являются: - устойчивое предсказуемое развитие и приведение социально-экономической системы в соответствие с законами биотической регуляции; - ограничение воздействия человека на биосферу до уровня возможности ее воспроизводства; - использование невозобновляемых ресурсов темпами, не превышающи т ми их замены за счет возобновляемых ресурсов; - рециклинг отходов; - ис пользование технологий и конечных продуктов, повышающих производство на единицу потребляемого ресурса; - резкое снижение выбросов ВВ в атмосферу, гидросферу, литосферу [3]. Решению этих задач посвящены международные и национальные исследования по различным программам и проектам. Большинством стран приняты законы и созданы ведомства, в той или иной степени защищающие ОС.
В настоящее время с предприятиями энергетики связаны наибольшие выбросы ВВ в атмосферу, что приводит к возникновению экологических проблем: локальных, континентальных и глобальных, например, воздействие загрязнения ОС на здоровье населения, на экосистемы и климат Земли. Выпадение кислотных дождей, в результате воздействия оксидов серы и азота, « является серьезной экологической проблемой во многих промышленно раз витых регионах Земли, в том числе и в России. В соответствии с законами об охране ОС многие страны значительно снизили выбросы ВВ в атмосферу, так уменьшение выбросов оксидов серы с 1980 по 1992 г. в Англии составило 23%, а в Австрии - 81% [1]. Однако валовые выбросы S02 и NOi в атмосферу еще достаточно велики и большую лепту в них вносит РФ [3,4].
Вопрос загрязнения ОС диоксидом углерода является в настоящее время дискуссионным. По мнению одних, наблюдающееся потепление климата связано с «парниковым эффектом», вызываемым накоплением СОг в атмосфере, которое в значительной степени определяется работой ТЭС. По мнению других, потепление климата является циклическим процессом [15]. Од т нако для предотвращения дальнейшего увеличения концентрации СОг в ат мосфере необходимо: повышать КПД топливоиспользующих установок; шире применять возобновляемые источники энергии (в т.ч. и биотопливо); сохранять стабильность экосистем и т.д. Анализ данных фирмы Siemens пока 2В
зал [3], что за счет увеличения КПД теплоэнергетических установок можно обеспечить снижение эмиссии СОг на 25...30% для любых топлив. В настоящее время РФ имеет лучший показатель в мире по удельному выбросу С02 (0,414 кг/кВт-ч), который достигнут за счет двух решающих факторов: высокого уровня (до 30%) развития теплофикации и большой доле природного газа в структуре топливного баланса [3]. Стоимость выбросов ВВ по данным NUTEK составляет: 44 USD за \т С02; 5,5 USD за \кг N02\ 4,1 USD за 1кг S02. Для снижения платы за выбросы ВВ производители электрической и тепловой энергии стремятся закупать малосернистые битуминозные угли [16], что дает эффект сегодня, но не решает проблемы в целом.
В России до 70% теплового загрязнения ОС и около 50% от валовых выбросов ВВ стационарными источниками загрязнения воздуха в настоящее время приходится на долю ТЭК. При этом большая часть ВВ (65%) приходится на SOx и NOK [3,4]. Рост производства электроэнергии и планируемые изменения в структуре топливного баланса могут вызвать увеличение загрязнения ОС оксидами серы, азота и твердыми частицами, поэтому разработка методов снижения выбросов данных веществ является актуальнейшей задачей для предприятий ТЭК.
Ежегодно на ТЭС и котельных РАО «ЕЭС России» при сжигании твердых топлив образуется около 30 млн.т. золошлаковых материалов (в мире -около 300 млн.т.) и лишь 15...17% из них находят применение в строительстве, сельском хозяйстве и в закладке горных выработок. Под золоотвалы ТЭС отчуждено более 20 тыс. га земель, где скопилось около 1,5 млрд.т. золошлаковых материалов, а рекультивировано из них менее половины [3,4]. Золошлаковые материалы имеют хорошую перспективу применения в целях ресурсосбережения. Существует до 300 технологий, основанных на их использовании, однако широкое применение получили не более 10% из разработанных технологий [3]. В станционной энергетике средний КПД золоуловителей составляет 94...95% и это, безусловно, низкий уровень.
Некоторые результаты сжигания немолотых топлив по НТВ-технологии
Результаты исследований НТВ-топок показали перспективность сжигания топлива угрубленного фракционного состава при этом не было обнаружено препятствий для дальнейшего его угрубления. Исходя из этого, наметилась перспектива перевода мельниц в режим дробилок с предварительным отвеиванием мелких фракций или вообще отказа от размола топлива за счет его более тонкого дробления в стационарных дробилках [4,61]. Это должно было позволить резко упростить обслуживание котлоагрегата, уменьшить затраты на СГШ, упростить компоновку котла. Расчеты процессов горения и сепарации подтвердили возможность реализации такой идеи [4,91], но не могли дать ответ об устойчивости воспламенения дробленого топлива ввиду недостаточной исходной информации и невозможности достоверного моделирования процесса.
Проверка возможности сжигания без размола тюменского фрезерного торфа была проведена кафедрой РиПГС на котлоагрегате БКЗ-210-140Ф ст.№12 ТТЭЦ (рис.2.25) [4,174]. Для подачи немолотого торфа в топку были применены воздушные эжекторы, а топочная камера выполнена с двумя аэродинамическими выступами [4]. Устье топочной воронки было выполнено с частичным перекрытием, аналогично (рис.2.7.б), что позволило устранить провал топлива в систему шлакоудаления.
Опыт длительной эксплуатации котла показал, что НТВ-технология позволяет обеспечить устойчивое воспламенение и сжигание немолотого торфа с Wtr=43...53%; Ат =5,5...9,5%; 2ir=6,5...8,8 МДж/кг и фракционным составом: Лро=70...80%; #200=60...65%; Лшо=32...40% в диапазоне нагрузок (0,6...0,94) HOM [4,174]. Составляющие теплового баланса при этом имели следующие значения: 0,7...0,9%; 4пр==0,7...1,6%; #2=9,8... 11,6%; 6р=85,7... 88,1%, что можно считать приемлемым для такого забалластированного влагой и минеральными примесями топлива. Максимум температур располагался у задней стены топки (Ттак \400К), температура на выхо де из которой (Гт =1230-.. 1280/Q была на 50... 100 ниже, чем у соседних пылеугольных котлов. Однако полностью избежать шлакования и загрязнения ПН не удалось, так как данный торф относится к наиболее шлакующим топливам. Среднемесячная нагрузка НТВ-котла на 10...15% превышала нагрузку соседних котлоагрегатов. Сравнительный анализ результатов эксплуатации котла №12 с другими котлоагрегатами ТТЭЦ (№10 с шахтными мельницами, №13 с мельницами-вентиляторами и газовой сушкой) позволил УО Союзтехэнерго сделать вывод о предпочтительности НТВ-схемы перед другими схемами по длительности кампании, простоте обслуживания и ремонта, по взрывобезопасности и уровню выбросов NOx.
Опыт работы котла БКЗ-210-140 ст.№12 показал принципиальную возможность сжигания немолотого топлива по НТВ-технологии. Возможность отказа от СПП (дорогой, сложной, взрывоопасной, требующей частых ремонтов) является очень важным фактором, поэтому исследования по сжиганию дробленого топлива были продолжены на ИТЭЦ-10.
Основным топливом станций Иркутскэнерго является: азейский бурый и черемховский каменный угли, сжигание которых в топках котлоагрегатов ОСущеСТВЛЯеТСЯ В ОСНОВНОМ ПО СХеме ППФ При ТОНКОСТИ ПОМОЛа R90/ /?20(/ юоо=35...55/11...18/1,0% и значительных затратах электроэнергии на пы-леприготовление. Наличие большого количества летучих в данных углях а=45...49% определяет широкий диапазон взрывоопасных концентраций угольной пыли и высокие значения давлений взрыва [4,5,115]. Увеличение доли азейского угля в топливном балансе ИТЭЦ-10 повысило взрывоопас-ность СПП, а ухудшение характеристик топлива привело к интенсификации шлакования ПН котлов ПК-24 при нагрузках выше 0,9Д1ом. Для поддержания таких нагрузок необходимо было проводить водяную обмывку экранов не реже одного раза в смену. Основное оборудование станции имело высокую степень физического износа, а турбины ПВК-150-130, работающие в дубль-блоке с двумя котлоагрегатами ПК-24, устарели и морально, что требовало их замены [4,116]. Одним из возможных направлений модернизации
ИТЭЦ-10 являлось увеличение мощности блоков путем замены устаревших турбин на высокоэкономичные К-210-130-ЛМЗ. Для этого необходимо было увеличить номинальную паропроизводительность котлов ПК-24 с 75 до 93 кг/с. Испытания показали, что пароводяной тракт допускает такое повышение мощности, однако существующая схема сжигания топлива в ППФ не обеспечивает подъем производительности котлоагрегатов до 93 кг/с по условиям шлакования ПН.
Кафедре РиПГС ЛПИ было предложено разработать технические предложения по реконструкции котла ПК-24 ст.№9 ИТЭЦ-10 на НТВ-технологию сжигания азейского и черемховского углей. Прямоточный котлоагрегат ПК-24 с промперегревом, номинальной производительностью по первичному пару 75 кг/с, давлением 14,25 МПа, с температурой перегретого пара 818/818/С рассчитан на сжигание черемховского каменного угля с ТШУ и оборудован двумя индивидуальными замкнутыми СПП с ШБМ, центробежными сепараторами, циклонами, промбункером пыли.
Первый этап реконструкции котла и освоения схемы ЛПИ-ИТЭЦ-10 был проведен в 1978-1979 гг. Основными результатами данного этапа являются: - доказана возможность длительной работы котлоагрегата на дроб-ленке азейского и черемховского углей фракционного состава /?юо(/ soo(/ 10000 75...85/35...45/15...20%, а?тах=0.08 м (рис.2.26) при отсутствии шлакования ПН на нагрузках до 78 кг/с; - обеспечена надежная работа эжектор-ной системы подачи топлива (рис.2.27), отделяющей крупные куски угля (J4 0,04 м), породы и металла.
Определение запасов и исследование теплотехнических характеристик лигнина в отвалах гидролизных и биохимических заводов
В настоящее время на предприятиях микробиологической промышленности и заводах медбиопрома имеются значительные запасы лигнина, находящегося в отвалах. Данные отходы наносят значительный вред ОС за счет отчуждения больших территорий и воздействия кислотосодержащих компонентов. Одним из возможных путей использования лигнина является применение его в качестве энергетического топлива. На многих предприятиях были установлены утилизационные котлоагрегаты, но они использовали только лигнин, поступающий непосредственно с производства. Использование лигнина, находящегося в отвалах, позволит не только снизить вредное воздействие на ОС, но и значительно уменьшить затраты на дорогостоящее топливо.
Для организации эффективного сжигания лигнина с отвалов необходимо знать его теплотехнические характеристики. С этой целью было проведено обследование отвалов Архангельского, Онежского гидролизных заводов и Кедайняйского биохимического завода (КБХЗ) [34,207].
На АГЗ вывоз лигнина в отвал был начат в 1941 г. Отвал находится на расстоянии 3,5 км от завода. Площадь, занимаемая отвалом, составляет 13,4 га, средняя высота слоя 9...10 м, запасы около 7 млн. т. Отвал загрязнен бытовым и строительным мусором. Рядом с территорией завода расположен дополнительный отвал, возраст которого оценивается в 15...17 лет. Занимаемая площадь 0,5 га, высота слоя около 2,5 м. Загрязненность отвала инородными примесями незначительная.
На ОГЗ лигнин вывозили в отвалы с 1955 г. Основной отвал находится на расстоянии бюиот завода, его площадь 15... 17 га, высота слоя колеблется от 5 до 13 м. Имеется также и дополнительный отвал, площадь которого составляет 2 га, средняя высота слоя 5...6 м. Отвалы загрязнены инородными примесями незначительно. Общие запасы лигнина составляют 6...7 млн. т. Пробы с отвалов ОГЗ отбирались из равноудаленных зон в двух сечениях основного отвала и вдоль поперечного сечения дополнительного.
Вывоз лигнина в основной отвал КБХЗ производился с 1971г. По приблизительной оценке его запасы составляют 1,0...1,5 млн. т. Площадь отвала составляет около 10 га, высота слоя 8 м. Кроме основного отвала имеются две небольшие площадки (дополнительный отвал), на которых лигнин находится в течение 24...29 лет. Отвалы значительно загрязнены шлаком, строительным мусором, металлоломом, бытовыми отходами. При отборе проб встречались корни деревьев и бревна. Пробы отбирались в нескольких точках по всей глубине слоя через 1 м при помощи экскаватора.
Влажность отобранных проб определялась по [197], при этом использовался двухступенчатый метод. В отвалах АГЗ W t лигнина по толщине слоя колеблется в довольно широком диапазоне от 48 до 78% (рис.3.5), что вызвано изменением содержания внешней влаги. Повышенное содержание Wx в лигнине дополнительного отвала АГЗ частично объясняется тем, что отборы проб были выполнены ранней весной (в летний период Wi снижается). Колебания Jft гидролизного лигнина в отвалах ОГЗ и КБХЗ не превышают 9 % (рис.3.6,3.7). Влажность, отнесенная к аналитической массе (Jf9), является довольно стабильной величиной для всех отвалов и составляла соответственно для АГЗ, ОГЗ и КБХЗ 6,5... 9,0%; 8,2 ... 9,9% и 3,9 ... 5,6%. Следует также отметить, что Wct проб из отвалов в основном не превышала Wx исходного гидролизного лигнина, которая для АГЗ, ОГЗ и КБХЗ составляла соответственно 65,2; 67,8 и 67,2 %.
Зольность лигнина определялась по [196]. Как показал анализ, в основном отвале АГЗ наибольшую зольность, отнесенную к сухой массе (Ad), имеет лигнин поверхностного слоя (А6=20..3\%) и с глубины 2,5...4,0 м (/4d=20... 39%) (рис.3.8). В дополнительном отвале наибольшей зольностью характеризуется поверхностный слой лигнина (Ла=22...30 %). Засоренность лигнина минеральными примесями в отвалах ОГЗ незначительна, Ad колеб лется от 1 до 8% (рис.3.9) и близка к А исходного лигнина. Для АГЗ, ОГЗ и КБХЗ Ad исходного лигнина равна соответственно: 1,8...4,8; 2,0...6,1 и 2,1...5,0%.
Минеральные примеси по глубине отвалов КБХЗ распределены неравномерно (рис.3.10). В основном отвале более всего засорен слой, залегающий на глубине 3...4 м (Ad=\ 0...30%). Большой забалластированностью минеральными примесями водоносного и ветрового происхождения характеризуется старый отвал КБХЗ (Ad=22..A3%).
Выход и горение летучих, формирование структуры коксового остатка
Таким образом, гранулирование и брикетирование отходов переработки биомассы позволяют получить высококачественное экологически чистое топливо однородного фракционного состава. Перевод угольных и мазутных котлоагрегатов на данный вид топлива позволяет не только поднять технико-экономические показатели работы котлов, но также получить двойной экологический эффект: - утилизировать бросовое сырье, вывозимое в отвалы и свалки; - уменьшить выбросы оксидов серы и газов, вызывающих «парниковый» эффект. Совершенствование технологий сжигания путем применения низкоэмиссионных схем с активной аэродинамикой топочного объема позволяет также снизить выбросы оксидов азота при сжигании гранул и брикетов.
Проведенные исследования энергетического потенциала лесных массивов, на примере искусственно созданных сообществ сосны обыкно венной в возрастном периоде 10-40 лет, при раздельном учете энергии, депонированной в отдельных фракциях фитомассы, позволили выполнить более точную оценку энергетического потенциала традиционно неиспользуемых фракций фитомассы, образующих лесосечные отходы, и наметить пути их энергетического использования. Полученные данные по запасам энергии в пологе соснового древостоя, следует использовать при разработке теоретических основ тушения лесных пожаров, а также при обосновании комплекса необходимых профилактических противопожарных мероприятий.
2. Исследование теплотехнических характеристик различных видов древесных отходов (кора, опилок, лесосечные отходы, отсев, топливная ще па, ДШП, гидролизный лигнин) показало, что они зависят от вида древесины, технологии их образования, метеорологических условий и условий хранения, при этом зольность отходов является в основном вторичной, вносимой при их хранении и транспортировке, фракционный состав неоднородный, разме ры отходов окорки и лесопиления могут отличаться в тысячи раз. Получен ные результаты позволяют с большей степенью точности разрабатывать топ ливные балансы предприятий, прогнозировать качество топлива и возмож ную динамику его изменения при эксплуатации котлоагрегатов, определять оптимальные соотношения компонент в смеси древесных отходов и выбрать оптимальные технологические схемы для энергетического использования от ходов. Исследования запасов и теплотехнических характеристик лигнина в отвалах гидролизных и биохимического заводов показало возможность и це лесообразность его использования в качестве топлива для утилизационно энергетических котлов с низкотемпературными топками.
3. Анализ местных топливных ресурсов показал, что область распола гает самыми большими запасами торфа (разведанные 4 млрд.т. и дополни тельно прогнозируемые 8 млрд.т) среди регионов, расположенных на евро пейской части РФ. Однако, учитывая ранимость северной природы, разра ботка и энергетическое использование торфа целесообразно только в тех районах области, где отсутствуют лесосечные отходы, отходы лесопиления и деревообработки, а также массивы переспелого древостоя. Наибольший эффект от добычи и переработки торфа может быть получен при его комплексном использовании в качестве топливно-энергетического сырья, органического удобрения, исходного материала для выработки кормовых дрожжей, сахара, мелассы и других продуктов.
4. Анализ различных методов энергетического использования древесных отходов показал, что основные проблемы их сжигания связаны с высокой влажностью и неоднородным фракционным составом, по результатам энергетических обследований и энергоаудита большинство теплогенери-рующих установок, работающих на биотопливе, имеют невысокие комплексные показатели эффективности. Сравнительный анализ технико-экономических и экологических показателей импортных и отечественных котлов показал, что австрийские котлоагрегаты UR-FRR-6000 имеют наиболее высокую эффективность работы, соответствующую нормативным требованиям для котельных установок, вводимых в действие с 1.01.2001г., даже при сжигании отходов с самыми неблагоприятными характеристиками. Учитывая высокую стоимость импортного оборудования (110...240 тыс.$ USD/МВт установленной мощности), его применение целесообразно в ограниченных объемах, поэтому необходима разработка новых отечественных низкоэмиссионных схем организации топочного процесса с целью комплексного повышения эффективности работы существующего оборудования, путем его модернизации, и создания образцов новой техники, отвечающей требованиям сегодняшнего дня, с перспективой их ужесточения в будущем.
5. Гранулирование и брикетирование древесных отходов позволяет в 2,7...3,4 раза увеличить их теплоту сгорания, повышает их транспортабельные характеристики в 4...5 раз, обеспечивает однородность фракционного состава, что значительно упрощает системы механизации и автоматизации всех циклов технологического процесса котлоагрегата. Перевод угольных и мазутных котельных на данный вид топлива позволит значительно повысить их технико-экономические показатели работы и обеспечит существенное
