Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы повышения энергетической эффективности предприятий по термической переработке отходов 13
1.1. Предпосылки и задача повышения эффективности энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов 13
1.2. Твёрдые бытовые отходы как энергетическое топливо 13
1.3. Энергетическая переработка отходов 15
1.4. Анализ исследований применения энергопроизводств МСЗ в системах тепло- и энергоснабжения 18
1.5. Научно-методический подход к задаче создания энергоэффективного предприятия на базе заводов по термической переработке отходов 23
1.6.Особенности основных технологий термической переработки отходов 24
1.6.1.Определение рациональных технологий термической переработки отходов для создания энергоэффективных мусоросжигательных заводов 26
1.7.Основные способы утилизации тепла на мусоросжигательных заводах 30
1.8. Способы повышения эффективности утилизации тепла на мусоросжигательных заводах 31
Глава 2. Разработка методики анализа эффективности энергопроизводящих предприятий по термической переработке отходов 39
2.1. Теоретические основы моделирования процессов энергетической переработки отходов 39
2.2. Программная реализация методики 46
2.2.1. Разработка компьютерной системы «Waste to Energy» для моделирования энергетических схем мусоросжигательных заводов 46
2.2.2. Выбор и обоснование физико-математических моделей элементов энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов 51
2.2.2.1. Исходные уравнения 53
2.2.2.2. Математические модели элементов энергетических комплексов МСЗ ..56
2.2.2.3. Математическое моделирование установок энергетических систем МСЗ 67
2.2.2.4. Методика определения эффективности энергоиспользования отходов при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии на мусоросжигательных заводах 69
2.2.2.5. Методика определения основных показателей эффективности энергопроизводящих установок мусоросжигательных заводов 77
Глава 3. Экспериментальные и численные исследования показателей эффективности энергопроизводств предприятий термической переработки отходов 82
3.1. Экспериментальное исследование процессов газообразования и показателей энергетической эффективности паровой турбины действующего предприятия по термической переработке отходов (на примере МСЗ №4) .82
3.1.1. Описание экспериментальной схемы 82
3.1.2. Исследование процессов газообразования при термической переработке отходов 83
3.1.3. Экспериментальное исследование энергетической характеристики паротурбинного оборудования МСЗ №4 95
3.1.3.1. Методика измерения энергетической эффективности паротурбинного агрегата при различных режимах эксплуатации 95
3.2. Численное исследование процессов газообразования и основных показателей энергетической эффективности МСЗ №4 100
3.2.1. Расчетная технологическая схема 100
3.2.1.1. Методика численного эксперимента 100
3.3. Численное исследование процессов газообразования предприятия по термической переработке отходов (на примере реактора - газификатора отходов ИХФРАН) 103
3.3.1. Расчетная технологическая схема 103
3.3.2. Методика численного эксперимента 106
3.4. Анализ применимости расчётных моделей для оценки параметров отходящих топочных газов и эффективности энергопредприятий заводов по термической переработке отходов 112
Глава 4. Разработка и моделирование перспективных схем энергопредприятий МСЗ с применением парогазовых энергетических установок 114
4.1. Исследование основных показателей эффективности парогазовой
энергетической установки реактора термической переработки отходов 118
4.1.1. Моделирование схемы энергопредприятия МСЗ с ПГУКУ на базе реактора термической переработки с вихревым кипящем слоем 118
4.1.2. Моделирование технологической схемы энергопроизводящего комплекса МСЗ с ПГУКУ на базе реактора-газификатора органических отходов 122
4.2. Расчетно - теоретический анализ переспективных схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов 124
4.3. Определение граничных параметров газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий термической переработки отходов 131
4.4. Исследование зависимости эффективности газотурбинной установки энергопроизводящего комплекса МСЗ от параметров рабочего тела 134
4.5. Определение области рационального использования энергетических газотурбинных установок в технологиях утилизации тепла на мусоросжигательных заводах 137
4.6. Рінженерная методика определения эффективности энергопроизводящих комплексов предприятий по термической переработке отходов 140
4.7. Разработка перспективных схем производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий по термической переработке отходов 143
Выводы 148
Библиографический список 149
Приложение 161
- Анализ исследований применения энергопроизводств МСЗ в системах тепло- и энергоснабжения
- Математические модели элементов энергетических комплексов МСЗ
- Исследование процессов газообразования при термической переработке отходов
- Расчетно - теоретический анализ переспективных схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди задач, связанных с решением проблемы охраны природы и рационального использования ее ресурсов, одной из важнейших является повышение энергетической эффективности действующих производств, в том числе предприятий по термической переработке твёрдых бытовых отходов и промышленных отходов (ТБО и ТПО).
Эффективность схем производства энергии на предприятиях по термической переработке отходов на сегодняшний день сравнительно низка, что обусловлено:
низким уровнем энергоиспользования тепла отходящих топочных газов
в процессах термической переработки отходов;
применением устаревших технических решений и морально устаревшего
оборудования при формировании энергопроизводящих систем мусоросжигательных заводов (МСЗ). Но главными причинами такого положения являются: отсутствие комплексного системного подхода к проблеме повышения эффективности выработки электрической и тепловой энергии на базе коммунальных предприятий по термической переработке отходов.
Основными способами решения вышеназванных проблем являются:
проведение комплексного анализа эффективности производства энергии
на заводах по термической переработке отходов;
определение возможности и рациональных условий использования ТБО в
качестве топлива для выработки электрической и тепловой энергии на
предприятиях коммунального сектора;
оптимизация процессов термической переработки отходов, с позиций их
энергетической эффективности;
постановка и решение задач совершенствования энергетических схем
МСЗ;
разработка способов повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на МСЗ с использованием парогазовых циклов энергопроизводства;
нахождение области рационального использования теплофикационных газотурбинных установок в технологиях энергетической переработки отходов;
создание математических моделей энергопроизводящих комплексов МСЗ и проведение схемно - параметрической оптимизации энергетических систем МСЗ. Как следует из опыта большой энергетики, многие проблемы утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки отходов могут быть решены в случае применения парогазовых установок (ПТУ), комбинирующих газотурбинный и паровой цикл в системах утилизации тепла отходящих топочных газов (ОТГ) МСЗ.
Также известно, что применение пиролизного режима переработки и газификации отходов на предприятиях по термической переработке отходов позволяет существенно снизить количество газовых выбросов и освободить их от пыли (золы), соединений серы, а также избежать образования оксидов азота и диоксинов. В результате чего значительно уменьшаются затраты на предотвращение вредных выбросов в окружающую среду.
На основании вышеизложенного актуальной является задача разработки новых, для мусоросжигательных заводов, схем энергопроизводства с использованием бинарных парогазовых циклов, а также разработки научных основ проектирования энергопроизводящих комплексов МСЗ и создания методик расчёта основных показателей энергетической эффективности на основе системных математических моделей мусоросжигательных заводов.
Использование теплофикационных парогазовых установок позволяет повысить основные показатели энергетической эффективности МСЗ более чем в 2,3 раза и снизить, по сравнению с паротурбинными установками МСЗ, удель-
ный расход топлива на производство электроэнергии, удельную металлоёмкость и капвложения.
Цель работы.
Разработка способа утилизации тепла отходящих топочных газов пиролиз-ных реакторов термической переработки органических отходов на основе парогазового цикла, позволяющего более чем в 2,3 раза повысить эффективность энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.
Создание, апробация и исследование системы математических моделей описывающей технологическую схему энергопроизводств предприятий по термической переработке отходов.
Разработка инженерной методики определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.
Создание и исследование прикладного компьютерного программного комплекса для моделирования и расчёта технологических схем производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.
Методы исследования.
В диссертации использованы следующие методы исследования:
автоматизированный сбор и программная обработка информации по проблемам проектирования схем энергопроизводств на базе предприятий по термической переработке отходов;
проведение опытно - промышленного эксперимента в условиях действующего производства и обработка экспериментальных данных по оценке эффективности схем производства электрической и тепловой энергии на действующих предприятиях по термической переработке отходов;
математическое моделирование и численное исследование технологических процессов термической переработки отходов с утилизацией тепла отходящих топочных газов в парогазовых установках МСЗ. Научная новизна.
Разработан и исследован способ утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере пиролизных реакторов термической переработки органических отходов) с применением парогазовой энергетической установки.
Разработана система математических моделей энергопроизводящего комплекса на основе парогазового энергетического цикла (на примере МСЗ).
Разработана инженерная методика расчета эффективности энергетических установок утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ).
Практическая значимость работы.
1) Разработан способ утилизации тепла отходящих газов мусоросжигатель
ных заводов на основе пиролизного режима термической переработки отходов
с применением парогазового цикла, позволяющий повысить эффективность
энергопроизводства мусоросжигательных предприятий до 42 -*- 45 %%;
2) Разработана математическая модель энергопроизводящего комплекса
МСЗ, позволяющая проводить анализ физико - химических процессов терми
ческой переработки отходов и процессов, протекающих в элементах
технологических схем как на стадии проектирования, так и при эксплуатации
Мв$;Разработана инженерная методика расчёта показателей эффективности
энергетических парогазовых установок мусоросжигательных заводов;
Разработана систем номограмм для определения энергетической эффективности систем утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ);
Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой тепловой и электрической энергии.
Автор защищает: 1) способ утилизации тепла отходящих топочных газов мусоросжигательных заводов, реализуемый путем перевода печей в пиролиз-
ный режим термической переработки отходов, а системы утилизации тепла отходящих топочных газов с пароводяного на парогазовый цикл; 2) систему математических моделей энергетических установок предприятий по термической переработке отходов; 3) инженерную методику определения энергетической эффективности энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов и результаты её экспериментальной апробации на действующем МСЗ №4 (г. Москва); 4) результаты численного исследования эффективности энергопроизводства при применении способа утилизации ОТГ МСЗ основанного на парогазовом цикле (на примере шахтного реактора - газификатора отходов ФГУП ММПП «Салют» и печи сжигания отходов с вихревым кипящим слоем МСЗ №4 г. Москвы).
Достоверность представленных научных результатов обеспечивается: 1) использованием фундаментальных законов при построении математической модели расчёта теплофикационных установок на базе предприятий по термической переработке отходов; 2) использованием апробированных в научной практике методов технико-экономических расчётов в энергетике, а также методов расчёта тепло- и массообмена; 3) использованием экспериментальных данных разных авторов, полученных на основе стандартизованных методов исследования; 4) не более чем 10 %-ой разницей результатов собственных экс-перментальных исследований автора и результатов расчёта теплофизических параметров и основных показателей энергетической эффективности энергопроизводств действующих предприятий по термической переработке отходов. В рамках поставленных задач были выполнены следующие работы: 1. Разработан комплексный научно - методический подход к задаче формирования эффективного энергопроизводящего предприятия на базе заводов по термической переработке отходов производства и потребления, учитывающий: морфологический состав и основные теплотехнические показатели отходов; особенности технологий термической переработки отходов и утилизации тепла отходящих топочных газов.
Проанализировано влияние температурного режима переработки отходов на энергетическую эффективность малой ТЭЦ на базе предприятия по термической переработке отходов и обоснован его выбор для целей создания энергоэффективного предприятия на базе МСЗ. Проведена оценка выбранного термического режима переработки отходов с позиций экологической безопасности.
Предложены способы повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на мусоросжигательных заводах путём применения бинарных парогазовых циклов при формировании энергосистем мусоросжигательных заводов.
Разработана схема энергоэффективного предприятия по термической переработке отходов, состоящая в том, что процесс термической переработки отходов организован в режиме пиролиза для создания в потоке отходящих топочных газов, веществ способных реагировать при окислении с выделением тепла, а процесс производства электрической и тепловой энергии организован на основе бинарного парогазового цикла с котлом - утилизатором, в котором рабочим телом газотурбинного агрегата являются отходящие топочные газы реактора термической переработки органических отходов.
Разработана инженерная методика определения эффективности энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.
Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей, пригодная для проведения согласованных технологических расчётов энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов, разработаны алгоритм и программа для моделирования схем производства электрической и тепловой энергии и оценки основных показателей энергетической эффективности МСЗ.
Для действующих технологических схем заводов по термической переработке отходов (газификация и сжигание в печи кипящего слоя) смоделированы
энегопроизводящие предприятия на основе парогазовых циклов энергопроизводства. Показано, что применение парогазового цикла в технологии утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов повышает коэффициент полезного действия теплофикационного цикла МСЗ, в среднем, на 25 %. Разработана и экспериментально апробирована система номограмм для определения энергетических показателей и показателей тепловой экономичности энергетических установок МСЗ с ПГУ от параметров рабочего тела, в том числе, от температур отходящих топочных газов реакторов по термической переработке отходов на входе и выходе из газовой турбины. Определены граничные параметры и области рационального использования теплофикационной газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г. Москва,
г.); 6-ом, 7-ом Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г. Москва, 2002, 2003 гг.); Научно-практической конференции «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (Москва,
г.); Круглом столе РАН «Экология города» (Москва 2004 г.), Международном конгрессе ВЭЙСТЭК (Москва, 2003 г.), Международном конгрессе ЭТЭВК-2003 (Ялта 2003 г.), 6-ой научно-практической конференции «Экологическая безопасность московской области» (Мытищи, 2004).
По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей и тезисы 3 докладов; получено два положительных решения на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.
Результаты работы использованы при разработке перспективных схем энергопроизводства на проектируемых МСЗ ГУЛ «Экотехпром» в соответствии с Постановлением Правительства Москвы №164 от 23.03.04 г.
\г
Анализ исследований применения энергопроизводств МСЗ в системах тепло- и энергоснабжения
Наибольшее распространение малые ТЭЦ на базе предприятий по термической переработке отходов получили за рубежом: в США, Германии, Франции и других странах. Они используются для тепло- и электроснабжения небольших промышленных предприятий, универсамов, больничных комплексов, университетских городков и жилых кварталов. На малых ТЭЦ, как правило, устанавливаются паровые турбины с противодавлением, газотурбинные установки (ГТУ) и реже двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В качестве топлива для малых ТЭЦ обычно используется природный газ, жидкое топливо, древесные и твёрдые бытовые отходы, биогаз от полигонов ТБО и осадки станций очистки сточных вод. Единичные мощности агрегатов находятся в пределах для ДВС от 30 кВт до 6 МВт и ГТУ от 1 до 20 МВт. Тепловую энергию такие установки вырабатывают в виде пара при давлении 0,2-1,5 МПа в котлах-утилизаторах или горячую воду с параметрами 90 - 125 С в газоводяных теплообменниках [127, 128]. Для снижения потерь при транспорте отпуск электроэнергии потребителям осуществляется, как правило, на генераторном напряжении. Работа таких станций предусматривается параллельно с энергосистемой.
При электрической мощности малой ТЭЦ, работающей на отходах, 5-10 МВт удельные капитальные вложения для ТЭЦ с паровыми турбинами достигают 1100-1800 долл./кВт, в то время как при установке ГТУ удельная стоимость снижается на 30-50 % по сравнению с ПТУ. Для малых ТЭЦ с ДВС на ТБО удельная стоимость станции на 10-25 % выше, чем при установке ГТУ [112, 88].
Процессы утилизации тепла ОТГ МСЗ основаны, на действующих на сегодняшний день на подобных предприятиях, пароводяных циклах. Электрический КПД малых ТЭЦ, работающих на отходящих топочных газах реактора термической переработки отходов, в настоящее время низок и находится в пределах 0,21 - 0,23. В то время как применение ПТУ позволяет повысить этот показатель как минимум до 0,40 - 0,45.
В [117] рассмотрены возможные варианты использования малых ТЭЦ с ГТУ: 1. С автономным электроснабжением от малой ТЭЦ (ГТУ+КУ; КУ для по крытия пика тепловой нагрузки). 2. Комбинированная схема электротеплоснабжения от конденсационной электростанции (КЭС) и малой ТЭЦ. 3. Схема районной ТЭЦ (Р-ТЭЦ), работающей совместно с малой ТЭЦ по однотрубной системе. На Р-ТЭЦ вода для подпитки тепловой сети и горячего водоснабжения нагревается сначала в конденсаторе турбины, затем отборным паром. Горячая вода с температурой 60 - 65 С по однотрубной магистрали отправляется к потребителям и в тепловые сети, при этом малая ТЭЦ работает только зимой, догревая горячую воду, отпущенную с Р-ТЭЦ. Эта схема привле кательна с экологической точки зрения, так как в летний период сокращаются выбросы вредных веществ в черте города. 4. Схема Р-ТЭЦ, вырабатывающей теплоту и электроэнергию совместно и одновременно с несколькими квартальными мини-ТЭЦ. Базовая часть тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения покрывается от Р-ТЭЦ, работающей круглосуточно, квартальные мини-ТЭЦ работают в холодное время года, догревая воду, поступающую от Р-ТЭЦ, пиковые котельные располагаются на площадках мини-ТЭЦ и работают в самые холодные дни.
Эффективность предложенных схем оценена с помощью критерия удельной экономии топлива от комбинированного производства теплоты и электроэнергии. К сожалению, экономическая оценка предложенных схем в [124] проведена недостаточно полно. В работе не рассмотрены варианты схемных решений при проектировании ТЭЦ на базе предприятий по термической переработке отходов; не рассмотрены возможные схемы реконструкции МСЗ с переводом их в малые ТЭЦ, работающие на ТБО с утилизацией тепла продуктов сгорания в ГТУ парогазового цикла. А также практически полностью отсутствует информация об энергетических циклах, реализованных на действующих мусоросжигательных заводах.
Наиболее подробно тепловая экономичность малых ТЭЦ на базе ГТУ рассмотрена в [125, 99]. Годовые расходы топлива и выработки электроэнергии определены с учетом режимов теплопотребления, потерь при транспорте теплоносителя, сделан вывод о достижении наибольшей экономии топлива с однотрубной схемой отпуска теплоты от Р-ТЭЦ и квартальных малых ТЭЦ. К недостаткам этих работ относится отсутствие экономической оценки схем энергопроизводящих предприятий на базе предприятий по термической переработке отходов, не рассмотрены вопросы обоснования оптимальной электрической мощности установки.
Для реконструкции существующих МСЗ с переводом их в малые ТЭЦ с целью обеспечения надежности энергоснабжения потребителей, в Кольском филиале РАН выполнен комплекс работ [103]. Более поздние исследования эффективности газотурбинной надстройки МСЗ приведены в [124]. Особенность данной работы является определение рыночных показателей экономической эффективности реконструкции МСЗ (интегральный эффект, индекс доходности, внутренняя норма доходности и срок окупаемости), однако, как ив [116], выполненные расчеты относятся к МСЗ с тепловой мощностью 50 - 100 МВт и не распространяются на МСЗ меньшей тепловой мощности.
Наряду с применением ГТУ на малых ТЭЦ в [103] предлагается использование паровых противодавленческих турбин малой мощности. Особенно эффективно их использовать вместо редуцирования пара, когда параметры пара, требуемого потребителем, находятся ниже номинальных параметров пара серийных котлов. В [125] НПО «Турбоатом» предложены стандартные типоразмеры противодавленческих турбин, мощностью от 0,5 до 12 МВт, на начальные параметры 1,2 - 1,4 МПа и 250-350 С. На эффективность работы малых ТЭЦ на базе заводов по термической переработке отходов с противодавленческими турбинами существенное влияние оказывает коэффициент теплофикации. В [131] разработана методика оптимизации коэффициента теплофикации и рекомендуется принимать его значение в пределах 0,7 - 0,9.
Представляют интерес работы [49], выполненные в Белорусской политехнической академии. В них приведена методика оценки системной тепловой экономичности ТЭЦ тепловой мощностью до 100 МВт при использовании противодавленческих ПТУ и ГТУ, выполнена оптимизация коэффициента теплофикации, определена экономическая эффективность. Отмечается, что системная эффективность ГТУ ТЭЦ на базе МСЗ в три раза выше, чем для паротурбинных ТЭЦ малой мощности с противодавлением. К недостаткам работ можно отнести использование замыкающих затрат на топливо и энергию, отсутствие рыночных критериев для технико-экономической оценки принимаемых решений.
Математические модели элементов энергетических комплексов МСЗ
Второй этап моделирования энергетической установки МСЗ - построение математической модели установки в целом. Решение задачи разработки математических моделей таких схем можно условно разделить на несколько этапов:
Разработка расчетной схемы, отличие которой от технологической в том, что каждому элементу схемы соответствует его математическая модель, а каждой технологической связи между элементами схемы должна соответствовать информационная связь между моделями.
При переходе от технологической схемы к расчетной целесообразно, для уменьшения числа переменных в моделях схемы энергопроизводства МСЗ, заменить каждую группу однотипных, параллельно работающих, и равномерно загруженных элементов технологической схемы на один элемент расчетной схемы. Например, две параллельно работающих камеры сгорания заменяются в расчетной схеме одним элементом. В некоторых случаях целесообразно заменить одним элементом расчетной схемы каждую встречающуюся несколько раз в технологической схеме одинаковую комбинацию разнотипных элементов. Такие приемы сокращают число элементов, связей расчетной схемы и упрощают построение на её основе модели установки. 3. Для возможности сопоставления различных схемных решений в расчётной схеме предусмотрены различные технологические связи между элементами. При этом переход от одного варианта к другому осуществляется отключением "лишних" технологических связей и элементов. 4. Энергосхемы МСЗ состоят из нескольких функционально различных частей, каждая из которых имеет большое количество элементов и связей. Построение одноуровневых математических моделей этих установок осложняется ограниченными возможностями ЭВМ и неудобством использования неструктурированных программ большой размерности. Естественный путь преодоления этого - применение метода декомпозиции при моделировании. Суть его состоит в том, что для наиболее сложных подсистем установки с помощью «Waste to energy» строятся их математические модели, затем эти модели в качестве элементов включаются в модель всей установки. Такой подход особенно эффективен, если различные установки одного класса имеют одинаковые подсистемы.
Исходя из этих соображений на основе технологической схемы установки и ее основных элементов с помощью программы «Waste to energy» строится математическая модель установки в целом и соответствующая ей программа расчета.
Здесь уместно подчеркнуть тот факт, что поверочные расчеты схемы более трудоемкие по сравнению с конструкторскими. Это связано в первую очередь с большими затратами машинного времени и плохой сходимостью. Опыт показывает, что для проведения поверочных расчётов эффективным является модифицированный метод Ньютона.
Для решения этой проблемы был использовал подход, который заключается в следующем: первая итерация делается с подробным расчётом элементов, а последующие итерации метода Ньютона делаются с упрощенными расчетами элементов при определенных на первой итерации коэффициентами теплопере дачи. После того, как процесс сошелся, проводится подробный расчет с уточнением коэффициентов. Если после этой процедуры невязки системы уравнений не превышают допустимых значений, процесс расчета схемы прекращают. В противном случае переходят к итерациям с упрощенным расчётом элементов.
При поверочных расчетах энергосхем МСЗ возникают вычислительные трудности, связанные с определением "рабочей точки" газотурбинной установки. Это обусловлено крутизной характеристик компрессора и газовой турбины, из-за которой плохо сходятся и метод Зейделя, и метод Ньютона. Для устранения трудностей перед началом каждой итерации схемы энергопроизводства МСЗ целесообразно провести расчет газотурбинной установки с определенными на предыдущей итерации аэродинамическими сопротивлениями элементов газо-воздушного тракта.
Предложенный подход значительно повышает скорость сходимости и устойчивость работы модели установки.
Полученные математические модели различных схем энергетических установок энергопроизводств предприятий по термической переработке отходов дают возможность выполнить широкий круг технико-экономических исследований, представляющих значительный интерес. Следует отметить, что основным методом определения предпочтительности того или иного типа теплоэнергетической установки МСЗ, служит метод технико-экономического сопоставления вариантов энергоустановки с учетом особенностей их сооружения и эксплуатации. Одно из основополагающих требований сопоставимости -обеспечение оптимальных условий для каждого из рассматриваемых вариантов. Так, значения термодинамических и расходных параметров рассматриваемых энергоустановок МСЗ должны максимально приближаться к оптимальным. Методика определения эффективности энергоиспользования отходов при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии на мусоросжигательных заводах. Для определения экономии топлива, при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии в [99,100] приведены соответствующие методики применительно к ТЭЦ с паротурбинными, газотурбинными и парогазовыми установками.
Исследование процессов газообразования при термической переработке отходов
В эксперименте варьировалась подача первичного воздуха в топку, что позволяло получить различный коэффициент избытка воздуха от а = 0,6 до а = 4,0 и температуры ОТГ от 673 К до 1473 К.
Приборы системы Advance CEMAS-FTIR, установленные на МСЗ №4 «Руднево» на 3-х технологических линиях, предназначены для контроля содержания загрязняющих веществ, образующихся в дымовых газах при сжигании твердых бытовых отходов.
С помощью системы Advance CEMAS - FTIR экспериментально измерялись следующие компоненты: Н20, SO2, СО, С02, NO, 02, H2S, NaOH, Н2 в дымовых газах, в газоходе непосредственно за топкой (точка отбора проб 31 рис. 6. Первые пять компонентов измерялись с помощью инфракрасного спектрометра (газоанализатора FTIR). Содержание ( измерялось с помощью электрохимического датчика. Содержание С0бщ определялось с помощью пламенного фотометра типа FID. Принцип действия газоанализатора FTIR основан на поглощении инфракрасного излучения в свойственном для каждого газа спектральном диапазоне (с определенной длиной волны). При этом количество поглощенного излучения является функцией концентрации газа.
Для анализа спектра использовалось преобразование Фурье. Во время измерения информация поглощения спектра поступала в компьютер, входящий в состав системы измерения, и обрабатывается специальной программой. На экране компьютера постоянно отображается текущее значение концентрации измеряемых газов. Общий вид газоанализатора Advance CEMAS-FTIR и его информационное табло показаны на рис.7, и 8 соответственно. Технические характеристики представлены в таблице 3. Проба дымового газа непрерывно отбиралась из газохода МСЗ №4 с помощью трубчатого зонда.
Зонд имеет открытый конец, расположенный внутри газохода, и камеру вне газохода. Камера снабжена штуцерами для подключения специального обогреваемого шланга, соединяющего зонд с измерительным блоком, и подключения линий продувочного воздуха, поступающего от компрессорной станции завода.
С помощью продувочного воздуха может быть при необходимости произведена очистка фильтра и продута линия подачи пробы дымового газа. Имеются два штуцера для продувочного воздуха. Через один воздух подается по команде оператора, через другой воздух может подаваться автоматически в зависимости от состояния линии подачи пробы.
В камере зонда также находится цилиндрический пористый керамический фильтр, позволяющий очистить отбираемую пробу от пыли, остающейся в потоке дымового газа после рукавного фильтра. Отбираемая из газохода проба дымового газа омывает наружную поверхность фильтра, проходит через его поры внутрь тела фильтра и затем через внутреннее отверстие и соответствующий штуцер подается в соединительный шланг длиной около 30 м. Шланг по всей длине снабжен нагревателем, покрытым тепловой изоляцией. Поскольку измерения проводятся для компонентов с малой концентрацией, которые частично могут растворяться в воде, то все элементы конструкции подогреваются по всей длине.
В первую очередь проба дымовых газов через измеритель расхода была пропущена в ИК-спектрометр. Расход пробы поддерживался в интервале (300...600) л/час.
Для постоянной регистрации текущих параметров использовались самописцы типа МК 44, которые регистрировали следующие параметры: концентрацию пыли, температуру, расход и давление дымовых газов, концентрацию Н20, S02, СО, С02, NO, 02, H2S, NaOH, Н2. Работа приборов осуществлялась под управлением ПК, в котором использовалась операционная система DOS и прикладная фирменная программа, позволяющая осуществлять сбор информации, диагностику, представление информации на экране дисплея, архивирование результатов измерений и передачу необходимой информации на верхний уровень в АСУ ТП. В комплекс входил специализированный компьютер TALAS, с помощью которого в реальном времени по измеренным значениям содержания в дымовых газах отдельных компонентов, расхода и температуры дымовых газов, производилось приведение измеренных значений содержания компонентов к нормированным условиям по температуре, давлению, содержанию кислорода и расчет величин, определяющих интегральные выбросы за определенный промежуток времени.
После запуска программы приборы работают автоматически и не требуют специального обслуживания, при этом предусмотрена периодическая проверка нуля спектрометра путем подачи нулевого газа (воздуха).
В соответствии с требованиями ОНД-90 («Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы. Методика выполнения измерений валовых выбросов с использованием автоматических, полуавтоматических и экспрессных газоанализаторов») предел допускаемой основной приведенной (относительной) погрешности газоанализатора совместно с устройством пробоотбора и пробоподготовки составляет от 2 до 15 %.
Во время эксперимента проводился сбор информации с компьютера газоанализатора в виде суточных файлов, представлявших собой таблицы с измеренными значениями параметров по Н20, SO2, СО, С02, NO, 02, H2S, NaOH, Н2 с интервалами обновления 125 секунд при различных температурах термической переработки отходов и различных коэффициентах избытка воздух в топке. В процессе обработки информации рассчитывались средние, максимальные и минимальные значения параметров в течение суток. Результаты эксперимента были статистически обработаны и представлены на рис. 9-13.
Расчетно - теоретический анализ переспективных схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов
При помощи разработанного прикладного программного комплекса «Waste to energy» проводилось исследование влияния условий сжигания твердых бытовых отходов на газообразование в процессах термической переработки отходов с целью выбора оптимальных режимов термической переработки отходов для создания энергоэффективного предприятия на базе МСЗ, а также исследование зависимости энергетической эффективности предприятия от температур ОТГ.
Расчет производился по блоку расчетов равновесного состава программы «Waste to energy», предназначенному для расчётов теплофизических свойств, а также адиабатической температуры горения и газификации многокомпонентных химически реагирующих гетерогенных систем в широком диапазоне изменения температур, давлений и исходного состава смеси.
Алгоритм расчета основан на минимизации функции Гиббса в пространстве координат реакции с учетом всех возможных состояний вещества газового (включая ионизацию) и конденсированного (жидкого, твердого).
Подробное математическое описание термодинамической модели, положенной в основу блока и методика расчета приведены в [96].
В исходные данные для расчетов процессов термической переработки отходов, в обоих случаях, закладывались массовые доли элементного состава твердых бытовых отходов. Расчетный состав задан с учетом предварительной сортировки в подготовительном отделении МСЗ №4. Морфологический состав и теплотехнические характеристики отходов после подготовительного отделения приведены в таблице 4.
На основании морфологического состава отходов после подготовительного отделения получен элементный состав ТБО, поступающих в отделение сжигания и газоочистки МСЗ (в % на рабочую массу): углерод (СР) - 21,3; водород (НР) - 2,74; кислород (ОР) -16,04; азот (NP) - 0,51; зола (АР) - 14; влага (WP) -45,6.
В расчетах варьировалось различное соотношение "топливо - воздух", что позволяет получить результаты при различном коэффициенте избытка воздуха от а = 0,6 до а = 4,0. Давление газовой смеси во всех расчетах принято равным одной атмосфере.
Результаты расчетов: влияние температуры горения, коэффициентов избытка воздуха на образование газообразных компонентов, а также зависимость вырабатываемой мощности от расхода пара через паротурбинный агрегат, полученные с помощью программного комплекса, при моделировании действующих энергетической схемы МСЗ №4 сопоставлялись с данными полученными в ходе проведения эксперимента на действующем МСЗ №4 с применением штатного измерительного оборудованием в режиме пуско - наладочных испытаний.
Результаты численных исследований процессов газообразования в топке моделируемого предприятия представлены в виде графиков - рис. 9-13. Расчетная характеристика паротурбинного агрегата нанесена на рисунке 15. На рис. 9-13 нанесены полученные при моделировании в программном комплексе «Waste to energy» технологических схем МСЗ №4, зависимости образования водорода, монооксида углерода, паров воды, диоксида углерода, диоксида серы, метана, монооксида азота, сероводорода от коэффициента избытка воздуха в интервале температур газов 673 - 1473 К при сжигании подготовленных ТБО. Как видно из рис. 9-13 по мере уменьшения газового коэффициента избытка воздуха наблюдается увеличение концентраций водорода и монооксида углерода до 10 % и выше. Содержание диоксида углерода имеет максимум при коэффициенте избытка воздуха а = 1, т.к. при а 1 углерод расходуется на образование СО, а при а 1 продукты сжигания разбавлялись избыточным воздухом, подаваемым для сжигания ТБО. Аналогичное явление наблюдается и с концентрациями паров воды. Относительно невысокие температуры при термической переработке отходов (менее 1273 К и а 1) приводят к образованию метана. Более высокий температурный уровень обеспечивает его термическую деструкцию. Заметные количества паров щелочных металлов калия и натрия появляются в газовой фазе при температуре факела более 1473 К и коэффициенте избытка воздуха а 1. В других условиях они оставались в конденсированной фазе. Образование монооксида азота при сжигании твердых бытовых отходов, как и при сжигании других видов топлива, определяется двумя факторами - коэффициентом избытка воздуха и температурой горения. Рассматривалось образование только топливных оксидов азота, т.к. температурный уровень в топке был относительно невелик и в расчетах не превышал 1473 К. В этих условиях образование термических оксидов азота практически не происходит. Сжигание в слое ТБО с восстановительной средой будет обеспечивать пониженные выбросы N0, как видно из рис. 9-11, образование монооксида азота не происходит при коэффициенте избытка воздуха а 1. Институтом химической физики Российской академии наук (ИХФ РАН) разработан процесс газификации, который характеризуется высокой степенью использования энергетического потенциала сырья, подвергаемого термообработке (процесс назван авторами сверхадиабатическим горением, хотя правильнее было бы назвать процесс политропическим). Процесс осуществляется в реакторе (рис. 16) типа вертикальной шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м (внешний диаметр - 2,5 м) и высотой 7,3 м, куда сверху загружаются в соотношении 1:0,4 отходы (преимущественная крупность - 200 мм) и инертный материал типа шамота (крупность - 120±70 мм), а снизу подается газифицирующий агент -паро-воздушная смесь (температура — 60 + 80С). Шамот выполняет функцию теплоносителя и создает оптимальные условия для реакции газификации. Процесс проводится при относительно малых линейных скоростях потока и осуществляется в две стадии: газификация отходов (максимальная температура в реакторе составляет 1200 С - в зоне несколько ниже середины реактора) и сжигание полученного синтез - газа (смесь водорода, оксида и диоксида углерода, азота и водяного пара, присутствуют углеводороды и аэрозоли пиролизных смол) в паровом котле с топкой при избытке вторичного воздуха; продукты газификации (газ и шлак) выводятся из реактора при температуре менее 150 С, что характеризует весьма высокий тепловой КПД реактора. Теплотворная способность синтез - газа при газификации обогащен ной фракции ТБО составляет около 1200 ккал/м . Энергетический цикл — паровой. Перегретый пар из котла является питанием паровой машины с электрогенератором. Поскольку процесс паро-воздушной газификации проводится в плотном слое кускового материала при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез - газе, который выводится из реактора сверху, практически отсутствует золоунос. Перемещение твердого материала в реакторе происходит под действием силы тяжести. Перемещаясь сверху вниз, материал последовательно проходит зоны подогрева, сушки, пиролиза и газификации. Получаемый в результате процесса шлак практически не содержит недожога и после выгрузки из реактора подвергается грохочению для отделения инертного материала, используемого в качестве оборотного.
