Экономическая оценка перевода твердотопливного отопительного котла на сжигание генераторного газа

Буянтуев Сергей Лубсанович; Шишулькин Станислав Юрьевич; Старинский Иван Васильевич; Кондратенко Анатолий Сергеевич; Хмелев Андрей Борисович; Базарсадаев Элбек Цыбенжапович

УДК 621.387.143

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПЕРЕВОДА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОТЛА НА СЖИГАНИЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА

Россия, 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40В, e-mail: buyantuevsl@mail.ru

университета

Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: voin-spec@yandex.ru.

Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а

Россия, 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40В.

Повышение и поддержание на определенном уровне коэффициента полезного действия отопительных котлов являются основной задачей всех теплогенерирующих предприятий. В связи с чем проведены расчеты, показывающие эффективность внедрения генераторного газа, выработанного из угля. Все расчеты проведены на основании практических результатов экспериментов по газификации углей, проведенных на модульных одноступенчатой и двухступенчатой установках.

Ключевые слова: отопительный котел, газификатор, генераторный газ, уголь, синтез-газ, коэффициент полезного действия, экономический эффект.

ECONOMIC ASSESSMENT OF THE SOLID BOILER CONVERSION TO PRODUCER GAS

Buyantuev Sergey L., Doctor of Technical Sciences, Professor, East Siberian State University of

Technology and Management

40B, Kluchevskaya, Ulan-Ude, 670013, Russia

Shishulkin Stanislav Yu., candidate of technical sciences, Buryat State University 40B, Kluchevskaya, Ulan-Ude, 670013, Russia

Starinskiy Ivan V., candidate of technical sciences, of the East Siberian State University of Technology and Management

40B, Kluchevskaya, Ulan-Ude, 670013, Russia

Kondratenko Anatoly S., candidate of technical sciences, Buryat State University 24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia

Khmelev Andrei B., postgraduate, East Siberian State University of Technology and Management 40B, Kluchevskaya, Ulan-Ude, 670013, Russia Bazarsadaev Elbek Ts., postgraduate, Buryat State University 24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia

Improving and maintaining a certain level of efficiency of boilers is the main objective of all heat-generating enterprises. In this connection, efficiency of the implementation of the producer gas, obtained from coal was calculated. All calculations were performed on the basis of the practical results of experiments on coal gasification, conducted on a single-stage and two-stage modular units.

Keywords: boiler, gasifier, producer gas, coal, syngas, efficiency, economic effect.

Отопительные котлы малой и средней мощности в основном работают на угле. Сжигание угля в таких котлах происходит с коэффициентом полезного действия от 60 до 85 %, в то время как газовые котлы работают с коэффициентом полезного действия 90-98 %. При переводе угольных отопительных котлов на сжигание газообразного топлива можно повысить коэффициент полезного действия в среднем на 10-15 % [1; 2]. В качестве газового топлива обычно используют природный газ, но существуют и другие альтернативные горючие газовые смеси. Например, генераторный газ или синтез-газ, выработанный из угля, производство которого происходит в газогенераторах. Мы предлагаем использовать газификаторы [1-4], работающие как с использованием энергии низкотемпературной плазмы, так и в автотермическом режиме. Разработанные нами газификаторы предназначены для выработки генераторного газа из угля посредством его газификации и сжигания газа в топке газоплотного парового или водогрейного котла, работающего на угле, мазуте или природном газе. Из 1 т угля получают от 2000 до 3500 м3 генераторного газа калорийностью 1200-2000 ккал/нм3 (в зависимости от угля), что эквивалентно 500-875 м3 природного газа калорийностью 8000 ккал. Сжигание генераторного газа соответствует экологическим нормам для природного газа и используется как полный его аналог. Газ выходит из аппарата с температурой около 350-500 °С и обеспечивает температуру в факеле до 1200 °С. При подогреве первичного и вторичного воздуха, используемого для сжигания газа, возможно дальнейшее повышение температуры факела.

С ухудшением качества добываемых углей, их забалластированностью на первое место выходят требования либо к повышению качества (обогащения) углей, либо к внедрению новых методов подготовки или переработки, которые учитывают важность технологии газификации углей. Нами проведен комплекс исследований по газификации углей в Республике Бурятия, Иркутской области и Забайкальском крае, а также в Монголии и Китае. Результаты некоторых из них представлены в табл. 1 и 2, рис. 1 и 2. Так, например, для Баганурского угля на основании результатов расчетов по программе «Терра» синтез-газ в среднем имеет калорийность 2025 ккал/нм3, что вполне достаточно для его самостоятельного сжигания в топке котла.

Из анализа таблиц видно, что полученный генераторный газ состоит из оксида углерода и водорода. Так как в качестве окислительного агента применялся воздух, в качестве балласта мы видим диоксид углерода и азот (в таблице не показан). Для повышения теплотворной способности генераторного газа можно применять в качестве окислительного агента водяной пар. Это может быть реализовано в слоевых газификаторах [5].

Таблица 1

Состав генераторного газа, полученного из Баганурского угля расчетным методом в программе «Терра» при использовании в качестве окислительного агента воздуха

Содержание компонентов, об. % Расход воздуха, кг/ч

30 45 60 75 90 105 120

И2 48,95 44,05 40,05 36,71 33,89 31,47 29,37

СО 34,98 34,91 34,85 34,8 34,76 34,72 34,69

N2 15,39 20,43 24,55 27,99 30,89 33,38 35,53

Q, ккал/нм3 2318,1 2189,6 2084,7 1997,0 1923,1 1859,5 1804,4

Таблица 2

Результаты экспериментов по получению генераторного газа в газификаторе «Б8Р-1»

Наименование угля Результаты экспериментов

со2, % О2, % СО, % н2, % Q, ккал/нм3

Тугнуйский 1,8 1,5 35,5 43,3 2215,85

Баганурский 8,2 1,9 20,75 44,25 1767,4

Урейский 2,1 1,4 32,7 42,3 2112,0

Рис. 1. Зависимость калорийности полученного синтез-газа от расхода воздуха при воздушной двухступенчатой плазменно-термической подготовке тугнуйского угля

Рис. 2. Зависимость калорийности полученного синтез-газа от расхода пара при паровоздушной двухступенчатой плазменно-термической подготовке тугнуйского угля

Для совместного сжигания в топке котла генераторного газа и термически подготовленного угля на основе системы плазменно-термической подготовки угля к сжиганию [3; 4] нами была разработана плазменная приставка к котлу (рис. 3). В данной приставке уголь разделяется на два потока: мелкую и крупные фракции. После разделения из соответствующих бункеров уголь подается на первую и вторую ступень соответственно. На первой ступени мелкая фракция газифицируется плазменным потоком со степенью конверсии углерода 80-95 %. Во второй ступени происходит обработка основного потока (кускового) топлива генераторным газом, полученным на первой ступени. Происходит это за счет его частичного сгорания на второй ступени. Из бункера подготовленного топлива генераторный газ откачивается и подается в топку. Ввод генераторного газа осуществляется под углом к потокам воздуха, вдуваемого в топку через сопла (7), создавая вихревые потоки, существенно увеличивающие время пребывания в топке котла пылевидных частиц угля.

В результате мы минуем первые стадии процесса горения топлива, а именно: прогрев, подсушку и начало выделения летучих. Таким образом, восстановительная зона уменьшается, температура горючей смеси увеличивается, снижаются потери с уходящими газа и химнедожогом, и, как следствие, мы наблюдаем повышение КПД котлоагрегата. Основным фактором, склоняющим чашу весов в сторону выбора того или иного решения, является экономический эффект. Ниже приведены результаты таких расчетов при замещении угля, мазута и природного газа генераторным газом.

Рис. 3. Плазменная приставка

При переводе угольного котла малой мощности на сжигание генераторного газа были выбраны следующие исходные данные: цена угля - 1800 р/т (с НДС и доставкой ж/д транспортом); теплотворная способность угля - 5200 ккал/кг; коэффициент полезного действия котла при работе на угле -60 %; коэффициент полезного действия котла при работе на газе - 90 %; производительность котла по теплу - 2 Гкал/ч; потребление угля - 0,667 т/ч; время работы котла - 5900 ч в год; среднечасовое потребление электроэнергии при работе комплекса - 15 кВт; стоимость 1 кВт-ч электрической энергии - 3,9 р (с НДС); персонал для обслуживания газификатора - 6 чел.; фонд заработной платы одного сотрудника - 20 000 р/мес.; производительность котла по теплу - 2 Гкал/ч.

В данном предложении оценки проведены из того условия, что в газификаторе будет использоваться уголь Тугнуйского месторождения. На предлагаемых углях гарантирован результат и длительная эксплуатация оборудования, что подтверждается множеством исследований данных углей на предмет газификации.

В результате проведенных расчетов затраты на производство тепловой энергии составили:

- для угля Зкот = 7788 тыс. р/год, для генераторного газа Згазиф = 5519,401 тыс. р/год.

Прибыль за счет эксплуатации газификатора составит:

ДЭ = Зкот - Згазиф = 7788 - 5519,401 = 2268,599 тыс. р/год.

Предлагаемые решения в зависимости от условий заказчика окупаются менее чем за три с половиной года.

Во втором варианте расчетов проведена оценка эффективности замещения мазута генераторным газом. Исходные данные: потребление мазута в год - 1180 т; теплотворная способность мазута - 9000 ккал/кг; цена мазута - 12000 р/т (с НДС); цена угля для выработки генераторного газа - 1800 р/т (с НДС и доставкой ж/д транспортом); расход угля на производство 1000 м3 генераторного газа -473 кг; среднечасовое потребление электроэнергии газификатором - 15 кВт; стоимость 1 кВт электрической энергии - 3,9 р/кВт-ч (с НДС); персонал для обслуживания газификатора - 6 чел.; фонд заработной платы одного сотрудника - 20 000 р/мес.; время эксплуатации газификатора - 5900 ч в год.

Результаты расчета:

- затраты на приобретение мазута:

- потребление угля:

- расходы на приобретение угля:

- потребление электроэнергии:

Им = 14160 тыс. р/год Оу = 2513,015 т/год Иу = 4523,426 тыс. р/год аэл/эн = 88500 кВт-ч/год Иэл/эн = 345,15 тыс. р/год Изп = 1440 тыс. р/год

- затраты на электроэнергию:

- заработная плата обслуживающего персонала: Прибыль за счет эксплуатации газификатора:

ДЭ = Им - (Иу + Иэл/эн + Изп) = 7851,424 тыс. р/год Срок окупаемости во втором случае менее двух с половиной лет.

В третьем варианте расчета дано сравнение производства тепловой энергии на природном и генераторном газе, выработанном из угля.

Исходные данные: потребление природного газа 1753 тыс. м3; теплотворная способность природного газа - 8000 ккал/кг; цена природного газа - 7000 р. тыс. м3 (с НДС); цена угля для выработки генераторного газа - 1800 р/т (с НДС и доставкой ж/д транспортом); расход угля на производство 1000 м3 генераторного газа - 473 кг; среднечасовое потребление электроэнергии газификатором -15 кВт; стоимость 1 кВт электрической энергии - 3,9 р/кВт-ч (с НДС); персонал для обслуживания газификатора - 6 чел.; фонд заработной платы одного сотрудника - 20 000 р/мес.; время эксплуатации газификатора - 8600 ч в год.

В газификаторе будет также использоваться уголь Тугнуйского месторождения. Результаты расчета:

- затраты на приобретение природного газа: Ипг = 12271 тыс. р/год

- потребление угля: Gy = 3318,5 т/год

- расходы на приобретение угля: Иу = 5973,308 тыс. р/год

- потребление электроэнергии: G3JI/3H = 129000 кВт-ч/год

- затраты на электроэнергию: Иэл/Эн = 503,1 тыс. р/год

- заработная плата обслуживающего персонала: Изп = 1440 тыс. р/год Экономический эффект за счет эксплуатации газификатора составит:

ДЭ = Ипг - (Иу + Иэл/эн + Изп) = 4354,592 тыс. р/год В результате проведенных расчетов видно, что внедрение генераторного газа имеет положительный экономический эффект и срок окупаемости составляет не более трех с половиной лет. Еще одним преимуществом перевода угольных котлов на сжигание генераторного газ является снижение токсичности дымовых газов и отсутствие твердых выбросов в атмосферу [1, 2].

Полученные результаты говорят о целесообразности предварительной газификации углей и последующего сжигания генераторного газа в отопительных котлах.

Литература

1. Буянтуев С. Л., Шишулькин С. Ю. Плазменно-термическая переработка и подготовка углей к сжиганию. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2013. - 176 с.

2. Плазменно-термическая переработка и подготовка углей к сжиганию в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве / С. Л. Буянтуев, Г. Б. Зонхоев, С. Ю. Шишулькин, И. В. Старинский - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2014. -164 с.

3. Патент РФ №2171431 от 27.07. 2001. Двухступенчатый способ термической подготовки пылевидного топлива и установка для его осуществления / С. Л. Буянтуев, Д. Б. Цыдыпов, А. Ц. Доржиев и др.

4. Патент РФ №2366861 от 10.09.2009. Двухступенчатый способ термической подготовки кускового топлива к сжиганию и установка для его осуществления / С. Л. Буянтуев, С. Ю. Шишулькин.

5. Буянтуев С. Л., Шишулькин С. Ю. Перспективы и проблемы использования газогенераторов угля для выработки тепловой энергии // Вестник ВСГУТУ. - 2014. - № 6. - C. 28-32.

6. Сактоев В. Е., Мантатов В. В. Цивилизационные основания и перспективы устойчивого развития Байкальского региона // Вестник ВСГУТУ. - 2010. - № 2. - C. 103-109.

References

1. Buyantuev S. L., Shishul'kin S. Yu. Plazmenno-termicheskaya pererabotka ipodgotovka uglei к szhiganiyu [Plasma thermal processing and preparation of coal for combustion]. Ulan-Ude: East-Siberian State Technology and Management University publ., 2013. 176 p.

2. Buyantuev S. L., Zonkhoev G. B., Shishul'kin S. Yu., Starinskii I. V. Plazmenno-termicheskaya pererabotka i podgotovka

uglei k szhiganiyu v energetike i zhilishchno-kommunal'nom khozyaistve [Plasma thermal processing and preparation of coal for combustion in power engineering and housing communal services]. Ulan-Ude: East-Siberian State Technology and Management University publ., 2014. 164 p.

3. Buyantuev S. L., Tsydypov D. B., Dorzhiev A. Ts. et al. Dvukhstupenchatyi sposob termicheskoi podgotovki pylevidnogo

topliva i ustanovka dlya ego osushchestvleniya [Two-stage process of pulverized fuel thermal preparation and installation for its realization]. Pat. Rus. Fed. No. 2171431. Publ. 27.07. 2001.

4. Buyantuev S. L., Shishul'kin S. Yu. Dvukhstupenchatyi sposob termicheskoi podgotovki kuskovogo topliva k szhiganiyu i

ustanovka dlya ego osushchestvleniya [Two-stage process of lump fuel thermal preparation for combustion and installation for its implementation]. Pat. Rus. Fed. No. 2366861. Publ. 10.09.2009.

5. Buyantuev S. L., Shishul'kin S. Yu. Perspektivy i problemy ispol'zovaniya gazogeneratorov ugly a dlya vyrabotki teplovoi

energii [Prospects and problems of coal gasifiers using for heat energy production]. Vestnik VSGUTU - Bulletin of East-Siberian State Technology and Management University. 2014. No. 6. Pp. 28-32.

6. Saktoev V. E., Mantatov V. V. Tsivilizatsionnye osnovaniya i perspektivy ustoichivogo razvitiya Baikal'skogo regiona

[Civilizational grounds and prospects for sustainable development of the Baikal region] Vestnik VSGUTU - Bulletin of East-Siberian State Technology and Management University. 2010. No. 2. Pp. 103-109.

Economic assessment of burning generator gas in the solid boilers

Текст научной работы на тему «Экономическая оценка перевода твердотопливного отопительного котла на сжигание генераторного газа»