CC BY
1
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 628.477.6
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ПАРОВОГО КОТЛА НА ПРОДУКТАХ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
Безуглов Р.В., Папин В.В., Ведмичев Н.А., Житников С.В., Анненков Р.А., Воловиков В.Ю.
ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Резюме: В данной статье представлена концепция использования твердых отходов на тепловых электростанциях для производства генераторного газа. Также приведены результаты расчетов термической газификации твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов. Авторы предлагают использовать тепловые электростанции (ТЭС) в качестве своеобразного мусороперерабатывающего завода, то есть газифицировать твердые бытовые отходы на ТЭС и использовать генераторный газ в виде топлива в котлах при совместном сжигании с твердым топливом в различных долях. Приведены результаты проведенных расчетов эксергетического баланса, расчеты материального и энергетического баланса. Также приведены расчеты КПД котла брутто. Результаты расчетов показывают целесообразность использования твердых отходов в качестве сырья для электростанций, что позволит получить как экономический, так и экологический эффекты.
Ключевые слова: газификация; утилизация отходов; твердые бытовые отходы; паровой котел; генераторный газ; паровоздушная газификация.
Для цитирования: Безуглов Р.В., Папин В.В., Ведмичев Н.А., Житников С.В., Анненков Р.А., Воловиков В.Ю. Эксергетический анализ работы парового котла на продуктах газификации твердых отходов // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 3 (63). С. 62-75.
EXERGY ANALYSIS OF STEAM BOILER OPERATION WITH SOLID WASTE GASIFICATION PRODUCTS
Bezuglov R.V., Papin V.V., Vedmichev N.A., Zhitnikov S.V., Annenkov R.A.,
Volovikov V.Yu.
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract: In the article, based on an analysis of domestic and foreign sources, a problem is formulated for the development of a waste processing scheme at large energy facilities. This article presents the development of a scheme for processing solid household and agricultural waste, which makes it possible to obtain products for combustion in boilers of thermal power plants without reducing the efficiency of the burner devices and the boiler as a whole. The authors propose using thermal power plants as a kind of waste recycling plant, that is, gasifying solid household waste and then using the generator gas as fuel in boilers. Exergy balance calculations, material and energy balance calculations were carried out. Calculations have shown that it is effective and expedient to use municipal solid waste as fuel generation, which can be used for energy boilers. The exergy efficiency of the boiler was about 50%.
Keywords: gasification, waste disposal, municipal solid waste, steam boiler, generator gas, steam-air gasification.
For citation: Bezuglov R.V., Papin V.V., Vedmichev N.A., Zhitnikov S.V., Annenkov R.A., Volovikov V.Yu. Exergy analysis of steam boiler operation with solid waste gasification products. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2024. T. 16. No. 3 (63). P. 62-75.
Введение (Introduction)
Цель исследования, проведенного в данной статье, заключается в изучении возможности использования отходов, переработанных в генераторный газ методом газификации, в паровом энергетическом котле ТПП-210А, в качестве замены твердого топлива и природного газа. Исследование важно именно в разрезе расчета работы котлоагрегата в одних и тех же условиях, но с различными видами топлив, в том числе с генераторным газом после газификации отходов. Важность использования котлов теплоэлектростанций для утилизации отходов (хоть и не на прямую сжигая их, а сжигая продукты их переработки) в отсутствии необходимости строительства конструктивно сложных и крайне дорогостоящих мусороперерабатывающих заводов.
Научная значимость исследования состоит в обосновании расчетным путем целесообразности использования твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов в качестве топлива энергетических котлов теплоэлектростанций.
Как известно эксергия - это максимальная работа, которая может быть получена при обратимом процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой [Ошибка! Источник ссылки не найден., Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Эксергия определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в определенных условиях работы, в данной статей авторы делают попытку определить эксергию ТПП-210А, работающего на различных видах топлив, в том числе на продуктах переработки отходов.
Практическая значимость исследования заключается в расчете конкретных параметров работы котла на продуктах переработки отходов и сравнению этих параметров с работой котла в аналогичных режимах на традиционном твердом органическом топливе -угле, и на традиционном газообразном топливе - природный газ. Далее приводится современный взгляд на проблему утилизации отходов и аналитика известных и наиболее используемых способов переработки отходов, в том числе на крупных электростанциях, как в нашей стране, так и в мире.
Литературный обзор (Literature Review)
В работе [1] отмечается, что эксергетический анализ можно рассматривать как способ получения информации, позволяющей определять области, в которых могут быть предприняты технические и другие улучшения при разработке энерготехнологий.
Эксергетический анализ является очень важным инструментом для обнаружения реальных необратимостей в процессах теплового оборудования и различных компонентов любого цикла, системы и производительности. На основе эксергетического анализа дается реальная оценка степени использования энергии, ее потери, а также проводить оценку термодинамической эффективности различных технологических процессов, выявление степени необратимости рассматриваемых технологических процессов, выявление и количественное определение потерь, которые вообще не проявляются при энтальпийном анализе (по первому закону термодинамики), потери от необратимости процессов горения, теплообмена, смешения, дросселирования, разработку рекомендаций термодинамического совершенствования процессов [2].
В реальном процессе некоторая часть эксергии всегда исчезает, и общий вклад энергии всегда намного превышает общий выход эксергии. Причиной этого дисбаланса является эксергетическое разрушение, которое определяют как необратимость. Поскольку размер, тип и местонахождение потерь легко определить, эксергетический метод является полезным инструментом при более эффективном использовании источников энергии [3].
В исследовании [4] эксергетический анализ позволяет выявить наиболее слабые элементы теплосиловой установки с точки зрения энергоэффективности и определить меры и конструкторские решения по повышению их термодинамического совершенства. Вместе с тем эксергетический метод анализа имеет и недостатки. В частности, с его помощью достаточно сложно определять связи между эксергетическим КПД сложной системы и эксергетическими КПД ее элементов. Определение КПД системы, как произведение КПД входящих в нее элементов, будет истинно только для относительно простых систем без промежуточных отводов и подводов эксергии в отдельных элементах теплосиловой установки. В проведенном автором исследовании эксергетический КПД котлоагрегата составил 49,5%.
Авторы исследования [5] пришли к выводу, что эксергетический КПД на мини-ТЭЦ (Вилейская, Пинская и другие), использующих в качестве топлива смесь: древесное топливо (60%) и торф фрезерный (40%) составил всего 20% при значительных затратах эксергии на добычу и доставку топлива, что может свидетельствовать о низкой эффективности выработки электроэнергии из твердой биомассы.
63
Эксергетический анализ, проведенный авторами в работе [6] показал, что с использованием метода пинча неиспользованная эксергия котла составила 2457 кВт. Для повышения эффективности тепловой установки, основываясь на расчетах, авторы предлагают увеличить площадь поверхности нагрева экономайзера или воздухонагревателя, тем самым повысив КПД котла. Этот эксергетический метод ориентирован на окружающую среду, то есть учитывает условия эксплуатации технологического оборудования (температуру окружающей среды).
В работе [7] была разработана более подробная модель эксергетического анализа котла на биомассе на основе реальных данных, полученных с промышленных установок. Минимизационная модель Гиббса оказалась успешной при расчете элементов системы и позволяет адаптировать модель к другим термохимическим процессам. Оценка температуры печи, а также адиабатической температуры пламени дает важные частные параметры системы для промышленных целей. Результаты проведенного исследования показали, что топка и экранные трубы имеют более высокие эксергетические потери, составляя 47% и 30% от общих эксергетических потерь, соответственно. Суммарный же эксергетический КПД составил 42,47% [8].
В следующем исследовании [9] авторы рассмотрели потенциал повышения эффективности оценивается путем выявления факторов, влияющих на производительность котла. Результаты основаны на тепловых испытаниях 141 угольного промышленного котла в провинции Ляонин, Китай. Кроме того, в соответствии с первым и вторым законом термодинамики предлагается модель эксергетического анализа твердотопливных котлов тепловых электростанций. Результаты показывают, что основные потери тепла составляют потери тепла с дымовыми газами и несгоревшим углеродом, что очевидно. В эксергетическом же плане преобладают потери из-за необратимости процесса горения угля. Средний КПД и выбросы CO2 141 котла оценивались в 76,08% и 147,13 кг С02/ГДж соответственно. Повышение эффективности 141 котла до целевого уровня, приведет к снижению потребления угля на 155 тыс. тонн, сокращению выбросов CO2 на 341 тыс. тонн, SO2 на 3,72 тыс. тонн и NOx на 3,48 тыс. тонн в год.
Авторами [10] был проведен тщательный термодинамический анализ котла городской котельной, работающего на твердых отходах. Для этого были составлены балансы массы, энергии и эксергии. Был выполнен энергетический и эксергетический анализ для всех компонентов и всего котла с последующим анализом чувствительности влияния расхода продувочной воды. Результаты показали, что необратимость процесса горения в 52 617,3 кДж/с - это основной источник эксергетических потерь. Кроме того, общий энергетический и эксергетический КПД исследуемого котла составил 78,7 и 16,0% соответственно. Можно предположить, что вследствие относительно невысокой низшей теплоты сгорания утилизируемых отходов и с учетом потерь тепла с уносимой золой и продувочной водой происходит значительное снижение КПД котла.
В работе [11] авторами рассматривается методика с применением эксергетических матриц, где разница в значениях КПД, определенных стандартным способом и с применением эксергетических матриц для установившегося режима работы котла, может составлять до 10 %, а с учетом прогрева котла до рабочего состояния - до 13 %. Предложенная авторами методика с применением эксергетических матриц позволяет более корректно определить КПД котельного оборудования.
В работе [12] предлагается проводить пинч-анализ источников тепловой энергии при помощи эксергии, которая может более качественно оценить потенциал тепловых потоков и показывает зависимость энергии тепловых потоков от температуры окружающей среды. В статье приводится эксергетический анализ такого объекта, как прямоточный котел ПП-2650-255 ГМ с помощью пинч-метода. Результаты работы показывают, что для повышения энергоэффективности котла можно изменить площади поверхностей нагрева экономайзера и воздухоподогревателя.
Авторами [13] рассматривается целесообразность применения эксергетического метода для комплексной оценки эффективности использования твердых коммунальных отходов как топлива, пожарной и экологической опасности отходов и определения технологий их утилизации. Полученные результаты позволяют сформировать вывод, что эксергия и теплота сгорания отходов находятся в прямой пропорциональной зависимости, а эксергетическая эффективность процесса сжигания твердых коммунальных отходов составляет 14 %, что выше, чем для компостирования и захоронения.
В процессе исследования авторами [14] проведен энергетический и эксергетический анализ эффективности эксплуатации твердотопливных водогрейных котлов малой мощности с подвижной колосниковой решеткой. Было установлено, что изменение объема
топочного пространства с изменением нагрузки способствует снижению расхода топлива, а также способствует дожиганию летучих газов и несгоревших пылевидных фракций угля.
В работе [15] проведен сравнительный эксергетический анализ термодинамической эффективности тепловых установок для традиционной ТЭЦ с пиковыми водогрейными котлами и для установок с пиковым сетевым подогревателем и дополнительным водо-водяным теплообменником. В результате анализа построены эксергетические диаграммы теплоприготовительных установок ТЭЦ и рассчитаны эксергетические КПД для традиционной и для предложенной схем, которые составили 37% и 55%, соответственно. Эксергетический КПД для предложенной схемы оказался на 18% больше, что говорит о ее более высоком термодинамическом совершенстве.
В целом, по проведенному анализу существующих эксергетических методов оценки термодинамического совершенства котлов при сжигании ими различных топлив при различных схемных решения, можно сделать несколько выводов. Во-первых, применение эксергетического анализа для оценки работы котлов актуально и производится научным сообществом как нашей страны, так и учеными мира. Во-вторых, эксергетический метод позволяет определить потенциал энергосбережения котельных установок, то есть пределы их термодинамического совершенства. В-третьих, эксергетический КПД существенно варьируется в зависимости от объекта расчета, будь то сам непосредственно процесс сжигания твердых коммунальных отходов, энергоблоки либо отдельное теплотехническое оборудование, из которого они состоят. В-четвертых, на настоящий момент не выявлено проведенных эксергетических расчетов, позволяющих при одинаковых условиях на одном котле рассчитать энергетический, материальный и эксергетический баланс трех видов топлив: угля, природного газа и генераторного газа, полученного при газификации нескольких видов отходов.
В свете вышесказанного в данном исследовании ставится задача по проведению такого расчета с целью выявления параметров работы котла на трех видах топлив (раздельно), а также выявления улучшения либо ухудшения энергетических характеристик работы котла на продуктах переработки твердых отходов в сравнении с углем и природным газом.
Материалы и методы (Materials and methods)
Объектом исследования является паровой энергетический котел Т1II1-201 А, производимый Таганрогским котельным заводом «Красный котельщик». Данный котел установлен на многих тепловых электростанциях нашей страны, в том числе на Новочеркасской ГРЭС (ПАО «ОГК-2»), на основе параметров и топлив которой и был произведен сравнительный расчет [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Основным проектным топливом котла данной тепловой электростанции является Донецкий АШ, для подсветки используется природный газ. Номинальная паропроизводительность 960 т/ч, давление пара на выходе из котла - 245 бар, температура перегретого пара 545 °C, температура питательной воды 265 °C.
Выбор метода эксергетического анализа обусловлен попыткой взглянуть на проблему утилизации отходов с нового ракурса. Метод теплового баланса, являясь частным случаем закона сохранения массы и энергии (первый закон термодинамики) не может дать ответа о степени термодинамического совершенства как отдельного элемента, так и всей теплоэнергетической системы [16]. В данном исследовании же применяется эксергетический метод анализа и оптимизации технических систем. Данный метод позволяет учитывать различную ценность источников энергии или энергетических процессов в зависимости от параметров окружающей среды, составлять приходно-расходные балансы различных по своей физической природе видов энергии, количественно и качественно их сравнивать, определять необратимые потери в рабочих процессах.
Традиционной считается утилизация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов на мусоросжигающих или перерабатывающих заводах. Однако, строительство таких объектов обусловлено огромными финансовыми затратами. Это подтверждается, что на данный момент ни один из шести запланированных с 2015 года мусоросжигательных комплексов в нашей стране не был построен [17]. Таким образом, авторами выдвигается предложение об использовании тепловых электростанций в качестве своеобразных мусороперерабатывающих заводов. Твердые отходы рассматриваются в качестве энергетического сырья, которое, в случае применения на электростанциях, необходимо подготовить для условий работы в котлах ТЭС.
В исследовании приводятся данные о сырье - энергетические характеристики, элементный состав и другие параметры. Далее приводится таблица результатов газификации отходов. И уже для полученного из отходов генераторного газа производится
65
эксергетический анализ работы котла ТПП-210А. Эксергетический анализ, в свою очередь, был произведен следующим образом: сначала был произведен расчет материального баланса, далее - теплового баланса. На основе материального и теплового балансов был произведен расчет эксергетического баланса, приведенный ниже.
Научная значимость исследования заключается в получении новых эффективных способов переработки твердых отходов с учетом работы типового оборудования электростанций, получении новых зависимостей, характеризующих эти процессы. Общественная значимость подтверждается двумя аспектами. Во-первых, энергетическая составляющая - использование твердых отходов в качестве топлива на электростанциях приведет к сокращению потребления станциями более ценного топлива в виде газа, мазута и угля. Во-вторых, экологическая составляющая - огромные полигоны отходов являются проблемой как в нашей стране, так и за рубежом, которая ухудшает экологию, загрязняет почву, воды грунтовые, воздух, влияет на здоровье людей. Отсюда вытекает и социальная значимость исследования, поскольку наличие полигонов твердых отходов вблизи городов вызывают социальную напряженность и ухудшают качество жизни людей.
Обсуждение и результаты (Results)
В качестве сырья для газификации отходов были взято конкретные виды отходов. Для вычленения определенных видов отходов использовалась территориальная схема обращения с отходами [18], приведенная на рис. 1. Для примера была взята Ростовская область.
О эмтсоо — —
_*"* V. ш ш m \ в_. ®
„ * ш
ш • •J к—
WM-Доиу -
ч 3 rTS«/
сдк е-- È V 'f,
Т S ...
Рис. 1. Скриншот электронной системы Fig. 1. Screenshot of the electronic system of the территориальной схемы обращения с отходами Rostov region territorial scheme of waste Ростовской области management
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Из данной схемы обращения с отходами были взяты 5 видов отходов, общей массой поступающих на полигоны отходов в 414259 тонн в год, отобранные по принципу пригодности для переработки методом газификации. Наименования и энергетические характеристики твердых отходов представлены в таблице 1.
Таблица 1 Table 1
Физико-химические свойства твердых отходов, выбранных из Территориальной схемы
обращения с отходами Ростовской области Physico-chemical properties of solid waste selected from the Territorial Waste Management _Scheme of Rostov region_
Вид отхода Теплотворная способность, МДж/кг Кол-во, тонн/год Доля по энергии, % Доля по массе, %
Отходы упаковочного картона незагрязненные 1б,5 30817б 13,15 14,б9
Тара деревянная, утратившая потребительские свойства 19,б 1б993 2,б8 2,52
Отходы малоценной древесины (хворост, валежник) 1S,9 б778 11,51 11,23
Солома 15 9015 7,93 9,74
Лузга подсолнечная 19,3 73297 б3,73 б1,82
ИТОГО 17,86 414259 100 100
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
В таблице 2 приведен элементный состав исходного сырья пяти видов для расчета
66
процесса газификации.
Таблица 2 Table 2
Элементный состав твердых отходов на сухую массу _Elemental composition of solid waste per dry weight_
Вид отхода Углерод Водород Кислород Азот Сера Влажность Зольность
Отходы упаковочного картона незагрязненные 48,02 6,11 45,87 н.д. н.д. 15 1
Тара деревянная, утратившая потребительские свойства 50 6 44 н.д. н.д. 22 40
Отходы малоценной древесины (хворост, валежник) 51,60 4,90 42,55 0,90 0,05 20,00 0,70
Солома 45,55 6,45 40,53 0,32 0,03 16 7,12
Лузга подсолнечная 50,50 5,90 42,80 0,60 0,20 16,00 4,00
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Далее согласно методике, представленной в [19] был рассчитан процесс газификации. Параметры были взяты исходя из проведенного ранее компьютерного моделирования, в ходе которого было выяснено, что оптимальная температура для газификации - 800 °С. Данная температура позволяет производить полную газификацию (окисление углерода), а также является оптимальной по критерию низкого содержания в итоговом генераторном газе балластных газов (азот, углекислый газ) и по критерию высокого содержания горючих компонентов (водород, метан, угарный газ). Процесс газификации осуществлялся при атмосферном давлении. Коэффициент избытка окислителя
- 0,27, также был выбран исходя из результатов компьютерного моделирования, окислитель
- паровоздушная смесь. Примем допущение что, генераторный газ очищается от водяного пара, и при том, что суммарный объем газа равен 2,305 м3/кг тогда процентный состав газа будет равен, %:
СН4 =0,015; СО =20,286; СО2 =13,313; с2н6 =0; с3н8 =0; с4н10 =0; n2=35,747; H2=30,639; h2s=0; О2 =0; h2o=0;
Процентный состав генераторного газа для отходов картона был подсчитан как, %:
Vch4 VCO
CH4 -100 = 0,015 ; CO = —Co-100 =20,286;
V sum V sum
VCO2 VN?
C02 -100 =13,313; N2 =——-100 =35,747;
V sum V sum
VH?
H2 =—i— -100 = 30,639.
^ sum
Низшая теплота сгорания генераторного газа для отходов картона
<2н = Veo ■ Qco + Vh2 ■ Qh2 + Vch4 ■ Qch4 = 0,468 • 12645 + 0,706 • 10806 + 3,352 • 10"4 • 35846 = 7646,969 кДж/кг.
Выбранные виды отходов были физически исследованы на калориметре бомбовом «IKA-calorimeter system» модели С 2000 для получения точного значения их теплотворной способности. Недостающие данные по компонентному составу были взяты из научных публикации отечественных и зарубежных авторов и с проведением осреднения компонентного состава каждого вида отходов.
Далее приводится итоговая таблица (табл. 3) расчета газификации всех пяти выбранных видов отходов (компонентный состав генераторного газа).
Таблица 3 Table 3
Результаты расчетов газификации твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов
Вид отхода СН4 СО Н2 СО2 n2 Низшая теплотворная способность, кДж/кг
Отходы упаковочного картона незагрязненные 0,015 20,286 30,639 13,313 35,747 7647
Тара деревянная, утратившая потребительские свойства 0,015 20,792 30,341 13,236 35,616 6080
Отходы малоценной древесины (хворост, валежник) 0,022 23,475 28,676 11,224 36,603 7703
Солома 0,02 21,646 29,93 12,02 36,384 8123
Лузга подсолнечная 0,018 22,088 29,463 12,292 36,139 7792
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
После получения элементного состава и теплотворной способности генераторного газа, полученного от отходов, производится непосредственно расчет эксергетического баланса, который основывается на материальном и энергетическом балансе. Расчет производился на основе методики, представленной в источнике [20]. Расчеты выполнены для основного проектного топлива рассматриваемой электростанции - Донецкого антрацитового штыба, природного газа, а также для генераторного газа, полученного из отходов. Для визуализации результатов расчетов построены два типа диаграмм - для визуализации энергетического баланса диаграммы Санки, а для визуализации эксергетического баланса диаграммы Грассмана-Шаргута. Данные диаграммы позволяют визуализировать основные перемещения или потоки внутри системы.
Рис. 2. Диаграмма Сенке работы котла на Fig. 2. Senke diagram of boiler operation on
генераторном газе от отходов упаковочного generator gas from packaging cardboard waste,
картона, где: @т-теплота, выделяющаяся при where: Qx- heat released during fuel combustion,
сжигании топлива, кВт; QB - теплота, вносимая kW; Qv - heat contributed by atmospheric air, kW;
атмосферным воздухом, кВт; Q1 - теплота, Qj - heat expended for enthalpy increment of
израсходованная на приращение энтальпии working body, kW; Q2 - losses with exhaust gases,
рабочего тела, кВт; Q2 - потери с уходящими kW; kW; Q5 - losses to the environment, kW газами, кВт; кВт; Q s - потери в окружающую среду, кВт
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Рис. 3. Диаграмма потоков эксергии Грассмана-Шаргута работы котла на генераторном газе от отходов упаковочного картона, где: Ет -химическая эксергия топлива, МВт; Ерт -прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт; Евн - потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт; 5Егор - потери эксергии вследствие необратимости горения,
^о кр - потери эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Fig. 3. Grassmann-Shargut diagram of exergy flows of boiler operation on generator gas from packaging cardboard waste, where: Et - chemical exergy of fuel, MW; Ep.t - increase of working body exergy in the boiler, MW; Evn - exergy losses caused by internal heat exchange in the boiler, MW; SEgor - exergy losses due to irreversibility of combustion, MW; Ep.s - exergy of combustion products, MW; Eokr - exergy losses caused by irreversibility of heat transfer to the environment, MW
Рис. 4. Диаграмма Сенке работы котла на твердом топливе, где: QT -теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт -теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт;
- теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт - потери с уходящими газами, кВт - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, кВт - потери в окружающую среду, кВт -потери теплоты с внутренней термической энергией шлака и золы, кВт *Источник: Составлено авторами Source:
Fig. 4. Senke diagram of solid fuel boiler operation, where: Qn- heat released during fuel combustion, kW; Qv - heat contributed by atmospheric air, kW; Q1 - heat consumed for enthalpy increment of working body, kW; Q2 -losses with flue gases, kW; Q4 - heat losses from mechanical incompleteness of fuel combustion, kW; Q5 - losses to the environment, kW; Q6 - heat losses with internal thermal energy of bottom ash and slag, kW
compiled by the author.
Рис. 5. Диаграмма потоков эксергии Грассмана-Шаргута работы котла на твердом топливе, где: Ет - химическая эксергия топлива, МВт; Ер т -прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт Евн - потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт; 5Егор - потери эксергии вследствие необратимости горения, МВт; Еш л - эксергия шлака, МВт; Е3 - эксергия золы, МВт - эксергия продуктов сгорания, МВт - потери эксергии, вызванные
необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт
*Источник: Составлено авторами Source:
Fig. 5. Grassmann-Shargut diagram of exergy flows of solid fuel boiler operation, where: Et -chemical exergy of fuel, MW; E(pt) - exergy gain of working body in the boiler, MW; Evn - exergy losses caused by internal heat exchange in the boiler, MW; SEhor - exergy losses due to irreversibility of combustion, MW; Esl - slag exergy, MW; Ez - ash exergy, MW; E(„. c) - exergy of combustion products, MW; Eokr - exergy losses caused by irreversibility of heat transfer to the environment, MW
compiled by the author.
Рис. 6. Диаграмма Сенке работы котла на природном газе, где: -теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт - теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт; Q± -теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт - потери с уходящими газами, кВт кВт - потери в окружающую среду, кВт *Источник: Составлено авторами Source:
Fig. 6. Senke diagram of natural gas boiler operation, where: Qm- heat released during fuel combustion, kW; Qv - heat contributed by atmospheric air, kW; Q1 - heat consumed for enthalpy increment of the working body, kW; Q2 -losses with flue gases, kW; kW; Q5 - losses to the environment, kW
compiled by the author.
Рис. 7. Диаграмма потоков эксергии Грассмана-Шаргута котла на природном газе, где: -химическая эксергия топлива, МВт -
прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт - потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт - потери
эксергии вследствие необратимости горения, МВт - эксергия продуктов сгорания, МВт - потери эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Fig. 7. Grassmann-Shargut diagram of exergy flows of a natural gas boiler, where: Et - chemical exergy of fuel, MW; Er.t - increase of working body exergy in the boiler, MW; Evn - exergy losses caused by internal heat exchange in the boiler, MW; SEgor - exergy losses due to irreversibility of combustion, MW; Ep.s - exergy of combustion products, MW; Eokr - exergy losses caused by irreversibility of heat transfer to the environment, MW
n° 0,52 0,51 0,5 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41
Рис. 8 Эксергетический КПД котлоагрегата в Fig. 8 Exergy efficiency of the boiler unit зависимости от вида применяемого топлива depending on the type of used fuel
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Анализируя построенные диаграмм Сенке, Грассмана-Шаргута, а также построенный график эксергетического КПД котлоагрегата в зависимости от вида применяемого топлива (уголь, природный газ, генераторный газ от переработки выбранных пяти видов отходов) подтвердил гипотезу об целесообразности использования генераторного газа для работы котла. Эксергетический КПД котла не только не снижается, но и несколько повышается, что является следствием следующих причин:
- генераторный газ лишен таких тепловых потерь присущих твердому топливу как потери с механическим недожогом топлива, а также потерь тепла с золой и шлаком
- генераторный газ с эксергетической точки зрения более эффективен, чем природный газ, несмотря на более низкую теплотворную способность ввиду того, что степень понижения его теплотворной способности выше, чем степень повышения расхода топлива.
Получаемый в процессе газификации генераторный газ будет сжигаться совместно с твердым топливом (при расчете - Донецкий АШ). Была проведена группа расчетов с различной долей сжигания генераторного газа и твердого топлива - от наихудшего смешения (80/20, доля твердого топлива и доля генераторного газа, соответственно) до наилучшего (50/50 - равные доли твердого топлива и генераторного газа. Доля определялась именно по тепловой мощности. Наилучший и наихудший варианты смешения обусловлены различной величиной тепловых потерь с механическим недожогом - так, потери q4 при доле 80/20 составил 8%, потери q4 при доле 50/50 - 3%. Величина потерь определялась в соответствии с Нормативным метод расчета паровых котлов (таблица XVIII). КПД котла, работающего при добавлении генераторного газа при наихудшем варианте смешения, составил 85,1%, при наилучшем - 89,6%, при том, что КПД работы котла только на твердом топливе - 88,1%. В качестве твердого топлива использовался Донецкий АШ - проектное топливо рассматриваемого котла ТПП-210А.
Генераторный газ будет генерироваться на электростанции, используя теплоту котла. При этом дополнительно необходимо будет дооснастить котел реактором-газогенератором по запатентованной главным автором статьи схеме [21]. Сжигаться будут не сами отходы, а генераторный газ, выработанный от этих отходов. Анализ термической газогенерации выбранных пяти видов отходов показал сравнительно одинаковый их исходный компонентный состав, следовательно, сортировка данных пяти видов отходов друг от друга не потребуется. Однако, может потребоваться сортировка данных пяти видов от остальных отходов, в случае поступления их на станцию несортированными. Заключение или Выводы (Conclusions)
Прежде всего, очевидно, что газифицированные отходы можно и нужно использовать в качестве топлива, в том числе в крупных энергетических котла -проведенные расчеты позволяют судить о пригодности их для применения в котлах ТЭС. Проведенные для расчета эксергетического баланса, расчеты материального и
0,505 0,505 0,505 0,506
0,487
I Природный газ
I Антрацит штыб
I Синтез газ ( Упаковочный картон)
I Синтез газ ( лузка подсолнечная)
I Синтез газ (Тара деревянная, утратившая потребительские свойства)
I Синтез газ (Малоценная древесина)
энергетического баланса подтвердили повышение эксергетического КПД при работе котла на генераторном газе.
Дальнейшие исследования по этой тематике будут направлены на выявление доли добавления генераторного газа к основному проектному топливу, как твердому, так и газообразному. Поскольку в цикл работы котлоагрегата добавляется новое топлива, велика вероятность изменения температурного режима его работы. Вероятнее всего будут изменены тепловосприятия поверхностей нагрева котлоагрегата и другие параметры, следовательно, будет произведен тепловой поверочный расчет котла ТПП-210А.
Полученные результатов исследования, описанные в статье, возможно применить к большой энергетике, в частности для ТЭС, работающих в составе паротурбинных установок, особенно подходят для внедрения пылеугольные электростанции, которых около 350 на территории России и более 10000 в мире. Благодаря данным по термодинамике, соответствию эксплуатационных режимов программным продуктам (в частности, ООО «Технолог» реальным объектам и моделям оборудования, с высокой степенью точности было смоделировано поведение процессов переработки отходов.
При анализе газогенерации отходов было выявлено, что из 1 кг отходов выделяется в среднем 2,334 м3 генераторного газа (при достижении 800 °С - температура, при которой происходит полная конверсия углерода). Анализ, проведнный с помощью программного продукта «Технолог» (ООО «Технософт», г. Москва) также показал отсутствие существенного количества сернистых соединений в итоговом генераторном газ, что позволит избежать установки дополнительного оборудования для очистки. Предварительно была подсчитана экономическая целесообразность применения термической газогенерации для переработки отходов на котлах ТЭС, которая показала эффективность данного мероприятия, во-первых с учетом повышения КПД котла из-за добавления генераторного газа при доле 50%, во-вторых с учетом горазно меньшего значения средней стоимости тонны отходов в сравнении со стоимостью тонны твердого топлив.
Литература
1. Sahin A.Z. Importance of Exergy Analysis in Industrial Processes. URL: https://www.researchgate.net/publication/228988818.
2. Плотников, В. В. Эксергетический метод в системном анализе химико-технологических схем / В. В. Плотников, О. Г. Петрова // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - № 4. - С. 27-29.
3. Meryem Terhan, Kemal Comakli, Energy and exergy analyses of natural gas-fired boilers in a district heating system, Applied Thermal Engineering, Volume 121, 2017, Pages 380387, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.04.091.
4. Лебедев В.А. «Эксергетический метод оценки энергоэффективности оборудования систем энергообеспечения предприятий минерально-сырьевого комплекса» Записки Горного института, vol. 219, 2016, pp. 435-443.
5. Антонова З.А., Крук В.С., Курсевич В.Н., Корсакова А.С. Эксергетический анализ получения энергии из твердого биотопливо // Альтернативные источники сырья и топлива: материалы VII Международной научно-технической конференции «АИСТ-2019». Минск, 28 - 30 мая 2019. Минск, 2019. С. 107-109.
6. Yushkova E.A., Lebedev V.A., Yakovlev P.V. Optimization of the boiler using the pinch method and exergy method // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. №378. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012052.
7. Vinicius Faria Ramo s, Olivert Soare s Pinheiro, Esly Ferreira da Co sta, Andréa Oliveira Souza da Costa, A method for exergetic analysis of a real kraft biomass boiler, Energy, Volume 183, 2019, Pages 946-957, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/i.energy.2019.07.001.
8. Vinicius Faria Ramo s, Olivert Soare s Pinheiro, Esly Ferreira da Co sta, Andréa Oliveira Souza da Costa, A method for exergetic analysis of a real kraft biomass boiler, Energy, Volume 183, 2019, Pages 946-957, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/i.energy.2019.07.001.
9. Qi Zhang, Henan Yi, Zaihai Yu, Jintong Gao, Xiaozhuang Wang, Heyong Lin, Bo Shen, Energy-exergy analysis and energy efficiency improvement of coal-fired industrial boilers based on thermal test data, Applied Thermal Engineering, Volume 144, 2018, Pages 614-627, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/i.applthermaleng.2018.08.069.
10. Sina Azami, Mina Taheri, Omid Pourali, Farschad Torabi, Energy and exergy analyses of a mass-fired boiler for a proposed waste-to-energy power plant in Tehran, Applied Thermal Engineering, Volume 140, 2018, Pages 520-530, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/iapplthermaleng.2018.05.045.
11. Иванов, А. П. Расчет КПД котла и систем ТЭС на основе эксергетических матриц / А. П. Иванов, Ц. Ц. Дамбиев // Теплоэнергетика. - 2008. - № 2. - С. 77-78.
12. Юшкова Е.А., Лебедев В.А. Эксергетический анализ котла посредством пинч-метода Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, вып. 21, № 4, 2019, с. 58-65.
13. Применение модели Хольта - Уинтерса и эксергетического метода для прогнозирования безопасного обращения с отходами в Российской Федерации / Л. А. Королева, Г. Б. Свидзинская, А. Г. Хайдаров, Г. К. Ивахнюк // Безопасность труда в промышленности. - 2021. - № 11. - С. 34-40. - DOI 10.24000/0409-2961-2021-11-34-40.
14. Хужаев П. С., Сулейманов А. А., Сайвалиев Ф. Р., Рахмонзода Т. Р. Энергетический и эксергетический анализ эффективности твердотопливных водогрейных котлов малой мощности с переменным объемом топки при сжигании различных видов угля // Бюллетень науки и практики. Электрон. журн. 2017. №5 (18). С. 106-111.
15. Орлов М.Е., Шарапов В.И. Эксергетический анализ теплоприговительных установок ТЭЦ. Надежность и безопасность энергетики. 2016, № 4, с.41-45.
16. Меркер Э.Э. Энергосбережение в промышленности и эксергетический анализ технологических процессов / Э.Э.Меркер, Г.А.Карпенко, И.М.Тынников / ООО «ТНТ», Старый Оскол, 2007. 316 с.
17. Правительство не поддержало проект строительства десятков мусоросжигательных заводов // tas s.ru: ежедн. интернет-изд. 2021. http s://tas s .ru/ekonomika/10746105?y sclid=lnvov6d31m892166817 (дата обращения: 18.10.2023).
18. Территориальная схема обращения с отходами. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tbo-rostov.ru.
19. И.М. Бернадинер, А.А. Ковальчук, Утилизация твердых бытовых отходов методом паровоздушной газификации, Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. 2014. № 2.
20. Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок: учебное пособие / А.А. Францева. О.К. Григорьева. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. - 88 с.
21. Безуглов Р.В., Способ пылеприготовления на ТЭС и устройство для его осуществления, / Пат. №2788060 Рос. Федерация, МПК F23G 5/027- № 2022115933; заявл. 14.06.2022; опубл. 16.01.2023. - Бюл. № 2.
Авторы публикации
Безуглов Роман Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» (ТЭСиТ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected].
Папин Владимир Владимирович - канд. техн. наук, и.о. заведущий кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» (ТЭСиТ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected].
Ведмичев Никита Александрович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» (ТЭСиТ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected].
Житников Сергей Владимирович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» (ТЭСиТ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected]
Анненков Роман Александрович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» (ТЭСиТ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected].
Воловиков Виталий Юрьевич - магистрант кафедры «Производственный и инновационный менеджмент» (ПиИМ) Южно-Российский государственный политехнический университет (ЮРГПУ (НПИ) имени М.И.Платова). E-mail: [email protected]
References
1. Sahin A.Z. Importance of Exergy Analysis in Industrial Processes. URL: https://www.researchgate.net/publication/228988818.
2. Plotnikov, V.V. Exergetic method in the system analysis of chemical-technological schemes / V.V. Plotnikov, O.G. Petrova // Modern science-intensive technologies. - 2009. - No. 4. - P. 27-29.
3. Meryem Terhan, Kemal Comakli, Energy and exergy analyzes of natural gas-fired boilers in a district heating system, Applied Thermal Engineering, Volume 121, 2017, Pages 380-387, ISSN 13594311, https://doi.org /10.1016/j.applthermaleng.2017.04.091.
4. Lebedev V.A. "Exergetic method for assessing the energy efficiency of equipment for energy supply sy stems of mineral re source complex enterpri se s" Proceeding s of the Mining In stitute, vol. 219, 2016, pp. 435-443.
5. Antonova Z.A., Kruk V.S., Kursevich V.N., Korsakova A.S. Exergy analysis of energy production from solid biofuel // Alternative sources of raw materials and fuel: materials of the VII International Scientific and Technical Conference "AIST-2019". Minsk, May 28 - 30, 2019. Minsk, 2019. pp. 107-109.
6. Yushkova E.A., Lebedev V.A., Yakovlev P.V. Optimization of the boiler using the pinch method and exergy method // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. No. 378. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012052.
7. Vinicius Faria Ramo s, Olivert Soares Pinheiro, E sly Ferreira da Costa, Andréa Oliveira Souza da Costa, A method for exergetic analysis of a real kraft biomass boiler, Energy, Volume 183, 2019, Pages 946-957, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.001.
8. Vinicius Faria Ramos, Olivert Soares Pinheiro, Esly Ferreira da Co sta, Andréa Oliveira Souza da Costa, A method for exergetic analysis of a real kraft biomass boiler, Energy, Volume 183, 2019, Pages 946-957, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.001.
9. Qi Zhang, Henan Yi, Zaihai Yu, Jintong Gao, Xiaozhuang Wang, Heyong Lin, Bo Shen, Energy-exergy analysis and energy efficiency improvement of coal-fired industrial boilers based on thermal test data, Applied Thermal Engineering, Volume 144, 2018, Pages 614-627, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.08.069.
10. Sina Azami, Mina Taheri, Omid Pourali, Farschad Torabi, Energy and exergy analyzes of a mass-fired boiler for a proposed waste-to-energy power plant in Tehran, Applied Thermal Engineering, Volume 140, 2018, Pages 520-530 , ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016Zj.applthermaleng.2018.05.045.
11. Ivanov, A. P. Calculation of the efficiency of a boiler and thermal power plant systems based on exergy matrices / A. P. Ivanov, Ts. Ts. Dambiev // Thermal power engineering. - 2008. - No. 2. - P. 77-78.
12. Yushkova E.A., Lebedev V.A. Exergy analysis of a boiler using the pinch method. News of higher educational institutions. Problems of energy, vol. 21, No. 4, 2019, p. 58-65.
13. Application of the Holt-Winters model and the exergy method for predicting safe waste management in the Russian Federation / L. A. Koroleva, G. B. Svidzinskaya, A. G. Khaidarov, G. K. Ivakhnyuk // Labor safety in industry. - 2021. - No. 11. - P. 34-40. - DOI 10.24000/0409-2961-2021-1134-40.
14. Khuzhaev P. S., Suleymanov A. A., Sayvaliev F. R., Rakhmonzoda T. R. Energy and exergy analysis of the efficiency of low-power solid fuel hot water boilers with variable furnace volume when burning various types of coal // Bulletin of Science and Practice . Electron. magazine 2017. No. 5 (18). pp. 106-111.
15. Orlov M.E., Sharapov V.I. Exergy analysis of heat treatment plants of thermal power plants. Reliability and safety of energy. 2016, no. 4, pp. 41-45.
16. Merker E.E. Energy saving in industry and exergy analysis of technological processes / E.E. Merker, G.A. Karpenko, I.M. Tynnikov / TNT LLC, Stary Oskol, 2007. 316 p.
17. The government did not support the project for the construction of dozens of waste incineration plants // tass.ru: daily. online edition 2021. https://tass.ru/ekonomika/10746105?ysclid=lnvov6d31m892166817 (date of access: 10/18/2023).
18. Territorial waste management scheme. [Electronic resource]. - Access mode: http://tbo-rostov.ru.
19. I.M. Bernadiner, A.A. Kovalchuk, Disposal of municipal solid waste by steam-air gasification method, Vestnik PNIPU. Applied ecology. Urbanism. 2014. No. 2.
20. Fundamentals of exergy analysis of fuel-using installations: textbook / A.A. Frantseva. OK. Grigorieva. - Novosibirsk: NSTU Publishing House, 2019. - 88 p.
Authors of the publication
Bezuglov Roman Vladimirovich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Papin Vladimir Vladimirovich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Vedmichev Nikita Aleksandrovich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Zhitnikov Sergey Vladimirovich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Annenkov Roman Aleksandrovich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Volovikov Vitaly Yurievich - Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Шифр научной специальности: 2.4.5. Энергетические системы и комплексы Получено 17.05.2024 г.
Отредактировано 28.05.2024 г.
Принято 27.06.2024 г.
