CC BY
39
таточно высокими (ктПп от 150 до 800). Если же в качестве начальных приняты параметры «выше» точки оптимума, диапазон штрафных коэффициентов существенно снижается (ктпп от 90 до 150). В этом случае имеет место быстрая сходимость к решениям, близким к оптимуму, что связано с линейным характером целевой функции. Далее при высоких значениях ктп процесс расходится. Пересчёт двойственных переменных как по варианту 1, так и по варианту 2 даёт устойчивую сходимость алгоритма оптимизации, хотя точность вычисления ограничительных функций по варианту 2 более высока. В целом рекомендации по назначению штрафных коэффициентов можно дать только после исследования модифицированной функции Лагранжа Рр для типа поставленной задачи. Более устойчивая сходимость может иметь место, если эти коэффициенты назначать соответственно каждому ограничению. Существенное влияние на выбор значений коэффициентов имеют величины градиентов целевой и ограничительных функций, а также характер этих функций.
Исследование оптимального решения на единственность Одним из основных вопросов при решении задачи оптимального проектирования является вопрос о единственности полученного результата. Для того
чтобы исследовать эту проблему, были выполнены решения задачи оптимизации составной двутавровой балки с нескольких стартовых точек, имеющих определённый шаг. В качестве начального проекта использовалось 5 величин высоты стенки (H0) и ширины полки (В0). Результаты 5-ти решений приведены в табл. 5, 6. Здесь Niter - число итераций, а NfunFx - число обращений к целевой функции. Параметр kmn во всех решениях принимался равным 800. Пересчёт двойственных переменных производился по варианту 2.
Из приведённых результатов видно, что сходимость во всех случаях примерно одинаковая (хотя решение 1 даёт меньшее число обращений к целевой функции). Номера потенциально активных ограничений для всех решений одни и те же, а значения невязок активных ограничений одного порядка.
Основные выводы
Все оптимальные решения, полученные с разных начальных точек, практически совпадают, что подтверждает устойчивость алгоритма. Невязки ограничений получены с достаточной степенью точности.
Таким образом, рассмотренные примеры оптимизации двутавровой балки продемонстрировали эффективность алгоритма оптимизации, которая заключается в его надёжности и широкой области сходимости.
Библиографический список
1. Безделев В.В., Дмитриева Т.Л. Рекурсивный многоме-тодный алгоритм решения задач оптимизации строительных конструкций // Проблемы оптимального проектирования сооружений: доклады 1 Всероссийской конференции. Новосибирск, 2000. С. 55-62.
2. Дмитриева Т.Л. Оптимальное проектирование элементов стальных конструкций при ограничениях по прочности и устойчивости. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. Vol.4, Issue 3, 57, 2008.
3. Дмитриева Т.Л. Алгоритм автоматизированного проектирования стальных конструкций // Информационные и математические технологии в науке и управлении: труды XIV Байкальской Всероссийской конференции. Иркутск: Изд-во
ИСЭМ СО РАН, 2009. С. 170-177.
4. Антипин А.С. Методы нелинейного программирования, основанные на прямой и двойственной модификации функции Лагранжа. Препринт ВНИИСИ. М., 1979. 73 с.
5. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982. 432 с.
6.Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа. М.: Радио и связь, 1987. 400 с.
7. Гольштейн Е.Г., Третьяков Н.В. Модифицированные функции Лагранжа и методы оптимизации. М.: Наука, 1989. 400 с.
УДК 691.26:620.18
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОПУТНО ПОЛУЧАЕМЫХ В КОТЛАХ ИСТОЧНИКОВ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Т.В.Коваль1, И.И.Айзенберг2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены основные проблемы, связанные с использованием золошлаковых отходов источников тепла систем теплоснабжения в строительной индустрии. Обоснована необходимость комплексного подхода для получения экономического и экологического эффектов как в строительной индустрии, так и в энергетической промышленности. Предложено котельный агрегат использовать в качестве котельной энерготехнологической установки
1 Коваль Татьяна Валерьевна, аспирант, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405414, e-mail: kovaltv@istu.edu
Koval Tatiana Valerievna, postgraduate student, senior lecturer of the chair of Heat Power Engineering, tel.: (3952) 405414, e-mail: kovaltv@istu.edu
2Айзенберг Илья Иделевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна, тел.: (3952) 405143.
Aizenberg Ilya Idelevich Ilya, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Heat and Gas Supply, Ventilation and Air Protection, tel.: (3952) 405143.
(КЭТУ) для производства не только тепловой энергии, но и золошлаковых продуктов определенного состава, необходимых для использования в строительстве. Разработана методика исследования влияния параметров процесса сжигания углей на эффективность работы КЭТУ. Предложена методика оценки эффективности работы КЭТУ на основе эксергетического КПД. Ил. 2. Табл. 4. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: строительные материалы и изделия; золошлаковые материалы; котельный агрегат; источник тепловой энергии; оптимальная работа энергетического котла; эксергетический КПД котла.
USE OF ASH AND SLAG MATERIALS PRODUCED ASSOCIATEDLY IN BOILERS OF THE SOURCES OF THE HEAT SUPPLY SYSTEM IN CONSTRUCTION T.V.Koval, I.I.Aizenberg
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors deal with the main problems associated with the use of ash and slag wastes from heat sources of heat supply systems in the construction industry. They prove the necessity of an integrated approach to receive economic and environmental effects both in the construction industry and in the power industry. It is proposed to use a boiler unit as a boiler power-technological device (BPTD) to produce heat together with the ash and slag products of a certain composition required in construction. The authors develop the procedure to study the effect of the influence of the parameters of coal combustion process on the BPDT efficiency. They propose the procedure to assess the efficiency of BPTD based on the exergic efficiency. 2 figures. 4 tables. 11sources.
Key words: building materials and products; ash and slag materials; boiler unit; source of thermal energy; optimal operation of power boiler; exergic efficiency of the boiler.
Реализация национальной программы «Доступное жилье» потребовала от строительной индустрии существенного увеличения объемов производства стройматериалов. Возникает необходимость в обеспечении отрасли требуемым количеством сырья. В целом ряде регионов спрос на строительные материалы не может быть удовлетворен материалами, произведенными в данном регионе. Поэтому возникают проблемы, связанные с добычей природного минерального сырья, так как высокий спрос влечет за собой незаконную добычу сырья, снижение его качества при резком росте цены, что приводит к дополнительному росту стоимости строительства [1].
Увеличение стоимости природного минерального сырья, закладываемой в цену квадратного метра построенного жилья, и тяжелые экологические последствия, связанные с многочисленными нарушениями при разработке их месторождений, заставляют специалистов все чаще обращаться к вопросу перспективности добычи инертных материалов. Вариант снижения себестоимости строящегося жилья за счет переработки и прямого использования золы и шлака источников тепла систем теплоснабжения, в основном теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), остается одним из перспективных.
Сегодня на производство большей части строительных материалов Россия тратит в несколько раз больше невосполнимых природных ресурсов, чем страны, где ресурсосбережению уделяется большое внимание.
В развитых странах уже давно запрещена разработка карьеров для получения песка, гравия или щебня как заполнителей для бетонов. Нехватку в плотных заполнителях они восполняют за счет переработки техногенных отходов, причем в последнее время в немалой степени отходов производства тепловой энергии [1].
В России, когда речь идет о золе и шлаке угольных ТЭЦ, широко распространен термин «золошлаковые отходы» (ЗШО). Электростанции предлагают потребителям именно отходы, а не технологически доработанный продукт с соответствием его характеристик требованиям строительных нормативных документов [2].
Кроме того, отвалы золошлаков занимают большие площади, а их содержание требует значительных эксплуатационных затрат, которые влияют и на повышение себестоимости производства энергоносителей. Также они являются источником загрязнения окружающей среды, представляют опасность для здоровья населения и угрозу растительному и животному миру близлежащих районов.
Понятие «отходы» в первую очередь говорит об отсутствии технологий, которые могли бы преобразовать их в целевой продукт. Подобная терминология затрудняет понимание возможности практического применения зол и шлаков в различных отраслях промышленности, в частности строительной, и реализации их как товарного продукта.
В зарубежных странах золошлаки называют побочными, или попутными, продуктами сжигания угля, а именно золошлаковыми материалами (ЗШМ). Электростанции осуществляют предпродажную подготовку продукта, доводя характеристики золошлаков до требований официальных строительных нормативных документов.
Стоит отметить тот факт, что в зарубежных странах строители законодательно обязаны применять золу ТЭЦ в бетонах и растворах, а нарушители подвергаются экономическим санкциям со стороны государства. В некоторых странах золошлаки ТЭЦ отпускаются потребителям бесплатно и применяются мощные экономические рычаги, стимулирующие использование золошлаков [2]. Например, в Великобритании
и Германии действуют специализированные фирмы по сбыту золы и шлаков. В этом направлении в г. Иркутске действует созданное в январе 2005 года дочернее акционерное общество ОАО «Иркутскэнерго» ЗАО «Иркутскзолопродукт», которое выполняет непрофильную для станций энергосистемы работу по созданию на ТЭЦ условий для реализации масштабной переработки ЗШО ТЭЦ в ЗШМ и общественно полезную продукцию [3].
На сегодняшний день известно около 300 различных технологий переработки ЗШО по 23 направлениям, соответствующим мировому уровню, но, как правило, только малая часть имеет практическую реализацию. Это подтверждает и низкий уровень использования золошлаков в России (табл.1), годовое потребление составляет не более 10% от годового их выхода, в Иркутской области всего лишь 2%, в то время как в западных странах этот показатель достигает 7095%, а иногда почти 100%.
Золошлаки иркутских станций на региональном рынке сбыта могут быть использованы в качестве [3]:
заменителя природных строительных материалов, таких как песок, щебень, грунт для обратной засыпки, наполнитель цемента для использования в дорожном, промышленном и гражданском строительстве; заменителя природного сырья для производства строительных материалов, таких как стеновые материалы, цемент, сухие строительные смеси, товарный бетон, товарный раствор, ЖБИ; исходного продукта для получения оксидов алюминия, кремнезема (белая сажа), алюмосиликатных полых микросфер (АСПМ), галлия, редкоземельных элементов, используемых в шинной промышленности, производстве цветной металлургии, нефтехимической промышленности, изготовлении хрусталя, резинотехнических изделий; в качестве мелиоранта почв в сельском хозяйстве.
В строительной индустрии золы и шлаки могут применяться при производстве [4]: силикатного кирпича, стеновых строительных материалов, газосилика-тобетонных блоков и изделий (в т.ч. и армированных), сухих строительных смесей, гидравлических вяжущих и добавок к портландцементу и пуццолановому цементу, теплоизоляционных материалов (аналогичных стекловате, базальтовым или муллитовым ватам различного технического назначения), строительных шпатлевок, герметизирующих материалов (в качестве наполнителя), тонкомолотых наполнителей, газосили-катобетонных блоков и изделий автоклавного твердения - теплоизоляционного стенового строительного материала и др.
Однако существуют факторы, сдерживающие
применение золошлаков ТЭЦ в производственном процессе, основным из которых является их нестабильность по химическому и минеральному составам, содержанию оксидов щелочных металлов и несгорев-шего топлива. Для использования ЗШО в промышленности необходима дополнительная их обработка или переработка в другой продукт - ЗШМ («вторичное» сырье), что порождает новые трудности, обусловленные появлением отходов глубокой переработки ЗШО.
Учитывая направления использования ЗШМ, необходимо стремиться применять недорогие, экологически безопасные и высокоэффективные приемы переработки как золы-уноса и шлака, так и топлива в процессе горения, а также технологии, предусматривающие комплексную его переработку, то есть на основе энерготехнологий, которые позволят использовать органическую и минеральную составляющие части топлива. Кроме того, целенаправленное получение ЗШМ в топках энергетических котлов источников тепла позволит добиться не только экологического эффекта, но и снижения себестоимости тепловой
1
энергии отпускаемой потребителям за счет продажи полученных ЗШМ.
Состав и свойства ЗШМ зависят в первую очередь от характеристик минеральной части исходного топлива, технологии его сжигания (условий работы котла).
Минеральная часть топлива подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Основная доля, определяющая общее количество неорганического вещества в топливе, может приходиться как на внешние, так и на внутренние минеральные включения [6].
Внутренняя минеральная часть топлива химически связана с органической (материнской) массой топлива. Внешняя минеральная часть топлива, главным образом, представлена следующими минералами: глинистые минералы (каолинит А!2О3-28Ю2-2Н2О); слюда различного состава (мусковит К2О-3А!2О3-68Ю2-2Н2О, иллит); разновидности шпатов (ортоклаз К20-А!2О3-68Ю2, альбит №20-А!2О3-68Ю2); анортит (Са0-А!2О3-28Ю2); кварц (8Ю2); пирит и марказит (Ре82); карбонатные минералы (кальцит СаСО3, магнезит МдС03, доломит СаМд(С03)2, сидерит РеС03, сульфаты (гипс Са804-2И20) и др). Из перечисленных минералов наиболее общими для твердых топлив являются глинистые минералы, представленные каолинитами, слюдой и кварцем [5].
В котлах источников тепла систем теплоснабжения Иркутской энергосистемы используются, в основном, бурые угли Канско-Ачинского (ирша-бородинский, ирбейский, переясловский) и Иркутского бассейнов
Таблица
Показатели образования и использования золошлаков в России и Иркутской области_
Показатель Россия Иркутская область
Количество станций, работающих на твердом топливе, шт. 141 15
Годовой выход золы и шлака, млн т 50 2
Количество накопленных ЗШО на золошлакоотвалах, млрд т 1,5 0,08
Общая площадь отвалов, тыс.га 22 2
Полезное использование золы и шлака от годового выхода, % 5-10 2
(азейский и мугунский). В связи с этим для анализа преобразования минеральной части твердого топлива были выбраны следующие их представители: азей-ский и ирша-бородинский. В табл. 2 представлены основные минеральные соединения азейского и ирша-бородинского бурых углей [6].
(оксиды кальция, кремния, алюминия и др.), и образующиеся соединения достаточно однообразны для углей различных месторождений, но их количество зависит от исходного минерального состава топлива [7].
В табл. 3-4 приведены минеральные соединения,
Таблица 2
Исходный минеральный состав азейского угля
Соединение Формула
Азейский бурый уголь Ирша-бородинский бурый уголь
Уголь СИхЫА СНхЫА
Магнезит МдС03 МдС03
Сидерит РеСС>3 РеС03
Кальцит СаС03 СаС03
Кварц - 8Ю2
Пирит Ре82 Ре82
Каолинит АЦвЦО^ОН^ -
Глинистые ЛЬвцОк^ОН^-Ш-^О; КА!2(А!813010)(0Н)2 А!2814010(0Н)2-шН2О
минералы ; А!48140Ю(0Н)8 и др. КА!2(А!81301с)(0Н)2
А!48140Ю(0Н)8 и др.
Процессы, определяющие физико-химические свойства золы и шлака, формируются в ходе превращений минерального вещества, которые протекают в топочной камере (в зоне активного горения). Факторами, влияющими на преобразование минеральной части угля во время сгорания, являются: температура горения, количество подаваемого окислителя в топку (коэффициент избытка воздуха), время пребывания частицы топлива в топке, состав среды (продуктов сгорания) и условия контактирования между отдельными частицами топлива. Поскольку эти параметры могут быть в определенных пределах изменены при конструировании топочных устройств или выдержаны при эксплуатации парогенераторов, то процессы превращения минеральной части топлива также могут быть в некоторых пределах управляемы [5].
Зная механизмы поведения минеральных компонентов угля в процессе его сжигания, возможно решить задачу выбора оптимальных режимов горения для производства золошлаковых материалов с необходимым потребителям химическим и минералогическим составом, при этом не снижая эффективность работы котельной установки [7].
Таким образом, котельный агрегат преобразуется в котельную энерготехнологическую установку (КЭТУ) для производства не только тепловой энергии, но и золошлаковых продуктов. Только энерготехнологическое использование топлива позволит с максимальной эффективностью и высоким коэффициентом полезного действия использовать как органическую, так и минеральную - зольную - составляющие части топлива.
При горении в топочном пространстве котла в определенных (режимных) условиях протекают превращения минеральных компонентов топлива, описываемые тысячами реакций с разложением исходных, образованием новых минеральных соединений и их взаимодействием [6]. Причем преобразование минеральных соединений углей в топках котлов сводится, в основном, к упрощению общего минерального состава
образующиеся в результате температурного влияния на исходные минеральные соединения азейского и ирша-бородинского бурых углей при коэффициенте избытка воздуха (а), равного 1,2 [6,7].
В результате проведенных исследований разработана методика определения оптимальных режимов сжигания топлив в КЭТУ для получения требуемых ЗШМ без снижения энергетической эффективности ее работы.
В настоящее время в теплоснабжении Иркутской области участвуют 12 ТЭЦ ОАО«Иркутскэнерго», 3 ТЭЦ других ведомств (Байкальского целлюлозного завода, Братского и Усть-Илимского лесопромышленных комплексов), отопительные и промышленные котельные. Около 59% производства тепловой энергии приходится на ТЭЦ и 23% - на крупные котельные, работающие на угле. Поэтому целесообразнее организовать энерготехнологическое использование твердого топлива на крупных источниках теплоснабжения.
В связи с тем что в результате работы КЭТУ получаемые продукты представляют собой качественно различные формы (пар, идущий на производство тепловой и электрической энергии, и твердые золошла-ковые продукты), то для оценки эффективности ее работы предлагается использовать методику на основе эксергетического коэффициента полезного действия (КПД). Как известно, эксергетический метод термодинамического анализа технологических процессов - это единственный метод, позволяющий учесть разнородные потоки, оценить их работоспособность при переходе к параметрам окружающей среды.
Преимуществом эксергетического метода является также и то, что он учитывает практическую ценность различных видов энергии, затрачиваемых в процессе производства той или иной продукции, отпускаемой потребителям.
Эксергетический метод основан на использовании второго закона термодинамики, и его применение позволяет определить относительное влияние на эф-
Таблица 3
Значения минеральных соединений, образующихся в результате температурного влияния на ис-_ ходные минеральные соединения азейского угля при а = 1,2_
Соединение Формула Температура, °С
1200-1300 1300-1400 1400-1500 1500-1600 1600-1700
Алит Са38Ю5 8 8 8 8 8
Гематит РеА 2,5 1,7 - - -
Магнетит РезС>4 - 1,5 3 3 2,5
Кварц бЮ2 44 44,5 45 46 47
Форстерит Мд28Ю4 - - 1,9 1,9 -
Периклаз Мд0 - - - 1,5 1,5
Кордиерит Мд2А14в15018 7,7 7,7 3,5 - -
Муллит А!6Б1201з 37 38 40 41 41
Лейцит КА!8120в 1 0,5 0,5 - -
Нефелин №А!8Ю4 0,5 0,3 - - -
Таблица 4
Значения минеральных соединений, образующихся в результате температурного влияния на _исходные минеральные соединения ирша-бородинского угля при а = 1,2_
Соединение Формула Температура, °С
1200-1300 1300-1400 1400-1500 1500-1600 1600-1700
Алит Са38Ю5 36 36 36 36 36
Гематит Ре203 4,3 2 - - -
Магнетит Ре304 - 2 4 4 4
Кварц 8Ю2 13 13 24 34 36
Форстерит Мд28Ю4 - - 3,5 4,5 -
Периклаз Мд0 - - - - 4,5
Кордиерит Мд2А!4815018 32 33 15 - -
Муллит А!6812013 - - 2 2,5 3
Лейцит КА!81206 1,7 1,5 1 - -
Нефелин №А!8Ю4 1,5 1 0,5 - -
Герцинит РеА!204 - - 7 16 16
Клиноэнстатит Мд8Ю3 1 - - - -
Ферросиллит Ре281206 12,5 12,5 8 - -
фективность различных стадий процесса преобразования энергии и учесть как потери, найденные из энергетического (теплового) баланса, так и выявить другие потери, которые не учитываются при составлении теплового баланса при определении КПД котла. К последним относятся: потери из-за необратимости горения топлива, потери при неравновесном теплообмене, потери при смешении и т.п. [8].
Основная цель эксергетического анализа систем заключается в комплексной оптимизации параметров для того, чтобы получить наибольшую возможную термодинамическую эффективность системы, то есть максимальный эксергетический КПД.
Важно отметить, что вопрос об экологичности технического объекта напрямую связан с его термодинамической эффективностью: чем выше его КПД, то есть чем больше величина полезно используемой энергии всех форм, тем меньше выбросы эксергии и меньше негативное воздействие данного объекта на окружающую среду [10]. Поэтому экологические проблемы источников тепла можно и нужно рассматривать параллельно с решением наиболее часто выполняемых
исследований по оценке энергетической эффективности технологий, выявлению резервов энергосбережения и т.п.
В общем виде эксергетический КПД выражается формулой
ЕЕ" ЕЕ' - ЕАЕ ЕАЕ
Пех =-- =-:-= 1 --
ЕЕ'
ЕЕ'
ЕЕ'
где
ЕЕ' -
сумма потоков эксергии, которые опреде-
ляют полезный эффект рассматриваемой системы
(аппарата); ЕЕ' - эксергетические затраты (потери), направленные на достижение необходимого эффекта;
ЕАЕ - потери эксергии вследствие необратимости процесса. Данное соотношение можно представить (выразить) в виде диаграммы Грассмана, изображенной на рис.1.
На рис.1 ширина заштрихованной части в условном масштабе соответствует потокам эксергии. Потери эксергии вследствие необратимости процесса изображены двойной штриховкой.
В топочных процессах преимущественное значение для энергетиков имеют физические процессы, но
процесс горения - это сложный физико-химический процесс высокотемпературного окисления горючих элементов топлива. Поэтому процессы, происходящие в котле, необходимо рассматривать в совокупности с химическими преобразованиями не только горючих элементов, участвующих в горении с выделением тепла (экзотермические реакции), но и с учетом химических преобразований минеральных соединений твердого топлива.
Рис.1. Эксергетическая диаграмма Грассмана
Определение эксергии в процессах, связанных с изменением химической структуры веществ носит более сложный характер, чем в физических процессах. В связи с этим возникает необходимость воспользоваться понятием «химической эксергии», которое позволит правильно оценить значимость твердых продуктов (золы и шлака), образующихся в результате сгорания.
Понятие химической энергии и эксергии вещества впервые введены Я.Шаргутом. Он же предложил методику расчета этих характеристик для химических элементов. Позже первоначально предложенная методика расчета этих характеристик дорабатывалась как самим Я.Шаргутом, так и другими специалистами в этой области. Наиболее точной и универсальной, по мнению авторов, является методика, разработанная В.С. Степановым. Рассчитанные значения химической энергии и эксергии веществ, часто встречающихся в производственных процессах, сведены в таблицы и представлены в [9].
Стоит отметить, что эксергия любого вещества определяется как сумма его физической и химической эксергий: е = вфш + ехим. Если вещество участвует в
каком-либо чисто физическом процессе, то нет необходимости определять его химическую эксергию [8].
Таким образом, общий эксергетический КПД энерготехнологической переработки угля в КЭТУ может быть выражен формулой
ЪЕ' Еп + Еп.
пех =■
ЪЕ'
Ет
где Еп - эксергия вырабатываемого пара КЭТУ; Епп - эксергия побочных химических продуктов, получаемых после полного сгорания топлива (золошла-ковых продуктов (ЗШП)); Епют - эксергия топлива,
направленного на сжигание и получение тепловой энергии.
Методика оценки эффективности работы КЭТУ основана на подходах, предложенных в [8-11].
Химическая эксергия угля (рабочего топлива), Етюпл , в зависимости от рассматриваемого контекста,
может быть определена различными способами [10].
Например, по методике З.Ранта химическая эксергия для каменных и бурых углей определяется по
формуле: ех = , здесь а' - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Я. Шаргут и Т. Стырыльска сделали попытку уточнить формулы Ранта путем более полного учета химического состава топлива. Формула для расчета химической эксергии технического твердого топлива (на рабочую массу), предложенная Я.Шаргутом и Т.Стырыльской:
(а + г Жг)х
\ л^г исп у
1,0437 + 0,1896
Н
Сг
Ог N +0,0617 — + 0,0428-+ 97105"'
Сг Сг
где 'исп - теплота испарения влаги кДж/кг; Жг, 5Г -массовое содержание влаги и серы в топливе, %;
Нг Ог N
-, —,--отношения массовых долей водоро-
С' С' С'
да, кислорода и азота к доле углерода.
Н.Д.Захаров, анализируя формулы расчета химической эксергии разными исследователями, предложил эксергию подразделять на высшую и низшую и все расчеты вести по низшей эксергии. Выполнив расчеты значений низшей химической эксергии и сопоставив их со значениями низшей теплоты сгорания для целого ряда топлив, он рекомендовал свои формулы расчета, так для бурых углей и торфа низшая химическая эксергия имеет вид
0,978-
0,2670г + 0,103ЖГ 100-( + Жг)
а:
где Ог, Жг, Аг - кислород, влажность и зольность топлива, %.
Существуют и другие формулы для определения химической эксергии топлив, предложенные другими авторами, и каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.
Авторы работы [10], сопоставляя различные методики расчета химической эксергии топлив, выбрали наиболее подходящие , произвели массовые расчеты и установили значения химической эксергии топлив, применяемых в нашей стране.
Эксергия по пароводяному тракту котла рассчитывается по формулам для определения эксергии массы в потоке [8]. Таким образом, эксергия пара определяется по формуле
х
ех.. =
епп = Кпп К Та (пп яо ),
где Кпп, Ко - энтальпия перегретого пара и окружающей среды, кДж/кг; 8пп, - энтропия перегретого пара и окружающей среды, кДж/кг-К; То - температура
окружающей среды, К.
Для определения эксергии золошлаковых продуктов, Епп , необходимо знать значения химических
эксергий веществ, получающихся в результате химических реакций при сгорании топлива. При этом необходимо учитывать, что для определения химической эксергии золошлаковых продуктов, помимо химического анализа конечных очаговых остатков, нужно знать их минералогический состав, так как химическая эк-сергия соединения не является суммой химических эксергий входящих в него групп. Поэтому данные химического анализа рассматриваемых (получаемых) материалов должны быть дополнены сведениями о способах увязки между собой отдельных элементов и групп [9], что и было представлено в данной статье (см. табл.3-4).
При отсутствии данных для каких-либо соединений в [9] их можно рассчитать по формулам, соответствующим методике расчета химической эксергии веществ В.С.Степанова, которые приводятся ниже.
Расчетная формула для определения химической эксергии любого соединения г имеет вид [9]:
е2 =Еш]е°] + АО°,
где ш^ - количество (масса) у-го элемента в молях; е°° - химическая эксергия у-го элемента (простого вещества), входящего в состав вещества г; АG° -
стандартная свободная энтальпия (энергия Гиббса) образования, то есть изменение изобарного потенциала при реакции образования вещества г из простых веществ в стандартном состоянии.
При вычислении значений химической эксергии сложных веществ их можно рассматривать как механические смеси (в нашем случае, сумма конечных минеральных соединений после сжигания); тогда, зная удельные значения химической эксергии соединений (элементов), входящих в состав рассматриваемого вещества, можно рассчитать аналогичные характеристики для последнего по формуле [9]:
где V - доля г-го химического соединения (элемента) в единице рассматриваемого вещества; ег -
удельная химическая эксергия г-го соединения (элемента).
На основании предложенной методики были построены графики, изображенные на рис. 2 (с учетом данных, приведенных в табл. 3-4), которые показывают изменение химической эксергии ЗШП от температуры и коэффициента избытка воздуха.
Из графиков видно, что для азейского угля (см.рис.2,а) наибольшее значение химической эксергии ЗШП достигается при режиме работе котла при коэффициенте избытка воздуха (а), равного 1,2, и при температурах от 1300°С до 1550°С, что соответствует оптимальным режимам работы топок котлов с твердым шлакоудалением на ТЭЦ. Для ирша-бородинского бурого угля (см.рис.2,б) максимальные значения химической эксергии ЗШП наблюдаются при температурах более 1500°С (при а < 1,2) и 1600°С (при а = 1,2), это говорит о том, что этот уголь целесообразнее сжигать в топках с жидким шлакоудалением, где температура в зоне активного горения находится в пределах 1600-1700°С.
После определения химической эксергии золош-лаковых продуктов можно рассчитать эксергетический КПД КЭТУ. В качестве примера приведем результаты расчетов по приведенной выше методике для котла типа БКЗ-420-140, проектное топливо которого азей-ский бурый уголь. Основные параметры работы котельного агрегата: паропроизводительность - 420 т/ч; давление перегретого пара на выходе из котлоагрега-та - 13,8 МПа; температура перегретого пара - 560°С; температура уходящих газов - 139°С; коэффициент избытка воздуха в топке - 1,2; температура в зоне активного горения (принимаем) - 1500°С. Расчеты показали, что при совместном производстве пара и ЗШП эксергетический КПД составит примерно 57%, а при выработке одного пара КПД будет около 50%, то есть будет ниже.
Таким образом, учитывая, что высокотемпературный технологический процесс получения золошлаковых продуктов помещен в головную зону парового котла, общий КПД будет значительно выше (чем при производстве одного пара), примерно на 5-7%, так как при совместной выработке продуктов необратимость теплообмена будет существенно снижена за счет двойного функционирования эксергии (энергии) в зоне активного горения.
Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением теплоты, следует полагать, что на некоторые химические превращения минеральных соединений твердого топлива при горении затрачивается какое-то количество теплоты. Таким образом, снижение необратимости теплообмена будет достигаться за счет того, что часть теплоты, выделяемая топливом при сгорании, идет не только на нагрев воды до парообразного состояния, но и полезно тратится на осуществление (превращения) химических реакций. Стоит отметить, что при традиционном подходе к эффективности работы котельной установки, основанном на тепловом балансе, химическая составляющая золы и шлака не учитывается.
z
Температура
а)
Температура б)
Рис.2. Зависимость изменения химической эксергии золошлаковых продуктов азейского угля от температуры горения при различных значениях коэффициента избытка воздуха (---при а = 1,2;------при а <
1,2;........- при а > 1,2): а - азейский бурый уголь; б - ирша-бородинский бурый уголь
Основным в предлагаемой энерготехнологической переработке угля с целью получения полезных золошлаковых продуктов определенного состава является то, чтобы эффективность работы котельной установки по пару была не ниже, чем при традиционной схеме производства тепловой энергии. А методика расчета оценки эффективности работы КЭТУ показывает целесообразность предлагаемого подхода использования твердого топлива. Кроме того, если целенаправленно получать ЗШП в топках энергетических котлов, возможно снижение себестоимости тепловой энергии за счет дохода от реализации строи-
тельных материалов на основе ЗШМ и за счет уменьшения экологических платежей на содержание золо-отвалов. Дополнительный экологический эффект достигается за счет того, что нет необходимости в расширении площадей золошлакоотвалов.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, можно сделать следующие основные выводы: - исследование влияния режимных параметров котла на состав образующихся золошлаков позволяет организовать процесс горения с получением определенного их минерального состава, необходимого потребителям для дальнейшего их использования;
- разработана методика оценки эффективности работы котла как энерготехнологической установки на основе эксергетического КПД;
- наибольшая эффективность работы ТЭЦ может быть достигнута при производстве не только тепловой и электрической энергии, но и побочных золошлако-вых продуктов, которые могут быть учтены при определении эксергетического КПД в качестве полезных потоков эксергии;
- при совместной выработке пара и золошлаковых
продуктов достигается тройной эффект: повышение качества окружающей среды; снижение себестоимости тепловой энергии; энерго- и ресурсосбережение; - снижение себестоимости строящегося жилья возможно достичь за счет переработки и прямого использования ЗШМ в качестве замены природного минерального сырья при производстве строительных материалов и изделий, что способствует реализации государственных программ «Доступное жилье» и «Малоэтажное строительство».
1. Фомин И. Промышленные отходы - ценное сырье для стройматериалов // «Строительная газета». 2005, апрель. № 13.
2. Торгово-промышленная палата РФ. Комитет по предпринимательству в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства. «О предложениях по переходу промышленности стройматериалов РФ на использование многотоннажных технологий на основе техногенного сырья»: доклад Денисова Г.А. от 29 июля 2006 г. 7 с.
3. Усманов Н.В., Усманов Н.Н. Производство силикатного кирпича и других строительных материалов из золы уноса и шлаков энергогенерирующих компаний: аналитический обзор. Казань, 2008. 13 с.
4. Деятельность ЗАО «Иркутскзолопродукт». Рекламный проспект ОАОЭ и Э «Иркутскэнерго», 2010. 5 с.
5. Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей. М.: Энергия, 1977. 312 с.
ский список
6. Картамышев А.А. Физико-химическая модель сжигания высокозольных твердых топлив: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 02.00.01 / Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Иркутск, 1992. 18 с.
7. Коваль Т.В., Картавская В.М. Образование и поведение минеральных компонентов твердого топлива в топках энергетических котлов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 9-10. С.149-152.
8. Сидельковский Л.Н., Фальков Э.Я. Эксергетические балансы огнетехнических процессов. М.: МЭИ, 1967. 55 с.
9. Степанов С.В. Химическая энергия и эксергия веществ. Новосибирск: Наука, 1990. 163 с.
10. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Эффективность использования энергии. Новосибирск: Наука, 1994. 257 с.
11. Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2004. 158 с.
УДК 628.316
ЗАВИСИМОСТЬ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ АЭРАТОРА ОТ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ «ЖИДКОСТЬ-ГАЗ» В АЭРОТЕНКЕ
В.Н.Кульков1, Е.Ю.Солопанов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены зависимости удельной поверхности контакта фаз от интенсивности и вида аэрации, места расположения аэраторов, количества и глубины погружения аэраторов, наличия в модели аэротенка синтетических водорослей типа «ерш». Ил. 6. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: аэротенк; аэратор; окислительная способность; аэрация; поверхность контакта фаз.
DEPENDENCE OF OXIDATIVE ABILITY OF AN AERATOR ON THE «LIQUID-GAS» PHASE CONTACT SURFACE IN THE AERATION TANK V.N. Kulkov, E.Yu. Solopanov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors present the dependences of the specific surface of phase contact on the intensity and type of aeration, the location of the aerators, quantity and depth of aerators, the presence of synthetic algae of the «brush» type in the model of the aeration tank. 6 figures. 5 sources.
Key words: aeration tank; aerator; oxidative capacity; aeration; phase contact surface.
1 Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, водоотведения, охраны и рационального использования водных ресурсов, тел.: (3952) 405142, e-mail: kvn@istu.edu
Kulkov Viktor Nikolaevich, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the chair of Water Supply, Water Drainage, and Ecology of Water Resources, tel.: (3952) 405142, e-mail: kvn@istu.edu
2Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, тел.: (3952) 405279.
Solopanov Evgeny Yurievich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Information Science, tel.: (3952)
405279.
