CC BY
93
УДК 662.87.051.5
КОМПЛЕКСНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
В.Н. ДЕЛЯГИН1, доктор технических наук, зав. лабораторией (e-mail: valdel@ngs)
Н.М. ИВАНОВ1, доктор технических наук, директор В.И. МУРКО2, доктор технических наук, директор В.И. КАРПЕНОК2, зам. директора Д.И. ЧЕРНЫХ2, научный сотрудник 1 Сибирский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация
2ЗАО «Научно-производственное предприятие «Сибэкотехника», проезд Коммунаров, 2, Новокузнецк, 654000, Российская Федерация
Резюме. Предложен энерготехнологический комплекс, использующий отходы углеобогащения в виде водоугольного топлива (ВУТ), для утилизации отходов жизнедеятельности животных. Реализована идея о целесообразном совмещении технологических процессов производства тепловой энергии, утилизации отходов жизнедеятельности животных (ОЖЖ) и отходов углеобогащения путем использования вихревой адиабатической топки, работающей на водоугольном топливе, произведенном из отходов углеобогащения. Среди основных преимуществ разработанного способа термической утилизации можно назвать высокий КПД вихревой адиабатической топки (85-88%) при работе на отходах углеобогащения; низкая стоимость основного топлива, обеспечивающая удельные затраты на получение 1 Гкал (по топливу) на уровне 150 руб.; требуемый температурный уровень в топке 1050-1100 0С; экологическая безопасность. Для полной термической утилизации отходов жизнедеятельности животных с исходной влажностью до 70% потребуется соотношение подачи ВУТ и ОЖЖ до 3:1. Его сужение до (1,2-1,1):1 может обеспечить термическая сушка ОЖЖ до 45-50%. Использование такого метода утилизации дополнительно позволяет решать задачи по повышению эффективности производства тепловой энергии, ресурсосбережению (замещение качественного топлива отходами углеобогащения), рациональному природопользованию (снижение выбросов вредных веществ в биосферу в 1,5 раза и увеличение площади сельскохозяйственных угодий благодаря рекультивации территорий занятых под хранение отходов углеобогащения).
Ключевые слова: технологический комплекс, водоугольное топливо, котельная, отходы углеобогащения, утилизация, животноводческий комплекс.
Для цитирования: Комплексная утилизация отходов с использованием теплоэнергетических установок/ В.Н.Делягин, Н.М. Иванов, В.И. Мурко, В.И. Карпенок, Д.И. Черных//Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №4. С. 83-86.
Проблема утилизации отходов животноводства за рубежом решается, прежде всего, путем рассредоточения производства, что позволяет не превышать предел рекреационной способности биосферы. Использование такого технологического приема в Российская Федерация сегодня невозможно, поскольку до 9/10 товарной свинины и мяса птицы производят на крупных комплексах, где проблема полной утилизации отходов жизнедеятельности животных (ОЖЖ) практически не решена. Наиболее радикальное ее решение - термическая утилизация. Однако вследствие высоких энергозатрат и значительных объемов отходов на существующих крупных свинооткрмочных комплексах (до 100 т/сут.) этот метод имеет ограниченное применение [1].
В то же время в Кузбассе непрерывно возрастает количество отходов углепереработки (ОУП), которое на сегодняшний день превышает 150 млн т. Для их
складирования из сельскохозяйственного оборота выведены сотни тысяч гектаров плодородных земель [2]. Углесодержащие отходы, как правило, утилизируют наиболее примитивным образом. Воды шахтного притока, технологические воды обогатительных фабрик с мелкими угольными частицами сбрасывают в поверхностные отстойники, которые периодически чистят механогидравлическим способом и повторно добытые угольные шламы сбрасывают либо в отработанные выработки шахт, либо в ближайшие овраги и водоемы.
Кроме того, следует отметить, что среднегодовой коэффициент использования топлива для угольных котельных в сельской местности по полному циклу (добыча - транспорт - распределение - сжигание) составляет в общем случае п = 0,19-0,38, себестоимость производства тепловой энергии - 1200-1800 руб./Гкал. Удельные выбросы вредных веществ небольших энергоустановок достигают следующих значений: двуокиси серы 0,26-1,30; двуокиси азота 0,20-0,30; окиси углерода 2,60-2,70; пыли 0,57-0,80 кг/ГДж [3]. Летучая зола малых теплогенери-рующих энергоустановок в сельской местности содержит в десятки тысяч раз больше бенз(а)пирена и других вредных веществ, чем на крупных теплоэнергоцентралях (ТЭЦ) [4]. Поскольку выбросы вредных веществ таких энергоустановок оседают на близлежащей (жилой) территории, их содержание в атмосфере этой территории во много раз превышает критические значения.
Задачи утилизации отходов углеобогащения и сельскохозяйственного производства можно решить комплексно и одновременно обеспечить энергией сельскохозяйственные предприятия. Подобный метод позволит получить значительный экономический и экологический эффект.
Цель наших исследований - оценить возможность и параметры термической утилизации отходов крупных животноводческих комплексов (условия устойчивой работы котлоагрегата, соотношение подаваемого водоугольного топлива и ОЖЖ, технико-экономические показатели процесса утилизации) при использовании водоугольного топлива, произведенного из отходов углеобогащения.
Условия, материалы и методы. На основании анализа проблемы утилизации отходов жизнедеятельности животных было признано целесообразным совместить технологические процессы производства тепловой энергии и утилизация ОЖЖ и ОУП. Для реализации такого предложения необходимо модифицировать имеющиеся теплоэнергетическое оборудование. Лучше всего для этого подходит вихревая адиабатическая топка, в которой можно использовать водоугольное топливо, произведенное из отходов углеобогащения (табл. 1).
Для достижения поставленной цели были проведены исследования по термической утилизации отходов жизнедеятельности животныхв вихревой адиабатической камере сжигания с энергоносителем в виде суспензионного водоугольного топлива (ВУТ), приготовленного на основе отходов фильтр-кека углеобогатительной фабрики «Щедрухинская» (г. Новокузнецк). Для предварительного нагрева топки
Таблица 1. Характеристика материалов, использованных в эксперимен тальных исследованиях
Показатель 1 Навоз свиной ВУТ
Марка угля - «ГЖ»+ «Ж»
Влага общая, % 77 40,0
Зольность на сухое состояние топлива, % 10,4 26,0
Высшая теплота сгорания на сухое беззольное со-
стояние топлива, МДж/кг (ккал/кг) 12,0 (2863) 33,05 (8436)
Низшая теплота сгорания, МДж/кг (ккал/кг) 2,18 (520) 14,3 (3415)
использовали дизельную горелку. После достижения устойчивой работы топки на ВУТ в топочное пространство дозировано подавали ОЖЖ свинокомплекса ООО «СПК «Чистогорский» (г. Новокузнецк). Для проведения экспериментальных исследований по обоснованию параметров режима утилизации отходов в ФБГНУ СибИМЭ были разработаны экспериментальный стенд и вихревая адиабатическая топка (рис. 1).
Рис. 1. Вихревая адиабатическая топка с системой подачи ОЖЖ
Экспериментальный стенд включает:
вихревую адиабатическую топку с системой подачи ОЖЖ в топочное пространство;
систему дозированной подачи основного топлива;
систему управления технологическим комплексом.
Количество подаваемого ОЖЖ в топочное пространство регулировали дозатором-питателем в зависимости от температуры в топке, которую поддерживали на уровне 1050-1100 0С, с использованием частотно-регулируемого привода.
На основании проведенных исследований была дана технико-экономическая оценка эффективности утилизации ОЖЖ по предложенной схеме для условий ООО «СПК «Чистогорский». Энергетические характеристики объекта: установленная тепловая мощность -5,5 МВт, время использования максимума тепловой нагрузки - 5500 ч/год.
Суть проекта заключается в разработке и создании технологического комплекса для производства дешевой тепловой энергии за счет использования в качестве топлива - суспензионного водоугольного топлива (ВУТ) на основе отходов производства. Проект разработан для котельной производительностью 6,5 Гкал/ч. Тепловая нагрузка - свинооткормочный комплекс на 54 тыс. гол. и коммунально-бытовые потребители поселка.
Отработку отдельных элементов технологического комплекса для предприятий малой энергетики проводили в г. Черепаново Новосибирской области.
Экологический эффект определяли как эффект от снижения выбросов окислов азота N0,, [5].
Результаты и обсуждение. Среди основных преимуществ разработанного способа термической утилизации можно назвать следующие: высокий КПД вихревой адиабатической топки (85-88%) при работе на отходах углеобогащения (для справки: КПД котлоагрегатов мощностью до 1 МВт, использующих рядовые энергетические угли не превышает 50%);
низкая стоимость основного топлива, что обеспечивает удельные затраты на получение 1 Гкал (по топливу) не более 150 руб.;
требуемый температурный уровень в топке (1050-1 100 0С) обеспечивает минимизацию продуцирования окислов азота (снижение выбросов N0,, в 1,5 раза и отсутствие за-шлакованности топки);
возможность оптимизации тепловой мощности комплекса путем снижения влажности утилизируемого материала в сушилке с использованием высокотемпературных отходящих газов (что актуально для теплого времени года, когда потребности в тепловой энергии резко снижаются);
экологическая безопасность.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что для термической утилизации отходов жизнедеятельности животных с исходной влажностью до 70% потребуется соотношение подачи ВУТ и ОЖЖ до 3:1. Сокращение этого соотношения до (1,2-1,1):1 может обеспечить термическая сушка ОЖЖ до 45-50%. При таких показателях технологического процесса обеспечивается устойчивая работа котлоагрегата. Дополнительно, кроме снижения расхода основного топлива почти в 3 раза, тепловая мощность, выделяемая в процессе утилизации, уменьшается более чем в 2 раза, что актуально при минимальных отопительных нагрузках котельной в теплый период года.
Результаты технико-экономической оценки предлагаемого технологического комплекса позволили дополнительно установить следующие отличительные особенности:
возможность использования в качестве исходного сырья для получения топлива отходов углепереработ-ки, которые сегодня не имеют применения и сбрасываются в породные отвалы и отстойники, загрязняя окружающую среду;
применение вихревого способа сжигания ВУТ позволяет получить устойчивое горение распыленного топлива благодаря механизму внутренней стабилизации, в результате которого горячие продукты горения направляются в корень факела, что обеспечивает надежное воспламенение забалластированного топлива при сравнительно низкой температуре и полное выгорание угольных частиц.
Рис. 2. Технологическая схема приготовления водоугльного топлива.
Технология приготовления,хранения,транспортирования и сжигания водоугольного топлива полностью автоматизирована и может осуществляться без постоянного присутствия человека.
Реализация такого технологического комплекса будет способствовать решению задач по повышению энергоэффективности, ресурсосбережению и рациональному природопользованию.
Увеличение энергоэффективности обеспечивает: применение малоэнергоемкой технологии приготовления суспензионного угольного топлива;
использование вихревой системы сжигания, при которой достигается полное выгорание органической части забалластированного влагой и золой топлива; повышение КПД работы котла до 85-88%. Ресурсосбережение и рациональное природопользование достигается благодаря полному использованию угля, добытого на шахтах и разрезах;
экологически безопасной утилизации отходов углеобогащения и ОЖЖ;
освобождению значительных территорий, занятых гидроотвалами и отстойниками для производства сельскохозяйственной продукции;
существенному снижению выбросов окислов азота в жилой зоне сельских поселений.
Комплекс состоит из отделения приготовления ВУТ и котельного отделения. Его работа осуществляется по следующей схеме.
Отходы углепереработ-ки автотранспортом достав-
ляют на закрытый склад, расположенный в непосредственной близости от технологического оборудования отделения приготовления ВУТ, вместимость которого обеспечивает 3-х суточный запас исходного материала. Со склада отходы передвижным электрическим краном с грейфером подаются в приемную воронку ленточного конвейера, который направляет их в лопастной смеситель. Одновременно с отходами в смесительдозировано подают из расходного резервуара насосом-дозатором водный раствор реагента (рис. 2), который готовят в установке, состоящей из металлического резервуара с мешалкой и центробежного насоса.
Перемешанная в лопастном смесителе угольная суспензия самотеком поступает на фильтр грубой очистки для удаления посторонних примесей и крупных частиц. После этого подрешетный продукт самотеком поступает в зумпф, откуда его насосом направляют на доизмельчение и дополнительное перемешивание в 2-х барабанную вибрационную мельницу. Далее измельченная угольная суспензия самотеком поступает на фильтр грубой очистки для удаления обломков изношенных мелющих тел. После фильтрации подрешетный продукт самотеком поступает в зумпф и затем насосом-активатором перекачивается в вертикальные аккумулирующие резервуары с нижним выпуском. При этом осуществляется процесс гомогенизации, что позволяет снизить вязкость и увеличить статическую стабильность топлива. Количество и объем резервуаров обеспечивает суточную потребность котельной установки.
Из аккумулирующих резервуаров ВУТ насосом по трубопроводной системе подается в приемно-расходные резервуары, установленные в котельной.
Рис. 3. Компоновочная схема котельной на ВУТ. Достижения науки и техники АПК. 2016. Т 30. № 4 _
Таблица 2. Эксплуатационные затраты по технологическому комплексу и
себестоимость 1 Гкал тепловой энергии (2014 г.
Наименование Потребность Цена, руб. Затраты, тыс. руб. Удельные затраты
руб. %
Произведенная тепловая энергия, Гкал/год 55000
Материальные затраты
Отходы углеобогащения, т/год 16800 100 1680 30,5 7,0
Реагент-пластификатор, т/год 120 21000 2522 45,8 10,45
Техническая вода, м3/год 2690 3 8 0,2 0,05
Всего 19610 - 4210 76,5 17,5
Эксплуатационные затраты
Расходные материалы (металл, ГСМ) - - 250 4,5 1,0
Электроэнергия, МВтч/год 2400 2,5 6000 109,0 24,8
Фонд оплаты труда, чел./сут. 18 5400 98,2 22,4
Единый социальный налог - - 1620 29,5 6,7
Амортизационные отчисления - - 3540 64,3 14,6
Текущий ремонт - - 710 13,0 3,0
Прочие общезаводские расходы - - 2415 44,0 10,0
Всего 19935 362,5 82,5
Общие затраты 24135 439,0 100,0
Себестоимость 450,0
Подачу топлива к форсунке осуществляет насос через фильтр тонкой очистки. Насос оснащен частотным преобразователем, что позволяет обеспечивать требуемый расход ВУТ. К форсунке также подводится сжатый воздух для распыла топлива в топке. Кроме того, в топку от вентилятора подается дутьевой воздух, который через сопла поступает в топочное пространство и служит для поддержания горения и образования вихря, что обеспечивает вихревой способ сжигания (рис. 3).
В котельной установлены специализированные котлы для сжигания ВУТ. Они оборудованы горелочными устройствами для установки форсунок. В топочном пространстве котла смонтирована камера вихревого сжигания.
Дымовые газы из топочного пространства через теплообменник поступают в 2-х ступенчатую систему золоулавливания. На первой стадии установлен золоуловитель циклонного типа, на второй - рукавный фильтр.
Цена конечного продукта - тепловой энергии -определяется на основании калькуляции себестоимости ее производства. Издержки на сырье (топливо) в теплоэнергетическом производстве растут по мере увеличения его стоимости, тарифов на перевозки и др.
Себестоимость 1 Гкал в предлагаемом технологическом комплексе составляет 450 руб. (табл. 2), что значительно ниже существующего уровня цен на тепловую энергию (1200-2000 руб./Гкал).
Эффект от снижения выбросов окислов азота N0,, по выбранной технологической схеме составит 1543 тыс.руб./год .
Выводы. Проблему термической утилизации отходов с приемлемыми экономическими показателями можно решить в энерготехнологических комплексах с использованием водоугольного топлива, произведенного из отходов углеобогащения.
Это будет способствовать решению задач по повышению энергоэффективности производства тепловой энергии (увеличение коэффициента использования топлива в 1,5-2,0 раза), ресурсосбережению (замещение качественного топлива отходами углеобогащения) и рациональному природопользованию (снижение выбросов вредных веществ в биосферу в 1,5 раза и увеличение площади сельскохозяйственных угодий благодаря рекультивации территорий занятых под хранение отходов углеобогащения).
Экономический эффект в энергетической сфере оценивается величиной 200-300 руб. на одну произведенную гигакалорию.
Литература.
1. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М.: Агропромиздат, 1989. 160 с.
2. Журавлева Н.В., Мурко, В.И., Федяев В.И и др. Экологические аспекты вихревой технологии сжигания суспензионного угольного топлива // Экология и промышленность России. 2009. №1. С. 21-24.
3. Филиппов С.П., Павлов П.П., Кейко А.В. и др. Экологические характеристики теплоисточников малой мощности. ИСЭМ СО РАН. Препр. Иркутск,1999. №5. 48 с.
4. Использование водоугольного топлива в энергообеспечении АПК/ В.Н.Делягин, Н.М. Иванов, В.И. Мурко, Е.Л. Ревякин. М.: ФГБНУ «Росинформагротех». 92 с.
5. Пугач Л.И. Энергетика и экология. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 504 с.
COMPREHENSIVE UTILIZATION OF WASTE USING HEAT AND POWER PLANTS
V.N. Delyagin1, N.M. Ivanov1, V.I.Murko2, V.I. Karpenok2, D.I. Chernykh2
Siberian Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture, pos. Krasnoobsk, Novosibirskaya obl., 630501 Russian Federation
2ZAO «Nauchno-proizvodstvennoe predpriyatie «Sibecotechnika», proezd Kommunarov, 2, Novokuznetsk, 654000, Russian Federation
Summary. It is proposed a power-engineering complex, which uses by-product coal in the form of water-carbon fuel, for the utilization of biowaste of animals. It is realized the idea about the expedient combination of technological processes of the production of thermal energy, utilization of animal biowaste and by-product coal by using the vortex adiabatic furnace, which works on water-carbon fuel, produced from by-product coal. The main advantages of the developed method of thermal utilization are high efficiency of the vortex adiabatic furnace (8588%) with the work on the by-product coal; the low cost of basic fuel, ensuring specific expenditures for obtaining 1 Gcal (on the fuel) at the level of 150 rub.; the required temperature level in the furnace is 1050-1100 degrees; ecological safety. For the complete thermal utilization of animal biowaste with the initial humidity up to 70% it will be required the ratio of water-carbon fuel to animal biowaste up to 3:1. Its reduction up to (1.1-1.2):1 can be ensured by thermal drying of animal biowaste to 45-50%. The use of such method of utilization additionally makes it possible to solve problems on increase in energy-effectiveness of thermal energy production, resource-saving (the substitution of quality fuel by by-product coal), rational use of natural resources (the reduction of the discharge of harmful substances in the biosphere is 1.5 times and the increase in agricultural land are due to recultivation of territories, occupied for storage of by-product coal). Keywords: : technological complex, coal-water fuel, boiler-room, by-product coal, utilization, cattle-breeding complex. Author Details: V.N. Delyagin, D.Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: valdel@ngs); N.M. Ivanov, D.Sc. (Tech.), director; V.I. Murko, D.Sc. (Tech.), director; V.I. Karpenok, deputy director; D.I. Chernykh, research fellow.
For citation: Delyagin V.N., Ivanov N.M., Murko V.I., Karpenok V.I., Chernykh D.I. Comprehensive Utilization of Waste Using Heat and Power Plants. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No 4. Pp. 83-86 (In Russ.).
