CC BY
5
Теплотехника Heat engineering
Научная статья УДК 662.659
DOI: 10.14529/power230308
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ КАК ВТОРИЧНЫХ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОТЫ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Р.В. Безуглов, [email protected]
В.В. Папин, [email protected]
Н.Н. Ефимов, [email protected]
Е.М. Дьяконов, [email protected]
Н.А. Ведмичев, [email protected]
В.Р. Филимонов, [email protected]
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия
Аннотация. Статья посвящена сжиганию твердых отходов в топке котла для использования их как топлива на тепловых электростанциях. В работе описывается текущая ситуация использования газификации для переработки отходов и опыт их использования на ТЭС. Проведенный авторами обзор выявил проблему накопления отходов и сложности разработки схемы по их реализации. В связи с этим авторы предлагают технологию переработки отходов на ТЭС с последующим получением тепловой и электрической энергии. Для исследования были выбраны по территориальной схеме обращения с отходами Ростовской области и обоснованы виды сырья (отходов), что позволило судить о наибольшем энергетическом вкладе, который приносят отходы лузги и шрота подсолнечного. Также проведен расчет теплового и эксергетического баланса котла ТПП-210А для выбранных видов отходов. В результате анализа расчета построены графики сравнения синтез-газа выбранных отходов с природным газом и углем, а также диаграммы потоков эксергии для одного из выбранных отходов и природного газа и угля. На основе проведенного исследования в статье авторы показали, что газификация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов сможет увеличить термический и эксергетический КПД котла и заменить уголь и природный газ, что уменьшит вредные воздействия на окружающую среду. Расчеты энергетического и эксергетического балансов показывают эффективность применения твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов для сжигания на ТЭС, в частности, основываясь на результатах расчета термического и эксергетического КПД котла в зависимости от применяемого топлива.
Ключевые слова: газификация, твердые отходы, утилизация отходов, тепловая электростанция, топливо из отходов
Благодарности. Работа выполнена в рамках стратегического проекта «Научно-инновационный кластер «Контрактный R&D центр»» Программы развития ЮРГПУ (НПИ) при реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Для цитирования: Обоснование использования твердых отходов как вторичных и возобновляемых источников энергии для повышения энергетической эффективности при производстве теплоты и электроэнергии / Р.В. Безуглов, В.В. Папин, Н.Н. Ефимов и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2023. Т. 23, № 3. С. 78-90. DOI: 10.14529/power230308
© Безуглов Р.В., Папин В.В., Ефимов Н.Н., Дьяконов Е.М., Ведмичев Н.А., Филимонов В.Р., 2023
Original article
DOI: 10.14529/power230308
SOLID WASTE AS A FUEL FOR BOILERS OF THERMAL POWER PLANTS
R.V. Bezuglov, [email protected]
V.V. Papin, [email protected]
N.N. Efimov, [email protected]
E.M. Dyakonov, [email protected]
N.A. Vedmichev, [email protected]
V.R. Filimonov, [email protected]
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. This article investigates the combustion of solid waste in thermal power plants. The article describes the current use of gasification for waste processing and its use in thermal power plants. The review revealed the problem of waste accumulation and the complexity of developing a scheme for its processing. In this regard, the authors propose a technology for recycling waste at thermal power plants with the subsequent production of thermal and electrical energy. For the study, the types of raw materials (waste) were selected in accordance with the Rostov territorial waste management plan, which judges husk and sunflower meal waste to make the greatest energy contribution. The calculation of the thermal and the exergetic balance of the TPP-210A boiler for certain types of waste was also carried out. Graphs were constructed comparing the synthesis gas from the selected waste with natural gas and coal, as well as diagrams of exergy flows for the selected waste, natural gas, and coal. The authors showed that the gasification of solid household and agricultural waste can increase the thermal and exergetic efficiency of the boiler and replace coal and natural gas, reducing the environmental impact. Calculations of the energy and exergetic balances show the efficiency of using solid household and agricultural waste for incineration at thermal power plants, in particular, based on the thermal and exergetic efficiency of the boiler, depending on the fuel used.
Keywords: gasification, solid waste, waste disposal, thermal power plant, fuel from waste
Acknowledgments. The work was carried out within the framework of the strategic project "Scientific and Innovation Cluster "Contract R&D Center"" of the SRSPU (NPI) Development Program in the implementation of the program of strategic academic leadership "Priority-2030".
For citation: Bezuglov R.V., Papin V.V., Efimov N.N., Dyakonov E.M., Vedmichev N.A., Filimonov V.R. Solid waste as a fuel for boilers of thermal power plants. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2023;23(3):78-90. (In Russ.) DOI: 10.14529/power230308
Введение
Ростовская область вошла в список областей реализации пилотного проекта территориальной схемы обращения с отходами [1]. Для упрощения переработки отходов и утилизации были выпущены некоторые нормативно-правовые акты, в частности, распоряжение Правительства РФ № 84-Р от 25 января 2018 г. «Об утверждении Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года» [2] и подпрограмма «Формирование комплексной системы управления отходами и вторичными минеральными ресурсами на территории Ростовской области» государственной программы Ростовской области «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование», утвержденная постановлением Правительства Ростовской области от 15.10.2018 № 638 [3].
Очевидно, что сейчас твердые бытовые и сельскохозяйственные отходы образуются в больших объемах по всему миру и оказывают значи-
тельное негативное влияние на окружающую среду. Такой эффект напрямую связан с выбросами отходов в атмосферу и захоронениями на полигонах. Высокие цены на топливо, требования снижения использования ископаемого топлива приводят к увеличению возможностей использования ТКО в виде топлива для уменьшения загрязнения атмосферы выбросами. Используемые в настоящее время существующие варианты решений проблемы утилизации отходов не получили широкого распространения ввиду существенных недостатков [4], таких как перегрузка полигонов, не отвечающих требованиям экологической безопасности, недовольство населения полигонами для захоронения мусора, появление отравленных зон вокруг мусоросжигательных заводов.
Таким образом, сейчас образуются в большом количестве твердые бытовые отходы, что приводит к ухудшению влияния на окружающую среду и почву при захоронениях. Однако сейчас есть различные пилотные проекты в виде территориальной схемы по обращению с отходами и различ-
ные программы, связанные с уменьшением количества мусора и его разделением.
Литературный обзор исследования
Для представления полной картины исследований, имеющихся в области переработки ТБО с помощью газификации, необходимо проанализировать результаты работ отечественных и зарубежных авторов в данной области.
Авторы работы [5] рассматривают газификацию торфа как перспективный способ улучшения характеристик торфяного сырья в процессе его подготовки перед сжиганием. В результате газификации твердого топлива происходит термохимическое разложение органической массы при недостатке кислорода в горючий газ (генераторный газ, синтез-газ). Он может заменить природный газ на котельных и ПГУ-ТЭС [6].
Проведенный автором анализ [7] позволяет определить, что использование твёрдых бытовых отходов методом газификации в качестве топлива для выделения синтез-газа позволяет решить как основную проблему, которая возникает при захоронении или сжигании отходов - экологическую, так и получить на выходе топливо для энергоустановок с показателями, не уступающими некоторым видам традиционного топлива.
В статье [8] выделили газификацию как преимущество при рассмотрении вредного влияния процесса на окружающую среду и людей, имеет преимущество перед сжиганием, которое занимает не последнее место среди всех доступных технологий по переработке отходов. Помимо переработки ТБО авторы отмечают, что процесс газификации можно также применять для переработки промышленных горючих отходов, а продукты газификации могут найти широкое применение в области обеспечения населения и предприятий энергией [9-11].
В работе [12] был проведен расчет газификации отходов углеобогащения ООО «ММК-УГОЛЬ» с использованием воздушного газа, водяного пара, полуводяного и оксиводяного газов. Авторы предлагают использовать отходы для получения генераторного газа в процессе газификации. И предложили метод утилизации отходов, который позволит сократить нерациональное отчуждение земельных ресурсов, а также создать дополнительные источники получения энергии для металлургической промышленности.
Сравнительные исследования процессов газификации между кислородом и паровыми газифицирующими агентами были сделаны AlNouss и др. [13]. Они использовали Aspen Plus для моделирования и исследования предложенной системы с технико-экономической и экологической точек зрения. Выводы показали, что газификация паровым газифицирующим агентом обеспечивает получение чистого и экономически конкурентного продукта.
В настоящее время газификация пластиковых отходов также привлекла внимание как с научной, так и с промышленной точек зрения. Преимущества пластика газификация отходов были представлены Lopez и др. [14] в критическом обзорном исследовании. Они проанализировали основные конверсионные технологии пластиковых отходов для производства водорода и синтез-газа, в частности газификацию пластмасс воздухом и паровыми газификаторами, согазификацию пластмасс с другим сырьем и пиролиз-риформинг.
Одним из главных результатов стало высокое производство водорода и синтез-газа путем газификации паром. Zablocka Malicka и другие [15] использовали паровую газификацию, питаемую многопроволочным поливинилхлоридным проводом, кабельные отходы для восстановления меди. Этот пар был при высокой температуре и атмосферном давлении. ПВХ и углеводородные компоненты кабеля были полностью разделены. Они предсказали, что использование высокотемпературного парогенератора является эффективным подходом к удалению отходов кабеля.
Анализируя теоретические исследования и практическое исполнение разработок по тематике переработки ТБО в энергию, можно обратиться к опыту России [16] и других стран по данной проблеме.
Так, например, в Нидерландах широко развито сжигание переработанной биомассы на тепловых электростанциях совместно с углем. Биотопливо производится не в самой стране, в которой сжигается, а привозится из-за рубежа (чаще США и КНР), и правительство Нидерландов субсидирует использование станциями такого сырья. Другим положительным зарубежным опытом утилизации отходов можно считать электростанцию в г. Зор-бау (Германия), сжигающей ТБО в котле для турбины мощностью 28 МВт. Также в Германии действует другая электростанция - ТЭЦ Völklingen с парогазовыми установками (ПГУ). В топке-сателлите сжигаются отработанные ТБО - так называемое коломат-топливо из отходов, а газы из этой топки поступают в топку энергетического котла.
В результате переработки отходов с применением схемы плазменной газификации компании Westinghouse Plasma Corporation [17] завод получает очищенный синтетический газ, используемый в качестве энергии для электростанций. Это позволяет решать сразу несколько задач, связанных с уничтожением мусора с минимальным ущербом для окружающей среды и получением дополнительной энергии.
В нашей стране также апробировались технологии переработки ТБО в энергию [18]. Например, частичное сжигание на ТЭС заменителей топлива, содержащихся в промышленно-бытовых отходах.
На отечественных электростанциях положительный опыт также подтверждается спецзаводами - № 2, № 3 и № 4, функционирующими на территории Московской области [19]. Предприятия перерабатывают более 1 млн т отходов в год. ГУП «Спецзавод № 2» является самым первым МСЗ, построенным на территории России, и способен перерабатывать до 160 тыс. т отходов в год, превращая мусор в 17 млн кВтч электроэнергии в год. Завод занимает площадь 2 га. После сжигания мусора образуется шлак, из которого отделяют до 1,5 тыс. т металла в год. Оставшийся шлак используют в строительных целях (для подсыпки дорог или производства тротуарной плитки). ГУП «Спецзавод № 3» находится в Южном округе Москвы, на улице Подольских курсантов. Это мусоросжигательный завод построен в 1983 г. и занимает площадь чуть более 4 га. На сегодняшний день объем переработки мусора составляет 360 тыс. т в год. В 1995 г. на заводе установили передовую и дорогостоящую систему очистки дыма от вредных газов. На этом заводе извлечение металлов из шлака не производится. ГУП «Спецзавод № 4» был построен 2003 г. в Восточном административном округе столицы, промзона «Руднево». Этот завод крупнейший в Москве и Московской области, способен перерабатывать более 750 тыс. т мусора в год. На заводе используются передовые технологии по очистке дыма, соответствующие нормам европейских государств [19].
Все вышеперечисленные отечественные и зарубежные варианты сжигания отходов в циклах электростанций имеют свои особенности, преимущества и недостатки. Используемые ими технологии имеют на выходе из топки улавливающие устройства, циклоны, абсорберы и узлы подачи реагентов для связывания вредных веществ. В данном исследовании делается попытка разработать
универсальный цикл электростанции, который возможно было бы масштабировать для различных климатических условий, расходов ТБО, режимов подачи ТБО (постоянный и переменный). В работе анализируется принципиальная тепловая схема и алгоритм сжигания ТБО с нейтрализацией вредных выбросов на выходе из цикла электростанции.
Постановка цели и задачи
Важность исследования заключается в наиболее оптимальном использовании отходов для сжигания на ТЭС, то есть ликвидация отходов с получением из них энергии. При этом не производится строительство новых мусороперерабатывающих заводов, в качестве которых в данном случае выступает ТЭС.
Ввиду вышепроведенного обзора авторами выявилась проблема накопления отходов и сложность разработки схемы по их реализации. В связи с этим ставится задача по разработке технологии (схемы) переработки отходов на ТЭС с последующим получением тепловой и электрической энергии. Ввиду получения продукта в необходимом виде (синтез-газ, твердый остаток) выбираем из существующих способов переработки (рис. 1) термическую газификацию.
На рис. 1 рассмотрены различные способы переработки, которые разделены на три большие группы: термохимические, биохимические, химические. В нижней части схемы приведены продукты, получающиеся при переработке отходов.
Авторы произвели расчет эксергетического баланса котла ТПП-210А с использованием некоторых видов отходов для газификации и экономии топлива, что повлечет за собой снижение загрязнения атмосферы воздуха и воды нашей планеты. Следствием из этой цели логично вытекает цель
Рис. 1. Термохимические, биологические и химические способы переработки отходов Fig. 1. Thermochemical, biological, and chemical methods of waste processing
разработка технологии переработки отходов в тепло- и электроэнергию на ТЭС.
Таким образом, уменьшаются объемы выбрасываемого мусора на свалки и использование захоронений, что снижает загрязнения почвы и окружающей среды.
Научная новизна
Проведен эксергетический расчет котла на органических отходах с целью дальнейшего сжигания этих продуктов в котле, отличающийся тем, что рассчитан не на проектное топливо (уголь, природный газ), а именно на продукты газификации отходов. Расчет позволяет определить эффективность сырья (отходов) для газификации в разрезе применения в котле в качестве топлива.
Выбор сырья из отходов
для топлива на ТЭС
В табл. 1 представлены выбранные виды отходов из территориальной схемы обращения отходов Ростовской области для исследования. А также рассмотрены их физико-химические свойства. Приведенные в табл. 1 отходы имеют V класс опасности, то есть они самые безопасные.
Методы исследования
В рамках проведенного исследования авторы произвели материальный баланс, тепловой баланс и эксергетический баланс котла согласно методике [20], ниже приведены основные формулы исследования.
Термический КПД рассчитывается по формуле 01
Пк = -
(1)
от + ев
где 01 - теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кДж; 0В - теплота, поступившая с топливом, кДж; 0Т - теплота, поступившая с воздухом, кДж.
01 = ДД,- ппв ^.в + DпрДпP, (2)
где Бп - паропроизводительность котла, кг/с; Д = /(Р0; /0) - энтальпия острого пара, кДж/кг;
Дп.в = (1 + апр)Бп - расход питательной воды на котел, кг/с; Дп.в = /(Р0; /0) - энтальпия питательной воды, кДж/кг; Б =апрБп - расход продувочной воды, кг/с; Дпр = /(Рб; х = 0) - энтальпия продувочной воды, кДж/кг.
0т = Ят0нр, (3)
где Вт - расход сжигаемого топлива, кг/с, (м3/с); 0нр - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг (кДж/ м3).
0в = МвОв, (4)
где Мв - масса вносимого в топку воздуха, кг/кг т; С® - теплоемкость воздуха при температуре холодного воздуха /в, кДж/кгК; /в = 30 - температура холодного воздуха, °С.
На диаграмме эксергетического КПД котла (рис. 3) видно, что КПД выше при использовании синтез-газа от продуктов переработки твердых отходов, при том что они практически равны друг другу. Повышение эксергетического КПД котла на сингазе в сравнении с работой на природном газе связано с тем, что степени понижения теплотворной способности выше, чем степень повышения расхода топлива в котле. Зависимости эксергети-ческого КПД котла от вида используемого топлива демонстрируются через следующие формулы.
Уравнение баланса эксергии для котлоагрегата:
Ет = ДЕр, + Еп.с + ЕШл + Ез + ЕПр + 5Е, (5) где Ет - химическая эксергия топлива, МВт; ДЕ - прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт; Епс - эксергия продуктов сгорания, МВт;
Физико-химические свойства твердых отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области
Таблица 1
Table 1
The physical and chemical properties of solid waste from the Rostov Territorial Waste Management Plan
№ п/п Вид отхода Обозн. 0низ.раб, МДж/кг Кол-во, т/год Энергия, ГДж/год Доля по энергии, % Доля по массе, %
1 Отходы упаковочного картона незагрязненные К 16,5 31 578,1 521 038,65 13,15 14,69
2 Тара деревянная, утратившая потребительские свойства ТД 19,6 5421,4 106 259,44 2,68 2,52
3 Отходы малоценной древесины (хворост, валежник) МД 18,9 24 143,5 456 312,15 11,51 11,23
4 Солома С 15 20 949,6 314 244 7,93 9,74
5 Лузга подсолнечная Л 19,3 132 905,3 256 5072,29 63,73 61,82
Итого 17,86 214 997,9 3 962 926,53 100 100
Ешл - эксергия шлака, МВт; Ез - эксергия золы,
МВТ; Епр - эксергия продувочной воды, МВт;
8Е - потери эксергии в котле, связанные с необратимостью процесса горения, необратимостью теплообмена с окружающей средой.
Эксергия продуктов сгорания складывается из физической и химической эксергии, МВт:
Еп.с = 10-3Bт (б™ + е*?)■ (6)
Эксергетический КПД котла:
АЕрт
^ка = (7)
E„
где АЕр т = 10 3 (- Dп■вeп■в ) - прирост эксер-
гии к рабочему телу, МВт; Ет = 1,04В1^ -10-3 -химическая эксергия топлива, МВт.
Расчет теплового и эксергетического баланса
Ввиду большого расчета авторы решили представить полученные результаты в виде графиков зависимостей (рис. 2, 3) КПД котла и эксерге-тического КПД котла. Были рассмотрены несколько видов топлива:
1) природный газ;
2) уголь АШ;
100
с
98
96
94
92
90
86
84
82
97,3
97,2
97,3
97,5
Природный газ Антрацит штыб
Синтез газ (Упаковочный картон) Синтез газ (Лузга подсолнечная)
Синтез газ (Тара деревянная, утратившая потребительские свойства)
Синтез газ (Малоценная древесина)
Синтез газ (Солома)
Рис. 2. Термический КПД котла в зависимости от вида применяемого топлива Fig. 2. Boiler efficiency depending on the used type of fuel
SS 52 to
E 51
о
Cl 50
IZ
^
>s 49
о ,„
<D 48
T
<u 47 <D
9 46
CD
45 44 43 42 41
50,5 50,5 50,5
50,6
Природный газ Антрацит штыб
Синтез газ (Упаковочный картон) Синтез газ (Лузга подсолнечная)
Синтез газ (Тара деревянная, утратившая потребительские свойства)
Синтез газ (Малоценная древесина)
Синтез газ (Солома)
Рис. 3. Эксергетический КПД котла в зависимости от вида применяемого топлива Fig. 3. Exergetic efficiency of the boiler unit depending on the fuel
3) синтез-газ (упаковочный картон, лузга подсолнечная, тара деревянная, малоценная древесина, солома).
Анализируя рис. 2, 3, можно сделать вывод, что при использовании синтез-газа от переработки отходов термический и эксергетический КПД не падают, а даже несколько увеличиваются, в сравнении с природным газом и твердым проектным топливом (антрацитовым штыбом). В случае с термическим КПД увеличение происходит ввиду более низкой теплоты сгорания.
Улучшение эксергетического КПД котла на синтез-газе в сравнении с работой на твердом топливе происходит ввиду отсутствия потерь эксер-гии со шлаком и золой.
В табл. 2 приведены данные по теплотворной способности всех рассматриваемых в данной статье топлив и их расход в котле.
Диаграммы на рис. 2 и 3 показывают, что газификация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов сможет увеличить термический и эксергетический КПД котла и заменить уголь и природный газ, что уменьшит вредные воздействия на окружающую среду.
По результатам расчета эксергетического баланса строятся диаграммы потоков эксергии (рис. 4-9). Обозначения, показанные на рис. 4-9 приведены ниже:
0т - теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт; 0в - теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт; 01 - теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт; 02 - потери с уходящими газами, кВт; 04 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, кВт; 05 - потери в окружающую среду, кВт; 06 - потери теплоты с внутренней термической энергией шлака и золы, кВт; Ет - химическая эксергия топлива, МВт; Ер т - прирост эксер-гии рабочего тела в котле, МВт; Евн - потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт; 8Егор - потери эксергии вследствие
необратимости горения, МВт; Ешл - эксергия шлака, МВт; Ез - эксергия золы, МВт; Еп с - эксергия продуктов сгорания, МВт; Еокр - потери
Теплотворная способность и расход рассматриваемых топлив Calorific value and flow of the fuels
Таблица 2 Table 2
Топливо Теплотворная способность топлива, МДж/кг Расход топлива, кг/с
Уголь (АШ) 12,23 36,25
Природный газ 35,59 17,33
Синтез-газ (упаковочный картон) 7,65 80,00
Синтез-газ (тара деревянная) 16,21 36,73
Синтез-газ (малоценная древесина) 16,85 35,31
Синтез-газ (лузга подсолнечная) 16,56 35,94
Синтез-газ (сухая солома) 15,16 39,19
Q6= 5393
Рис. 4. Диаграмма Сенке для твердого топлива (уголь АШ) Fig. 4. Sankey diagram for solid fuel (coal anthracite)
Ер т = 312,669
Рис. 5. Диаграмма потоков эксергии для твердого топлива (уголь АШ) Fig. 5. Exergy flows for solid fuel (coal anthracite)
Рис. 6. Диаграмма Сенке для природного газа Fig. 6. Sankey diagram for natural gas
Рис. 8. Диаграмма Сенке для синтез-газа (упаковочный картон) Fig. 8. Sankey diagram for synthetic gas (packaging cardboard)
Рис. 9. Диаграмма потоков эксергии для синтез-газа (упаковочный картон) Fig. 9. Exergy flow for synthetic gas (packaging cardboard)
Эксергия продуктов газификации из отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области
Exergy of gasification products from waste, from the Rostov Territorial Waste Management Plan
Таблица 3
Table 3
Наименование продукта газификации ET химическая эксергия топлива, МВт р.т прирост эксергии рабочего тела в котле, МВт вн потери эксергии, вызванные внутренним теплообменом в котле, МВт З^ор потери эксергии вследствие необратимости горения, МВт Eп.с эксергия продуктов сгорания, МВт окр потери эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт
Синтез-газ (упаковочный картон) 636,201 312,669 164,41 124,018 33,034 2,07
Синтез-газ (тара деревянная) 619,195 312,669 251,85 37,56 15,102 2,015
Синтез-газ (малоценная древесина) 618,766 312,669 254,073 35,884 14,163 2,014
Синтез-газ (лузга подсолнечная) 618,934 312,669 253,2 36,476 14,576 2,014
Синтез-газ (сухая солома) 617,816 312,669 256,853 31,353 14,163 2,011
Таблица 4
Тепловой баланс продуктов газификации из отходов, выбранных из Территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области
Table 4
Thermal balance of gasification products from waste, from the Rostov Territorial Waste Management Plan
Наименование продукта газификации 0т теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, кВт 0в теплота, вносимая атмосферным воздухом, кВт Ö1 теплота, израсходованная на приращение энтальпии рабочего тела, кВт Ö2 потери с уходящими газами, кВт Ö5 потери в окружающую среду, кВт
Синтез-газ (упаковочный картон) 6,117 • 105 61,578 5,79 • 105 3,017 • 104 2630
Синтез-газ (тара деревянная) 5,954 • 105 61,829 5,79 • 105 1,389 • 104 2560
Синтез-газ (малоценная древесина) 5,955 • 105 63,093 5,79 • 105 1,348 • 104 2558
Синтез-газ (лузга подсолнечная) 5,951 • 105 62,349 5,79 • 105 1,364 • 104 2559
Синтез-газ (сухая солома) 5,941 • 105 50,313 5,79 • 105 1,256 • 104 2554
эксергии, вызванные необратимостью теплопередачи к окружающей среде, МВт.
Анализируя диаграммы на рис. 4-9, можно сделать вывод, что у синтез-газа нет потерь, уходящих со шлаком и золой, как у котла, работающего на твердом топливе (угле). Еще было замечено авторами, что потоки эксергии на примере синтез-газа (упаковочного картона) с природным газом очень близки друг к другу по значениям Еп с,
Еокр , Е . Также следует выделить потери эксергии: вследствие необратимости горения они у синтез-газа ниже (8Егор = 124,018 МВт), чем у природного газа (8Егор = 156,755 МВт )и твердого топлива (угля) (8Егор = 170,029 МВт).
Ввиду объемных рисунков диаграмм результаты расчета эксергетического и теплового балансов сведены в табл. 3 и 4 соответственно.
Практическая значимость
Практическая значимость заключается в получении графической зависимости показателей эффективности котла от видов исходного сырья (отходов), что может служить определяющими характеристиками при проектировании вновь строящихся блоков тепловых электростанций, малых районных котельных, а также может быть использовано в образовательном процессе энергетических специальностей.
Выводы
В данной работе произведен выбор и обоснование выбора видов отходов, которые позволяют
судить о применимости использования отходов как энергетического ресурса на тепловых электростанциях.
По результатам теплового расчета термический КПД котла получился: на угле (антрацитный штыб) "пк = 87,6 %, на природном газе = 93,8 % и средний термический КПД котла на синтез-газе выбранных отходов ср = 96,78 %. Затем на основе теплового расчета проведен расчет эксергии, где получены следующие результаты эксергетиче-ского КПД котла: на угле (антрацитный штыб)
Да = 44,3%, на природном газе Дека = 48,7% и средний термический КПД котла на синтез-газе получился Д^ ср = 50,24 %.
На основе проведенного эксергетического расчета авторы показали, что газификация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов сможет увеличить термический и эксергетический КПД котла и заменить уголь и природный газ, что уменьшит вредные воздействия на окружающую среду. Повышение эксергетического КПД котла ТПП-210А на синтез-газ в сравнении с работой на природном газе связано с тем, что степени понижения теплотворной способности выше, чем степень повышения расхода топлива в котле. Расчеты энергетического и эксергетического балансов показывают эффективность применения твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов для сжигания на ТЭС, в частности, основываясь на результатах расчета термического и эксергетиче-ского КПД котла в зависимости от применяемого топлива.
Список литературы
1. Электронная модель территориальной схемы обращения с отходами Ростовской области. URL: http://www.tbo-rostov.ru (дата обращения: 20.11.2022).
2. Правительство РФ. Распоряжение от 25.01.2018 г. № 84-р. URL: http://static.govemment.ru/media/ files/y8PMkQGZLfbY7jhn6QMruaKoferAowzJ.pdf (дата обращения: 19.08.2022).
3. Правительство Ростовской области. Постановление от 15.10.2018 г. № 638. URL: https://pravo.donland.ru/ doc/view/id/Постановление_638_16102018_10128/ (дата обращения: 25.09.2022).
4. Ыдрыс У.Ы., Мессерле В.Е. Шлучение синтез-rasa из твepдых бытовых oтхoдoв с пoмoщью npo^cca пиpoлиз // Universum: технические науки. 2021. № 4 (85). С. 18-23.
5. Исследование характеристик и минерального состава торфа Томской области применительно к энергетическому использованию / К.Т. Ибраева, Ю.О. Манаев, Р.Б. Табакаев и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330, № 1. С. 191-200. DOI: 10.18799/24131830/2019/1/69
6. Allothermal Gasification of Peat and Lignite by a Focused Light Flow / A.S. Zaitsev, R.I. Taburchinov, I.P. Ozerova et al. // Appl. Sci. 2020. Vol. 10 (8). P. 2640. DOI: 10.3390/app10082640
7. Кашников С.В. Анализ использования пеллет из твёрдых бытовых отходов в качестве топлива для газификационных установок // Инновации и инвестиции. 2021. № 4. С. 172-174.
8. Барбанэль П.Ф., Кузнецова А.П., Салтыкова С.Н. Преимущества процесса газификации как способа решения проблемы накопления отходов // Исследователь года: сборник статей III Международного научно-исследовательского конкурса. Петрозаводск, 2020. С. 135-140.
9. Калютик А.А., Трещев Д.А., Поздеева Д.Л. Утилизация твердых бытовых отходов на ТЭЦ г. Санкт-Петербурга // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25, № 3. С. 59-70. DOI: 10.18721/JEST.25304
10. Применение синтез-газа для производства альтернативных источников энергии / А.Ш. Шартдинов, А.С. Квятковская, Н.Л. Эпимахов, Л.Я. Силантьева // Современные наукоемкие технологии. 2021. № 3. С. 106-111. DOI: 10.17513/snt.38539
11. Кайраткызы А., Горелов М.В., Комаров И.И. Энергетический комплекс для выработки электроэнергии за счет сжигания продуктов газификации ТКО // Энергетика. Технологии будущего: сб. тр. III науч.-техн. конф. студентов. 2020. С. 170-175.
12. Свечникова Н.Ю., Пузина А.С., Селиверстова Т.Ю. Изучение отходов углеобогащения с целью возможности их использования в качестве сырья для получения генераторного газа в процессе газификации // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2021. Т. 12, № 1. С. 32-34.
13. Тугов А.Н. Современные технологии термической переработки твердых коммунальных отходов и перспективы их реализации в России (обзор) // Теплоэнергетика. 2021. № 1. C. 3-20. DOI: 10.1134/S0040363621010185
14. Study of synthesis gas composition, exergy assessment, and multi-criteria decision-making analysis of flu-idized bed gasifier / P. Mojaver, S. Jafarmadar, S. Khalilarya, A. Chitsaz // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44 (51). P. 27726-27740. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.08.240
15. Multi-criteria optimization of a biomass gasification-based combined cooling, heating, and power system integrated with an organic Rankine cycle in different climate zones in China / C.Y. Li, J.Y. Wu, Y.J. Dai, C.-H. Wang // Energy Conversion and Management. 2021. Vol. 243 (9). P. 114364. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114364
16. Музалевский А.А., Федоров М.П., Сергеев В.В. Оценка экологических рисков в природнотехниче-ских системах, образованных полигонами твердых бытовых отходов // Экология урбанизированных территорий. 2020. № 1. С. 28-34. DOI: 10.24411/1816-1863-2020-11028
17. Ханзафарова А.У., Анахов С.В. Плазменная утилизация отходов: достоинства и недостатки // Экологическая безопасность в техносферном пространстве: сб. материалов Пятой Междунар. науч.-практ. конф. преподавателей, молодых ученых и студентов. Екатеринбург: Рос. гос. проф.-пед. ун-т, 2022. С. 321-326.
18. Efimov N.N., Papin V.V., Bezuglov R.V. Micro Energy Complex Based on Wet-Steam Turbine // Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 324-329. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.022
19. Мусоросжигательные заводы в Москве и Подмосковье. URL: https://alon-ra.ru/musoroszhigatelnye-zavody-v-moskve-i-podmoskove.html?ysclid=l821nfy0p7807826674 (дата обращения: 26.11.2022).
20. Францева А.А., Григорьева О.К. Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. 88 с.
References
1. Elektronnaya model' territorial'noy skhemy obrashcheniya s otkhodami Rostovskoy oblasti [Electronic model of the territorial waste management scheme of the Rostov region]. (In Russ.) Available at: http://www.tbo-rostov.ru (accessed 11.20.2022).
2. Pravitel'stvo RF. Rasporyazhenie ot 25.01.2018 g. No. 84-r. [Government of the Russian Federation. Decree No. 84-r of January 25, 2018]. (In Russ.) Available at: http://static.government.ru/media/files/ y8PMkQGZLfbY7jhn6QMruaKoferAowzJ.pdf (accessed 19.08.2022).
3. Pravitel'stvo Rostovskoy oblasti. Postanovlenie ot 15.10.2018 g. No. 638 [Government of the Rostov Region. Decree No. 638 dated October 15, 2018]. (In Russ.) Available at: https://pravo.donland.ru/doc/view/id/ Decree_638_16102018_10128/ (accessed 25.09.2022).
4. Ydrys U.Y., Messerle V.E. Research of synthesis gas obtained by pyrolysis from solid household waste. Universum: technical sciences. 2021;4(85):18-23. (In Russ.)
5. Ibraeva K.T., Manaev Y.O., Tabakaev R.B., Yazykov N.A., Zavorin A.S. Research of characteristics and mineral composition of peat of the Tomsk region relating to energy use. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2019;330(1a):191-200. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2019/1/69
6. Zaitsev A.S., Taburchinov R.I., Ozerova I.P. et al. Allothermal Gasification of Peat and Lignite by a Focused Light Flow. Appl. Sci. 2020;10(8):2640. DOI: 10.3390/app10082640
7. Kashnikov S.V. Analysis of use of pellets from solid waste as fuel for gasification plants. Innovations and investments. 2021;4:172-174. (In Russ.)
8. Barbanel P.F., Kuznetsova A.P., Saltykova S.N. [Advantages of the gasification process as a way to solve the problem of waste accumulation]. In: Explorer of the Year: Collection of articles of the III International Research Competition. Petrozavodsk; 2020. P. 135-140.
9. Kalyutik A.A., Treshchev D.A., Pozdeeva D.L. Recycling municipal solid waste at power-and-heating plants of St. Petersburg. St. Petersburg polytechnic university journal of engineering science and technology. 2019;25(03):59-70. (In Russ.) DOI: 10.18721/JEST.25304
10. Shartdinov A. Sh., Kvyatkovskaya A. S., Epimakhov N. L., Silanteva L. Ya. Use of synthesis gas for the production of alternative energy sources. Modern high technologies. 2021;3:106-111. (In Russ.) DOI: 10.17513/snt.38539
11. Kairatkyzy A., Gorelov M. V., Komarov I. I. [Energy complex for generating electricity by burning MSW gasification products]. In: Energy. Technologies of the future: collection of proceedings of the III scientific and technical conference of students. 2020. P. 170-175. (In Russ.)
12. Svechnikova N.Yu., Puzina A.S., Seliverstova T.Yu. Study of coal enrichment waste with a view to the possibility of their use as a raw material for obtaining generator gas in the gasification process. Actual problems of modern science, technology and education. 2021;12(1):32-34. (In Russ.)
13. Tugov A.N. Modern technologies for the thermal treatment of municipal solid waste, and prospects for their implementation in Russia (review). Thermal Engineering. 2021;68(1). DOI: 10.1134/s0040601521010183
14. Mojaver P., Jafarmadar S., Khalilarya S., Chitsaz A. Study of synthesis gas composition, exergy assessment, and multi-criteria decision-making analysis of fluidized bed gasifier. International Journal of Hydrogen Energy. 2019;44(51):27726-27740. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.08.240
15. Li C.Y., Wu J.Y., Dai Y.J., Wang C.-H. Multi-criteria optimization of a biomass gasification-based combined cooling, heating, and power system integrated with an organic Rankine cycle in different climate zones in China. Energy Conversion and Management. 2021;243(9):114364. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114364
16. Muzalevsky A.A., Fedorov M.P., Sergeev V.V. Risk assessment in natural-technical systems formed by solid waste landfills. Ecology of urban areas. 2020;1:28-34. (In Russ.) DOI: 10.24411/1816-1863-2020-11028
17. Khanzafarova A.U., Anakhov S.V. Plasma waste disposal: advantages and disadvantages. In: Ecological safety in the technosphere space: collection of materials of the Fifth International Scientific and Practical Conference of Teachers, Young Scientists and Students. Ekaterinburg: Russian State Vocational Pedagogical University; 2022. P. 321-326. (In Russ.)
18. Efimov N.N., Papin V.V., Bezuglov R.V. Micro Energy Complex Based on Wet-Steam Turbine. Procedia Engineering. 2016;150:324-329. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.022
19. Musoroszhigatel'nye zavody v Moskve i Podmoskov'e [Waste incineration plants in Moscow and the Moscow region]. (In Russ.) Available at: https://alon-ra.ru/musoroszhigatelnye-zavody-v-moskve-i-podmoskove.html?ysclid=l821nfy0p7807826674 (accessed 11.26.2022).
20. Frantseva A.A., Grigor'eva O.K. Osnovy eksergeticheskogo analiza toplivoispol'zuyushchikh ustanovok: ucheb. posobie [Fundamentals of the exergy analysis of fuel-using installations: study guide]. Novosibirsk: Publishing house of NSTU; 2019. 88 p. (In Russ.)
Информация об авторах
Безуглов Роман Владимирович, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Папин Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доц., доц. кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Ефимов Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., проф. кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Дьяконов Евгений Михайлович, канд. техн. наук, доц., проректор по образовательной деятельности, кафедра тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Ведмичев Никита Александрович, ассистент кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Филимонов Владимир Романович, аспирант кафедры тепловых электрических станций и теплотехники, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия; [email protected].
Information about the authors
Roman V. Bezuglov, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; [email protected].
Vladimir V. Papin, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Ass. Prof. of the Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; [email protected].
Nikolay N. Efimov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Prof. of the Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; [email protected].
Evgeny M. Dyakonov, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Vice-Rector for Educational Activities, Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; [email protected].
Nikita A. Vedmichev, Assistant of the Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; [email protected].
Vladimir R. Filimonov, Graduate Student of the Department of Thermal Power Stations and Heat Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia; vladimir.filimonoff2016@ yandex.ru.
Статья поступила в редакцию 24.01.2023; одобрена после рецензирования 15.02.2023; принята к публикации 20.05.2023.
The article was submitted 24.01.2023; approved after review 15.02.2023; accepted for publication 20.05.2023.
