CC BY
93
Науки о Земле
УДК 621
Батухтин Андрей Геннадьевич Audrey Batuhtin
Пинигин Василий Владимирович Vasily Pinigin
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
THE OPTIMISATION OF THE POWER HEATING EQUIPMENT OPERATING MODES WHEN USING NATURAL ZEOLITES FOR HARMFUL EMISSIONS DECREASING
Приведены особенности и характерные свойства природных цеолитов. Представлен способ снижения вредных выбросов от котлов с факельным сжиганием топлива с использованием цеолитсодер-жащих пород Восточного Забайкалья. Произведено экономическое обоснование использования цеолита Шивыртуйского месторождения. Сформулированы рекомендательные выводы, обоснованные с точки зрения технико-экономической оценки
Ключевые слова: сжигание топлива, аддитивный способ, параметры работы котельного агрегата, цеолит, вредные выбросы, оксиды азота, оксиды серы, экология, эффективность, котел, топливо
The Authors pointed out features and characteristic of natural zeolites. The article de-scribes the method for reducing torch fuel burning boilers exhaust emissions while us-ing the zeolite solids of Eastern Transbaykalia. The work also represents the economic explanation of Shivirtuiski zeolite deposit usage. The recommendatory conclusions proved from the point of view of a technical and economic estimation are formulated
Key words: fuel burning, additive process, working characteristics of the boiler unit, the zeolite, harmful emissions, nitrogen oxide, sulfur oxide, ecology, efficiency, boiler, fuel
Исследования проведены в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук в области знания «Технические и инженерные науки»
В настоящее время острой становится проблема, связанная с распределением и потреблением энергетических ресурсов.
Предполагаемое при этом повышение доли сжигаемого твердого топлива в топливном балансе ТЭС без внедрения новых технологий и современного газоочистного оборудования, переработки и утилизации техногенных отходов, очистки дымовых газов от вредных выбросов приведет к значительному увеличению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Поэтому в условиях
постоянно растущего энергопотребления от современной науки требуется создание эффективных и в то же время малозатратных технологий и технических средств, которые позволили бы снизить уровень негативного воздействия ТЭС на окружающую среду.
Одной из таких технологий является адсорбционная очистка дымовых газов с помощью природных цеолитов, которая позволяет одновременно с удалением вредных газовых выбросов из продуктов сгорания топлива осуществлять улучшение экономических показателей работы тепло-генерирующего оборудования. Так, например, просыпка в конвективную шахту котла природных цеолитов в количестве 15 % по отношению к расходу топлива на номинальном режиме работы позволяет снизить выброс оксидов серы на 70 % и добиться повышения КПД-брутто котла на 1,6 % за счет снижения температуры росы уходящих газов.
Одной из важнейших проблем энергетической отрасли промышленности является наличие больших объемов газовых выбросов, содержащих вредные газовые компоненты. Характерными для отрасли загрязняющими веществами являются диоксид серы, на долю которого приходится до 39 % общего объема выбросов, твердые вещества (30 %), оксиды азота (24 %) [1].
В мировой практике накоплен большой опыт по разработке и освоению различных технологий газоочистки, учитывающий особенности работы тепловых электростанций и сжигаемого на них топлива [1]. Эффективность этих мероприятий достаточно высока, однако их существенным недостатком является высокая стоимость оборудования и эксплуатации, а также сложность технологических процессов и необходимость осуществления конструктивных изменений элементов энергетического оборудования и котельных агрегатов, в частности. В этом плане преимущество получает адсорбционный способ очистки дымовых газов с помощью природных цеолитов [2].
Природные цеолиты как таковые уже довольно давно нашли применение в различных областях промышленности, а так-
же в ряде производств (в качестве вспомогательного вещества для технологических нужд). Несмотря на это, в отрасли тепловой энергетики они не имели должного применения до настоящего времени ( есть частный опыт их использования в водном хозяйстве энергетических объектов страны). Природные цеолиты обладают рядом особенностей, которые дают возможность использования их в крупном масштабе для газоочистных нужд на ТЭС [3].
Технология с применением в качестве сорбента природных цеолитов является очень схожей с сухой известняковой технологией. Интенсивность улавливания диоксида серы и оксидов азота в диапазоне температур 500...850 °С зависит от тонины помола реагента, поскольку процесс сорбции определяется преимущественно поверхностью контакта реагента с газом, которая, в свою очередь, зависит от размера частиц [4].
Общим достоинством цеолитов перед другими адсорбентами является их низкая стоимость и достаточная распространенность в Забайкальском крае как породообразующих минералов вслед за минералами кремнезема, полевыми шпатами и глинами, что определяет возможность их использования для очистки дымовых газов от котельных установок, работающих на различных видах топлива. Основную массу запасов в Забайкальском крае занимает цеолитсодер-жащий туф Шивыртуйского месторождения, содержание чистого цеолита в котором достигает около 80 % по массе [5].
Поскольку речь идет о действующих котлах, а затраты на реконструкцию, связанные с внедрением природных цеолитов, должны быть минимальны, важную роль играют конструктивные особенности котельного агрегата. Этими особенностями определяется непосредственное место ( участок газовоздушного тракта котла) ввода сорбента в контакт с дымовыми газами для достижения максимальной эффективности способа.
Положительным качеством природных цеолитов Шивыртуйского месторождения является высокая стабильность к дегид-
ратации, в силу своей изоструктурности, после которой они становятся способны к адсорбированию углекислого газа, влаги и других соединений.
Важной особенностью очистки дымовых газов с помощью природных цеолитов является малая потребная площадь для размещения оборудования в ячейке котла.
Однако цеолитовый способ очистки газов, как и другие способы, также имеет свои достоинства и недостатки. Достоинством данного способа является простота его технологии. К тому же он не требует огромных капиталовложений (самые низкие приведенные капитальные затраты), не приводит к значительному удорожанию 1 кВт установленной мощности, имеет малое значение эксплуатационных затрат на очистку, сопровождается меньшими тепловыми потерями, чем мокрые способы очистки ( т.к. не требует охлаждения газа до комнатной температуры).
Тем не менее, важнейшим фактором, который должен учитываться при решении проблем снижения вредных выбросов в атмосферу, является остаточный срок службы котла и режим его работы.
Если котел был сдан в эксплуатацию относительно недавно и предполагается его работа в базовой части графика нагрузок, то капитальные вложения, направленные на реконструкцию и модернизацию этого котла, окупятся довольно быстро (особенно в случае повышения КПД котла в результате модернизации).
Другой подход к решению экологических проблем применяется в случае, когда котел уже проработал 30... 40 лет и в настоящее время из-за низкого КПД в работу включается сравнительно редко. При этом даже незначительные инвестиции вряд ли окупятся за счет экологического эффекта от внедрения технологии газоочистки.
При этом необходимо учитывать тот факт, что каждый из существующих способов снижения выбросов М0х и Я02 оказывает определенное негативное воздействие на экономичность и надежность котельного агрегата и элементов газового тракта. По-
этому выбор конкретной технологии зависит от условий, в которых планируется ее внедрение, и оно должно производиться на основе технико-экономического обоснования целесообразности применения того или иного мероприятия совместно с прогнозированием показателей надежности и безотказности работы оборудования.
Сущность предлагаемого способа очистки дымовых газов заключается в просып-ке в конвективную шахту котла природного цеолита через устройства системы дробеструйной очистки поверхностей нагрева. При этом одновременно со снижением концентрации Я02 и Я03 в продуктах сгорания происходит снижение температуры точки росы дымовых газов, что в конечном итоге позволяет повысить надежность воздухоподогревателей. Кроме того, понижение температуры точки росы дымовых газов позволяет осуществлять работу котла в реальных условиях с более глубоким охлаждением продуктов сгорания, т.е. с более низкой температурой уходящих газов, что в свою очередь позволяет повысить экономичность котла по сравнению с работой в обычном режиме (без использования предлагаемой технологии).
Однако экономическая оценка способа использования природных цеолитов для снижения вредных выбросов от котельных агрегатов сводится к решению оптимизационной задачи по нахождению оптимального расхода цеолита для конкретных условий его применения. Эта задача является параметрической.
Существующие методы поиска оптимального решения можно разделить на детерминированные, случайные (стохастические) и комбинированные. Кроме того, можно выделить аналитические (например, метод множителей Лагранжа), численные и графические методы [6; 7; 8; 9].
Оптимальный расход цеолита представляет унимодальную целевую функцию, т.е. имеет единственный экстремум, являющийся глобальным минимумом суммарных издержек:
И - f (Их) + f (И2) + f (Яз) + С ЬТ - lim f (И) • (1)
И ^min
На основе экспериментальных исследований получена зависимость эффективности способа снижения вредных выбросов с использованием природных цеолитов от относительного расхода цеолита, подаваемого в конвективную шахту котла:
b - 0,32 ■ • - ln
MsQ2 - MKSOi
M* - M"
(2)
где Ьр — Вс / В — относительный расход вводимого в конвективную шахту котла природного цеолита;
8р — процентное содержание серы в топливе, %;
М80 — необходимый уровень массового выброса Я02, поддерживаемый применением способа, г/с;
Мк$0 — установившийся массовый выброс Я02, когда дальнейшее увеличение подачи цеолита в конвективную шахту котла не даёт заметного снижения оксидов серы, г/с;
М00 — массовый выброс Я02 при отсутствии подачи цеолитов в конвективную шахту котла, г/с.
Экономическая оценка и обоснование способа снижения выбросов от котлов с факельным сжиганием топлива с использованием природных цеолитов может быть
произведена с помощью методики, представленной ниже.
Суммарные издержки (руб.), связанные с реализацией метода, можно представить в виде суммы:
И — И + И + и + И , (3)
э/э^ топл цеол экол
где Иэ/э — затраты на электроэнергию, потребляемую приводом конвейера, осуществляющего подачу природных цеолитов к загрузочному устройству системы дробеструйной очистки поверхностей нагрева котла;
Итопл — расходы на топливо. Данное слагаемое издержек является функцией от относительного расхода цеолита и может быть определено по формуле
И — В™ • ц ,
топл р топл
(4)
где В™ — /(Ьс) — вариативный расход топлива, кг/с, изменяющийся в зависимости от относительного расхода цеолита; Цтопл — стоимость топлива, руб/кг; Вариативный расход топлива может быть определен по формуле
Вуат — 61(1 ~ Ча)
р 6Р {щ +Ад2)
(5)
здесь Дд2 — изменение (уменьшение) потерь теплоты с уходящими газами. Данная величина также является функцией от изменения температуры уходящих газов, зависящего от относительного расхода цеолита, подаваемого в конвективную шахту котла, т.е.:
Ч, - fb) --¿Ц-(Sp + sp - (Sp - Sp) • exp[-( Ь
1,054'19ayK ■A Ш
0,289 • S
P
(6)
где 8р — процентное содержание серы в топливе, %;
Б К — содержание серы, соответствующее предельному массовому выбросу Я02, когда дальнейшее увеличение подачи цеолита в конвективную шахту котла не даёт заметного снижения оксидов серы, %;
аун — содержание золы в уносе;
— приведенная зольность, % кг/
МДж;
Ицоол — затраты на цеолит, подаваемый в конвективную шахту котла, могут быть определены по формуле
Ицеол Вс Ццеол , (7)
где Вс — абсолютный расход цеолита, кг/с; Ццоол — стоимость цеолита, руб/кг; Иэкол — плата за выбросы оксидов серы, которая зависит от относительного расхода цеолита Ьс и может быть определена по формуле
Иэкол — МБ02 ' Тэкол , (8)
где МБ0 — / (Ьс) — массовый выброс серы, соответствующий расходу цеолита, г/с;
Тэкол — тариф по уплате за выбросы оксидов серы.
Массовый выброс серы М0 —1(Ьс) можно определить, используя следующую зависимость:
-о) • )2] +
- (М0 - М1
0,32 •
+ М
50,
(9)
В таблице представлены результаты технико-экономической оценки способа снижения выбросов с помощью природных цеолитов для котла БКЗ-220-100Ф3 с факельным сжиганием топлива.
Результаты технико-экономической оценки
Годовой экологический эффект, руб/год 58229,55
Годовые затраты на цеолит, руб/год 41613,7
Повышение КПД-брутто котла, % 1,6
Снижение температуры уходящих газов, °С 25,0
Годовая экономия топлива, т/год 4792,0
Экономия средств на топливо, руб/год 4792032,0
Экономический эффект, руб/год 4808647,85
Топливом является уголь Харанорско-го месторождения ( ОР «12 МДж/кг (2000 ккал/кг), < 40 %, Ар « 8,6 %, Бр - 0,3 %) . Стоимость топлива в расчетах принималась равной 1000 руб/т, цеолита — 4000 руб/т, число часов использования установленной мощности — 4754 ч/год. Просыпка цеолита в конвективную шахту котла осуществлялась в количестве 15 % от расчетного расхода топлива.
Для определения годовых значений суммарных издержек можно воспользоваться методикой [10].
Таким образом, способ очистки дымовых газов с помощью природных цеолитов является полноценным и конкурентным способом, позволяющим производить глубокую очистку дымовых газов. Определение расхода цеолитов, необходимого для обеспечения требуемой степени очистки продуктов сгорания, а также экономическая оценка способа очистки дымовых газов с помощью природных цеолитов возможны с использованием представленной методики.
Литература
1. Дорфман Ю.В., Пинигин В.В. Разработка аддитивного способа использования цеолитов для снижения вредных выбросов от котлов с факельным сжиганием топлива // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. № 1. С. 186-188.
2. Дорфман Ю.В., Горячих Н.В., Батухтин А.Г. Моделирование поведения углей при разных способах его сжигания и их применение // Вестник Читинского государственного университета. - Чита: ЧитГУ. 2010. № 9. С. 119-125.
3. Пат. РФ 2421505 РФ. МПК C10L 10/00, С1. Способ снижения вредных выбросов при сжигании углей в топках с кипящим слоем / А.Г. Батухтин, М.С. Басс, Ю.В. Дорфман, П.Г. Сафронов (РФ). № 2010 107697/05(010795); Заявлено 02.03.2010; Опубл. 20.06.2011, Бюл. №17.
4. Пинигин В.В., Дорфман Ю.В. Проблемы использования цеолитов для снижения вредных выбросов при сжигании твердого топлива // Энергетика: экология, надежность, безопасность: мат. XVI Всерос. науч.-техн. конференции. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. С.206-208.
5. Иванов С.А., Батухтин А.Г., Пинигин В.В. Проблемы внедрения технологии очистки дымовых газов ТЭС с помощью природных цеолитов в энергетическую отрасль страны // Вестник Забайкальского регионального отделения Российской академии естественных наук. Чита: ЗабГУ, 2011. № 1 (4). С. 94-98.
6. Батухтин А.Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основе математического моделирования с учетом функционирования различных типов потребителей: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Улан-Удэ: Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 2005.
7. Иванов С.А., Батухтин А.Г., Горячих Н.В. Метод повышения электрической мощности турбин // Промышленная энергетика. 2009. № 12. С. 13-15.
8. Goryachikh N.V., Batukhtin A.G., Ivanov S.A. Some methods for making cogeneration stations more maneuverable // Thermal Engineering. 2010. Т. 57. № 10. С. 892-896.
9. Сафронов П.Г., Иванов С.А., Батухтин А.Г., Батухтина И.Ю. Способ увеличения экономичности основного оборудования ТЭЦ // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. № 1. C. 175-178.
10. Басс М.С., Батухтин А.Г., Требунских С.А. Упрощенная методика расчета нормативов удельных расходов топлива в отопительных котельных применительно к условиям Забайкальского края // Промышленная энергетика. 2009. № 9. С. 37-41.
Коротко об авторах_
Батухтин А.Г., канд. техн. наук, доцент, директор технико-внедренческого парка ФГБОУ ВПО ЗабГУ
Научные интересы: энергетика, теплофикация, отпуск тепла, горячее водоснабжение, нормирование расхода и экономия топлива
Пинигин В.В., аспирант, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) [email protected]
Научные интересы: энергетика, теория горения топлива, котельные установки и парогенераторы, экология, надежность
_Briefly about the authors
A. Batuhtin, The Master of technical sciences, associate professor, the director of tech-nical park of Zabai-kalsky State University
Scientific interests: the power engineering, district heating cogeneration, heat supply, hot water supply, the expense rationing and fuel economy
V. Pinigin, post-graduate student, Zabaikalsky State University
Scientific interests: the power engineering, the theory of fuel burning, boiler installa-tions, steam and gas generators, ecology, reliability
