CC BY
23
ДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМ
УДК 621.311
ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ГАЗООЧИСТКИ ПРИ РАБОТЕ НА РАЗЛИЧНЫХ МАРКАХ УГЛЯ
EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC INDICATORS OF GAS CLEANING SYSTEMS WHEN WORKING ON VARIOUS COAL BRANDS
П. А. Батраков1, Е. В. Яковлева1, А. Н. Мракин2, А. А. Селиванов2, Г. Р. Мингалеева3,
О. В. Афанасьева3
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия 3Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
P. A. Batrakov1, E. V. Yakovleva1, A. N. Mrakin2, A. A. Selivanov2, G. R. Mingaleeva3,
O. V. Afanasyeva3 'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2 Saratov State Technical University named after Gagarin Yu.A., Saratov, Russia 3Kazan State Energy University, Kazan, Russia
Аннотация. Объектом исследования является комплекс мероприятий для снижения концентрации оксидов серы и азота в продуктах сгорания котельных агрегатов за счет оснащения их системой газоочистки. Повышение экологических параметров энергоустановки достигается за счет установки аппаратов очистки продуктов сгорания: абсорбера для очистки от окислов серы и нейтрализатора для очистки продуктов сгорания от оксидов азота. В работе проведено определение технико-экономических показателей и представлен сравнительный анализ различных марок топлив в целях повышения экономических и экологических параметров установки. В результате расчета определены технико-экономические показатели для каждого из рассматриваемых топлив.
Ключевые слова: золоочистка, азотоочистка, сероочистка, предельно допустимая концентрация/
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-3-9
I. Введение
Основа современной энергетики - различные типы электростанций. Технология производства электрической энергии на ТЭС связана с большим количеством отходов, выбрасываемых в окружающую среду. Проблема, связанная с влиянием энергетики на экологическую обстановку, становится особенно острой, так как загрязнение окружающей среды, атмосферы и гидросферы с каждым годом все увеличивается. Если учесть, что масштабы энергопотребления постоянно увеличиваются, то и соответственно увеличивается отрицательное воздействие энергетики на природу.
В настоящее время ряд требований, предъявляемых к системам газоочистки, возрастает. Это обусловливает актуальность проблем очистки дымовых газов от вредных примесей. Ухудшение экологической ситуации в России и в мире в целом способствует к привлечению инвестиций к строительству очистных сооружений и аппаратов.
При сжигании твердого топлива в атмосферу выбрасываются такие вещества, как оксиды серы и азота, золовые частицы. Повышение уровня загрязнений ведет к достижению предельно допустимой концентрации (ПДК). Основная задача системы управления экологически чистой ТЭС - получение оптимального режима работы при минимальном выходе загрязняющих воздух веществ.
На рис. 1 представлено влияние, оказываемое взаимодействием ТЭС на окружающую среду [1, 2]. Во избежание дальнейшего ухудшения состояния загрязнения атмо-, лито-, гидросферы необходимо уделять должное внимание показателям очистки дымовых газов от 80х и N0^
В последние годы ведутся интенсивные работы по усовершенствованию направления, связанного с сокращением образования оксидов азота в процессе сжигания энергетических топлив. На действующих пыле-угольных и мазутных котлах активно внедряются малотоксичные горелки и технологии многоступенчатого сжигания топлива, а новые газотурбинные установки оснащаются малотоксичными камерами сгорания, обеспечивающими значительное уменьшение концентрации N0^
Рис. 1. Схема взаимодействия ТЭС с окружающей средой: ПГ - парогенератор; Т - турбина; К - конденсатор; ПН, КН, ЦН - соответственно питательные, конденсатные и циркуляционные насосы; РВП - регенеративный подогрев питательной воды; Г - генератор электрического тока; МО - массоохладитель; ТП - трансформаторная подстанция; ЛЭП - линии электропередач
Например, в настоящее время известны более 80 модификаций способов удаления 80х из дымовых газов [3, 4, 5].
II. Постановка задачи
В результате литературно-патентного поиска [2, 6, 7, 8, 9] и подробного рассмотрения аналогов установок по очистке от 80х и N0» а также с учетом достоинств и недостатков рассматриваемых схем была выбрана следующая принципиальная схема установки (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема: 1 - котельный агрегат, 2 - скруббер, 3 - абсорбер, 4 - облучатель, 5 - дымовая труба
После сжигания топлива в котельном агрегате 1 дымовые газы, содержащие золовые частицы, а также оксиды серы и азота направляются в полый скруббер 2. Скруббер Вентури производства «Машинопромышлен-ное объединение» работают с высокой эффективностью при очистке дымовых газов от пыли со средним размером частиц 1-2 мкм и улавливают высокодисперсные частицы пыли с концентрацией от 0,05 до 100 г/м3. Таким образом, скрубберы Вентури обеспечивают пылегазоочистку от частиц пыли практически любого дисперсного состава. Высокая степень извлечения пыли из газа достигается путем мокрой очистки. В процессе охлаждения
влажного газа происходит конденсация водяных паров на частицах пыли. Таким образом, возрастает вес пылинок и они легко выделяются из газа под действием сил тяжести или сил инерции.
После скруббера газы поступают в абсорбер 3, где происходит их очистка от оксидов серы с помощью реагента Са(ОН)2, и конечным продуктом этого метода, как правило, является сульфат кальция (гипс), пригодный к дальнейшему применению; который движется противотоком к движению газов. Затем газы поступают в облучатель 4, в котором проходит завершающий этап очистки уходящих газов, где газы подвергаются облучению пучком ускоренных электронов с энергией около 1 МэВ. В результате такого облучения образуются радикалы, ионы, возбужденные молекулы, которые взаимодействуют с 802, N0» и образуют в результате пары серных и азотных кислот соответственно. Перед облучателем производят ввод аммиака в виде капель раствора или в газообразном виде. Аммиак взаимодействует с парами азотной и серной кислот с образованием сульфатов.
Ускорители серии ЭЛВ для очистки отходящих газов тепловых станций от окислов серы и азота являются ускорителями постоянного тока. Питание ускорительной трубки осуществляется от источника высокого напряжения. Электроны, эмитированные катодом, расположенным на верхнем высоковольтном конце ускорительной трубки, имеют на выходе из ускорительной трубки полную энергию, равную величине ускоряющего напряжения. Ускоренные электроны выводятся в атмосферу через окно из тонкой титановой фольги. Равномерное распределение тока по поверхности фольги достигается путем сканирования электронного пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью электромагнитных отклоняющих систем. Облучаемые газы перемещаются под выпускным окном в поперечном направлении. Готовым продуктом является химическое соединение - нитрат аммония N^N0^ Полностью очищенные газы удаляются через дымовую трубу 5 в атмосферу.
Достоинство технологической схемы - возможность комплексной очистки дымовых газов от золовых частиц, оксидов серы и азота [10, 11, 12]. Применение данной схемы позволяет производить очистку от вредных примесей 80х и N0x примерно на 99%.
III. Теория
Методика расчета технико-экономических показателей заключается в определении эксплуатационных затрат в системах очистки уходящих газов от вредных выбросов [11, 13, 14] и определяется по формуле, руб./год:
И = Ии + Изг_ + И^ + и^ + и^.
Материальные затраты руб./год: Издержки на ремонт руб./год:
где Hpj,. = 0.02 - коэффициент ремонтных отчислений, 1/год. Издержки на приобретение аммиака, руб./год:
Ииз = 1 Цигяз-
Издержки на оплату труда определяются по формуле, руб./год: Отчисления на социальные нужды, руб./год:
где НпК = 0.3 - коэффициент налоговых отчислений, 1/год. Амортизационные отчисления, руб./год:
где = 0.02 - коэффициент амортизационных отчислений, 1/год.
Чистый дисконтированный доход (ЧДД) - превышение интегральных (суммарных за весь расчетный период) результатов над интегральными затратами. Величина ЧДД вычисляется по формуле
где ctt — . L_L - коэффициент дисконтирования. Угод; Е - норма дисконта; - результаты, достигаемые на
шаге времени I. млн руб.; А'г - капиталовложения на шаге t расчетного периода, млн руб., 3f - производственные издержки (за исключением Нам), млн руб./год.
Индекс доходности ИД - отношение суммы приведенных эффектов к величине капиталовложений [14] Если ИД>1, то инвестиции в проект целесообразны.
Состав топлива - важнейшая его характеристика. От содержания в нем различных компонентов будут зависеть работа таких очистных аппаратов, как скруббер, абсорбер и облучатель.
В дальнейшем будет рассмотрена зависимость некоторых характерных параметров от исходного состава топлива.
Были рассмотрены виды топлив (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1
РАЙОН МЕСТОРОЖДЕНИЯ И СОСТАВ ТОПЛИВА
Район месторождения, марка Состав топлива, % Температура плавления золы, К
Ср Нр Ор 8р Ар
Кузнецкий, Д 58,7 1,9 4,2 9,7 0,3 13,2 12 1533
Экибастузский, СС 44,8 0,8 3,0 7,3 0,7 36,9 6,5 1500
Березовское, 2БР 44,2 0,4 3,1 14,4 0,2 4,7 33 1290
Челябинский, БЗ 71,5 1,7 5,2 18,9 2,7 34 17 1493
Варьированием состава топлива проследим, как это отразится на некоторых параметрах работы котельного агрегата. Исходными данными по техническим расчетам служили характеристики котельного агрегата (табл. 2).
ТАБЛИЦА2
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА БКЗ-320
Номинальная производительность, Бпе, т/ч Давление пара на выходе из пароперегревателя РПЕ, МПа Температура перегретого пара на выходе 1ПЕ, °С Температура питательной воды °С Величина продувки Рпр, %
320 12 560 220 4
Принимаем стандартные характеристики и рабочие параметры котельного агрегата БКЗ-320. Тогда максимальный расход топлива возможно определить [15] по формуле
где £>, Дф - соответственно расходы пара и продувочной воды, кг/ч (Д^О, 1 ■!)): - теплота сгорания топлива кДж/кг; г} - коэффициент полезного действия котлоагрегата; И", И', /?,„. - энтальпия соответственно пара, кипящей воды, питательной воды, кДж/кг.
Далее рассматриваются одни из наиболее важных характеристик - расход натурального топлива при неизменных характеристиках котла и влияние продуктов сгорания на окружающую среду.
Вредным компонентом углей как с точки зрения воздействия на окружающую среду, так и в технологическом отношении является сера. Угли - природные концентраторы серы. В ископаемых углях и породах угленосных толщ сера содержится в виде сульфидов, сульфатов, органических соединений и элементарной серы.
В большинстве случаев от содержания серы в углях зависит возможность их применения в энергетических установках, так как угля все виды серы, кроме сульфатной, переходят в S02, удаляющийся с дымовыми газами. Это вызывает износ дымоходов, котлов и аппаратуры, а также приводит к неблагоприятным экологическим последствиям. С учетом постановления правительства РФ от 13.09.2016 № 913 (ред. от 29.06.2018) «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах» ставки платы за 1 тонну загрязняющих веществ (отходов производства и потребления) на 2018 год составляют:
• сероводород - 686,2;
• сероуглерод - 1094,7;
• серная кислота - 45,4;
• серы диоксид - 45,4.
В настоящее время при сжигании энергетических углей образуется не менее 80 млн т/год сернистого ангидрида, что сопоставимо с объемами производства соединений серы на химических заводах. В связи с этим спрос и цены на высокосернистые угли обычно ниже, чем у низкосернистых марок углей, притом что сера является одним из горючих элементов твердого топлива, при сжигании ее выделяется 9,04 МДж тепла. Рассмотрим график влияния наличия серы, входящей в состав топлива на эффективности работы котла.
Рис. 4. Зависимость расхода натурального топлива с учетом его стоимости от серосодержания
По графику видно, что при увеличении серосодержания с 0,2 до 2,7% затраты на топливо снижаются примерно на 5%. Но при этом происходит увеличение концентрации оксидов серы. Ниже представлен график зависимости суммарного количества поглощаемых оксидов серы от серосодержания топлива.
Содержание серы в топливе S, %
Рис. 5. Зависимость валового выброса оксидов серы от серосодержания исходного топлива
Такой характер зависимости обусловлен увеличением выбросов оксидов серы с повышением их количества в топливе. Так увеличение серосодержания приводит к росту валового выброса оксидов серы примерно на 165 г/с.
Из результатов расчета можно сделать следующие общие выводы. При увеличении содержания серы в топливе с 0,2 до 2,7%, изменяются следующие параметры:
• затраты на топлива снижается примерно 5% (это объясняется тем, что высокосернистые топлива обычно стоят дороже, чем низкосернистые, но при этом с ростом серосодержания возрастает и калорийность топлива; при сжигании сера выделяется 9,04 МДж тепла);
• суммарное количество серы, выбрасываемой в атмосферу, увеличивается более чем в 3,7 раза, но применения данной схемы очистки дымовых газов позволяет уменьшить выброс практически на 99%.
С учетом этого мы можем утверждать, что при качественной очистке дымовых газов от оксидов серы мы можем применять топливо с более высоким содержанием серы в топливе, что позволит снизить расход топлива.
IV. Результаты
Для расчета ожидаемых технико-экономических показателей потребуются значения капитальных затрат и эксплуатационных издержек по каждому из рассматриваемых видов топлив. В таблицу 3 сведены результаты расчета капитальных затрат и издержек на строительство и обслуживание аппарата при работе ТЭС на базовом топливе (Кузнецкий уголь, Д). Результаты составлены по следующим исходным данным: норма дисконта Е = 9,65%, численность персонала П = 200 чел., инвестиционный период ^ = 3 года, расчетный период эксплуатации t = 20 лет.
ТАБЛИЦА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
№ пп Наименование величины Формула Значение
1 Полные капитальные вложения, млн руб. К = к^тэс 4941,15
2 Годовые капитальные вложения, млн руб. К = КЛСТр 1647,05
3 Издержки на топливо, млн руб. Ит = ВтЦт 277,00
4 Издержки на ремонт, млн руб. Ир К ^рем 98,823
5 Прочие материальные издержки, млн руб. Им.пр = (Ит+Ир)Ом.пр 67,65
6 Материальные затраты, млн руб. Им = Ит+Ир+Им.пр 443,47
7 Затраты на оплату труда, млн руб. Изп = ПФзп 50,00
8 Отчисления на социальные нужды, млн руб. И = И Н 15,10
9 Амортизационные отчисления, млн руб. Иам К ^ам 98,823
10 Налог на имущество, млн руб. И = ФН г Аим ^ А Аим 72,58
11 Издержки на услуги связи, млн руб. И = (И +И +И ) а '^пр ч'^зп 1 -^сн 1 -^ам/ ^пр 13,11
12 Земельный налог, млн руб. И = Р к Н зем зем зем зем 0,59
13 Налог на воду, млн руб. Ивод Vвод Нвод 0,03
14 Прочие затраты, млн руб. И = И +И 1+И +И г Апр г Аим * Апр1 * Азем * Авод 86,31
15 Полная себестоимость эл/эн, млн руб. И = И +И +И +И +И И = Им+Изп+Исн+Иам+Ипр 693,703
В табл. 4 приведены результаты расчета экономических показателей системы газоочистки по каждому из видов топлив.
ТАБЛИЦА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
Показатель, ед. изм. Вид топлива
Кузнецкий уголь, Д Экибастузский, СС Березовское, 2 БР Челябинский уголь, БЗ
Срок окупаемости, лет 10,2 9,3 10,7 9,7
Чистый дисконтированный доход, млн руб. 1951,1 1785,3 2110,7 1705,7
Индекс доходности, руб./руб. 1,56 1,64 1,48 1,69
Из анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы: при увеличении содержания серы с 0,2 до 2,7 % в топливе срок окупаемости снижается. При этом применения предложенной схемы очистки газов от оксида серы и оксида азота приводит к качественной очистке уходящих газов и при этом не ухудшает экологические показатель котельного агрегата.
VI. Выводы и заключение
В результате технико-экономического расчета определены ожидаемые технико-экономические показатели для каждого из рассматриваемых топлив. Так, чистый дисконтированный доход для каждого из топлив составил: Кузнецкий уголь, Д - 1951,1 млн руб., Экибастузский уголь, СС - 1785,3 млн руб., Березовский уголь, 2БР - 2110,7 млн руб., Челябинский, БЗ - 1705,7 млн руб. А индекс доходности для каждого из топлив, руб./руб.: Кузнецкий, Д - 1,56, Экибастузский, СС - 1,64, Березовский, 2БР - 1,48; Челябинский БЗ - 1,69.
Список литературы
1. Калыгин В. Г. Промышленная экология. М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. 240 с.
2. Зацаринная Ю. Н., Хайбуллина А. Р., Шабиева Г. Р., Шамилов И. Р., Ахметова И. Г. Мероприятия по снижению экологического риска при эксплуатации котельных // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19, № 10. С. 133-134.
3. Carlson C. L., D. C. Adriano. Environmental Impacts of Coal Combustion Residues // Journal of Environmental Quality 1993. Vol. 22, № 2. Р. 227-247.
4. Singh S. P. N., Jolley R. L., Dickerson L.S / in: Y. A. Attia (Ed.) // Processing and Utilization of High Sulfur Coals, Elsevier, New York, 1985. Р. 327-335.
5. Ajdari Sima, Normann Fredrik, Andersson Klas, Johnsson Filip. Modeling the Nitrogen and Sulfur Chemistry in Pressurized Flue Gas Systems // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2015. Vol. 54 (4). Р. 1216-1227.
6. Siddiqi M. A., Petersen J., Lucas K. Influence of Nitrogen Monoxide on the Complex Phase and Chemical Equilibria in Wet Flue Gas Cleaning Processes // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2003. Vol. 42 (7). Р. 1406-1413.
7. Adewuyi Yusuf G., Sakyi Nana Y., Khan M. Arif. Simultaneous removal of NO and SO 2 from flue gas by combined heat and Fe 2+ activated aqueous persulfate solutions // Chemosphere. 2018. Vol. 193. Р. 1216-1225.
8. Ye Sun, Xiaowei Hong, Tianle Zhu, Xiaoyan Guo, Deyuan Xie. The Chemical Behaviors of Nitrogen Dioxide Absorption in Sulfite Solution // Applied Sciences. 2017. Vol. 7 (4). Р. 377.
9. Chenghang Zheng, Changri Xu, Yongxin Zhang, Jun Zhang, Xiang Gao, Zhongyang Luo, Kefa Cen. Nitrogen oxide absorption and nitrite/nitrate formation in limestone slurry for WFGD system // Applied Energy. 2014. Vol. 129. Р. 187-194.
10. Ноздренко Г. В., Русских Е. Е., Шепель В. С. Технико-экономические показатели перспективных энергоблоков ТЭС суперкритических параметров с системами серо- и азотоочистки // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 1-2. С. 28-37.
11. Пономарева Н. В., Симонов В. Ф., Агеев М. А. Оптимизация систем глубокой очистки дымовых газов пылеугольных энергетических котлов // Проблемы энергетики. Известия высших учебных заведений. 2006. № 9-10. С. 55-62.
12. Гафаров А. Х., Лаптева Л. И. Мониторинг вредных выбросов при сжигании природного газа предприятий по выработке тепловой энергии в районах РТ // Вестн. Казан. технол. ун- та. 2010. № 3. С. 463-467.
13. Виленский П. Л., Лившиц В. Н., Смоляк С. А. Оценка эффективности инвестиционных проектов: теория и практика. М.: Дело, 2001. 832 с.
14. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов: утв. Министерством экономики РФ от 21.06.1999 № ВК 477. 227 с.
15. Эстеркин Р. И. Промышленные парогенерирующие установки. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980.
400 с.
