CC BY
22
НЛТУ
УКРЛИНИ
Hl/IUB
Науковий BicHMK НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270620 Article received 22.09.2017 р. Article accepted 28.09.2017 р.
УДК 66.096.5
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author М. P. Kulyk [email protected]
М. П. Кулик1, Т. Ю. Кравець2
1 1вано-Франювський нацюнальний техтчний утверситет нафти i газу, м. 1вано-Франювськ, Украша
2Нацюнальний утверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украша
П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 СПАЛЮВАННЯ ОРГАН1ЧНОГО ПАЛИВА В КОМБ1НОВАНИХ ПАРОГАЗОВИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВКАХ
Проанаизовано сучасний стан теплово! енергетики Укра!ни, яка через значну зношешсть технолопчного обладнання та величезнi викиди шкiдливих речовин в атмосферне повпря, а також нестачу маневрових потужностей, перебувае у критичному сташ. Основними шюдливими речовинами, якi об'екти теплово! енергетики викидають в атмосферне повпря, е твердi частинки (зола), оксиди арки, оксиди вуглецю та азоту. Показано, що джерелом утворення деяких з них е атмосферний азот, реакщя утворення оксидiв якого е ендотермiчною, що окрiм всього знижуе температуру продукта згоряння та впливае на ефектившсть традицiйного процесу парово! генерацп електрично! енергп. Виявлено, що в енергетищ Укра!ни широко не використовуеться газовий цикл генерацп електрично! енергп. В Укра!ш запропоновано схеми комбшованих парогазотурбш-них енергетичних установок, газова частина яких може працювати на продуктах газифжацп низькоякiсного кам'яного вугш-ля. Для пiдвищення ефективного спалювання запропоновано подавати на спалювання оргашчного палива атмосферне повгг-ря, збагачене киснем, для чого рекомендовано використовувати мембранш технологи. Для енергоблоку 200 МВт з котлом ТП-100 тд час спалювання вугiлля марки Г Л^всько-Волинського басейну проведено розрахунки необхдаого вугшьного пилу, необхдао! кiлькостi атмосферного повпря для його спалювання та об'ему димових газiв. Зi збшьшенням кисню до 40 % - у повпр^ яке подаеться на спалювання, об'ем димових газiв може зменшитися на величину до 20 % вда.
Ключовi слова: паровий та газовий цикл генерацп; двохстадшне спалювання вугшля; додаткова топка; мембранш технологи роздшення повiтря; парогазотурбшна установка; маневренiсть та мобiльнiсть вугшьних блокiв; екологiчна безпека.
Вступ. Значна частина викидiв шк1дливих речовин в атмосферне повиря припадае на штучш (промисловi) джерела, серед яких велика частка належить енергетич-ним котлам, промисловим печам, а також тд-приемствам кольорово! та чорно! металургп. Серед тех-нологiчних процесiв, у яких утворюються таи шкiдливi речовини, як сполуки сiрки, оксиди азоту, оксиди вуглецю та шш^ пашвне становище займають процеси спалювання оргашчного палива (Varlamov, Liubchyk & МаИагепко, 2003; Maliarenko, 2008; Volchyn et а1., 2013), що також лежать в основi теплово! генерацп електрично! енергп. Еколопчш проблеми теплово! енергетики, що пов'язанi iз зношенiстю основного технологiчного обладнання, можуть бути вирiшенi не стiльки шляхом розроблення та широким використанням пилогазоочис-ного устатковання, а й шляхом тдвищення ефективнос-тi спалювання оргашчного палива в комбшованих паро-газових енергетичних установках. Таю установки характеризуются широким дiапазоном маневреностi, ви-сокою мобiльнiстю (Ки1ук, Mandryk & Mysak, 2016), що робить !х незамiнними в разi потреби покриття пiкових навантажень у споживаннi електрично! та теплово! енергп.
Аналiз стану питання. Тепловi електростанцп, про-мисловi та опалювальнi котельнi, металургiйнi i цемен-
тнi заводи, вугле- та рудозбагачувальш фабрики вико-ристовують для потреб основних технолопчних проце-ав спалювання твердого палива, зокрема помеленого кам'яного вуплля, як1сть якого останшм часом дедалi погiршуеться. Пiд час спалювання такого оргашчного палива в атмосферне повиря викидаються так1 шквдли-вi речовини: твердi частинки у виглядi пилу або золи; оксиди арки; оксиди вуглецю та азоту.
Серед цих газових викидiв найнебезпечшшим е оксид азоту, причому деяш вченi (Kryzhanivskyi & KosЫak, 2016) вважають, що в процесах спалювання палива в котлах й шших пристроях утворюються тiльки оксиди азоту, а на виходi iз димово! труби вони досить швидко доокислюються до дiоксиду азоту. Iншi дослщ-ники (Siga1, 1988) вважають, що тшьки 40-80 % оксиду азоту, який мiститься в димових газах на виходi з димово! труби переходить у дюксид азоту.
У рiзних кра!нах юнують рiзнi пiдходи до нормуван-ня оксидiв азоту. Так, на територп колишнього СРСР у 90-х роках ХХ ст. дiяла максимально разова ГДК на рiвнi 0,085 мг/м3, а на територi! Японi! дiяла бiльш жорстка норма - 0,035 мг/м3. У розвинених кашталю-тичних кра!нах пiд час будiвництва електростанцш не враховували пiдсилення шкодливо! ди спiльно! присут-ностi в атмосферному повiтрi SO2 та NO2. Зате досль
1нформащя про aBTopiB:
Кулик Михайло Павлович, канд. техн. наук, доцент. Email: [email protected] Кравець Тарас Юршович, канд. техн. наук, доцент. Email: [email protected]
Цитування за ДСТУ: Кулик М. П., Кравець Т. Ю. Пщвищення ефективност спалювання оргаычного палива в комбшованих
парогазових енергетичних установках. Науковий вкник НЛТУ Украши. 2017. Вип. 27(6). С. 98-104. Citation APA: Kulyk, М. P., & Kravets, Т. Yu. (2017). Increase of Combustion Efficiency of Organic Fuels in Combined Steam and Gas Power Plants. Scientific Bulletin of UNFU, 27(6), 98-104. https://doi.org/10.15421/40270620
дження, як провели деяк1 заруб!жш та вичизняш дос-лщники (Sigal, Gurevich & Dombrovskaia, 1980), показу-ють, що поеднання цих оксид!в при концентрациях, р1в-них сум! ГДК, посилюеться шк1длива дая на жив! орга-шзми.
У топкових камерах коттв та промислових печей, де максимальш температури у факел! сягають 21002200 °К, за наявносп вшьного кисню проходять реакцп синтезу оксид1в азоту !з атмосферного азоту та кисню в атмосферному повирг При цьому витрата оксид1в азоту пропорцшно зростае !з тдвищенням температури в зош горшня.
Ощнюючи ефектившсть процеав спалювання орга-шчного палива користуються здебшьшого матер1аль-ним та тепловим балансом процесу горшня, тд час яко-го окислювачем виступае кисень повиря. Схематично реакцш згорання одного моля речовини в повир! мож-на представити таким р1внянням:
ГР + в (О2 + 3,76 N2) = ^вп ПГi + в 3,76 N2, (1) у якому горюча речовина, кисень та азот атмосферного повиря позначен! ввдповвдно ГР, О2, N2, а тд позначен-ням п1 розумшть к1льк1сть молекул 1-го продукту горшня, що утворюеться з одно! молекули горючого, а ко-ефщент в називають стехюметричним коефщентом реакцп горшня.
Дшсна к1льк1сть повпря, що надходить у зону горшня, в1др1зняеться в1д теоретично! шлькоси повпря. Причому, цю реальну к1льк1сть повпря, ввднесену до одинищ горючо! речовини, називають питомим об'емом повиря, а р1зницю м1ж реальною 1 теоретично необхщ-ною шльшстю називають надлишком повпря, водночас ця р1зниця характеризуе як1сть процесу гор1ння. На практищ користуються коефщентом надлишку повп-ря, який показуе у сшльки раз1в к1льк1сть повпря, що дшсно надходить у зону горшня, в1др1зняеться в1д теоретично необхщно! шлькоси для повного згоряння одинищ горючо! речовини.
Стехюметричне горшня палива вщбуваеться за ко-ефщента надлишку повиря а = 1, якщо а > 1 - у продуктах згорання е надлишковий кисень та оксиди окре-мих горючих елеменпв, якщо а < 1 - у продуктах згорання фшсують нестачу кисню 1 в них мютяться оксиди вищих порядив, а також продукта неповного згорання, у цьому раз! не вся х1м1чна енерпя палива переходить в теплову енерпю.
Узагальнене р1вняння згорання природного газу (су-м1ш1 вуглеводшв) з утворенням теоретичного складу продукпв згорання (1) можна записати у виглядк
CnHm +а\ n + O2 + aln + m
100
- N2
= пС02 + тН20 + (а - 1) \п + ^ 02 + а\п + -(2)
де: п, т - шльшсть атом1в у молекул! певного вуглевод-ню; Т02 - об'емна частка кисню в окислювач!, %.
1з виразу (2) випливае, що тд час згорання будь-яких вуглеводшв СпНт на одну молекулу горючо! компонента утворюеться п молекул вуглекислоти СО2 ! т/2 молекул водяно! пари Н2О, як! також належать до так званих парникових газ!в, зб!льшення концентрац!!' яких впливае на зм!ну теплово! р!вноваги на поверхш Земл!, а також у мюцях велико! концентрац!! водяно! пари можуть бути !стотн! змши локального м!крокл!мату.
У димових газах, окр!м цього, можуть м!ститися продукта неповного згорання у вигляд! оксиду вуглецю СО, який у побуп називають чадним газом, водню ! незгор!лих вуглеводн!в Сх, Ну, 02, серед яких своею токсичн!стю, яка в сотш раз!в перевищуе токсичшсть СО, вид!ляеться формальдег!д Н2СО.
Серед шших реакц!й, як! можуть вщбуватися в зон! реакц!!, е промшш реакц!!, внасл!док яких утворюють-ся сажа, бенз(а)трен, а також може проходити дисоць ац!я кисню, атоми якого характеризуються тдвищеною х!м!чною активтстю, ! при контакт! з шертними молекулами азоту за високих температур, сприяють утво-ренню терм!чного оксиду. Утворений, унасл!док тако! реакц!!, активний атом азоту реагуе з атомом кисню з утворенням додаткового оксиду азоту ! х!м!чного активного атомарного кисню. Таким чином, утворюеться досить значна шльшсть оксид!в азоту, концентрация таких терм!чних оксид!в залежить, в основному, вщ температури в зон! горшня.
Потр!бно також зауважити, що в процеа спалювання як газопод!бного, так ! твердого та рщкого палива, за р!зними механ!змами утворюються оксиди арки. Ц оксиди також належать до парникових, вони теж характеризуються високою токсичшстю, але найбшьша !х еко-лопчна небезпека полягае у здатност! утворювати кис-лотн! дощ!.
Тверде ! р!дке паливо, окр!м цього, мютять р!зн! сполуки азоту, як! е додатковим джерелом утворення так званих паливних оксид!в азоту N0 1 N0^
Щодо теплового балансу реакц!! горшня палива треба пам'ятати, що теплом!стшсть паливно! системи виз-начаеться теплотою утворення продукт!в горшня та ви-х!дних компонент!в системи. Тому тепловий ефект Нм реакц!! горшня можна записати:
Нм = X ДНпг - X ДНгр, (3)
де АНпг { АНгр - теплота утворення продукпв гор!ння та вих!дних горючих речовин вщповвдно. Теплоту утворення речовин можна визначити за допомогою р!зних доввднишв або розрахувати зг!дно з емтричними р!в-няннями, виходячи !з структури та складу горючо! речовини. Теплотою згоряння вважають к!льк!сть тепла, що видшяеться при повному згорянш одиниц! к!лькост! речовини за умов, що початков! ! к!нцев! продукта зна-ходяться в стандартних умовах. Щодо енергетичних палив, то залежно в!д агрегатного стану води, що утвори-лися у процеа гор!ння, розр!зняють вищу Qe { нижчу Qн теплоту згорання.
Вищою теплотою згоряння вважають ту шльшсть тепла, яка утворюеться при повному згоранш одиниц! шлькосп горючо! речовини, в яшй водяна пара в продуктах згорання знаходиться у рвдиннш фаз!, а нижчою теплотою згорання - шльшсть тепла, що вид!ляеться при повному згорянш одиниц! шлькосп горючо! речовини за умов, що вода в продуктах горшня знаходиться в газопод!бному стан!. 1снуе ще молярна Q - для одного моля (кДж/моль), масова Q' - для одного шлограма (кДж/кг) та об'емна - для одного куб!чного метра речовини (кДж/м3) теплота згорання. Молярну теплоту згорання можна розрахувати, використовуючи вщпо-ввдний математичний вираз закону Гесса.
Для просто! реакц!! спалювання вуглевмюного пали-ва, коли завжди проходить процес утворення СО2, теплота згорання е ввдомою:
С + О2 = СО2, АН = + 394 кДж/ моль. (4)
Y O
Тепловий ефект реакцп горшня твердого палива мо-же бути 1 визначений експериментально спещальними приладами (калориметрами), однак так вим1рювання досить трудом1стк1 та вимагають великих часових затрат, а тому !х проводять у раз! неможливоси викорис-тання закону Гесса.
Шд час згорання палива в котельних агрегатах ТЕС та промислових котлах утворюються оксиди азоту, при-чому реакщя утворення мае ланцюговий мехашзм ^е-f1mov et а1., 1990) та проикае з поглинанням теплоти, зокрема:
N2 + 02 = 2N0, АН = - 90 кДж/моль. (5)
Внаслвдок оборотноси ще! реакцп, оксиди азоту добре збер1гаються за швидкого !х охолодження, що мае м1сце в димовш труб! ТЕС, яка може сягати висоти 250-320 м. Охолоджений оксид азоту вступае у реакцш !з атмосферним киснем, внаслщок чого утворюеться N02. Швидшсть реакцп залежить в1д концентрацп ре-агенпв, 1 з1 зменшенням концентрацп N0 сповшь-нюеться, при цьому в атмосферному повир1 зберь гаеться N02. Надлишок азоту прискорюе реакцш, але одночасно збшьшення його концентрацп знижуе температуру горшня, що сповшьнюе реакцп утворення окси-д1в, але 1 попршуе економ!чш показники роботи енер-гоблоку.
Подальше охолодження димових газ1в нижче 140 °С, що вщбуваеться у гирл! димово! труби, частина дюксид!в азоту N02 переходить у N204, частка якого збшьшуеться в м1ру охолодження. Таким чином, в атмосферному повир1 населених пункпв поблизу терито-рп ТЕС можуть утворюватися та юнувати р!зш оксиди азоту, за переважаючого вм1сту N02 1 ^04. Концентрация оксид1в азоту у димових газах котлоагрегаив енер-гоблошв ТЕС змшюеться в досить широкому д1апазош (Yefimov et а1., 1990) у перерахунку на N0 в1д 0,015 % до 0,15 % або у масових одиницях 50-750 мг/м3 за дани-ми (Zdanovskii, 1990; Mysak et а1., 2007). На вказаш конкретш значення оксид1в азоту впливають так1 техно-лопчш характеристики обладнання, як тип котельного агрегату та його потужшсть, режим роботи, а також характеристики палива, тип пальнишв та ефективна робота пилогазоочисного обладнання.
Щодо походження оксид1в азоту, то багато дослд-ник1в вважають за доцшьне подшяти !х на паливш та атмосферш Сировиною для перших е азотиси сполуки компоненпв твердого або рщкого палива, а для других - молекулярний азот атмосферного повиря, що по-даеться в топку котельного агрегату. Д1апазон змши ко-ефщента надлишку повпря становить 1-1,2, причому для багатоступеневого спалювання вш р1зний для кож-но! ступеш, а для першо! ступеш (КоЬ7аг & Kha1atov, 2015) вш може бути менший 0,9.
Видшеммя мевир1шемоТ задачь У цитованих вище роботах, зокрема (Yefimov et а1., 1990; Zdanovsk11, 1990; Mysak et а1., 2007; КоЬ7аг & Kha1atov, 2015), а також (Kryzhan1vsky1 & Kosh1ak, 2016; S1ga1, Gurev1ch & Dombrovska1a, 1980), просладковуеться думка, що зни-зити викиди оксид1в азоту можна тшьки режимними параметрами, як1 можна змшювати, а це, очевидно !з м1р-кувань енершефективноси, можливо тшьки в певних межах. Це означае, що в реальних умовах проведения технолопчного процесу спалювання вуплля позбутися !х повтстю неможливо.
З шшо! боку, як зазначено вище, х1м1чна реакщя утворення оксид1в азоту е ендотерм1чною, що призводить до зниження температури в зот горшня. Окр1м цього, бшъштсть реакцш з нейтрал1зацп оксид1в азоту теж належать до класу ендотерм1чних. Зниження температури в зот гор1ння зменшуе ефектившсть спалювання орга-тчного палива, а значить знижуе коефщент корисно! ди котельного агрегату.
Ввдомо також, що доцшьним способом шдвищення р1вня еколопчно! безпеки е не зниження викид1в того чи шшого шк1дливого шгред1ента, а усунення його утворення у джерел1 виникнення.
Джерелом утворення оксид1в азоту, як ввдомо, е азот, вшст якого в атмосферному повпр1 може сягати 79-80 %. Усунувши !з ще! газово! сум1ш1 (атмосферного повиря) хоча б частину азоту можна пропорцшно змен-шити шльшсть атмосферних оксид1в азоту.
Вщповвдно, оргашзувавши багатоступеневе (дво-або триступеневе) спалювання твердого помеленого ву-плля, сумщаючи його !з шдвищенням вм1сту окислю-вача в атмосферному повир! понад звичну його частку, можна очшувати шдвищення температури в зот горшня та кшькосп тепла, яка передаеться робочому илу за будь-якого способу генерацп електрично! енергп (паро-вий, газовий чи парогазовий). Це сприяе тдвищенню ефективноси процеав спалювання та зменшенню час-тки неповшстю спаленого палива, якого значно меншу к1льк1сть потр1бно буде подати на початковш стади технолопчного процесу. Такий перехвд до "кисневого спалювання" неминуче призведе до вщповвдного зменшен-ня масово! витрати газово! сумгш, яка надходить на ввдповвдну ступ!нь спалювання, а також ввдхвдних (димових газ!в).
Скорочення масово! витрати димових газ!в (до 23 раз!в) з дотриманням стехюметричних сп!вв!дношень щодо основного окислювача, мусить привести також до зниження необидно! потужност! пилогазоочисних систем (наприклад пиловловального устатковання чи систем очищення димових газ!в в!д оксид!в азоту, арки то-що.). Системи такого "кисневого дуття" (холодного чи гарячого) вже усп!шно використовували у металургп, як у заруб!жн!й так ! в!тчизнян!й ще в середин! ХХ ст.
Шляхи виршеммя поставлемого завдаммя. Окис-лювачем п!д час спалювання оргашчного палива за-м!сть атмосферного повиря може бути збагачена киснем газова сумш, яку зазвичай називають атмосферним пов!трям. Збагачення можна проводити додаванням чистого кисню, який добуваеться на самому п!д-приемств! або закуповуеться у зовн!шнього постачаль-ника. У металург!! останньому вар!анту надають перевагу. Таке "кисневе дуття" для процес!в спалювання оргашчного палива може бути досить дорогим задоволен-ням, але у майбутньому !з посиленням еколог!чних проблем, коли плата за викиди шквдливих речовин в ат-мосферне повиря буде зростати, такий вар!ант буде ставати дедал! економ!чно доц!льн!шим.
1ншим, прост!шим та дешевшим способом збагачен-ня киснем атмосферного пов!тря, е його розчинення у звичайн!й вод!, а поим !! дегазац!я. При цьому треба пам'ятати, що обсяги розчинених газ!в пропорцшш пар-щальним тискам основних компонент!в у початковш сумшг За приблизними розрахунками, у 100 об'емах води може розчинитися при заданих умов 0,8 обсяпв кисню ! 1,6 обсяг!в атмосферного азоту. А це вказуе на
склад розчиненого повиря: 1/3 кисню та вщповщно 2/3 азоту (мольна частка), або в об'емних вiдсотках 33,3 % кисню i 66,7 % азоту. Нескладний за апаратур-ним оформлениям процес дегазацп води забезпечить збагачення в 1,5 рази киснем сумш^ яка подаеться на спалювання органiчного палива, зокрема i кам'яного меленого вугiлля низько! якостi.
Ще наприкiнцi ХХ ст. автори (Grinchenko & Kulik, 1990, 1992) запропонували для пiдвищення еколопч-ностi енергетичних установок використовувати мем-браннi технологи, яш на той час починали с^мко роз-виватися. На сьогодш технологи некрiогенного вироб-ництва азоту на мгсщ споживання забезпечують видь лення промислових газiв iз повпря, причому в цьому планi спостертаеться технологiчний прогрес (Kyrychenko et al., 2008a, 2008b, 2009, 2010). Так1 технологи, зокрема мембраннi, вже можуть забезпечити роз-дiлення атмосферного повпря за температур близьких до температури навколишнього середовища. При цьому для отримання кисню та азоту використовуеться суттева рiзниця мiж такими !хшми властивостями, як проникнiсть та селектившсть.
У цитованих вище роботах констатують, що видшен-ня азоту iз повiтря е достатньо устшним, а видiления кисню за допомогою сучасних мембран може забезпечи-ти зростання вмюту кисню у повiтрi на рiвнi 28-50 % об. i навиъ дещо вище. Коефiцiенти проникиостi кисню змь нюються в межах шлькох порядков, тодi як селектившсть ao2/N2 змiнюеться в дiапазонi вщ 1,6 до 7,8. Однак
таке виробництво кисню стае ще економiчно ефективнi-шим, коли для виробництва кисню будуть використову-вати вдосконаленi новi (ще на цей час досконало не вив-чеш, та навiть не розроблеш) полiмернi матерiали з по-лiпшеними показниками, наприклад характеристичною м^опориспстю. Так1 матерiали мають обернено-про-порцшну залежиiсть для промислово важливих пар га-зiв, зокрема для О2 i N2, що мае величезне значення у ра-зi спалювання оргашчного палива, зокрема в комбшова-них парогазових енергетичних установках.
У таких енергетичних установках, зазвичай, реаль зуеться двостадiйне або навить тристадiйне спалювання помеленого кам'яного вуплля, а на початкових стадiях спалювання наявний коефщент надлишку повiтря, що менший за одиницю. Теплова енерпя, що отримуеться на таких стадiях, може успiшно використовуватися для формування робочого тiла для газового циклу генерацп електрично! енергп, який може полшшити маневровi та мобiльнi характеристики об'екпв теплово! генерацп.
Сучасний критичний стан теплово! енергетики Ук-ра!ни через зношенiсть технологiчного обладнання та величезш об'еми шк1дливих речовин, яш викидаеться в атмосферне повiтря, тдштовхуе керiвництво вщповвд-них державних оргашв громадянське суспiльство перейти до переоснащення теплово! енергетики iз збшь-шенням частки маневрових потужностей. Варiаити конструктивного оформлення таких комбiноваиих енергетичних установок iз мембранними роздшювача-ми повиря, згадуваних вище, наведено у цш роботi. Зокрема, на рис. 1 показано таку схему iз мембранним роздшенням повiтря та газгольдером азоту.
Збагачене киснем атмосферне повпря, стиснуте у компресор^ надходить у мiжкорпусний об'ем топки, де на^ваеться та розкручуе газову турбiну iз окремим електричним генератором. Скид газово! турбiни iде на
спалювання твердого палива, яке надходить у додатко-
ву топку.
Рис. 1. Комбшована парогазова енергетична установка з мембранним роздшювачем повпря: 1, 2) основна [ додаткова топки; 3) газова турбша; 4, 5) перша [ друга ступеш компресора; 6) мембранний роздшювач повпря; 7) газгольдер-накопичувач азоту; 8) електричний генератор газово! частини; 9) повпряна сорочка додатково! топки; 10) тепло1золящя додатково! топки; 11) теплов1 трубки; 12) внутршня станка додатково! топки;
13) лшя вприскування пари в сорочку додатково! топки;
14) повпропроввд вихлопу газово! турбши; 15) повпропровщ робочого т1ла, лшя подач палива у додаткову топку; 17) лшя збагаченого киснем повпря в сорочку додатково! топки
Тут е можливють комплексного використання про-дукив роздшення атмосферного повиря на фракцш, збагачену киснем 1 азотну фракцш, коли остання вщг-рае, роль робочого тша для газового циклу генерацп електрично! енергп. Удосконалену схему тако! установки наведено на рис. 2.
Рис. 2. Принципова схема енергетично! установки з мембранним роздшювачем повпря, кисневим та азотним вiдсiком у до-
датковш топщ: 1) основна топка; 2) додаткова топка; 3) газова турбша; 4, 5) перша та друга ступет компресора; 6) сорочка охолодження додатково! топки; 7, 8) азотний та кисневий ввдсь ки сорочки охолодження; 9) мембранний роздлювач; 10) холодильник; 11) регенератор; 12) вихщний патрубок кисневого ввд-сжу; 13) вих^дний патрубок азотного ввдсжу; 14) лшя подач палива в додаткову топку; 15) лшя стисненого азоту; 16) лшя вихлопу газово! турбши; 17) тепло1золящя додатково! топки; 18) теплов1 трубки додатково! топки, що вмонтоваш у внутрш-ню станку; 19) додатково! топки; 20) роздшьна станка ввдсшв; 21) лшя кисню в кисневий ввдсж; 22) скид додатково! топки
Для тдтвердження деяких припущень, висловлених вище, наведемо деяк результаты теоретичных досль джень процесу спалювання кам'яного вугшля марки Г Льв1всько-Волинського басейну на енергоблощ 200 МВт з котлом ТП-100 Бурштинсько!' ТЕС. При цьому будемо вважати, що для БуТЕС кам'яне вугшля (як1сть якого в перспектив! буде тшьки попршуватися) мае такий склад на робочу масу палива: зольшсть Ар = 29 %; волопсть Wp = 10 %; нижча теплотворна здатшсть йр = 4650 ккал/кг (19,47 МДж/кг).
Наявну витрату пилу твердого палива на котел ТП-100 визначено на шдстав1 (Metodicheskie ukazaniia ро opredeleniiu ..., 1987) за такою формулою, т/год:
Вв = Вм • г • Кг , (6)
де: г - шльшсть млишв, що працюють; Кг - коефщент готовноси пилосистеми; для базових режим1в роботи
Кг=0,9.
Корисне тепловидшення визначено за такою формулою, ГДж/год:
йт = Вв • йн пК •Ю-2, (7)
де йН - калоршшсть вуплля, МДж/кг; пК - ККД брутто котла, %.
Витрату тепла на турбоагрегат, ГДж/год визначено за такою формулою:
60 = •Ю-2, (8)
1 -аф
де: птп - коефщент теплового потоку, %; аф - частка тепла вш загального тепловидшення у раз1 шдсв1чуван-ня пиловугшьного факела мазутом або природним газом (аф=0,2).
Залежшсть максимально! потужност1 енергоблоку в1д витрати тепла на турбоагрегат беремо з норматив-них (паспортних) даних для турбоагрегату К-200-130.
Виконавши розрахунки, отримаемо витрати вуг1лля зазначених вище характеристик на котел ТП-100 залеж-но в1д потужност1 енергоблоку, як зведено у табл. 1.
Табл. 1. Витрати вугшля на котел ТП-100
Потужшсть енергоблоку Мел , МВт 200 160 120
Витрата палива Вв , т/год 89 71 55
Вiдповiдно до (Grigorev, Rundygin & Trinchenko, 2006) вугiлля марки Г Львiвсько-Волинського басейну мае так1 характеристики:
SK=1,9 %; S0=0,9 %; Ср=49,8 %; Нр =3,3 %; ^=0,9 %;
0р=6,2 %.
Для даних характеристик вугшля теоретична шльшсть сухого повиря, яка необхшна для повного згорян-ня палива, становитиме:
У°=0,0889(Ср + 0,375 S0+K) + 0,265Нр " 0,0333 Ор = 5,189 нм3/кг.
Мiнiмальний об'ем продуктiв згорання, яш утвори-лись би за повного згорання палива з теоретично необ-хiдною к1льк1стю повiтря (а=1) становитиме:
Vго = + VRO2 + V°H2G = 5,625 нм3/кг, де: VN2= 4,1062 нм3/кг - теоретичний об'ем азоту; VRO2 = 0,9487 нм3/кг - об'ем трьохатомних газiв; V°H20 = 0,57 нм3/кг - теоретичний об'ем водяно! пари.
Об'ем продукпв згорання за повного згорання палива з надлишком повпря (а=1,15) становитиме:
Vе = V°N2 + Vro2 + Vh2o + (1 - a)V°=6,416 нм3/кг, де: VH20 = 0,5825 нм3/кг - об'ем водяно! пари залежно вш а.
Результати розрахунк1в витрат повиря для спалювання вугiлля в котт ТП-100 залежно вiд потужноси енергоблоку зведено в табл. 2.
Табл. 2. Витрати повiтря для спалювання _вугшля В KQTOi ТП-100
Потужшсть енергоблоку Мел, МВт 200 160 120
Витрата теоретично! кшькоста повпря, V°, нм3/год 461821 368419 285395
Витрата кшькоста повiтря за a=1,15, V", нм3/год 530094 423681 328204
Об'ем продукта згорання за а=1,15, Vе, нм3/год 570024 455536 352880
Варто також зауважити, що в об'емах продукпв згорання не враховано присмокти повпря в конвективнш шахи та газоходах котла.
Для зменшення негативного впливу на навколишне середовище котлами ТП-100, зокрема зниження викид1в оксид1в азоту, розглянемо збшьшення частки кисню, 1 в1диов1дно зменшення частки азоту в пов1тр1, що по-даеться для спалювання палива.
Дослвдимо, як зм1ниться витрата пов1тря та димових газ1в, якщо сп1вв1дношення м1ж киснем та азотом в по-в1тр1, що подаеться для спалювання вуплля, зм1нити на 35/65, 40/60.
Результати розрахунку зведено в табл. 3.
Табл. 3. Витрати повггря та димових ra3iB
Потужшсть енергоблоку Мел, МВт 200 160 120
Об'ем продукпв згорання за «=1,15, Vе, нм3/год 570024 455536 352880
Об'ем продукта згорання за вмкту кисню в повгц^ 30 %, нм3/год 505698 403422 312510
Об'ем продукта згорання за вмкту кисню в повiтрi 40 %, нм3/год 483198 485473 298606
Теоретичний об'ем азоту в продуктах згорання за вм1сту кисню в пов1тр1 30 % становить 3,38 нм3/кг спа-леного палива, а за вм1сту кисню в пов1тр1 40 % становить 3,12 нм3/кг спаленого палива.
Отже, бачимо, що внаслвдок збшьшення вм1сту кисню в повпр1, що подаеться для спалювання вуплля, знижуеться витрата продукт1в згорання та вм1ст азоту, що дае змогу тдвищити техн1чн1 характеристики котла ТП-100 - за рахунок зниження втрати з в1дх1дними газами, зменшення витрати електроенергп на транспорту-вання димових газ1в, та еколопчш показники - за рахунок зменшення викид1в оксид1в азоту.
Висновки. На цей час, коли теплова енергетика Ук-ра!ни перебувае у критичному сташ через зношен1сть основного технолопчного обладнання, нестачу манев-рових потужностей, а також великий еколопчний вплив
на довк1лля, е можлив1сть li переоснащення з урахуван-ням останшх досягнень заруб1жних та вичизняних на-уковщв. Таке переоснащення пропонуемо провести з використанням комбшованих парогазових енергетич-них установок, яш використовують поряд i3 тради-цшним паровим способом генерацп газовий спосiб. При цьому, в комбшованих парогазових енергетичних установках можна реалiзувати багатостадiйне спалю-вання низькояшсного кам'яного вугiлля в атмосферному середовищ^ збагаченому киснем. А мембранш технологи роздiлення повiтря на кисневу та азотну фракцп спрощують реалiзацiю роботи газово! частини на продуктах роздшення без використання дорогого рiдкого чи газового палива. У такому разi не тшьки покращу-ються екологiчнi показники роботи потужних енергоб-лок1в, а можливi покращення 1х маневрових характеристик. Зменшення екологiчного впливу пiдтверджу-еться наведеними розрахунками.
Перелш використаних джерел
Grigorev, K. A, Rundygin, Iu. A., & Trinchenko, A. A. (2006). Tekhnologiia szhiganiia organicheskikh topliv. Energeticheskie topliva: Ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo politekhnicheskogo. universi-teta. 92 p. [in Russian]. Grinchenko, D. N., & Kulik, M. P. (1990). Perspektivy sozdaniia eko-logicheski chistykh elektrostantcii. Tezisy dokladov Respubli-kanskoi n/t konferentcii "Problemy i opyt okhrany okruzhaiushhei sredy", (pp. 67-69). Dnepropetrovsk, 14-16 November, 1990. [in Russian].
Grinchenko, D. N., & Kulik, M. P. (1992). Primenenie membrannikh razdelitelei vozdukha dlia povysheniia ekologichnosti energetiches-kikh ustanovok. Tezisy dokladov n/t konferentcii "Sovremennye khimicheskie tekhnologii ochistki vozdushnoi sredy", (pp. 94-96). September, 1992. Saratov. [in Russian]. Kobzar, S. H., & Khalatov, A. A. (2015). Efektyvnist znyzhennia vykydiv oksydiv azotu systemoiu stupenevoho spaliuvannia vuhil-lia dlia kotla TPP-312 bloku №6 DTEK Ladyzhynskoi TES na os-novnykh rezhymakh navantazhennia. Visnyk NTU "KhPI", 17(1126), 34-39. [in Ukrainian]. Kryzhanivskyi, Ye. I., & Koshlak, H. V. (2016). Ekolohichni problemy enerhetyky. Naftohazova enerhetyka, 1(25), 80-90. [in Ukrainian].
Kulyk, M. P., Mandryk, O. M., & Mysak, Y. S. (2016). Analysis of possibility of using coal technologies to improve manoeuvrability, mobility and ecological compatibility of thermal power plant units. Geomatics and Environmental Engineering, 10(2), 39-42.
Kyrychenko, V. I., Osokina, V. K., Rysiuk, B. D., Holubov, O. H., & Novikov, I. M. (2009). Enerhoefektyvni i chysti tekhnolohii v promyslovosti. Khimichna promyslovist Ukrainy, 5, 22-29. [in Ukrainian].
Kyrychenko, V. I., Osokina, V. K., Rysiuk, B. D., Holubov, O. H., & Novikov, I. M. (2010). Membranni tekhnolohii v khimichnii i spo-ridnenykh haluziakh promyslovosti. Perspektyvy rozvytku i vpro-vadzhennia u vyrobnytstvo. Khimichna promyslovist Ukrainy, 1, 31-37. [in Ukrainian].
Kyrychenko, V. I., Osokina, V. K., Rysiuk, B. D., Holubov, O. H., & Novikov, I. M. (2008a). Neokriohenni tekhnolohii vyrobnytstva. 1. Rozdilennia povitria u vyrobnytstvi azotu na mistsi spozhyvannia. Khimichna promyslovist Ukrainy, 5, 50-58. [in Ukrainian].
Kyrychenko, V. I., Osokina, V. K., Rysiuk, B. D., Holubov, O. H., & Novikov, I. M. (2008b). Neokriohenni tekhnolohii vyrobnytstva. 2. Membranni tekhnolohii vyrobnytstva kysniu i perspektyvy yikh rozvytku. Khimichna promyslovist Ukrainy, 6, 58-68. [in Ukrainian].
Maliarenko, V. A. (2008). Enerhetychni ustanovky. Kharkiv: SAHA. 317 p. [in Ukrainian].
Ukazaniia (1987). Metodicheskie ukazaniia po opredeleniiu ogranic-henii ustanovlennoi moshhnosti teplovykh elektrostantcii. Moscow: SPO Soiuztekhenergo. 28 p. [in Russian].
Mysak, Y. S., Ivasyk, Ya. F., Hut, P. O., Lashkovska, N. M. (2007). Obiekty teplovykh elektrychnykh stantsii. Rezhymy roboty ta Ekspluatatsii. Lviv: NU "Lvivska politekhnika". 254 p. [in Ukrainian].
Sigal, I. Ia. (1988). Zashhita vozdushnogo baseina pri szhiganii topliva. Leningrad: Nedra. 311 p. [in Russian].
Sigal, I. Ia., Gurevich, N. A., & Dombrovskaia, E. P. (1980). Obrazo-vanie dvookisi azota pri rasseivanii dymovykh gazov. Teploenerge-tika, 11, 6-8. [in Russian].
Varlamov, H. B. Liubchyk, H. M., & Maliarenko, V.A. (2003). Teplo-enerhetychni ustanovky ta ekolohichni ustanovky vyrobnytstva enerhii. Kyiv: Politekhnika. 232 p. [in Ukrainian].
Volchyn, I. A. Dunaievska, N. I., Haponych, L. S., Cherniavskyi, M. V., Topal, O. I., & Zasiadko, Ya. I. (2013). Perspektyvy vpro-vadzhennia chystykh vuhilnykh tekhnolohii v enerhetyku Ukrainy. Kyiv: Hnozis. 316 p. [in Ukrainian].
Yefimov, O. V., Tiutiunnyk, L. I., Ivanova, L. A., & Pivovarov, V. V. (2016). Utvorennia oksydiv azotu pry spaliuvanni palyva v kot-lakh.. Zbirnyk tez KhKhIY Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii "Mormatsiini tekhnolohii. Nauka, Tekhnika, Tekhno-lohiia, Osvita, Zdorovia", 18-20 travnia 2016 r., NTU KhPI, m. Kharkiv. [in Ukrainian].
Zdanovskii, V. G. (1990). Modernizatciia kotloagregatov teplovoi elektrostantcii. Kyiv: Tekhnika. 103 p. [in Russian].
М. П. Кулик1, Т. Ю. Кравец2
1 Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, Украина
2Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИГАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА В КОМБИНИРОВАННЫХ ПАРОГАЗОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Проанализировано современное состояние тепловой энергетики Украины, которая из-за изношенности технологического оборудования и больших объемов выбросов вредных веществ в атмосферу, а также нехватки маневренных возможностей, находится в критическом состоянии. Основными вредными веществами, которые выбрасываются в атмосферный воздух, являются: твердые частицы (зола), окись серы, двуокись углерода и оксиды азота. Показано, что источником образования некоторых из них является атмосферный азот, причем реакция образования оксидов азота относится к классу эндотермической, что приводит к снижению температуры продуктов сжигания и влияет на эффективность традиционного парового способа генерации электрической энергии. Выявлено, что в Украине газовый цикл генерации электрической энергии широко не используется. В Украине различными учеными разработаны схемы комбинированных парогазотурбинных энергетических установок, газовая часть которых может работать на продуктах газификации каменного угля низкого качества. Для повышения эффективности сжигания органического топлива в этой работе предложено подавать в процесс сжигания атмосферный воздух, обогащенный кислородом, с использованием мембранных технологий. Для энергоблока 200 МВт с котлом ТП-100 при сжигании угля марки Г Львовско-Волынского бассейна проведены расчеты необходимого количества угольной пыли, обогащенного воздуха, а также объема дымовых газов. Показано, что при увеличении кислорода до 40 % в атмосферном воздухе, который подается на сжигание топлива, объем дымовых газов снижается до 20 % отн.
Ключевые слова: паровой и газовый цикл генерации; двухстадийное сжигание угля; дополнительная топка; мембранные технологии разделения воздуха; парогазотурбинная установка; маневренность та мобильность угольных блоков; экологическая безопасность.
M. P. Kulyk1, T. Yu. Kravets2
1Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukraine
2Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
INCREASE OF COMBUSTION EFFICIENCY OF ORGANIC FUELS IN COMBINED
STEAM AND GAS POWER PLANTS
Ukraine's thermal energy is in critical condition due to the wear of technological equipment and huge emissions of harmful substances to the atmosphere, while the combined power system of the state is characterized by a significant shortage of maneuver capacity. Combustion of organic fuel in existing boiler units, manufactured in the middle of the last century, is inefficient due to the formation of nitrogen oxides. The reaction of their formation is endothermic, which leads to decrease of flue gas temperature, causing decrease of efficiency of the entire power unit. In order to correct the existing situation, it is proposed in this article while retrofitting existing TPPs, which will have to be implemented, use combined steam and gas power plants, where traditional steam method of electricity generation is combined with gas generation. It is shown that the gas unit of the power plant can work on low-quality coal gasification products. It is expedient to carry out gasification in the additional furnace, where a part of the powdered coal is supplied, the additional furnace itself consists of two-walls and compressed atmospheric air enters the space between the walls for heating and formation of the gas turbine working environment. At this stage, the excess air ratio is slightly less than the stoichiometric amount required for complete combustion. In order to increase the efficiency of combustion in the main and additional furnaces oxygen enriched atmospheric air is used. To enrich the atmospheric air with oxygen, it is reasonable to use membrane technologies that provide two to three times higher oxygen content compared to currently used combustion technologies. As far as oxygen-enriched fraction is used in the combustion process, it reduces the amount of so-called "atmospheric" nitrogen oxides. The nitrogen fraction is utilized in the gas cycle of electricity generation. Such a combined steam and gas power plant has a much larger range of power variations, that is, it is more maneuverable, the speed of power ascension increases - it becomes more mobile, and due to the use of membrane air separation technologies, the amount of formed nitrogen oxides is reduced. The temperature of the flue gases increases which improves the efficiency factor, as well as the amount of flue gases at the flue outlet is reduced.
Keywords: steam and gas generation cycle, two-stage coal combustion, additional furnace, membrane air separation technologies, steam and gas turbine power plant, maneuverability and mobility of coal power plants, environmental safety.
