CC BY
19
УДК 620-92
РАЗРАБОТКА КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ
ОТХОДОВ
Макоев С.О., Ахметова И. Г., Фонов А.М.
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Россия Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
MakoevSO(a)}npei. г и
Резюме: Разработка энергоэффективных схем использования твердых коммунальных отходов в качестве топлива в энергетических системах и комплексах с применением технологии непрерывной термической переработки. МЕТОДЫ. Анализ потребления тепловой энергии на цели теплоснабжения в регионе. Анализ возможности замещения ископаемого топлива на существующих источниках теплоснабжения посредством использования твердых коммунальных отходов в качестве топлива, в том числе оценка элементного анализа исходного сырья и продуктов термической конверсии ТКО. Разработка энергоэффективных схем использования ТКО в качестве топлива для обеспечения тепловой энергией потребителей в существующих энергетических системах. Математическое моделирование работы установки с использованием ТКО в качестве топлива. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработаны энергоэффективные схемы использования ТКО в качестве топлива в существующих энергетических системах с применением технологии газификации ТКО, проведена оценка соответствующих схем по энергетическим, экологическим и экономическим показателям. Выполнено обоснование возможности частичного замещения ископаемого топлива посредством использования ТКО при производстве тепловой энергии. Выполнено сравнение существующих и перспективных методов энергетической утилизации ТКО с выявлением преимуществ и недостатков каждого из альтернативных решений. В ходе экспериментальных исследований по нагреванию характерной смеси ТКО в печи с измерением массы образа получены данные по выходу летучих, зольности и количества связанного углерода в материале. В режиме компьютерного моделирования с использованием программного пакета Aspen Plus проведена оценка качественного и количественного состава газа, получаемого при термической переработке ТКО. Разработаны энергоэффективные схемы на основе газификации ТКО с применением газотурбинного оборудования и их интеграции в существующие энергетические системы. Проведено построение материального и теплового баланса установки на основе газотурбинного двигателя с оценкой их энергетической эффективности. Выполнен подбор основного энергетического оборудования, которое может быть использовано для реализации разработанных схем на основе газификации ТКО. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полученные результаты позволяют оценить переспективы внедрения установки газификации ТКО на базе городской котельной с последующей выработкой тепловой и электрической энергии в когенерационной схеме с точки зрения эффективности и окупаемости.
Ключевые слова: газификация; твёрдые коммунальные отходы (ТКО; Aspen Plus; когенерационная установка.
Для цитирования: Макоев С.О., Ахметова И. Г., Фонов A.M. Разработка когенерационных энергетических систем с применением технологии газификации твердых коммунальных отходов // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №4 (56). С. 178-194.
DEVELOPMENT OF COGENERATION ENERGY SYSTEMS USING THE TECHNOLOGY OF GASIFICATION OF SOLID MUNICIPAL WASTE
SO. Makoev, IG. Akhmetova, AM. Fonov
National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Moscow, Russia Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
MakoevSO(a),mpei. ru
Abstract: THE PURPOSE. Development of energy-efficient schemes for the use of municipal solid waste as fuel in energy systems and complexes using continuous thermal processing technology. METHODS. Analysis of heat energy consumption for heat supply purposes in the region. Analysis of the possibility of replacing fossil fuels with existing heat supply sources through the use of solid municipal waste as fuel, including an assessment of the elemental analysis of raw materials and products of thermal conversion ofMSW. Development of energy-efficient schemes for using MSW as fuel to provide thermal energy to consumers in existing energy systems. Mathematical modeling of the plant operation using MSW as fuel. RESULTS. Energy-efficient schemes for using MSW as fuel in existing energy systems using MSW gasification technology have been developed, and the relevant schemes have been evaluated according to energy, environmental and economic indicators. The substantiation of the possibility of partial substitution offossil fuels through the use ofMSW in the production of thermal energy has been carried out. The comparison of existing and promising methods of energy utilization of MSW with the identification of advantages and disadvantages of each of the alternative solutions is carried out. In the course of experimental studies on heating a characteristic mixture of MSW in a furnace with the measurement of the mass of the image, data on the yield of volatile, ash content and the amount of bound carbon in the material were obtained. In the mode of computer simulation using the Aspen Plus software package, an assessment of the qualitative and quantitative composition of the gas obtained during thermal processing of MSW was carried out. Energy-efficient schemes based on MSW gasification using gas turbine equipment and their integration into existing energy systems have been developed. The construction of the material and thermal balance of the installation based on a gas turbine engine with an assessment of their energy efficiency was carried out. The selection of the main power equipment, which can be used for the implementation of the developed schemes based on the gasification ofMSW, has been carried out. CONCLUSION. The results obtained allow us to evaluate the prospects for the introduction of a MSW gasification plant based on a city boiler house with subsequent generation of thermal and electric energy in a cogeneration scheme in terms of efficiency and payback.
Keywords: gasification; municipal solid waste (MSW); Aspen Plus; cogeneration plant.
For citation: Makoev SO, Akhmetova IG, Fonov AM. Development of cogeneration energy systems using the technology of gasification of solid municipal waste. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14(56):178-194.
Введение
Существующая проблема обращения с отходами, образующихся в результате жизнедеятельности человека, в Российской Федерации характеризуется большим количество накопленных отходов на полигонах и низкой степенью их переработки.
Проблематика заключается в том, что темпы роста отходов не пропорциональны росту мощностей для их переработки. На сегодняшний день в РФ из общего числа ТКО переработке или так называемому рециклину подвергается только 8-9% ТКО. Использование ТКО в качестве альтернативного источника топлива является одной из перспективных направлений в энергетике и давно стало популярно стало привлекательным вариантом для коммерческих структур и местных органов власти во многих странах [1]. Согласно стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 года приоритетным направлением определены ресурсосбережение, экологическая безопасность, рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей
© Макоев С.О., Ахметова И. Г., Фонов AM. среды [2].
В данном исследовании поставлена задача по разработке энергоэффективных схем использования твердых коммунальных отходов для производства тепловой и электрической энергии с интеграцией в существующие энергетические системы небольших населенных пунктов для обеспечения тепловой энергией потребителей.
Научная новизна заключается в определении энергетических характеристик твердых коммунальных отходов для использования в качестве топлива в энергетических системах, а также предложение энергоэффективных схем использования ТКО в качестве топлива в существующих энергетических системах с применением технологии газификации ТКО.
Литературный обзор
В настоящее время разработано несколько конкурентных технологий термической переработки ТКО [3], которые отличаются как по капитальным затратам, так и по целевому продукту. Чаще всего окончательный выбор схемы во многом зависит от типа и количества исходного сырья. За прошедшие несколько лет существенно выросла доля перерабатываемых отходов в пользу выработки тепловой и электрической энергии. В работах [4-7] рассматриваются как динамика утилизации и переработки ТКО в Европе за последнее десятилетие, так и концептуальные вопросы использования вторичных продуктов.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод о перспективности применения ТКО для замещения части электрической и тепловой нагрузки населенных пунктов. С учетом современного уровня развития техники и технологий данные решения получается сопоставимыми, а в отдельных, редких случаях даже более привлекательными по экологическим и экономическим критериям по сравнению с генерацией на традиционном органическом топливе [8].
Для оценки теоретического потенциала продуктов газификации ТКО было выполнено моделирование в среде Aspen Plus. Данный программный продукт является одним из основных инструментов, применяемых для решения подобных задач в российской и мировой науке [9].
Материалы и методы
На сегодняшний день существует большое количество методов по переработке отходов. Данные методы зачастую делятся на две основные группы: нетермические и термические [3].
К нетермическим методам относят захоронение, компостирование и вторичную переработку отходов. Под термическими методами понимается высокотемпературное воздействие на ТКО (горение, пиролиз, газификация), при этом всегда жидкая фаза -физическая вода испаряется, твердая фаза неорганической субстанции претерпевает структурные превращения: дегидратация, диссоциация, полиморфизация, плавление, испарение.
Захоронение является наиболее частым способом утилизации отходов. Однако экологическая обстановка на полигонах и вокруг них оценивается как очень неудовлетворительная. Достоинства и недостатки вышеописанного метода утилизации отходов представлены ниже в табл.1.
Таблица 1
Достоинства и недостатки захоронения ТКО_
Достоинства Недостатки
Удаление мусорных масс за черту города. Расход земель, пригодных для строительства и земледелия.
Минимальные экономические затраты. Потеря ценных вторичных ресурсов (без мероприятий, повышающих эффективность).
Экологическая опасность (загрязнение грунтовых вод и атмосферы, распространение неприятных запахов, потенциальная опасность в отношении пожаров и распространения инфекций и пр.).
Неприятное зрелище с точки зрения эстетики.
Компостирование - это технология переработки отходов, основанная на их естественном биоразложении. Наиболее широко компостирование применяется для
переработки отходов органического - прежде всего растительного происхождения. Существует два способа компостирования ТКО: аэробное и анаэробное компостирование. Эти способы утилизации твердых коммунальных отходов основаны на естественных, но ускоренных реакциях трансформации мусора при доступе кислорода в виде горячего воздуха при температуре около 50 °С, а также без доступа воздуха. ТКО в результате данных реакций в биотермической установке (барабане) превращается в компост. Достоинства и недостатки вышеописанного метода утилизации отходов представлены ниже в табл. 2.
Таблица 2
Достоинства и недостатки компостирования ТКО [10]_
Достоинства Недостатки
Получение полезного полупродукта для дальнейших производств. Затраты энергии на подачу подогретого воздуха.
Забалластированность полупродукта солями тяжёлых металлов.
Узкий спектр применения конечного полупродукта.
Использование труда людей при обращении с отходами.
Необходимость складирования и обезвреживания некомпостируемой части мусора, объем которой составляет значительную часть от общего количества мусора.
На сегодняшний день сжигание отходов - один из наиболее распространённых методов их утилизации. Несмотря на разнородность состава твердых коммунальных отходов, их можно рассматривать как низкосортное топливо. Низшая теплота сгорания на рабочую массу для отходов Ленинградской области составляет в среднем 7500-8000 кДж/кг, влажность - около 30 - 40%, зольность - 25 - 30%. Использование ТКО как топлива для выработки тепловой и электрической энергии в противовес их захоронению экономит традиционные виды топлива (уголь, газ, мазут) и способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу. Достоинства и недостатки вышеописанного метода утилизации отходов представлены ниже в табл. 3.
Таблица 3
Достоинства и недостатки сжигания ТКО_
Достоинства Недостатки
Значительно уменьшается объем мусора. Трудность очистки уходящих в атмосферу газов от вредных примесей, особенно от диоксинов, а это в свою очередь приводит к оснащению дорогостоящим системам газоочистки.
Возможность выработки теплоты и электроэнергии. Быстрый износ оборудования.
Обезвреживание опасных компонентов. Загрязнением воздуха, в первую очередь -мелкодисперсной пылью, оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами.
Возможность устранения некоторых неприятных свойств: запах, выделение токсичных жидкостей, бактерий, привлекательность для птиц и грызунов. Проблемы с захоронением золы от мусоросжигания, которая по весу составляет до 30% от исходного веса отходов и которая в силу своих физических и химических свойств не может быть захоронена на обычных свалках.
Уничтожение ценных компонентов.
Сложность стабилизации процесса сжигания.
Низкая эффективность восстановления черных металлов из шлаков.
Высокие требования к влажности и
Достоинства Недостатки
однородности морфологического состава.
Газификация органического сырья - это способ превращение твёрдого или жидкого топлива в горючие газы путём неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре с возможным применением катализаторов и подогревом из вне, что необходимо для протекания либо автотермического, либо неавтотермического процесса. Достоинства и недостатки вышеописанного метода утилизации отходов представлены ниже в табл. 4.
Таблица 4
Достоинства и недостатки газификации ТКО_
Достоинства Недостатки
Возможность отсутствия предварительной подготовки ТКО. Низкая освоенность в Российской Федерации.
Отсутствие жёстких требований к составу ТКО. Необходимость использования оборудования для очистки синтез-газа.
Получение вторичного топлива. Проблемы с захоронением золы.
Удобство использования вторичного топлива. Низкая эффективность восстановления черных металлов из шлаков.
Возможность изменения теплоты сгорания конечного продукта. Потеря ценных компонентов в шлаке.
Сравнительно низкие затраты на осуществление процесса.
Высокий энергетический КПД (до 95%).
Низкие линейные скорости газового потока в реакторе и его фильтрация через слой исходного перерабатываемого материала обеспечивают крайне низкий вынос пылевых частиц с синтез-газом.
Синтез-газ проще очистить, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре, меньшему объему и более высокой концентрации загрязнителей.
Частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах.
Сжигание в две стадии позволяет резко уменьшить образование диоксинов.
Зола, выгружаемая из реактора, имеет низкую температуру.
Технология пиролиза заключается в необратимом химическом изменении ТКО под действием температуры без доступа кислорода. В зависимости от температуры реализации часто различают три вида пиролиза: низкотемпературный, или полукоксование (не более 450-550°С); среднетемпературный, или среднетемпературное коксование (до 800°С); высокотемпературный, или коксование (900-1050°С). Достоинства и недостатки вышеописанного метода утилизации отходов представлены ниже в табл. 5.
Таблица 5
Достоинства и недостатки пиролиза ТКО_
Достоинства Недостатки
Высокая степень экологической безопасности. Образование побочных химических соединений - хлора, азота, фтора.
Отсутствие жёстких требований к составу перерабатываемых отходов. Затраты на вспомогательное оборудование по очистке продуктов пиролиза.
Получение вторичного газообразного топлива.
Как видно на сегодняшний день разработано несколько конкурентных
технологий термической переработки ТКО, которые отличаются как по капитальным затратам, так и по целевому продукту. Чаще всего окончательный выбор схемы во многом зависит от типа и количества исходного сырья. Исходя из этого было проведено исследование морфологического состава ТКО.
Для муниципального округа Кингисеппское городское поселение в 2017 году был проведен отбор проб согласно методике, изложенной в Постановлении Правительства Российской Федерации от 4 апреля 2016 года № 269 «Об определении нормативов накопления твердых коммунальных отходов». Отбор проб осуществлялся для городского квартала с преобладаем жилой застройки и при отсутствии крупных промышленных предприятий. Эксперимент проводился ежеквартально в течение семи суток. В табл. 1 представлены результаты соответствующих измерений.
Таблица 6
Экспериментальный анализ морфологического состава ТКО для муниципального округа _Кингисеппское городское поселение_
Компоненты / Массовая доля, % Зима Весна Лето Осень
Макулатура 22,0 23,0 25,0 24,0
Стекло 14,0 15,0 19,0 17,0
Полимеры 15,0 14,0 16,0 15,0
Пищевые отходы 11,0 11,0 12,0 11,0
Текстиль 4,0 5,0 3,0 5,0
Металлы 2,0 3,0 1,0 3,0
Отсев 13,0 12,0 10,0 12,0
Прочее (дерево) 19,0 17,0 14,0 15,0
В табл. 7 представлены усредненные годовые данные в пересчете характеристик с учетом плотности каждого компонента, категория «прочее» оценивалась по плотности из предположения, что ее большая часть составляет древесные материалы.
Таблица 7
Усредненный годовой морфологический состав ТКО_
Компоненты Влажность, % Плотность, кг/мЗ Массовая доля, % Объемная доля, %
Макулатура 25 140 23,5 18,67
Стекло 0,4 250 16,3 7,23
Полимеры 8 52 15,0 32,08
Пищевые отходы 72 100 11,3 12,51
Текстиль 20 85 4,3 5,56
Металлы 1,9 48 2,3 5,21
Отсев 20 150 11,8 8,71
Прочее (дерево) 10 180 16,3 10,04
Согласно проведенному экспериментальному исследованию, удалось установить, что для отдельно взятого объекта (в данном случае жилой квартал населенного пункта) морфологический состав ТКО слабо варьируется в зависимости от времени года. В частности, согласно табл. 6 изменение доли любого из компонентов не превышает 5 % от общей массы. При этом летние месяцы могут рассматриваться как наиболее благоприятные с точки зрения увеличения органической массы (и, как следствие, теплоты сгорания синтез-газа), однако данный эффект незначителен и для последующих расчетов будут использоваться усредненные годовые величины, представленные в табл. 7. В качестве пилотной энергетической установки на основе термической конверсии ТКО рассматривается ГТУ электрической мощностью 100 кВт, поэтому в дальнейшем при расчете потенциала энергетической установки необходимо оперировать часовым расходом органического сырья 100 кг/ч (ТКО за вычетом отсева, стекла и металлов).
В табл.8 представлены показатели элементного состава ТКО, характерного для населенного пункта.
Таблица 8
_Элементный состав ТКО, %_
Сырье Влажность Углерод Водород Кислород Азот Зола
ТКО 18,1 31,1 5,0 26,6 0,6 18,6
Для оценки энергетического потенциала ТКО помимо элементного анализа необходимо знать такие величины как выход летучих и количество связанного углерода. Эти параметры используются в расчетных схемах при моделировании теплоэнергетических процессов с применением современных программных комплексов [49 -53].
С целью оценки данных величин был проведен опыт по нагреванию характерной смеси ТКО (отдельно подобрана на основании результатов экспериментальных исследований, представленных в табл. 7) в печи с измерением массы образа до и после эксперимента. Нагрев осуществлялся в высокотемпературной печи с волокнистой изоляцией Nabertherm НТ 450/17/Р470. Оборудование имеет следующие параметры:
• Максимальная температура в камере 1800 °С.
• Объем пространства печи от 4 до 450 литров.
• Высококачественные нагревательные элементы из дисилицида молибдена (MoSi2).
• Термоэлемент PtRh - Pt.
При проведении основного эксперимента осуществлялся нагрев в бескислородной среде от комнатной температуры до 1000 °С с темпом подъема температуры 10 °С/мин. По окончании эксперимента во избежание возгорания твердого остатка проводилось его охлаждение в рабочей камере до температуры ниже 50 °С с последующим извлечением, взвешиванием и дожиганием в газовой печи. Соответственно измерение массы осуществлялось в следующих контрольных точках:
При нагреве до 150 °С (образец извлекался из печи с последующим взвешиванием для измерения влажности);
При нагреве до 1000 °С и дальнейшим охлаждением до 50 °С (после остывания образец извлекался из печи с последующим взвешиванием для измерения величины твердого остатка);
После дожигания в газовой печи (для измерения величины зольности). В табл. 9 представлены результаты трех измерений изменения массы ТКО при нагреве. Необходимо обратить внимание на то, что доля связанного углерода определяется как разница между величиной твердого остатка после выхода летучих и золы. При этом выход летучих, в свою очередь, также определялся расчетным способом как разница исходной навески, а также влажности и величины твердого остатка.
Таблица 9
Результаты экспериментального анализа ТКО в печи, %_
Эксперимент Влажность Выход летучих Твердый остаток Зола Связанный углерод
1 15 51 34 16 18
2 12 56 32 14 18
3 13 55 32 15 17
Среднее 13 54 33 15 18
Особенностью результатов, полученных на рис. 1 является низкая зольность исходного сырья, что говорит о малом содержании металлов и стекла в отходах.
ДТГ /(%/мин)
100 200 300 400 500 600 700 600 900 Температура ГС
0 20 40 60 60 ¡00 120 ¡40 160 ¡60~
Время 'мин
Таким образом, проведя морфологический состав ТКО в потенциальном районе внедрения (муниципальный округ Кингисеппское городское поселение) было установлена слабая зависимость морфологического состава ТКО от сезонности. Кроме того, были выполнены экспериментальные исследования в электрической печи с целью определения влажности, выхода летучих, величины твердого остатка, связанного углерода и зольности рассматриваемых образов для последующего использования этих данных в расчетах энергетического и материального балансов когенерационной установки на основе термической конверсии ТКО.
Для оценки теоретического потенциала продуктов газификации ТКО было выполнено моделирование в среде Aspen Plus. Данный программный продукт является одним из основных инструментов, применяемых для решения подобных задач в российской и мировой науке. На рис. 2 представлена смоделированная схема газификации ТКО в среде Aspen Plus.
Рис. 2. Установка газификации ТКО в Fig. 2. Installation of ТКО gasification in Aspen среде Aspen Plus Plus
Схема включает в себя непосредственно блок термической конверсии твердого топлива с разделением технологических зон на пиролиз и газификацию, воздушный компрессор, камеру сгорания получаемого синтез-газа, газовую турбину, котел-утилизатор и сепараторы. Подробнее информация об элементах представлена в табл. 10.
Таблица 10
Перечень элементов установки газификации ТКО_
Обозначение Наименование Функционал
PYROLYS Реактор термической конверсии (зона пиролиза) Проведение пиролиза исходного топлива, пересчет элементного анализа ТКО в конвертируемые газовые компоненты.
GASIFIER Реактор термической конверсии (зона газификации) Расчет равновесного процесса газификации на основе минимизации разности энергии Гиббса реакции.
SEPSG Сепаратор синтез- газа Разделение твердой и газообразных фаз.
COMPR Воздушный компрессор Сжатие воздуха для подачи в газификатор и на горение в газотурбинную установку. Для удобства расчета воздушный компрессор газификатора и ГТУ объединены в один элемент.
AIRSPLIT Разделитель воздуха Разделение потоков воздуха по направлениям использования.
BURNER Камера сгорания Расчет равновесного процесса горения синтез-газа на основе минимизации разности энергии Гиббса реакции.
TURBINE Газовая турбина Использование теплового потенциала дымовых газов для выработки электрической энергии.
HEATER Котел-утилизатор Нагрев обратной сетевой воды для теплоснабжения потребителей.
Существующий типоразмер как отечественных, так и зарубежных газификаторов, а также генерирующих установок (ГТУ, ГПУ) предполагает использование оборудования с единичной мощностью не менее 60 кВт. Поэтому в данной работе будет проводиться моделирование газификации ТКО для установки с генерируемой электрической мощностью 100 кВт (за вычетом мощности приводов нагнетательного оборудования ГТУ). Предполагается, что при реализации данного проекта установка будет использоваться для нужд централизованного теплоснабжения, при этом вырабатываемая электрическая энергия может применяться как для собственных нужд котельной, так и для передачи в сеть. На рис. 2 представлено окно задания элементного состава в пересчете на сухую массу. В качестве расчетной температуры сырья принято 20 °С при давлении 1 бар.
^ Specifications State variables
Sub stream name: Temperature: 9 NC
20 С
Pressure: 1 bar T
Total flow basis: Mass
Total flow rate: kg/hr T
- Composition -
Mass-Flow » kg/hr
Component Value
BIO 100
ASH
Total: 100
^ © Component Attribute Component ID: ®BIO Attribute ID: (SULTANAL
Element Value
ASH 22.7
CARBON 37.9
HYDROGEN 6.1
NITROGEN 0.7
CHLORINE 0.1
SULFUR 0.1
OXYGEN 32.4
Рис. 3. Элементный состав ТКО на Fi g. 3. Dry niass element composition ofTKO
сухую массу
Реактор термической конверсии исходного топлива, отвечающий за зону пиролиза (элемент PYROLYS) служит для пересчета элементного состава ТКО в конвертируемые компоненты (газы, зола, твердый углерод, твердая сера), которые далее могут быть использованы в блоке реактора Гиббса (GASIFIER). С этой целью в программе используется встроенный реактор расчета стехиометрических коэффициентов (RStoic) с предварительно заданной процедурой расчета на языке Fortran (рис. 4).
Данная процедура на основе элементного анализа на сухую массу и молярной массы вещества (углерод, водород, кислород, азот, сера, зола) оценивает коэффициенты реакции разложения. Необходимо отметить, что процесс сушки сырья не рассматривается в рамках настоящей расчетной модели.
| ©Define [ ©Calculate | ©Sequence | Tears | Stream Flash j Information |
[Calculation method @ Fortran j Excel
Enter executable Fortran statements
Fortran Declarations
DRY = 1,0 - PROXtlfO.Ol CQEFC = DRY*ULTI(2]*0.01/MWC CQEFH2 = DRY*UL"n(3]*0.01/MWH2 COEFD2 = DR¥*ULTip]*tl.01/MWa2 C0EFN2 = DRY*ULTI[4]*0.01/MWN2 CQEFS = DRY*ULTI[6)*0.01/MWS COEASH = DRY*(UL"H(1)+ULTI(5]]*0.01
Рис. 4. Расчет стехиометрических коэффициентов пиролиза
Fig. 4. Calculation of stoichiometric pyrolysis coefficients
Элемент САБ1Р1 ЕЯ служит для расчета фазового и химического равновесия процесса газификации при заданных параметрах (температуре, давлении, теплоте). Для проведения моделирования необходимо указать 2 из 3 запрашиваемых параметров (рис. 5).
| ^Specifications Products | Assign Streams | Inerts | Restricted Equilibrium | PSD | Utility Calculation option:
Calculate phase equilibrium and chemical equilibrium
Рис. 5. Расчет фазового и Fig. 5. Calculation of phase and chemical
химического равновесия процесса equilibrium of gasification process
газификации
Необходимо отметить, что в данном случае задается оптимальная температура и давление в реакторе на основе обзора литературных данных, согласно которым температура 900 °С позволяет минимизировать образование ароматических соединений и достичь высокую теплоту сгорания синтез-газа. В то же время давление 20 бар дает возможность снижения металлоемкости оборудования за счет меньших габаритов установки и каналов.
Для подачи воздуха на горение в ГТУ, а также для газификации ТКО моделируется воздушный компрессор с заданием степени сжатия, а также адиабатического и механического КПД (рис. 6). В реальности в состав ГТУ уже входит осевой компрессор, а для реактора газификации устанавливается отдельный нагнетатель. Однако в данном случае для упрощенного моделирования весь процесс сжатия рассчитывается в элементе COMPR, в то время как в элементе AIRSPLIT происходит разделение потоков воздуха, существенная часть которого, направляется в блок ГТУ.
| <Э Specifications | Calculation Options | Power Loss | Convergence | Integration Parameters |
- Model and type-
Model: ф Compressor О Turbine
Types Lsentropfc т
Discharge pressure: 20 bar '
О Pressure increase: bar
О Pressure ratio: О Power required: kW
Use performance curves to determine discharge conditions ^^
г Eff i ci en ci es-
Isentropic: 0,85 Polytropic: Mechanical: 0.95
Рис. 6. Параметры воздушного Fig. 6. Air compressor parameters
компрессора
Камера сгорания ГТУ (BURNER) моделируется через реактор Гиббса по аналогии с газификатором (GASIFIER) с тем лишь отличием, что фазовое и химическое равновесие процесса горение рассчитывается без фиксации температуры в камере. Иными словами, температура и энтальпия дымовых газов являются выходными параметрами для данного элемента.
Перед подачей синтез-газа на горение в блок ГТУ в схеме предусмотрен сепаратор (SEPSG) для очистки газа от механических примесей: золы и твердой серы (рис. 7). _
[ ф Specifications | © Feed Flash | Outlet Flash | Utility | In
T
Outlet stream conditions -Outlet it S übst ream
MIXED
Specification Split fraction Split fraction Split f ra Split fraction Split f ra Split fraction Split f ra Split fraction Split f ra Split fraction Split fraction
Рис. 7. Параметры воздушного компрессора
Fig.7. Air compressor parameters
Газовая турбина (TURBINE) моделируется по аналогии с компрессором: задается КПД и давление на выходе (в данном случае 1,5 бар). Важно отметить, что адиабатическая температура горения синтез-газа превышает 2200 °С, при этом современный уровень машиностроения не позволяет иметь температуру дымовых газов на входе выше 1700 °С. По этой причине расход воздуха в ГТУ подбирался таким образом, чтобы не превысить установленного температурного лимита.
Заключительным элементом рассматриваемой схемы является сетевой подогреватель (HEATER), в котором дымовые газы после турбины передают энергию теплофикационной воде при заданном температурном графике сети 130/70 (рис. 8).
йSpecifications | Stream^ | LMTD | Pressure Drop | Methods | Film Coefficients |
- Calculation- •'ft; Shortcut O Detailed © Rigorous - Flow arrangement- Hot fluid: Flow direction: Countercurrent " No. shells in series: 1
Size Shell&Tube j - □ Calculate number of shells
□ Use Design Template File
Rigorous Model О Shell&Tube О AirCooled О Plate
Type: Design
Exchanger type Heat exchanger
Transfer UA to shortcut
Exchanger specification-
Specification: Cold stream outlet temperature Value: 130 С
Constant UA:
J/sec-K
Mini
n temperature approach: I
Рис. 8. Параметры сетевого подогревателя
Fig. 8. Grid heater settings
Как уже было отмечено ранее, при моделировании подбирались такие параметры элементов схемы, которые бы позволяли получать 100 кВт полезной электрической мощности на газовой турбине. Тогда расчетный расход ТКО должен составлять 100 кг/ч (рис. 3) при количестве воздушного дутья газификатора 30 кг/ч (рис. 9).
-omponent IL)
[ ©Specifications | Flash Options | Key Component! Information |
Flow s-plit specification for outlet streams ■
Stream Specification Basis Value Units
► AIRGAS Flow Mass 30 kg/hr
AIRBURM
Рис. 9. Параметры элемента AIRSPLIT
Fig. 9. AIRSPLIT element parameters
В то же время суммарный расход воздуха на установке, включая осевой компрессор ГТУ составляет 675 кг/ч. На рис. 10 показаны исходные параметры воздуха
на всасе.
| ©Mixed | ©QSolid©NC Solid Flash Options EO Options Costing Informatior .AI Specifications Flash Type: Temperature ' Pressure
-State vari ab Temperatui
Total flow basis: Total flow rate;
Mass-Frac '
Component
hi
Рис. 10. Задание параметров потока Fig.10. AIR1 flow setting
AIR1
В реакторе газификации TKO преобразуются синтез-газ, основную горючую составляющую которого включают монооксид углерода (27,8 %) и водород (38,1 %) На рис. 11 показаны мольные доли генерируемого газа.
| Material Vol.% Curves j Wt. % Curves Petroleum Polymers | Solids |
Display: Streams - Format FULL - | Stream Table |
SYNGAS1
S 0
Mole Frac H
02 L2756e-19
СО 0278582
Н2 С02 НЮ 0380675 0.0490821 0.08427S3
H2S 0.000582
N2 0.157208
СН4 0.0495921
С6Н6 9.0822е-13
Рис. 11. Состав синтез-газа (мольные Fig. 11. Synthesis gas composition (molten
доли) fractions)
Камера сгорания ГТУ позволяет рассчитать состав и термодинамические параметры продуктов горения (температура, энтальпия и пр.). На рис. 12 показаны мольные доли дымовых газов. Согласно полученным результатам, в процессе отсутствует механический и химический недожег, т.к. доли горючих компонентов практически равны нулю. Очевидно, что наибольший вклад в мольные доли вносит азот, являющийся основным компонентом воздуха.
| Material | Vol.% Curves Wt. % Curves Petroleum Polymers Solids
Display: Streams — Format: FULL " | Stream Table |
DYMGAS1 -
02 0.09537
СО 5.90198е-05 H
Н2 1.9SB19e-05
С02 Н20 0.0783945 0.116452
H2S 0.00012016
N2 СН4 СбНб 0.709584 9.1761е-23 1.0984е-87
Рис. 12. Состав дымовых газов Fig.12. Composition of flue gases (molten
(мольные доли) fractions)
Основными энергетическими показателями работы установки является выработка электрической и тепловой энергии. За показатели электрической энергии на схеме отвечают потоки TURBWORK и COMPWORK. Причем полезная выработка определяется разницей механической мощности турбины и компрессорного оборудования. По результатам расчета, полезная мощность установки составила 102 кВт (рис. 13). Особенностью программы Aspen Plus является то, что входные для системы потоки энергии имеют положительный знак, а выходные - отрицательный.
Work: | О Statu s |
Display: Streams
1
► TURBWORK COMPWORK
POWER kW -189.910248 S7.8948428
SPEED
Рис.13. Показатели механической Fig.13. Mechanical power indicators of the system мощности системы
Для сетевого подогревателя (HEATER) характерен нагрев сетевой воды в количестве 2,5 т/ч в пиковом режиме от 70 °С до 130 °С. Температура выбрасываемых в атмосферу дымовых газов при этом составляет 159 °С. Тогда расчетная тепловая мощность сетевого подогревателя равняется 203 кВт (рис. 14) при расчетной поверхности 0,7 м2 и среднем температурном напоре 337 °С.
| Summary | Balance | Exchanger Details | Pres Drop/Velocities Zones j Utility Usage | ^Status |
Calculation Model [shortcut
Pressure: 15
Vaporfraction: 0
1st liquid/Total liquid 1
Heat duty: 203.
Hot stream: OYMGAS2 DYMGAS3
Temperature: 982.528 С 158.663 с
Pressure: 1.5 bar • 1.5 bar ~
Va por fraction: 1 1
1st liquid /Total liquid 1 1
Cold stream: WATERIN WATtROUT
Tern peratu re: 70 С - 130 С
15 0
fl
Рис. 14. Показатели тепловой Fig. 14. Heat Output Indicators
мощности системы
На рис. 15 показана T-Q диаграмма сетевого подогревателя, синим цветом отмечена сетевая вода, зеленым цветом - дымовые газы.
Рис. 15. T-Q диаграмма сетевого подогревателя Fig. 15. T-Q Network Heater Diagram Результаты и обсуждения
На рпс.16 представлена расчетная схема с нанесенными показателями температуры (°С) и давления (бар) системы в характерных точках.
Рис. 16. Параметры температуры и Fig. 16. Temperature and pressure parameters at давления в характерных точках установки characteristic ТКО gasification installation points газификации ТКО
В табл. 11 сведены основные расчетные энергетические показатели установки газификации ТКО.
Таблица 11
Расчетные энергетические показатели установки газификации ТКО в среде Aspen Plus
Параметр Размернось Значение
Электрическая мощность ГТУ кВт 102
Число часов использования номинальной мощности в году ч 7 500
Годовая выработка электроэнергии кВт ч/год 765 ООО
Тепловая мощность сетевого подогревателя кВт 203
Расход ТКО (при теплоте сгорания на сухую массу 15,58 МДж/кг) кг/ч 100
Электрический КПД установки % 23,6
Тепловой КПД установки % 46,9
Суммарный КПД установки % 70,5
Таким образом, суммарный КПД по выработке тепловой и электрической энергии составляет 70,5 %. Эта величина является сопоставимой с показателями энергетических установок, работающих на альтернативном местном твердом топливе (древесина, торф и пр.). Не менее важным показателем работы установки, помимо энергетических составляющих, является экологический ущерб и в частности эмиссия парниковых газов в пересчете на углекислый газ. На рис. 16 представлены результаты расчета экологических параметров установки с отнесением выбросов на массовые
расходы материальных потоков на входе (Feed stream): сетевая вода, воздух, ТКО и выходе (Product stream): зола, дымовые газы, сетевая вода.
I Summary |
Net st
nC02e
Utility C02e Total C02e Net carbon fee / tas:
Feed stream name Fl« C02e
kg/hr kg/hr
WATERIN AI RI WASTE 2500 675 100 0 0.675 0
Product stream name я. C02e
kg/hr kg/hr
ASH DYMGAS3 WATEROUT 36,3918 738.508 2500 0 89.4535 0
Рис. 17. Эмиссия углекислого газа Fig. 17. Carbon dioxide emissions from the TKO
при работе установки газификации ТКО gasification plant
Как следует из рис. 16, дымовые газы содержат 89,4 кг/ч углекислого газа, который поступает из исходных ТКО и в меньшей степени из воздуха. Таким образом, введение подобной установке вполне видится целесообразным в условиях сложившийся обсатновки с отходами в Ленинградской области, где доля переработанных отходов составляет всего 5-10%. Введение когенерационной установки не только позволит покрыть растущие потребности в энергии, но и существенно улучшить экологическую обстановку в регионе. Данное решение в перспективе может получит распространение во многих регионах нашей страны, учитывая динамику роста отходов в последние десятилетия.
Литература
1. Дудолин, А.А. Проблемы и перспективы создания экологически безопасной ТЭС на твердых ком- мунальных отходах / А.А. Дудолин, А.Н. Ефремов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2021. - Т. 21, No 4. - С. 5-12. DOI: 10.14529/power210401
2. Распоряжение правительства РФ от 25 января 2018 г. № 84-р «Об утверждении Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживания отходов производство и потребления на период до 2030 г.»
3. Е.Л. Шабуров, А.В. Федюхин, В.А. Ипполитов. Расчет режимных параметров установки газификации ТБО // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018.Т. 24. № З. С. 38-44. DOI: 10.18721/JEST.240303
4. Ефремов П.В., Дудолин А.А. Анализ зарубежного опыта в части построения энергетической структуры ТЭС на твердых коммунальных отходах// Вестник КГЭУ, 2021, том 13, No 2 (50). С 3 - 14
5. Couto N.D., Silva V.B., Rouboa A. Thermodynamic Evaluation of Portuguese municipal solid waste gasification // Journal of Cleaner Production. 2016. No 139. P. 622-635.
6. François J., Abdelouahed L., Mauviel G., Feidt M., Rogaume C., Mirgaux O., Pâtisson F., Dufour A. Estimation of the energy efficiency of a wood gasification CHP plant using Aspen Plus. Chemical engineering transactions. 2012. No 29. P. 769-774.
7. Тугов А.Н. Современные технологии термической переработки твердых коммунальных отходов и перспективы их реализации в России (обзор) // Теплоэнергетика. 2021(1). С. 3-20.
8. Росляков П.В., Изюмов М.А., Тугов А.Н. О выборе оптимальной технологии термической переработки твердых бытовых отходов // Энергетик. 1996(9). С. 6-10
9. Султангузин И.А., Федюхин А.В., Курзанов С.Ю., Гюльмалиев А.М, Степанова Т.А., Тумановский В.А., Титов Д.П. Перспективы развития систем автономного энергоснабжения на основе термической конверсии твердого топлива. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, 2015, No 5, с. 51-57
10.Politaeva N.. Smyatskaya Y., Fedyukhin A. Fiber and carbon materials for wastewater purification from petroleum products. Desalination and Water Treatment, 174 (2020) P. 116-122.
П.Уласевич, C.B. Разработка и реализация пилотного проекта по строительству генерирующих объектов по термической переработке твердых коммунальных отходов на
территории Московской области и в городе Казани. Заключение о технологическом и ценовом аудите инвестиционного проекта / C.B. Уласевич. - М.: ЗАО «СВЕКО Союз Инжиниринг» / C.B. Уласевич. - М., 2017. - 138 с.
12.Ефремов А.Н., Дудолин А.А. Влияние предварительной обработки на теплотехнические характеристики твердых коммунальных отходов (ТКО) и экологические показатели тепловой электростанции на ТКО // Теоретический научно-практический журнал «Вестник МЭИ». 2019(6). С. 11-20
13.Lan, К., Yao, Y. Feasibility of gasifying mixed plastic waste for hydrogen production and carbon capture and storage. Commun Earth Environ 3, 300 (2022).
14.Афанасьева O.B., Мингалеева Г.Р., Добронравов А.Д., Шамсутдинов Э.В. Комплексное использованиеи золошлаковых отходов. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2015;(7-8):26-36.
15.Shaburov Е., Derevianko О., Fedykhin A. Analysis of Energy Efficiency of Municipal Solid Waste Usage for Thermal and Electrical Energy Production. E Shaburov et al 2019 ЮР Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 272 022105
Авторы публикации
Султан Олегович Макоев - директор дирекции международного образования Национального исследовательского университета «МЭИ», Москва, Россия.
Ирина Гареевна Ахметова - др. техн. наук, доцент, проректор по развитию и инновациям Казанского государственного энергетического университета, Казань, Россия.
Алексей Михайлович Фонов - кафедра промышленных теплоэнергетических систем, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия
References
1. Dudolin АА, Efremov AN. Problems and Prospects of Creating an Environmentally Friendly Waste-to-Energy Plant. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2021, vol. 21, no. 4, pp. 5-12. doi: 10.14529/power210401.
2. The Russian Federation Government order from January 25th, 2018 № 84-p «Industrial strategy development for the processing, disposal the municipal solid waste and energy consumption up to 2030».
3. EL. Shaburov, AV. Fedukhin, V.A. Ippolitov. Calculation of operating modes for municipal solid waste operating unit. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU (St. Petersburg State Polytechnical University Journal) 2018;24(3):38-44. doi: 10.18721/JEST.240303
4. Efremov A, Dudolin AA. International experience analysis in terms of designing the energy structure of the TPP working in municipal solid waste. Vestnik KSEU 2021;13(2 (50):3-14
5. Couto ND, Silva VB, Rouboa A. Thermody- namic Evaluation of Portuguese municipal solid waste gasification. Journal of Cleaner Production. 2016;139:622-635.
6. François J, Abdelouahed L, Mauviel G, et al. Esti- mation of the energy efficiency of a wood gasification CHP plant using Aspen Plus. Chemical engineering transactions. 2012;29:769-774.
7. Tugov AN. Modern Technologies for the Thermal Treatment of Municipal Solid Waste, and Prospects for Their Implementation in Russia (Review). Thermal Engineering. 202168(1). doi 10.1134/S0040601521010183. EDN QSXEEZ.
8. Roslyakov PV, Izyumov MA, Tugov AN. On choosing the optimal technology for thermal processing of solid household waste. Energetik. 1996(9):6-10.
9. . Sultanguzin IA, Fedyukhin AV, Kurzanov SY. et al. Prospects for the development of independent power supply systems on the basis of solid fuel thermal conversion technology. Thermal Engineering. 2015;62(5):359-364. doi 10.1134/S0040601515050110. EDN VAAQIT.
10.Politaeva N, Smyatskaya Y, Fedyukhin A. Fiber and carbon materials for wastewater purification from petroleum products. Desalination and Water Treatment, 174 (2020) P. 116-122.
1 l.Ulasevich SV. Development and implementation of a pilot project for the construction of generating facilities for the thermal processing of solid municipal waste in the Moscow region and in the city of Kazan. Conclusion on the technological and price audit of the investment project], Moscow, CJSC SWEKO Soyuz Engineering, 2017. 138 p.
12.Efremov A, Dudolin AA. The influence of pretreatment on the thermal characteristics of solid municipal waste (MSW) and environmental indicators of a thermal power plant on MSW Theoretical Scientific and practical Journal «VestnikMEI». 2019(6):ll-20.
13.Lan K, Yao Y. Feasibility of gasifying mixed plastic waste for hydrogen production and carbon capture and storage. Commun Earth Environ 3, 300 (2022).
14. Afanaseva OV, Mingaleeva GR, Dobronravov AD, et al. Complex use of ash and slag waste. Power engineering: research, equipment, technology. 2015;(7-8):26-36.
15.Shaburov E, Derevianko O, Fedykhin A. Analysis of Energy Efficiency of Municipal Solid Waste Usage for Thermal and Electrical Energy Production. E Shaburov et al 2019 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 272 022105
Authors of the publication
Sultan O. Makoev - Director of International Education Department, National Research University «MPEI», Moscow, Russia.
Irina G. Akmetova - Vice-Rector for Development and Innovation, Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Alexey M. Fonov - Department of Industrial Energy Systems, National Research University «MPEI», Moscow, Russia.
Получено 06.12.2022г.
Отредактировано 12.12.2022г.
Принято 13.12.2022г.
