CC BY
183
Литература
1. Беккер М.С. Куликов М.Ю., Егорычев Е.В. Физическая модель изнашивания инструмента из быстрорежущей стали // Вестник машиностроения. 1997. № 8. С.41-44.
2. Мокрицкий Б.Я. Структурно-динамические аспекты при оценке работоспособности металлорежущего инструмента // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. № 11. С. 122.
3. Подураев В.Н. Закураев В.В. Разработка и реализация способа управления оптимальным режимом резания // Вестник машиностроения. 1996. № 11. С. 31-36.
4. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента / Ю.Г. Кабалдин, Б Я. Мокрицкий, Н А. Семашко, С.П. Та-раев. - Владивосток: Изд-во ГУ, 1990. 122 с.
5. Мокрицкий Б.Я., Мокрицкая Е.Б. К вопросу об управлении работоспособностью металлорежущего инструмента // Вестник машиностроения. 1998. №12. С. 40-47.
6. Семашко H.A., Мокрицкая Е.Б., Мокрицкий Б.Я., Филоненко С.Ф., Вахрушев О.М. Патент РФ № 2138038. Способ контроля физико-механических свойств изделий / Опубл. 20.09.1999. Бюл. № 26.
7. Семашко H.A., Мокрицкая Е.Б., Мокрицкий Б.Я., Филоненко С.Ф. Патент РФ № 2138039. Способ контроля свойств и диагностики разрушения изделия / Опубл. 20.09.1999. Бюл. № 26.
8. Мокрицкая Е.Б., Семашко H.A., Мокрицкий Б.Я., Вахрушев О.М. Патент РФ № 2140076. Способ акустического контроля трещиностойкости изделий / Опубл.9.07.1998, Бюл.№29.
Modelling of the coated tool material properties
Elena Borisovna Mokritskaya, PhD, Assistant Professor Larisa Ivanovna Prudnikova, PhD, Assistant Professor
Scientists are now solving the problem of providing a metal-cutting performance of a wear-resistant coating. The paper suggests the ways to improve performance by modeling the properties of the material. This paper presents the methodology for assessment of the coated tool performance by acoustic emission.
Keywords - tool performance, tool materials, acoustic emission, modeling of the properties, computer program
УДК 674.81
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЕРЕВОДА КОТЕЛЬНОЙ НА АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО
Екатерина Борисовна Истягина, канд. физ-мат. наук, доцент
Тел.: +7 391 291 2516 Сибирский Федеральный Университет http://www.sfu-kras.ru/ Сергей Евгеньевич Молоков, магистр ИКИТ СФУ Тел.: +7 923 312 2800, e-mail: mol_sergei@mail.ru Сибирский федеральный университет http://www.sfu-kras.ru/
Работа посвящена переводу котельной на альтернативное топливо. В расчетах применяются законы теплотехники, термодинамики и аналитические методы. Выявлена и обоснована необходимость модернизации оборудования для использования пел-летного топлива.
Ключевые слова: Альтернативное топливо, котел, модернизация котла, экологически чистая энергия.
1. Введение
Переход на альтернативные виды топлива движется стремительно по всему миру. Ведь цены на невозобновляемые источники энергии растут, а их запасы уменьшаются. Для экономии энергетических ресурсов и решения экологических проблем необходимо внедрять производство твердого биотоплива. В настоящее время широкое распространение получило пеллетное биотопливо. Пеллеты - топливные гранулы, которые по своим характеристикам не уступают традиционному топливу, что обеспечивает довольно широкую область их применения. Наиболее распространенными являются древесные пеллеты. Они выглядят как маленькие цилиндры, диаметром 6 - 14 мм и длиной 0,5 см - 2 см. Сырьём для пеллет служат: опилки, стружка, горбыль, некачественная древесина, кора (лесопилки просто выбрасывают сырье), а также отходы сельского хозяйства (солома, костра льна и торф). Пеллеты экологически чистый материал, так как, в отличии от угольного топлива, выдают в атмосферу ровно столько С02, сколько впитало дерево во время роста. Зола, образующаяся при сжигании пеллетных гранул составляет, как правило, до 1% по массе, причем ее можно использовать как удобрение [1].
Всего в мире по статистике Баов1а1 в 2013 году произведено около 21629 тыс. тонн топливных гранул, рост за год составил 9%. Интересно отметить, что производство древесных топливных гранул (пеллет) увеличилось более чем в 10 раз за последнее десятилетие, главным образом, благодаря увеличению спроса в секторе биотоплива в Европе. Так, например, по итогам 2002 году мировое производство древесных топливных гранул составило всего 2 миллиона тонн против 21,7 млн. тонн в 2013 году.
Низшая теплота сгорания составляет QH = 20 МДж/кг [2], что сопоставимо с низшей теплотой сгорания бурого угля 15 МДж/кг [3], каменного угля 32-37 МДж/кг и антрацита 34-36 МДж/кг. Поэтому пеллеты могут конкурировать с этими видами топлива. Преимущества пеллет перед другими видами топлива следующие:
-перед газом: высокая пожаро- и взрывоопасность газа, .
тяжелая и дорогая процедура согласования, подключения и получения лимитов;
-перед электричеством: высокая стоимость электроэнергии, практическая невозможность подключения нужной мощ-
-перед углем: сжигание угля нельзя автоматизировать, в дымовых газах очень большое содержание серы (до 100 раз
больше) и оксидов азота, необходимость утилизировать шлак, А — N ^ достигающих 40% от массы угля, низкий КПД котлов; ^
-перед дровами: невозможность автоматизировать сжигание дров, нужно много площади для хранения, низкий КПД котлов;
-перед мазутом: высокая стоимость, практическая невозможность применения в малых котлах, необходимость разжижения в холодное время года, до 100 раз больше содержание серы в дымовых газах.
В этой связи, производство биотоплива и переход котельных на пеллетное топливо является актуальным. Поэтому было принято решение разработать технологический процесс перевода котельной на альтернативное и экологически чистое пеллетное топливо.
2. Содержание работы
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: - определение тепловой нагрузки на отопление и горячее теплоснабжение поселка;
Молоков
- определение расхода топлива;
- расчет вспомогательного оборудования котельной;
- экономическое обоснование предлагаемой замены.
Значения, необходимые для определения тепловой нагрузки условного поселка сведены в табл.1.
Таблица 1
Исходные данные для определения тепловой нагрузки поселка
№ п/п Категория здания Объемный показатель на 1000 чел. м3 Число потребителей горячей воды на 1000 чел. £ 0С цвВт /м3 ■ К цоВт /м3 ■ К Р Час q л/сут ки
1 Жилые дома 47.63-103 т жителей 20 - 0.302 10 100
2 Административные здания 700 5 16 0.093 0.44 5 25
3 Гостиницы 500 5 18 - 0.44 10 100
4 Кинотеатры 750 50 16 0.27 0.407 5 4
5 Столовая 1000 50 16 0.81 0.407 5 25
6 Детские сады 1250 50 20 0.12 0.395 5 25
7 Детские ясли 500 25 20 0.13 0.44 10 25
8 Школы 3000 200 20 0.08 0.383 2 7
9 Больницы 600 5 20 0.326 0.419 12 100
10 Бани 450 10 27 1.16 0.326 15 90
11 Температурный грае |)ик 150/70.
Исходными данными также для расчета являются: количество жителей поселка -15000 человек; вид системы теплоснабжения - закрытая; продолжительность отопительного периода - 235 суток; самая низкая температура за пять дней, :но = —400С; средняя, самого холодного месяца, :но = —40° С; средняя, за отопительный од, :н о = —■400С; температура начала отопительного сезона, :н о = +80С;
На котельной работают три котла КВ-ТС-10 теплопроизводительностью 11,63 МВт, предназначены для получения горячей воды, расходуемой, главным образом на теплофикационные нужды.
Котел КВ-ТС (котел твердотопливный водогрейный, слоевой) предназначен для сжигания твердого топлива в слое за исключением высокозольных, высоковлажных бурых углей, отходов углеобогащения и углей с теплотой сгорания Qн < 12722 КДж/кг, а также сланецев, торфа и других видов твердого топлива с содержанием серы Sкр >0.2 • 10_3% кг/ккал.
Расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение определяется по всем категориям зданий отдельно, и затем находится суммарная тепловая нагрузка по каждому параметру [4], все значения сведены в табл. 2.
Таблица 2
Расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение
Тип здания Объем Число потре- Расход тепла Расход тепла на Расход тепла на
здания по бителей горя- на отопление вентиляцию Qв, горячее водоснаб-
наружно - чей воды Q0, МВт МВт жение@гвс, МВт
му обмеру 7Н м3 т, чел:
Жилые дома 714450 15000 13.81 0 8.73
Адм. здания 10500 75 0.277 0.046 0.021
Гостиницы 7500 75 0.204 0 0.44
Кинотеатры 11250 750 0.274 0.143 0.218
Столовая 15000 750 0.366 0.571 0.034
Дет.сад 18750 750 0.474 0.114 0.218
Ясли 7500 375 0.211 0.049 0.054
Школы 45000 3000 1.103 0.183 0.611
Больницы 9000 75 0.241 0.149 0.036
Бани 6750 150 0.156 0.454 0.052
Определим суммарный расход тепла на поселок, МВт [4]
Xбпос = 17,114 +1,711 +10,02 = 28,845 . (1)
В результате расчета определена тепловая нагрузка проектируемого поселка, то есть расход тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Нагрузка составила 28.845 МВт.
Расчет расхода топлива, объема теоретического количества воздуха и продуктов сгорания, при сжигании бурого угля [5]. Исходные данные Топливо: Ирша-Бородинский уголь; Состав топлива:
Wр= 33%; Ар = 6,0%; Бк = 0,2%; Бор = 0,2%; Ср = 43,7%; Нр = 3%; Кр =4,6%; Ор=13,5;
Низшая теплота сгорания: Qн= 15,67 МДж/кг. Для всей котельной находим расход топлива, (г/с): .
N ■ бвк
Bp = " • VBK , (2)
Qh
Чка ■ QH
Bp = 28845 = 2.27, (3)
0.809 ■15,67
где QH -низшая теплота сгорания 1 кг твердого топлива, МДж/кг; N - число кот-лоагрегатов, шт; чка,-коэффициент полезного действия котлоагрегата брутто (средний по данному типу котлов); Qbk -полное количество полезно использованного тепла, МВт.
Расчет выбросов вредных веществ
Определяем массовый выброс летучей золы, г/с:
Mme = 0,012BP ■ аун(AP + )■ (1 - 4' (4)
32,680
Мтв = 0,012 ■ 2,27 ■ 0,25 ■ (6 + 0,5 i^-670) ■ (1 - 0,8) = 0,0084, (5)
32, 680
Где аун - доля золы топлива уносимая газами;
Ч3 - доля твердых частиц улавливаемых в золоуловителе;
q4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
Определяем количество оксидов серы в пересчете на SO2, г/с:
Mso2 = 0,02B ■ SP (1 - 4SO2 ) ■ (1 - 4SO2 ) ' (6)
Mso2 = 0,02 ■ 2,27 ■ 0,2(1 - 0,2) ■ (1 - 0) = 0,0072, (7)
где 4so2 - доля оксидов серы, связываемых в газовом тракте котла за счет реакций протекающих в минеральной части топлив;
4so2 - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе. Она является функцией
приведенной сернитости топлива.
Определяем количество окислов азота, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котельных установок, г/с:
Ыыа2 = 0,34-10-7 -к-в-бР-(1 -10-)-С-Ъ ■г )■ Ру $2 Р■Ъ (8)
2 100
мш = 0,34■ 10-7 ■ 0,919-2,27-15,670-(1 -—)■
100 , (9)
(1 - 0,01-30)-0,648-0,85-1-0,7 = 2,9-10-7
где ъ - коэффициент, характеризующий эффективность рециркуляции газов в зависимости от условий подачи их в топку, %;
Ъ - коэффициент, характеризующий снижение выбросов оксидов азота, %;
г - степень рециркуляции дымовых газов, %;
Р\ - коэффициент, учитывающий влияние на выход оксидов азота в качестве сжигаемого топлива, %;
$2 - коэффициент, учитывающий конструкцию горелок, %;
Р3 - коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления, %.
Таблица 3
Выбросы вредных веществ для одного котельного агрегата
Вид выбросов Единицы измерения, г/с
Массовый выброс летучей золы 0,084
Количество оксидов серы в пересчете на 502 0,072
Количество оксидов азота в пересчете на Ы02 2,9 ■ 10-7
Расчет расхода топлива, объема теоретического количества воздуха и продуктов сгорания, при сжигании пеллет.
Исходные данные: топливо пеллеты; Состав топлива:
Wр= 10%; Ар = 0,8%; Бор = 0,03%; Ср = 46 %; Нр = 5,27%; Кр =0,6%; Ор=37,3
Низшая теплота сгорания: Qн= 20 МДж/кг. Определяем расход топлива, (г/с):
вр = Х-<2вк , (10)
Щка - бН
Вр = 28,845 = 1,78, (11)
0.809-20
где бН -низшая теплота сгорания 1 кг твердого топлива, МДж/кг; N - число котлоагрегатов, шт; щка,-коэффициент полезного действия котлоагрегата брутто; бвк -полное количество полезно использованного тепла, МДж. Расчет выбросов вредных веществ Определяем массовый выброс летучей золы, г/с:
Мтв = 0,012ВР-аун (АР + ц4 бн )-(1 -щ), (12)
тв ун 32,680
20
Мтв = 0,012-1,78 • 0,2 • (0,8 + 0,05-) • (1 - 0,8) = 0,0007, (13)
32,680
где аун - доля золы топлива уносимая газами;
Т]3 - доля твердых частиц улавливаемых в золоуловителе;
- потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
Массовый выброс оксидов серы SO2 и SOз в пересчете на SO2 Определяем количество оксидов серы в пересчете на SO2, г/с:
МЮг = 0,02В • БР(1 -ъо2 ) • (1 -Ъ02). (I4)
МБ0 = 0,02 • 1,78 • 0,03(1 - 0,15) • (1 - 0) = 0,0009, (15)
где т]^о2 - доля оксидов серы, связываемых в газовом тракте котла за счет реакций протекающих в минеральной части топлив;
%о2 - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе. Она является функцией приведенной сернитости топлива.
Определяем количество окислов азота, выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котельных установок, г/с:
МШ2 = 0,34•Ю-7 • К • В• 0Р • (1 --0-)• (1 -5 •)•ь •ь Ь5 (16)
2 100
Мш = 0,3440-7 0,919 1.78• 20• (1 -—)•
2 100 , (17)
(1 - 0,01•30)•0,46•0,85• 10,99 = 2,940-7
где 51 - коэффициент, характеризующий эффективность рециркуляции газов в зависимости от условий подачи их в топку;
52 - коэффициент, характеризующий снижение выбросов оксидов азота,% г - степень рециркуляции дымовых газов,%;
01 - коэффициент, учитывающий влияние на выход оксидов азота в качестве сжигаемого топлива,%;
02 - коэффициент, учитывающий конструкцию горелок,%;
03 - коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления,%;
Экономический эффект рассчитан по методике [6]. Результаты приведены в табл. 4.
Таблица 4
Экономический расчет предлагаемой реконструкции
Наименование величины Уголь, млн.руб/год Пеллеты, млн.руб/год Разница, млн.руб/год
Плата за топливо, млн.руб/год 29,0 30,2 Повышение на 1,2
Плата за выбросы, млн.руб/год 0,088 0,078 Снижение на 0,01
Плата за э/э,(собственные нужду) млн.руб/год 6.77 5.41 Снижение на 1,36
Предотвращенный экологический ущерб, млн.руб/год - 0,22 Снижение на 0,22
3. Заключение
По результатам расчета видно, что при переходе с бурого угля на альтернативный вид топлива (пеллеты), произошло снижение выбросов золы в 120 раз, оксида серы в 80 раза, оксида азота ,без изменений, что уберегает окружающую среду. Экономия топлива составит 0,49 г/с для одного котлоагрегата, следовательно, природные ресурсы сохраняются. Расчет экономической эффективности применения альтернативного топлива показал снижение платы за выбросы вредных веществ. Еще одним значительным плюсом именно пеллетного топлива является удобство в «эксплуатации». Все вышеперечисленные факты позволяют сделать прогнозы, что популярность и распространение пеллет еще не достигли своего пика. Будущее топливного рынка - за биотопливом, и пеллетами в частности. Выгодно использовать пеллеты в западной части России, которая удалена от угольных разрезов.
Литература
1. Обзор рынка биотоплива: пеллеты. - [Электронный ресурс] URL: http://eubp.ru/news-obzor-rynka-biotopliva-pellety-2.html (дата обращения: 10.10.2015).
2. Твердое топливо и его классификация. - [Электронный ресурс] URL: http://kotelnoe-oborudovanie.kz/solid-fuel-classification.html (дата обращения: 10.10.2015).
3. Расчетные характеристики топлив. - [Электронный ресурс] URL http://xn--80aaeisrudafe3a9e.xn--p1ai/calculated-characteristics-fuels.html (дата обращения: 10.10.2015).
4.Бойко Е.А. Котельные установки и парогенераторы (тепловой расчет парового котла): Учебное пособие / Е.А. Бойко, И.С. Деринг, Т.И. Охорзина. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. 96 с.
5.Указание по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. - М: Энергия, 1976-144с.
6 Технико-экономические показатели проектируемой котельной. Методические указания - Красноярск 1997.
Technological process of the boiler-room change-over to alternative fuel
Ekaterina Borisovna Istyagina, candidate physics and mathematics sciences, assistant professor, Siberian Federal University
Sergei Evgenevich Molokov, student of Siberian Federal University, Siberian Federal University
The paper is dedicated to the boiler-room change-over to the alternative fuel. The laws of heat engineering, thermodynamics and analytical methods are implemented. The necessity of equipment modernization for pellet fuel is shown and proved.
Keywords: alternative fuel, boiler-room, modernization of boiler, clean energy.
УДК 004.94:5022/504:005.59
ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИЙ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
Валерий Васильевич Ничепорчук, к.т.н., старший научный сотрудник Тел.: 8 391 290 74 53, e-mail: valera@icm.krasn.ru Институт вычислительного моделирования СО РАН http://www.icm.krasn.ru
