Комплексные исследования эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения

Актуальность исследований.

В диссертации рассматривается комплексный подход к повышению энергетической, экологической и экономической эффективности источников энергии в системах централизованного теплоснабжения. Исследуются новые и существующие технологии сжигания органических топлив, методы оценки образования вредных выбросов и способы их сокращения, вопросы энергосбережения и выбора структуры энергоисточников.

Согласно прогнозным исследованиям отечественных и зарубежных специалистов [126] определяющая роль органического топлива в мировой энергетике сохранится, по крайней мере, до 2060 г. В настоящее время в теплоснабжении России используется более 40% всего потребления первичных энергоресурсов [27], из которых около третьей части составляют потери. Низкая эффективность систем теплоснабжения и, в частности источников энергии, обусловлена рядом причин. Первая — это физический и моральный износ оборудования [241,165], 17% которого уже выработало свой ресурс, 38% введено в эксплуатацию до 1970 года. Другой причиной является несовершенство цен и тарифов на различные виды топлива и энергии, что приводит к уменьшению теплопотреб-ления от ТЭЦ и увеличению нагрузок автономных котельных [48]. Из-за низких цен на природный газ сравнительно с углем доля газа в потреблении ТЭР возрастает (на момент 2004 г.-52,9%), а доля угля снижается (16,2%) [26]. Отметим, что определенная доля теплоисточников, потребляющих уголь, должна сохраниться для исключения абсолютной зависимости энергохозяйства от газа.

В качестве главной стратегической задачи, в части повышения эффективности теплоисточников в [226] предлагается перевести подавляющую часть ТЭЦ и котельных на сжигание природного газа с установкой на них ГТУ.

При колоссальных запасах и сравнительной дешевизне природного газа, (в нашей стране разведанные запасы и прогнозные ресурсы составляют около.

40% мировых), при высокой эффективности использования ГТУ в современных схемах 111У КЭС и на ТЭЦ, реализация этой задачи позволит, по мнению автора [226], почти вдвое сократить расходы условного топлива, сравнительно с нашими лучшими КЭС, и резко снизить выбросы загрязнителей.

Начиная с 2000 года (за прошедшее десятилетие) в нашей стране на нескольких станциях были внедрены парогазовые технологии [128,165]. Внедрение технологий сдерживается недостатком денежных инвестиций и дефицитом ГТУ, выпускаемых отечественной промышленностью (в настоящее время изготавливается лишь один типоразмер турбин ГТЭ-160).

В период 2005;2015 годы доли ТЭЦ и котельных составляют, соответственно, 46,8% и 48% [247] в теплоснабжении страны. Согласно этим исследованиям, при сжигании газа ТЭЦ могут быть более эффективными сравнительно с котельными при тепловых нагрузках более 40 ГДж/ч, причем при нагрузках менее 400 ГДж/ч предпочтительнее ТЭЦ на базе ГТУ, а при нагрузках более 400 ГДж/ч — ПГУ. Недостаточно исследований о совершенствовании структуры действующих теплоисточников, особенно на твердом топливе. В частности, применительно к современным экономическим условиям нет данных: о развитии ТЭЦ с невысокими начальными параметрами пара (1,4 МПа) — о, эффективности внедрения теплонасосных установок в системы централизованного теплоснабжения промышленных центров Восточной Сибири. Отметим, что внедрение теплонасосных установок (ТНУ) в энергетику России сильно отстает от промышленно развитых стран [231,258,188,176].

Россия обладает огромным потенциалом для расширения и использования биологических топлив и, в частности, древесных отходов. Только на Северо-Западе России возможно заготавливать и использовать древесные отходы в количестве, достаточном для покрытия 20% нужд региона в энергоносителях [35]. Одним из факторов, ограничивающих использование древесной биомассы, является отсутствие эффективных топочных устройств.

Следовательно, повышение энергетических и экономических показателей теплоисточников на различных видах топлива является важной и актуальной задачей. Это положение приобретает особую значимость в районах Восточной Сибири. Уникально высокая экологичность и дешевизна канско-ачинских углей (КАУ) делает их вполне конкуренто-способными сравнительно с природным газом [226].

Проблемам сжигания органических топлив посвящено множество исследований, в большей части которых изучается кинетика реакций и процессы теплообмена, протекающие в камере сгорания. Есть и термодинамические исследования, но все они основаны на моделях конечных равновесий. Реальные же процессы образования вредных веществ при горении, в которых могут участвовать сотни компонентов, не всегда успевают достичь термодинамического равновесия.

В данной работе для термодинамического анализа возможностей совершенствования процессов сжигания были использованы принципиально новые математические модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), созданные и развиваемые в ИСЭМ СО РАН д.т.н. Кагановичем Б. М. с сотрудниками [115−119, 38, 266], которые позволяют изучать системы из сотен веществ не только в состоянии термодинамического равновесия, но и на пути к нему с учетом ограничений на механизм процесса. Рассмотрение промежуточных состояний позволяет, по моему мнению, выполнить более полный и точный анализ процессов горения.

На основе общей МЭПС автором представляемой диссертации создавались термодинамические модели образования вредных примесей при сжигании органических топлив и генерации конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла. При построении моделей автором решались следующие вопросы.

1. Выбор параметров взаимодействия рассматриваемой системы с окружающей средой. При моделировании процессов горения топлив в топках котлоагрегатов возможны фиксирование как энтальпии (Н) и давления (Р), так и температуры (Т) и Р. В обоих случаях происходит идеализация рассматриваемых процессов, поскольку и Н и Т быстро меняются (снижаются) по мере движения системы к равновесию. Указанную идеализацию необходимо учитывать при анализе результатов расчетов (см. разделы 2.1 и 2.2.3). В представляемыхисследованиях все термодинамические расчеты проводились при фиксированных Т и Р, т.к. принимались, что в стационарном режиме в каждом сечении топочного объема (в определенной части) эти параметры постоянны.

2. Выбор вида целевой функции. В большей части расчетов максимизировалась концентрация одного исследуемого загрязнителя окружающей среды. Однако при изучении процессов образования бенз (а)пирена (БаП) максимизировалась и подбиралась сумма двух или трех компонентов, что позволило выявить на многограннике материального баланса состояния, более приближенные к реальному горению (раздел 2.2.1).

3. Составление и варьирование списка вектора мольных содержаний исходных реагентов (у). Варьированием вектора у задавались такие параметры как: вид и состав топлива, избытки воздуха при горении, содержание влаги в смеси.

4. Составление и варьирование списка вектора мольных содержаний компонентов (х), усх. При составлении вектора х важно учесть все характерные для рассматриваемого процесса группы веществ или отдельные образующиеся компоненты. С увеличением списков векторов х и у изменяются траектория движения системы к конечному равновесию и, соответственно, экстремальная концентрация искомого загрязнителя. Состав вектора х в различных расчетах менялся от 70 до 190 компонентов. Изменение вектора х и анализ результатов расчетов позволяют сделать выводы о возможном влиянии отдельных компонентов на исследуемый процесс. Так в разделе 2.2.1 автором был получен вывод о влиянии минеральной части топлива на образование оксидов азота при горении.

5. Задание и варьирование максимального или минимального значения энтальпии системы при фиксированных Р и Т. Задание энергетических ограничений (на Н) позволяет ограничить область расчетных состояний и, соответственно, приблизить искомое значение (xjext) к реальному процессу. В разделе (2.2.3) было получено, что экстремальная концентрация Б (а)П (х^я) соответствует условно Н (х)=Н (у), т. е. энтальпия системы задавалась равной исходному значению при фиксированных Р и Т. Полученный результат наряду с другими расчетными факторами позволили сделать вывод, что образование БаП предшествует процессу окисления топлива.

6. Ограничения на допустимые значения отдельных компонентов вектора х. С помощью дополнительных (по отношению к уравнению сохранения массы элементов) материальных ограничений в термодинамических моделях можно учесть влияние кинетики и (или) тепломассообмена на результаты процесса. В частности, в разделе (2.2.3) автором накладывались такие ограничения на водо-родсодержание компоненты, требующие при сжигании образования угарного и углекислого газов в определенных пропорциях с водяными парами.

7. Учет механизма химических реакций. Экстремальные концентрации искомых загрязнителей (x/xt) могут существенно отличаться в зависимости от механизма (траектории) процесса. Для нахождения оптимального механизма (значения Xjext) в [115, 116] предложена двухстадийная схема вычислений, в которой на первой стадии определяются x/xt при движении системы от общего исходного состояния (у) к различным промежуточным точкам, а на второй стадии — новые значения xjext при движении системы от указанных точек к общему конечному равновесию. Важно оценить необходимость такого двухстадийного вычисления исследуемого процесса и выбрать для него промежуточные точки. В разделе (2.2.2) автором были получены различные температуры точки росы дымовых газов образующихся при различных условиях сжигания бурого угля. В качестве промежуточных точек брались состояния конечных равновесий, со-отвествующих различным условиям сжигания.

Подробное описание построения термодинамических моделей представлено в разделе (2.1).

Рассмотрим некоторые важные проблемы теории сжигания органических топлив и технологий производства тепловой энергии на энергоисточниках.

Современная наука о горении в нашей стране начинается с работ академиков H.H. Семенова и Я. Б. Зельдовича. Так в статьях [202, 203] H.H. Семенова впервые сформулированы два возможных механизма воспламенения — тепловой и «цепной» взрывы. В работах Я. Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого [111, 110] впервые построена теория распространения пламени с учетом аррениусов-ской зависимости скорости химической реакции от температуры. Зельдовичем была дана первоначальная формулировка механизма образования NOx при исследовании взрывов газов в сосуде постоянного объема [109].

Многочисленные последующие исследования, обобщенные в [34, 28], подтвердили предложенный Зельдовичем механизм образования NOx в области высоких температур.

Образование №)х, по этому механизму происходит за фронтом пламени после завершения процессов горения. >ЮХ, образующиеся по этому механизму, называют термическими, поскольку реакция (В.1) имеет высокую энергию активации (318 кДж/моль) из-за тройной связи в молекуле N2. В соответствии с формулами, образование Ж) х зависит от температуры и в меньшей степени от содержания в смеси кислорода.

В 70-х годах были выявлены еще два механизма образования N0*. С. Фенимор обнаружил [264], что при сжигании метановоздушных смесей Ж) х образуется непосредственно в зоне горения, причем за очень короткий период времени (1- 4)-10″ 4 с. Это на порядок меньше времени горения топливно.

Проблемы теории горения o+n2=n+no, n+o2=o+no, n + он = no + н,.

В.1) (В.2) (В.З) воздушной смеси. Фенимор сделал предположение, что быстрое образование NOx объясняется связыванием молекул азота воздуха радикалами СН, СН2, С2, которые появляются уже при выходе и горении летучих угля.

CH + N2 = HCN + N (В.4).

Получающиеся продукты реагируют с радикалами О, Н и ОН, присутствующими в пламени в значительных количествах. Р. Гаррисом с соавторами [267] предложены реакции образования NOx с малыми энергетическими затратами, которые получили название «ранних» или «быстрых» NO.

Термодинамические исследования низкотемпературного сжигания КАУ с помощью модели экстремальных промежуточных состояний [116], подтвердили возможность образования при горении активных частиц О, Н, ОН, CN, СН, СН2, а также синильной кислоты HCN в количествах значительно превосходящих равновесные значения. При условии подведения энергии к системе извне (процесс Р и Т = const) концентрации О и Н в диапазоне температур 600−1200 К линейно возрастают, а ОН — линейно уменьшается.

Экспериментальные исследования И. Сигала и сотрудников [220] показывают, что с увеличением температуры скорость образования «быстрых» NOx не увеличивается, а даже снижается. С учетом результатов термодинамических исследований (зависимости концентраций ОН от температуры) можно предположить значительный вклад в образование NO реакций с учетом ОН.

Для обозначения NOx, образующихся из азотосодержащих компонентов органической массы жидких и твердых топлив, применяют термин топливные оксиды азота. Наличие этого источника оксидов азота было показано в работах С. Фенимора [265], Д. Тарнера, Р. Эндрюса, К. Зигмунда [272], проведенных в США, в исследованиях А. И. Бабия с сотрудниками [233], А. А. Отса и сотрудников [166] в СССР и в ряде других исследований.

При температурах 1000 — 1400 К на начальном участке факела, где происходит воспламенение и горение летучих, обнаруживается значительный выход топливных NOx. Сигал считает [220], что азот топлива вначале переходит в промежуточные соединения — радикалы СЫ, ЫН, N112 и молекулы ЫНз и НСЫ, а затем частично окисляется до оксидов азота, а значительная часть его переходит в молекулярный азот. П. В. Росляковым [195] предложены 18 реакций взаимодействия вышеуказанных промежуточных соединений с радикалами О, ОН, Н. Из расчета и анализа системы, в которую входят уравнения образования — термических, «быстрых» и топливных Ж) х, П. В. Росляков сделал вывод, что конверсия НСИ и ЫНз в N0 лишь незначительно зависит от состава смеси.

Американскими специалистами отмечается снижение Ж) х при вводе в топочную камеру третичного воздуха с кальций — содержащими сорбентами [269]. Однако автору неизвестны исследования о влиянии минеральной части топлива на генерацию >ЮХ при сжигании российских углей.

В соответствии о изложенным, снизить выбросы топливных МЗХ можно уменьшением общего избытка воздуха в камере сгорание до появления продуктов неполного горения, созданием восстановительной атмосферы путем предварительной подготовки топлива (подсушки) в газовых сушилках для перевода N0 и азотсодержащих соединений в молекулярный азот.

Подытоживая рассмотрение механизмов образования Ы0Х при горении, можно отметить следующее. Наиболее изученной и завершенной представляется теория образования термических Ж) х. Процессы образования «быстрых» и топливных Ж) х во многом еще не ясны. Плохо понята зависимость концентраций Ж) х от температуры при ее средних и низких значениях (1200−1600 К и менее). Малопонятны закономерности образования цианводорода (НСКГ).

Следовательно, требуется дальнейшее изучение процессов генерации Ж) х при горении топлив.

Одной из наиболее значительных групп токсичных веществ, попадающих в атмосферный воздух, являются продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода (СО), альдегиды (главным образом (НСОН), органические кислоты и углеводороды).

Согласно [28] формальдегид появляется на начальном этапе расщепления и окисления метана. Цианиды образуются, также, на начальном участке факела, при взаимодействии углеводородных радикалов с азотом воздуха. СО является завершающим компонентом в кинетической схеме окисления углеводородов при нестехиометрическом горении. При соединении с кислородом СО переходит в углекислый газ (С02). Известно, что продукты неполного горения появляются при недостатке окислителя, однако недостаточно информации о возможном взаимном влиянии этих загрязнителей, методах их подавления при одновременном снижении выбросов N0.

В этой группе наибольшее значение (по объему и токсичности) имеет оксид углерода. Рассмотрим условия образования СО при сжигании твердых, влажных топлив. При горении таких топлив (торф, бурые угли, древесина) протекают реакции с участием СО, СО2, Н20 и входящих в них элементов. В работе В. В. Померанцева и сотрудников [164] рассмотрены различные реакции окисления углерода. Сделан вывод, что с ростом температуры концентрация СО возрастает быстрее чем концентрация С02.

По мнению ряда исследователей [249] накопление СО происходит также в результате «быстрых» реакций с участием радикалов и формальдегида (НСНО).

H.Н.Семеновым [203] было установлено, что скорость окисления становится значительной при добавке к смеси небольшого количества водяных паров или водорода. Радикал ОН, атомарный водород Н и кислород О служат первичными активными центрами. Реакцией продолжения цепи с одновременным получением СОг является уравнение.

С0 + 0Н = С02 + Н (В.5).

Из рассмотренных механизмов образования СО видны основные методы снижения выбросов.

I. Подвод окислителя к топливу в достаточном количестве (а > 1).

2. Обеспечение качественного смесеобразования и достаточного времени сгорания смеси в топке.

3.

Введение

в реагирующую смесь водородосодержащих компонентов в оптимальном количестве.

Некоторые исследователи [20] считают, что низкие температуры в топке способствуют росту выбросов СО из-за увеличения времени, необходимого для завершения реакций окисления. С другой стороны, при высоких температурах возможно увеличение концентрации СО в уходящих газах из-за реакций диссоциации. В связи с этим возникает вопрос: какой температурный интервал горения смеси следует считать оптимальным для различных топлив?

В ряде работ [260,261] имеются противоречивые данные о выбросах СО при сжигании различных видов топлива. Одни специалисты считают, что при сжигании газа и жидкого топлива, (сравнительно с твердым топливом) выбросы СО могут быть снижены (практически до нуля), другие придерживаются противоположного мнения. Поскольку в западных районах страны и ряде промышленных центров Восточной Сибири проводится перевод теплоисточников на сжигание газа, то необходимо своевременное выяснение причин выбросов СО.

Подводя итоги рассмотрению вопросов генерации и окисления СО, следует отметить, что требуется дальнейшее изучение:

— влияния различных реакций, протекающих в топке, например генерации оксидов N0 на выбросы СО;

— границ оптимальных температурных областей при сжигании различных топлив в топках котлов;

— теоретических значений выбросов как в существующих камерах сгорания, так и принципиально достижимых при использовании различных видов топлив в новых технологиях.

Установлено, что бенз (а)пирен (Б (а)П) является индикатором на канцерогенную загрязненность продуктов горения [224]. При его наличии, можно полагать, что в составе уходящих газов присутствуют и другие канцерогенно опасные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Согласно теоретической концепции П. А. Теснера Б (а)П образуется одновременно с сажей [232] по сходному механизму и может рассматриваться как ее аналог. Н. В. Лавров также считает Б (а)П простейшим соединением сажи [138], образующимся в начальной стадии сажеобразования.

В работе [13] отмечается, что сажа является хорошим адсорбентом для легких и канцерогенных углеводородов. В работах П. А. Теснера и его коллег разработана модель образования частиц сажи по цепному радикальному процессу, состоящая из следующих стадий: 1) образование радикалов-зародышей- 2) образование зародышей из радикалов-зародышей- 3) рост частиц сажи из зародышей [232].

Зарубежными исследователями [28] предложены схемы образования Б (а)П, включающие реакции радикалов СН с молекулами ацетилена С2Н2, образованием вначале С3Н3 и далее молекулы бензола — СбНб. Надежных данных подтверждающих эти схемы пока нет. Непонятно, также, как реализуются эти схемы в окислительной атмосфере, характерной для процессов сжигания.

Рассмотренные выше теории базируются на результатах экспериментов, проведенных в лабораторных условиях в ударных трубах и является очень общими. В топочных устройствах скорость нагрева значительно меньше, чем в ударных трубах, условия горения могут быть иными и лишь с большой степенью приближения можно определить каковы будут выбросы канцерогенных ПАУ в реальных условиях.

Сложно анализировать закономерности образования канцерогенных ПАУ в энергетических и отопительных котлах также из-за ограниченности экспериментальных данных, которые зачастую противоречат друг другу.

В работе [20] отмечено, выход ПАУ при сжигании твердых топлив пропорционален содержанию летучих в исходном угле. Чем больше выход летучих, тем выше концентрация сажи и бенз (а)пирена в продуктах сгорания. Закономерность авторами не объясняется.

В опытах JI.M. Цирульникова [224] отмечалось, что концентрации некоторых ПАУ, не обладающих канцерогенными свойствами, начинают расти после длины L = 14d (х = 0,6с), когда концентрация канцерогенных ПАУ уменьшаются. Это значит, что возможет переход канцерогенных ПАУ в неканцерогенные. Полученная закономерность не объясняется.

В исследованиях Ф. Г. Бакирова, В. М. Захарова, И. З. Полещука и З. Г. Шайхутдинова [13] при сжигании жидких топлив с коэффициентом избытка воздуха, а < 1 регистрировалось образование сажи в сверхравновесных концентрациях. Зависимость массового выхода сажи от времени пребывания в камере сгорания, также, как в опытах Цирульникова имеет экстремальный характер. При, а > 0,45 и давлении в камере сгорания Р = 2,45 МПа увеличение температуры смеси приводило к уменьшению выхода сажи. (Снижение выбросов Б (а)П от 150 до 40 мкг/100 м при повышении температуры сжигания газа от 1800 до 1950 °C было зафиксировано и в [224]). Авторами было установлено, что в пламенах гомогенных керасиновоздушных смесей сажеобразование происходит только в области с, а < 0,55.

В исследованиях [146] образования Б (а)П при сжигании пропан-воздушной смеси было установлено, что Б (а)П не образуется при, а > 0,6. Исследователи пришли к выводу, что выгорание канцерогенных углеводородов определяется диффузионными процессами и не зависит от кинетического фактора.

Гунько Б.М., Мудренко Р. Х., Хабибуллин Х. Х. [42] показали, что турбу-лизация потока, достигаемая, например, при вибрационном горении, снижает концентрацию сажи в несколько раз сравнительно со спокойным горением при равных а.

В некоторых работа [16] рассмотрена зависимость сажеобразования от вида топлива. Установлено, что основным значимым параметром топлива с этой точки зрения является содержание водорода в топливе, т. е. отношение.

Н/С. При увеличении отношения Н/С склонность к сажеобразованию уменьшается.

Несмотря на большой объем выполненных исследований многие закономерности образования сажи при горении жидкого и газообразного топлива не объяснены, в еще большей мере это относится к сжиганию твердого топлива. К первоочередным задачам можно отнести:

— получение характеристик процессов образования Б (а)П от вида топлива и условий его сжигания;

— разработка технологических мероприятий по одновременному снижению выбросов Б (а)П и МЭХ.

При сжигании твердых топлив могут образовываться фтор — и хлорсодер-жащие соединения, оказывающие на окружающую среду и на человека сильное токсическое действие. В некоторых промышленных центрах Восточной Сибири уже имеются крупные источники выбросов фторсодержащих веществ — алюминиевые заводы, либо хлоросодержащих веществ, например, лесопромышленные комплексы, а иногда и те и другие вместе (г. Братск). Дополнительные выбросы от котельных и ТЭЦ могут усугубить проблему загрязнения окружающей среды. В связи с изложенным, представляет интерес рассмотрение условий образования и трансформации галогенсодержащих соединений при сжигании топлива в котлах.

Фтор и хлор находятся в минеральной части угля в виде солей кальция в относительно малых количествах. Известно, что при высоких температурах эти соединения подвергаются пирогидролизу и превращаются во фтористый и хлористый водород. Образовавшиеся соединения могут реагировать в топке котла по реакциям:

СаО (к) + 2НС1(Г) = СаСЬ (к) + Н20, (В.6).

СаО (к) + 2НР (Г) = СаР2(Г) + Н20 (В.7).

В работе Ершова Ю. Б., Мещерякова В. Г., Енякина Ю. П. [107] на примере сжигания угля Тургайского месторождения с высоким содержанием хлора было показано, что равновесие реакции (В.6) смещается вправо при времени пребывания частиц в камере сгорания больше 1 с и температуре газов ниже 1000 °C. Понятно, что при сгорании других углей направление реакции и время её протекания будут зависеть от концентраций реагирующих компонентов в смеси и температуры.

При проведении термодинамических исследований Н. В .Малых и сотрудники [148] установили, что в продуктах горения КАУ при температурах меньше 600 °C фтор присутствует в виде кристаллического СаР2, а при температуре выше 600 °C — в основном в виде газообразного Ш Для хлора переломная температура составила 110 °C. При расчетах, авторами было принято содержание фтора в исходном угле равным 57 г/т, а хлора 500 г/т. Вместе с тем имеются усредненные данные последних лет по котельным и ТЭЦ «Иркутскэнерго» в которых значение содержания фтора не превышает 6 г/т [118] .Можно предположить, что уменьшение концентрации фтора в исходном угле снизит температуру перехода газообразного фтористого водорода в конденсированный фторид кальция сравнительно с вышеприведенными значениями.

Таким образом, для уточнения температуры перехода требуются дополнительные термодинамические расчеты.

Остаются открытыми вопросы о скорости и времени протекания реакций (В.6), (В.7) и следовательно нельзя сказать в каком виде будут выбрасываться из котлов соединения фтора и хлора: газообразном или конденсированном. Этот момент имеет принципиальное значение. При условии конденсации гало-геносодержащих веществ в газоходах котла они могут быть уловлены (большей частью) в виде золы в золоуловителесоответственно, выбросы этих соединений в атмосферу будут значительно меньше, чем при выходе из котла в газовой фазе. Поэтому необходимы дополнительные кинетические исследования для нахождения скорости и времени реакций (В.6), (В.7).

Одним из наиболее крупных и трудно поддающихся очистке загрязнителей атмосферного воздуха, выбрасываемых главным образом энергетическими установками, являются оксиды серы. Концентрация сернистого ангидрида и соотношение между ним и серным ангидридом в продуктах сгорания измеряются сравнительно часто в связи с необходимостью контроля сернокислой коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла [235].

В ряде кинетических исследований [1] установлено, что при недостатке воздуха серосодержащие продукты сгорания мазута состоят из H2S, S, SH, SO, S02, причем концентрация оксидов серы стремится к нулю. При стехиометри-ческих условиях сера в основном представлена в виде SO и SO2 и в системе появляются следы серного ангидрида. При, а > 1 преобладают высшие оксиды серы SO2 и SO3. Как отечественные [1] так и зарубежные [108] исследователи считают, что окисление сернистого ангидрида в серный составляет для котельных агрегатов 0,2−2,5%.

При сжигании твердого топлива, содержащее оксиды щелочных металлов, могут протекать реакции типа:

CaO (k) + 302 + 0,502 = CaS04(K) — 500 кДж/моль, (В.8).

Применительно к сжиганию КАУ эта реакция до последнего времени практически не исследовалась. Это можно объяснить тем, что при сжигании КАУ в традиционных топочных устройствах при соответствующих режимных параметрах образование конденсированного гипса происходило лишь в незначительной степени, т. е. равновесие реакции (В.8) было смещено влево. Имеется мнение, что реакция образования гипса протекает преимущественно в газоходах котла при низких температурах. Это положение заложено в методику определения выбросов сернистых соединений от котлов [154, 155].

Однако в связи с развитием в последние годы технологий низкотемпературного сжигания твердого топлива вышеуказанный подход может привести к большим неточностям или ошибкам. Поэтому становится необходимой точная информация об условиях протекания реакции (В.8) применительно к сжиганию КАУ. При проведении термодинамических исследований горения КАУ [116] авторы установили, что в состоянии термодинамического равновесия вся сера топлива переходит в СаБС^ при Т < 1400 К и коэффициенте избытка воздуха, а = 1,2- переход начинается при Т ~ 1500 К.

Полученные результаты имеют важное значение, поскольку такие условия горения подходят не только к котлам с кипящим слоем, но и к некоторым технологиям факельного сжигания твердого топлива, которые будут рассмотрены во 2 и 3 главах. Из этого следует, что в принципе можно добиться значительного снижения выбросов серы от котлов при использовании соответствующих технологий сжигания без применения дорогостоящих десульфуриза-ционных установок.

Установленные при термодинамических исследованиях параметры перехода газообразного сернистого ангидрида в гипс требуют экспериментального подтверждения. Важно также понять от чего зависят термодинамические ограничения области указанного перехода с целью получения возможности повышения температуры образования гипса и расширения при этом круга соответствующих технологий сжигания.

Непосредственно с условиями протекания реакций типа (В.8) связана проблема определения температуры точки росы (1т.р.).

Точное определение значения^.р. имеет важное, практическое значение. При температурах уходящих газов значительно превышающих^.р имеют место повышенные потери энергии при температурах близких к^.р. возникает низкотемпературная коррозия конвективных поверхностей нагрева.

В состоянии равновесия жидкого раствора со своим паром, находящихся в идеальном состоянии, справедливо равенство химических потенциалов жидкости и пара для любых компонентов раствора [183].

И. Пригожиным и Р. Дефеем в [183] показано, что из этого равенства следует, что температура конденсации (кипения) паров растворенного вещества будет увеличиваться при повышении их концентрации (газообразных сернистых соединений).

Выше было показано, что вид и концентрация сернистых соединений могут зависеть от технологии сжигания топлива. Поэтому можно предположить и зависимость температуры точки росы от режима горения.

Согласно утвержденной методики [158] при сжигании сернистых твердых топлив в пылевидном состоянии температура точки росы дымовых газов tr. p подсчитывается по приведенному содержанию в топливе серы и золы, соответственно, (Spnp), (Арпр) и температуре конденсации водяных паров (t" 20) по форгде аун — выход зольного уноса, Р — эмпирический коэффициент.

Первое слагаемое — температура конденсации водяных паров согласно [197], с достаточной точностью может быть определена по 1с1 — диаграмме, построенной для влажного воздуха, если давление дымовых газов близко к барометрическому.

Однако в методике указывается, что для углей с высоким содержанием оксида кальция в золе температуры точки росы оказываются ниже вычисленных по методическим указаниям.

Нужно также отметить, что формула (В.9) никак не учитывает режим горения топлива и изменения парциальных давлений компонентов смеси (при ее движении в газоходах котла).

В работе [254] отмечалось, что рассчитанные по формуле (В.9) значения 1 г.р. для различных топлив отличались (на 20−50 °С) от экспериментально определенных.

Для определения значения^.р. при сжигании природного газа Семенюк Л. Г. предложил формулы [215], включающие температуры сухого и мокрого термометров. Эти температуры не всегда возможно измерить.

Следовательно, требуется совершенствование теоретических методов определения^.р. муле:

В.9) я .А Р ЛГ, а ун л пр

Из проведенного анализа физико-химических условий образования и трансформации различных загрязнителей при горении топлива в котлах видно, что большинство процессов взаимозависимы. Так, при образовании окислов азота, монооксида углерода, канцерогенов активную роль играют частицы О, ОН, Н, С, С>Т, СН и др.- возможны реакции в которых участвуют различные загрязнителиимеются данные [198], что количество серного ангидрида зависит не только от температуры и содержания кислорода, но и от концентрации оксидов азота в продуктах сгораниявид и концентрация сернистых соединений влияют на температуру точки росы и на электрофизические свойства золы и наоборот — химический состав золы может определять вид и концентрацию сернистых соединений в дымовых газах. Поэтому необходимо рассмотрение системы, в которую входят все рассмотренные загрязнители, а также элементы и соединения, участвующие в их образовании при горении топлива.

Проблемы внедрения новых технологий сжигания твердых топлив.

В настоящее время на теплоисточниках мощностью более 23 МВт [235] обычно устанавливаются котлы с факельным сжиганием топлива (температура горения 1500- 1800 К).

Мощность котлов может составлять десятки и сотни мегаватт. На мелких котельных эксплуатируются небольшие котлы со слоевым сжиганием, паро-производительностью 10−20 т/ч и менее.

В качестве альтернативных по отношению к вышеуказанным технологиям сжигания твердого топлива в котельных можно назвать следующие способы:

1) сжигание твердого топлива в кипящем слое;

2) приготовление, транспортирование и сжигание водоугольной суспензии (ВУС);

3) сжигание топлива в вихревых низкотемпературных котлах ЛИИ;

4) сжигание в кольцевых топках;

5) вспомогательные технологии безмазутной стабилизации и розжига пы-леугольного факела.

Сжигание твердого топлива в кипящем слое (КС).

В настоящее время большинством специалистов развитых стран разделяется мнение, что наиболее перспективной технологией, позволяющей сжигать низкосортные (многозольные) угли при минимальном количестве образующихся вредных веществ, является способ горения в КС. Применительно к сжиганию КАУ в промышленных центрах Восточной Сибири наиболее важен второй аспект — экологический. Если очищать дымовые газы от традиционных котлов с помощью десульфуризационных и денитрификационных установок до концентраций 80 г и МЭХ равных с образующимися в КС, то вся система производства тепловой энергии и очистки газов оказывается более сложной и дорогой [132, 191] (на больших энергоблоках более экономичной пока считается очистка дымовых газов [194]). Степень связывания сернистых соединений в котлах КС в некоторых случаях может достигать 95%, а выбросы окислов азота являются низкиминапример, при сжигании КАУ МЭХ в пересчете на Ы02 составили 340 450 мг/м3 [151].

Классический стационарный кипящий слой достаточно широко применяется за рубежом, обычно на промышленных и отопительных котлах мощностью от 1 до 20 МВт [135].

Опыт эксплуатации показал, что наряду с достоинствами — сравнительной простотой, низким расходом электроэнергии на собственные нужды, коротким временем пуска, этот тип котлов имеет и ряд недостатков — высокую коррозию погруженных поверхностей нагрева, низкую регулируемость нагрузки, усложнение схемы топливоподачи при увеличении мощности котла, большой механический недожог и др.

В связи с отмеченными недостатками (первоначально финской фирмой «АЫгот») были разработаны котлы КС нового типа — с циркулирующим слоем. В 1979 году началось серийное производство таких котлов под названием «Ругойоу». Циркулирующий КС применяется на котлах мощностью от 20 до 500 МВт.

Применительно к возможному сжиганию КАУ представляют интерес фа-кельно-слоевые топки с КС (ФКС), разработанные независимо друг от друга в Финляндии фирмой Тампелла и в институте ВНИИАМ для сланцев прибалтийского месторождения [259]. В названии способа отражен принцип комбинирования двух соответствующих технологий сжигания.

Эксперименты [259] показали, что концентрация NOx в уходящих газах после топок ФКС вдвое ниже, чем из пылеугольных котлов такой же мощности о и составила 70−100 мг/м .В 1981 году на ТЭЦ Ахтма был сдан в эксплуатацию котел БКЭ-75−39 с ФКС, после чего было устранено как шлакование экранов и фестона, так и отложения золы на конвективных поверхностях нагрева, что позволило поднять паропроизводительность до 100 т/ч. Степень связывания оксидов серы достигала 70−75%.

Значительный опыт по внедрению котлов с КС накоплен на предприятиях угольной промышленности Украины [21]. На котлах типа ДКВР (общим числом более 50) устанавливались топки со стационарным низкотемпературным КС и передвижным (с помощью — цепной решетки) высокотемпературным КС (без погруженных поверхностей нагрева).

Заметим, что за исключением вышеприведенных примеров, а также нескольких проектов, использование КС в нашей стране не нашло распространения.

Мацневым В.В., Штейнером И. Н. и Гореликом Б. Н. [151] при сжигании ирша-бородинского и экибастузского углей (по отдельности) было получено, что эффективность горения экибастузского каменного угля значительно ниже, чем ирша-бородинского. Однако при этом не было соблюдено условие сопоставимости дисперсных составов топлив.

Делягин Г. И., Колодин H.A., Имбрицкий ВМ. [46] из результатов сжигания четырех различных видов топлив сделали вывод, что применение КС для углей, богатых летучими, приводит к повышенной химической неполноте сгорания. Авторы объясняют это плохим перемешиванием летучих с окислителем в объеме КС и низкими температурами над КС. Аналогичные выводы относительно сжигания газового топлива в КС приводятся в монографии зарубежных исследователей [191]. При сжигании КАУ [46] авторами был зафиксирован наибольший механический недожог, что объясняется пластинчатой формой частиц угля, способствующей их выносу из слоя.

В работе [187] показана возможность безмазутной растопки котла со стационарным КС при использовании КАУ. Это возможно из-за высокой реакционной способности КАУ при предварительном разогреве инертного материала слоя до 250 °C и выше.

Таким образом, можно предположить меньшую эффективность сжигания КАУ в стационарном КС сравнительно с углями, имеющими низкий выход летучих.

При испытаниях на пилотной установке [31] выбросы NOx составили менее 350 мг/м, а SO2 снизились примерно на 90%. Авторы не объясняют за счет чего достигнута такая высокая степень связывания серы. Так, при двухступенчатом сжигании угля по методу «Дуклафлуид» [135] достигалось только 50% связывание окислов серы, что считалось хорошим результатом. Вообще доля связывания зависит от условий сжигания, вида топлива и ее значение требует надежного обоснования.

Полезные исследования в этом направлении проведены эстонскими учеными [240,149] применительно к сжиганию прибалтийских сланцев по двухступенчатой технологии, которую авторы считают наиболее перспективной для этого топлива.

В институте катализа СО РАН предложен и опробован в лабораторных условиях новый способ сжигания топлив — в кипящем слое катализатора (КГТ) [17]. Как известно, катализатор ускоряет химический процесс, в данном случае — горение топлива. В [118] показано, что наибольший экономический эффект даст применение этого способа в котельных систем централизованного теплоснабжения (сравнительно с ТЭЦ). Однако пока не удалось решить проблему освоения промышленного производства приемлемых по стоимости и устойчивых к отравлению и механическому износу катализаторов. При решении этой проблемы можно ожидать широкого внедрения рассматриваемого способа сжигания в энергетику.

Приготовление, транспортирование и сжигание водоуголъной суспензии (ВУС) В начале 80-х годов в США, Италии, Канаде, Франции, Японии, Швеции, Китае, а также в СССР начались исследования по созданию технологии приготовления, трубопроводного транспорта и сжигания без предварительного обезвоживания водоугольного топлива с более высокой концентрацией угля (до 70%). Состав суспензии АРК КОУЛ (зарегистрированное фирменное наименование серии продуктов фирмы в США [161]) включает около 70% угля, 29% воды и 1% добавок. Вязкость пульпы около 10 кН-с/м. Суспензия представляет собой гомогенную смесь, устойчивую к осаждению при статических условиях в течение многих недель и даже месяцев. Смесь можно назвать жидким углем, поскольку в гранулометрическом составе угля на частицы размером < 75 мкм приходится 85%. Фирмой реализована программа испытаний по сжиганию нового вида топлива в котельной установке паропроизводительностью 31 т/ч.

В 1983 году работы по приготовлению, транспортированию и использованию ВУС в СССР были возобновлены в связи с проектированием энергетического комплекса Белово (Кузбасс) — Новосибирская ТЭЦ-5 предусматривавшим сжигание ВУС без предварительного обезвоживания. С 1991 до начала 1993 года на нем было приготовлено и сожжено в котлах паропроизводительностью 670 т/ч около 400 тыс.т. топлива [47].

При сжигании на Беловской ГРЭС [244] ВУС приготовленной из Кузнецкого угля марок Г и Д, был выявлен ряд недостатков, присущих технологии на данном этапе развития.

1. Увеличение потерь энергии с уходящими газами (q2) и механическим недожогом (q4), которые обусловлены повышением расхода газов с котла и некачественным распылением топлива.

2. Ненадежность топливоподающего оборудования — насосов, форсунок, фильтров и т. д.

При эксплуатации трубопровода Белово — Новосибирская ТЭЦ-5 также был выявлен ряд проблем: отторжение земли, сливы угольной суспензии при закупорках углепровода и др.

Сжигание топлива в вихревых низкотемпературных топках ЛПИ С целью предотвращения шлакования поверхностей нагрева и снижения образования окислов азота в Ленинградском политехническом институте был разработан способ сжигания в низкотемпературном вихре (НТВ или топка ЛПИ). В топке ЛПИ использована идея многократной циркуляции частиц топлива, предложенная еще в тридцатых годах А. А. Шершневым [179]. Воздух разделяется на два потока: один подается через горелки вместе с груборазмолотым топливом в направлении пода топкидругой направляется из нижней части топки к горелкам.

Способ длительное время проходит промышленное опробование на котлах мощностью до 420 т/ч при использовании различных топлив: восточносибирских углей, включая КАУ [252], высоковлажных башкирских бурых углей [190], прибалтийских сланцев [189] и др. По результатам эксплуатации топочных устройств можно отметить, что цели, которые ставились при создании топки, достигнуты. В ряде случаев выбросы окислов азота были снижены на 30%. Практически на всех котлах отсутствовало шлакование.

Вместе с тем выявлен ряд недостатков. Даже при сжигании мелкой дроб-ленки КАУ механический недожег составляет около 3% [252].

Движение груборазмолотого топлива вдоль поверхности нагрева со значительной скоростью вызывает локальный эрозионный износ фронтового экрана от устья топочной воронки до горелок. Производственники отмечают сложность регулирования нагрузки котла, поскольку при изменении расхода воздуха резко меняется аэродинамика газовоздушных потоков в топке.

Сжигание твердого топлива в кольцевых топках Создание кольцевой топки было вызвано необходимостью снижения размеров энергетических котлов. Конструктивно кольцевая топка представляет собой восьмигранную призматическую камеру [216]. Внутри которой по всей ее высоте установлена восьмигранная коаксиальная вставка. На каждой наружной грани располагаются горелки, через которые тангенциально (к вписанной окружности внутренней вставки) подаются топливо и воздух.

В стендовых условиях было изучено горение экибастузского и березовского углей [216,112]. Можно выделить два показателя, характеризующих процесс сжигания в кольцевой топке. 1. Быструю скорость охлаждения продуктов сгорания и соответственно большой съем тепла. Это позволило снизить высоту проектируемого котла на Ново-Иркутской ТЭЦ на 20 м (с 70 до 50) [150]. 2. Устойчивое вихревое горение. Устойчивость факела сохранялась даже при отключении пяти подряд установленных горелок (из восьми, установленных на стенде).

Промышленные испытания котла, запущенного на Ново-Иркутской ТЭЦ в 1998 году, подтвердили высокую устойчивость сжигания при работе 4−6 мельниц-вентиляторов (из 6 установленных) в диапазоне нагрузок 60 — 100% от номинальной [217]. КПД котла брутто изменялся от 92,8 до 93,6% при температурах уходящих газов tyx = 125−140 °С. Выбросы оксидов азота менялись от 370 до м -5.

410 мг/нм при а" пп = 1,2 — 1,25, а концентрации СО составляли 20 — 70 мг/нм .

Вспомогательные технологии безмазутной стабилизации и розжига пылеуголъного факела В связи с ростом цен на нефтепродукты (в том числе и в России), с одной стороны, и ухудшением качества твердого топлива, с другой — в последние десятилетия возрос интерес энергетиков к безмазутным способам розжига и стабилизации пылеугольного факела. Эта идея не нова. На некоторых электростанциях до сих пор используются системы безмазутной растопки с воспламенением угольной пыли в предварительно разогретых дровами муфельных горелках. Однако эта технология не удовлетворяет современным требованиям к производственному процессу из-за большой доли ручного труда и низкой техники безопасности.

Наиболее остро проблема необходимости безмазутной растопки стоит на котлах с жидким шлакоудалением из-за опасности шлакования котлов при совместном сжигании пылевидного топлива и мазута.

В настоящее время предложено три принципиально различных типа технологий, реализующих в той или иной степени эту идею. Технологии с использованием для растопки и подсветки факела генераторного газа, получаемого в специально установленных генераторах [29]. Сведений об испытаниях описанного устройства пока не опубликовано. Технологии, включающие использование для воспламенения угольной пыли предварительно нагретых поверхностей. Некоторые из этих методов с применением КАУ уже прошли промышленное опробование на Красноярской ТЭЦ-1. Красноярской ТЭЦ-2 и Канской ТЭЦ [242,219].

Выбор схемы для реализации метода осуществляется в зависимости от системы пылеприготовления. Для котлов с прямым вдуванием, эксплуатируемых как на котельных, так и на ТЭС, схема значительно сложнее, чем на котлах с промбункером пыли, распространенных на ТЭЦ. Это связано с тем, что для котлов с прямым вдуванием потребовались дополнительные системы получения, хранения и подачи растопочной пыли. По данным [219] отношение потребляемой электрозапальным устройством энергии к тепловой выработке растопочной горелки составляет всего около 0,1%.

Таким образом, рассмотренный способ имеет как достоинства (простое и надежное воспламенение пыли в растопочной горелке, обусловленное высокой реакционной способностью КАУ), так и недостатки: достаточно сложную схему приготовления, транспортирования и хранения пылинеобходимость использования при хранении пыли дорогих инертных газов и др.

Технологии плазменного розжига и стабилизации пылеугольного факела.

В этих технологиях предусматривается нагрев электрической дугой либо окислителя, который затем вводится в топливно-воздушный поток, либо непосредственно пылевоздушной смеси. При нагревании электрической дугой в потоке образуется высокотемпературная плазма (в некоторых опытах ее температура достигала 5400 °C [29]) с высоким содержанием химически активных компонентоватомарного кислорода, азона, ионов и свободных радикалов, которые при взаимодействии с топливом резко активизируют реакции горения.

Об эффективности способа можно судить по таким цифрам. При поджигании пылевоздушной смеси мазутом отношение энергии жидкого топлива к энергии воспламеняющегося факела равно 6% [29], а при использовании плазмотрона — около 1%. Во время испытаний плазмотронов на Новосибирской ТЭЦ-2 при сжигании кузнецкого и нерюнгринского углей [239,238] минимальная доля энергии, потребляемой плазмотроном составила 0,3%. Ресурс работы плазмотрона был оценен в 100 ч [238].

В [255] авторы отмечают, что при плазменном воспламенении смеси углей с характеристикой: калорийность около 4000 ккал/кг, зольность 35%, выход летучих 23−28% - ресурс работы плазмотрона мог составить 500 ч. (оценка производилась по результатам 50 часового эксперимента). По мнению авторов более длительный ресурс работы электродов связан с оптимальным режимом их работы: низким током (~ 10−15 А), при высоком напряжении (~ 10 кВ).

В результате реализации двухстадийной обработки топлива при плазменной стабилизации пылеугольного факела концентрация NOx снижается вдвое с одновременным уменьшением мехнедожога топлива в 4 раза. Срок окупаемости плазменно-топливных систем по данным [121] зависит от соотношения цен на разные виды топлива и варьируется от 6 до 18 месяцев. .

Отметим, что во все технологии безмазутной стабилизации и розжига пылеугольного факела хорошо вписывается предварительная подготовка топлива ультратонкого помола, изучаемая в институте теплофизики (ИТ СО РАН).

25]. Ультратонкий помол топлива до размеров 20−40 мкм требует освоения (производства) новых типов мельниц.

Рассмотренные новые технологии сжигания твердого топлива позволяют кардинально снизить выбросы газообразных загрязнителей. Такой анализ необходимо дополнить рассмотрением вопросов, связанных с очисткой газов от золы, образующихся при сжигании топлива по этим технологиям.

Большое значение для работы электрических (и как будет показано в главе 4 некоторых инерционных) фильтров имеет удельное электрическое сопротивление золы (ру — УЭС), зависящее от её химического состава. При маленьком УЭС (ру < 4−5 [144,9]), характерном для зол с высоким химическим недожогом, резко уменьшается сила притяжения золы к осадительному электроду из-за быстрой разрядки золы, которая может быть унесена газами из фильтра в окружающую атмосферу.

На УЭС в пылегазовом потоке влияют сернистость и влажность топлива, зольность, химический состав и температура золы и газов, поступающих в электрофильтр. Некоторое представление об электрофизических свойствах золы дает критерий Кф, предложенный ВТИ [133,193], определяемый отношением кислотных оксидов (А120з + БЮг) к произведению влаги и серы топлива 8Р).

При традиционном сжигании КАУ, образующаяся зола имеет Кф =16, что предполагает ее хорошее улавливание в электрофильтрах. Однако при использовании новых технологий сжигания топлив из-за связывания серы топлива зола может приобретать неблагоприятные свойства для ее улавливания в электрофильтрах. Зарубежные исследователи [135] отмечают неэффективную работу электрофильтров, улавливающих золу после котлов с КС. Это связано с увеличением поверхностного сопротивления золы от котлов с КС в диапазоне температур 120−160 °С.

Широкое распространение за рубежом для очистки газов от золы получили тканевые фильтры [108,135], обеспечивающие эффективность очистки не менее 99,5%. При их установке и эксплуатации необходимо учитывать следующие ограничения.

1. Тканевыми фильтрами нельзя оборудовать котлы, сжигающие угли с высоким содержанием хлоридов, поскольку в этом случае возможно замазывание фильтрующей поверхности [194]. Как известно в КАУ концентрация хлоридов невысока. 2. Американскими исследователями [108] не рекомендуется установка тканевых фильтров после котлов, сжигающих нефтепродукты, вследствие забивания ткани. Кроме того, отмечается, что при сжигании топлива с высоким выходом летучих (дров) возможно загорание фильтров.

С начала 80-х годов на многих ТЭС и котельных страны внедряются инерционные золоуловители с улиточным и полуулиточным подводом газов. «Парадный» к.п.д. наиболее эффективных из них (ЦБР-150-У) может достигать 97%. К сожалению средняя (за отопительный период) эффективность этих установок в ряде случаев [45,163] оказалась низкой. Нет публикаций с анализом причин низкого к.п.д. установок и возможного влияния условий сжигания топлива (в том числе КАУ) на их эффективность.

Таким образом, применительно к низкотемпературному сжиганию КАУ (когда возможно связывание серы в конденсированный сульфат кальция) существующие технологии золоулавливания являются либо несовершенными, либо недостаточно отработанными.

Целями исследований диссертационной работы являются.

1) Анализ эффективности действующих источников систем централизованного теплоснабжения.

2) Развитие методики комплексных исследований источников теплоснабжения, включающей выбор структуры системы и технологий производства тепловой энергии в результате проведения теоретических и экспериментальных работ.

3) Выбор перспективных новых и способов модернизации существующих технологий производства тепловой энергии на теплоисточниках.

На основе проведенного анализа теоретических положений горения топлив и технологий производства тепловой энергии сформулированы задачи исследований.

1. Построение моделей процессов генерации вредных примесей при горении и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

2. Определение условий связывания диоксида серы (so2) в конденсированный сульфат кальция (CaS04) при сжигании КАУ путем совместного использования термодинамических моделей и натурных экспериментов.

3. Получение (с помощью составленных моделей) зависимостей концентраций образующегося Б (а)П от вида топлива и условий его сжигания. Выявление технологических мероприятий по одновременному снижению выбросов Б (а)П и NOx.

4. Оценка влияния минеральной части КАУ на генерацию NOx и расчетное сопоставление выбросов СО и NOx при сжигании КАУ и природного газа с получением качественных зависимостей концентраций образующихся загрязнителей от режимных параметров горения.

5. Определение с помощью термодинамических расчетов концентраций и вида фторсодержащих соединений (при усредненном содержании фтора в топливе) образующихся при сжигании КАУ, и оценка с помощью уравнений химической кинетики скорости протекающих реакций в газоходах котла с целью уточнения вида и концентраций выбрасываемых соединений.

6. Выявление температуры точки росы уходящих газов при различных условиях сжигания КАУ и сопоставление ее с реальными температурами уходящих газов с целью определения возможностей уменьшения тепловых потерь — я2.

7. Проверка полученных результатов в промышленных условиях и разработка на их основе технических решений по совершенствованию технологий сжигания и золоулавливания.

8. Разработка энергосберегающих мероприятий включаемых в действующие и новые технологии производства тепловой энергии на энергоисточни.

9. Проведение комплексных технико-экономических и экологических исследований системы теплоснабжения промышленного центра Восточной Сибири и обоснование предложений по изменению структуры теплоисточников.

Методы исследований. В диссертационной работе применяется и уточняется системный подход, развиваемый в ИСЭМ СО РАН и предусматривающий поэтапное математическое моделирование энергетических процессов, установок и систем. Комплексность исследований обусловлена, также, сочетанием, при необходимости, математического моделирования и промышленных экспериментов.

Предметом исследования являются процессы генерации загрязнителей при сжигании топлив и технологии производства тепловой энергии.

Научную новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие положения.

1. Методика исследований технологий производства энергии в источниках теплоснабжения, основанная на комплексном анализе энергетических, экологических и надежностных характеристик, включающая термодинамическое моделирование.

2. Термодинамические модели процессов образования вредных примесей (оксидов азота и серы, бенз (а)пирена, фтористых соединений) и конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

3. Результаты термодинамического анализа экологических характеристик процессов сжигания КАУ, природного газа и условий образования раствора серной кислоты в газоходах котла.

4. Технические решения по организации факельного сжигания в топках с мельницами-вентиляторами, слоевому сжиганию древесных отходов, полученные на основе экспериментальных и теоретических исследований.

5. Энергосберегающие технологии в производстве тепловой энергии.

6. Технические решения по повышению эффективности золоулавливания в новых и существующих теплоисточниках, найденные на основе аналитических и экспериментальных исследований.

7. Предложения по изменению структуры теплоисточников с учетом экологических, энергетических и экономических ограничений (на примере г. Братска).

Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным характером научных исследований: сопоставлением результатов термодинамического анализа энергетических процессов и промышленных экспериментоввыполнением теплотехнических расчетов установок с использованием различных методиксходимостью полученных результатов и данных других исследований.

Научная значимость работы состоит: в развитии методики исследования энергетических технологий на ТЭЦ и в котельных путем предварительного термодинамического анализа процессов генерации различных загрязнителей и их последующим комплексным рассмотрением с учетом энергетических и надежностных показателейв совершенствовании теплоисточников и как элементов структуры систем теплоснабжения и за счет модернизации установок (систем) внутри теплоисточниковв разработке модели генерации Б (а)П на основе МЭПС при сжигании природного газа с учетом балансных ограничений на механизм процесса.

Практическая значимость полученных результатов. В работе выявлены наиболее перспективные технологии сжигания КАУ, древесных отходов и природного газа. Представлены разработки по модернизации существующих технологий производства тепловой энергии и золоулавливания. Показана возможность повышения экологической чистоты низкотемпературного факельного сжигания КАУ. Выявлена экономическая целесообразность освоения отечественными турбинными заводами теплофикационных турбин небольшой мощности (2,5−6 МВт) типа Т на начальные параметры пара р° =1,3 МПа и 1° = 225 °C с последующим оснащением ими многочисленных теплоисточников страны.

Результаты работы использовались при разработке природоохранных мероприятий, совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания и производства тепловой энергии, улучшении структуры систем теплоснабжения: территориальным комитетом по охране природы г. БратскаСибирским отделением ВНИПИЭНЕРГОПРОМрайонной Галачинской котельной г. БратскаТЭЦ-6 (Иркутскэнерго)-лесопромышленным комплексом г. Братска (группа «Илим»).

Также, результаты работы используются: при обучении студентов по направлению «Теплоэнергетика» в Братском государственном университете (БрГУ) в учебных курсах «Источники теплоснабжения», «Эксплуатация теплоэнергетических систем и установок» — при проведении под руководством автора научно-исследовательской работы «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив» (грант Минобразования 1 Гр-98, [91]).

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались на Международных (3 публикации), Всероссийских (9 публ.) и межрегиональных конференциях (11 публ.), отраженных в списке публикаций, а также на региональных научнотехнических конференциях, проводимых Иркутским и Братским государственными техническими университетами.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 77 научных трудов, из них 9 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, 4 патента и 2 я авторских свидетельства, 1 свидетельство программы для ЭВМ, 2 учебных пособия с грифами УМО. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 34 до 50% результатов. Положения, составляющие научную новизну, получены лично автором.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 272 наименований. Общий объем работы составляет 286 страниц и включает 36 рисунков и 27 таблиц.

Выводы.

1. На примере г. Братска показана необходимость модернизации систем теплоснабжения промышленных центров Восточной Сибири, включая структуру теплоисточников.

2. Выявлена экономическая целесообразность освоения отечественными турбинными заводами теплофикационных турбин небольшой мощности (2,5 + 6 МВт) типа Т на начальные параметры пара р° = 1,3 МПа и1° = 225 °C с последующим оснащением ими многочисленных теплоисточников страны, генерирующих такой пар.

3. Определена экономическая эффективность внедрения крупных тепловых насосов при существующих ценах на тепловую и электрическую энергии в регионесделан вывод о необходимости государственной и региональной поддержки во внедрении технологий с тепловыми насосами.

Результаты приведенных исследований опубликованы в работе [53].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Для оценки эффективности технологий производства тепловой энергии при сжигании различных топлив на теплоисточниках применен методический подход ИСЭМ СО РАН, основанный на последовательном математическом моделировании процессов, установок и структур технологий, уточненный применительно к решаемым задачам и дополненный экспериментальными и промышленными исследованиями.

2. На основе общей модели МЭПС (в 3-х модификациях) созданы термодинамические модели образования вредных примесей при сжигании топлив и генерации конденсированного раствора серной кислоты в газоходах котла.

3. В результате проведенных исследований получены экологические характеристики различных технологий сжигания КАУ, природного газа и зависимости температуры конденсации раствора серной кислоты от условий сжигания.

4. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны технические решения по организации экологически чистого факельного сжигания КАУ, природного газа и древесных отходов в зажатом слое.

5. На основе аналитических исследований и натурных экспериментов найдены технические решения по совершенствованию батарейных циклонов с полуулиточным подводом газов и схем золоудаления.

7. На основе анализа работы действующих теплоисточников, результатов теоретических и экспериментальных исследований найдены основные направления и технические решения по энергосбережению: оптимизация их тепловых схемутилизация тепла дымовых газов при использовании водяного и воздушного теплоносителейналадка режимов эксплуатации котельных агрегатовприменение частотно-регулируемого электропривода на механизмах собственных нужд. Представлены методики расчета и примеры определения эффективности указанных энергосберегающих мероприятий (направлений).

8. Показана необходимость модернизации систем теплоснабжения промышленных центров Восточной Сибири, включая структуру теплоисточников. Сделаны выводы: о экономической целесообразности перевода отопительных котельных с параметрами пара р°=1,3 МПа и 1°-225 °С в ТЭЦ путем оснащения теплоисточников турбинами типа То необходимости государственной и региональной поддержки во внедрении тепловых насосов в системы теплоснабжения.

Отметим некоторые направления дальнейших исследований. На основе МЭПС с балансными (макроскопическими) ограничениями представляется возможным уточнить условия образования (снижения) выбросов бенз (а)пирена при сжигании (пиролизе) твердого топлива в пылесистемах и топках котлов.

Дальнейшее (более глубокое) изучение образования и снижения выбросов различных загрязнителей будет возможным при распространении МЭПС на описание траекторий систем с изменяющимися термодинамическими параметрами. (Эта работа проводится в настоящее время в ИСЭМ СО РАН).