Анализ эффективности коммунальных теплоэнергетических технологий: На примере районов с преобладающим потреблением твердого топлива

Диссертация посвящена исследованию перспективных технологий для коммунальной теплоэнергетики (КТЭ). КТЭ России — важнейшее звено системы жизнеобеспечения населения, представляет собой сочетание локальных систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения, состоящих из теплоисточников различного типа, магистральных и распределительных тепловых сетей и потребителей (систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения). Функционирование практически всех элементов КТЭ в настоящее время связано с целым рядом накопившихся проблем. Для районов с преобладающей долей в топливно-энергетическом балансе низкосортных углей к ним можно отнести низкую энергетическую и экологическую эффективность работы оборудования, обусловленную плохим техническим состоянием, практически полным отсутствием автоматизации, низкой квалификацией обслуживающего персонала, сжиганием низкокачественного и непроектного топлива, отсутствием или недостаточной эффективностью систем золоулавливания и систем обработки подпиточной воды и рядом других причин. В результате системы КТЭ работают с большими перерасходами топлива и энергии, чрезмерно загрязняют окружающую среду, не обеспечивают требуемые показатели надежности и уровни комфортности. Наиболее остро проблемы КТЭ проявляются в северных районах, составляющих около 60% территории страны, где вследствие природно-климатических особенностей к системам теплообеспечения предъявляются повышенные требования по надежности, экономичности и экологической безопасности работы оборудования.

Выход из создавшейся ситуации видится в разработке и развитии перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий. Для действующих теплоисточников к ним можно отнести: перевод на более прогрессивные технологии сжигания низкосортных углей (кипящий слой и др.), а также на экологически более чистое топливоприменение новых технологий водоподго-товкииспользование нетрадиционных источников энергии и др. Эти мероприятия различаются по срокам реализации, требуемым средствам и достигаемой экономической и экологической эффективности.

Одним из путей повышения эффективности функционирования коммунальных теплоисточников является их обеспечение качественными видами энергоносителей, получаемыми, например, методами пиролиза из низкосортных углей. Основным недостатком пиролиза считается значительно меньший выход искусственного жидкого топлива (ИЖТ) по сравнению с другими угле-химическими процессами (гидрогенизацией, косвенным ожижением). В то же время необходимо учитывать возможности совершенствования и повышения конкурентоспособности данной технологии, как в направлении увеличения производства ИЖТ, так и получения облагороженного твердого топлива (ОТТ) для энергетического и коммунально-бытового использования.

В связи с вышеизложенным актуальной является проблема создания методических подходов и соответствующих математических и экспериментальных моделей по анализу перспективных теплоэнергетических технологий, разработки и внедрения научно-технических решений по повышению эффективности КТЭ.

Исследования проводились в соответствии с работами СЭИ (ИСЭМ) СО РАН по теме 1.9.3.3 «Основные направления научно-технического прогресса в энергетике. Системные исследования эффективности и масштабов использования новых технических средств в энергетике», а также комплексными целевыми научно-техническими программами О.Ц.ОО8 («Энергия»), «Энергетика» (подпрограмма «Физико-технические проблемы энергетики»), «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию экологически чистых технологий сжигания низкокачественных топлив» (грант Минобразования 1 Гр-98).

Цель исследований заключается в определении направлений совершенствования коммунальных теплоэнергетических технологий.

Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, математическое и физическое моделирование.

Содержательные исследования базируются на вычислительных и натурных экспериментах, практических расчетах, конструкторских разработках.

Основные задачи работы состоят в следующем.

1. Разработка методики анализа перспективных коммунальных теплоэнергетических технологий.

2. Построение математических моделей и проведение с их применением исследований технологий пиролиза низкокачественных топлив: оценка потенциальных возможностей совершенствования физико-химических процессов в направлении увеличения выхода качественных энергоресурсов и улучшения энергетических показателей, определение перспективных технико-экономических показателей конкурирующих установок пиролиза, системной эффективности и возможных областей их применения в энергетике страны.

3. Сопоставление конкурирующих направлений энергетического, экономического и экологического совершенствования коммунальных котельных.

4. Определение наиболее перспективных для КТЭ нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и оценка технико-экономической и экологической эффективности их использования в теплоисточниках.

5. Создание экспериментальных установок и проведение исследований гидродинамики и теплообмена топки с кипящим слоем (КС), разработка технических решений по модернизации конструкции малых отопительных котлов, работающих на низкокачественном угле и отходах.

6. Оценка возможностей совершенствования технологий водоподготовки.

7. Совершенствование режимов работы и конструкций батарейных золоуловителей.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложен методический подход к исследованию коммунальных теплоэнергетических технологий, предусматривающий совместный анализ эффективности теплоисточников и установок топливопереработки.

2. Методика прогнозирования новых энергетических технологий ИСЭМ СО РАН, основанная на их последовательном физико-химическом и техникоэкономическом исследовании, модифицирована для анализа перспектив развития технологий пиролиза низкокачественных углей и коммунальных котельных.

3. Разработана термодинамическая модель процессов пиролиза угля, включающая блоки расчета частичных и полного равновесий, термодинамических свойств органических топлив и жидких продуктов их переработки и учитывающая возможные макромеханизмы процессов и наличие в реагирующей системе электрически заряженных частиц. На основе термодинамического анализа определены предельные показатели различных вариантов пиролиза.

4. Предложены модели технологических установок пиролиза, основанные на составлении избыточных расчетных схемполучены конструкторские решения по повышению эффективности установок и определены перспективные технико-экономические показатели.

5. В модели структуры технологий ИСЭМ СО РАН расширен набор переменных для более детального учета разновидностей пиролиза, современных коммунальных котельных и конкурирующих технологий. На основе системного анализа определены перспективные направления развития технологий пиролиза.

6. На физических моделях выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на гидродинамику и тепломассообмен топки с кипящим слоем (КС) — показана эффективность сжигания низкокачественных углей в КСпредложены конструктивные и технологические решения конструкции котла для мелких котельных на угле и древесных отходах.

7. В лабораторных условиях получены зависимости процесса умягчения вод различной жесткости природными цеолитами, показана возможность совершенствования технологий водоподготовки за счет использования антинаки-пинов и местных природных цеолитов.

8. Получены эколого-экономические оценки и выявлены области конкурентоспособности нетрадиционных источников энергии применительно к КТЭ.

9. В результате термодинамического анализа и промышленных испытаний получены зависимости образования первичных и вторичных загрязнителей от различных факторов, предложены мероприятия по снижению вредных воздействий теплоисточников на атмосферу, в том числе за счет повышения эффективности работы батарейных золоуловителей с улиточным и полуулиточным подводом газов.

Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы. Внедрение методических положений и технических рекомендаций в проектную практику и на действующих объектах повысит экономическую и экологическую эффективность теплоисточников, их надежность, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень комфорта у потребителей, а также будет способствовать активной реализации энергосберегающей политики в КТЭ.

Полученные в диссертации результаты исследований эффективности технологий пиролиза углей для производства качественных топлив могут быть использованы при разработке региональных энергетических программ и при обосновании направлений НИОКР по данной технологии.

Предложенная термодинамическая модель и результаты термодинамического анализа процессов пиролиза КАУ использовались при выполнении научно-исследовательских работ СЭИ (ИСЭМ) СО РАН и могут найти применение для изучения процессов переработки других видов органического топлива.

Данные прогнозного анализа эффективности установок пиролиза использовались в лаборатории термохимической переработки КАУ Красноярского политехнического института (технического университета) по плану работ программы «Энергия» (О.Ц. 008) при разработке схемы и установки для термической подготовки углей с целью повышения надежности работы котлоагрегатов.

Практические результаты исследований нашли применение при совершенствовании теплоэнергетических технологий и разработке природоохранных мероприятий в административных, проектных и эксплуатационных организациях (Территориальный комитет по охране природы г. Братска, Братское теплоэнергопредприятие, СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», Братские тепловые сети АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод). Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок. Технические решения и эколого-экономические оценки по теплоисточникам нашли отражение в «Программе энергосбережения г. Братска-2000» и использовались при определении перспективных направлений развития коммунальной теплоэнергетики города.

Результаты работ использовались территориальным комитетом по охране природы г. Братска и в ряде проектных и эксплуатационных организаций (СО ВНИПИЭнергопром, МП «Братскэкогаз», районная Галачинская котельная АО «Иркутскэнерго», Братский алюминиевый завод) при разработке природоохранных мероприятий и совершенствовании процессов сжигания, золоулавливания, подготовки и очистки воды.

Разработки по котлам с кипящим слоем были использованы на Братском заводе отопительного оборудования при производстве передвижных механизированных котельных установок.

Научные результаты исследований использованы в учебном процессе в Братском государственном университете по программам курсов «Охрана окружающей среды при работе теплоэнергетических объектов», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», часть материалов включена в два учебных пособия (с грифами Минобразования и СибРУМЦ).

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на международных (11), всесоюзных (3), республиканских (Украина) и всероссийских (8) конференциях и семинарах: XII Всесоюзной конференции «Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и др. отраслях промышленности» (Днепропетровск, 1982) — II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергетики теплотехнологии» (Москва, 1987) — Республиканском семинаре «Повышение эффективности использования низкосортных топлив в энергетике Украинской ССР (Киев, 1987) — Всесоюзном семинаре «Технико-экономические оценки плазмохимических процессов переработки углей и углеводородов» (Иркутск, 1988) — Республиканской конференции «Повышение эффективности использования топлива в энергетике, промышленности и на транспорте» (Киев, 1989) — Международной (1998), Всероссийской (1994) и региональных (1992, 1995;1997) конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск) — Международной конференции «Природные цеолиты в народном хозяйстве России» (Иркутск, 1996) — Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999) — Международной конференции «Экология. Образование. Здоровье» (Иркутск, 1999) — IV международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в регионе: проблемы и перспективы» (Омск, 1999) — V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999) — Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока, институтов СО РАН по теплофизике и теплоэнергетике, посвященного памяти академика С. С. Кутателадзе (Новосибирск, 2000) — Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение в регионах России — 2000» (Москва, 2000) — IV и V Всероссийской конференции и семинара РФФИ «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 2000, 2001) — III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001) — Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001) — II и III Международных научно-практических конференциях «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2001, 2003) — Всероссийской научно-практической конференции «Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции» (Иркутск, 2002) — IV Международной научно-практической конференции «Проблемы энергои ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2003) — Всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003) — International Conference «Energy Saving Technologies & Environment» (Irkutsk, 2004), Форуме с международным участием «Высокие технологии-2004» (Ижевск, 2004). Кроме того, материалы докладывались на Межрегиональных научно-технических конференциях «Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения» (Братск, 1996) — «Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе» (Братск, 2002, 2004) — «Естественные и инженерные науки — развитию регионов» (Братск, 2002;2004), научно-технических конференциях БрИИ (БрГТУ) (1993;2005), Ученом совете и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» ИСЭМ СО РАН и др.

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены: в монографии: «Развитие коммунальных теплоэнергетических технологий в районах с преобладающим твердым топливом» (Новосибирск: Наука. -2005) — в главе монографии: «Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы» (Новосибирск: Наука. — 1989) — в статьях отраслевых журналовв межвузовских сборниках трудовв изданиях ИСЭМ, БрГТУ, других институтов и организацийв материалах международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов, конференций и семинаровв 1 авторском свидетельстве и 2 патентахв учебном пособии «Расчет и контроль загрязнения атмосферы при работе котельных и ТЭС» (гриф Минобразования РФ).

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложенийсодержит 348 страниц основного текста, включая 59 рисунков и 53 таблицы, список литературы из 425 наименований и 3 приложения.

4.6. Выводы

1. Выполнена классификация процессов пиролиза по составу конечных продуктов, которая позволила систематизировать существующие разновидности технологии и стадии переработки промежуточных продуктов (в том числе в теплоэнергетических установках), отобрать конкурирующие варианты для возможных областей промышленного применения и провести их предварительное сопоставление.

2. На основе анализа потенциальных достоинств и недостатков выделенных в классификации процессов получены качественные оценки их экологической, энергетической и экономической эффективности и определены возможности технической реализации в прогнозный период.

3. Составлены технологические схемы установок, которые в принципе могут быть созданы на основе изучаемых процессов, и проанализированы возможности применения пиролиза в системах топливоподготовки электростанций и крупных котельных, для производства облагороженных топлив для коммунальных котельных, а также химических продуктов, в том числе в сочетании с различными типами теплоэнергетических установок.

4. Термодинамические исследования, проведенные с помощью модели МОПР, углубили понимание физики процессов пиролиза (целевые продукты могут быть получены лишь в промежуточных состоянияхтермодинамика не ограничивает возможности изменения ассортимента продуктов) — а также позволили определить влияние на предельное совершенство пиролиза ряда факторов (температуры, давления, механизма, состава угля и других).

5. Выявлены большие потенциальные возможности совершенствования технологий пиролиза в направлении увеличения выходов жидких углеводородов и улучшения энергетических показателей. Это свидетельствует о целесообразности продолжения фундаментальных исследований по изучению и оптимизации физико-химических основ процесса.

6. Для перспективных технологических установок пиролиза на основе экспериментальных исследований и обработки литературных данных выбраны наиболее приемлемые, с точки зрения автора, конструкции пиролизеров: аппараты с кипящим слоем инертного материала или катализатора и циклонного типа, работающие в термоокислительном режиме. Предложено техническое решение устройства для производства облагороженных топлив, обеспечивающее повышение технологической эффективности пиролиза.

7. Определены прогнозные технико-экономические показатели конкурирующих установок пиролиза и проведено предварительное сопоставление установок различного производственного назначения при приведении сравниваемых вариантов к одинаковому потребительскому эффекту. Отобраны варианты установок пиролиза для исследований на системной модели.

8. С помощью системной модели оценены возможные масштабы и спектр применения установок пиролиза и коммунальных котельных в энергетике при предполагаемых вариантах ее развитиявыявлены условия, благоприятствующие их промышленному внедрению. Первоочередными направлениями могут стать: пиролиз в топливоподготовке электростанций и производство облагороженных твердых топ лив. Показано, что организация крупномасштабного производства ИЖТ на основе пиролиза возможна только при условии существенного (в 2,5. .3 раза) увеличения выхода жидких углеводородов.

Глава 5