Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов

В работе рассматриваются некоторые проблемы использования низкосортных топлив и вторичных энергоресурсов (ВЭР) в промышленной энергетике, в том числе новые перспективные технологии сжигания водо-уголъного топлива в котлах малой мощности, проблемы разработки эффективных золоуловителей центробежного типа и проблемы эффективности утилизации ВЭР.

Актуальность работы. Использования низкосортных топлив и вторичных энергоресурсов в промышленной энергетике является важной народнохозяйственной задачей для многих регионов России. Проблемы энергоэффективности и энергосбережения, а также экологические проблемы в последнее время выходят на передний план научно-технических проблем современности. Интерес к технологиям данного класса обусловлен осознанием неизбежной смены технологического уклада мировой энергетики, связанной с переходом на малоуглеродные и неуглеродные энергетические технологии, которая, как ожидается, начнется в 2025;2030 годах [1−8].

В последние три десятилетия прошлого столетия мировой энергетический кризис приобрел необратимый характер, связанный с окончанием эры «дешевой нефти», поскольку к 2000 году уже была израсходована значительная часть традиционных энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их извлечения [9−12]:

— 87% мировых запасов нефти;

— 73% мировых запасов природного газа и.

— 2% мировых запасов угля.

Несмотря на то, что ряд ведущих индустриальных стран, в том числе США, провозгласили возврат энергетики к «эре угля», однако, этот переход на основе технологий середины прошлого столетия невозможен по причинам технологического, экологического и экономического характера, поскольку качество топлива, имеющегося в наличии, часто не соответствует современным требованиям.

Среди новых угольных технологий большой интерес представляют технологии водоуголъного топлива — водоугольных суспензий (ВУС), а также, разработанных на основе ВУС, водоугольных топлив (ВУТ) и искусственных композиционных жидких топлив (ИКЖТ), возникшие в 50−60 годах прошлого века с появлением технологий гидротранспорта угля. То есть, необходимость сжигания обводненной угольной мелочи привела к разработке технологий приготовления ВУС, ВУТ и ИКЖТ и разработке методов их сжигания [9, 13, 14]. Совершенствованию технологий сжигания угольной пыли и водоугольного топлива посвящен первый раздел настоящей работы.

При разработке технологии сжигания твердых топлив необходимым условием организации эффективной работы топок является улавливание частиц золового уноса с целью возврата в топку (при наличии большого механического недожога) или предотвращения экологического вреда (с использованием уловленной золы, например, в строительных технологиях). Проблема борьбы с золовым уносом, несмотря на ее древность, до сих пор остается окончательно нерешенной для большинства используемых в настоящее время технологий сжигания твердого топлива [15−17].

Выбросы вредных веществ с продуктами сгорания электрическими станциями и предприятиями промэнергетики составляют порядка 20% от всех источников загрязнений воздушного бассейна. Среди этих загрязнений основными являются выбросы частиц золового уноса. Используемые в настоящее время конструкции золоуловителей еще не достигли вершины своего совершенства. По мнению авторов, особенно перспективными, простыми по конструкции и надежными в эксплуатации являются золоуловители центробежного типа с взаимодействующими закрученными двухфазными потоками. Совершенствованию золоуловителей этого типа посвящен второй раздел настоящей работы.

В настоящее время проблемы энергоэффективности и энергосбережения приобретают характер планетарного масштаба, в связи с набирающими ускорение процессами глобального потепления, вызванными, в том числе, антропогенными выбросами в атмосферу парниковых газов. Парниковые газы (двуокись углерода) образуются при сжигании топлив при производстве тепловой и электрической энергии. Поэтому стабилизация и снижение энергопотребления развитыми странами является важнейшей проблемой. В России особенно актуальным является повсеместное внедрение энергосберегающих технологий.

Среди энергосберегающих технологий важное место имеют технологии утилизации и преобразования тепловой энергии. Большую экономию можно получить при утилизации тепловой энергии на предприятиях промэнергетики и других промышленных объектах [18−20]. Утилизация безвозвратно теряемой тепловой энергии — вторичных энергетических ресурсов может сэкономить до 50% первичных энергетических ресурсов (исходного топлива).

Среди основных причин необходимости утилизации тепловой энергии можно отметить следующие:

— экономическая — затраты на тепловую энергию становятся все более высокими и утилизация отходящего тепла может значительно сократить общие издержки;

— обеспеченность тепловой энергией — использование легкодоступного отходящего тепла, выбрасываемого в атмосферу, позволяет существенно снизить потребности предприятия в тепловой энергии;

— сбереэ! сение природных ресурсов — утилизация тепла уменьшает потребность предприятий в дефицитных видах топлива и сохраняет природные энергоресурсы;

— экологическая — утилизация сбросной теплоты способствует снижению негативного воздействие на природную среду.

Технико-экономической оценке эффективности утилизации вторичных энергетических ресурсов, наиболее перспективным способам, используемому оборудованию и методам расчета, а также описанию опыта утилизации сбросной теплоты на различных объектах промэнергетики, полученного при участии авторов, посвящен третий раздел настоящей работы.

Таким образом, ОСНОВНОЙ целью работы является развитие технологий производства и сжигания ВУТ, полученных из низкосортных топ-лив, в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов. развитие существующих методов использования низкосортных топ-лив и вторичных энергоресурсов в промышленной энергетике.

• Разработка технологии получения и сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

• Исследование и совершенствование золоуловителей центробежного типа для возврата уносов.

• Технико-экономическая оценка эффективности утилизации сбросной теплоты в котлах малой мощности и других объектах.

Для достижения этих целей решались следующие задачи.

• Анализ существующих технологий получения и сжигания водо-угольного топлива и проведение исследований по их совершенствованию.

• Разработка устройства для получения водоуголыюго топлива, обладающего комбинированными свойствами, для котлов малой мощности.

• Исследование аэродинамики двухфазного потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного типа.

• Разработка экономико-математической модели и методики технико-экономической оценки эффективности рекуператоров сбросной теплоты в многоступенчатых схемах утилизации.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

• Форкамерная горелка-диспергатор для получения и непосредственного сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

• Результаты исследования аэродинамики потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного типа.

Практическая значимость.

• Разработана конструкция и технология изготовления форкамер-ной горелки-диспергатора для получения и сжигания ВУТ.

• Разработан золоуловитель центробежного типа с взаимодействующими потоками компактной конструкции, обладающий высокой эффективностью улавливания.

• Разработана методика технико-экономической оценки эффективности рекуператоров сбросной теплоты в многоступенчатых схемах утилизации и обобщен опыт соискателя по внедрению технологий утилизации ВЭР на промышленных предприятиях.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований, проведением модельных и натурных экспериментальных исследований с применением современных экспериментальных методов.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: III Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Барнаул, 2003), V Всероссийской научно-техн. конф. «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2007), II Всероссийской научно-техн. конф. «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2007), II Всероссийской научно-практ. конф. с междунар. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики — ЭЭТПЭ-2008» (Барнаул,.

2008), Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009), 67-й научно-техн. конф. АлтГТУ (Барнаул,.

2009), У1-Й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (Барнаул, 2009).

Получен диплом лауреата конкурса 2009 года по энергетике и энергосбережению Ассоциации городов Сибири и Дальнего Востока за коммерческий проект «Комплекс машин и технология для производства водо-угольного топлива».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК, 3 статьи в периодических изданиях и тематических сборниках, 5 докладов и 2 тезиса докладов на конференциях различного уровня, 2 публикации в Интернет-ресурсах, 2 патента и учебное пособие [21−35, 93].

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ).

Научный руководитель — Почетный работник ВПО России, профессор АлтГТУ им. И. И. Ползунова, заведующий лабораторией НИИ СО РАН-АлтГТУ, д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Научный консультант — доцент АлтГТУ им. И. И. Ползунова, к.т.н. Кисляк С.М.

Результаты исследования были использованы:

• при разработке проекта утилизации уходящих газов кузнечной печи Барнаульского завода механических прессов;

• при разработка проекта утилизации тепловых выбросов сушильной печи предприятия ООО «СибТрансСтрой» (г. Новоалтайск, Алтайского края);

• при проектировании и проведении пуско-наладочных работ по сжиганию АБгазов на котельной Сафоновского битумного завода (г. Сафоново, Смоленской обл.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.