Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергоэффективные решения подготовки и применения низкосортных углей и местных топливных ресурсов на объектах региональной теплоэнергетики

д.т.н. В.Г. Лурий, профессор, генеральный директор

к.т.н. А.Н. Панкратов, профессор

Введение

В современных условиях максимальное вовлечение в топливно-энергетический баланс низкосортных углей, отходов углеобогащения и местных топливных ресурсов является актуальной задачей теплоэнергетической отрасли в рамках выполнения программ по энергоэффективности и ресурсосбережению в системе ЖКХ и в производственной сфере. Фактически, это некий инструмент сдерживания роста тарифов на энергоносители, обеспечивающий конкурентные преимущества российским производственникам на начальном этапе работы по правилам ВТО.

Применяемые сегодня в отечественной теплоэнергетике устаревшие технологии сжигания, ориентированные на использование энергетических углей, не обеспечивают расчетные показатели по выработке тепловой энергии при использовании местных низкосортных видов бурых углей, торфа, а также при использовании энергетических углей, зачастую поступающих с участков углеобогащения с некачественными параметрами.

Следует отметить, что существующий парк оборудования углеобогатительных фабрик устарел. А качество легко добываемого из открытых разрезов угля, постоянно снижается, что сказывается, в конечном счете, на росте топливных расходов при выработке тепловой энергии.

Для ряда регионов характерна следующая ситуация: есть местный низкокачественный и не дорогой бурый уголь, торф, отходы углеобогащения, деревопереработки, агробиомасса, а на местной котельной возможно эффективное применение только определенных марок привозных дорогих углей.

Как показывает современный опыт индустриально развитых государств, путь к снижению затрат в себестоимости 1 Гкал тепловой энергии по топливной составляющей достигается комплексным применением современных технологических решений в топливоподготовке и в самих процессах применения топлива.

Технология газификации

Проведенный анализ нашедших свое практическое применение технологий переработки углей и отходов углеобогащения показал, что применительно к задаче получения универсального топлива из низкосортных материалов на основе угля больше всего подходит технология газификации (термохимическая переработка углеродосодержащих продуктов), конечным продуктом которой является горючий генераторный газ и сопутствующие продукты, предназначение которых различно, в зависимости от целевых задач.

Преимущество топливного продукта в виде генераторного газа отмечают многие специалисты и исследователи, выделяя следующие его достоинства:

¦универсальность применения в сочетании с различными видами топлива;

¦применение в различных котлоагрегатах, включая газопоршневые машины;

¦возможность производства из него жидких видов топлива.

Сам процесс производства генераторного газа благодаря появлению новых материалов, усовершенствованию технических приемов постоянно совершенствуется. Во многих странах газификация углей вышла на масштабный промышленный уровень получения продукции углехимии. В то же время активно ведущиеся исследования по выработке генераторного газа в качестве топлива для практического применения в котлоагрегатах и газопрошневых двигателях еще не вышли на конкурентный уровень с технологией прямого сжигания угля, в основном, по причине высоких начальных капитальных затрат. Есть все основания считать, что это временная ситуация, поскольку уже доказано, что затраты на обеспечение норм по выбросам вредных веществ в дымовых газах при сжигании угля выше затрат на очистку выбросов при сжигании генераторного газа. Поэтому в числе первоочередных задач при совершенствовании технологий газификации ставится задача доведения технологических операций и инженерных решений до уровня затрат на производство генераторного газа из низкосортных углей и местных топливных ресурсов, не превышающих значения совокупных затрат при получении тепловой энергии с применением существующих технологий сжигания энергетических углей.

Результаты решения этой задачи представлены в настоящей статье.

Многочисленными разработками и исследованиями в области теплофизики установлено, что топливо, способное поддерживать автотермический процесс конверсии, должно содержать не менее 23% углерода и других горючих компонентов, влаги - не более 50%, золы - не более 60%. Но это граничные условия - для автотермического процесса, а эффективность процесса конверсии определяется, кроме граничных условий, конструкцией оборудования, совокупностью технологических режимов и параметров процесса, требованиями к качеству и количеству получаемой продукции. Такое сочетание часто противоречащих факторов объясняет сложность конверсии низкосортных углей и отходов углеобогащения. Несмотря на достаточно большое число исследований и апробаций различных конструкций оборудования для подготовки указанного сырья в России и за рубежом данная проблема остается нерешенной.

За рубежом разработаны различные типы сушилок и обогатительных установок, однако, эти установки весьма дороги и при покупке, и при эксплуатации и не обеспечивают в полной мере требуемого качества получаемых продуктов подготовки. В России и странах СНГ даже те результаты, которые были получены при плановой экономике по подготовке указанного сырья, практически утрачены.

Поскольку низкосортные угли и отходы углеобогащения обладают чаще всего одновременно такими негативными свойствами, как высокая влажность и зольность, а также имеют сложный гранулометрический состав, то разработки новых технологических решений подготовки сырья, в котором одновременно будут снижаться эти негативные свойства, становятся востребованными для углеперерабатывающей отрасли.

Предлагаемое технологическое решение, объединяющее в единый непрерывный цикл эти подготовительные операции, позволит отказаться от существующих сложных и дорогих линий агрегатов, где каждый агрегат нейтрализует только одно негативное свойство. Комплексный агрегат по одновременной вихревой сушке, измельчению и сепарации сырья является новым и эффективным решением подготовки низкосортных угольных отходов. газификация углеродосодержащий продукт газогенератор

Подготовленное сырье может быть использовано для прямого сжигания с получением тепла и электроэнергии. Однако такой метод обуславливает значительное загрязнение окружающей среды окислами серы, азота, диоксинами, дибензофуранами, механической пылью, выбрасываемыми с дымовыми газами. Многочисленные агрегаты очистки дымовых газов, значительно увеличивают требуемые инвестиции при строительстве и текущие затраты, но при этом далеко не всегда обеспечивается требуемый уровень очистки.

Нами предлагается комплексно подготовленное в едином технологическом процессе сырье газифицировать в вихревом газогенераторе, очищать получаемый генераторный газ и затем использовать его для генерации тепло- и электроэнергии. При этом, как показали проведенные, и не только нами, работы, значительно снижаются вредные выбросы с дымовыми газами энергогенерирующего агрегата, снижается в разы объем очищаемых газов и соответственно затраты на этот процесс. Предлагаемая технология объединяет в непрерывный производственный процесс комплексную топливоподготовку отходов углеобогащения и их последующую переработку в генераторный газ с применением авторских решений вихревой газификации, что позволяет достичь востребованных коммерческих показателей технологии применения низкокачественных углей для производства энергоносителей.

Разработанные технологические и инженерные решения легли в основу испытательного стенда, представляющего собой комплекс оборудования по эффективному использованию горючих отходов и «малоценных» видов топлива. Состав комплекса включает:

¦установку по сушке, измельчению и обогащению сырья;

¦агрегат вихревой газификации сырья;

¦агрегат по очистке и охлаждению полученного генераторного газа, который может быть использован как качественный энергоноситель для подачи в двигатель внутреннего сгорания, в топки печей и котлов, в горелки различного назначения;

¦систему автоматического управления.

Комплекс также имеет газопоршневую электростанцию, адаптированную для работы на генераторном газе.

На данном комплексе успешно проведены тестовые испытания по использованию буроугольных шламов Коркинского разреза, опилок, помета птицефабрик «Бектышская» и «Равес», осадка от очистки сточных вод города Златоуст (Челябинская обл.), твердых бытовых отходов путем их предварительной сортировки с удалением негорючих и утильных компонентов, измельчения и сушки горючих компонентов. Шламы, помет, опилки и осадки сточных вод перед газификацией сушили и измельчали.

Установка по подготовке сырья, изготовленная под руководством д.т.н. Стороженко Г.И., состоит из узлов теплогенерации, измельчения, вихревой сушки, сепарации по плотности и крупности, аккумуляции готового продукта, очистки и удаления отработанного теплоносителя.

Агрегат вихревой газификации подготовленного сырья данного комплекса состоит из газогенератора, воздуходувки, системы подачи сырья и удаления зольных остатков, теплообменника, парогенератора, газохода, запорно-регулирующей арматуры, контрольно-измерительных приборов (термопар, уровнемеров, датчиков давления) с устройствами передачи сигналов на узлы автоматики.

Агрегат очистки и охлаждения генераторного газа состоит из циклона, мокрого скруббера, фильтров тонкой очистки, градирни, ловушки шлама и смол, насоса. Узел управления и автоматизации включает в своем составе комплектационный шкаф с элементами управления и автоматики, компьютер, газоанализатор и распределительный шкаф электроснабжения.

Схема работы комплекса следующая:

¦исходное сырье подается на установку подготовки, где оно измельчается, сушится, сепарируется и складируется в аккумулирующем бункере;

¦из аккумулирующих бункеров готовое сырье подается в бункер агрегата газификации, откуда оно поступает в газогенератор, где разделяется на горючий генераторный газ и зольные остатки;

¦зольные остатки выдаются на утилизацию;

¦генераторный газ через теплообменник и парогенератор по газоходу поступает в агрегат очистки и охлаждения;

¦очищенный и охлажденный генераторный газ поступает на газопоршневую электростанцию.

В ходе тестовых испытаний, проводимых в полуавтоматическом режиме, стало понятно, что весь комплекс может быть переведен на автоматический режим управления. Также было выявлено, что наибольшее влияние на процесс газификации и состав газа оказывают технологические параметры, такие как температура и количество подаваемого воздуха по зонам газогенератора, уровень золы.

На характер процесса газификации, количество получаемого газа и зольных остатков оказывают значительное влияние такие факторы как влажность, зольность и гранулометрический состав сырья. В меньшей степени они влияют на состав генераторного газа. При газификации указанных отходов получили газ следующего состава (об. %): СО - 10-23%; Н₂ - 12%; СН₄ - 24%; СО₂ - 6-10%; N₂ - 66-51%.

Недожог углерода, который в значительной степени зависел от технологических параметров ведения процесса, составил от 3 до 12%.

Количество получаемого генераторного газа, в зависимости от технологических параметров и свойств сырья изменялся от 1,7 до 2,7 нм³ на один килограмм загруженного сырья.

Исходное сырье имело влажность от 30 до 80%, гранулометрический состав - 0-20 мм, зольность - от 1,5 до 50%. После пропуска сырья через установку подготовки, влажность сырья была 8-15%, гранулометрический состав - 0-3 мм; зольность - 1,5-40%. Сушка сырья осуществлялась смесью воздуха и дымовых газов с температурой 120-180 ^ОС.

Генераторный газ в процессе очистки охлаждался до температуры 20-40 ^ОС. В очищенном генераторном газе содержание механических частиц не превышало 10 мг/нм³, содержание смол также не превышало 10 мг/нм³. Мощность испытуемого комплекса по исходному объему сырья составляла 100-200 кг/ч, по генераторному газу - 180-300 нм³/ч, по электроэнергии - 100 кВт.

Все проводимые тестовые испытания включали мероприятия по определению количества вредных выбросов с выхлопными газами, определения параметров генераторного газа и опасности золы, получаемой при газификации различных видов топлива. При исследованиях отбирались пробы генераторного газа, пробы выхлопного газа двигателя и зола из газогенератора.

Исследования проб воздуха в рабочей зоне (0,5, 1, 2 и 4 м от выхлопной трубы) показали, что концентрация NO_w SO_w СО не превышала 15% ПДК. Исследования выхлопного газа, отобранного в выхлопной трубе, содержали суммарную концентрацию диоксинов и дибензофуранов по диоксиновому эквиваленту 35-38 пикограмм на 1 м³ при ПДК по европейским нормативам - 100 пикограмм на 1 м³. Проверка на радиоактивность золы от газификации отходов углеобогащения подтвердила, что этот параметр ниже естественного фона.

В целом тестовые испытания комплекса показали, что установка по подготовке сырья, агрегаты вихревой газификации и очистки генераторного газа могут эффективно работать на отходах с широким диапазоном влажности, зольности и гранулометрического состава.

Данные испытания выявили, что разработанная технология и комплекс оборудования могут послужить прототипом для создания опытно-промышленного комплекса.

В сравнении с существующими способами утилизации и переработки низкосортных углей и отходов углеобогащения предлагаемые решения, реализованные на испытательном стенде, являются экологически безопасными, передовыми и комплексными. Разработанное высокоэффективное оборудование: агрегат по одновременной сушке, измельчению обогащению сырья, вихревой газификатор, оборудование по очистке и охлаждению генераторного газа, после их отработки может найти широкое применение при переводе существующих котельных на совмещенный режим сжигания штатного топлива и генераторного газа, вырабатываемого из любых видов местного топлива.

Дооборудование котельной будет заключаться в размещении участка топливоподготовки и газогенератора, вырабатывающего горючий газ, подаваемый в топку котла. При этом можно обратить внимание на то, что дорогостоящая реконструкция по замене котельно-топочного оборудования не потребуется. Генераторный газ совместим для сжигания с любым видом топлива: твердым, жидким и природным газом, что позволяет снизить затраты на дорогостоящее привозное проектное топливо.

При установке на котельной газогенераторного оборудования и газопоршневой электростанции фактически осуществляется ее перевод на уровень энергогенерирующего комплекса с производством тепловой и электрической энергии, со всеми вытекающими коммерческими преимуществами и гарантированным гибким энергообеспечением потребителей.

Представленные результаты исследований выполнены в рамках Госконтракта № 14.515.11.0087 от 25.06.2013 г на выполнение поисковых научно-исследовательских работ федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Размещено на Allbest.ru