Еколого-економічні аспекти використання твердопаливних котлів та економічне обгрунтування їх використання в порівнянні з котлами на інших видах палива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

1. Еколого-економічні проблеми теплоенергетики

1.1 Екологічні проблеми теплоенергетики

1.2 Економічні проблеми теплоенергетики

2. Характеристика твердопоживних котлів

2.1 Види та характеристики котлів на різних видах палива

2.2 Технічні характеристики твердопаливних котлів

2.3 Екологічні характеристики твердого палива

3. Економічні аспекти використання твердопаливних котлів в Україні, на прикладі котла на деревині у школі

Висновок

Список використаної літератури

Додаток А

Вступ

теплоенергетика котел твердопаливний економічний

Взаємовідносини суспільства і природи полягають у тому, що фактори економічного зростання - трудові ресурси, засоби виробництва і природні ресурси - у комплексі використовуються суспільством для розвитку виробництва. Питання взаємовідносин суспільства і природи та використання природних ресурсів стають дедалі актуальнішими. І це зрозуміло, бо з розвитком виробництва вилучаються все нові багатства природи, зростає вартість сировини, збільшується кількість відходів, що викидаються у навколишнє середовище. Однак, і це очевидно, було б неправильно вирішувати проблеми збереження ресурсів і середовища шляхом припинення росту або навіть скорочення обсягів виробництва. Такі припущення суперечать закономірностям розвитку людського суспільства і практично нездійсненні. Щорічно з надр Землі добувається більше елементів, ніж включається в біологічний кругообіг. Людство протягом усієї своєї історії неодноразово вступало в протиборство з силами природи, що спричиняло кризові ситуації [1].

Найбільшим джерелом багатокомпонентних забруднень є теплоенергетика. На її частку в загальному техногенному забрудненні повітря припадає близько 75% викинутого діоксиду сірки, близько 50% оксидів азоту і 20% твердих домішок. Сьогодні теплоенергетику справедливо називають основою технічного прогресу. Але за використання енергії у вигляді електрики ми несемо й певне покарання. За масштабами впливу на навколишнє середовище ця галузь посідає одне з перших місць. Велика кількість теплових електростанцій спалюють мільйони тон органічного палива. На їх частку припадає приблизно ј частина всіх шкідливих викидів.

Екологічний вплив теплових електростанцій на середовище залежить від виду палива. Для спалювання в котлах теплових електростанцій використовують такі тверді органічні ресурси, як вугілля, горючі сланці, деревина. Твердопаливні котли є актуальними не лише в теплоенергетиці, а й для індивідуального використання, адже обладнання, що використовує тверде паливо, досить різноманітне. Навіть не існує його суворої класифікації, а паливо має низьку собівартість.

В роботі розглянуто проблеми використання твердопаливних котлів як економічного так екологічного характерів. Так як з точки зору екології - викиди, які утворюються в результаті спалювання твердого палива мають негативний вплив на навколишнє середовище, а з економічної - їх використання є досить актуальним, якщо враховувати сучасний економічний стан країни.

Дані проблеми розглядають такі українські вчені: Рижкин В.Я [15], Майстренко А.Ю. [16], а також російські вчені: Аникеев В.А., Копп И.З., Скалкин Ф.В. [12] ,Долиський А., Носач В. [6], та Фаворский О. Н. [8]. Державна політика в галузі теплоенергетики керується на підставі Законів України: “Про теплопостачання”, “Про житлово-комунальні послуги”, “Про комбіноване виробництво теплової та електричної енергії (когенерацію) та використання скидного енергопотенціалу”, “Про Загальнодержавну програму реформування і розвитку житлово-комунального господарства на 2004-2010 роки”.

Метою даної роботи є висвітлення еколого-економічних аспектів використання твердопаливних котлів та економічне обгрунтування їх використання в порівнянні з котлами на інших видах палива.

Для досягнення мети в роботі поставлено такі завдання:

1) дослідити еколого-економічні проблеми теплоенергетики;

2) дати техніко-економічну та екологічну характеристики твердопаливних котлів;

3) обгрунтувати економічні аспекти використання твердопаливних котлів в Україні.

Усі життєві процеси, в усіх державах повинні розглядатися насамперед з точки зору екології, потрібне не просто екологічне мислення, треба всіма доступними засобами формувати екологічний світогляд.

1. Еколого-економічні проблеми теплоенергетики

1.1 Екологічні проблеми теплоенергетики

Найбільшу небезпеку для життя людини і живої природи мають забруднюючі повітря штучного походження. Внаслідок діяльності людини в атмосферу щорічно надходять понад 1500 млн т діоксиду сірки SO₂, 200 млн т вуглеводів, 20 млн т оксиду азоту (NO). В таблиці 1.1 наведено наслідки шкідливих речовин на людський організм.

Таблиця 1.1 - Шкідливі речовини та їх наслідки на людський організм

Шкідливі речовини	Наслідки дії на організм людини
Оксид вуглецю	Шкодить абсорбуванню кисню кров'ю. Послаблює розумові здібності, сповільнює рефлекси, викликає сонливість, може бути причиною втрати свідомості.
Свинець	Впливає на кровоносну, нервову та сечостатеву системи, викликає можливе зниження розумових здібностей у дітей, відкладається у кістках.
Окисли азоту	Можуть підвищувати сприятливість організму до вірусних захворювань, подразнювати легені, викликати бронхіт і пневмонію.
Озон	Подразнює слизову оболонку органів дихання, викликае кашель, порушує роботу легенів, знижує опір до простудних захворювань, може загострювати хронічні захворювання серця, а також викликати астму, бронхіт.
Токсичні викиди (важкі метали)	Сприяють виникненню новоутворень, порушенню статевої системи і розвитку дефектів у немовлят.

Ці гази змішуються з газами атмосфери, частинками пилу, найменшими краплинками рідини й утворюють аерозолі (тумани і дим), що стали візитними картами промислових міст і селищ. Понад 20 млрд т оксиду вуглецю (СО) викидається в атмосферу від згоряння різних видів палив, що спалюються людиною. Його вміст в атмосфері в останні десятиріччя невпинно збільшується. Діоксид вуглецю не тільки токсично діє на організм людини, а й викликає ще й глобальне потепління в атмосфері, яке зумовлене так званим „парниковим ефектом” і веде до зміни клімату з передбачуваними наслідками для всього живого [2].

Пари спалюванні палива атмосфера насичується оксидом вуглецю, гранично допустимі концентрації якого не повинні перевищувати 0,03 мг/л. Ця сполука більш активна до гемоглобіну крові, ніж кисень. Вона витісняє кисень і не дає можливості нормально функціонувати дихальним ферментам. В організмі людини замість оксигемоглобіну утворюється карбоксигемоглобін.

У повітрі можуть також знаходитися різні вуглеводи, частина яких має токсичні й канцерогенні для організму властивості.

Господарська діяльність людини суттєво впливає на кругообіг речовин у природі. При спалюванні вугілля, нафти, торфу, деревини та інших речовин відбувається збагачування біосфери азотом. Надходячи в атмосферу, оксиди азоту взаємодіють з парами води й утворюють кислотні сполуки, які випадають на поверхню землі у вигляді кислотних дощів, згубних для всього живого.

Найбільшим джерелом багатокомпонентних забруднень є теплоенергетика. На її частку в загальному техногенному забрудненні повітря припадає близько 75% викинутого діоксиду сірки, близько 50% оксидів азоту і 20% твердих домішок. Нафта і продукти її переробки, що спалюються в топках електростанцій, майже на 60% визначають рівень забруднення повітря в Західній Європі. Вичерпання природних запасів корисних копалин і природних компонентів пов'язане з загальними тенденціями промислового розвитку людства.

Україні властиві ті ж проблеми утримання енергії, що стоять і перед іншими державами світу. До 1986 року пріоритет був відданий розвитку атомної енергетики, її частка в загальному енергозабезпеченні України досягла 17,3%. Після Чорнобильскої аварії, більшою мірою базувався на теплоелектростанціях, у тому числі і на тих, що працюють на природному газі [3].

Енергетична галузь одна з основних галузей промисловості, від функціонування якої залежить стан економіки країни. Основна частина електроенергії України (близько 70%) виробляється на теплових електростанціях за рахунок спалювання викопного органічного палива. Менш 25% зробленої енергії забезпечується процесами горіння рідкого і газоподібного палива. Інша частина продукції теплоенергетики України визначається процесами горіння твердого палива вугілля, причому спостерігається тенденція до скорочення споживання мазуту і природного газу і зростанню частки твердого палива, споживаного теплоелектростанціями [4].

Теплопостачання населених пунктів України забезпечують 7418 підприємств усіх форм власності, на яких експлуатується 29965 котелень сумарною потужністю 138347,9 Гкал/год, з них на твердому паливі - 9913 котелень, на рідкому паливі - 567 котелень, на газі - 19485 котелень.

Основне та допоміжне обладнання значної кількості комунальних котелень вичерпало допустимі терміни експлуатації і суттєво перевищує 20 років. В цих котельнях експлуатуються малоефективні, зношені котли з низьким коефіцієнтом корисної дії (70-80%), застарілою автоматикою і пальниковими пристроями, що обумовлює значні витрати палива (на 20% вищі середнього світового рівня), неприпустимо високі забруднення оточуючого середовища, і в цілому призводить до зниження надійності та якості теплопостачання [5].

Теплоелектростанції. Широке використання вугілля та інших видів викопного палива з метою одержання електричної енергії має явні переваги, оскільки електричну енергію неважко передавати навіть на значні відстані. Нині набуває поширення й електричне обігрівання житла - при цьому в будинках не спалюють ніякого палива і так не утворюється ні диму, ні золи.

Сьогодні теплоенергетику справедливо називають основою технічного прогресу. Але за використання енергії у вигляді електрики ми несемо й певне покарання. За масштабами впливу на навколишнє середовище ця галузь посідає одне з перших місць. Велика кількість теплових електростанцій спалюють мільйони тон органічного палива. На їх частку припадає приблизно ј частина всіх шкідливих викидів.

Екологічний вплив теплових електростанцій на середовище залежить від виду палива. Для спалювання в топках використовують 3 групи органічних ресурсів: тверді (вугілля і горючі сланці), рідкі (мазути, дизельне і газотурбінне палива) і газоподібні (природний газ, біогаз і т.п.).

При спалюванні твердого палива на теплових електростанціях в атмосферу викидаються: летка зола з частками палива, що не згоріло, сірчистий і сірчаний ангідриди, оксиди вуглецю і азоту, вторинні сполуки та газоподібні сполуки неповного згоряння палива. Побічним продуктом, що утворюється при згорянні вугілля, є вугільна зола. Золовідвали займають величезні площі землі, які вилучаються з раціонального господарського використання.

При спалюванні рідких видів палива, зокрема мазуту, з димовими газами в атмосферу надходять сірчистий та сірчаний ангідриди, оксиди азоту, тверді і газоподібні продукти неповного газозгоряня, сполуки ванадію, солей натрію та інші.

При спалюванні природного газу єдиним найбільш істотним забруднювачем атмосферного повітря є оксид азоту (його утворюється на 20% менше, ніж при спалюванні вугілля). Природний газ є найбільш екологічно чистим видом енергетичного палива. У таблиці 1.2 наведено вміст шкідливих домішок, які знаходяться в димах при спалюванні різних видів палива.

Для запобігання забруднення атмосфери продуктами згоряння палива та з метою зменшення ймовірності утворення кислотних дощів необхідно на теплових електростанціях змінити технологію. Це можна зробити в таких напрямках:

а) розсіювання оксиду сірки в більш високих шарах повітряного басейну за допомогою спорудження на теплових електростанціях високих димових труб;

б) використання вугілля з низьким вмістом сірки на низьких установках;

в) очищення вугілля від сірки;

г) використання порошкоподібного вугілля і видалення сірки з топочних газів, що відходять.

Таблиця 1.2 - Вміст основних щкідливих домішок у димах.

Шкідливі домішки Вид палива	Летка зола	SО2	NОx
Вугілля	березівське буре	6.66	0.48	0.41
	кузнецьке СС	20.0	0.85	1.22
	донецьке виснажене	24.2	5.40	0.70
	екебастузьке	63.9	2.24	0.79
	підмосковське буре	50.5	11.2	0.58
	естонські сланці	81.5	3.51	0.65
Мазут (3% сірки)	0.10	3.98	0.80
Газ	-	-	0.70

Комплексна підготовка вугілля до спалювання дозволяє знизити і спростити процес спалювання палива, скоротити витрати палива і транспортування, зокрема для індивідуальних споживачів у затареному вигляді і з протипиловою обробкою (парафінування).

Однією з проблем теплоенергетики є утилізація золи. Останнім часом золу стали використовувати для різних цілей. Бетони, в яких міститься 20% золи, дають скорочення циклу пропарювання в двоє. Досить перспективним є застосування золи у виробництві цегли і гравію [6].

Інший недолік теплових електростанцій полягає у тому, що перетворення теплової енергії, яка міститься у викопному паливі, супроводжується колосальними втратами.

Одержання електричної енергії супроводжується марним використанням великої частини теплової енергії викопного палива - вугілля, нафти та природного газу. Особливо великими є втрати, коли одержана електрична енергія знову перетворюється в тепло на місці її використання.

При одержанні електричної енергії виділяється зайве тепло, яке необхідно кудись відводити. Коли такі теплові відходи викидаються в навколишнє середовище, це може призвести до серйозних наслідків. Ось чому надлишок тепла в навколишньому середовищі класифікується, як теплове забруднення.

Багато праць присвячено тепловому впливу на живі організми у зв'язку з місцем розташування теплових електростанцій. Ці дослідження показали, що явно небезпечний вплив здійснюють ті електростанції, які розташовані в більш теплих кліматичних областях, оскільки організми, що живуть там, часто потрапляють в умови, близькі до верхньої температури межі виживаності.

Розв'язати проблему теплового забруднення можна двома шляхами - знайти надлишковому теплу корисне використання, або перейти на охолодження замкненого типу з використанням ставків охолоджувачів.

Охолодження замкненого типу має дві переваги. По-перше, якщо тепло передається від охолоджувальної води в атмосферу, то немає необхідності викидати охолоджуючу воду в озеро чи в річку. Тим самим усувається небезпека підігрівання водних організмів. По-друге, зменшується не тільки теплове забруднення, але й кількість охолоджуючої води, яка забирається з річок, скорочується на кілька відсотків порівняно з кількістю, яка необхідна при охолодженні відкритого типу. Справа в тому, що одна і та ж вода знову і знову використовується для охолодження відпрацьованої пари з турбін. У результаті кількість води, яка забирається на потреби електростанцій, значно скорочується, що дозволяє використовувати воду з іншою метою.

У деяких країнах світу вже відчувається нестача органічного палива, і вона тим гостріша, чим вищий промисловий потенціал.

Світові запаси твердого палива оцінюють трохи більше, як 10 000 мільярдів тон. Найбільша частка природних запасів цього виду палива припадає на СНД, США і Китай. Становище із запасами нафти складніше. Вважається, що природні запаси нафти в світі становлять приблизно всього лише 100 мільярдів тон і, враховуючи зростання енергоспоживання, вони можуть бути використані протягом 50 або й менше років [7].

1.2 Економічні проблеми теплоенергетики

Протягом декількох останніх десятиліть теплоенергетиці в нашій країні не приділялося належної уваги. Ефективність використання палива практично у всіх теплоенергетичних установках значно нижче, ніж на Заході. Так, КПД енергоблоків, що роблять електроенергію, на 7-10% нижче, ніж у США чи Німеччині.

Втрати енергії палива в газових турбінах, двигунах внутрішнього згоряння на 5-13% вище, ніж у закордонних. Теплові втрати в наших промислових печей у 1,5-2 рази більше, ніж у західних. Але не тільки відсутність належної уваги привела українську теплоенергетику в настільки жалюгідний стан. Багато років ціни на паливо були штучно занижені. У колишньому Радянському Союзі практично були відсутні які-небудь економічні стимули для економії палива. Можна навіть сказати, що економічного фактора в розвитку теплоенергетики реально не існувало.

Тепер у нашій країні інше становище. Ціни на паливо в порівнянні з тими, що були в СРСР, стали в кілька разів вищі. Свого палива не вистачає, і велику частину його приходиться закуповувати за валюту за кордоном. Паливна складова собівартості практично всіх товарів, вироблених в Україні, виросла майже в три-чотири рази, на 30-70% упав їхній експортний потенціал. Здавалося б, така ситуація повинна викликати могутній імпульс для швидкого впровадження нових енергозберігаючих технологій у народне господарство.

Однак сьогодні, як і до стрибка цін на паливо, ефективність виробництва електроенергії і теплоти поки залишається на колишньому рівні: коефіцієнт корисної дії теплових електростанцій низький 35-39% (у вугільних і того менше), 60-80% енергії палива промислові печі даремно викидають в атмосферу, енергія більшості органічних відходів промисловості і сільського господарства практично не використовується.

У результаті в Україні склалася парадоксальна ситуація. З одного боку, значний ріст цін на паливо, низька ефективність його використання створили потужний економічний стимул для впровадження нових енергозберігаючих технологій у практику. З іншої в ряді інститутів нагромадилося багато нових розробок, упровадження яких могло б істотно скоротити витрата палива в Україні. Але, як і колись, більшість з них залишаються незатребуваними. Неозброєним поглядом видно: дія економічного стимулу штучно блокується. Цьому, головним чином, сприяє те, що в умовах вкрай обмежених фінансових ресурсів у правовому полі України панує суб'єктивний фактор.

Сьогодні вільний ринок нових розробок у країні відсутній. Його, по суті, замінили своєрідним механізмом силового проштовхування яких-небудь розробок переважно за допомогою адміністративно-командної системи. Інакше не можна пояснити той факт, що ще і сьогодні основні фінансові потоки обходять стороною головні джерела втрат палива в Україні. З його загального споживаної кількості 70% йде на таке виробництво теплоти в промислових і комунальних котельнях, при якому виробляти додаткову електроенергію немає ніякої можливості [8].

Подальше штучне ігнорування економічних стимулів розвитку теплоенергетики може серйозно підірвати енергетичну безпеку України. Потрібна інша державна енергетична політика, що дозволила б закріпити нові правила гри на ринку науково-технічних розробок. Головним пріоритетом у новій державній енергетичній політиці на даному етапі повинні стати проблеми теплоенергетики. Саме тут лежать основні фінансові ресурси, що можуть бути вивільнені за рахунок підвищення ефективності використання палива. Назвемо деякі з них:

1) сьогодні теплоенергетичні установки України споживають у рік вугілля, мазуту і природного газу таку кількість, що еквівалентно 162 млн. т у.п. Це наносить Україні колосальний фінансовий збиток, оскільки паливо нам доводиться закупляти за міжнародними цінами. Корисної ж енергії ми одержуємо в 1,2-2 рази менше, ніж на Заході. Якби удалося хоча б на 1% підвищити ефективність використання палива українськими теплоенергетичними установками, то втрати можна було б скоротити на 100 млн. доларів США;

2) якщо порівнювати питоме споживання енергії на одиницю виробничої продукції, то виявляється, що в Україні воно в 3-4 рази вище, ніж на подібних підприємствах у Західній Європі. Така велика різниця в енерговитратах свідчить не тільки про низьку ефективність української теплоенергетики, але ще і про наявність тут великих резервів для економії палива;

3) сьогодні наші електростанції по ефективності використання палива набагато уступають західним. Ці електростанції наносять великий економічний і екологічний збиток: їм приходиться працювати на низькосортних вугіллях, зольність яких перевищує 35%, витрачати на підсвічування багато мазуту і природного газу. Якби дану проблему можна було вирішити за рахунок використання дешевої і швидкореалізованої технології спалювання низькосортних вугіль, то для України відкрилися б великі додаткові фінансові ресурси;

4) практично не використовуються органічні відходи промислового і сільськогосподарського виробництв (солома, опилки, тріска, побутове сміття, соняшникова лузга і т.д.). Застосування їх у теплоенергетичних установках дало б можливість істотно скоротити споживання таких дорогих видів палива, як вугілля, мазут і природний газ. Щорічно в Україні утвориться близько 40 млн. т таких відходів. Якщо їх задіяти, то можна скоротити покупку природного газу на 15-30 млрд. м³ у рік. Практично не використовуються паливні ресурси типу торфу. А їхні запаси сьогодні оцінюються в 2,2 млрд. т у.п. Мало енергії добувається з місцевих бурих вугіль;

5) в даний час в Україні мається велике число пробурених скважин. Видобуток теплоти з них допоміг би зберегти 12,6 млн. т у.п. Тим часом, і такий великий резерв економії палива практично не задіяний;

6) сьогодні ефективність більшої частини вітчизняних сушилок знаходиться на рівні 25-35%. Якщо ж мати на увазі, що нині 8% всієї енергії, що добувається у світі, йде на сушіння, то легко представити, які великі резерви економії палива має ця галузь.

Зрозуміло, що ресурси, згадані в приведеному переліку, не лежать на поверхні. Їхній видобуток сполучений зі значними труднощями наукового, технічного, економічного й організаційного характеру. Зараз, з огляду на фінансові можливості України, варто відмовитися від існуючого ще з часів Радянського Союзу методу “навалу”, суть якого полягає в тому, що з будь-якою проблемою можна справитися, якщо на неї навалитися усім світом [15].

Проблема ресурсозбереження нині життєво важлива для української держави. Адже, хоча населення України нині становить лише 1% усього населення планети, ми споживаємо 2% всіх енергоресурсів Землі - тобто у двічі більше середньостатистичного землянина. Якби Україна зменшила споживання енергоресурсів хоча б удвічі, вона б цілком могла б стати незалежною енергоресурсною державою. Але для цього необхідно проводити сучасні методи нафтогазодобування, вводити в експлуатацію нові розвідані родовища, відносити старі свердловини і пробурити нові, на вже начебто використаних родовищах, розвивати вугільну промисловість, розширити видобуток бурого вугілля, торфу, увести до ладу нові потужності гідроелектростанцій, запровадити режим суворої економії енергоресурсів та електроенергії хоча б на побутовому рівні. Нині ж Україна забезпечує себе власними енергоресурсами лише на 20%, сплачуючи за російський газ ціну вище світової [2].

Якщо оцінювати потенціали енергозбереження у секторах економіки України, то слід визнати, що не електроенергетика (“велика енергетика ”) має найбільший потенціал у галузі енергозбереження (вона споживає 22-23% котельно-пічного палива, яке використовується в країні), а промислова, житловокомунальнопобутова теплоенергетика і теплотехніка (споживається близько 70 % такого палива). Саме в цих галузях паливно-енергетичного комплексу зосереджено основний потенціал збереження енергоресурсів. Але сьогодні головними постачальниками тепла є котельні і теплові електростанції [4].

За умов обмеження коштів у паливно-енергетичному комплексі України найближчим часом не вдасться спорудити потужні капіталомісткі об'єкти енергетики довготривалого будівництва (для цього потрібно 8-10 років). Необхідно орієнтуватися на реалізацію інноваційних проектів із залученням вітчизняних та іноземних інвестицій для створення сучасних конкурентоспроможних, швидкоокупних, енергоефективних й енергозберігальних екологічно чистих технологій та установок, що потребують порівняно невеликих капіталовкладень і термінів будівництва (не більше 2--3 років). Випробувані у промислових умовах нові технології, обладнання, вимірювальні прилади та системи керування спроможні швидко забезпечити технічне переобладнання діючих і спорудження нових об'єктів теплоенергетики з істотним підвищенням ефективності енергогенерування та енерговикористання і поліпшенням екологічних показників.

Однією з галузей, яка потребує комплексної модернізації, є комунальна теплоенергетика. У житлово-комунальній теплоенергетиці України виникла ціла сув'язь техніко технологічних, екологічних, економічних та соціальних проблем. Тому завдання комплексної модернізації комунальної теплоенергетики є надзвичайно актуальним для держави, оскільки така модернізація підвищить її енергетичну безпеку. Пріоритетними напрямами розвитку комунальної та промислової теплоенергетики є:

1) розробка і впровадження нових котлоагрегатів, технологій комбінованого виробництва тепла та електроенергії (когенерація);

2) застосування технологій та обладнання для утилізації теплоти відхідних димових газів;

3) залучення нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії, місцевих паливно енергетичних ресурсів;

4) широке використання приладів, систем контролю, автоматизації і керування енергетичними об'єктами.

Кардинальні зміни у теплоенергетиці та опалювальних системах неможливі без освоєння серійного виробництва основних видів сучасного обладнання, зокрема котлів. Інститутом технічної теплофізики НАН України розроблено високоефективні опалювальні котли потужністю від 0,63 до 2 МВт, які вже є у серійному виробництві [9].

Останніми роками посилюються тенденції децентралізації енергетики. Одна з таких тенденцій - когенерація, а саме - створення малих теплоелектроцентралей малої і середньої потужності з використанням сучасних газотурбінних і газопоршневих двигунів як надбудов над існуючими котельнями, технологічними печами у муніципальній та промисловій теплоенергетиці. Така технологія виробництва теплоти й електроенергії з термодинамічного погляду ефективніша порівняно з тим, коли електроенергія генерується на електростанціях, а теплопостачання забезпечують котельні.

Якщо традиційні установки комбінованого виробництва енергії - теплові електроцентралі - мають коефіцієнт корисного використання палива 75-78%, то когенераційні установки на базі теплофіксаційних котелень - 90-92%. Необхідні капіталовкладення - 300-600 дол. США на 1 кВт встановленої потужності. Термін їх окупності всього 2-4 роки, введення в експлуатацію - 1-1,5 року. Така технологія виробництва електроенергії може дати Україні до 16 млн кВт електричних потужностей. Реалізувати ці проекти слід з техніко-економічним обґрунтуванням для конкретних умов та комплексним розв'язанням проблем підвищення ефективності роботи котла.

Загалом з реалізацією усіх перелічених заходів можна досягнути економії і вивільнити понад 20 млрд м³ природного газу на рік. Здійснення запропонованої програми сприятиме виконанню низки ратифікованих Україною міжнародних угод і договорів щодо охорони довкілля, зокрема Кіотського протоколу до Рамкової конвенції ООН про зміну клімату. Крім того, якісне, безперебійне і задоступними цінами постачання населення України енергоносіями - один з магістральних напрямів зниження соціальної напруженості у суспільстві [10].

Державна політика в галузі теплоенергетики керується на підставі Закону України «Про теплопостачання» (2633-IV), Закону України “Про житлово-комунальні послуги” (1875-IV), Закону України “Про комбіноване виробництво теплової та електричної енергії (когенерацію) та використання скидного енергопотенціалу” (2509-IV), Закону України “Про Загальнодержавну програму реформування і розвитку житлово-комунального господарства на 2004-2010 роки” (1869 - IV); розпорядження Кабінету Міністрів України “Про схвалення Енергетичної стратегії України на період до 2030 р”. (145-2006-р), розпорядження Кабінету Міністрів України “Про затвердження плану заходів на 2006-2010 роки щодо реалізації Енергетичної стратегії України на період до 2030 року” (436-2006-р), Стратегічного плану роботи Мінжитлокомунгоспу України, підготовленого на виконання доручення Кабінету Міністрів України (протокол №34 від 09.07.2008 р.) [11].

Отже, теплові електростанції є найпоширеніші в Україні, які за характером обслуговування споживачів є районними. Вони виробляють майже 2/3 усієї електричної енергії в державі. За останні 30 років потужність цих станцій зросла у 5 разів. Частка вугілля в структурі палива, яке використовують теплові електростанції, велика. Їх перевагою є відносно вільне розміщення та вдвоє менший обсяг капіталовкладень.

Теплова енергетика України, створення якої фактично завершилось у 70-80 роках після введення в експлуатацію великих теплових електростанцій потужністю до 3000 МВт, останнім часом гостро відчула залежність від імпортних поставок палива, переважно природного газу та мазуту. Водночас даються взнаки і наслідки скорочення обсягів вітчизняного видобутку основного палива - вугілля при зниженні його якості. Не варто забувати і про старіння енергетичного обладнання станцій - у середньому в галузі знос становить майже 70%. Це призвело до зниження коефіцієнта корисної дії з розрахункових 37-39% до 30-33%.

Економічного фактору в розвитку теплоенергетики реально не існувало і подальше ігнорування економічних стимулів може серйозно підірвати енергетичну безпеку України. Країні потрібна нова енергетична політика.

Енергетична галузь - одна з основних галузей промисловості, від функціонування якої залежить не лише економічний стан країни, так як вона є основою технічного процесу, а й екологічний - за масштабами впливу на навколишнє середовище ця галузь посідає одне з перших місць.

В результаті спалювання палива в навколишнє середовище потрапляють такі забруднюючі речовини: летка зола, сірчистий і сірчаний ангідрид, оксиди вуглецю і азоту, сполуки ванадію, солей натрію і ін. Що призводить до виникнення кислотних дощів, погіршення стану здоров'я населення (зниження імунітету) та теплового забруднення. Проблема полягає в тому, що системи, які б мали запобігати потрапляння цих речовин в навколишнє середовище на сьогоднішній день майже не працюють або взагалі відсутні і потребують значних удосконалень.

2. Характеристика твердопоживних котлів

2.1 Види та характеристики котлів на різних видах палива

Твердопаливні котли. Однією з головних переваг твердопаливних котлів є доступність та низька ціна палива. Такі котли є незамінними у місцях де відсутні газопроводи та лінії електропередач. На заході України, де розвинена деревообробна промисловість, побоюватися, що „засіки” котеджу нічим буде заповнити, не доводиться. В кінці кінців, більшість сільського населення нашої країни до цих пір опалює будинки твердим паливом.

Тепло від дров дешевше, ніж від вугілля, приблизно в 1,5-2 рази, від солярки, - у 8-10 разів і навіть на якісне тверде паливо типу сортованого антрациту ціна зазвичай виявляється нижче, ніж на солярку. До того ж частина твердопаливних котлів можуть працювати взагалі без електрики (чого не скажеш про котли на газі, солярці або про електрокотли).

Обладнання, що використовує тверде паливо, досить різноманітне. Навіть не існує його суворої класифікації. Тому умовно розділимо ці пристрої на три групи: котли традиційні (використовують тільки тверде паливо: вугілля, дрова, торф і т. , ККД 40-50%.), піролізні (газогенераторні, ККД р - 84-88%), твердопаливні комбіновані (тверде паливо, газ, солярка). Головна перевага комбінованих в тому, що з ними простіше пристосуватися до місцевих умов проживання. Наприклад, почати опалювати будинок дровами, а після газифікації району поставити на котел газовий пальник (атмосферного типу, не вимагає електроживлення, або вентиляторна).

Переваги твердопаливних котлів:

а) ціна та доступність палива;

б) у деяких видах котлів - відсутність потреби у електроенергії.

Недоліки твердопаливних котлів:

а) необхідність підвозити паливо;

б) необхідність час від часу підкидати паливо;

в) неможливість точного контролю температури (неможливо швидко запустити і зупинити процес горіння);

г) необхідність котельні з димоходом.

Газові котли. Перш за все, вам доведеться „зібрати” чимало документів: дозвіл на підведення до будинку газопроводу, дозвіл на застосування даного котла з даним пальником або з іншими моделями пальників з певного переліку, акт про розмежування повноважень між покупцем, трестом газового господарства та сервісною службою і ще кілька різних паперів. Прокладка газової труби обійдеться вам близько 50 $ за погонний метр. Головне джерело проблем при встановленні газового котла - падіння тиску газу (особливо в зимовий час) до рівня 6-8 мбар (60 - 80 мм вод. Ст.). При цьому багато імпортних пальників перестають нормально працювати, оскільки розраховані на європейські норми тиску (від 15 до 20 мбар). Доводиться шукати котел з більш надійними пальниками.

Основною перевагою газового котла є теперішня низька ціна газу для населення та простота в експлуатації: не треба стежити, чи достатньо палива, - газ подається постійно. Є котли, які можуть працювати від балонного газу, але це дорого: котел через 2-3 місяці стане просто „золотим”.

Переваги газових котлів:

а) дешевизна палива(є тенденція до подорожчання);

б) автоматична доставка та подача палива;

в) можливість чітко регулювати температуру в приміщенні;

Недоліки газових котлів:

а) необхідність в димоході;

б) при потужності вище 31 кВт необхідність в котельні;

в) необхідна велика кількість дозволів для встановлення;

г) небезпека пожежі - наявність відкритого полум'я та газової труби;

д) значна тенденція до подорожчання (запаси природного газу різко вичерпуються).

Рідкопаливні котли (часто їх називають дизельними). З ними немає паперової тяганини, але існують інші складності. Так, із-за підвищеного вмісту сірки у вітчизняному паливі продукти його згоряння вельми агресивні і до того ж посилюють корозію обладнання. Крім того, виникають додаткові клопоти з-за необхідності його фільтрації. У разі вибору такого типу котла палива на сезон потрібно досить багато (7-10 т). Для його зберігання та захисту від замерзання потрібні спеціальні баки (вартістю не менше $ 2000) та окреме приміщення. До того ж необхідно забезпечити можливість під'їзду заправника та подбати про періодичної очищення баків.

Електричні котли бувають двох основних видів - ТЕНові та електродні. Перший побудований на принципі іонізації спеціально підготовленої води, другий на принципі кип'ятильника. Виробляються на різні потужності 2-250 квт. Особливо вигідним є їх використання при техумовах на опалення: вартість 18,7 коп за кВт та при багатотарифноиу обліку: вночі вартість 7 коп за кВт.

Переваги електричних котлів:

а) автоматична доставка та подача палива;

б) можливість чітко регулювати температуру в приміщенні;

в) вважається найбезпечнішим видом палива (немає відкритого процесу горіння);

г) немає необхідності в димоході чи котельній;

д) вигідно для опалення вночі при багатотарифному обліку;

Недоліки електричних котлів:

а) висока вартість палива при звичайному обліку;

б) необхідність підведення великої потужності (20 кВт для опалення 250м²).

Теплові насоси - це сучасний опалювальний пристрій, який забирає тепло з навколишнього середовища та віддає його у будинок. Витрата електроенергії у ньому відбувається лише на живлення компресора та автоматики. Ефективність таких пристроїв досягає 500% .На 1 кВт затраченої електроенергії отримуємо 5 кВт тепла.

Переваги теплових насосів:

а) автоматична доставка та подача палива;

б) можливість чітко регулювати температуру в приміщенні;

в) вважається найбезпечнішим видом палива (немає відкритого процесу горіння);

г) немає необхідності в димоході чи котельній;

д) найекономічніший вид опалення.

Недоліки теплових насосів:

а) висока стартова ціна.

б) котли бувають одно-і двоконтурні. В першому випадку це один теплообмінник для живлення системи опалення. У другому випадку в конструкцію котла введений другий теплообмінник для живлення системи ГВП. Він може бути проточного або ємнісного (накопичувального) типу. Останній зазвичай називають бойлером і застосовують частіше проточного. Одноконтурні котли дешевше двоконтурних, але щоб мати в домі гарячу воду, до перших треба купувати бойлер. Зате останній можна вибрати і розмістити за своїм бажанням.

Сталеві теплообмінники можуть виконуватися у вигляді різних сполучень змійовиків, циліндрів і труб. Вони не так примхливі до умов обслуговування, як чавунні, але поступаються їм у стійкості до корозії. Тому по відношенню до них застосовують різні схеми роботи котла і циркуляції води так, щоб не виділялися шкідливі конденсати.

Мідні теплообмінники у вигляді змійовиків і труб застосовують звичайно для котлів малої потужності, настінного виконання. Вони потребують особливої уваги, оскільки при витоку води із системи відразу прогоряють.

Пальники. Газові пальники бувають двох типів: атмосферні (інжекторні) та вентиляторні. Рідкопаливні пальники роблять тільки вентиляторними (або „з наддувом”). Так їх розрізняють за способом утворення пальної паливо-повітряної суміші. Обидва типи пальників, за великим рахунком, „вичавлюють” з палива майже все можливе. Далі вже в конструкціях деяких котлів вдається провести додаткове спалювання продуктів згоряння палива і тим самим підвищити його ККД. (коефіцієнт корисної дії) і зменшити викид в атмосферу шкідливих оксидів.

Атмосферні пальники дешевше вентиляторних, працюють тихо і поставляються разом з котлом. Їх головний недолік - нестійке горіння при малому тиску газу в мережі, з-за чого полум'я „сідає” на пальник.

Автоматика відповідальність за безпеку роботи котла і бере на себе повсякденне управління роботою системи. Вона повинна забезпечувати також функції контролю: наявності полум'я, мінімального і максимального тиску газу, наявності дизпалива, витоків газу, наявності тяги в димарі, мінімальної та максимальної температури теплоносія і його циркуляції. Вибираючи котел, запитуйте, які з цих функцій виконуються пристроями, що входять в комплект поставки.

Щоб повніше використовувати всі можливості обраного котла, його треба правильно встановити на місці і з'єднати з розподільною мережею опалення і системою ГВП в загальну систему, тобто треба зробити обв'язку котельні.

Монтаж обв'язки котельні починають після введення газової труби та установки газового лічильника, виконання електропроводки, встановлення каналізаційних відводів та підведення холодної води. Котел повинен бути встановлений на підлогу з негорючим покриттям так, щоб був забезпечений доступ для його огляду й обслуговування, а спереду - і для достатнього доступу повітря. У приміщенні з обмеженим простором повинні бути зроблені вентиляційні отвори. При подачі повітря з вулиці впускний отвір повинен мати розмір з розрахунку 600 мм 2 на 1 кВт потужності котла. Вихідний димовідвідний отвір котла з'єднують зйомною трубою з отвором в стіні приміщення, що виходить в витяжну трубу будівлі - димар.

Димар - найважливіша ланка системи, що забезпечує тягу, причому таку, яка краще підходить для пальника котла. Надмірно довгі або великого перерізу димоходи можуть призвести до переохолодження димових газів, а отже до погіршення тяги і осідання їдкого конденсату, руйнівного для димар, аж до виходу з ладу за 5-7 років його експлуатації. Тому димоходи повинні бути газонепроникними, наприклад ретельно оштукатурені всередині, мати оптимальні розміри і отвори для чищення. У продажу є гарні димовідвідні труби з нержавіючої сталі (одно-та двошарові).

Обов'язковим елементом обв'язки є розширювальний бак, котрий використовується для компенсації витоків та теплового збільшення обсягу теплоносія. Його об'єм вибирають з розрахунку, але орієнтовно він дорівнює 10% від об'єму води в системі. При заниженому об'ємі бака можливе скидання гарячої води через запобіжний клапан, і тоді систему доведеться поповнювати (підживлювати) водопровідною водою. Хоча такий пристрій підживлення завжди включають в обв'язку, часте "підливання" води призводить до утворення накипу всередині системи і до корозії алюмінієвих радіаторів. Монтаж трубопроводів починають після закріплення бойлеру та розширювального бака. Монтують насоси, відводи повітря і брудовловлювачі. На котлі і бойлері встановлюють запобіжні та зливні крани. Трубопроводи закріплюють на підвісках так, щоб вага труб, в особливості газової труби, не передавався на котел. Потім встановлюють манометри, термометри, термостати і датчики температур [12].

2.2 Технічні характеристики твердопаливних котлів

Котельна установка - комплекс пристроїв і агрегатів, що забезпечують утворення водяної пари або гарячої води. Котельна установка складається з котла і допоміжного устаткування. Для котельних установок застосовують парові і водо-нагрівні котли. Котел - пристрій, в якому для здобуття пари або нагріву води з тиском вище атмосферного, які застосовуються за межами цього пристрою, використовується теплота, що виділяється при згоранні органічного палива, а також теплота газів, що утворюються. Котел складається з системи труб, об'єднаних між собою барабанами і камерами (колекторами). До складу котла можуть входити: топка, пароперегрівач, економайзер, повітронагрівач, каркас, обмурівка, теплова ізоляція, обшивка. До допоміжного устаткування котельної установки відносяться тягообдувні машини, пристрої очищення поверхонь нагріву, паливоподача, і підготовка пального в межах установки, устаткування шлако- і золовиділення, золоуловлюючі. Не входять в котел такі газоочисні пристрої: газоповітропроводи, трубопроводи води, пару і палива, арматура, арнітура, автоматика, прилади і пристрої контролю і захисту. А також до котла відносяться водопідготовче устаткування і димар [13].

Твердопаливні котли не втрачають своєї актуальності, їх асортимент досить широкий, але параметри вони мають подібні. В додатку А наведено технічно-експлуатаційні характеристики котла типу SAS GRO-ECO.

Котел опалення типу SAS GRO-ECO є низькотемпературним котлом з автоматичною системою подачі вугілля у топочну камеру. Котел обладнанийм корпусом, що охолоджується водою, виконаним із стальних листів.

Котел типу SAS GRO-ECO має конструкцію, пристосовану до високоефективного спалювання кам`яного вугілля сорту „горошок”, пелети, брикети. Основні елементи котла вказані на рисунку 2.1

Корпусом котла, який охолоджується водою, є паралелепіпед з двійними стінками, розділений водними перегородками. Топочна камера розташована під високоефективним, конвенкторним теплообмінником.

Котел функціонує, використовуючи дію вузла, який складається з:

а) шнекової подачі палива, яка приводиться в рух фоторедуктором;

б) самоочисної топки без решітки у формі чавунної реторти, виконаної у формі келиха;

в) вентилятора, нагнітаючого повітря до топки-реторти;

г) електронного контролера температури.

Рисунок 2.1 - Конструкція котла типу SAS GRO-ECO.

Паливо для процесу спалення пересувається автоматично з розташованого біля котла контейнера палива за допомогою гвинтової подачі. В чавунній реторті наступають всі процеси, скеровані на спалення палива, що подається, за участю повітря, яке постачається припливним вентилятором. Над вугільним пальником повішений чавунний дефлектор - відблискуюча випромінювальна плита, що скеровує теплове випромінювання на вугілля з метою спалення до кінця топочних газів та рівномірного розкладу продуктів згоряння у теплообміннику.

Зола, яка постає в кінцевій фазі згоряння, переміщається на боки реторти, після чого вона автоматично падає до камери зольника, в якій для експлуатаційної вигоди уміщена висувна полиця для золи.

Справна топка котла дозволяє спалювати таку кількість палива, яке необхідне для утримання температури, заданої користувачем на контролері. Контролер проводить постійні вимірювання температури води в котлі і на основі цих даних управляє роботою автоматичної подачі палива та вентилятора. Одночасно контролер управляє роботою циркуляційного насосу ц.о. (якщо устаткування обладнано насосом).

Перевагою роботи котла у цьому режимі є просте обслуговування, що полягає на періодичному додаванню палива у контейнер (засипну корзину) та усуненню золи з зольної полиці без необхідності погашення котла. Після розпалення котел не вимагає постійного обслуговування, а його експлуатація може відбуватися, в принципі, безперервно під час всого опалювального сезону. Котел може також працювати після опалювального сезону в системі з бойлером на гарячу експлуатаційну воду.

Трьохтягова конструкція каналу топочних газів котла забезпечує повне використання тепла продуктів згоряння для води устаткування центрального опалення. Також верхня частина топочної камери закрита водною оболонкою. Димові гази виходять в димохід через димовий канал, розташований позаду котла. Димовий канал обладнано вбудованим дросельним клапаном продуктів згоряння, який у випадку надто високої тяги у димоході дає можливість її понизити. З боку димового каналу знаходиться очисний отвір.

Топочні дверцята (для подачі палива, та зольні дверцята знаходяться на передній стіні котла. Топочні дверцята дають доступ до реторти для розпалення котла та періодичного очищення.

У верхній частині котла під кришкою заходиться люк верхнього очисного отвору. Він дозволяє легко чистити касети теплообмінника. А дверцята бокового очисного отвору дають можливість усунути осідаючий пил.

У верхній частині теплообмінника приварений патрубок гарячої води , а в нижній, на задній стіні, - патрубок зворотної води. Спускний патрубок розташований на боковій стіні котла. Вся конструкція теплообмінника обкладена ізоляційним матеріалом - мін-ватою, яка заповнює простір між теплообмінником та корпусом котла [14].

2.3 Екологічні характеристики твердого палива

Основним видом палива для твердопаливних котлів являється вугілля. За останні 1520 років зольність твердого палива зросла від 26 до 3538%, вологість від 8 до 10%, а теплотворна здатність знизилася до 1719 МДж/кг. Частка виробництва енергії на вугільних електростанціях зростає. Відповідно відходи від твердопаливних котлів ускладнюють і без того непросту екологічну ситуацію в країні. Відомо, що загальна маса відходів теплоелектростанції перевищує масу використаного палива за рахунок кисню й азоту повітря, що беруть участь у реакціях горіння. Відходи, що утворилися, надходять в усі геосфери: атмосферу, гідросферу, розміщаються на поверхні літосфери [15].

Склад відходів, що попадають в атмосферу, залежить від хімічного складу палива, режимів горіння і прийнятої системи очищення. Вуглецева складова палива переходить у діоксид вуглецю (продукт повного згоряння палива) у випадку кінетичного режиму горіння й у токсичний оксид вуглецю (продукт неповного згоряння палива) при реалізації дифузійного режиму горіння.

Азот, що входить до складу вугілля, частково окисляється й утворить “паливний” оксид азоту (до змісту азоту в паливі менш 0,01%), інша частина азоту палива переходить до складу хінолінів, піридинів, нітридів, аміаку і молекулярного азоту, обумовлених у складі димових газів. Органічна сірка палива утворить при горінні палива диоксид сірки. Термоліз сульфатів, що входять у баласт палива, приводить до утворення триоксида сірки.

Крім газоподібних продуктів горіння в димових газах присутні недопалені частки палива, а також частки мінеральної частини палива баласту, що мають розміри менш 100 мкм і утворюючі золу виносу. Присутні в димових газах кислотні оксиди азоту і сірки, розчиняючись в атмосферній волозі, утворюють суміш азотної, азотистої і сірчистої кислот і є причиною кислотних дощів[16].

Особливу небезпеку представляють стічні води системи гідрозоловилученняення (ГЗУ), що можуть бути дуже агресивні (рн12) і тримати в розчиненому стані шкідливі і токсичні компоненти баласту палива (фториди, миш'як, ізотопи урану, калію, торію та ін.). Дуже агресивні і токсичні стічні води, що утворяться в результаті проведення профілактичних і ремонтних робіт з хімічного очищення устаткування. У їхній склад входять мінеральні (соляна, сірчана) і органічні (лимонна, оцтова, щавлева) кислоти [17].

Сьогодні в світі твердопаливні котли отримали друге життя. Вони є доступними та мають низьку ціну палива. Значне подорожчання газу та удосконалення конструкцій відновили зацікавленість до забутого виду опалювального обладнання. Більшість сільського населення нашої країни до цих пір опалює будинки твердим паливом. Сьогодні коефіцієнт корисної дії твердопаливних котлів наблизилось до рівня газових котлів, обладнання має регулятори температури, запобіжну арматуру. Експлуатація твердопаливних котлів нині є простою, чистою та доступною звичайному користувачеві.

Твердопаливний котел може бути застосований як незалежне джерело тепла чи бути інтегрованим в існуючу систему опалення в якості резервного. Виробництво сталевих водогрійних котлів на твердому паливі теплопродуктивністю 100 кВт-1000 кВт допомогло вирішити проблеми опалення підприємств, громадських закладів (лікарні, школи) та житлових будинків. Сучасний твердо паливний котел вмістив в собі принципово нову конструкцію котла, яка суттєво покращує технічні характеристики виробу, що дає можливість споживачам значно економити кошти. Ці котли працюють практично на всіх видах твердого палива. Коефіцієнт корисної дії агрегатів підвищується за рахунок того, що в камеру згоряння котла вдувається тепле повітря з температурою 30-60 С, але при цьому не відкривається камера згоряння для завантаження палива, що унеможливлює проникнення холодного повітря в топку і тим самим не охолоджує її. Переваги твердопаливного котла:

1. економія палива;

2. низька собівартість;

3. малі габаритні розміри та вага;

4. оригінальний дизайн;

5. простий і надійний в експлуатації;

6. регулювання параметрів теплоносія за допомогою термостата;

7. відсутність в потребі електроенергії (у деяких випадках).

Таким чином, збільшення частки вугільних теплоелектростанцій у системі енергозабезпечення України з одночасним погіршенням якості використовуваного викопного органічного палива збільшує кількість відходів, що надходять в стан навколишнього середовища, але лише в тому випадку, коли відсутня система очищення. Так для уловлювання газоподібних викидів мають використовуватись фільтри різних видів, а з таку проблему як утилізація золи можна вирішити шляхом використання її у виробництві цегли і гравію. Звичайно наслідки використання котлів на твердих видах палива можуть мати фатальні наслідки для навколишнього середовища, але так можна стрверджувати про будь-яку галузь виробництва. Все залежить від людей, від законодавства, яке має бути вдосконаленим, від заходів, які ми приймемо, для гармонії між екологічною і економічно політиками.