Использование вторичного топлива и углей местных месторождений в котлоагрегатах малой мощности для энергоснабжения отдаленных районов Забайкальского региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Использование вторичного топлива и углей местных месторождений в котлоагрегатах малой мощности для энергоснабжения отдаленных районов Забайкальского региона

Специальность 05.14.14 - «Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты»

Жалсанова Нина Александровна

Улан-Удэ - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дамбиев Ц. Ц.(ВСГТУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Степанов В.С.(ИрГТУ)

кандидат технических наук, доцент

Бадмаев С.С. (БГУ)

Ведущая организация ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Защита состоится « 22 « октября 2009 года в ____часов 00 мин на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.03 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская,40 «в», ВСГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «____» сентября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Б.Б.Бадмаев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в энергоснабжении отдаленных районов Забайкальского региона сложилась непростая ситуация в использовании топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Связано это с высокой себестоимостью отпускаемой тепловой энергии, слабым уровнем диверсификации топлива и энергосбережения в целом, что ставят вполне закономерно сформировавшийся вопрос о поисках новых видов энергоносителей и возможных путей снижения их стоимости. Колоссальное количество работы, требующееся для поддержания устойчивости экосистем, определяется не только величиной свободной удельной энергии, накопленной в них, но и запасённой в мортмассе (подстилке, гумусе, торфе, навозе, кизяке), древесине и биогенных карбонатах. Углерода содержащие вещества представляют собой кладезь экосистемы, ежегодно пополняемую животными, за счёт аккумулирования растительного углерода, концентрированного в растениях под воздействием протекающих биологических процессов с использованием природных источников энергии Поэтому для сельской местности, особенно отдаленных районов, в качестве энергоносителей актуальным является использование вторичного топлива и углей местных месторождений в котлоагрегатах малой мощности местных котельных. топливо энергетический котел забайкальский

Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования процессов горения вторичного топлива, углей местных месторождений и их смесей в различных сочетаниях в котлоагрегатах малой мощности, модернизация котлоагрегатов малой мощности на основе использования вторичного топлива с углями местных месторождений.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана технология получения вторичного топлива в отдаленных районах Забайкальского региона и экспериментально определены их физико-химические свойства.

2. Проведены экспериментальные исследования процессов горения вторичного топлива, углей местных месторождений и их смесей в различных сочетаниях в котлоагрегатах малой мощности.

3. Предложена математическая модель энергетического баланса для котлов малой мощности, учитывающая различие применяемых топливно-энергетических ресурсов и направленность работы котельного агрегата.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается экспериментальными и расчётными данными, квадратичная погрешность которых не превышает 5%. Достоверность результатов обусловлена широким диапазоном объектов исследования и их параметров, удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований автора, сопоставлением и подробным анализом известных зависимостей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Технология получения двух вариантов вторичного топлива в отдаленных районах Забайкальского региона.

2. Анализ процессов горения вторичного топлива, углей местных месторождений и их смесей в различных сочетаниях в котлоагрегатах малой мощности.

3. Модель теплового баланса котлоагрегата малой мощности на основе использования вторичного топлива с углями местных месторождений в различных сочетаниях.

Практическая ценность полученных исследований позволила модернизировать котлоагрегаты малой мощности на основе использования вторичного топлива с углями местных месторождений в различных сочетаниях. Результаты работы внедрены в сельскохозяйственных кооперативах Ононского района Забайкальского края.

Методы исследования основаны на применении методик определения состава топлива, теории подобия в теплотехническом эксперименте, теории линейного программирования и математического моделирования и экспериментальных методов определения топливно-энергетических балансов котельных агрегатов малой мощности.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-практической конференции и выставки аспирантов, молодых ученых в УрГТУ - УПИ (г. Екатеринбург, 2005, 2008 г.); международной научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых в ЮУрГУ (г. Челябинск, 2006-2007 гг.); научно-технической конференции (2005-2008 гг.), проводимых в ВСГТУ и БГСХА (г. Улан-Удэ); международной научно-практической конференции «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (г. Улан-Удэ, 2008 г.); I международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, опыт применения» (2008 г.) и «Проблемы безопасности жизнедеятельности Забайкальского края» (Вестник МАНЭБ ЧитГУ, г. Чита, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных статей, в которых отражено основное содержание работы, из них две статьи напечатаны в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержит 137 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 137 источников.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность и научная новизна темы диссертации, сформулированы цели исследования.

В первой главе приведен экономико-энергетический анализ состояния ТЭКа Забайкальского региона, который показал, что при значительном энергетическом потенциале, практически повсеместно, особенно в отдаленных районах, наблюдается недостаток ТЭР. Динамика потребления котельно-печного топлива на протяжении последних семи лет, начиная с 2001 года, показывает необходимость диверсификации ТЭР и использования возобновляемых источников энергии, включая вторичные энергоресурсы. Это позволит снизить тарифы на энергоносители для удаленных районов Забайкалья на 30%. Поэтому необходимо стимулировать поиск альтернативных решений в области малой энергетики с применением более дешевых, доступных и экологически чистых видов топлив. Далее произведен анализ путей использования возобновляемых источников энергии, в том числе вторичных энергоресурсов. У возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности вторичного топлива, имеется ряд преимуществ с экологической точки зрения по сравнению с традиционными источниками энергии. Кроме того, сочетание использования вторичного топлива, приготовленного из овечьего кизяка и навоза КРС с углями местных месторождений, будет наиболее простым, экономичным и технически оправданным. В таблице 1 показана динамика воспроизводства и запасы вторичного топлива в Ононском районе с 1990 года.

Таблица 1 Динамика воспроизводства вторичного топлива на примере Ононского района (тыс.т)

Показатели	1990	1995	2000	2005	Общие запасы
КРС(навоз)	142,34	161,2	194	208	805,54
Овец (кизяк)	277,5	291,6	313	255	1137
Итого	419,84	452,8	507	463	1942,54

Только в одном Ононском районе Забайкальского края запасы вторичного топлива в виде навоза КРС и кизяка овец составляют с 1990 года около 2 млн. т. А общий потенциал вторичного топлива по Бурятии и Забайкальскому краю составляет 41 млн. т. Данные запасы в определенной степени сопоставимы с запасами углей Забайкальского края и Бурятии.

Потенциал угольных ресурсов Забайкальского края приведен в таблице 2.

Таблица 2 Общие ресурсы углей Читинской области на 01.01.2006 г. (тыс.т)

Месторождение, объект, участок	Балансовые запасы	Прогнозные ресурсы, соответствующие кондициям балансовых запасов	Всего ресурсы
	А+В+С1	С2	А+В+ С1+С2	Р1	Р2	Р3	Р1+Р2+Р3
1	2	3	4	5	6	7	8	9
А.Бурые угли
Тарбагатайское	34155	183	34338	57000	12000	-	69000	103338
Харанорское	880730	-	880730	-	263000	-	263000	1143730
Кутинское	85272	-	85272	43000	-	-	43000	128272
Татауровское	497688	-	497688	-	117000	-	117000	614688
Иргенское	40983	-	40983	-	-	-	-	40983
Даурское	58365	-	58365	-	-	-	-	58365
Пограничное	187467	-	187467	-	-	-	-	187467
Тасейское	79124	-	79124	13000	-	-	13000	92124
Приозерное	87969	100823	188792	-	-	-	-	188792
Уртуйское	118915	3751	122666	5000	-	-	5000	127666
Арбагаро-Холбонское	60995	-	60995	-	-	-	-	60995
Тангинское	-	-	-	-	100000	270000	370000	370000
Буртуйское	-	314	314	-	-	-	-	314
Сохондинское	-	-	-	11000	-	-	11000	11000
Всего бурые угли	2131663	105071	2236734	129000	492000	270000	891000	3127734
Б.Каменные угли
Букачачинское	12330	-	12330	-	-	-	-	12330
Олонь-Шибирское	250942	-	250942	-	-	-	-	250942
Красночикойско	83236	-	583236	-	-	-	-	583236
Зашуланское	168	441	-	168441	-	-	-	168441
Апсатское	178891	797000	975891	1249000	-	-	1249000	2224891
Читкандинское	12549	3083	15632	171000	276000	-	447000	462632
Нерчуганское	-	8668	8668	16000	-	-	447000	462632
Шимбиликское	-	24153	24153	-	-	-	-	24153
Урейское	117	894	1011	1000	49000	-	50000	51011
Всего камен- ные угли	1206506	833798	2040304	1437000	325000	-	1762000	3802304
Итого ресурсы углей Чит.обл. на 01.01.2006	3338169	938869	4277038	1566000	817000	270000	2653000	6930038

Прогнозные ресурсы угля Гусиноозерского месторождения 640 млн. т, Загустайского 180, по Иволга-Удинской площади 210, Краснояровскому месторождению 130, Ушмунской площади 200, Тункинской 1500, Ахаликскому месторождению 1500, Прибайкальской площади 900 млн. т. Кроме этого, по результатам геологического картинирования учтено 2800 млн. т прогнозных ресурсов бурого угля, в том числе по Кижинго-Кудинской площади 300 млн. т, Баргузинской 1000, остальные 1500 млн.т по прочим площадям. Наиболее перспективные это угли Тугнуйского, Харанорского, Букачачинского и Татауровского месторождений.

Во второй главе рассматривается технология получения вторичного топлива в отдаленных районах Забайкальского региона. Применение вторичного топлива - кизяка, наиболее актуально в степной и лесостепной зонах Забайкальского региона. Поскольку химический состав и энергетический показатель C/N (соотношение углерода и азота в органической части вещества), зависящий от зоны природно-экономического региона предлагаемого вторичного топлива, имеет более высокие показатели. Экспериментальные данные, полученные для Забайкальского края и Бурятии, приведены в таблице 3.

Таблица 3 Химический состав и энергетический показатель вещества

Природно-экономический район	Содержание (%)	отнош-е C/N
	азота N	фосфор P2O5	калия К2О	золы	орг-го вещ-ва	воды	рН
Забайкальский край и Республика Бурятия	0,48	0,41	0,51	13,3	20,7	66,0	8,0	24

Сравнение этих данных с другими регионами Российской Федерации показывает, что из всех восьми зон самым энергетически насыщенным вторичным топливом является Забайкальский регион. При этом по сравнению с другими регионами он имеет более низкие показатели зольности и влажности.

Далее во второй главе рассматривается технология получение двух вариантов вторичного топлива. Получение вторичного топлива достигается путем изменения способов хранения материала. Первый вариант рыхлый сухой способ хранения. Навоз КРС из животноводческих помещений и выгульных площадок в стойловый период (зимой) закладывается в бурты. Каждый бурт представляет собой щитовой двухстеночный ряд с шириной между стенками 0,7-0,8 м и высотой 2,0-2,2 м, длина в зависимости от размеров хранилища. Опытные образцы щитов были выполнены из дерева в виде горизонтально направленных решеток (разрыв между стойками щита составил 10-15 см). Материал при закладке не прессуется, слеживается только под воздействием собственного веса, поэтому хранение назвали рыхлым. Работа в зимний холодный период времени при температуре ниже 3 ⁰С вызывает замерзание навоза (закладку можно проводить с октября по март) при чем теряется до 15% веса, в основном за счет испарения влаги. В буртах замерзший материал сохраняет кусковую форму. После заполнения бурты покрывают измельченной соломой, торфом либо другим материалом, позволяющим избежать прямого попадания влаги при осадках.

Хранение в буртах дает высокий процент аэрации, но потеря избытка влаги, которая требуется для протекания химических реакций разложения, приводит к пересыханию получившегося топлива, вызывая его консервацию (опытные данные показывают снижение влажности с 65-70% до 12-20%), которая не позволяет ему доходить до перепрелого состояния.

Кроме этого, химические реакции, успевающие протекать, влияют на вылет аммиачных соединений и разложение окислов, забирая кислород из соединений, забалластировавших топливо, результате чего, как показали опыты, снижается зольность вещества.

Второй вариант подходит для животноводческих комплексов по содержанию овец. Частично данный способ похож на вариант хранения навоза под животными, относящегося к плотно холодному хранению. Экскременты, выделяемые животными во время ночевки, в зимних стойбищах подвергаются значительному уплотнению. Во время выгула животных верхний слой навоза в стойбище культивируется, что заменяет подстилку (данный способ хранения можно назвать прессованный безподстилочный), вызывая, его подсыхание. В результате снижается химическая активность разложения при более низком проценте содержания влаги в овечьем навозе. Уборку овечьих кошар чаще всего производят путем выталкивания напрессованного слоя с помощью мощных тракторов, оборудованных фронтальными ножами, либо навешенным на гидронавесную систему трактора ковш, позволяющим подрезать не большие порции слои и вывозить их. В ходе разработки данной диссертационной работы была предложена и апробирована следующая схема. Подрезание слоя производили с помощью колесного трактора МТЗ-82 и агрегатируемой с ним сельскохозяйственной машины КТН-2В. В качестве модернизации для проведения данной работы с машины был демонтирован каскадный элеватор и вибрационная решётка. Это позволило снизить потери мощности двигателя на привод вала отбора мощности (ВОМ), что привело к сохранению кусковой формы подрезаемого слоя. По сравнению с существующими методами чистки кошар налицо ряд преимуществ:

1. Подрезание спрессованного пласта производится на чётко отрегулированную глубину, исключая возможность перемешивания с землёй (максимальная глубина хода ножей до 210 мм);

2. Уменьшение примесей увеличивает качество материала, нет выноса грунта из кошары;

3. Регулировка глубины прорезания позволяет регулировать толщину пласта, что облегчает его просыхание.

4. Мобильность навесной техники и небольшая ширина захвата агрегата -1,4 м позволяют быстро и качественно проводить работу (производительность 0,25...0,47 га/ч при скорости 1,8…3,4 км/ч).

5. Демонтаж каскадного элеватора дал возможность сохранить кусковую структуру (подрезанный слой разламывался на части размером от 15 до 35 см).

Сушку получившихся нарезок осуществляли в виде пирамидальных рядов небольшой высоты. Нарубленные просохшие брикеты складывали для хранения в бурт, шириной 3 и высотой 2,2 м (многие операции производились вручную, поэтому высота буртов несколько меньше, чем можно сделать при механизации процессов).

При проведении экспериментального химического анализа состава брикетов вторичного топлива лабораторные исследования дали следующие результаты.

Таблица 4 Химический состав вторичного топлива

№	Наименование показателя	Вид топлива
		КРС	кизяк
1	Зольность (А)	10,5…..13,3%	15,7…..23,0%
2	Влажность (W)	11……18%	16……22%
3	Органическая часть	42,0…..67,7%	41,0…..65,56%
4	Углерод (С)	34…..47%	41,03…..56%
5	Азот (N)	1,1……1,4%	1,2……1,45%
6	Водород (Н)	1,5…..3%	1,5…..3%
7	Кислород (О)	17….27%	9….18%
8	Сера (S)	0,00…0,01%	0,00…0,01%
9	Прочие	2…..3%	2…..3%

Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в виде топлива должна обосновываться: теплотворной способностью, выходом летучих, зольностью, влажностью, содержанием серы и реакционной способностью. Брикеты овечьего кизяка имеют более 56% содержания углерода при зольности 15,7% и влажности не более 20 %, брикеты пересохшего навоза КРС содержат около 12% влаги, 13,3% золы и около 50% углерода, что сравнимо с характеристиками углей местных месторождений. Поэтому применение вторичного топлива в виде брикетов овечьего кизяка и навоза КРС должно интенсивно применяться, особенно, для отдаленных районов Забайкальского региона.

В третьей главе рассматриваются экспериментальные исследования процессов горения вторичного топлива, углей местных месторождений и их смесей в различных сочетаниях в котлоагрегатах малой мощности, в качестве испытуемого объекта рассмотрены котельные малой мощности Ононского района Забайкальского края. Основным топливом в Ононском районе являются дрова (выпиливаемый подгар валёжник соснового бора заповедника «Даурский», возникшего из-за лесных пожаров). Большая часть данного топлива-это перепревшая древесина с пористой сердцевиной, содержащая большое количество влаги и обладающая низкой теплотой сгорания.

Анализ выбросов дымовых газов и твёрдых частиц показал, что при среднем расходе в 311 т древесины в год на каждый котельный агрегат выход составит: коксовые остатки 1,95 т/год; оксиды азота 0,1; диоксид азота 0,62; окись углерода 3,12; бенз(L)пирен 0,0000093684; сажа 0,948984086 т/год.

Для проведения опытов по сжиганию древесины и вторичного топлива была модернизирована отопительная котельная СПК «Красная Ималка». Проведены следующие работы:

1. Лицевая часть котла демонтирована, вместо неё установлена листовая сталь с двумя дверями: верхней - для подачи дров (равная половине диаметра жаровой трубы, что значительно облегчает трудоёмкость обслуживания и позволяет гораздо полнее загрузить котёл) и нижней размером 20*30, см для удаления золы. Колосниковые решётки удалены для увеличения объёма топочной камеры.

2. Низкое расположение котла в подвальном помещении и примыкание отапливаемого помещения позволили перевести агрегат в режим термосифона. Питательный насос и электродвигатель используется для пополнения системы питательной водой.

3. Коэффициент сопротивления системы снижен путём замены старых чугунных радиаторов стальными трубами прямой и обратной, диаметром 120 мм. Прямая труба выходит от расширителя и проходит на уровне от 0,9 м с уклоном до 0,8 м, обратная - от 0,4 до 0,3 м. Общий объём системы составляет 7,3 м³, объём расширителя -1,150 м³.

4. Задняя стенка котла заменена камерой кирпичной кладки из огнеупорного кирпича. В области данной камеры проходит к расширителю труба вывода прямого потока с целью интенсивного процесса теплоотдачи от уходящих дымовых газов к теплоносителю. Общий вид котла представлен на рис. 1а.

Рис. 1. а- внешний вид модернизированного котла КВ - 200;

б- горение остатков кизяка.

Пуск котла и его прогрев произвели согласно технической рекомендации по эксплуатации котлов данного вида. Просушенными дровами (для объединённой топочной камеры разовая загрузка составляла в среднем 0,125-0,160т) произвели розжиг. После устойчивого горения в течение 2,5 часов на верхний слой образовавшегося угля заложили слой вторичного топлива - брикеты овечьего кизяка. Хорошо прогретая, и держащая устойчивый нагрев угольная основа привела к быстрой активации топлива и выходу летучих. В среднем через 15 минут после загрузки топлива в котёл наблюдалось горение по всему объёму (разовая масса загружаемого топлива составила 0,135- 0,145т). При использовании вторичного топлива температура прямого потока теплоносителя в течение 0,5 ч поднималась максимально на 7 ⁰С по сравнению с дровами. Данное расхождение в пределах 3-7 ⁰С наблюдалось практически на всём протяжении работы котла.

Быстрый выход и активное горение летучих веществ, приводит к двойному эффекту: во-первых, горящий факел вызывает цепную реакцию горения по всему объёму, что влечёт за собой увеличение тепла, влияющего на резкое возрастание температуры теплоносителя прямого потока и прогрев остатка навоза; во-вторых, активное горение летучих веществ забирает на себя весь свободный кислород, вследствие чего горение остатков кизяка (рис. 1б) замедляется и практически прекращается до полного выгорания летучих.

Высокая реакционная способность объяснятся низкими показателями влажности вторичного топлива и высокой температурой выхода летучих, порядка 500-520 К, что по сравнению с торфом и бурым углем даёт разницу от 50 до 150 К, а тощих углей и антрацита практически в два раза. Температура выхода летучих у торфа 550-660 К, у бурых углей -690 - 710, тощие угли и антрацит -1050-1070 К.

Испытуемый модернизированный под сжигание дров котёл КВ-200 с большой величиной раскряжёвки чурок, имеющий обобщённую камеру сгорания из-за демонтажа колосниковых решёток и естественную тягу, не обеспечивают качественный подвод свежего воздуха с достаточным количеством окислителя. Скорость диффузии в этом случае становится лимитирующей. Остатки кизяка или уголь может гореть продолжительное время (свыше полутора часов от порции разовой загрузки).

Горение кусков навоза КРС несколько отличается от брикетов овечьего кизяка. Выход летучих веществ и начало горения во временном промежутке и по начальным характеристикам почти совпадают с некоторым замедлением в сторону навоза КРС. Выделение тепла от протекающей реакции также уступает овечьим брикетам, но по отношению к дровам держит тот же уровень. Это возможно объясняется пористой структурой навоза КРС, что значительно замедляет объёмный прогрев топлива, снижая выход летучих веществ. Большая задымленность уходящих газов, особенно в начале процесса, говорит о недостатке температуры для начала горения. Наиболее эффективное горение достигается при использовании данного топлива совместно с дровами в объёмном соотношении 50/40 либо с брикетами 50/50. Испытания режимов горения проводились на разных режимах и в разных диапазонах нагрузки.

Исследование процессов сушки и выхода, летучих из топливной смеси вторичного топлива и угля.

Основной сложностью в проведении опытов стало то, что методики для исследования процессов горения смесей топлива в котлоагрегатах малой мощности нет. Поэтому в основу исследований положили визуальное наблюдение, которое позволило определить два основных момента.

Первое- это появление факела вокруг угольных частиц и частиц кизяка, характеризующихся временем ф_wу и ф_wк прогрева и сушки топлива от момента загрузки материала в кипящий слой до воспламенения. Второе-это время выхода летучих ф_лу и ф_лу . Поскольку в период бурного горения летучих кислород не может проникнуть глубже в слой, время образования коксового остатка будет соответствовать выражению.

ф_ко =(ф_лу+ф_лу )/2 + (ф_wу +ф_wк )/2. (1)

В целях избегания ошибок, связанных с неравномерностью подачи топлива, вызывающих неоднородность в топочной камере, опытная выборка составила более 120 единичных опытов. Для уменьшения потерь механического недожога и увеличения КПД котлоагрегата применялось крупнокусковое сжигание. В опытах по смесям использовался наиболее влажный Харанорский уголь, который по своим характеристикам более близок к углям планируемых в перспективе к разработке месторождений таких, как Кутинское, Приозерное, Урейское, Даурское, Пограничное, Сохондинское, Шимбиликское, Тангинское, Чиндантское и так далее.

Уголь просеивался через сито с ячейкой 10-12 мм и в котлоагрегат загружались куски массой от 50 г до 1,5 кг. Величина нарезки брикетов кизяка колебалась в пределах 10 - 30 см и массой до 2,7 кг. Температура слоя устанавливалась на фиксированных уровнях в пределах 750- 1250К.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Влияние температуры на время процессов горения смеси

Анализ данных зависимостей показал, что время начала выхода летучих значительно уменьшается по сравнению с характеристиками используемого для отопления Харанорского угля, из-за наличия в смеси кизяка, имеющего более низкую температуру бертинирования (процесс выделения влаги и кислорода связанного в СО₂ пирогенетической воды). А время воспламенения коксового остатка наоборот увеличивается, поскольку рассыпающиеся куски вторичного топлива образуют подушку коксового остатка кизяка и лёгкой золы, ограничивающей доступ кислорода к коксовому остатку угля. Но после прогрева свыше 1100 К наблюдается плавление золы и активное горение коксового остатка угля. Разница во времени протекания процессов горения и размеров кусков подаваемого топлива показали, что более выгодное массовое соотношение угля и кизяка 28/72.

Исследованы режимы горения углей местных Забайкальских месторождений. Работа при разных нагрузках показала, что диапазон регулирования высок, и работа возможна при минимальных нагрузках 32% от номинала. Устойчивость работы проверялась по температуре слоя. Опыты проводились при различной подаче воздуха, затем результаты усреднялись. Температурные изменения в процессе горения приведены ниже в виде диаграмм:

Рис.3. Изменение температуры факела и слоя при различных нагрузках

Оптимальное соотношение показателей избытка воздуха позволяет оптимизировать процесс горения, как с экономической, так и с экологической точки зрения. Испытания проводились на модернизированной установке (рис.1а) и на котлах КВ-1,8/1.5 БиКЗ. Эффективность определялась по КПД брутто, содержание вредных выбросов определялось прибором ЦКТСА8-4000.

Целью испытаний было: оптимизация расхода топлива; сохранение стабильности горения; снижение выбросов вредных веществ при полном отсутствии химического недожога.

Таблица 5 Результаты испытания работы котельных агрегатов при различных значениях избытка воздуха для Харанорского и Татауровского углей

№ п/п	б	б 1опт	Максимальный КПД брутто,%	(NOX) мин,ppm	(CO) мин,ppm
Харанорский уголь
1	1,1	0,81	75,78	179	168
2	1,15	0,78	76,34	149	157
3	1,2	0,77	76,96	135	142
4	1,25	0,73	77,9	118	122
5	1,3	0,69	79,54	90	101
6	1,35	0,69	78,63	115	93
7	1,4	0,69	77,32	134	94
8	1,45	0,69	76,24	141	93
9	1,5	0,69	74,76	169	102
Татауровский уголь
10	1,1	0,80	76,12	183	188
11	1,15	0,78	76,92	171	172
12	1,2	0,76	77,88	142	153
13	1,25	0,71	78,23	119	128
14	1,3	0,67	79,32	98	110
15	1,35	0,67	79,81	124	115
16	1,4	0,67	78,22	145	108
17	1,45	0,67	76,53	167	107
18	1,5	0,67	74,24	178	113

В четвертой главе рассматривается модель теплового баланса котлоагрегата малой мощности на основе использования вторичного топлива с углями местных месторождений в различных сочетаниях. Для определения теплового баланса котлоагрегата необходим количественный учет вторичного топлива. Зная, что наилучшими энергетическими характеристиками обладает материал первого года хранения и, учитывая аналогию с потреблением электрической энергии, можно предложить следующие формы количественного учёта. Выход материала можно подсчитать по формуле Вольфа:

( (К/2)+П ) Ч4, кг , (2)

где К/2 - половина сухого вещества кормов, переходящая в мортмассу; П - сухая масса подстилки; 4- коэффициент, показывающий, что содержание воды в навозе в 4 раза больше, чем в сухом веществе кормов и подстилки.

При заготовке и хранении из вторичного топлива теряется часть органической составляющей и большая доля воды, принимая эти потери за поправочные коэффициенты о и ц соответственно, являющиеся функциями, зависящими от времени t получим уравнения вида:

М_вт = ( (К/2)+П- о) 4/ц, (3)

где М_вт - масса вторичного топлива, коэффициенты о и ц изменяются по гиперболической зависимости обратной пропорциональности.

Рис. 4. а- график изменения коэффициента ц в зависимости от времени; б- динамика развития производства СПК «Красная Ималка», ориентированная по общему поголовью животных.

Изменение коэффициента о может лежать в пределах 7 - 40%, при хранении в буртах изменение органической части составляет около 8% из-за разложения аммиачных соединений.

Прогнозирование выхода вторичного потока пропорционально развитию производства. Динамика развития может описывается двумя различными функциями прогнозирования. Первый способ подразумевает установление удельных нормативов электропотребления и других производственных показателей на единицу продукции. Динамика изменения нормативов может выполнить функцию прогноза потребления. Второй способ заключается в непосредственной экстраполяции временного ряда электропотребления. В зависимости от перспективных сроков ряд времени аппроксимируют некоторыми функциями. Если срок до 20 лет, применяются функции полинома второй степени вида:

W(t) = a + bt + ct², (4)

где a, b, c - коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов на основе временного ряда.

Если срок прогнозирования до 30 лет, то целесообразно использовать S-образные функции вида:

W(t) = a/ (t + bе^-сt), (5)

где a, b, c - коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов на основе временного ряда; е - основание натуральных логарифмов.

В данной диссертационной работе рассмотрен пример развития производства на базе сельскохозяйственных кооперативов Ононского района Забайкальского края (рис. 4б).

Необходимо отметить, что увеличение объёмов производства на протяжении некоторого времени возможно за счёт резерва животноводческого комплекса. Поэтому характер потребления доли тепловой энергии будет протекать дискретно при подключении новых потребителей, с учётом теплотехнических и технологических показателей этих объектов и вводом в эксплуатацию новых котельных агрегатов.

На основе материального баланса для качественной оценки работы котельных агрегатов малой мощности на различных видах топлива, в том числе на дровах, угле (Харанорский, Татауровский, Букачачинский), вторичном топливе (кизяке), была разработана математическая модель энергетического баланса.

Материальный баланс описывается выражением:

?М _сыр +?М _мат +?М _т = ?М _пр +?М _отх +? Д М _l , (6)

где ?М_сыр,?М_мат,?М_т,?М_пр,?М_отх - соответственно массы перерабатываемого сырья, вспомогательных материалов, топлива, полезных продуктов и отходов потока; ? Д М _l - потери вещества в процессе. Представив параметры протекающих процессов единой таблицей, в последующем называемой энергетической матрицей, получим

Таблица 6 Энергетическая матрица

Вид сырья и его теплотворность	Запас сырья	Количество сырья идущее на изго товление единицы продукции
Теплотв.	Топливо		Р1	Р2	Р3
1	2	3	4	5	6
Y1	М1	суточный	Х1	Х2	Х3
Y2	М2	суточный	Х1	Х2	Х3
Y3	М3	суточный	Х1	Х2	Х3
Y4	М4	суточный	Х1	Х2	Х3
-	М5	суточный	Х1	Х2	Х3
Потери	П1	П2	П3

Проведённый анализ матрицы показывает, что получение единицы продукции Х₁ ,Х₂ ,Х₃ неодинаковы для каждого из видов топлив приходной части уравнения М₁ ,М₂ ,М₃ ,М₄ ,М₅ , они являются лишь процентным соотношением, которое значительно мало для дизельного топлива, поскольку данное сырьё используется для проведения технологических операций вспомогательными машинами.

Рассмотренные примеры расчётов показали, что различные виды топлив могут использоваться, как отдельно друг от друга, так и в виде смесей. Значение М₅ - электрической энергии, потраченной на собственные нужды, в алгебраической сумме будет с отрицательным знаком, а также нельзя сравнивать единицы продукции с различными размерностями.

В процессе расчёта были введены следующие величины: Ж, З, Й, К (функции) - характеризующие процентный состав Х₁ ,Х₂ ,Х₃ для получения единицы продукции в зависимости от М₁, М₂, М₃, М₄, М₅. Таким образом, внося изменения в энергетическую матрицу, на основе линейного программирования можно получить уравнения следующего вида:

Y₁₍₂₎ М₁₍₂₎ = Ж(Х₁ ,Х₂ ,Х₃); (7)

Y₃ М₃ = З(Х₁ ,Х₂ ,Х₃); (8)

Y₄ М₄ = Й (Х₁ ,Х₂ ,Х₃); (9)

Y₅ М₅ = К(Х₁ ,Х₂ ,Х₃). (10)

Поскольку все термодинамические процессы, выраженные уравнениями 6-9, протекают одновременно, то и решение у них должно быть общее.

(11)

Предложенная нами модель (выражение 10) в правой части своих равенств имеет буквенные обозначения вида: Ж, З, Й, К, которые выражают функции зависимости получения единицы продукции от качества и количества топлива. Кроме этого, составленная система не достаточно чётко показывает потери энергии, как это отражено в уравнениях энергетического баланса. Конечно же, при составлении энергетических матриц необходимо учитывать не только разность применяемых топливных энергетических ресурсов, но и направленность работы котельного агрегата. Поэтому можно предложить три основных формы записи расчётной энергетической матрицы в развёрнутом виде: а) для одного котельного агрегата с применением различных видов топлива; б) для группы котлов; в) комбинированная форма записи, объединяющая предыдущих два вида.

Основные выводы и результаты:

1. По технико-экономическим данным стоимость каждой тонны вторичного топлива составила всего 27,8 руб, что практически в 100 раз дешевле угля.

2. Диверсификация топлива путём получения и внедрения вторичных видов топлива (брикеты овечьего кизяка и навоза КРС) для отопительных котельных отдаленных районов возможна. Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в виде топлива должна обосновываться: теплотворной способностью, доступностью, реакционной способностью.

3. Разработана технология получения вторичного вида топлива и исследованы его энергетические и физико-химические показатели.

4. Предложена математическая модель энергетического баланса для котлов малой мощности, работающих на смеси различных топлив.

5. Впервые исследованы процессы горения вторичного топлива (кизяка) и углей Забайкальских месторождений в зависимости от коэффициента избытка воздуха на водогрейных котлах малой мощности.

6.Экологическая обстановка значительно улучшается за счёт уменьшения потребления дров выпиливанием лесного массива, а также низкого содержания серы в предлагаемом вторичном топливе.

Основные публикации по теме диссертации

1.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А., Турчанинова Е.И. Характеристика Республики Бурятия как объекта энергосбережения // Вестник МАНЭБ СПб.-Чита.-Т. 13 № 3.- 2008. - С. 40-43.

2.Дамбиев Ц.Ц., Иванов А.П., Жалсанова Н.А. Эколого-энергетические проблемы агропромышленного комплекса Забайкальского региона // Вестник МАНЭБ. СПб.-Чита.-Т. 14 № 3. 2009. - С. 117-118.

3.Жалсанова Н.А., Иванов А.П., Дамбиев Ц.Ц. Вторичное топливо вид и получение // Матер. VI всерос. науч. практ. конф. «Энергетика в современном мире».- Чита,2009.-С.64-69.

4.Дамбиев Ц.Ц., Иванов А.П., Жалсанова Н.А. Потенциал энергосбережения РБ // Матер. всерос. науч. - практ. конф. выставки студентов, аспирантов и молодых учёных- Екатеринбург: Изд-во УПИ, 2005.- С. 41-43.

5.Дамбиев Ц.Ц., Иванов А.П., Жалсанова Н.А. Анализ современного состояния ТЭКа РБ с точки зрения энергоэффективности // Матер. всерос. науч. - техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы теплоэнергетики».- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006.-С.12-13.

6.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А. Особенности организации эколого-энергетического обследования ТЭС // Матер. науч. конф. преподавателей, научных работников и аспирантов.- Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006.

7.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А. Топливно-энергетический комплекс РБ // Матер. науч. практ. конф. «Энергосбережение, энергосберегающие технологии».- Челябинск, 2006.

8.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А., Алтаева Р.А. Баланс энергосбережения Улан-Удэнской ТЭЦ-1 // Матер. науч. конф. преподавателей, научных работников и аспирантов.- Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006.

9.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А. Математическая модель топливно-энергетического баланса ТЭЦ // Матер. всерос. науч. - техн. конф. аспирантов и молодых учёных «Проблемы теплоэнергетики».-Челябинск: Изд-во ЮУрГУ,2007.-С.39-41.

10.Дамбиев Ц.Ц., Иванов А.П., Жалсанова Н.А. Материальный и энергетический баланс ТЭЦ для определения КПД котельных агрегатов // Матер. науч.-практ. конф. посвящённой 75-летию БГСХА.- Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2007. - С.23-26.

11.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А., Иванов А.П. Эксергия как энергетический показатель топливного материала // Матер. науч.-практ. конф. посвящённой 75-летию БГСХА. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2007. - С.26-27.

12.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А. Математическая модель работы ТЭЦ // Матер. науч.-прак. конф. посвящённой 75-летию БГСХА. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2007.

13.Дамбиев Ц.Ц., Крюков А.В., Жалцанов М.С., Нимаев В.Б., Иванов А.П., Жалсанова Н.А., Ступень А.Г. Энергосбережение при снабжении потребителей сжатым воздухом // Матер. всерос. науч. - техн. конф. аспирантов и молодых учёных «Проблемы теплоэнергетики».- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - С.43-47.

14.Дамбиев Ц.Ц., Крюков А.В., Жалцанов М.С., Нимаев В.Б., Иванов А.П., Жалсанова Н.А., Ступень А.Г. Энергосбережение при применении осветительных установок // Матер. всерос. науч. -техн. конф. аспирантов и молодых учёных «Проблемы теплоэнергетики».- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - С.47-50.

15.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А., Турчанинова Е.И., Иванов А.П. Управление энергосбережением РБ. // Матер. III междунар. науч.-практ. конф.»Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона»-Улан-Удэ,2008 .-С.59-66.

16.Дамбиев Ц.Ц., Турчанинова Е.И., Иванов А.П., Жалсанова Н.А. Нормативно-правовая база энергосбережения. // Матер. III междунар. науч.-практ. конф. «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» .Улан-Удэ,2008 .-С.66-71.

17.Дамбиев Ц.Ц., Жалсанова Н.А., Турчанинова Е.И., Иванов А.П. Программа энергосбережения РБ на 2006-2009 гг. // Матер. III Междунар. науч.-прак. конф. «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» .Улан-Удэ,2008 .-С.71-75.

Размещено на Allbest.ru