532.67Kb - G

.МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. Семей
Инженерно-Технологический факультет
Кафедра: «Техническая физика и Теплоэнергетика»
Водоугольное топливо – шаг в будущее
Выполнил:
Научный руководитель:
Магистрант специальности «Теплоэнерге-
Доцент
тика» 6М071700
Степанова О.А.
Процан А.П.
Семей
2015
Содержание
Введение ................................................................................................................................ 3
1 Цель работы ....................................................................................................................... 6
2 Задачи.................................................................................................................................. 7
3 Этапы проведения работы ................................................................................................ 8
4 Водоугольное топливо (ВУТ) ........................................................................................... 9
4.1 Характеристика и методы использования .................................................................... 9
4.2 Приготовление водоугольного топлива ...................................................................... 14
5 Модернизация оборудования под использование водоугольного топлива на РК
«Центр» г. Семей ВКО ....................................................................................................... 16
6 Определение вредных выбросов при сжигании угля разреза Каражыра (ВКО) и
ВУТ на основе угля разреза Каражыра (ВКО) ................................................................. 19
Заключение .......................................................................................................................... 26
Список использованных источников ................................................................................ 27
Введение
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) – это сложная межотраслевая система добычи и производства топлива и энергии, их транспортировки, распределения и использования.
В состав комплекса входит:
- топливная промышленность (добыча и переработка нефти, газа, угля и т.п.);
- электроэнергетика;
- транспортировка топлива и продуктов его переработки, тепла и электроэнергии (нефтепроводы, газопроводы, продуктопроводы, линии электропередачи).
В условиях все возрастающего энергопотребления ТЭК нуждается в модернизации, а одним из направлений модернизации являются инновации в альтернативную
и нетрадиционную энергетику. Широкая государственная поддержка, высокая капитализация топливно-энергетического комплекса позволяет рынку альтернативной
энергетики занимать все более ведущие позиции в топливно-энергетическом балансе
стран. На грани (70÷80) г.г. прошлого столетия мировой энергетический кризис приобрел перманентный характер, что связано с окончанием эры «дешевой нефти». К
2000 г. было израсходовано:
- 87% мировых запасов нефти;
- 73% мировых запасов природного газа;
- 2% мировых запасов угля.
Все это касается энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их извлечения. Одновременно началась интенсивная разработка технологий,
позволяющих использовать альтернативные источники энергии: солнечную энергию,
энергию морских приливов, ветра и т.п. Однако, несмотря на значительный прогресс
в этой области, по оценкам экспертов на ближайшие (30÷40) лет основным энергетическим ресурсом остается уголь. В связи с этим США провозгласили в конце 90-х
годов возврат к «эре угля», в настоящее время не менее 75 % электростанций США
переведено на это топливо. Вместе с тем переход к «эре угля» на основе технологии
его использования (50÷60) г.г. прошлого столетия невозможен по ряду причин:
- технологических;
- экологических;
- экономических [1].
Казахстан является одним из десяти крупнейших государств мира, обладающих избыточными энергетическими и минеральными ресурсами.
На 14 заседании совета Ассоциации KAZENERGY в апреле 2013 года участники определили «точки роста» деятельности объединения. Председатель Ассоциации Т. Кулибаев отметил, что принято решение о разработке инициированной
KAZENERGY единой Стратегии развития топливно-энергетического комплекса. В
обзоре перспектив энергоотрасли Казахстана участники мероприятия выделили
наиболее важные и проблемные аспекты развития. По мнению генерального директора Ассоциации А. Магауова угольные генерации в обозримой перспективе будут
производить основную долю энергии. При этом минимизировать экологические и
технические риски возможно за счет внедрения инновационных технологий [2].
Среди новых угольных технологий большой интерес представляет технология
водоугольного топлива (ВУС, ВУТ, ИКЖТ), которая возникла с появлением в (50÷60)
гг. прошлого столетия гидротранспорта угля. Необходимость сжигания обводненной
угольной мелочи привела к разработке водоугольных суспензий (ВУС) и методов их
сжигания. Дальнейшее совершенствование технологии (улучшение реологических
характеристик ВУС и его стабильности путем использования результатов исследований в области углехимии и разработка присадок) привело к созданию водоугольного
топлива (ВУТ). Наиболее интенсивно разработка технологии ВУТ проводилась в
Японии и Китае (рисунок 1).
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Канада
Китай
Италия
Япония
Корея
Россия
Швеция
США
Рисунок 1. Производство (итоговое) ВУТ в различных странах
в период с 1983 г. по 1995 г. (тыс. тонн)
Уменьшение доли нефти и нефтепродуктов в топливно-энергетическом балансе
страны позволяет направить освободившиеся объемы на экспорт. Мировые цены на
нефть значительно выше внутренних и это позволит получать дополнительные доходы, как предпринимателям, так и государству за счет налогов.
Современное производство развивается крайне быстрыми темпами, поэтому
проблема экологичности производства встает все более остро. Особенно это важно
для топливно-энергетического комплекса. Применение инноваций в альтернативную
и нетрадиционную энергетику значительно уменьшает выбросы вредных веществ в
атмосферу [1].
1 Цель работы
Цель
2 Задачи
Исследование состава угля и ВУТ
Определение расхода угля и ВУТ
Определение вредных выбросов при
сжигании угля и ВУТ
Анализ полученных данных
3 Этапы проведения работы
Исследование
вопроса
• Уголь
• ВУТ
Выбор объекта
исследования
• Определение состава топлива
• Определение расхода топлива
Экспериментальные
исследования
Анализ и выводы
• Опеределение вредных выбросов
4 Водоугольное топливо (ВУТ)
4.1 Характеристика и методы использования
Водоугольное топливо – ВУТ, (рисунки 2, 3) является нетрадиционным источником энергии и представляет собой мелкодисперсную смесь (суспензию) измельчённого угля, воды и стабилизирующей добавки (пластификатора):
ВУТ = Уголь (60÷70) % + Вода (29÷39) % + Пластификатор 1 %
Рисунок 2 – Водоугольное топливо
Рисунок 3 – Состав ВУТ
По физическим свойствам водоугольное топливо близко к мазуту, используемому в котельных, поэтому ВУТ может быть использовано для выработки тепла и
электричествана газовых, мазутных и угольных ТЭС аналогично газу и мазуту. Физико-химические свойства ВУТ позволяют достичь эффективности сжигания топлива
не ниже 98 %.
Параметры ВУТ четко регламентированы национальными стандартами Китая,
которые могут применяться в качестве эталона.
Для водоугольного топлива характерны следующие свойства:
- температура воспламенения — (800÷850) °С;
- температура горения — (950÷1150) °С;
- теплотворная способность — (15503÷19963) кДж;
- степень сгорания углерода более 99 %.
Водоугольное топливо обладает рядом преимуществ:
- полное сгорание капель ВУТ из мелко измельчённого угля повышает эффективность используемого топлива и снижает выбросы вредных газов в атмосферу по
сравнению с мазутом и углём;
- водоугольное топливо взрыво- и пожаробезопасно;
- стабильное горение жидкого ВУТ даёт возможность установки паровых турбогенераторов для выработки электроэнергии, схожих с турбогенераторами, использующими мазут в качестве источника энергии;
- для хранения водоугольного топлива требуется нагрев ёмкостей только до
температуры (7÷10)°С, в то время как для мазута - это около 70 °С;
- водоугольное топливо может быть приготовлено с использованием воды, загрязнённой органикой, смолами, нефтепродуктами и другими отходами с полной
очисткой возвратной воды от этих компонент и утилизацией вредных веществ;
- зола, получаемая в результате сгорания ВУТ, является готовым продуктом для
производства строительных материалов;
- водоугольное топливо производится не только из каменного угля и угольного
шлама, но и из бурого угля и торфа [3].
Модернизация оборудования под использование водоугольного топлива возможна во всех котельных, использующих мазут, газ или уголь. ВУТ можно сжигать в
большинстве существующих (действующих) паровых и водогрейных котлов: ДКВР,
ДЕ, КЕ, БКЗ-50-40ГМ, БКЗ-35-40ГМ, БКЗ-75-40ГМ и др. В большинстве случаев используется факельное или вихревое сжигание.
В некоторых случаях, для более эффективного использования преимуществ водоугольного топлива, требуется изменение внутренней геометрии котла. Производимые изменения позволяют использовать вихревое горение, при котором происходит
стабилизация горения и воспламенения за счёт подачи горячих продуктов горения в
корень факела, что не просто позволяет использовать водоугольное топливо, но и
увеличить КПД котла при работе на мазуте (в случае перехода с ВУТ на мазут в качестве резервного топлива). Помимо факельного (в том числе вихревого) горения имеется значительный опыт одноступенчатого сжигания водоугольного топлива в кипящем слое, что эффективно для котлов малой мощности и позволяет снизить зависимость эффективности горения водоугольного топлива от качества исходного угля.
Использование двухступенчатого сжигания водоугольного топлива (с газификацией)
позволяет упростить процесс перехода с мазута и газа на ВУТ при модернизации
котла, а также упростить управление котлом. Внедрение ВУТ на угольных котлах
упрощается из-за наличия уже установленной системы золоулавливания. Конкретный способ сжигания ВУТ определяется в зависимости от ситуации: новое строительство, либо модернизация, состав исходного сырья и др.
Водоугольное топливо - инновационный продукт, поэтому технология его производства, применения, транспортировки и утилизации постоянно совершенствуется.
Крупные НИИ работают над улучшением свойств водоугольного топлива, его более
широкого применения в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве [4].
Водоугольное топливо по своим экологическим характеристикам превосходит
традиционные источники энергии (таблица 1). Также водоугольное топливо, как нетрадиционный вид топлива, может конкурировать по экологичности с альтернативными источниками энергии, в частности с биотопливом.
Таблица 1- Результаты замеров вредных выбросов в атмосферу при сжигании
ВУТ в сравнении с традиционными видами топлива
ТЭЦ-5
Вредные
выбросы
Оксиды азота
(NOx), мг/м3
Оксиды серы
(SO2), мг/м3
Бенз(а) пирен,
х109 мг/м3
Пыль, мг/м3
Наименование объекта
Абагурская
Котельная в
ОАФ
г. Мыски
Котельная в
г. Белово
Угольная
пыль +
мазут
ВУТ +
угольная
пыль
мазут
ВУТ +
мазут
мазут
ВУТ
Слоевое
сжигание
угля
ВУТ
904
660
56,1
40,0
53,6
43,6
435
285
1710
338
2011
1292
236,0
47,2
нет данных
нет
данных
0,087
0,022
нет
данных
нет
данных
нет
данных
222
755
914
нет
данных
нет
данных
нет данных
639
нет
данных
нет
данных
82
45
4.2 Приготовление водоугольного топлива
Основной принцип в приготовлении водоугольного топлива заключается в
обеспечении стабильности измельчения угля с заданными параметрами и четкого
соблюдения концентраций вспомогательных веществ, что приводит к улучшению
реологических свойствах и стабильности процесса горения.
На сегодняшний день существуют различные способы помола угля, но наиболее отработанный и изученный способ заключается в использовании шаровых мельниц непрерывного мокрого размола.
Уголь газовых марок доставляется на открытую площадку завода. Фронтальный погрузчик подает уголь в приемный бункер двухвалковый дробилки, откуда
размолотый до фракции (3÷6) мм уголь направляется для дальнейшего помола в шаровую мельницу, в которую с помощью дозаторов подается техническая вода и присадка. Происходит мокрый помол угля с присадкой до фракции (0÷300) мкм. Водоугольное топливо через фильтр загружается в накопительные емкости с перемешивающим устройством. Топливофракции (71÷300) мкм возвращается в мельницу для
дальнейшего помола. Готовое топливо из накопительной емкости загружается в цистерны для транспортировки.
Использование пластификаторов в водоугольном топливе обусловлено необходимостью обеспечения особых характеристик:
- низкой вязкости;
- хорошей текучести;
- длительной стабильности взвешенных частиц угля.
Наиболее часто применяются примеси на основе технических лигносульфонатов, гуминовые реагенты (натриевые соли гуминовых кислот различных фракций),
полифосфаты, которые эффективно действуют в щелочной среде при рН = (9÷13)
при 40 % воды в топливе.
Для мокрого помола (вторая стадия) чаще всего использовались вибромельницы различных конструкций. В качестве мелющих тел в вибромельницах использу-
ются шары диаметром (20÷50) мм. Выбор диаметра шаров определяет грансостав
ВУТ на выходе мельницы. Практика использования вибромельниц показала, что для
достижения проектных значений грансостава и влажности ВУТ на выходе вибромельницы обязательно должен быть установлен классификатор для разделения продукта помола на готовый (с грансоставом менее заданного) и требующий повторного
помола. Таким образом, приготовление ВУТ в вибромельницах, как правило, реализует замкнутый цикл помола.
Дополнительно, к мокрому помолу в вибромельницах целесообразно применение дополнительных гомогенизаторов. Энергозатраты на приготловление ВУТ в
вибромельницах составляют обычно от 55 кВт·ч/т, без учёта рециркуляций продукта.
Водоугольное топливо является пожаро- и взрывобезопасным на всех стадиях
его производства, транспортировки и использования. Процессы изготовления и сжигания разграничены, что позволяет не загрязнять городскую окружающую среду при
транспортировке угля. Доставка топлива осуществляется в цистернах автомобильным или железнодорожным транспортом [5].
5 Модернизация оборудования под использование водоугольного топлива
на РК «Центр» г. Семей ВКО
За основу для проекта был взят 1 из 4 котлов РК «Центр» - котел КВ-ТС-20150 ПВ.
Котлы серии КВ-ТС (рисунок 5) предназначены для производства горячей воды температурой до 150 оС посредством сжигания различных видов твёрдого топлива в механических топках ТЧЗМ, ТЛЗМ.
Рисунок 5 - Паспортные данные котла КВ-ТС-20-150 ПВ
В таблице 2 представлены характеристики котла КВ-ТС [6].
Таблица 2 – Технические характеристики котла КВ-ТС
Технические характеристики
Теплопроизводительность, МВт (Гкал/ч)
Рабочее давление воды, МПа (кг/см2)
Температура воды на входе / выходе в котел, оС
Расход воды через котел, т/ч
Гидравлическое сопротивление, МПа, не более
Аэродинамическое сопротивление, Па, не более
Коэффициент избытка воздуха, не более
Температура дымовых газов на выходе из котла, оС
Кпд на каменном угле / буром угле, %, не менее
Полный назначенный срок службы, лет, не менее
Площадь поверхностей нагрева котла и ВЗП (м2):
- радиационная
- конвективная
- воздухоподогревателя
Габаритные размеры в облегченной изоляции с металлической обшивкой (мм):
- длина по выступающим частям блока котла;
- ширина по выступающим частям блока котла;
- высота от уровня пола котельной до выступающих
частей блока котла
Масса котла в объеме поставки, кг, не более
Расход расчетного топлива для каменного угля /бурого
угля, кг/ч
КВ-ТС-20-150 ПВ
(КВ-Р-23,26-150)
23,26 (20,0)
2,5 (25,0)
70/150
247
0,25
1100
1,7
218
83
15
82,7
218,8
730
12730
5465
9695
32000
4300/6350
В качестве угля для приготовления ВУТ рассматривается уголь разреза Каражыра (ВКО). Состав угля и ВУТ представлен на рисунке 6.
50.6
38.9
33.85
17.2
14
13.4
13.05
10.15
3.9 3
0.97 0.75
0.3 0.3
Влага общая Зольность
Сера общая
Углерод
Уголь
Водород
Азот
Кислород
ВУТ
Рисунок 6 – Состав угля разреза Каражыра и ВУТ на основе угля разреза Каражыра
6 Определение вредных выбросов при сжигании угля разреза Каражыра
(ВКО) и ВУТ на основе угля разреза Каражыра (ВКО)
Для оценки эффективности использования ВУТ изготовленного на основе угля
разреза Каражыра для котла КВ-ТС-20-150 ПВ определили количество вредных выбросов при их сжигании. Для угля расчет проводили согласно [7].
Расчет для ВМТ проведен на основе в последовательности представленной
ниже [8].
Расчёт выбросов твёрдых частиц летучей золы и недогоревшего топлива, т/год
(г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегата при сжигании
водоугольного топлива, выполняется по формуле:
M ТВ  0,01  B  (a ун  A 
r
q 4ун
Qir

)(1   3 ) ,
32,68
(1)
где B - расход водоугольного топлива, т/год (г/с);
a ун - доля золы топлива в уносе;
A r - зольность топлива на рабочую массу, %;
q4ун - потери тепла с уносом от механической неполноты сгорания топлива, %;
Qir - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
 3 - доля твёрдых частиц, улавливаемых в золоуловителях.
Расчёт выбросов оксидов серы в пересчёте на SO2, т/год (г/с), поступающих в
атмосферу с продуктами сгорания водоугольного топлива, выполняется по формуле:
'
''
Mso2  0,02  B  S r  (1   SO
)  (1   SO
),
2
2
где B - расход водоугольного топлива, т/год (г/с);
Sr- содержание серы в топливе на рабочую массу, %;
'
 SO
- доля оксидов серы, связываемая летучей золой топлива;
2
(2)
 2 - доля оксидов серы, улавливаемых за котлоагрегатом.
 SO
Расчёт выбросов моноксида углерода, т/год, (г/с), выполняется по формуле:
Mco  0,001  B  Qir  K co  (1 
q4
),
100
(3)
где B - расход водоугольного топлива, т/год (г/с);
Qir - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
Kco = 0,985q3 - количество моноксида углерода, отнесённого к низшей теплоте
сгорания топлива, кг/IДж;
q3- потери тепла от химической неполноты горения, %;
q4 - потери тепла от механической неполноты горения топлива.
Расчёт выбросов оксидов азота в пересчёте на NO2, т/год (г/с), выполняется по
формуле:
o
M NO2  0,001  B  Qir  K NOx
 1 (1   1r ) 2 (1 
q4
),
100
(4)
где B - расход водоугольного топлива, т/год (г/с);
Qir - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;
o
K NOx
- параметр, характеризующий количество оксидов азота, отнесённое к
низшей теплоте сгорания топлива при α = 1,2 кг/ГДж;
1 - коэффициент, учитывающий влияние коэффициента избытка воздуха в
конце топки на выход оксидов азота;
r - коэффициент рециркуляции дымовых газов, %;
1 - коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов в зависимости от условий их подачи в топку;
 2 - коэффициент, характеризующий снижение выброса оксидов азота при подаче части воздуха помимо основных горелок (двухступенчатое сжигание);
q4- потери тепла от механической неполноты горения, %.
Полученные результаты представлены графически (рисунки 7, 8, 9, 10).
4415
14601
100%
90%
Мощность котла
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
ВУТ
Уголь
Рисунок 7 - Выбросы твёрдых частиц летучей золы и недогоревшего топлива (кг/год)
475.2
500
450
400
346.5
350
300
250
200
150
100
50
0
ВУТ
Уголь
Рисунок 8 - Выбросы оксидов серы в пересчёте на SO2 (кг/год)
126.12
127
126
125
124
123
122
120.00
121
120
119
118
117
116
ВУТ
Уголь
Рисунок 9 - Выбросы моноксида углерода (кг/год)
62.45
70
60
51.84
50
40
30
20
10
0
ВУТ
Уголь
Рисунок 10 - Выбросы оксидов азота в пересчёте на NO2 (кг/год)
Заключение
В результате проведенных исследований был определен оптимальный состав
водоугольного топлива и его расход. Полученные результаты показали, что применение ВУТ на основе угля разреза «Каражыра» позволяет:
- снизить выбросы твёрдых частиц летучей золы и недогоревшего топлива в
атмосферу на 70 %;
- снизить выбросы оксидов серы (в пересчёте на SO2) на 27 %;
- снизить выбросы монооксида углерода на 4,8 %;
- снизить выбросы оксидов азота (в пересчёте NO2) на 17 %;
- обеспечить эффективность сжигания (более 99 %).
Следовательно, при использовании ВУТ повышается экологичность работы
оборудования. Следует отметить, что при переходе на ВУТ не требуется существенных изменений конструкции агрегата.
Список использованных источников
1 Аналитический обзор РосБизнесКонсалтинг «Рынок альтернативной энергетики» - М., 2010 - 244 с.
2 «Зеленый коридор» для энергетики. Часть 1. Андрей Матвеев – URL –http://
thenews.kz/2013/05/29/1390030.html
3 Национальные инновационные системы в России и ЕС. / Под общей редакции В. Иванов, С. Клесовой, П. Линдольхольма, О. Лукши - М.: Авторский коллектив, 2006.
4 Водоугольное топливо – URL – http://vodougol.ru/
5 Водоугольное топливо (ВУТ) – URL –http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki
6 Котлы КВ-ТС – URL – http://em-z.ru/produkciya/kotly-kv-ts
7 Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для
тепловых электростанций и котельных. Приложение № 4 к приказу от 18.04.2008 г.
№ 100-п.
8 Методика расчета выбросов загрязняющих веществ при сжигании водоугольного топлива – URL – http://eco.com.ua/content/metodika-rascheta-vybrosovzagryaznyayushchih-veshchestv-pri-szhiganii-vodougolnogo-topliva