Промышленные роботы для энергетики (торф) Студенческие

Промышленные роботы для
энергетики (торф)
Студенческие инженерные соревнования по робототехнике
5 октября – 14 декабря 2010 года
1.
Название проекта
«Промышленные роботы для энергетики (торф)»
Руководитель проекта:
Усова Галина Ивановна, 22 года, высшее образование, УрФУ,
инженер по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники
энергии», дополнительное образование УрФУ, «Экономика и управление
предприятием»; аспирант кафедры Тепловых электрических станций;
место работы: УРФУ, кафедра Энергосбережения, ассистент, ООО
«Уральский центр энергосбережения и экологии», инженер-теплоэнергетик,
620049, г. Екатеринбург, ул. Мира 23, 227, +7 904-989-32-16, uge87@mail.ru.
Куратор проекта:
Рыжков Александр Филлипович, д.т.н., профессор каф. Тепловых электрических
станций и Энергосбережения УрФУ
Эксперты проекта:
Гревцев Николай Васильевич, д.т.н., проф. УГГУ
Леонтьев Георгий Карпеевич,
Чикризов Игорь Николаевич, зам. Министра энергетики Свердловской области
2.
Аннотация
Анализируя ситуацию в энергетике Свердловской области, целесообразно пересмотреть
подход к использованию местных топлив. В частности, в районах, где основным источником
энергии являются привозные топлива и имеются обширные площади занятые торфяными
полями. Использование энергии торфяной биомассы могло бы решить проблемы с
энергоснабжением и значительно снизить затраты на топливо, а также дать возможность
получить экономические выгоды от разработки торфяных площадок, переработки торфа и
развития машиностроительного и химического комплекса.
Люди с давних пор используют торф в сельском хозяйстве, строительстве, в качестве
сырья для производства изоляционных материалов, различных химических соединений,
последнее время получило широкое распространение в металлургии в качестве ингибиторов
коррозии металла, он используется во многих производственных процессах. Но вместе с тем
торф является возобновляемым источником энергии об этой роли торфа в связи с увеличением
доли добычи и использования угля, нефти и природного газа стали забывать.
У торфяного топлива имеется несколько важных особенностей: • добыча торфяного
топлива протекает без загрязнения окружающей среды;
• торф относится к возобновляемым источникам энергии;
• низкий уровень выбросов в атмосферу при сжигании (по сравнению с другими видами
топлива).
В настоящее время Россия активно занимается развитием энергетики на торфе. Торф
можно
рассматривать,
как
ресурс
экономического
развития
области,
опираясь
на
существующую мощь промышленного комплекса. Возрождение торфяной отрасли сможет
обеспечить снижение социальной напряженности и сохранение жизнедеятельности ряда
поселков Свердловской области. Внедрение новых технологий и производств потребует
создания дополнительных рабочих мест, высокой квалификации рабочих и инженерных кадров,
что, в свою очередь, потребует профессионального обучения населения рабочих поселков,
повысит уровень его образования и повлияет на образ жизни людей, увеличивается занятость
населения области.
Использование местных видов топлива является реальным потенциалом по сдерживанию
роста тарифов на тепловую и электрическую энергию. Комплексное освоение торфяных
ресурсов также обеспечит сельское и городское население, садовые товарищества и фермерские
хозяйства дешевыми и высокоэффективными торфяными удобрениями. Торфяная отрасль
располагает высоким инновационным потенциалом, в отрасли создан научно-практический
задел для повышения эффективности использования торфа в топливно-энергетическом
комплексе. При этом необходимо переходить на новые более эффективные и экологически
чистые технологии энергетического использования торфа одной из которых является процесс
газификации с получением синтез-газа, позволяющий значительно увеличить возможности
использования их в различных целях.
Почему пиролиз и газификация твердого топлива? При сжигании торфа или отходов
лесопереработки, особенно с высоким содержанием влаги, невозможно получить высокие
температуры, тогда как при сжигании газа, полученного из этого же топлива, такие
температуры достижимы. Из газа можно удалить содержащуюся в нем влагу, которая является
балластом, и газ нетрудно подогреть перед сжиганием. Кроме того, при сжигании газа
требуется меньшее количество избыточного воздуха, чем для кускового топлива, благодаря
чему увеличивается температура горения и как следствие полнота изъятия энергии
содержащейся в топливе. Имеется возможность приблизить по уровню удобства и
эффективности сжигание твердого топлива к газу, причем используя для этого естественные
возможности природы, что естественно и целесообразно.
3.
Информация о заявителе
………
4.
Реализация проекта

Исследование существующих устройств и рабочих органов, и возможности
их использования в данном проекте.

Разработка опытных образцов уже существующих установок.

Исследование
необходимого
набора
оборудования,
материалов,
инструментов.

Составление проектной документации.

Планирование стадий работы над проектом.
План работы
1. Изучение и доработка чертежей;
2. Планирование производства, составление проекта производства работ
и проекта организации монтажа;
3. Производство первичных элементов и деталей;
4. Производство узлов;
5. Сборка модулей;
6. Наладка;
7. Тестирование сдача в эксплуатацию, подготовка отчета.
5. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта.
Реализованные проекты. Конкретные примеры:
В результате нескольких десятилетий упорных трудов был создан ряд перспективных
технологий, отработанных на полномасштабных демонстрационных объектах, главные из
которых:
1.Процесс «высокотемпературной газификации Винклера» (HTW) –низкотемпературная
двухстадийная газификация кислородом и воздухом в циркулирующем кипящем слое под
давлением (с рециркуляцией летучей золы и угольной пыли). Отработана на лигните
компаниями Uhde и Reihnbrawn на газовом заводе г. Берренрат (Германия) в 1956-1969 гг.
Демонстрационная установка производительностью 33 т/ч эксплуатировалась на заводе в
период с 1986 по 1997 гг. Газовый завод с газификатором HTW по производству аммиака из
торфа работает с 1988 г. в Финляндии.
Для энергетического использования технология была отработана в демонстрационной
установке, реализующей технологию «высокотемпературной» (температура в реакторе до
1100оС) газификации в ЦКСД под давлением 2.5 МПа. Газовая станция Wesseling (Германия) с
HTW-газификатором на 2.5 МПа единичной мощностью 40 МВт работала на парокислородном
и на воздушном дутье в период 1989-1992 гг. Станция была создана для проведения
исследования газификации углей по этому методу и получения исходных данных для создания
промышленных угольных ПГУ с газификацией в кипящем слое. После успешного выполнения
всех задач предприятие было закрыто, а процесс признан перспективным для создания ПГУ.
Существенной модернизации подвергается технология HTW. В технологии PHTW или
«HTW plus» высокотемпературный газификатор Винклера совмещен в нижней части с камерой
газификации с жидким шлакооудалением. При этом в одной установке расположены один над
другим два газификатора с разным температурным уровнем и раздельной подачей топлив.
Помимо повышения КПД метод открывает широкие перспективы для термической
переработки биомассы, промышленных и бытовых отходов (отходы пищевой, автомобильной
промышленности). Этот процесс позволяет избежать появления фурана и диоксана,
минимизировать количество отходов, создать компактную производственную установку,
использовать материал для газификации с широким интервалом теплоты сгорания. После
обработки отходы высушиваются до 10-15% влажности. Затем они подаются в газификатор.
Большинство пыли удаляется из газа в циклоне. Зола газификатора и пыль расплавляются в
специальной ванне (каталитический процесс извлечения). В этом процессе металл и керамика
отделяются от основной массы и затем используются в соответствующей технологии, а остатки
превращаются в стекловидную массу.
Газ, содержащий водород и окись углерода, охлаждается и подвергается окончательной
очистке от пыли и вредных составляющих. Полученный газ может использоваться в газовых
турбинах, котлах как восстановительный газ или в качестве сырого материала в химических
синтез-процессах.
По показателю удельной объемной производительности современные установки ЦКСД
сопоставимы с высокотемпературными поточными реакторами и практически на порядок
выше, чем установки плотного слоя.
Газ в систему
газоподготовки
Кипящий слой
(HTW)
Топливоподача
Плотный слой
(BGL)
Дутье
Дутье
Рис. 5.14. Схема газификатора PHTW (HTWplus)
2. Газификатор E-Gas работает по двухстадийной технологии. Топливо в форме ВУС
(водоугольной суспензии) подается в газификатор в два яруса: 80% расхода топлива поступает
в первый ярус, 20% – во второй. Подача топлива во второй ярус без окислителя повышает
теплоту сгорания газа. Второй ярус подвода топлива позволяет организовать интенсивный
«химический» квенчинг при протекании эндотермических реакций пиролиза и газификации
свежего топлива. При этом температура газового потока снижается с 1400оС до 1000оС.
Дальнейшее охлаждение газа производится во внешнем газо-водяном теплообменнике.
Двухстадийный газификатор E-Gas
В настоящее время по этой технологии работает одна ПГУ (1995 г., Wabash River, США) с
двумя газификаторами. В разработке находятся 7 проектов для США на угле (4) и нефтекоксе
(3) с более чем 11 газификаторами этого типа суммарной мощностью по топливу 16 ГВт, в
которых предусматривается получение электроэнергии, жидких и газообразных топлив. Пуск –
2013 г.
3. Компанией Mitsubishi (MHI) в Японии на демонстрационной ПГУ-Т мощностью 250
МВт, созданной на угольной станции около г. Накозо, реализована аналогичная двухстадийная
технология на воздушном дутье. Это первый крупный воздушный (энергетический) поточный
газификатор в мире. Запуск станции состоялся в 2007 г. Для получения газа используется
газификатор на воздушном дутье Mitsubishi. Газификатор работает на воздушном дутье. На
первой стадии в ходе полного сгорания сухого пылевидного топлива достигается температура
порядка 1600оС, на второй стадии происходит газификация топлива при температуре 1000–
1400оС.
Газогенер
атор
ГОХ
Пар ВД
Область
газификац
ии
Горение
Двухстадийный газификатор MHI на воздушном дутье
Такой же газификатор, но на кислородном дутье, будет использоваться на химических
предприятиях. В настоящее время (период после 2005 года) компания тестирует двухстадийный
газификатор производительностью по топливу 30-40 т/день на кислороде на демонстрационной
станции близ г. Нагасаки для отработки конструкции, режимов и создания установки на 3 600
т/день для химического завода. Параллельно компания разрабатывает газификатор на воздухе в
два раза большей мощности, чем на станции Накозо (500 МВт по топливу), и планирует
установить его на том же химическом предприятии для выработки электрической энергии.
6. Сущность предлагаемой разработки
В предлагаем проекте предполагается комплексное освоение торфяных месторождений,
что предполагает наличие двух технологий по уборке и переработке торфа.
………..
Процесс газификации торфа энергозатратный, в силу высокой влажности и низкой
энергетической ценности
топлива. Для получения чистого газа весьма эффективна
двухстадийная газификация. Двухстадийная газификация получила свое название вследствие
вынесения процессов пиролиза и газификации в два отдельных реактора. Теплоту,
необходимую для процесса пиролиза, можно подводить от внешнего источника. Летучие из
зоны пиролиза частично окисляются, температура газов повышается, за счет этого значительно
снижется количество смол. Горячие газы из зоны неполного окисления и уголь из пиролизера
поступают в зону газификации, где уголь химически реагирует с паром и двуокисью углерода
(СО2), в результате чего образуются Н2 и СО.
Двухстадийный газогенератор эквивалентен двум одностадийным газогенераторам. В
основе этой концепции лежит разделение зоны пиролиза и восстановления. Смолы,
сформированные в процессе пиролиза (первая стадия) разлагаются в зоне восстановления
(вторая стадия).
Твердое топливо подается в зону пиролиза и нагревается в ней. Далее оно разлагается на
полукокс, состоящий из углерода и золы, и летучие, состоящие из различных газов и смол.
Летучие из зоны пиролиза полностью окисляются – происходит реакция горения, на которую
подается воздух, температура газов повышается, за счет этого значительно снижется
количество смол. Горячие газы из зоны горения и полукокс из пиролизера поступают в зону
газификации, где полукокс химически реагирует с продуктами горения (Н2О, СО2 и др.) в
результате чего образуются горючие газы (Н2 и СО) и примеси N2, Н2О и СО2. Количество
смол снижается еще и при прохождении газом через слой угля.
Генераторный газ охлаждается, за счет чего нагревается пиролизер и воздух подаваемый
на горение, а также подпиточная вода для системы ГВС и обратная вода для системы
отопления, затем газ очищается, а водяные пары конденсируются. Охлажденный газ подается в
ДВС – на выходе получаем горячие дымовые газы и электроэнергию.
Структурная схема мини-ТЭЦ
7. Команда проекта (12 человек) :
Механики – 2;
Энергетики – 3;
Экономисты – 2;
……………
Студенты УГГУ – 5.