Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Метод исследования 11
1.1 Обзор методов очистки газовых выбросов и способов сжигания угля в энергетических агрегатах 11
1.2 Анализ негативного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду, на примере города Улан-Удэ 23
1.3 Метод системного подхода для исследования проблемы загрязнения атмосферного воздуха 36
Выводы по первой главе 40
Глава 2. Механизмы формирования полей загрязнения и вклад объектов теплоэнергетики в общее загрязнение 42
2.1 Процесс распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы 42
2.2 Методика расчета и исходные данные 50
2.3 Результаты расчета и анализ полученных данных 56
Выводы по второй главе 63
Глава 3. Исследование характеристик горения бурятских и забайкальских углей в топках с кипящим слоем 65
3.1 Планирование экспериментов по исследованию характеристик горения Бурятских и Забайкальских углей в топках с кипящим слоем 65
3.2 Конструкция и рабочий режим котлоагрегатов КЕ-10-14 с топкой ВЦКС и КВр-23-25-150 с топкой НТКС 67
3.3 Анализ процесса горения различных видов топлива в котлоагрегатах ВЦКС и НТКС 74
3.4 Результаты эксперимента по критерию оптимизации концентрации оксидов азота при сжигании Бурятских и Забайкальских углей в топках ВЦКС и НТКС 81
Выводы по третьей главе 89
Глава 4. Практическое внедрение технологии КС и ЦКС на энергетических объектах Бурятии и Забайкальского края 91
4.1 Эффективность применения технологии сжигания твердых топлив в котлах с КС и ЦКС 91
4.2 Опыт использования котлоагрегатов с кипящим слоем на котельных малой мощности, менее 100 МВт 95
4.3 Предложение по внедрению котлоагрегата с ЦКС-технологией на ТЭЦ-2 города Улан-Удэ 104
4.4 Эколого-экономическая оценка эффективности предлагаемых мероприятий 112
Выводы по четвертой главе 126
Заключение 127
Список литературы 129
Приложения 142
- Анализ негативного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду, на примере города Улан-Удэ
- Конструкция и рабочий режим котлоагрегатов КЕ-10-14 с топкой ВЦКС и КВр-23-25-150 с топкой НТКС
- Результаты эксперимента по критерию оптимизации концентрации оксидов азота при сжигании Бурятских и Забайкальских углей в топках ВЦКС и НТКС
- Предложение по внедрению котлоагрегата с ЦКС-технологией на ТЭЦ-2 города Улан-Удэ
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии (ЭС) России задачей развития энергетики в сфере экологии и противодействия изменению климата является всемерное сдерживание роста и уменьшение негативного влияния добычи, производства, транспортировки и потребления энергоресурсов на окружающую среду, климат и здоровье людей.
В число мер, способствующих решению данной задачи, входят:
переход в отраслях ТЭК на принципы наилучших доступных технологий;
создание системы мониторинга и учет экологических и природоохранных рисков;
стимулирование научных исследований и поддержка разработки перспективных технологических решений, направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду и экологических рисков;
создание экологически чистых, низкоуглеродных и ресурсосберегающих технологий производства, транспортировки, хранения и использования энергетических ресурсов.
Также стратегией определены приоритетные технологии в развитии теплоэлектро-энергетики, направленные на отечественные разработки для крупномасштабного применения на период до 2035 года:
котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем на угле для паротурбинных конденсационных энергоблоков;
котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем на угле для паротурбинных теплофикационных энергоблоков;
новые технологии газификации твердого топлива, включая биомассу и бытовые отходы, например на основе плазменно-энергетических технологий.
Котлы по технологии КС и ЦКС демонстрирует хорошие адаптационные возможности к изменению качества угля, обладают хорошими маневренными свойствами, обеспечивают эффективное снижение негативного воздействия угольной энергетики на окружающую среду.
Поэтому, для Республики Бурятия и Забайкальского края, в которых основным источником производства тепла и электроэнергии является уголь, наиболее значимыми будут цели и задачи в решении технологических и экологических проблем. И прежде всего это сводится к тому, что энергетические установки на угле должны быть экологически безопасными для окружающей среды.
В связи с вышеизложенным, можно отметить, что проведение исследований сжигания Бурятских и Забайкальских углей и внедрение технологии ЦКС на котлоагрегатах, для снижения воздействия на окружающую среду, актуальны.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской темой ВСГУТУ «Охрана окружающей среды в водосборном бассейне реки Селенги и озера Байкал в целом», 2000-2004 гг. № ГР 01870019608; государственным контрактом на выполнение научной работы по разработке «Республиканской целевой программы энергосбережения Республики Бурятия на период до 2020 года», № 317 от 28.09.2009; госбюджетной темой «Эксплуатация систем теплоснабжения в условиях РБ на основе энергосбережения», 2011-2015 гг. № ГР 01201254531.
Степень разработанности темы.
Исследования по изучению технологии кипящего и циркулирующего кипящего слоя, эффективности применения данных технологий для снижения негативного воздействия угольных ТЭС и котельных на окружающую среду проводились такими авторами как Баскаков А.И., Беляев Л.А., Рябов Г.А., Кан Чан Ир, Загородский И.А., Долгушин
И.А., Русских Е.Е., Скопцов Ю.В., Suzuki, Basu P., Lafanechere L., Jestjn L., Ishida K., Ha-segava Y., Roper B., Thomas G. и др.
Несмотря на большое количество отечественных и зарубежных работ, посвященных данной тематике, практического применения этих технологий сжигания в России не так много. Достаточно обширно рассмотрены вопросы, посвященные проблемам утилизации тепла уходящих газов, исследованиям гидродинамики, оптимизации параметров энергоблоков, газификации различных видов биомассы в кипящем слое, исследованиям процессов, протекающих при совместном сжигании угля и биомассы. Однако, большая часть исследований посвящена работе котлов с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) средней и большой мощности.
В диссертационной работе соискателем проведены исследования по сжиганию Бурятских и Забайкальских углей в котлах малой мощности с топками высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя (ВЦКС) и низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Предложенный метод системного подхода к оценке мероприятий по минимизации негативного воздействия объектов теплоэнергетики на воздушный бассейн, прежде не рассматривался.
Цели работы включают разработку метода по снижению вредного воздействия энергетических комплексов на окружающую среду, с применением системного подхода (на примере теплоэнергетического комплекса города Улан-Удэ); обоснование применения технологии кипящего слоя экспериментальным путем и оценку эффективности внедрения данной технологии.
В соответствии с целями были поставлены следующие задачи:
произвести анализ существующих методов очистки вредных выбросов, способов сжигания угля, негативного влияния объектов теплоэнергетики на воздушный бассейн и разработать метод по снижению вредного воздействия энергетических комплексов на окружающую среду, с применением системного подхода;
произвести расчет уровней загрязнения вредными выбросами от отдельных источников энергии;
исследовать процесс сжигания Бурятских и Забайкальских углей в топках с высокотемпературным (ВЦКС) и низкотемпературным (НТКС) кипящим слоем и получить математическую модель зависимости концентрации оксидов азота от температуры слоя и коэффициента избытка воздуха;
определить эффективность внедрения технологии кипящего слоя для снижения негативного воздействия теплоэнергетики на воздушный бассейн города Улан-Удэ.
Методологическую и теоретическую основу исследования в данной работе составляют комплексный анализ и системный подход к изучению рассматриваемых задач. При работе над диссертацией использовались методы математического моделирования, расчета концентраций загрязняющих веществ и оценки эколого-экономической эффективности.
Научная новизна:
-
Предложен метод исследования проблемы загрязнения атмосферного воздуха с применением системного подхода, который позволяет в комплексе рассмотреть оценку вредных выбросов от отдельных источников энергии, модернизацию котельного оборудования и варианты развития системы энергоснабжения с учетом минимизации вредного воздействия на воздушный бассейн.
-
На основе экспериментальных данных построены регрессионные зависимости (математическая модель) концентрации оксидов азота от температуры слоя и коэффициента избытка воздуха при сжигании Бурятских и Забайкальских углей в топках ВЦКС и НТКС.
-
Выполнена эколого-экономическая оценка по техническому перевооружению муниципальных котельных малой мощности и вариантов расширения ТЭЦ-2 города Улан-
Удэ, где показана эффективность технологии кипящего слоя, которая может иметь практическую значимость.
Достоверность работы. Достоверность результатов получено на основе многочисленных экспериментальных исследований, неоднократно апробировалось путем сопоставления расчетных данных с показателями работы ряда котлоагрегатов с кипящим слоем. Использовались программы «УПРЗА Эколог 4.0», STATISTICA 8.0, Excel 2010. Проводились замеры концентрации вредных выбросов от котлоагрегатов с применением портативных приборов (анализатор testo 350, testo 340).
Личный вклад автора. Личное участие автора заключается в разработке метода системного подхода, проведении экспериментов, получении моделей и анализе экспериментальных данных.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты работы представляют интерес для теплогенерирующих предприятий и могут послужить обоснованием при принятии решений по развитию тепло- и энергоснабжения.
Полученные данные используются в учебном процессе при изучении следующих дисциплин (Энергосбережение и экология, Котельные установки и парогенераторы) на кафедре «Тепловые электрические станции» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.
Положения, выносимые на защиту.
1. Метод исследования проблемы загрязнения атмосферного воздуха с применени
ем системного подхода, который позволяет в комплексе рассмотреть оценку вредных вы
бросов от отдельных источников энергии, модернизацию котельного оборудования и ва
рианты развития системы энергоснабжения с учетом минимизации вредного воздействия
на воздушный бассейн.
-
Регрессионные зависимости концентрации оксидов азота от температуры слоя и коэффициента избытка воздуха, построенные на основе экспериментальных данных, при сжигании Бурятских и Забайкальских углей в топках ВЦКС и НТКС.
-
Эколого-экономическая оценка технического перевооружения муниципальных котельных малой мощности и вариантов расширения ТЭЦ-2 города Улан-Удэ, показывающая эффективность технологии кипящего слоя.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности ВАК 05.14.01 – «Энергетические системы и комплексы»: пункт 1. «Разработка научных основ исследования общих свойств, создания и принципов функционирования энергетических систем и комплексов, фундаментальные и прикладные системные исследования проблем развития энергетики городов, регионов и государства, топливно-энергетического комплекса страны»; пункт 4. «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов, программ и технологий по снижению вредного воздействия энергетических систем и комплексов на окружающую среду».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Ежегодной научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГУТУ г. Улан-Удэ, 2012-2016 гг.; Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности г. Комсомольск-на-Амуре, 2006 г.; Межнународной научной-школе конференции студентов и молодых ученых г. Абакан, 2006 г.; IV школе-семинара молодых ученых России посвященная 50-ю СО РАН п. Истомино БНЦ СО РАН, 2007 г.; Материалы международной научно-практической конференции посвященной 20-летию географического отделения биолого-географического фак-та БГУ г. Улан-Удэ, 2008 г.; Materials of International Scientific Conference «Ecology and rational nature managment», Israel (Tel Aviv), 2014 г.; VII Всероссийской научно-практической конференции г. Улан-Удэ, 2015 г; Всероссийской научно-практической конференции «Электроэнергетика Байкальского региона: Проблемы и перспективы» Улан-Удэ – с. Горячинск, 2016.
Публикации. Результаты работы отражены в 12 печатных работах, 4 из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских и докторских диссертаций, остальные тезисы докладов и материалы конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 160 страницах и содержит 42 рисунка, 26 таблиц и 3 приложения. Список использованной литературы включает 130 наименований, в том числе 17 на иностранном языке.
Анализ негативного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду, на примере города Улан-Удэ
По данным Бурятского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 2016 году уровень загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ оценивается, как очень высокий, в связи с чем, включен в приоритетный список городов Российской Федерации с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
В г. Улан-Удэ отмечается превышение предельно допустимых концентраций (ПДКсс) бенз(а)пирена в 7,7 раза, взвешенных веществ в 1,9 раза, формальдегида в 1,8 раза, азота диоксида в 1,1 раза. Наблюдается рост среднегодовых концентраций бенз(а)пирена в 2,8 раза, формальдегида в 2,6 раза, серы диоксида в 1,7 раза, азота оксида в 2,8 раза, взвешенных веществ на 11,8%, азота диоксида на 2,7%. В таблице 1.2 представлен список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы, по данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды .
На территории города Улан-Удэ расположено около 200 предприятий, организаций и учреждений, имеющих источники выбросов вредных веществ в атмосферу.
В таблице 1.3 представлен перечень основных промышленных предприятий, оказывающих негативное влияние на загрязнение атмосферного воздуха города Улан-Удэ [23].
Основной вклад в выбросы ЗВ вносят предприятия по производству, передаче и перераспределению электроэнергии, пара, газа и горячей воды. Суммарный вклад Улан-Удэнской ТЭЦ-1 и Улан-Удэнской ТЭЦ-2 в загрязнение атмосферного воздуха составляет – 49,9% (вклад ТЭЦ-1 – 30% и ТЭЦ-2 – 19,9%).
Динамику изменения выбросов загрязняющих веществ в г. Улан-Удэ можно проследить по графику, приведенному на рисунке 1.2. По данному графику видно, что выбросы после 2010 года заметно ниже показателей представленных до 2010 года. В основном это связано с закрытием ряда предприятий, однако, следует также отметить ужесточения штрафных санкций и выполнение мероприятий по охране окружающей среды. Также в ежегодном докладе «О состоянии и охране окружающей среды Республики Бурятия» было заявлено, что в 2012 году юридическими лицами выполнено 29 мероприятий по уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на сумму 81599,7 тыс. руб [22].
Уровни загрязнения атмосферы связаны со значительными концентрациями взвешенных веществ, бенз(а)пирена, диоксида азота, оксида углерода, формальдегида, формирование которых происходит вследствие выбросов предприятий теплоэнергетики, котельных, промышленных предприятий и автотранспорта.
Для более наглядной оценки соискателем были построены графики изменения концентраций загрязняющих веществ по месяцам, представленные на рисунках 1.3-1.6 (данные за период 2010-2016 гг.). Данные по концентрациям загрязняющих веществ были предоставлены Управлением Роспотребнадзора по Республике Бурятия.
Как видно по графикам, среднемесячные концентрации загрязняющих веществ снижаются с мая месяца и начинают увеличиваться с сентября. Несмотря на некоторые колебания, связанные с метеорологическими особенностями каждого месяца, можно отметить, что на момент отопительного сезона концентрации вредных веществ в городе увеличиваются в среднем от 20-40 %. Особенно четко эта картина прослеживается с оксидами азота, основными источниками которого являются предприятия теплоэнергетики. Также отмечается резкое увеличение концентрации диоксида серы в январе и феврале, и это, прежде всего, обуславливается тем, что данные месяцы являются самыми неблагоприятными для рассеивания атмосферных примесей, так как характеризуются антициклональным типом погоды, большой повторяемостью штилей и устойчивыми инверсиями.
На рисунке 1.5 показано изменение концентрации оксида углерода, где видно, как концентрация вещества, также снижается с мая и увеличивается с сентября. Преобладающий вклад в загрязнение выбросами оксида углерода вносит автотранспорт, однако в зимний период количество автомобилей снижается, а увеличение доли выброса оксидов углерода в холодный период объясняется использованием печного отопления домов частного сектора, а также мелкими котельными города. В 2012 г. специалистами Санкт-Петербургского института прикладной экологии и гигиены (ИПЭГ) впервые в Улан-Удэ были обследованы дома частного сектора. Им удалось обследовать 1015 АИТов (автоматизированных источников теплоснабжения), обогревающих 995 домов. Результаты исследований и проведенных расчетов показали, что суммарный выброс оксида углерода от АИТ – 11592,008 т/год (для сравнения суммарный выброс оксида углерода от Улан-Удэнской ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 – 337,3 т/год).
Регулярные измерения концентраций основных и специфических загрязняющих веществ, характерных для Республики Бурятия, обеспечиваются существующей системой наблюдений за состоянием атмосферного воздуха. Повышенные концентрации оксидов азота, серы, углерода, бенз(а)пирена, взвешенных веществ, формальдегида оказывают негативное влияние на экосистемы и здоровье человека. Кроме того, некоторые из этих вредных веществ могут приводить к коррозии элементов технической инфраструктуры. Также, в атмосферных слоях с участием оксидов азота и органических соединений происходят различные фотохимические реакции, которые приводят к образованию озона в приземном слое атмосферы.
Следует отметить, что промышленные выбросы распространяются в атмосфере согласно законам турбулентной диффузии. Существенное влияния на процесс рассеивания оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности. Перемещение примесей в горизонтальном направлении зависит в основном от скорости ветра, а вертикальное – распределением температур по высоте. Поэтому немаловажным является учет климатических, метеорологических и рельефных условий, так как устойчивость атмосферы к загрязнению во многом зависит от комплекса метеофакторов, которые определяют способность атмосферы рассеивать и удалять поступающие загрязнения. В таблице 1.5 представлены среднегодовые значения метеорологических параметров, определяющих потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) [11, 15].
Из-за высокого ПЗА в Сибири средние концентрации бенз(а)пирена (БП) в зимнее время достигают больших уровней, чем в западных районах России. В Кемерово, Новокузнецке, Новосибирске и Улан-Удэ средняя концентрация БП достигает 6–8 ПДК, а в Санкт-Петербурге и Архангельске они не превышают 5 ПДК (рис. 1.7) [38].
Город Улан-Удэ определяется резко континентальными климатическими характеристиками. В зимний период преобладает сибирский антициклон (область высокого давления). Это приводит к установлению ясной солнечной погоды в зимний период, при этом преобладают процессы приземной инверсии.
Циклоническая деятельность проявляется в регионе слабо. Весной западные и северо-западные циклоны приносят осадки, которые вызывают значительные похолодания и сопровождаются сильными ветрами, то есть преобладают факторы зональной циркуляции. Наибольшая повторяемость циклонов наблюдается летом. В летний период, преимущественно во второй половине, вместе с южным циклоном поступает влажный тропический воздух, который вызывает обильные дожди. Осенью циркуляция характеризуется развитием общего западно-восточного переноса, который прерывается вторжением холодных воздушных масс с севера. Смещение циклонов на город Улан-Удэ происходит в течение всего года, но преобладает летом. Наиболее часто они перемещаются с запада и с северо-запада, и несколько реже с юго-запада и юга.
Для городского климата Улан-Удэ характерна сухость воздуха в течение всего года. Влажность воздуха достигает максимального значения (74 - 77%) в ноябре - январе, а минимального (49%) в мае. А среднюю повторяемость имеют ветра северо-западного (24%), западного (22%), восточного (20%), юго-западного (15%) направлений. Зимой наблюдаются часто ветры западного (30%), восточного (24%), и юго-западного (22%) направлений. В летний период резко увеличиваются ветра северо-западного (29%) и северного (14%) направлений. Как известно, средние скорости годового хода ветров достигают минимума в зимний период, а максимума в весенний [6].
Конструкция и рабочий режим котлоагрегатов КЕ-10-14 с топкой ВЦКС и КВр-23-25-150 с топкой НТКС
1. Котел КЕ-10-14 с топкой высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя (ВЦКС, Т=1000-1100 0С) паропроизводительностью 10 т/ч разработан промышленной компанией ООО «Петрокотел» и смонтирован в 2004 году на котельной ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод». Схема и общий вид котлоагрегата представлена на рисунках 3.1 и 3.2.
Характерной особенностью топок ВЦКС является двухступенчатое сжигание за счет распределения дутьевого воздуха под решетку в топочное пространство котла от штатных вентиляторов типа ВДН. За счет организации двухступенчатого сжигания топлива в топке снижаются выбросы оксидов азота на 25-30%, в сравнении со слоевыми топками.
Сжигание угля происходит на узкой наклонной до 100 к горизонту подвижной решетке обратного хода. Процесс растопки аналогичный со слоевой топкой. На режим устойчивого горения топка ВЦКС выходит через 15-20 мин после начала растопки. Перевод на ВЦКС осуществляется за счет достаточно простой реконструкции типовых слоевых котлов путем:
- замены широкой слоевой топки на узкую от 300 до 800 мм в зависимости от производительности котла;
- размещение ВЦКС в зольном отделении (при его наличии) для увеличения высоты топочного пространства;
- установки фронтового, поворотного экранов и регистра охлаждения топки;
- использование одного питателя вместо двух забрасывателей.
Основные технические показатели котла КЕ-10-14 (ВЦКС) указаны в таблице 3.1.
После реконструкции котлы с топками ВЦКС эксплуатируются с тягодутьевыми машинами, приборами и системой автоматики, установленных на котлоагрегатах до реконструкции. Узкая наклонная решетка набирается из колосников типовых ленточных топок с максимальным сохранением штатной схемы приводного механизма (количество ведущих звездочек сокращается до двух). Кипящий слой, вследствие своему подобию жидкости, занимает лишь часть площади решетки (50-70%), оставшаяся часть решетки служит для выгорания угля в шлаке. Снижение потерь тепла с механическим недожогом топлива осуществляется путем возврата в топку на дожигание грубых фракций уноса, уловленного в предварительной системе очистки.
2. Котел КВр-23-25-150 с топкой низкотемпературного
циркулирующего кипящего слоя (НТКС, Т=800-900 0С) разработан НИИ ПО «Бийскэнергомаш» совместно с заводом «Бийскэнергомаш» и смонтирован в 2002 году на котельной г. Петровск-Забайкальский. Схема котлоагрегата и общий вид представлены на рисунках 3.3 и 3.4.
Конструктивно топка представляет из себя конструкцию с плоской водоохлаждаемой колпачковой решеткой с ненаправленным дутьем. Изнутри короб воздухораспределительной решетки теплоизолирован шамотным кирпичом. На решетке установлены воздухораспределительные колпачки с ненаправленным дутьем для организации некоторой циркуляции материала кипящего слоя выше плоскости колпачков решетки. Вывод золы и шлака осуществляется через сливные трубы.
Охлаждение решетки производится технической водой. В качестве инертного материала используется речной песок. Система острого дутья (вторичного воздуха), предусмотренная в котлоагрегате, создает в верхнем объеме топочной камеры вихрь с горизонтальной осью. Это дает более полное заполнение топочного объема горящими частицами, тем самым уменьшая потери с механическим недожогом.
Также для снижения потерь с механическим недожогом предусмотрена двухступенчатая система возврата уноса (рис. 3.5). Растопка осуществляется прогревом кипящего слоя горячими дымовыми газами, образующимися при сгорании жидкого топлива в растопочной камере. Система подготовки топлива обеспечивает подачу в котел угля с размером куска до 25 мм (рис. 3.6). Подача топлива осуществляется с помощью частотных приводов типа «ВЕСПЕР». Его применение позволяет плавно изменять подачу топлива в топку котла. Топливо из бункера накопителя по двум течкам поступает в пневмомеханические забрасыватели и затем поступает в котел (рис. 3.7).
Результаты эксперимента по критерию оптимизации концентрации оксидов азота при сжигании Бурятских и Забайкальских углей в топках ВЦКС и НТКС
Наиболее важными факторами, определяющими концентрацию NOx в котлах с кипящим слоем, являются:
- температура слоя, ее увеличение приводит к росту концентрации NOx;
- избыток воздуха на выходе из топки, его рост увеличивает концентрацию NOx;
- доля первичного воздуха, уменьшение ее доли (по крайней мере до 40%) способствует снижению выбросов NOx.
Однако по итогам эксперимента, методом априорного ранжирования факторов, определили факторы, в большей степени, влияющие на параметры оптимизации. Так, основными параметрами, влияющими на механизм образования окислов азота являются:
Тсл – температура слоя
– коэффициент избытка воздуха
В качестве критерия оптимизации была выбрана Y1 (С(NOx)) – концентрация оксидов азота. Уровни и интервалы варьирования основных параметров представлены в таблице 3.5.
В результате обработки данных получили следующие уравнения регрессии, описывающие зависимость концентрации оксидов азота от температуры слоя и коэффициента избытка воздуха (а – Тигнинский уголь, б – Тугнуйский уголь, в - Харанорский).
Полученные модели проверяли на адекватность с использованием критерия Фишера. Значимость каждого коэффициента оценивали по t-критерию Стьюдента. В таблице 3.6. представлены коэффициенты по t-критерию Стьюдента. Дисперсия воспроизводимости в параллельных опытах - 0; число степеней свободы - 20; табличное значение критерия Стьюдента -2,09.
Дисперсия адекватности математической модели - 0; число степеней свободы при значимых коэффициентах - 7; табличное значение критерия Фишера - 2,51; расчетное значение критерия Фишера - 2,44.
По критерию Фишера уравнения регрессии, описывающими зависимость концентрации оксидов азота являются адекватными. Модель применима для решения производственных задач.
Графические зависимости критериев оптимизации параметров процесса горения исследуемых углей представлены на рисунках 3.11-3.15. Из анализа графиков следует, что экстремумы функций откликов зависимости концентрации оксидов азота от температуры слоя и коэффициента избытка воздуха в пределах варьирования переменных факторов отсутствуют, что говорит о малых интервалах варьирования факторов X1 и X2, которые в реальности ограничены конструктивными особенностями котлов.
По результатам эксперимента, в ходе обработки откликов, мы видим, что увеличение X1 (температура слоя) приводит к росту концентрации оксидов азота. Такая же ситуация прослеживается и при росте X2 (коэффициент избытка воздуха). Например, при Х2=1,6 и повышении температуры слоя на 1 0С увеличение концентрации составляет 0,252 мг/м3, а если увеличиваем Х2 до 2,11 – на 0,728 мг/м3.
По опытным данным [128] обнаружено, что на увеличение концентрации оксидов азота может влиять выход летучих. Так, наименьшая концентрация NOx до 170-200 мг/м3 относится к углям с выходом летучих в пределах 20-25 %. Увеличение выхода летучих приводит к росту выбросов NOx. Результаты сжигания Бурятских и Забайкальских углей подтверждают данные по влиянию выхода летучих на выбросы оксидов азота. Максимальная концентрация NOx относится к Тугнуйскому углю, а минимальная – к Тигнинскому углю. На котле КВр 23-25-150 с топкой НТКС при температуре слоя менее 890 0С и избытке воздуха менее 1,62 выбросы NOx для Тугнуйского угля не превышают 264 мг/м3, для Харанорского угля – около 257 мг/м3 и для Тигнинского угля – 241 мг/м3. Для котла КЕ 10-14 с топкой ВЦКС при температуре слоя менее 980 0С и избытке воздуха менее 2,01 выбросы NOx для Тугнуйского угля не превышают 289 мг/м3, для Тигнинского угля – 256 мг/м3.
Предложение по внедрению котлоагрегата с ЦКС-технологией на ТЭЦ-2 города Улан-Удэ
В главе 2 приведены результаты расчета рассеивания вредных веществ от объектов теплоэнергетики, где показано, что наибольшее влияние оказывает ТЭЦ-1 города Улан-Удэ. Хотя Улан-Удэнская ТЭЦ-1 строилась в 1930-е годы на окраине городской черты, за прошедшие 80 лет она оказалась в достаточно плотном окружении жилой застройки. И, конечно же, такое расположение в непосредственной близости к жилым и парковым зонам, приводит к скоплению концентраций вредных веществ. Анализ приведенных данных в главе 1 и 2 позволяют сделать вывод о том, что проблема защиты воздушного бассейна города Улан-Удэ является актуальной. И для решения этих проблем необходимо провести целый комплекс мероприятий, направленных на минимизацию негативного воздействия на воздушный бассейн города [28].
Одно из таких мероприятий неоднократно обсуждалось в правительстве Республики Бурятия. Это строительство первой очереди Улан-Удэнской ТЭЦ-2 и постепенная консервация ТЭЦ-1. На сегодняшний день ТЭЦ-2 (станция построена в 90-е годы) работает не на полную мощность и является по существу пиковой котельной [115].
Строительство дополнительных энергоблоков является перспективным развитием тепло- и электроэнергетики для Республики Бурятия. Кроме того, нужно отметить, что наша Республика располагает достаточно мощными ресурсами бурых и каменных углей, которые потенциально могут покрыть любую потребность в твердом топливе. Основная часть балансовых запасов 2,02 млрд. т. сосредоточена в промышленно развитых и освоенных районах Республики [25].
Ввод в эксплуатацию 2-х энергоблоков на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 позволит: увеличить объемы и гарантировать надежность поставки электроэнергии в Бурятии; улучшить теплоснабжение жилого сектора и промышленных предприятий, создав условия для закрытия ряда мелких котельных города; улучшить экологическую обстановку в центральной части города.
Расположение Улан-Удэнской ТЭЦ-2 наиболее оптимально с точки зрения наименьшей антропогенной нагрузки, она находится за территорией города вдали от центра, в зоне ее воздействия нет других серьезных источников выбросов загрязняющих веществ. Высота трубы (240 м) также создает хорошие условия для рассеивания вредных примесей и соблюдения санитарно-гигиенических норм. Под воздействие же дымовых труб ТЭЦ-1, напротив, попадает практически вся территория города, кроме того рядом располагается Улан-Удэнский локомотиво-вагоноремонтный завод, мелкие котельные и другие предприятия [32]. Также, следует отметить, что первые энергоблоки ТЭЦ-1 были введены в эксплуатацию еще в 30-х годах прошлого века, что однозначно говорит о физическом и моральном износе данного объекта. В таблице 4.6 представлены даты ввода в эксплуатацию и реконструкции основного оборудования ТЭЦ-1. Установленная тепловая и электрическая мощность на Улан-Удэнской ТЭЦ-1 соответственно равна 688 Гкал/ч и 148 МВт.
Паровые пылеугольные котлы СД (среднего давления) №1-5 (БКЗ-75 39ФБ/Е-75-40) изготовлены на Барнаульском котельном заводе, однобарабанные, вертикально-водотрубные, с естественной циркуляцией. Имеют П-образную компоновку, топочную камеру прямоугольного сечения (6000 х 6600) мм2, экранированную трубами 60х3 мм с шагом 75 мм на задней стенке и 90 мм на остальных.
Паровые пылеугольные котлы ВД (высокого давления) №№ 6-9 (БКЗ-220-100Ф /БКЗ-220-100-7С), барабанного типа, станционные, изготовлены на Барнаульском котельном заводе, имеют П-образную компоновку с естественной циркуляцией. Топочная камера имеет прямоугольное сечение (6650 х 9536) мм 2 и экранирована трубами 60 х 4 с шагом 64 мм.
Из таблицы 4.6 видно, что на ТЭЦ-1 эксплуатируется достаточно старое оборудование, которое требует повышенного внимания. Можно констатировать, что за последние 40-50 лет не было введено дополнительно новых электрических мощностей. А продолжение эксплуатации физически и морально устаревшего оборудования привело к тому, что почти половина оборудования уже отработали свой парковый ресурс. Тем самым это обуславливает значительное снижение показателей его надежности и эффективности.
Износ тепловых сетей магистральных трубопроводов по зоне ТЭЦ-1 составляет 52%, износ внутриквартальных тепловых сетей - 62%. Для решения проблем рассматриваются различные варианты, однако, многие из них имеют ряд существенных недостатков и практически все сводятся к удорожанию тарифов.
Также следует еще раз отметить и экологическую составляющую, поскольку влияние выбросов от деятельности ТЭЦ-1, расположенной в центральной части города, усугубляет и без того недопустимый уровень загрязнения воздушной среды. Повышенное загрязнение атмосферного воздуха, в зоне влияния данного объекта, в той или иной степени опасно для здоровья, проживающего в нем населения.
Дальнейшее развитие теплоэнергетики должно предусматривать применение современной техники и технологий, при строительстве новых и реконструируемых ТЭС, обеспечивающих устойчивое с экологической точки зрения развитие отрасли. Так, из-за устарелости технологического оборудования ТЭС использовании морально устаревших технологий сжигания топлива наблюдается низкая эффективность использования топливных ресурсов. Это приводит к значительному ухудшению технико-экономических показателей ТЭС по сравнению с проектными и к чрезвычайно низким величинам КПД (до 30%), который в современных ТЭС уже достиг уровня 45%. Вследствие использования устаревших технологий сжигания топлива маневренные возможности ТЭС низкие, что обуславливает их работу в непроектном режиме глубокого регулирования мощности в пиковом и полупиковом режимах. Технологические средства улавливания вредных веществ не дают желаемого эффекта, что приводит к критически высокому уровню экологической нагрузки на воздушный и водный бассейн в зоне деятельности ТЭС.
Поэтому предложение по внедрению на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 котлоагрегата с ЦКС-технологией является перспективным. Хотя Россия имеет непродолжительный опыт в использовании данной технологии, например, первый отечественный опытно-промышленный котел со стационарным кипящим слоем БКЗ 420-140 КС был смонтирован в 1992 г., а его испытания были начаты в 1995 г. на Барнаульской ТЭЦ-3. Но, к сожалению данный котел находиться не в эксплуатации. Более удачный пример, это строительство энергоблока №9 с котлом ЦКС на Новочеркасской ГРЭС, мощность энергоблока 330 МВт. Строительство было начато с августа 2010 года, завершилось в 2016 году. В мае были проведены комплексные работы, аттестация и с июня энергоблок № 9 выдал электроэнергию в общую сеть.
Опыт других стран (Китай, Германия, Франция, США, Япония и др.) свидетельствует, что технология кипящего слоя при использовании в большой энергетике может конкурировать с традиционными пылеугольными котлами. Привлекательной стороной технологии ЦКС, как уже отмечалось в подглаве 1.2 и 4.1, является возможность обеспечения низких значений выбросов оксидов азота и серы. Достигнутые значения вредных выбросов составляют: NOх – не более 250 мг/м3 и SO2 – не более 400 мг/м3. Такие же результаты можно достигнуть и на традиционных пылеугольных котлах оборудованных мокрыми известковыми системами десульфуризации дымовых газов, но, однако, обоснованное сравнение, учитывающее капитальные и долгосрочные эксплуатационные затраты показывают некоторое преимущество технологии ЦКС.
Строительство ТЭЦ-2 было начато в конце 80-х начале 90-х годах, согласно проекту, разработанного проектным институтом «Сибирское отделение ВНИПИЭнергопром» предполагалось установка 4-х теплофикационных блоков с турбинами Т-180/210-130 и котлами Е-670-140. В соответствии с заданием установленная мощность электростанции на полное развитие должна была составить:
- электрическая – 720/840 МВт
- тепловая – 1840 Гкал.
Однако на сегодняшний день мы имеем следующее:
- электрическая – 0 МВт
- тепловая – 380 Гкал.
То есть на сегодняшний день Улан-Удэнская ТЭЦ-2 работает в режиме котельной. Что касается ТЭЦ-1, то основное оборудование, как уже было отмечено выше, выработало свой парковый ресурс, физически и морально устарело. Поэтому для покрытия существующих и перспективных тепловых нагрузок требуется его замена или установка новых энергоблоков на территории станции.