Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор современного состояния энергетического использования твердых бытовых отходов 18
1.1. Понятие о ТЭС на ТБО. Выбор мощностного ряда 18
1.2. Краткое описание различных методов и технологий термической переработки ТБО
1.2.1. Сжигание на механических колосниковых решетках в слоевых топках 26
1.2.2. Сжигание в трубчатые (барабанных) печах 34
1.2.3. Сжигание в кипящем слое 37
1.2.4. Сжигание в металлургических печах 45
1.2.5. Термическая переработка с использованием процессов пиролиза и газификации 50
1.2.6. Термическая переработка с использованием плазматрона 65
1.3 Выбор оптимальной технологии термической переработки ТБО для
отечественной ТЭС на ТБО 68
1.4 Выбор направлений исследований 74
Глава 2. Результаты экспериментально-аналитического анализа теплотехнических (топливных) свойств ТБО и их минеральной части 75
2.1. Разработка методики определения основных теплотехнических характеристик применительно к ТЭС на ТБО и ее апробация на действующем объекте 75
2.2. Результаты определения морфологического состава, теплоты сгорания, влажности и зольности ТБО, образующихся в г. Москве 83
2.3. Оценка элементного состава и минеральной части ТБО,
образующихся в г. Москве 90
2.4 Обобщение полученных результатов
Глава 3. Экспериментальное исследование слоевых технологий сжигания ТБО на действующих энерготехнологических установках 97
3.1. Специфика котельных установок, сжигающих ТБО, и основные положения разработанной методики проведения контрольных испытаний на таких установках 97
3.2. Результаты исследований технологии термической утилизации ТБО путем их сжигания на подвижных механических решетках 104
3.3. Результаты освоения технологии сжигания отходов в вихревом кипящем слое 116
3.4. Анализ процессов шлакования и загрязнений при слоевом сжигании ТБО 135
3.5. Обобщение полученных результатов 138
Глава 4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований коррозионной стойкости различных марок сталей в обоснование возможности повышения параметров пара 140
4.1. Анализ возможных путей увеличения параметров пара как основного способа повышения энергетической эффективности ТЭС на ТБО 140
4.2 Оценка влияния высокотемпературной газовой коррозии на металл пароперегревателей котлов, сжигающих ТБО 144
4.3 Результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний по определению характеристик коррозионной стойкости
котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО 152
4.4. Расчетная оценка коррозионной стойкости сталей в среде
продуктов сгорания ТБО и разработка рекомендаций по повышению
надежности работы пароперегревателей котлов ТЭС на ТБО 164
Глава 5. Исследование процессов и выбор оптимальной системы очистки газообразных продуктов сгорания ТБО от вредных выбросов 168
5.1. Нормативные показатели и современные требования к очистке дымовых газов для ТЭС на ТБО 168
5.2. Краткий обзор существующих методов и технологий 171
5.3. Исследование динамики вывода соединений CI, S и F по тракту топка-котел-газоочистное оборудование при сжигании отечественных ТБО 197
5.4. Экспериментальное исследование возможности применения технологий очистки газообразных продуктов сгорания ТБО на основе сухого и полусухого сорбционных методов 205
5.5. Выбор способа денитрификации по результатам оценки эффективности применяемых методов снижения выбросов оксидов азота 224
5.6. Выбор и экспериментальное обоснование предлагаемого метода снижения выбросов диоксинов и фуранов 229
5.7. Основные рекомендации по выбору схемных решений газоочистки для отечественных ТЭС на ТБО 238
Глава 6. Результаты исследований характеристик и свойств образующихся в процессе термической утилизации ТБО твердых остатков и обоснование возможности переработки золошлаков на территории ТЭС 240
6.1. Результаты исследования свойств и характеристик твердых остатков, образующихся в процессе термической утилизации ТБО... 240
6.2. Оценка класса опасности образующих золошлаков и продуктов газоочистки 253
6.3. Результаты исследований в обоснование возможности утилизации на территории ТЭС образующихся при сжигании ТБО золошлаков 261
6.4. Переработка твердых продуктов газоочистки, образующихся на ТЭС, сжигающей ТБО 279
Глава 7 Разработка принципиальных технических решений и профиля отечественной ТЭС на ТБО 280
К 7.1. Структура современной ТЭС на ТБО 280
7.2. Технические решения по используемому оборудованию на ТЭС, сжигающей ТБО 296
7.3. Общие технические показатели ТЭС на ТБО 303
7.4 Результаты расчета материального баланса 305
7.5. Основные принципы автоматизации технологических процессов ТЭС на ТБО 308
7.6. Выводы 310
Заключение 313
Список использованных источников 317
- Краткое описание различных методов и технологий термической переработки ТБО
- Результаты определения морфологического состава, теплоты сгорания, влажности и зольности ТБО, образующихся в г. Москве
- Результаты исследований технологии термической утилизации ТБО путем их сжигания на подвижных механических решетках
- Оценка влияния высокотемпературной газовой коррозии на металл пароперегревателей котлов, сжигающих ТБО
Введение к работе
Актуальность темы
Одно из ключевых направлений долгосрочной энергетической политики Российской Федерации связано с использованием возобновляемых источников для производства электрической энергии. Установлены целевые показатели использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сфере электроэнергетики: предусматривается увеличение их доли в общем энергобалансе страны с 0,9 % в 2011 г. до 2,5 % к 2015 г. и до 4,5 % к 2020 г., что составит около 80 млрд кВт-ч выработки электроэнергии с использованием ВИЭ в 2020 г. при 8,5 млрд кВт-ч в настоящее время.
Как показывает мировой опыт, самым доступным и одним из наиболее экономически целесообразных возобновляемых источников энергии являются твердые бытовые отходы (ТБО), сжигаемые на тепловых электростанциях ТЭС (ТЭС на ТБО). ТБО - это топливо, которое по теплоте сгорания сопоставимо с торфом и некоторыми марками бурых углей, образуется в местах, где электроэнергия наиболее востребована, т. е. в крупных городах, и имеет гарантированное предсказуемое возобновление, пока существует человечество. Работа ТЭС на ТБО не зависит от природных условий (в отличие, например, от солнечных или ветровых установок), географического расположения (по сравнению с геотермальными и приливными электростанциями), и в результате ее эксплуатации, помимо выработки энергии, решается важная социальная задача - утилизируются образующиеся в процессе жизнедеятельности человека бытовые отходы.
В России до недавнего времени предприятия для сжигания отходов находились вне сферы интересов энергетиков. Переработкой ТБО занимались коммунальные службы, которые в первую очередь решали проблему санитарной очистки городов от образующихся отходов. Выделяющуюся в процессе сжигания энергию использовали для покрытия собственных теплофикационных нужд и, в лучшем случае, отпускали излишки в тепловые городские сети.
В отличие от России за рубежом в настоящее время значительная часть предприятий для сжигания отходов принадлежит ведущим энергетическим компаниям, и интерес энергетиков к этому источнику энергии продолжает возрастать. ТБО уже давно и практически во всех промышленно развитых странах рассматриваются как один из перспективных возобновляемых источников получения электроэнергии. В результате утилизации ТБО только в Европе уже сейчас ежегодно вырабатывается более 28 млрд кВт-ч электроэнергии и примерно 70 млрд кВт-ч тепловой энергии. Это позволяет экономить 7...38 млн тонн органического топлива и, кроме того, предотвращать до 37 млн тонн в год выбросы парниковых газов (в пересчете на СО2), которые могли бы выделиться в виде метана при полигонном захоронении отходов. Повсеместно ведется строительство новых ТЭС на ТБО, причем, как правило, со значительной долей капитальных вложений со стороны энергетических компаний.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальных задач технического, экономического и технологического характера, обеспечивающих создание и широкое внедрение в условиях России тепловых электростанций на основе широкодоступного ВИЭ - ТБО.
Цель - на основе полученных результатов лабораторных и промышленных исследований разработать технологические основы экологически безопасного метода энергетической утилизации ТБО для создания отечественной ТЭС на ТБО с учетом мирового опыта, перспективных направлений в развитии российской электроэнергетики и современного состояния отечественного машиностроения в России.
Направления исследования
Аналитический обзор существующего положения в области энергетического использования ТБО в России и за рубежом.
Исследование теплотехнических характеристик ТБО, отдельных составляющих компонентов и их минеральной части.
Экспериментальное исследование процессов термической утилизации ТБО на действующих в России установках.
Разработка теоретических положений и экспериментальное исследование принципиально новой для России технологии сжигания ТБО в вихревом кипящем слое.
Повышение эффективности преобразования энергии ТБО в электрическую и тепловую энергии.
Лабораторные и полупромышленные исследования коррозионной стойкости различных марок сталей в обоснование повышения параметров пара энергоустановок.
Экспериментальное обоснование эффективности применения технологии очистки образующихся при сжигании ТБО дымовых газов с применением полусухого метода.
Расчетно-экспериментальный анализ твердых остатков, образующихся при сжигании ТБО, и выбор метода их дальнейшей утилизации.
Обоснование основных технико-экономических показателей современной отечественной ТЭС на ТБО.
Разработка профиля отечественной ТЭС на ТБО.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
и выводов
В работе использованы апробированные методы исследования и сертифицированные в России методики измерений. Решения поставленных задач базируются на экспериментальных данных и общепринятых теоретических положениях теплотехники и математического моделирования. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными лабораторного эксперимента и промышленных испытаний, результатами многолетней эксплуатации технологического оборудования, а также результатами исследований других авторов.
На защиту выносятся:
методика и результаты определения характеристик и свойств ТБО, которые необходимы при проектировании ТЭС на ТБО, проведении наладочных работ и составлении режимных карт на действующих объектах;
методика проведения и результаты испытаний на энерготехнологических установках, основным топливом которых являются ТБО;
результаты практического освоения принципиально новой для России технологии сжигания ТБО в вихревом кипящем слое;
экспериментальные данные по коррозионной стойкости материалов труб для пароперегревательных поверхностей нагрева котлов, сжигающих ТБО;
результаты исследования эффективности сухого и полусухого методов очистки газообразных продуктов сгорания от токсичных составляющих, образующихся при сжигании отечественных ТБО;
профиль и технико-экономические показатели перспективной отечественной ТЭС на ТБО.
Научная новизна
Впервые в России выполнены комплексные систематические исследования процессов и технологий, обеспечивающие экологически безопасное использование ТБО на ТЭС и обосновавшие возможность широкого использования в РФ электростанций, основным топливом которых являются ТБО.
Разработана, протестирована и принята в виде стандарта предприятия методика определения теплотехнических характеристик ТБО, необходимых для выбора и эффективной эксплуатации технологического оборудования предприятий для термической переработки ТБО.
Разработана методика проведения испытаний на энерготехнологических установках, основным топливом которых являются ТБО. С ее помощью выполнены экспериментальные исследования процессов термической переработки ТБО на нескольких действующих в России установках. Проведено освоение принципиально новой для России технологии сжигания ТБО в вихревом кипящем слое. Определены пути повышения эффективности преобразования энергии ТБО в электрическую и тепловую.
Получены и обобщены экспериментальные данные по коррозионной стойкости материалов труб для пароперегревательных поверхностей нагрева котлов, сжигающих ТБО, на основании которых определены приоритетные марки сталей для этих поверхностей при проектировании отечественных котлов.
Установлено и исследовано влияние минеральной части ТБО на связывание в газоходах котла газообразных соединений серы, хлора и фтора, образующихся в процессе сжигания, содержание которых в уходящих газах нормируется природоохранными органами.
Впервые в России на промышленных установках проведены экспериментальные исследования эффективности различных технологий очистки газообразных продуктов сгорания, образующихся при сжигании отечественных ТБО, от вредных веществ, включая полихлорированные дибензо-пара-диоксины (ПХДД) и полихлорированные дибензофураны (ПХДФ).
Новизна технических решений подтверждается пятью патентами РФ.
Практическая полезность
Разработанные методические указания по проведению испытаний на установках для сжигания ТБО и методика определения их теплотехнических характеристик позволяют получить данные для составления режимных карт, оценить эффективность работы и разработать рекомендации по улучшению дальнейшей эксплуатации подобных установок.
Расчетно-аналитические и экспериментально полученные результаты исследований на котельном и газоочистном оборудовании составляют методологическую основу для проектирования отечественных современных ТЭС на ТБО.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы:
при проведении пусконаладочных испытаний на Череповецком заводе для комплексной переработки ТБО и Московском спецзаводе (МСЗ) № 4;
в виде проектно-конструкторской документации по реконструкции МСЗ № 2 и 4 с целью повышения их производительности;
в технических предложениях по созданию отечественных типовых энерготехнологических комплексов для термической переработки ТБО с выработкой тепловой и электрической энергии (ТЭС на ТБО), разработанных по контракту с Правительством Москвы.
Апробация работы
Результаты, представленные в диссертации, получены в ходе выполнения договорных и инновационных работ в рамках научно-исследовательских программ РАО «ЕЭС России», Правительства Москвы, Минобрнауки России. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на Научно-технической конференции «Развитие технологий подготовки и сжигания топлива на электростанциях» (Москва, 1996); Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 2001); 2-й Всероссийской конференции «Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов» (Самара, 2003); 2-й Международной конференции «Энергия из биомассы» (Киев, 2004); 2-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2004); Международном семинаре «Европейский Союз-Россия. Совместная программа исследований в области биоэнергетики» (Москва, 2004); 4-м и 5-м Международных конгрессах по управлению отходами (ВэйстТэк) (Москва, 2005, 2007); V Международной научно- технической конференции «Повышение эффективности производства электроэнергии» (Новочеркасск, 2005); VII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2006); 4-й научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 2007); с 3-й по 7-ю Международных научно-практических конференциях «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); на 3-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007); 9-th Int. Conf. on CFB «Circulating Flu- idized Bed Technology IX» in conjunction with 4-th Int. VGB Workshop «Operating Experience with Fluidized Bed Firing Systems» (Hamburg, Germany, 2008); Международном семинаре «Сотрудничество в области энергетических технологий: глобальные вызовы и согласованные действия» (Москва, 2008); 3-й Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов - 2008» (Москва, 2008); 2-й научно-практической конференции «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов» (Санкт-Петербург, 2009); Научно-практической конференции «ЗАО «Энергомаш (Белгород)» -70 лет в энергетике» (Белгород, 2009); Круглом столе «Использование возобновляемых источников энергии в ЖКХ» в программе 5-й специализированной отраслевой выставки «ЖКХ-2010: технологии, инновации, новое качество» (Москва, 2010); круглом столе «Перспективы получения тепловой и электрической энергии при утилизации твердых бытовых отходов в условиях мегаполиса» в рамках VIII Международного форума «Топливно-энергетический комплекс Украины: настоящее и будущее» (Киев, 2010); Международной конференции Waste to Business Solutions «Перспективы производства и потребления альтернативного топлива из отходов в России» (Москва, 2010); Конференции Международной ассоциации по твердым отходам (ISWA) «Передовые технологии переработки и захоронения отходов: ориентиры применения и критерии выбора» (Москва, 2011); 5-й научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы» (Челябинск, 2011); XXII Международной конференции «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики» (Ялта, 2012). По теме диссертации делались сообщения и доклады на научно-технических советах ВТИ в 1996-2012 гг.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 77 научных работ, в том числе 26 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, одна монография и пять патентов РФ.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, 3 приложений, изложена на 349 страницах машинописного текста, включающих 112 рисунков, 92 таблицы и библиографический список из 229 наименований.
Краткое описание различных методов и технологий термической переработки ТБО
За рубежом практически на всех современных предприятиях выделяемая в процессе термической переработки ТБО энергия обязательно преобразуется в тепловую для отпуска потребителю или для дальнейшей выработки электроэнергии. Европейским законодательством [19] предложена формула оценки энергоэффективности (Э) таких предприятий, которую применительно к российским условиям можно представить следующим образом: где Ер - энергия, отпущенная потребителю в виде тепла или электроэнергии, ГДж/год. Эта величина умножается на коэффициент 1,1 при отпуске тепла и на 2,6 при выработке электроэнергии; Ef - теплота дополнительного топлива, затраченного на производство энергии, ГДж/год; Ew - энергия, содержащаяся в перерабатываемых отходах, рассчитанная с учетом их теплоты сгорания, ГДж/год; . - импортируемая энергии, получаемая от внешнего поставщика, ГДж/год, исключая Ewи Е{\ 0,97 - показатель для расчета тепловых потерь с золошлаками и в окружающую среду. В [20] отмечается, что поскольку Э не характеризует термодинамическую эффективность, то из-за повышающих коэффициентов при отпуске электроэнергии и тепла (соответственно 2,6 и 1,1) эта величина в ряде случаев может быть больше 1. Там же анализируется, как связан этот показатель энергоэффективности (Э) с принятыми в теплоэнергетике коэффициентом полезного действия и коэффициентом использования тепла топлива. Подробное руководство по применению формулы (1.1) для различных граничных условий приведено в [21].
Формула (1.1) предоставляет возможность однозначного определения того, направлена ли деятельность предприятия по термической переработке отходов на рекуперацию энергии из отходов или просто на ликвидацию отходов.
В соответствии с [19] процесс термической переработки отходов можно считать утилизацией, т.е. целесообразным с экономической и экологической точек зрения процессом рекуперации энергии, только в том случае, когда энергетическая эффективность процесса составляет не менее следующих значений: 0,60 для действующих установок, принятых в эксплуатацию до 1 января 2009 года; 0,65 для установок, разрешенных к эксплуатации после 31 декабря 2008 года. Следует отметить, что по данным [22] из 420 европейских предприятий для термической переработки отходов только 40 % гарантировано имели энергоэффективность более 0,6.
В том случае, если предприятие удовлетворяет указанному выше требованию и специализируется на отпуске электроэнергии внешнему потребителю (или на комбинированном отпуске тепловой и электрической энергии), его можно считать ТЭС на ТБО. Следует отметить, что с экономической точки зрения вырабатывать электроэнергию за счет термической переработки отходов становится целесообразным, если доходы от продажи электроэнергии покрывают расходы, связанные с дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами на приобретение, установку и обслуживание основного и вспомогательного электрогенерирующего оборудования. Для каждой конкретной страны с учетом сложившихся в ней тарифов на покупку электроэнергии, а также законодательства и налогообложения, производство электроэнергии на предприятиях, сжигающих ТБО, становится прибыльным, если годовой отпуск электрической энергии превышает некоторое пороговое значение. В России, например, при существующих рыночных тарифах на покупку электроэнергии (в декабре 2011г. этот тариф составлял 1 руб. 28 коп.), как показывают оценочные расчеты, выполненные по алгоритму табл.7.1 (см гл. 7), сейчас этот порог пока находится на уровне примерно 100,0 тыс. МВт-ч в год (установленная электрическая мощность ТЭС на ТБО должна быть не менее 15 МВт) [23].
На основании аналитических обзоров, выполненных для разных стран [24-26], установлено, что в 2010г. во Франции находились в эксплуатации только 12 таких предприятий, в Германии - около тридцати, при этом наиболее крупная, запущенная в эксплуатацию в 2006г. в Магдебурге, отпускает потребителю более 370,0 тыс. МВт-ч в год. В США, где общая установленная электрическая мощность установок, сжигающих ТБО, составляет 2700 МВт, по крайне мере, на 45 предприятиях установленная электрическая мощность превышает 15 МВт, а на 15 - более 60 МВт (рис. 1.1) [27].
Сразу следует отметить, что помимо экономической целесообразности на других предприятиях, сжигающих ТБО, необходимость выработки электроэнергии определяется специфичными условиями работы такого предприятия. Например, если имеется стабильный потребитель тепловой энергии, то часто применяют турбины с противодавлением. Это позволяет, по крайне мере, обеспечивать собственные нужды предприятия в электроэнергии и компенсировать, таким образом, дополнительные затраты, связанные с эксплуатацией электрогенерирующего оборудования. В районах, где отсутствует надежный потребитель тепла, для решения экологических проблем (утилизация тепла для исключения теплового загрязнения) устанавливают небольших конденсационные или паровинтовые турбины, а связанные с их эксплуатацией дополнительные убытки покрывают за счет увеличения тарифа на переработку ТБО. Следует также отметить, что выработка электроэнергии на этих и других подобных предприятиях, больше исключение, а в общем случае тепловой электростанцией на ТБО следует считать энерготехнологическое предприятие для термической утилизации ТБО с годовым отпуском электрической энергии (для условий России) примерно 100,0 тыс. МВт-ч и более (с установленной электрической мощностью более 15 МВт).
Решающими факторами, определяющими электрическую мощность ТЭС на ТБО, являются прогнозируемый расход поступающих на переработку отходов и их характеристика. (Электрическая мощность обычных ТЭС, на которых сжигают органическое топливо, как правило, выбирается в зависимости от потребности региона в электроэнергии).
Исследование каждого из перечисленных факторов является отдельными задачами, часть из которых находится исключительно в области компетенции научно-исследовательских организаций, работающих в сфере жилищно-коммунального хозяйства, например, Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова (АКХ). Результаты таких исследований известны по многочисленным публикациям, например, в [28-32]. В данной работе основным направлением исследований по этому вопросу выбрано экспериментально-аналитическое изучение теплотехнических свойств ТБО.
Адекватная оценка указанных выше факторов в настоящее время и на ближайшую перспективу позволяет разработать типовой мощностной ряд (по количеству перерабатываемых на ТЭС отходов) для отечественных ТЭС на ТБО, а с учетом результатов выполненного в работе экспериментально-аналитического изучения свойств ТБО, определить электрическую и тепловую мощность таких ТЭС.
Как указывалось выше, одним из решающих факторов по выбору производительности ТЭС на ТБО является удельный объем их накоплений. Объем образования отходов и их накопление на 1 человека в некоторых странах Европы показаны в табл. 1.1 ирис. 1.2.
В [33] сообщается, что количество образовавшихся отходов (на душу населения) сильно варьируется в разных странах, начинается от 306 кг в Греции и кончая 802 кг в Дании. Это объясняется различными структурой потребления и подходами к сбору статистической информации. Например, некоторые страны включают в показатели муниципальных отходов также данные по отходам, образующихся на предприятиях малого бизнеса и в государственных учреждениях.
Результаты определения морфологического состава, теплоты сгорания, влажности и зольности ТБО, образующихся в г. Москве
В главе 2 отмечается, что теплота сгорания ТБО в настоящее время находится в диапазоне 5800-7600 кДж/кг, иногда повышаясь до 8400 кДж/кг. В тоже время, как отмечалось в 3.2.1, номинальная производительность МСЗ №2 обеспечивается при сжигании отходов с теплотой сгорания не выше проектной (Q;r = 6285 кДж/кг). При сжигании отходов с большей теплотой сгорания производительность энерготехнологической установки снижают. Например, для ТБО с Qjr = 7460 кДж/кг и выше производительность падает до 7 т/час.
Для сохранения нормируемой годовой производительности завода по ТБО при существующей тенденции увеличения их теплоты сгорания была произведена оценка возможности повышения производительности установок, при сжигании отходов с большей Q{.
Проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что максимальная тепловая мощность топочного устройства без нарушения процесса горения ТБО и перегрева колосников, может достигать примерно 19,0 МВт. Таким образом, при теплоте сгорания отходов 7460 -7625 кДж/кг допускаемое значение расхода ТБО в топку может достигать 9 т/ч [101], т.е. дальнейшее увеличение производительности энерготехнологической установки не ограничивается работой топки.
В результате выполненных поверочных тепловых расчетов установлено, что перевод котла-утилизатора на новый режим работы также возможен без каких-либо существенных изменений в его конструкции. Разработаны рекомендации по некоторым доработкам тяго-дутьевого оборудования, рукавного фильтра и деаэрационной колонки, а также предложено увеличить количество питательных насосов. Все это позволяет повысить производительность установки практически до номинальной (до 8 т/час), в том числе, при сжигании ТБО с теплотой сгорания на 25 % превышающей расчетную (до 7960 кДж/кг).
Таким образом, в этом случае основной проблемой для сохранения запланированной годовой производительности завода становится вопрос утилизации получаемого избыточного пара, количество которого в зависимости от числа одновременно работающих энерготехнологических установок, теплоты сгорания ТБО и расхода пара на собственные нужды завода составляет 22...32т/ч[102].
На основании анализа технических аспектов и экономической эффективности различных возможных схем для утилизации избытков пара, включая установку дополнительной турбины, предложена схема с установкой дополнительных бойлеров в существующем центральном тепловом пункте (ЦТП) и выдачей тепла в городскую теплосеть [102]. Суть модернизации ЦТП заключается в том, что предусматривается возможность нагрева городской сетевой воды избыточным паром в дополнительном теплообменнике, а оборудование, работающее на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение завода на отборном паре, сохраняется без изменений.
Также существенным моментом для сохранения производительности МСЗ №2 по ТБО является надежная работа ВКУ, особенно при отрицательных температурах воздуха. Для повышения надежности работы ВКУ был предложен ряд мероприятий [102-104]. В частности было рекомендовано увеличить площади газоохладителей в 2 раза за счет установки в каждой секции ВКУ дополнительных газоохладителей, аналогичных существующим [102]; в коллекторах слива конденсата предложено установить между секциями заглушки, а конденсат из каждого отглушенного участка (сектора), сливать самостоятельными трубопроводами в общий коллектор с гидрозатвором или непосредственно в конденсатосборник [104] и др.
С учетом изложенных выше предпроектных исследований и разработанных ОАО «ВТИ» по их результатам рекомендаций, институтом «МосводоканалНИИпроект» был разработан проект модернизации МСЗ №2, который в настоящее время прошел все согласования и утверждения.
В результате обобщения результатов испытаний, проведенных на энерготехнологических установках с решеткой обратно переталкивающего типа (МСЗ №2), а также анализа опыта эксплуатации котлов с наклонно-переталкивающей (МСЗ № 3 до реконструкции) и валковой (Пятигорский теплоэнергетический комплекс - ПТЭК) решетками можно констатировать следующее. В слое отходов на колосниковой решетке происходят следующие процессы: прогрев и сушка, выход летучих веществ, воспламенение (зажигание) и горение, дожигание в шлаке несгоревшего коксового остатка. Прогрев и сушка ТБО на колосниковых решетках происходит в основном под воздействием тепла, выделяемого излучением, и тепла, подводимого с подогретым первичным воздухом. В конце сушки начинается процесс выделения и воспламенения летучих, которые сгорают над слоем. После воспламенения процесс горения протекает в твердом слое (на колосниковой решетке) и в объеме топочного пространства. Сгорание сопровождается выделением тепла, за счёт которого продолжают из отходов выделяться и сгорать летучие вещества. Заключительной стадией является стадия выгорания (дожигания), в ходе которой происходит коксование и выгорание коксового остатка. Примерное распределение температуры в слое отходов и динамика изменения относительного содержания связанного углерода по длине решетки показаны на рис. 3.3.
Результаты исследований технологии термической утилизации ТБО путем их сжигания на подвижных механических решетках
Особо следует отметить, что, как показали результаты длительных опытов на заводах по термической переработке отходов в Бельгии и Франции, этот сорбент одновременно с улавливанием кислых составляющих газов способен удалять также диоксины и фураны и пары ртути, обеспечивая европейские нормативные значения по этим показателям (менее 0,1 нгТЕ/нм3 и 0,05 мг/нм3 соответственно).
В настоящее время на существующих московских спецзаводах применяются традиционные реагенты. К сожалению, в России исследования в области создания высокоэффективного недорого отечественного сорбента -аналога Sorbacal Min - не проводятся. В этой связи в настоящее время, по крайней мере, до создания такого реагента, для российских ТЭС на ТБО может быть рекомендован полусухой метод. С целью обоснования возможности его применения в технологии термической утилизации отечественных ТБО в следующем разделе приводятся результаты промышленных исследований.
Несколько опытов по оценке эффективности улавливания «кислых» газов было проведено в 2001г. в период пуско-наладочных работ на МСЗ №2 [99] (табл. 5.10).
Анализ результатов измерений показал, что подбором удельного расхода извести в абсорбере можно достигнуть степени очистки дымовых газов, достаточной для достижения нормативных выбросов по HF, НС1 и S02 (с учетом очистки в рукавном фильтре). Установлено также, что удельный расход извести в 5 - 8 раз ниже, чем для сухого метода, даже по сравнению с таким высокореакционным реагентом как сода.
Наиболее подробно эффективность применения полусухого метода для связывания «кислых» газов (смешение в распылительном абсорбере дымовых газов с известковым молоком до полного его испарения) исследовалась на московском спецзаводе № 4.
В состав каждой из трех энерготехнологических установок МСЗ №4 входит абсорбер, который представляет собой полый, прямоточный аппарат циклонного типа с центральным вводом дымовых газов через закручивающее устройство. Диаметр абсорбера - 8,5 м; общая высота - 17,55 м; высота конусной части - 7,09 м; диаметр патрубка для ввода дымовых газов - 1,6 м. Распылительная машина (РМ) установлена по оси абсорбера в месте ввода газов. РМ абсорбера работает в условиях свободного слива реагента на рабочий диск. Механизм разбрызгивания жидкости основан на разрушении пленки жидкости под действием центробежной силы, образующейся при высокооборотном вращении диска. Проектная максимальная скорость вращения рабочего диска - 12000 мин"1.
Оценка эффективности применения полусухого метода производилась после завершения режимной наладки, которая заключалась в подборе оптимальных параметров:
В процессе наладки расход суспензии известкового молока изменялся от 0,59 до 2,27 м/час при ее плотности 1,027-1,092 кг/л, что соответствует изменению концентрации известкового молока 30-120 г/л СаО. Число оборотов РМ изменялось от 7965 до 10450 мин"1.
Установлено, что при малых концентрациях известкового молока: 30-40 г/л (плотность 1,03-1,04 кг/л) содержание HF и HCL в дымовых газах после прохождения абсорбера снижалась всего на 20-30 %. При концентрации известкового молока 100 - 120 г/л (плотность 1,08-1,09 кг/л) происходило ускоренное накопление отложений на рабочем диске РМ и, как следствие, повышение его вибрации. Выявлено, что концентрация известкового молока 50 - 60 г/л СаО (плотность 1,05-1,06 кг/л) является оптимальной.
При числе оборотов РМ более 10000 мин 1 наблюдались частые значительные амплитуды вибраций, превышающие технологическую уставку, что приводило к останову РМ. Такие амплитуды вибраций связаны с периодически возникающим дисбалансом диска из-за срыва с него отложений. Снижение числа оборотов РМ до 7965 мин"1 и менее резко снизило уровень вибраций, но, в тоже время, ухудшило качество распыла суспензии. Это, в свою очередь, увеличило содержание HF и HCL в дымовых газах после абсорбера, и степень очистки снижалась до 1,5 раз. Установлено, что увеличение числа оборотов РМ до 9000 мин"1 не приводит к существенному уменьшению содержания HF и HCL в дымовых газах и очистки их в абсорбере. Следовательно, оптимальным число оборотов распылительной машины является 8000 - 9000 мин"1.
Степень улавливания кислых газов была сравнена с плотностью орошения абсорбера (удельный расход суспензии на единицу объема дымовых газов). Получено, что увеличение удельного расход суспензии известкового молока с 10 до 30 мл/нм приводит к уменьшению содержания HF и HCL в дымовых газах соответственно с 3 - 4 мг/нм HF и 30 - 35 мг/нм HCL до 1,5-2,5 мг/нм3 HF и 15 - 20 мг/нм3 HCL и увеличению степени очистки в абсорбере.
Увеличение удельного расход суспензии известкового молока свыше 35-40 мл/нм не приводит росту степени очистки дымовых газов. Поэтому оптимальным удельным расходом известкового молока является 30-35 мл/нм .
Таким образом, на основании результатов наладки абсорбера установлено, что оптимальными параметрами для очистки дымовых газов от HF и HCL в абсорбере МСЗ №4 являются: концентрация известкового молока - 50 - 60 г/л СаО (плотность 1,045-1,06 кг/л); число оборотов распылительной машины - 8000-9000 мин"1. оптимальный удельный расход известкового молока - 30-35 мл/нм , т.е. при объеме дымовых газов 80000,0 - 90000,0 нм3/ч расход известкового молока составит 2,4 - 2,7 м3/час.
Именно при таких параметрах работы абсорбера производились эксперименты по оценке эффективности улавливания кислых компонентов дымовых газов с использованием полусухого метода.
Испытания абсорбера первой энерготехнологической установки выполнялись в период с 12.04.04 по 01.06.04.
Во время испытаний фактический расход дымовых газов составлял 74800 - 91300 нм /час. На орошение абсорбера подавалось известковое молоко с плотностью 1,027 - 1,092 кг/л. Расход известкового молока на орошение абсорбера составлял 0,59 - 2,27 м3/час. Температура дымовых газов на входе в абсорбер была 188 - 207С, на выходе - 141 - 162 С. Полученные во время испытаний результаты приведены в табл. 5.11, из которой видно, что при этих параметрах работы абсорбера степень очистки дымовых газов от HF и НС1 составляла соответственно 60-70 % и 65-85 %. Испытания абсорбера второй энерготехнологической установки для сжигания ТБО проводились в период с 13.09.04 по 16.09.04. Во время испытаний фактический расход дымовых газов составлял 87300-91500 нм3/час, что на 38-45 % больше проектного. Присосы воздуха в абсорбере были в районе 0,9 или 800 нм3/час. Гидравлическое сопротивление абсорбера составляло 72-100 мм вод. ст. На орошение абсорбера подавалось известковое молоко с плотностью 1,055-1,060 кг/л, что соответствовало содержанию СаО в суспензии 60-72 г/л. Расход известкового молока на орошение абсорбера составлял 1,5-1,8 м /час, то есть плотность орошения была 17-20 мл/нм .
Оценка влияния высокотемпературной газовой коррозии на металл пароперегревателей котлов, сжигающих ТБО
Полной статистики по вопросам утилизации шлака и золы уноса (далее золошлаковых остатков - ЗШО) до настоящего времени нет. В зависимости от свойств ТБО, способа сжигания, конкретных местных условий, потребителя товарного продукта и т.д. на предприятиях, сжигающих твердые бытовые отходы, выбирают ту или иную технологию или, в некоторых случаях, даже разрабатывают новую. Вместе с тем требования к качеству ЗШО для их возможного дальнейшего использования в основном сведены к следующему:
Доля горючих веществ (содержание несгоревшего коксового остатка) не должна превышать 5 % от сухой массы.
В случае вымывания водой максимально допустимое количество растворенных в воде веществ должно составлять не более 2 % от сухой массы ЗШО.
Выполнение нормативов по содержанию горючих веществ в золошлаковых остатках является определяющим. Согласно Директиве «О сжигании отходов» [82] предприятие по сжиганию отходов должно эксплуатироваться таким образом, чтобы при сжигании содержание общего органического углерода в шлаках и зольных остатках не превышало 3 % или их потери при прокаливании не превышали 5 % в пересчете на сухое вещество материала. В противном случае согласно европейским нормативам могут возникнуть существенные проблемы не только с их дальнейшей утилизацией, но и с вывозом ЗШО на захоронение.
Так, например, несмотря на то, что в Директиве «О захоронении отходов на полигонах» [203] не устанавливаются направляемых на захоронение, в Австрии и Германии на полигоны принимаются только ЗШО с содержанием углерода ниже 5 % в Австрии и 3 % - в Германии предельные значения по содержанию углерода в золошлаках, [204]. Во многих государствах - членах ЕС введены повышенные налоги на захоронение отходов с большим содержанием органики, для того, чтобы стимулировать эффективные способы утилизации ТБО.
Обеспечить требуемый показатель качества при сжигании ТБО в современных топках, как правило, не вызывает проблем. Однако, как показали предварительные испытания на московских спецзаводах, принятый в отечественной теплоэнергетике способ определения горючих по потерям при прокаливании для золошлаковых остатков ТБО дает заведомо завышенные результаты. В этой связи в работе большое внимание уделено исследованиям по определению истинного содержания горючих в золошлаковых остатках ТБО (см. р. 6.3.2).
Задача снижения содержания легко растворимых компонентов в золошлаковых остатков частично уже решается в котлах с мокрым шлакоудалением, в которых со сливом воды основная часть солей (в особенности хлориды) растворяется в водяной ванне и удаляется вместе со сливом воды. В результате максимальная величина растворимых компонентов не превышает 1 % от массы шлака.
Однако в будущем ожидается, что общие требования в отношении содержания легко растворимых компонентов в ЗШО будут ужесточены. Поэтому уже сейчас предпринимаются меры для минимизации их выщелачивания, для чего чаще всего используют два основных метода: цементацию ЗШО с использованием различных связующих или их переплавку.
Метод переплавки основывается на преобразовании шлака путем его термической переработки (нагрева до температуры, превышающей его температуру плавления, равную приблизительно 1200 С) в стеклообразный гранулированный материал, удовлетворяющий всем условиям использования в строительной технологии не только для получения щебеня для отсыпки дорог, но и плитки для полов промышленных предприятий, дренажных труб, черепицы для крыши и т.д. Учитывая, что метод требует значительных эксплуатационных затрат, целесообразность использования переработки ЗШО по методу переплавки на территории ТЭС должна определяться на стадии технико-экономического обоснования.
Наиболее приемлемым способом утилизации ЗШО является метод цементации, который основан на склонности золошлаковых остатков от сжигания ТБО к самоотвердеванию. Благодаря этому свойству за рубежом ЗШО широко используют при строительстве дорог и для изготовления шлакоблоков. Присущий шлаку от сжигания ТБО коэффициент термического расширения, равный коэффициенту расширения асфальта, позволяет обеспечить высокую стойкость против растрескивания поддерживающих слоев и асфальтобетонного покрытия автомобильных дорог. Это особенно актуально при строительстве дорог в регионах со значительным перепадом температур. Однако при подготовке на территории ТЭС материалов из ЗШО для дорожного строительства возникают проблемы, связанные с высокой стоимостью связующего (цемента) и трудностями транспортировки шлако-цементной смеси до потребителя, требующей значительного времени.
Проблема изготовления шлакоблоков заключается в том, что, как показали лабораторные испытания, прочность отвердевшей смеси недостаточна для того, чтобы снизить выщелачивание микроэлементов до допустимых значений без усиления композиции за счет добавки цемента. В этой связи в работе на образцах, изготовленных из песка и цемента марки 400 с добавкой 30 и 50 % ЗШО московского СЗ №2, исследовалось влияние различных факторов на выщелачивание микроэлементов. В результате показана принципиальная возможность, прежде всего с точки зрения экологической безопасности, использовать золошлаки ТБО в стройиндустрии (см р. 6.3.3).
Для большинства видов энергетического топлива (например, углей с золой кислого состава) содержание в ЗШО горючих веществ определяется содержанием несгоревшего углерода (коксового остатка) [94]. В этом случае концентрация горючих равна потерям при прокаливании, которые определяются прокаливанием в муфеле до постоянной массы навески при температуре по ГОСТ 11022 «Топливо твердое минеральное. Методы определения зольности» [205]. В ЗШО, образующихся при сжигании ТБО, а именно в основной составляющей - силикатной части шлака, присутствуют вещества, масса которых изменяется при нагревании. Это отходы бетона, из которых удаляется кристаллизационная влага; горючие вещества и компоненты, содержащие карбонаты кальция. Последние при нагревании разлагаются с выделением СОг- Каждая реакция протекает в определенном диапазоне температур. Содержание горючих можно определить либо непосредственным анализом на содержание углерода и водорода, либо по специально разработанной оригинальной методике, которая предполагает разделение проб шлака на три части: мягкую, силикатную и твердую (в основном металл) с последующим определением содержания горючих в каждой части.
Как уже упоминалось, принятый в отечественной теплоэнергетике способ определения горючих по потерям при прокаливании для золошлаковых отходов ТБО дает заведомо завышенные результаты. В качестве примера в табл. 6.20 приведены данные по определению потерь при прокаливании различных частей шлака, образующегося на МСЗ №2 [206].
