Использование вторичных горючих энергетических ресурсов для производства коммунально-бытового топлива

УДК 620.9:662

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ГОРЮЧИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОГО ТОПЛИВА

Докт. техн. наук БЕРЕЗОВСКИЙ Н. И., кандидаты техн. наук ВОРОНОВА Н. П., КОСТЮКЕВИЧ Е. К., аспиранты ДОБРИЯНГ. К., БЕРЕЗОВСКИЙ С. Н.

Белорусский национальный технический университет

Энергетическая проблема, актуальная сегодня практически во всех странах мира, остро ощущается в Беларуси, лишь на 10...15 % способной удовлетворить потребности собственными топливно-энергетическими ресурсами и располагающей такими энергоемкими отраслями промышленности, как химия и нефтехимия, машиностроение и металлообработка, производство строительных материалов, горная промышленность.

Важным в обеспечении кондиционным топливом коммунально-бытовых потребителей является брикетирование местных видов топлива (торф) с отходами производства вторичных горючих энергетических ресурсов (ВГЭР).

В Республике Беларусь получило распространение производство топливных брикетов из смеси торфа с каменноугольной мелочью, где торф выступает в роли связующего. Окускование каменноугольной мелочи с торфом позволяет более рационально расходовать торфяное сырье и утилизировать некондиционные виды каменных углей, сжигание которых в существующих топках затруднено или практически невозможно. В топливном балансе используются новые виды топлив, которые получаются не только из горючих материалов, но и из отходов производства (лигнин, опилки и др.).

Местное сырье для производства топливных брикетов в перспективе будет оставаться одним из основных в покрытии спроса на топливо для населения и коммунально-бытовых потребителей республики. Однако объемы добычи топливных брикетов снижаются, так как ряд заводов по их производству в настоящее время работает в режиме затухания. Все более остро встает проблема совершенствования технологических процессов обогащения сырья, внедрения новых, менее энергоемких, технологий, оптимального и экономного использования энергоресурсов и оборудования.

Уменьшение объема поставок сырья и снижение его влажности, плотности и зольности можно компенсировать изготовлением двух-, даже трех-компонентных брикетов (торф, уголь, древесные опилки, лигнин, сланцевая мелочь). Среднее значение влажности торфа, добываемого в стране за последние 10 лет, увеличилось более чем на 4 %, а насыпная плотность по некоторым брикетным заводам уменьшилась на 5.8 %. И, как следствие, -повышение энергозатрат на изготовление торфяных брикетов.

Анализ многолетних статистических данных предприятий Беларуси показал, что на подготовку, осушение и ремонт торфяных полей расходуется

140-1

130-

120-

н

я 110-

100-

н

^ 90-

и 80-

70-

60-

14...25 кДж/кг, на добычу фрезерного торфа - 25...36, на его транспортировку - 108. 126, заводскую переработку с сушкой на брикетном заводе -1000. 1400 кДж/кг. С учетом влажности полуфабриката или готовой продукции на каждом этапе технического процесса этот показатель составляет до 1600 кДж/кг (около 10 % запаса тепловой энергии торфяного топлива). Однако следует учесть и прочие затраты на добычу и переработку торфа (живой труд, материалы и пр.), что в энергетическом эквиваленте составляет до 500 кДж/кг. Большие потери теплоты твердого топлива у потребителя. Бытовые отопители и водонагреватели имеют КПД сжигания 0,65.0,75.

На рис. 1 приведены исходные данные и результаты определения удельных расходов ТЭР для различных бытовых топлив. Расчеты выполнены применительно к варианту сушки торфа в барабанных паротрубчатых сушилках, углей - в молотковых шахтных мельницах, лигнина - в пневматических сушилках. Для сжигания гранул предусматриваются специализированные отопительные котлы. Начальная влага для торфа Т, угля У и лигнина Л принята соответственно 50; 10 и 65 %, число операций по транспорту и перегрузкам бытового топлива - 5, удельный расход топлива на выработку электроэнергии - 350 г у. т./(кВт-ч), потери в электрических сетях - 5 %, потери и расход теплоты на собственные нужды заводской котельной - 7 %, КПД паровых котлов - 0,78 [4].

Целесообразность производства топлива из композиций определяется энергетической эффективностью, которая оценивается расходом топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на единицу полезной теплоты и выражается в граммах условного топлива (г у. т.) на 1 кВт-ч теплоты, где учитывается также влияние ряда переменных факторов (например, влага топлива, схема топливопроводящей сети, характеристики топливных компонентов композиции и их массовая доля в брикетах) на параметры, определяющие расход ТЭР. Удельный расход ТЭР на 1 кВт-ч полезной теплоты, полученной потребителями, определяется по формуле

Т1 Т2 Л Т+У Т+Л Л+У Т+Л+У

Рис.1. Гистограмма удельного расхода ТЭР

Ь =

= 0,36 • 10б

61(100 -ФтХ

где Ьт - удельный расход условного топлива на выработку теплоты для сушки сырья, отнесенный к 1 кг бытового топлива, г у. т./кг; Ьзл - то же электрической энергии, затраченной при производстве 1 кг бытового топлива, г у. т./кг; Ьп - потери условного топлива от места добычи сырья до склада готовой продукции предприятия-изготовителя бытового топлива,

отнесенные к 1 кг бытового топлива, г у. т./кг; 6рбт - удельная низшая теплота сгорания бытового топлива, кДж/кг; ф - потери бытового топли-

ва при транспортировке и перегрузке от склада предприятия-изготовителя до потребителя, %; г|к - КПД устройства (котла, печи) для сжигания бытового топлива.

Низкие потери ТЭР будут при производстве и использовании торфоуг-лелигнинных и торфоугольных гранул, затем следуют гранулы торфолиг-нинные, торфяные и лигнинные. Брикеты в отличие от гранул характеризуются повышенными расходами ТЭР. Наименьшие потери ТЭР соответствуют торфоуглелигнинным и торфоугольным брикетам.

В связи с тем, что в котельной предусмотрено сжигание каменного угля и других видов твердого топлива (смешанных дров), энергосберегающие мероприятия рассчитываются на вытеснение более дорогостоящего топлива, т. е. угля, закупаемого за пределами республики, дровами.

Для получения источника энергии при подогреве воды в котлах используются отходы производства (торф некондиционный, щепа, опилки, лом торфяных брикетов), которые подвергаются пиролизу. Пиролиз (термическая деструкция, сухая перегонка) - процесс химического изменения топлива под действием высоких температур без введения воздуха и других химических реактивов (кислорода, углекислоты, водяного пара). Пиролиз характеризуется распадом органической массы на более простые вещества при одновременном синтезе сравнительно высокомолекулярных соединений, что приводит к выделению газов пирогенетической воды и дегтя с образованием твердого остатка, который значительно отличается от исходного материала по составу и свойствам. Количество и качество продуктов зависят от свойств исходного угля или торфа, конечной температуры и скорости нагревания, способа отвода продуктов пиролиза и других условий процесса.

Пиролиз торфа с образованием пирогенетической воды начинается при температуре 140.150 °С. Начало выделения газа отмечается при температуре 170. 190 °С и дегтя - при 200.230 °С. Наиболее интенсивное выделение пирогенетической воды наблюдается при температуре 550 °С [1,2].

При увеличении скорости нагревания выход твердых продуктов пиролиза падает, а летучих продуктов, особенно дегтя, - возрастает. Переход от малой скорости нагревания торфа (несколько градусов в минуту) к высокоскоростному нагреву (тысячи градусов в секунду) удваивает выход смолы.

Летучие продукты, образовавшиеся в центральных частях куска или засыпки торфа, проходят через периферийные, более нагретые зоны. Поэтому наименее устойчивый из продуктов пиролиза - деготь - подвергается дальнейшей деструкции на газ, воду и смоляной кокс. Дополнительный пиролиз имеет также место с повышением давления, при котором протекает процесс, а также при нижнем отводе летучих продуктов пиролиза, т. е. усилении взаимодействия парогазовой смеси с нагретыми твердыми продуктами пиролиза. Производство торфяного полукокса и кокса из кускового торфа развивалось по пути непрерывно действующих печей при сжигании другого топлива с подводом теплоты через стенку печи (внешний обогрев) вводом горячих газов в слой торфа (внутренний обогрев) и смешением с нагретым твердым теплоносителем. Установлена возможность использования для коксования хорошо высушенного кускового и мелкокускового торфа непрерывно действующих камерных печей с пиролизом парогазовой смеси в слое раскаленного кокса. Опытные установки

для пиролиза фрезерного торфа основаны на нагреве в потоке газа-теплоно-сителя, в смеси с твердым теплоносителем и при внешнем обогреве в падающем слое [1.3].

Разработан процесс полукоксования фрезерного торфа во взвешенном состоянии с подогревом газового теплоносителя в рекуператоре и использованием теплоты уходящих газов на сушку торфа. Пиролизер и сушилка имеют вид диффузоров (конусов) с вводом материала снизу в горло диффузоров и выводом из верхней расширенной части [1].

Существующие паровые котлы КЕ-4-12С, работающие на каменном угле, оборудованы механизированной топливоподачей и шлакозолоудалени-ем. Водогрейный котел КВ-ТС-1М работает на древесных отходах. Для хранения запаса топлива используется открытый склад. Доставка топлива к водогрейным котлам производится с помощью конвейера. Временное хранение золы до ее вывоза предусматривается на открытой площадке, расположенной вне здания котельной. Зола, полученная при сжигании дров и древесных отходов, используется в качестве удобрения.

При переводе котла на сжигание местных видов топлива (МВТ) происходит замещение ими импортируемых видов топлива, экономический эффект достигается за счет разности в их стоимости. Срок окупаемости при переводе котла на сжигание местных видов топлива рассчитывается следующим образом:

1. Определение укрупненных капиталовложений:

1.1. Стоимость оборудования Соб определяется согласно договорным ценам (на основании тендера);

1.2. Стоимость проектных работ составляет до 10 % стоимости строительно-монтажных работ;

1.3. Стоимость строительно-монтажных работ - 25.30 % стоимости оборудования Соб;

1.4. Стоимость пусконаладочных работ - 3.5 % стоимости оборудования;

1.5. Капиталовложения в мероприятие

*™т = Соб + 0ДСсмр + (0,25...0,3)Соб + (0,03...0,05)Со6, тыс. руб.

2. Определение сроков окупаемости мероприятия за счет разности в стоимости сжигаемого топлива:

2.1. Расчет количества сжигаемого топлива

Вм = ЙТАэ/(км -ю3), т,

где Он - среднечасовая нагрузка котельной, Гкал/ч.; Тг - число часов работы в год, ч; Ьтэ - удельный расход топлива при работе на мазуте (печном бытовом топливе (ПБТ)) на производство тепловой энергии, кг у. т./Гкал; Км - топливный эквивалент мазута (ПБТ) для перевода в натуральное топливо Км= 1,37 (1,45);

2.2. Определение количества местного топлива, сжигаемого за год:

вг = ОТАвт/Кмвт -Д03), т,

где Q4 - среднечасовая нагрузка котельной, Гкал/ч; Ьмвт - удельный расход топлива при работе на местном виде топлива на производство тепловой энергии, кг у. т./Гкал, Ьмвт = 14276/(лмвт -10~2); г|мвт - коэффициент полезного действия котла на местных видах топлива, %; Кмвт - топливный эквивалент местных видов топлива для перевода в натуральное топливо;

2.3. Определение разности в стоимости сжигаемого топлива

АСтОПЛ = ВмСм - ВмвтСмвт , тыс. ру6,

где См - стоимость 1 т мазута (ПБТ), тыс. руб/т; Смвт - стоимость 1 т МВТ (м3 и т. д.), тыс. руб/т;

2.4. Определение срока окупаемости мероприятия за счет разности сжигаемого топлива

СРок = Кпг/АСтопл , лет,

где Кпг - капиталовложения в мероприятие, тыс. руб; АСтопл - разность в стоимости сжигаемого топлива за год, тыс. руб/год.

В связи с тем, что в котельной предусмотрено сжигание каменного угля и других видов твердого топлива (смешанных дров), энергосберегающие мероприятия рассчитываются на вытеснение более дорогостоящего топлива, т. е. угля, закупаемого за пределами республики, дровами. Характеристика и стоимость топлива.

1. Каменный уголь. Удельная низшая теплота сгорания Qp = 4,55 Гкал/т. Стоимость угля с учетом транспортных расходов (10 %) Ску = 55 дол. США х х 1,1 = 60,5 дол. США за 1 т.

2. Дрова. Qp = 3,6 Гкал/т = 1,86 Гкал/м3 при р = 0,517 т/м3. Стоимость

дров с учетом транспортных расходов (10 %) Сд = 20000 бел. руб х 1,1 = = 22000 бел. руб за 1 м3, или 10,11 дол. США за 1 м3.

3. Снижение затрат на топливо на производство 1 Гкал теплоты при замене каменного угля дровами при условии сохранения равенства КПД котла на обоих видах топлива составляет 60,5/4,55-10,11/1,86 = 7,86 дол. США/Гкал.

Использование 1 м3 дров дает экономию 14,62 дол. США.

В Ы В О Д

Таким образом, сравнительный анализ результатов эффективности сжигания в паровых котлах древесины и импортируемого твердого топлива показывает существенное преимущество использования местных видов топлива.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Раковский В. Е., Каганович Ф. Л., Новичкова Е. А. Химия пироген-ных процессов. - Мн.: Изд-во АН БССР, 1958.

2. Справочник по торфу / Под ред. А. В. Лазерева. - М.: Недра, 1982. - 760 с.

3. Erman E. Peat as raw material for metallurgical coke and activated carbon // International Peat Society, 1975. - Bull. 7. - P. 39-49.

4. Березовский Н. И., Богатов Б. А. Обезвоживание торфа: Идеи и практика энергосбережения. - Мн.: Технопринт, 2000. - 170 с.

Представлена кафедрой