Оценка экологического эффекта при комбинировании тепловых двигателей с теплотехнологическими установками

УДК [621.1+66.04]:502

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПРИ КОМБИНИРОВАНИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

УСТАНОВКАМИ

А.К. ТВЕРСКОЙ

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А,

г. Саратов

В статье представлена методика оценки количества выбросов вредных веществ в биосферу при комбинировании тепловых двигателей с теплотехнологическими установками на энергоемких промышленных предприятиях. В качестве тепловых двигателей рассматриваются поршневые агрегаты, паровые и газовые турбины. Приведены расчеты и анализ изменений количества выбросов вредных веществ при разработке комбинированных энергосберегающих систем с паровыми турбинами в крупнотоннажном производстве этилена.

Ключевые слова: вредные вещества, биосфера, комбинирование, тепловые двигатели, паровая турбина, теплотехнологические установки, энергоносители, производство этилена.

Введение

Энергетические процессы являются основой технологий энергоемких отраслей промышленности, а объем вредных выбросов практически пропорционален количеству использованных энергетических ресурсов. Комбинированное производство энергоносителей в рамках интеграции тепловых двигателей с теплотехнологическими установками есть реальный путь снижения суммарного расхода топлива и вредных выбросов [1,2]. Крупнотоннажные промышленные предприятия в своём составе имеют разнообразные процессы и установки, обладают большой энергоёмкостью и потребляют большой ассортимент энергоносителей, являются, источниками загрязнения биосферы вредными веществами. Данное обстоятельство обуславливает необходимость исследования структуры и количества выбросов вредных веществ при использовании различных энергосберегающих систем на основе комбинирования тепловых двигателей с теплотехнологическими установками энергоемких промышленных технологий.

Экологическая эффективность комбинирования газопоршневых двигателей, паровых и газовых турбин с теплотехнологическими установками определяется, прежде всего, экономией топлива по сравнению с расходом топлива в агрегатах с раздельным получением соответствующих энергоносителей. Для оценки всех факторов экономии топлива при использовании комбинированных установок промышленных предприятий использовано общее универсальное выражение [3]:

АВ = В эт + В этэ + В эээ -В дт -В дтЭ -В дээ,

где Вэт ,Вэтэ ,Вэээ - величины экономии топлива при комбинировании, соответственно, в теплотехнологических агрегатах, в замещаемых котельных установках и при производстве электроэнергии в замещаемых конденсационных электростанциях

© А.К. Тверской Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

энергосистем, т/год; Вдт, Вдтэ, Вдэ - дополнительные расходы топлива в

теплотехнологических агрегатах, в котельных и электрогенерирующих установках для обеспечения работы комбинированных теплоэнергетических установок, т/год. Здесь и далее расходы топлива даны в пересчете на условное топливо.

Формула (1) отражает собой противодействующие факторы расчета экономии топлива от производства энергоносителей в комбинированных тепловых двигателях с теплотехнологическими установками и дополнительными затратами топлива на обеспечение работы энергосберегающих энергосистем, которые вычисляются на основе проектов, энергетических аудитов, топливно-энергетических балансов и оценок потерь энергии на предприятиях по следующим выражениям [3]: п

Вэт = ^^Вэт,г ' 3т,г>

I = 1

т

Вэтэ = Ькот ' Оэтэ,] ' 3тэ,/ ' £ тэ]>

] =1

I

Вэээ = Ькэс ' 2<^эээ,к ' 3ээ,к ' еээ,к

к = 1

а

Вдт = ^^Вдт,г ' 3дт,г ;

г = 1

в

Вдтэ = Ькот ' ^ Qдтэ,p ' 5дтэ,р ' 8дтэ,р>

Р=1

Вдээ ^ -Х^д^,

г=1

где Вэт I - экономия топлива в теплотехнологических агрегатах, т/год; Qэтэ /, ^эээ к -

соответственно суммарное количество теплоэнергии и электроэнергии, произведенных в комбинированных установках для технологических процессов предприятия, ГДж/год, кВт-ч/год; п, т, I - число типов соответствующих теплотехнологических установок с энергообеспечением от тепловых двигателей; Вдт г , QдТЭ,p , ^цээ,г -

дополнительные количества топлива, теплоэнергии и электроэнергии на обеспечение работы комбинированных тепловых двигателей с теплотехнологическими установками на предприятии, т/год, ГДж/год и кВт-ч/год; Ькот, Ькэс - удельный расход топлива в замещаемой котельной и замещаемой конденсационной электростанции, т/ГДж и т/кВт-ч; 5т ¡,5тэ/,5ээк - коэффициенты, учитывающие изменения расхода топлива в

системах топливоснабжения при экономии топлива в теплотехнологических агрегатах, источниках теплоснабжения и электроснабжения при работе комбинированных тепловых двигателей с теплотехнологическими установками; 5 дт г, 5 дтэр, 5 дээ г -

коэффициенты, учитывающие изменение расхода топлива в системах топливоснабжения при дополнительном использовании топлива, теплоэнергии и электроэнергии в работе комбинированных тепловых двигателей с

теплотехнологическими установками; 8тэ], &ээ,к - коэффициенты, учитывающие

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

расход топлива в централизованных источниках энергии (котельных установках и тепловых конденсационных электростанциях энергосистем) на потери при транспортировке и при преобразовании параметров энергоносителей; 8дтэ,р> 8дээ/ -

коэффициенты, учитывающие расход топлива в централизованных энергоустановках на потери при транспортировке и преобразовании параметров дополнительного потребления теплоэнергии и электроэнергии при реализации энергосберегающих технологий. Выбор численных значений вышеуказанных в формулах (2-7) удельных расходов в замещаемых энергоустановках и коэффициентов, учитывающих изменение расхода топлива в системах производства и распределения энергоресурсов, осуществляется по отраслевым и региональным статистическим и нормативным показателям.

В соответствии с выражением (1) величина изменения количества выбросов вредных веществ от экономии топлива рассчитывается индивидуально по удельным показателям для каждого вещества и отдельно для каждой топливопотребляющей установки с учетом вида и химического состава сжигаемого топлива, условий протекания процессов горения в топках агрегатов. Уравнения для расчета изменения количества выбросов для ряда (1, 2,...я) вредных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу, за счёт энергосбережения и повышения энергоэффективности в комбинированных теплотехнологических установках, представлены на основе выражения (1) в виде системы:

= Х 1,эт + Х 1,этэ + Х 1,эээ - Х 1,дт - Х1,дтэ - Х1, дээ ^2 = Х2,эт + Х2,этэ + Х2,эээ - Х2,дт — Х2,дта - Х2,дээ

лу = у + у + х — X — X — X

Величины количества вредных выбросов с продуктами сгорания топлив установок, составляющие систему (8), определяются по следующим зависимостям:

х 1,2,...*,эт = Вэт • 91,2,...*,эт, т/год;

х1,2,...5,этэ = Вэтэ • 91,2,...*,эта, т/год;

Х 1,2,...*,эээ = Вэээ • 91,2,...*,эээ ,т/год;

Х1,2,..я,дт = Вдт • 91,2,..здт , т/год;

Х1,2,...я,дтэ = Вдтэ • 91,2,..здта , т/год;

Х1,2,...з, = Вдээ • 91,2,...* ,т/год

дээ дээ

где 912,...*,эт, 91,2,...*,этэ, 91,2,..*,эээ - удельное количество выбросов вредных веществ

1,2,.*, образующихся, соответственно, при сжигании органического топлива в теплотехнологических установках предприятия, при производстве теплоэнергии в замещаемых котельных установках и при производстве электроэнергии в замещаемых конденсационных электростанциях энергосистемы, т/т; 91,2,...5,дг, 91,2,..лдгэ, 91,2,...*,дээ — удельное количество выбросов вредных веществ 1, 2,.*, образующихся при сжигании дополнительного органического топлива в теплотехнологических установках

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

предприятия, при производстве теплоэнергии в замещаемых котельных установках и при производстве электроэнергии в замещаемых конденсационных электростанциях энергосистемы, т/ т.

Расчетные значения удельных количеств выбросов вредных веществ, образующихся при сжигании отдельных видов топлив, приведены в табл. 1 [4].

Таблица 1

Значения удельных количеств выбросов вредных веществ

Вид топлива Низшая теплотворная способность, кДж/кг q, кг/т у.т.

т2 NOx т

Природный газ 42801 2760 0,10 1,00 0,01-0,1

Мазут (малосернистый) 40308 3160 20,0 5,0 0,02-0,2

Уголь (Кузнецкий) 22835 3040 16,0 4,50 0,03-0,3

Данная система оценки учета вредных выбросов распространяется на энергетическое производство независимо от географического положения места выработки энергоносителей. Естественно, что нормы допустимых вредных выбросов в различных регионах различаются, но взаимосвязь биосферы обуславливает суммарный учет вредного воздействия.

На основе системы уравнений (8) исследована экологическая эффективность применения паровых турбин для привода технологических компрессоров при использовании тепловых вторичных энергоресурсов пиролизных печей производства этилена производительностью 300 тыс. т/год [5]. Пиролизный газ на выходе из трубчатых пиролизных печей с температурой 850-815оС подвергается интенсивному охлаждению в поверхностных закалочно-испарительных аппаратах. За счет охлаждения пиролизного газа до 3 50-45 0оС вырабатывается насыщенный водяной пар давлением 10 МПа, который затем, за счет дополнительного топлива [6], перегревается в специальном пароперегревателе до температуры 540оС с целью дальнейшего использования в паровых турбинах для привода технологических компрессоров. Исследования проведены для трех вариантов: 1) утилизационный водяной пар с давлением _Р=10 МПа и температурой перегрева Т=540°С используется в противодавленческой турбине для привода компрессора пирогаза с подачей отработавшего пара в турбине с давлением 1,2 МПа в сеть производства; 2) утилизационный водяной пар с давлением _Р=10 МПа и температурой перегрева 7=540^ используется в конденсационной турбине для привода компрессора пирогаза; 3) утилизационный насыщенный пар из закалочно -испарительных аппаратов направляется в паропровод производства этилена при использовании электродвигателей для привода технологических компрессоров с электроснабжением из энергосистемы.

Оценка динамики изменения количества выбросов вредных веществ в исследуемых вариантах комбинированных установок в производстве этилена проведена для следующих веществ: диоксида углерода CO2, оксида углерода CO, диоксида серы SO2 и оксидов азота NOx. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

Таблица 2

Расчет снижения количества выбросов в комбинированных установках производства этилена

Показатели Варианты

1 2 3

Величины экономии электроэнергии в производстве и топлива в замещаемой конденсационной электростанции энергосистемы при компримировании пирогаза за счет использования паровых турбин в комбинированной теплотехнологической установке, Wэээ , кВт-ч/год Щээ , т/год 168106 70943 168106 70943 -

Величины экономии тепловой энергии в производстве и топлива в замещаемой котельной установке за счет применения утилизации теплоты в комбинированной теплотехнологической установке, Qэтэ, ГДж/год Bэтэ , т/год 4,5-106 207286 2,5-106 114698 3,9106 179647

Расход дополнительного топлива в пароперегревательной печи, Бдт, т/год 67879 29290 -

Дополнительное потребление электроэнергии в производстве и топлива в замещаемой конденсационной электростанции энергосистемы на обеспечение работы электродвигателей питательных и циркуляционных насосов оборотной воды, WдэЭ , кВт-ч/год Вдээ , т/год 4-106 1690 8,2-106 3462 4-106 1690

Дополнительное потребление теплоэнергии в производстве и топлива в замещаемой котельной установке на обеспечение подготовки питательной воды для котельного оборудования, QДТЭ, ГДж/год Bдтэ ,т/год 5000 2303 50000 2303 50000 2303

Экономия топлива в комбинированной установке, ДВ, т/год 206357 150586 175654

Уменьшение количества выбросов при использовании комбинированных установок, ДУсо2, т/год ДХсо, т/год ДХ802, т/год ДХмох, т/год 588937 13,8 1121,7 448,7 434513 10,9 1088 451,7 484333 8,7 -8,9 169,7

Расчеты величин, представленных в табл. 2, проводились по формулам (1,3-8,1014), по данным табл. 1 и на основе энергетического баланса производства этилена мощностью 300 тыс. т/год [5,6]. В качестве топлив в расчетах приняты: в замещаемой конденсационной электростанции энергосистемы - Кузнецкий уголь и в замещаемой котельной - природный газ. Для оценки экономии топлива и экологического эффекта

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

при комбинировании тепловых двигателей с теплотехнологическими установками в производствах этилена приняты следующие численные значения

_3

коэффициентов: ¿кот = 0,041 т/ГДж; ¿кэс = 0,34 • 10 т/кВт-ч; 5дт = 1,1;

5ТЭ = 5дТэ = I.,11, 5ээ = 5дээ = 1,14; £ээ = £дээ = 1,15; ^тэ = £дтэ = 1,12-

Анализ результатов расчетов снижения количества вредных выбросов в комбинированных теплотехнологических агрегатах свидетельствует о высокой экологической эффективности применения противодавленческой турбины в производстве этилена, где одновременно вырабатывается механическая энергия для привода компрессоров пирогаза и теплоэнергия для технологических процессов. Данный вариант характеризуется необходимостью ввода значительного количества дополнительного топлива до 67879 т/год на перегрев пара в пароперегревательной печи до 5400С. Однако это обстоятельство не снижает экологическую эффективность использования противодавленческой турбины по сравнению с последующими вариантами. Практически по всем рассматриваемым выбросам наблюдается превосходство данного технического решения. Выработка механической энергии в первом и во 2-м вариантах для привода компрессора пирогаза, эквивалентная выработке электроэнергии в объеме 168-106 кВт-ч/год, позволяет сократить выбросы SO2 в замещаемой конденсационной электростанции на величину свыше 1000 т/год. Во всех трех вариантах наблюдается снижение выброса парникового газа CO2.

Выводы

1. Разработана и систематизирована универсальная методика оценки экологического эффекта при комбинировании тепловых двигателей с теплотехнологическими установками.

2. Расчет снижения количества выбросов в комбинированных установках крупнотоннажных производств этилена свидетельствует об эффективности методики в получении информации о динамике количества вредных выбросов при разработке энергоэффективных проектов энергообеспечения энергоемких отраслей.

Summary

The article presents a methodology of evaluation of the quantity of emissions of harmful substances in the biosphere when combined heat engines with technological installations in the energy-intensive industrial enterprises. As heat engines are considered piston, steam and gas turbines. Presents calculations and analysis of the changes in quantity of emissions of harmful substances in the development of combined energy-saving systems with steam turbines in a powerful production of ethylene.

Key words: harmful substances, biosphere, combine, thermal engines, steam turbine, installation of thermal engineering, energy, the production of ethylene.

Литература

1. Михайлов В.В., Гудков Л.В., Терещенко А.В. Рациональное использование топлива и энергии в промышленности. М.: Энергия, 1978. 224 с.

2. Верхивкер Г.П., Кравченко В.П. Совместное производство энерготехнологической продукции - путь снижения суммарного расхода топлива и выброса в атмосферу парниковых газов // Химическая промышленность сегодня. 2004. №4. С. 6-14.

3. Тверской А.К. Оценка экономии топлива при энергосбережении в промышленности // Промышленная энергетика. 1999. №7. С. 6-9.

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8

4. Тверской А.К. Интегральная оценка экологического эффекта при энергосбережении // Энергосбережение в Саратовской области. 2001. №3(5). С. 51- 52.

5. Симонов В.Ф., Тверской А.К. Экономика энергоиспользования при энерготехнологическом комбинировании в производстве этилена // Исследования в области комплексного энерготехнологического использования топлива: Межвузовский научный сборник. Выпуск7. Саратов: Саратовский политехнический институт, 1979. С. 23-28.

6. Каширский В.Г., Симонов В.Ф., Тверской А.К. Метод расчета дополнительного топлива при энерготехнологическом комбинировании в производстве этилена // Известия вузов СССР. Энергетика. 1975. №11. С. 72 - 78.

Поступила в редакцию 15 мая 2013г

Тверской Алексей Константинович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета (СГТУ) им. Гагарина Ю.А. Тел.: 8-927-2770235. E-mail: Tverskoj_AK@mail.ru.

© Проблемы энергетики, 2013, № 7-8