СТАЦИОНАРНАЯ СНЕГОПЛАВИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА

Область техники, к которой относится полезная модель.
Установка для утилизации снего-ледовой массы, полученной при очистке городских территорий (автомобильных дорог, внутриквартальных и дворовых территорий, территорий промышленных объектов и др.) с использованием сбросной теплоты объектов городской энергетики (например, ТЭЦ).
Уровень техники.
Аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели являются существующие стационарные снегоплавильные установки (снегоплавильные пункты (СПП)), использующие различные источники тепловой энергии.
Источником энергии для аналога №1 служит тепловая энергия, полученная в результате сжигания органического топлива (преимущественно дизельного или природного газа) во встроенных или отдельно стоящих топочных устройствах. Подробное описание аналога предлагаемой полезной модели представлено в [1].
Источником энергии для аналога №2 служит тепловая энергия, полученная от городской тепловой сети или содержащаяся в нагретых сточных водах промышленных или коммунально-бытовых предприятий. Подробное описание аналога предлагаемой полезной модели представлено в [2].
Снегоплавильная установка предназначена для утилизации снего-ледовой массы путем перевода ее в жидкое состояние (таяние) за счет нагревания, а также отделения остающегося в жидкой фазе мусора.
Раскрытие полезной модели.
Основным источником энергии для предлагаемой полезной модели служит тепловая энергия циркуляционной воды, отводимой от конденсационной установки ТЭС в окружающую среду, и/или нагретые сбросные технологические воды энергетического или промышленного предприятия. В пиковом режиме работы (низкая температура, снижение количества циркуляционной воды ТЭЦ, увеличение количества поступающего на утилизацию снега) дополнительным источником энергии может служить сетевая вода, пар от коллектора собственных нужд ТЭЦ и другие высокопотенциальные источники тепловой энергии предприятия.
Стационарная снегоплавильная установка циркуляционного типа представляет собой канал, преимущественно прямоугольного сечения, с местными технологическими углублениями. Канал сомкнут в овальную (или кольцевую) форму для создания движения потока по замкнутому контуру. В целях увеличения протяженности канала, сохранения компактности установки канал может иметь несколько поворотов.
Сброс снего-ледовой массы осуществляется в приемный бункер (1), откуда шнеками-питалелями (2) она сбрасывается в поток греющей циркулирующей воды. Для равномерного распределения сброса снего-ледовой массы по ширине канала шнеки-питатели имеют разную длину, то-есть выступают от борта канала на разные расстояния, причем первый (последний) шнек по ходу потока - самый короткий, а последний (первый) - самый длинный. Во время сброса снего-ледовая масса орошается циркулирующей в канале водой, имеющей более высокую, чем температура плавления снега, температуру с помощью оросителей (5). Начиная с места сброса, в дне канала предусмотрено углубление (3) трапецеидальной формы в сечении с меньшим основанием в нижней точке. Это углубление служит для размещения периодически удаляемых емкостей, в которые осаждаются тяжелые примеси (песок, камни и др.). Протяженность углубления по направлению потока выбирается достаточным для осаждения большей части тяжелых примесей.
По ходу движения потока в канале, в целях его интенсивного перемешивания, предусмотрены погруженные побудители потока (4), которые представляют собой трубопроводы с сопловой насадкой. Побудители потока располагаются, например, по смоченному периметру канала для исключения образования заторов. Дно канала имеет уклон (например, 1°) для облегчения движения потока.
К побудителям потока и оросителям снего-ледовой массы перекачивающим насосом (6) подается теплая вода. Ее водозабор (18) осуществляется сразу за подогревателем циркулирующей воды (7). Место забора выбирается из условий безопасной эксплуатации перекачивающего насоса. Первичное заполнение канала осуществляется от линии циркуляционной воды после конденсатора (20).
Подогреватель циркулирующей воды представляет собой теплообменник поверхностного типа, погруженный в поток циркулирующей в канале жидкости. В качестве теплоносителя используется подогретая циркуляционная вода после конденсатора ТЭС (15) или любые другие теплые стоки промышленных и энергетических предприятий. Для возможности работы в пиковых режимах предусмотрен дополнительный подвод греющего агента (16) с более высокой температурой в пиковый подогреватель (17). Подогреватель (7) расположен перед местом сброса снего-ледовой массы после циркуляционных насосов (8). В целях экономии рабочего пространства для осуществления процесса таяния расстояние между погруженным теплообменником, циркуляционными насосами и местом сброса принимается минимально возможным с учетом необходимого технологического пространства для осмотра, ремонта и обслуживания оборудования. Охлажденная циркуляционная вода после теплообменника (7) возвращается в технологическую схему предприятия (14).
Погруженные циркуляционные насосы (8) располагаются в углублении дна канала, вмонтированы в глухую перегородку (13). Насосы размещаются в углублении нижней части канала.
Также в этом канале предусмотрен отстойник для плавающего мусора (9), в котором при помощи улавливающей погруженной перегородки (10), мусор отделяется от потока и удаляется. Талая вода сливается (12) и направляется на доочистку и утилизацию. Слив осуществляется нерегулируемым способом (перелив) при превышении рабочего уровня в канале. На выходе из насосов (8) канал имеет подъем.
Использование в качестве источника тепловой энергии сбросных вод энергетических и промышленных предприятий, изменение геометрической формы канала, организация непрерывного потока теплоносителя в канале, размещение снегоплавильной установки на территории энергетических и промышленных предприятий приводит к следующим техническим результатам, отличающим предлагаемую полезную модель от аналога:
1) Полному исключению эксплуатационных затрат, связанных с приобретением и использованием ископаемого топлива для СПП, а также с эксплуатацией топливного хозяйства и энергетического оборудования.
2) Значительному сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу вследствие отказа от сжигания топлива в целях утилизации снего-ледовой массы.
3) Экономии тепловой энергии питающего источника, за счет увеличения теплофикационной нагрузки ТЭЦ или теплофикационной котельной.
4) Существенному ускорению процесса утилизации (таяния) снего-ледовой массы за счет организации циркуляции теплоносителя, вследствие чего интенсифицируется перемешивание водно-ледовой смеси и, соответственно, теплообмен.
5) Ускорению процесса разгрузки грузового транспорта, возможности организации непрерывной выгрузки снего-ледовой массы, вследствие чего значительно сокращается время ожидающего разгрузки транспорта, что приведет к минимизации времени его «простоя» и снижению загруженности подъездных путей.
6) Значительному сокращению эксплуатационных затрат, связанных с транспортировкой теплоносителя или топлива к месту утилизации снего-ледовой массы, а также условно-постоянных расходов на содержание и эксплуатацию снегоплавильного пункта.
7) Существенной экономии средств на создание очистных сооружений для очистки и нейтрализации сточных вод от утилизации снега в случае производства необходимой очистки талых вод на водоподготовительной установке ТЭЦ за счет резерва ее водоподготовительных установок.
8) Исключения использования дорогостоящих городских земель для размещения снегоплавильных пунктов, а также минимизации загруженности автодорог.
Краткое описание чертежей.
На фигурах 1-7 представлены общий вид сверху и сечения схематического изображения стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа с непрерывным потоком.
Фиг.1. Общий вид сверху стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа с непрерывным потоком.
Фиг.2. Поперечный разрез А-А канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
Фиг.3. Поперечный разрез Б-Б канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
Фиг.4. Поперечный разрез В-В канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
Фиг.5. Поперечный разрез Г-Г канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
Фиг.6. Продольный разрез Д-Д канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
Фиг.7. Продольный разрез Е-Е канала стационарной снегоплавильной установки циркуляционного типа.
1 - приемный бункер снего-ледовой массы; 2 - шнеки-питатели; 3 - углубление для сбора тяжелого мусора; 4 - побудители потока; 5 - оросители снего-ледовой массы; 6 - перекачивающий насос; 7 - подогреватель циркулирующей воды; 8 - циркуляционные насосы; 9 - отстойник для плавающего мусора; 10 - улавливающая полупогруженная перегородка; 11 - удаление собранного с поверхности воды мусора; 12 - слив талой воды; 13 - глухая перегородка; 14 - возврат циркуляционной воды (конденсата, сетевой воды) в технологическую схему предприятия (ТЭЦ); 15 - циркуляционная вода после конденсатора (конденсат, сетевая вода); 16 - подвод греющего агента в пиковые режимы; 17 - теплообменник; 18 - забор воды перекачивающим насосом; 19 - уровень циркулирующей воды в канале; 20 - линия заполнения канала.
Размеры канала, приемного бункера, технологических углублений в дне канала, типоразмеры трубопроводов, типоразмеры, количество и мощность насосного, гидроструйного, электромеханического и теплообменного оборудования должны проектироваться на максимальную мощность снегоплавильной установки, определяемую потенциалом сбросных потоков теплового источника.
Осуществление полезной модели.
Стационарная снегоплавильная установка циркуляционного типа с непрерывным потоком может быть выполнена:
На базе закольцованного железобетонного канала, размещенного в грунте. В целях увеличения протяженности канала, сохранения компактности установки канал может иметь несколько поворотов. Уровень земли совпадает с уровнем верхней части канала.
Снегоплавильная установка должна размещаться на территории энергетического (промышленного) предприятия (например, городской ТЭЦ) в непосредственной близости от источника тепловой энергии для сокращения потерь, связанных с доставкой теплоносителя к установке.
Технические результаты осуществления полезной модели.
Технологические возможности ТЭЦ по утилизации снега за счет использования сбросной теплоты турбоустановок [8].
Производительность снегоплавильной установки при полном использовании сбросной теплоты турбоустановок при работе по теплофикационному и конденсационному графику:
1) Для ТЭЦ на базе турбоустановок Т-100.
или 2885,8 т/ч
3
или 0,1443 млн. м/сут.
или 11224,8 т/ч
3
или 0,561 млн. м/сут.
к
в
л
с
В этих выражениях: n - количество турбин, установленных на ТЭЦ; ,  - средний расход пара в конденсатор турбины при работе ее по теплофикационному и конденсационному графику в номинальном режиме соответственно; h, h - энтальпии пара, поступающего в конденсатор, и конденсата соответственно; Δh - количество теплоты, необходимое для таяния снего-ледовой массы с температурой -15°С; ρ - средняя плотность утилизируемого снега [1, 2, 3]
2) Для ТЭЦ на базе турбоустановок Т-250.
или 3202,9 т/ч
3
или 0,16 млн. м/сут.
или 25652,9 т/ч
3
или 1,283 млн. м/сут.
В этих выражениях; ,  - средний расход пара в конденсатор турбины при работе ее по теплофикационному и конденсационному графику в номинальном режиме соответственно;
Располагаемая тепловая мощность сбросных источников энергии ТЭС многократно превышает потребности города в утилизации снега в зимний период.
Основная выгода от применения предлагаемого решения заключается в экономии топлива и снижении выбросов вредностей в атмосферу и загрязнений в водоемы.
1. Экономия топлива.
3
Для плавления 1 тонны снего-ледовой массы в снегоплавильных установках необходимо не менее 6,2 литров дизельного топлива (или в среднем 3 л/м) [1, 2, 3] без учета расхода топлива на собственные нужды около 4,5% для крупных установок и до 10% для небольших.
Количество дизельного топлива, необходимого для утилизации снега за определенный период (соответствует одному сильному снегопаду) [4]:
c
с
д
6
6
6
В=V×ρ×В=1,7×10×0,48×6,2=5,06×10 л или 4,25×10 кг
c
д
В этом выражении V - объем снего-ледовой массы; В - расход дизельного топлива на утилизацию 1 тонны снега.
Применение предлагаемой полезной модели исключает использование ископаемого топлива для своей работы, применяя в качестве греющего агента сбросную теплоту энергетических и промышленных предприятий, которая обычно безвозвратно рассеивается в окружающей среде.
Экономия топливного ресурса в денежном выражении:
т
6
ΔЦ=В×Ц=5,06×10×27,2=137,632 млн. руб.
т
В этом выражении Ц - средневзвешенная оптовая цена на зимнее дизельное топливо по состоянию на 11.10.2012.
2. Снижение выбросов вредностей в атмосферу.
Выбросы оксидов азота за указанный выше период составят [5]:
р
t
α
r
δ
n
В этом выражении В - расчетный расход топлива;  - низшая теплота сгорания топлива;  - удельный выброс оксидов азота при сжигании жидкого топлива; β - безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения; β - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота; β - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов через горелки на образование оксидов азота; β - безразмерный коэффициент, учитывающий ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру; k - коэффициент пересчета.
Выбросы оксидов серы за этот период составят [5]:
r
В этом выражении S - содержание серы в топливе на рабочую массу [6];  - доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле;  - доля оксидов серы, улавливаемых в мокром золоуловителе попутно с улавливанием твердых частиц.
Выбросы оксидов углерода за определенный период составят [5]:
CO
В этом выражении K - количество оксида углерода, образующееся на единицу тепла, выделяющегося при горении топлива.
Выбросы бенз(а)пирена за этот период составят [5]:
Средняя расчетная концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах:
v
д
р
ст
0
В этом выражении R - коэффициент, учитывающий способ распыливани топлива; q - теплонапряжение топочного объема [1, 2, 3]; α - коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания на выходе из топки; К - коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания; К - коэффициент, учитывающий влияние нагрузки котла на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания; К - коэффициент, учитывающий влияние ступенчатого сжигания на концентрацию бенз(а)пирена в продуктах сгорания; К - коэффициент, учитывающий влияние дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева на работающем котле.
Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг жидкого малосернистого топлива [6, 7]:
Теоретический объем азота:
Объем трехатомных газов:
Теоретический объем водяных паров:
Теоретический объем дымовых газов при сгорании 1 кг топлива:
Общий объем дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу за расчетный период:
д
p
г
д
6
7
3
V=BV(Т/273)=4,25×10×12,125(453/273)=8,551×10 м
д
В этом выражении Т - средняя температура дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу от снегоплавильной установки.
Выбросы бензапирена в атмосферу за расчетный период:
или 36,26 кг
3. Снижение объема загрязненных стоков, сливаемых в поверхностные водоемы за расчетный период.
cт
c
с
6
6
3
3
V=V×ρ=1,7×10×0,48=0,816×10 м или 0,816 млн. м
Библиографические данные
1. Регламент эксплуатации мобильной снегоплавильной установки СТМ-12. Департамента жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства города Москвы. 2007 г.
2. Стационарный снегоплавильный пункт (СПП). ООО «КБЭМ «Металлист-ОСА». http://www.metallist-osa.ru.
3. Технические характеристики мобильных снегоплавильных установок СПУ-3, СПУ-5, СПУ-10, СПУ-15, МСТ-20, МСТ-40, МСТ-80.
4. РИА Новости, «1,7 млн кубометров снега вывезено с улиц Москвы за новогодние каникулы» МОСКВА, 11 янв.
5. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 30 Гкал в час. Москва 1999.
6. ГОСТ Р 52368-2005 - Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.
7. Тепловой расчет котлов. Издание третье. РАО ЕЭС России, ВТИ, НПО ЦКТИ, Санкт-Петербург, 1998 г.
8. Тувальбаев Б.Г., Моисеев В.И., Городская ТЭЦ - новая структурная производственно-генерирующая составляющая городского энергетического хозяйства. Энергосбережение и водоподготовка, №2, 2012 г.