Підвищення ефективності технологічних процесів очищення газів для енергозберігаючих технологій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Відповідно до Законів України „Про енергозбереження” і “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” основним напрямком державної політики України є створення енергозберігаючої структури виробництва на основі комплексного рішення питань економії енергії з урахуванням екологічних вимог.

Актуальність теми. Основним джерелом енергії в енергетиці і технологічному виробництві України є органічне паливо, дефіцит якого покривається за рахунок імпорту, що послаблює енергетичну незалежність держави. З урахуванням потенціалу надр України доцільним є перехід енергетики на вугілля при одночасному вирішенні екологічних проблем.

Димові і технологічні гази пиловугільної енергетики, чорної металургії і будівельної індустрії становлять в атмосфері більше 90 %, від загальної маси технологічних викидів, золи і пилу, що здатні суттєво впливати на екологічну обстановку в регіональному та глобальному масштабах. Сучасна орієнтація на використання вугілля на енергоблоках ТЕС вимагає вдосконалення технологій очищення димових газів. Отже, вимогою практики є застосування енергозберігаючих засобів і екологічно безпечних пристроїв здатних підвищити глобальну екологічну безпеку. Підвищення ефективності газоочисних апаратів передбачає вдосконалення існуючих відкритих систем золопиловловлювання шляхом оптимізації їх аеродинамічних, режимних та еколого-економічних показників.

Переважна більшість пиловугільних енергоблоків українських ТЕС відпрацювала значний ресурс, їх експлуатаційні техніко-економічні та екологічні показники не відповідають світовим стандартам, при цьому суттєвий вплив на ці показники мають газоочисні системи.

Підвищення ефективності роботи ЕФ пиловугільних ТЄС, яке супроводжується зменшенням витрат енергії на технологічний процес та покращенням стану довкілля, відповідає Законам України «Про енергозбереження», що визначає актуальність теми.

Головне науково-технічне протиріччя, яке вирішується в дисертації, визначається недостатніми теоретичними та експериментальними даними щодо аеродинамічних та конструктивних параметрів електрофільтрів пиловугільних енергоблоків ТЕС, які визначають оптимальні режими роботи апаратів за критерієм мінімальних витрат електроенергії на регенерацію електродів, що безпосередньо пов'язано з конфігурацією неактивних зон ЕФ.

Науковою задачею дисертаційного дослідження є визначення ефективності роботи електрофільтру з урахуванням аеродинамічних й конструктивно-технологічних характеристик потоку, що впливають на формування і розвиток неактивних зон очищення газів в проточній частині апарату й визначають витрати енергії на весь технологічний процес. Для рішення цієї проблеми необхідно розробити науково-обґрунтовані рекомендації, які базуються на теоретичних та експериментальних дослідженнях на діючих газоочисних апаратах пиловугільних енергоблоків ТЕС, спрямованих на вдосконалення роботи електрофільтрів ТЕС на енергозберігаючих засадах.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності і екологічності процесів золо- і пиловловлювання в енергетиці за рахунок вдосконалення аеродинамічних та конструктивних характеристик систем очищення димових газів пиловугільних енергоблоків ТЕС.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані задачі дослідження:

- проаналізувати методи очищення промислових газів в енергетиці та знайти шляхи і засоби їх вдосконалення з урахуванням вимог енергозберігаючих технологій;

- провести теоретичні дослідження аеродинамічних характеристик потоків димових газів в електрофільтрах пиловугільних енергоблоків ТЕС, які впливають на появу та розвиток небажаних неактивних зон апарату й перевитрату енергії на очистку димових газів, відповідно;

- виконати експериментальні дослідження на промисловому газоочисному обладнанні пиловугільних енергоблоків ТЕС для визначення особливостей впливу аеродинамічних параметрів на конфігурацію неактивних зон ЕФ, які негативно впливають на техніко-економічні та екологічні показники апарату й призводять до надлишкової витрати енергії на технологічний процес. На основі результатів експериментів вдосконалити режимну карту, яка забезпечить роботу газоочисного обладнання енергоблоку на принципах енергозберігаючих технологій.

- здійснити аналіз техніко-економічних характеристик газоочисних апаратів ТЄС та визначити доцільність їх використання;

- виконати оцінку екологічної та енергетичної ефективності використання енергоресурсів на ТЕС.

1. Аналіз сучасних газоочисних систем в промисловості та енергетиці, який показує доцільність використання електрофільтрів для пиловугільних енергоблоків ТЕС, що відпрацювали значний ресурс часу, та визначає проблеми їх вдосконалення на засадах енергозбереження

Визначені шляхи та методи вдосконалення електрофільтрів пиловугіль-них енергоблоків ТЕС для зниження витрат енергії на технологічний процес очищення димових газів й захисту довкілля. Експлуатаційні витрати на ЕФ в порівнянні з пило- та золовловлювачами іншого типу в 5,7 разів менше що пояснюється більш низькими аеродинамічними опорами, які в 3,8 разів менше.

Аналіз залежності коефіцієнта очищення з від конструктивних особливостей ЕФ kз та параметра кількості руху Мk, що враховує ступінь нерівномірності поля швидкостей w (2), показує, що, наприклад, двократне зменшення швидкості руху потоку димових газів призводить до збільшення продуктивності ЕФ в 1,6 рази, а двократне збільшення ступеня рівномірності розподілу витрати газів по перетину апарату підвищує ефективність ЕФ теж в 1,6 рази:

де: q - заряд, придбаний частинкою, Кл; Еос - напруженість електричного поля, В/м; Аk - постійна, враховуюча властивості поверхні частинки; Lm - вільна довжина пробігу частинок, м; rф - радіус еквівалентної сфери частинки, м; kф - коефіцієнт форми еквівалентної сфери частинки; м - в'язкість газової фази, м2/с.

Нерівномірність розподілу газу по секціях електрофільтрів пиловугільних енергоблоків ТЕС призводить до підвищення швидкості газів в активних зонах апарату та зменшення швидкості в неактивних зонах. При цьому в активних зонах ЕФ електричне поле послаблюється, через збільшення пилового навантаження, і робота активних зон відбувається в нерозрахунковому режимі. А в неактивних зонах при зниженні швидкості потоку напруженість електричного поля не змінюється, ефективність очистки-максимальна при дії гравітаційних сил, коли швидкість потоку наближається до нуля. Але, зниження якості очищення в активній зоні, де швидкість потоку вище середньої величини, не компенсується зростанням ступеня очищення в неактивній зоні, де швидкість нижче середнього значення, що пояснюється нелінійною залежністю ступеня очищення з димових газів від швидкості. Уявні «позитивні» властивості неактивних зон стають причиною перевантаження активних зон та зменшення ефективності ЕФ. При зменшенні протяжності неактивних зон рівномірність швидкості збільшується, активні зони розвантажуються та працюють в розрахунковому режимі з максимальною ефективністю.

Отже, за рахунок збільшення ступеня рівномірності розподілу витрати потоку по перетину ЕФ, можна зменшити ризик появи протяжних неактивних зон ЕФ і відповідно одержати енергозберігаючий ефект в технологічному процесі, що необхідно довести теоретичним та експериментальним шляхом. Це дозволить з'ясувати особливості розвитку неактивних зон, їх конфігурацію та визначити характер впливу на витрати енергії на очистку та регенерацію електродів ЕФ.

2. Теоретичні дослідження, шляхом математичного моделювання аеродинамічних процесів в електрофільтрах пиловугільних енергоблоків ТЕС, для з'ясування особливостей впливу розподілу концентрації золових частинок по перетину апарату на його аеродинамічні та техніко-екологічні показники, які визначають кінцеву ефективність газоочисної системи

Аналіз впливу аеродинамічних та теплофізичних характеристик запиленого потоку показує, що при відсутності відцентрових сил, що діють на дрібні частинки золи та з урахуванням особливостей руху потоку при невеликій концентрації золи в ньому, швидкість частинок золи практично співпадає з місцевою швидкістю основного потоку. Зазначене дозволяє переносити теоретичні та експериментальні результати, одержані для не запиленого потоку, на потоки, що мають властивості, характерні для газоочисних апаратів ТЕС, окрім систем пневмотранспорту.

Окрім рівномірності розподілу витрати димових газів по перетину газоочисного апарату важливу роль відіграє ступінь рівномірності розподілу потоку по паралельно встановленим ЕФ, що створює ідентичність умов роботи всіх апаратів енергоблоку і дозволяє розповсюджувати одержані результати на всі модулі.

Рівномірність роздачі і збору потоку по паралельним апаратам залежить від узагальнюючої характеристики колекторної системи і є функцією трьох параметрів:

,

де а - відносний переріз відводу від колектора до ЕФ; тколл - коефіцієнт місцевого опору відводу; м - коефіцієнт витрати; k1,2 - емпіричний коефіцієнт; індекси 1,2 - відносяться до колекторів роздачі і збору.

Результати числового моделювання розподілу потоку по ЕФ енергоблоку ТЕС, показують, що для збільшення ступеня рівномірності розподілу потоку дQ по паралельним апаратам, діаметр збірного колектора Dc повинен бути більше роздаючого Dр, що забезпечить ідентичні умови експлуатації. Окрім того, знайшла подальший розвиток методика розрахунку колекторів зі змінною вдовж потоку масою, уточненні данні якої отримані, шляхом математичного моделювання, щодо коефіцієнту л, за умов течії зі змінною вздовж потоку масою.

Коливання швидкостей потоку в активній зоні апарату, відносно розрахункової, негативно відбивається на загальній ефективності процесу газоочищення. Так, при збільшенні швидкості газу ефективність апарату знижується, що пояснюється проскакуванням запиленого потоку, а при зменшенні швидкості - ефективність процесу декілька підвищується, але не компенсує негативний ефект від проскакуванням в інших секціях.

Найбільший вплив на ефективність розподілу запиленого потоку по перетину ЕФ спричиняє дифузор. В дифузорах з кутами розширення більше 60° спостерігається відрив потоку одночасно від всієї поверхні дифузору, який розповсюджується на ділянку постійного перерізу ЕФ. Повне вирівнювання потоку по перерізу завершується на відстані (8…10)D1. Аналіз показує, що найбільшого ступеня рівномірності швидкостей можна досягти при установці роздільних стінок за дифузором.

Числове моделювання аеродинамічних характеристик потоку з різною концентрацією золових частинок виконано з використанням прикладного пакету ПЕОМ Solid Works. Аналіз та узагальнення яких засобами інформаційних технологій на базі теоретичних відомостей щодо розподілення швидкостей по перерізу електрофільтру без спрямляючи решіток та зі спрямляючими пристроями, дозволив встановити характер розвитку, конфігурацію і протяжність небажаних неактивних зон апарату, що знижують ефективність газоочисної системи.

3. Аналіз та узагальнення результатів

Експерименти, виконані на діючому газоочисному обладнанні Криворізької ТЕС, були спрямовані на підтвердження результатів математичного моделювання, викладених у другому розділі й розробку практичних рекомендацій щодо покращення техніко-економічних та екологічних показників роботи ЭФ.

Експериментальні дослідження с реалізацією заходів по підвищенню ступеня рівномірності витрати потоку по перетину апарату на дослідно-промисловій установці ЕФ Криворізької ТЕС виявили характер залежності витрати енергії на регенерацію електродів wy, ефективність апарату з від ступеня рівномірності дV та причини, що призводять до перевитрати енергії на очищення. Одержані результати експерименту підтверджують доцільність використання газорозподільних пристроїв для вирівнювання швидкості потоку по перетину електрофільтру, середня швидкість зменшилась від 2,5 м/с (в окремих ділянках від 5,7 м/с) до 0,6…1,6 м/с.

Аналіз епюри швидкостей і нерівномірність розподілу потоку димових газів по перетину електрофільтру, побудованих за результатами експериментів на дослідно-промисловому апараті пиловугільного енергоблоку ТЕС, показав, що збільшення ступені рівномірності потоку позитивно впливає на аеродинамічні характеристики - протяжність неактивних зон очищення зменшується (рис. 11), що свідчить про збільшення рівномірності покриття золовими частинками електродів й збільшує міжрегенераційний період, що призводить до відповідного енергозберігаючого ефекту - збільшення економії електроенергії в 1,7 разів. При цьому виявляється додатковий корисний ефект щодо вирівнювання пилового навантаження на золозмивних апаратах (ЗА).

Практична реалізація заходів щодо поліпшення газорозподілу дозволила:

- запобігти перевантаження бункерів золи, що дозволило досягти позитивного енергозберігаючого ефекту при одночасному дотриманні норм викидів та відключити режим безупинного струшування на електричних полях секцій електрофільтрів;

- включити автоматичний режим вибору періоду струшування електродів і знизити струмове навантаження, яке задається АСУ ТП, без погіршення параметрів очищення, на 1, 2, 3 полях ЕФ до 100 мА, тобто в 2,5 раз менше, що дозволяє зменшити сумарні витрати електроенергії на очищення димових газів в 1,7 рази;

- знизити тиск технічної води до 2,6…2,8 кг/см2, що забезпечує змив уловленої золи, працювати по режимній карті з мінімальною витратою води та усунути необхідність вкладення капітальних коштів на установку потужних багерних насосів;

- досягти явища зниження концентрації шкідливих речовин в димових газах, що утворилися в процесі спалювання вугілля, вірогідно, за рахунок абсорбції додатково уловленими частинкам золи;

– включити в роботу комбіновану систему ГЗУ-ПЗП з аерацією золи при періодичному струшуванні, через більш рівномірне завантаження бункерів золою, що дозволить відбирати суху уловлену золу у необхідній кількості для споживачів.

– розробити режимну карту, яка дозволяє оптимізувати роботу систем золовидалення, виходячи на межу малих витрат технічної води, та ЕФ, з реалізацією енергозберігаючих заходів, що забезпечують сучасний рівень ефективності апарату, а саме, підвищуючи екологічну безпеку, енергетичну ефективну і надійність пиловугільного енергоблоку ТЕС.

Реалізація наших пропозицій не вимагає недоцільних техніко-економічних заходів в загальній схемі гідро- і золовидалення та системі газоочищення ТЕС, а саме, додаткової установки потужних багерних насосів, збільшення прохідного перерізу та поверхні очищення ЕФ тощо.

4. Аналіз екологічних показників газоочистних систем ТЕС з використанням енерго-екологічного методу

Використано системний підхід до прогнозування параметрів ЕФ пиловугільних енергоблоків ТЕС, який базується на декомпозиції системи і побудові узагальненої математичної моделі, на основі якої проведено аналіз екологічних наслідків роботи газоочисних апаратів. Розроблений алгоритм числової процедури та програма розрахунку витрати шкідливих викидів q у довкілля і поправного коефіцієнту витрати , що враховує особливості компонентів системи газоочистки та зв'язків між ними:

,

де m - показник ступеня характеристики конструктивної ділянки при турбулентному режимі, який відповідає реальним газоочисним системам;

Ai, Bi,j, Ci,j - постійні коефіцієнти, що залежать від параметрів елементів газоочисної системи, з урахуванням міжвузлових зв'язків.

5. Результати числового моделювання еколого-економічних характеристик ЕФ пиловугільних енергоблоків ТЭС, на підставі яких розроблені рекомендацій щодо підвищення їх эколого-енергетичної ефективності

Визначені чинники, які впливають на енергоємність продукції та на стан довкілля, на основі чого розроблена методика еколого-енергетичного аналізу з використанням критерію повної еквівалентної емісії шкідливих викидів (ШВ) пиловугільних енергоблоках ТЕС:

,

де: mj - маса ШВ, кг/кВт·год; Pглоб - чинник глобального потеплення від ШВ, кг/кВт·год; Nk - строк експлуатації, років; - середня емісія ШВ, кг/кВтгод; Сэк - еквівалентна вартість енергоресурсів, грн./кВтгод; Сi - вартість паливно-енергетичних ресурсів, грн./кВтгод; Gi - витрата паливно-енергетичних ресурсів, кг/кВтгод; Сkоб - вартість устаткування, грн.; Сkр - вартість ремонту устаткування, грн.; Сkут.об - вартість утилізації устаткування, грн; Сут.пр - вартість утилізації одиниці продукції, грн; nkр - середня кількість ремонтів за рік; эч.т. - еквівалентна емісія ШВ від енергетичного еквіваленту працюючих людей на ТЕС, кг/людгодин; nч.т. - витрати праці людей на виробництво 1 кВтгод, людиногодин/рік; З - вартість 1 кВтгод, грн.; Сn - вартість 1 кВтгод, грн.; Vn - річний випуск продукції, кВт·год/рік.

Запропонована методика перевірена на Криворізькій ТЕС, шляхом незалежного еколого-енергетичного аудиту, на основі чого розроблені рекомендації, що забезпечують економію паливно-енергетичних ресурсів і покращення стану довкілля.

Аналіз критерію KЕЕ стосовно виробництва електроенергії на Криворізької ТЕС, показує, що в атмосферу до впровадження результатів роботи виділялось 0,759 кг/кВт·год шкідливих викидів: зола, SO2, CO2, NOx, CO, V2O5, бенз(а)пірен, важкі метали і парникові гази: CO2, CH4, N2O, де УmШВ - маса шкідливих викидів за місяць (рис. 14), а УGЕЕ - виробіток електроенергії за місяць; що в 3…4 рази перевищує Європейські норми.

Впровадження наших пропозицій сприяє підвищенню ефективності роботи ЕФ, зниженню витрати електроенергії на очищення димових газів й шкідливих викидів в довкілля ~ на 1…2 % (рис. 15). Одержаний ефект можна пояснити абсорбцією супутніх речовин, додатково уловленими частинками золи. Враховуючи останнє, можна припустити, що існує вірогідність поглинання й інших шкідливих продуктів, утворених при згоранні вугільного палива, що зазвичай не відображається системою безперервної контролю за викидами.

Висновки

енергозберігаючий аеродинамічний електрофільтр пиловугільний

Основні результати та висновки дисертаційної роботи полягають у тому, що вирішено науково-технічне протиріччя, одержані теоретичні дані щодо аеродинамічних та конструктивних параметрів електрофільтрів пиловугільних енергоблоків ТЕС, які підтверджені експериментально, й визначені оптимальні режими роботи апаратів за критерієм мінімальних витрат електроенергії на регенерацію електродів, а саме:

1. На основі аналізу відомих методів очищення газів для пиловугільних енергоблоків ТЕС, встановлені шляхи і методи їх вдосконалення з урахуванням сучасних вимог, щодо економії енергії та захисту довкілля.

2. На основі виконаних теоретичних досліджень течії димових газів в електрофільтрах пиловугільних енергоблоків ТЕС шляхом математичного моделювання встановлені аеродинамічні та конструктивні чинники, які впливають на конфігурацію неактивних зон апарату й спричиняють надлишкову витрату енергії (в 7…10 разів більше) на регенерацію електродів ЕФ. Збільшення в 2 рази ступеня рівномірності розподілу димових газів по перетину ЕФ призводить до збільшення його ефективності в 1,6 разів та до зростання сумарної економії (на очищення та на регенерацію) електроенергії в 1,7 разів.

Обґрунтовано, що протяжність неактивних зон ЕФ можна зменшити за рахунок збільшення ступеня рівномірності розподілу витрати потоку по перетину апарату, що призводить до позитивного екологічного ефекту, який досягається шляхом конструктивних змін системи газорозподілу.

Шляхом математичного моделювання встановлені умови рівномірного розподілу по газоочисним апаратам енергоблоку за рахунок змін в геометрії колекторної системи збору і роздачі потоку, та уточнено значення коефіцієнту втрат енергії для умов течії зі змінною вздовж потоку масою. При цьому діаметр збираючого колектору від ЕФ повинен бути більше роздаючого колектору, що, по-перше, поставить всі газоочисні апарати енергоблоку у рівні умови експлуатації, по-друге зменшить коефіцієнт втрат на 8 %.

3. На підставі виконаних експериментальних досліджень на дослідно-промисловому газоочисному обладнання пиловугільних енергоблоків Криворізької ТЕС підтверджена адекватність математичної моделі течії газопилового потоку в проточній частині ЕФ.

Шляхом експериментальних досліджень встановлено, що зменшення відносної нерівномірності швидкості течії у межах 1,0…1,5 призводить до відповідного зменшення середньої швидкості потоку до 0,6…1,6 м/с, довжин неактивних зон ЕФ - до 0,5 м, що, в свою чергу, дає можливість знизити витрату технічної води на видалення золи вдвічі, більш ефективно використовувати систему пневмозоловидалення та досягти загального покращення екологічних показників ЕФ пиловугільного енергоблоку ТЕС на 1…2 % за інших рівних умов його роботи.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблена режимна карта ЕФ, яка забезпечує оптимальні режими роботи за критерієм мінімальних витрат енергії на регенерацію електродів та вдосконалює роботу системи золовидалення при мінімальних витратах технічної води, що забезпечує більш високий рівень роботи ЕФ пиловугільних енергоблоків на енергозберігаючих засадах і, як наслідок, високу ефективність та надійність роботи ТЕС.

4. Розроблена методика розрахунку й прогнозування параметрів стаціонарних режимів роботи газоочисних систем пиловугільних енергоблоків ТЕС, що дозволяє вести розрахунки еколого-економічних характеристик на основі узагальненої математичної моделі, яка базується на декомпозиції системи газоочищення на основні структурні елементи задля визначення об'ємів викидів шкідливих речовин в довкілля.

5. На основі розробленої математичної моделі встановлена екологічна ефективність використання енергоресурсів на ТЕС, що підтверджена результатами незалежного екологічного аудиту. Реалізація енергозберігаючих заходів на всіх пиловугільних енергоблоках Криворізької ТЕС дозволяє одержати річний дохід 296250 € від продажу квот на шкідливі викиди. Запропонована методика оцінки техніко-економічних характеристик газоочисних апаратів ТЕС дозволяє визначати умови їх ефективної експлуатації. Так, за рахунок вдосконалення аеродинамічних характеристик електрофільтру величина витрат енергії на очистку димових газів, зменшується з 2…4 до 1,2 кВт/м3, а річний економічний ефект для одного пиловугільного енергоблоку становить 96,3 млн. грн.

Література

1. Татарчук В.А. Повышение эффективности очистки дымовых газов энергетических установок, работающих на твердом топливе / В.А. Татарчук, А.Е. Денисова // V міжвузівська студентська науково-технічна конференція. Еколого-енергетичні проблеми початку ХХІ століття. - Одеса. - 2005. - С. 55-56.

2. Татарчук В.А. Пути повышения эффективности золоулавливания на энергетических блоках Криворожской ТЕС / В.А. Татарчук, А.Е. Денисова // Х Forum of Power Engineers International Scientific and Technical Conference GRE'2006. - Zeszyty Naukowe Politechnika Opolska. Seria Elektryka, z. 56, № 315/2006, Tom.1, P. 657 -664.

3. Татарчук В.А. Повышение степени улавливания летучей золы продуктов сгорания донецкого тощего угля в электрофильтрах / В.А. Татарчук, А.Е. Денисова // Энергосберегающие технологии в муниципальной промышленной теплоэнергетике. - Научно-технический сборник. - Одесса. - С. 3-4.

4. Татарчук В.О. Шляхи підвищення ефективності золоуловлювання на енергоблоках ТЕС / В.О. Татарчук // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса. - 2006, вып. 2(26) - С.76-78.

5. Татарчук В.А. Эффективность работы электрофильтров при различных способах распределения потока по аппарату / В.А. Татарчук // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса. - 2007, вып. 1(27) - С. 94-97.

6. Татарчук В.А. Особенности распределение скоростей запыленного потока и концентрации примесей в газоочистных аппаратах при отсутствии центробежных сил / В.А. Татарчук // Труды Одесского политехнического университета. - Одесса. - 2007, вып. 2(28) - С. 216-218.

Размещено на Allbest.ru