Создание энерготехнологических комплексов на базе муниципальных котельных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание энерготехнологических комплексов на базе муниципальных котельных

К.т.н. Л.В. Мелинова, начальник ПТО, МКП «Тепловые сети» г. Волжский, Волгоградская обл.; А.Н. Соболева, старший научный сотрудник ОПТ, ВТИ, г. Москва; д.т.н. В.Ф. Каблов, директор, к.т.н. В.Е. Костин, декан, Н.А. Соколова, старший преподаватель, ВПИ (филиал) ВолгГТУ, г. Волжский, Волгоградская обл.; Л.Г. Мамиева, старший преподаватель, Южноосетинский университет, г. Цхинвал

Введение

Российское городское население составляет около 74% и поэтому оптимизация функционирования систем жизнеобеспечения урбанизированных территорий является не только актуальной технической, экологической, но и социально-политической задачей. В последние десятилетия за счет резко возросшей антропогенной и техногенной нагрузки произошло глобальное изменение экологической ситуации, что привело к обострению континентального климата на юге европейской территории России (ЕТР), деградации и разрушению ландшафтов, особенно в крупных промышленных центрах [1]. В целях сохранения климата и биологического разнообразия регионов необходима выработка технических решений, обеспечивающих трансформацию урбо-промышленных конгломератов в биосферосоместимые [2].

Состояние вопроса и пути решения

Большинство муниципальных объектов теплоснабжения на юге ЕТР являются нерентабельными и дотационными. Причина, как правило, одна и та же: морально устаревшая технология производства тепловой энергии - прямое сжигание дорогих видов топлива (дизельного топлива, природного газа и т.д.) в котельных на физически изношенном оборудовании с невысоким КПД. Большинство европейских стран и США сумели преодолеть энергетический кризис, выходом из которого стало использование возобновляемых источников энергии. В странах ЕС на долю биомассы (БМ) сегодня приходится более половины всех возобновляемых источников энергии. Такое широкое применение БМ получила благодаря тому, что имеет относительно низкую стоимость [3] и созданы установки комбинированного производства электрической и тепловой энергии с прямым сжиганием или газификацией БМ [4].

Тростник обыкновенный распространен на всей территории РФ за исключением пустынь и Арктики. С точки зрения хозяйственного значения тростник является сорняком, засоряющим все сельскохозяйственные культуры на орошаемых землях, вследствие чего наносит ощутимый вред. Значительный ущерб экологическим системам наносят систематические пожары в зарослях тростника [5]. В [6] оценено снижение выбросов парниковых газов за счет предотвращения окисления органического материала тростника в природных условиях. Так, в случае использования тростника в качестве биогорючего при урожае сухого вещества 12 т/га и его теплоте сгорания в 17,5 МДж/кг снижение выбросов парниковых газов составляет 15 т/га (в пересчете на СО2), а вследствие отказа от ископаемого топлива на объектах генерации еще 15,625, т.е. использование тростниковой БМ на ТЭЦ может сэкономить около 30 т/га СО2.

Сотрудниками Волжского политехнического института (филиал) Волгоградского государственного технического университета, начиная с 2009 года, проводились исследования по определению эксплуатационных запасов тростника и объема возможных заготовок, с учетом их восстановления в течение одного года на территории Волго-Ахтубинской поймы и промышленной зоны г.Волжского Волгоградской области [7]. В результате проведенных исследований определено, что объем ежегодных заготовок на исследуемых участках достаточен для использования тростника в качестве возобновляемого ресурса для средств малой генерации в небольших населенных пунктах и на малых производственных предприятиях, распложенных вблизи мест заготовок.

Для оценки технической возможности и экономической целесообразности производства тростниковых пеллет (топливных гранул) определялись технологические и экологические свойства исходного сырья и готовой продукции. На основании данных химической лаборатории Волгоградской ГРЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» и протокола № ОПТ/Д40 15.08.13 испытательного центра «ТЕПЛОТЕХНИК» ОАО «ВТИ», выполнено сравнение основных параметров твердого биотоплива из тростника Волго-Ахтубинской поймы на соответствие требованиям ГОСТ Р 54235-2010 и стандарту EN plus, результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1. Содержание макроэлементов в гранулах из тростника.

В [8] установлено, что пеллеты из тростника Волго-Ахтубинской поймы могут использоваться в качестве топлива на промышленных теплоэнергетических установках.

При энергетическом и индустриальном использовании БМ тростника сбор и переработка тростника сталкивается с двумя главными проблемами:

- машины должны быть приспособлены к влажным участкам с низкой проходимостью;

- при эффективном уборочном цикле необходимо сохранять высокие эксплуатационные характеристики для территории определенных размеров.

Процесс производства топливных гранул обычно строится по схеме, приведенной на рис.1.

тепловой комбинированный возобновляемый электрический

Рис. 1 Схема процесса производства топливных брикетов или гранул

Для решения проблем по сбору и переработке тростника проведен ряд исследований и определено, что наименьшее влагосодержание (до 8%) отмечается, если сбор тростника осуществляется в декабре-марте [9]. При этом появляется возможность обойтись без энергоемкой операции сушки (позиция 2 на рисунке), что существенно снижает стоимость оборудования и затраты энергии на производство.

Авторами разработана концепция мобильного транспортно-технологического комплекса (ТТК) по производству биотоплива из тростника, непосредственно на месте покоса и определен необходимый состав технологического оборудования с учетом возможности его производства в Волгоградском регионе. В целях повышения рентабельности рассмотрены возможности автономного энергообеспечения мобильного ТТК за счет использования части скошенного тростника и установлено, что наилучшим образом для этих целей подходит двигатель Стирлинга, работающий на технологической щепе тростника.

В таблице 2 представлены основные технические характеристики оборудования мобильного ТТК, включающего в себя: измельчитель растительных материалов ИРМ-2, установку переработки технологической щепы УП-401, установку брикетирования отходов УБО-2, конвейер-охладитель и фасовочную машину.

Таблица 2. Основные технические характеристики оборудования

*Суммарная потребляемая мощность

Из таблицы 2 видно, что суммарная установленная мощность технологического оборудования с учётом мощности вспомогательных устройств (транспортёров и механизированных бункеров) не превышает 100 кВт.

Весь комплекс выполненных работ и анализ отечественного рынка технологического оборудования генерации тепловой и электрической энергии с использованием в качестве топлива биомассы, позволил разработать концепцию создания энерготехнологических комплексов (ЭТК) на базе муниципальных котельных.

Структурная схема ЭТК представлена на рис. 2 и включает в себя участок по заготовке и переработке тростника в пеллеты (топливно-транспортный участок - ТТУ), участок тепломеханического оборудования (УТО), который состоит из котельного (КО) и турбинного отделений (ТО), участок электротехнического оборудования (УЭО), участок по упаковке и утилизации золового остатка (УЗО).

В качестве основного технологического оборудования КО, ТО и УЗО предлагается использовать отечественные агрегаты, прошедшие апробацию на древесных пеллетах. Оборудование участка электротехнического оборудования - серийное.

Рис.2. Структурная схема энерготехнологического комплекса

Зола тростника является отходом производства, который можно использовать в качестве удобрения в сельском хозяйстве. В целях решения вопроса утилизации золового остатка в испытательном центре «ТЕПЛОТЕХНИК» ОАО «ВТИ» были определены зольность на сухую массу (Аd = 8,5 %) и содержание микроэлементов в золе тростника (таблица 3).

Таблица 3 Содержание микроэлементов в золе тростника

В ходе исследований обнаружено значительное превышение предельных значений содержания некоторых микроэлементов. Так, содержание меди в золе тростника данной пробы превышает ее ПДК в почве в 176 раз (ПДК почвы по меди 33 мг/кг), содержание цинка в 57 раз (ПДК почвы по цинку 55 мг/кг) [10]. Хотя согласно стандарту EN plus и ГОСТ Р 54220-2010 содержание токсичных микроэлементов не регламентируется, но их содержание может оказать существенное влияние на возможность использования золы БМ тростника в качестве удобрения. Для уточнения полученных результатов и определения направлений использования золы БМ тростника потребуются дополнительные исследования, которые будут включать в себя определение видов растений, для которых использование зольного остатка БМ тростника будут приемлемы.

Выводы

На основании выполненных работ установлено, что создание ЭТК позволит:

- повысить энергоэффективность и экологичность производства тепловой и электрической энергии на базе муниципальных котельных за счет замещения частично или полностью в топливном балансе ископаемого топлива пеллетами из тростника;

- решить одну из экологических проблем - устранить ежегодные низовые пожары;

- снизить затраты на приобретение топлива и экологические платежи;

- получить дополнительную прибыль за счет оказания услуг по обеспечению пожарной безопасности (покосу тростника) в охранной зоне ЛЭП, рекреационной зоне городов и утилизации золового остатка тростниковых пеллет в качестве удобрения для зеленого хозяйства муниципальных образований (при положительных результатах дальнейших исследований).

Заключение

Предложения по созданию ЭТК на базе муниципальных котельных, работающих на тростниковых пеллетах, должны рассматриваться и реализовываться во исполнение федерального закона от 28.06.2014 г. №172-ФЗ «О стратегическом планировании в Российской Федерации» при разработке муниципальных программ стратегического планирования в целях решения задач социально-экономического развития муниципальных образований и требований п.7 ч.6 ст.14 Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" по увеличению количества случаев использования в качестве источников энергии вторичных энергетических ресурсов и (или) возобновляемых источников энергии.

Литература

1. Глинянова И.Ю. Формирование новой стратегии решения экоградостроительных проблем в современном промышленном городе// Вестник Волгоградского гос. ун-та. Сер. 10, Инновационная деятельность. Вып. 7. 2012, с. 66-70.

2. Ильичев В.А. Биосферная совместимость: Технологии внедрения инноваций. Города, развивающие человека. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. - 240 с.

3. Ахтямов Ф.Г. Универсальный котел «ЭкоТермУниверсал» на альтернативных видах топлива // Энергетик, 2010, № 12, с. 23-25

4. Вихрев Ю.В. Энергетическая установка комбинированного производства энергии с газификацией биомассы в кипящем слое // Энергетик, 2010, № 12, с. 29-30.

5. Костин В.Е., Моисеев Ю.И., Мухина К.А., Соколова Н.А. Концепция мобильного транспортно-технологического комплекса по производству топливных брикетов из тростника. Сборник материалов XII научно-практическй конференции профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ. Волжский 2014 г.

6. В. Вахтман, Ф. Таннебергер Использование растительной биомассы на повторно заболоченных торфяниках как в клад в сохранение климата и биологического разнообразия в Беларуси, 2009.

7. Костин В.Е., Мухина К.А., Паршев С.С., Соколова Н.А. Определение эксплуатационных запасов тростника методом учетных площадок с целью разработки технико-экономического обоснования параметров комплекса по производству топливных гранул. Студенческий научный форум 2012 г. [матер.] IVмеждунар. студ. электрон. науч.конф., 15 февр.-31 марта 2012г./ РАЕ. - М.,2012. С.1-2.

8. Отчет ПО гранту благотворительного фонда ОАО «ЛУКОЙЛ» «Тростник южный - вместо пожаров польза для дела», Волжский - 2011.

9. Ганджалова А.А., Мухина К.А., Костин В.Е., Соколова Н.А. Анализ параметров качества топливных брикетов и гранул тростника [Электронный ресурс] // Взаимодействие предприятий и вузов по повышению эффективности производства, управления и инновационной деятельности. сб. докл. VIII межрегион. науч.-практ. Конф., г. Волжский, 17-18 апр. 2012 г./ ВПИ (филиал) ВолгГТУ [и др. ]. - Волгоград, 2012. - с.146-148.

10. СанПин 2.1.7.722-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) в почве».

Размещено на Allbest.ur