Разработка технологий использования котлоагрегатов ТЭЦ и их дутьевых вентиляторов для транспорта и утилизации вентиляционных выбросов промышленных предприятий и автомагистралей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка технологий использования котлоагрегатов ТЭЦ и их дутьевых вентиляторов для транспорта и утилизации вентиляционных выбросов промышленных предприятий и автомагистралей

Специальности: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

МАРЧЕНКО Александра Витальевна

Иваново 2008

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шарапов Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Закиров Ильгизар Алиахматович

доктор технических наук, профессор Созинов Владимир Петрович

Ведущая организация: Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительная часть отечественных ТЭЦ предназначена для снабжения паром и горячей водой промышленных предприятий. Располагаются эти ТЭЦ, как правило, на территории предприятий или в непосредственной близости от них. Технологически ТЭЦ и промышленные объекты обычно связаны только трубопроводами теплоносителей. Многие весьма актуальные научно-технические проблемы, к которым относятся, прежде всего, повышение энергетической эффективности производства и защита воздушной среды, являются общими для тепловых электростанций и промышленных предприятий, однако решаются такие проблемы на них автономно, без учета технологических возможностей этих расположенных рядом объектов.

Анализ показывает, что при объединении ТЭЦ и промышленного потребителя в единую технологическую систему появляются новые возможности для решения названных выше проблем и использования тепловой электростанции как утилизатора значительных объемов техногенных выбросов.

В данной работе решены задачи, позволяющие существенно повысить энергетическую и экологическую эффективность производственных процессов на тепловых электростанциях и промышленных предприятиях, а также повысить экологическую безопасность автомагистралей городов с помощью оборудования ТЭЦ.

Основная часть диссертации выполнена в рамках научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по подпрограмме 207, номер государственной регистрации НИР № 01200312435.

Целью работы является разработка энергетически и экологически эффективных технологий использования котлоагрегатов теплоэнергетических установок и их дутьевых вентиляторов для вентиляции промышленных объектов и автомагистралей городов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

– проанализировано состояние воздушного бассейна на территории промышленных предприятий и городов;

– разработаны технологии транспорта и утилизации промышленных и автотранспортных выбросов с помощью дутьевых вентиляторов котлов ТЭЦ и производственных котельных;

– проанализирована возможность термического обезвреживания вентиляционных выбросов в топках котлоагрегатов теплогенерирующих установок;

– проведено экспериментальное исследование промышленной применимости новых решений на теплоэнергетических установках, выполнен корреляционный анализ параметров вентиляционного воздуха промышленного объекта и ряда технологических факторов;

– разработана методика технико-экономического исследования новых технологий и выполнена оценка их энергетической и экономической эффективности на Ульяновской ТЭЦ-1 и промышленных предприятиях Ульяновской области;

– разработаны способы повышения надежности и экономичности технологий утилизации вентиляционных выбросов с помощью дутьевых вентиляторов котлов ТЭЦ и котельных в различных производственных условиях.

Основные методы научных исследований. В работе использованы метод пассивного эксперимента, статистический метод корреляционного анализа результатов эксперимента, методы вычислительной математики, аэродинамики, эвристические методы разработки новых технических решений. Для расчетов и построения графических зависимостей использовался пакет программ Microsoft Excel.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработан новый подход к повышению энергетической и экологической эффективности котлоагрегатов ТЭЦ и производственных котельных, предусматривающий использование в качестве окислителя в процессах горения топлива загрязненного воздуха промышленных предприятий и автомагистралей городов. Новый подход реализован в серии энергетически и экологически эффективных технологий утилизации теплоты и загрязнителей воздуха в топках котлов тепловых электростанций и промышленных котельных.

Новизна созданных решений подтверждена 25 патентами на изобретения РФ.

В результате экспериментального исследования доказана возможность использования вентиляционного воздуха производственных цехов в качестве окислителя в процессах горения топлива, а также возможность снижения расхода топлива на котлы за счет утилизации теплоты промышленных выбросов, что позволило сделать вывод о технологической целесообразности применения разработанных решений на ТЭЦ и промышленных предприятиях.

Достоверность результатов работы обусловлена проведением эксперимента в реальных промышленных условиях, использованием современных средств измерений, тарировкой и калибровкой измерительных систем, использованием стандартизированных методов обработки и обобщения экспериментальных данных, применением действующих нормативных методик оценки экономической эффективности энергосберегающих технологий, патентной чистотой разработанных технических решений.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Сформулирован новый подход к утилизации теплоты вентиляционных выбросов и вредных веществ, содержащихся в них, основанный на использовании дутьевых вентиляторов котлов ТЭЦ и промышленных котельных для вентиляции производственных объектов и автомагистралей городов. В рамках этого подхода разработана серия энергетически и экологически эффективных технологий вентиляции производственных цехов предприятий и загазованных автодорог дутьевыми вентиляторами котлов теплоэнергетических установок. Реализация новых технологических решений позволяет утилизировать теплоту и термически нейтрализовать вредные вещества, содержащиеся в вентиляционных и автотранспортных выбросах, в топках котлоагрегатов ТЭЦ и производственных котельных, снизить топливопотребление теплогенерирующими установками и энергопотребление промышленными предприятиями.

2. Экспериментально обоснована промышленная применимость и целесообразность разработанных решений на теплоэнергетических установках.

3. Разработана методика технико-экономического исследования новых технологий и выполнена оценка их энергетической и экономической эффективности применительно к Ульяновской ТЭЦ-1 и предприятиям Ульяновской области.

4. Разработан ряд технических решений по повышению надежности и экономичности технологий утилизации промышленных выбросов в топках котлоагрегатов теплогенерирующих установок в различных производственных условиях.

Реализация результатов работы. На Ульяновской ТЭЦ-1 принята к промышленному внедрению технология транспорта загрязненного воздуха автомагистрали Московское шоссе г. Ульяновска через подземные каналы теплотрассы в топки паровых котлов ТГМ-96Б. На Ульяновском предприятии ООО «Стройпластмасс-СП» приняты к использованию решения по отводу вентиляционных выбросов цеха по производству линолеума дутьевыми вентиляторами в топки котлоагрегатов теплогенерирующей установки предприятия для их термического обезвреживания. На Ульяновском предприятии ОАО «Волжские моторы» выполнена проектная проработка решений по отводу технологических выбросов цветолитейного цеха № 23 дутьевыми вентиляторами в топки паровых котлов. Материалы диссертационной работы также использованы кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» УлГТУ в курсах лекций «Технологии централизованного производства тепловой и электрической энергии», «Теплогенерирующие установки», «Энергосбережение», «Охрана воздушного бассейна», «Вентиляция» и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 27010965.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Новый подход к повышению энергетической и экологической эффективности котлоагрегатов ТЭЦ и производственных котельных и разработанные в рамках его реализации решения, предусматривающие использование в качестве окислителя в процессах горения топлива загрязненного воздуха промышленных предприятий и автомагистралей городов.

2. Результаты экспериментального исследования возможности использования вентиляционных выбросов в качестве окислителя в процессах горения топлива в топках котлов теплоэнергетических установок и возможности снижения расхода топлива на котлы за счет утилизации теплоты вентиляционных выбросов.

3. Результаты расчета энергетической и экономической эффективности реализации разработанных технологий на ТЭЦ и промышленных предприятиях Ульяновской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: 4-й и 5-й Российских научно-технических конференциях «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, УлГТУ, 2003 и 2006 гг.), V Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, КазНЦ РАН, 2006 г.), II Молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2007 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, ВятГУ, 2007 г.), II Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2007 г.), II и IV Международных научных конференциях «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2003 и 2006 гг.), 10-й, 11-й и 13-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2004, 2005, 2007 гг.), II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, БГТУ, 2004 г.), Всероссийских конференциях аспирантов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Ярославль, ЯрГУ, 2005 и 2006 гг.), 39-й, 40-й и 41-й НТК ППС УлГТУ (Ульяновск, 2005, 2006, 2007 гг.), заседаниях постоянно действующего семинара научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ (Ульяновск, 2002-2007 гг.).

В 2002 г. разработка технологий вентиляции автомагистралей городов дутьевыми вентиляторами котлов ТЭЦ отмечена золотой медалью 51-го Всемирного салона инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель-Эврика-2002». В 2004 г. разработка технологий вентиляции промышленных предприятий дутьевыми вентиляторами котлов теплоэнергетических установок отмечена бронзовой медалью 32-го Международного салона изобретений, новой техники и товаров «Женева-2004». В 2007 г. автор стала победителем конкурса научно-инновационных проектов по Федеральной программе «УМНИК-2007» (направление «Тепловые электрические станции и промышленная теплоэнергетика»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 работ, в том числе 1 монография, 14 статей, 12 полных текстов докладов, тезисы 3 докладов, 25 патентов на изобретения Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, 2 приложений, содержит 52 иллюстрации, 43 таблицы, список литературы из 143 наименований. Общий объем работы составляет 175 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения, дано описание структуры диссертации.

В первой главе приведены краткие сведения о котлах и дутьевых вентиляторах ТЭЦ и производственных котельных, рассмотрены процессы окисления твердого, жидкого, газообразного топлива и использование воздуха в качестве окислителя в процессах горения топлива в топочных устройствах котлоагрегатов. Выполнен анализ состояния воздушной среды на территории промышленных предприятий и городов, обоснованы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке технологий использования дутьевых вентиляторов для транспорта вентиляционных и автотранспортных выбросов в топки котлоагрегатов ТЭЦ и производственных котельных для их термического обезвреживания.

В результате проведенного обследования промышленных предприятий Ульяновской области установлено, что в большинстве случаев вентиляционные выбросы производственных цехов со значительным содержанием органических соединений выбрасываются в атмосферу без очистки и теплота этих выбросов не утилизируется. Вследствие того, что промышленные объекты, как правило, расположены в крупных населенных пунктах, производственные выбросы загрязняют городскую воздушную среду. Экологическая ситуация в городах осложняется загрязненностью атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта. По оценкам медиков и экологов 30 % заболеваний горожан непосредственно связаны с загрязненностью воздуха промышленными и автотранспортными выбросами.

В диссертации разработан новый подход к утилизации теплоты вентиляционных выбросов и вредных веществ, содержащихся в них, предусматривающий использование для вентиляции промышленных предприятий и автомагистралей городов дутьевых вентиляторов котлоагрегатов ТЭЦ или производственных котельных. Загрязненный воздух удаляется в топки котлов для регенерации теплоты и термического обезвреживания органических соединений, содержащихся в нем.

Предлагаемый подход можно реализовать различными способами в зависимости от конкретных производственных условий: состояния оборудования, теплогенерирующей установки, ее удаленности от вентилируемых объектов, состава загрязнителей вентиляционных выбросов. Транспорт выбросов осуществляется через специально смонтированные воздуховоды, а также через инженерные коммуникации.

Наиболее эффективная по экономическим показателям, не требующая значительных капитальных вложений, технология транспорта промышленных вентиляционных выбросов в топки котлов ТЭЦ для обезвреживания приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема транспорта промышленных вентиляционных выбросов в топки котлоагрегатов через вытяжной воздуховод системы вентиляции: 1 - вытяжные зонты (местные отсосы); 2 - сборный воздуховод вытяжной вентиляции; 3 - дутьевой вентилятор; 4 - всасывающий воздуховод вентилятора; 5 - котлоагрегат; 6 - производственный цех; 7 - дымосос; 8 - дымовая труба

Схема транспорта загазованного воздуха автомагистралей в топки котлоагрегатов ТЭЦ через подземные каналы теплотрассы представлена на рис. 2.

котлоагрегат вентилятор обезвреживание выброс

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 2. Схема транспорта загрязненного городского воздуха в топки котлов ТЭЦ через подземные каналы теплотрассы: 1 - проезжая часть городских улиц; 2 - воздухозаборные окна; 3 - вентиляционные камеры; 4 - подземный канал теплотрассы; 5 - теплопровод; 6 - всасывающий воздуховод вентилятора; 7 - дутьевой вентилятор; 8 - котлоагрегат; 9 - дымосос; 10 - дымовая труба

Основными преимуществами разработанных решений являются термическое обезвреживание вредных веществ, содержащихся в промышленных и автотранспортных выбросах, в топках котлоагрегатов ТЭЦ или производственных котельных, снижение энергопотребления системами вентиляции и газоочистки предприятий за счет исключения из работы штатных вентиляторов, снижение топливопотребления теплоэнергетическими установками вследствие утилизации в топках котлов теплоты загрязненного воздуха, а при вентиляции через каналы теплотрассы - тепловыделений теплопроводов.

Различие условий работы и видов загрязняющих веществ на предприятиях в ряде случаев потребует дополнения разработанных технологий специальными техническими решениями, обеспечивающими надежность и экономичность способов подачи вентиляционного воздуха в топки котлов. Основными факторами, затрудняющими реализацию предлагаемых технологий на ряде предприятий, являются конденсация загрязняющих веществ в транспортных сетях от производственного участка до дутьевых вентиляторов котлоагрегатов, образование отложений на стенках воздуховодов и вентиляторов, в том числе горючих и коррозионно-опасных. Для устранения указанных недостатков разработан ряд способов, позволяющих обеспечить условия, препятствующие выпадению и накоплению в воздуховодах конденсирующихся и жидких фракций загрязняющих веществ. Эти способы предполагают применение при реализации технологий теплообменников, дренажных устройств, накопительных баков, насосов, подающих конденсат в форсунки горелок котла для дальнейшего его использования в качестве дополнительного топлива.

Также во второй главе проанализирована возможность термического обезвреживания вентиляционных выбросов в топках котлоагрегатов ТЭЦ и котельных. Анализ литературы показал, что термическое разложение органических веществ - загрязнителей вентиляционных выбросов сопровождается образованием таких соединений как СО, С₂Н₅, С₂Н₄, СН₃, Н₂СО, НО₂, Н₂, ОН, которые впоследствии при достаточном избытке воздуха окисляются до СО₂ и Н₂О. При содержании в выбросах сероводорода и сероуглерода в продуктах сгорания обнаруживается диоксид серы.

В третьей главе экспериментально исследована возможность промышленной применимости новых технологий на ТЭЦ и котельных. Для этого решены следующие исследовательские задачи:

1. Проанализирована возможность использования вентиляционного воздуха производственных цехов в качестве окислителя в процессах горения топлива.

2. Установлено наличие загрязняющих веществ в вентиляционных выбросах.

3. Определена температура газовоздушных выбросов для оценки энергетической эффективности разработанных решений.

Для решения поставленных задач проведено экспериментальное исследование вентиляционного воздуха на примере цеха по производству линолеума «Контакт-2» Ульяновского предприятия ООО «Стройпластмасс-СП». В качестве исследуемых параметров вытяжного воздуха выбраны его температура, концентрации кислорода и вредных веществ.

Ввиду того, что линия по производству линолеума работает без остановок и любое воздействие со стороны на технологический процесс может привести к ухудшению качества выпускаемой продукции, исследование проведено методом пассивного эксперимента.

Основным оборудованием цеха «Контакт-2» является линия по производству линолеума. Технологический процесс разбит на четыре стадии - термоскрепление, предварительное терможелирование, терможелирование, тиснение линолеума. Согласно проектным данным о ПДВ вредных веществ, выделяющихся в процессе производства линолеума, в цехе «Контакт-2» наибольшие концентрации загрязняющих компонентов наблюдаются над агрегатами терможелирования. Вследствие этого решено произвести замеры параметров вентиляционного воздуха над агрегатами предварительного терможелирования и терможелирования, в которые подается пар с теплогенерирующей установки предприятия.

Установлено, что в вытяжном воздухе содержатся такие токсичные вещества, как оксид углерода и оксиды азота, причем их концентрации значительно превышают ПДК. Кроме того, вентиляционный воздух также содержит диоксановые спирты, метилбутандиол, пыль поливинилхлорида. В цехе наблюдается газовый туман, у рабочих, обслуживающих производственную линию часто отмечаются рефлекторные заболевания. Результаты замеров концентраций оксида углерода и оксидов азота в газовоздушных потоках, отходящих от агрегата предварительного терможелирования, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Концентрации оксида углерода CO и оксидов азота NO_x в вентиляционном воздухе над агрегатом предварительного терможелирования

При измерении концентрации кислорода в загрязненном воздухе установлено, что она не опускается ниже 20,8 %, что больше минимальной концентрации кислорода, равной 15 %, необходимой для осуществления процесса горения топлива в топках котлоагрегатов. Температура вентиляционных выбросов достигает 50єС, что обеспечивает при их утилизации в топках котлов значительную экономию топлива. Результаты замеров концентрации кислорода и температуры вентиляционного воздуха над агрегатом терможелирования № 3 представлены на рис. 4.

Рис. 4. Концентрация кислорода O₂ и температура t_в вентиляционного воздуха над агрегатом терможелирования № 3

С помощью корреляционного анализа результатов эксперимента установлена взаимосвязь между параметрами вентиляционного воздуха цеха по производству линолеума и температурой пара, подаваемого в технологическое оборудование. Наиболее тесная связь установлена между температурой вентиляционного воздуха и температурой пара, подаваемого в агрегаты терможелирования (рис. 5, а, б, в). Также установлена зависимость между концентрацией оксидов азота в вытяжном воздухе и температурой пара, подаваемого агрегат терможелирования (рис. 5, г).

Уравнения регрессии, описывающие полученные зависимости

: ; (1)

: ; (2)

: ; (3)

: , (4)

где y₁, y₂, y₃ - температура вентиляционных выбросов от агрегатов предварительного терможелирования, терможелирования № 1 и терможелирования № 2 соответственно, °С; y₄ - концентрация оксидов азота NO_x в вентиляционных выбросах от агрегата терможелирования № 3, мг/м³; х₁, х₂, х₃, х₄ - температура пара, подаваемого в соответствующее технологическое оборудование, °С.

Рис. 5. Зависимость параметров вентиляционного воздуха от температуры пара, подаваемого в технологическое оборудование: а, б, в - зависимости температуры вентиляционного воздуха от температуры пара t_п, подаваемого в агрегаты предварительного терможелирования, терможелирования № 1 и терможелирования № 2 соответственно; г - зависимость концентрации оксидов азота NО_x в вентиляционном воздухе от температуры пара t_п, подаваемого в агрегат терможелирования № 3

В четвертой главе выполнено технико-экономическое исследование разработанных технологий применительно к Ульяновской ТЭЦ-1 и двум крупным предприятиям Ульяновской области - предприятию по производству линолеума и изделий из поливинилхлорида ООО «Стройпластмасс-СП» и машиностроительному предприятию ОАО «Волжские моторы». Для этого выполнены: аэродинамический расчет тракта подачи загрязненного воздуха в топки котлов; расчет дополнительной мощности дутьевых вентиляторов котлов теплогенерирующих установок, необходимой для преодоления аэродинамического сопротивления воздуховодов; подбор тепловой изоляции воздуховодов; расчет количества утилизированной в котлоагрегатах теплоты; расчет экономических показателей новой технологии.

Снижение мощности электродвигателей вентиляционного оборудования ДN, кВт, составит

, (5)

где N_вент - мощность штатных вытяжных вентиляторов, кВт; N_ст - мощность электрооборудования станций газоочистки, кВт; N_ДВ - дополнительная мощность дутьевых вентиляторов котлов теплоэнергетической установки, кВт.

Снижение топливопотребления котлами теплогенерирующей установки ДВ, (кг у. т.)/ч, составит

, (6)

где Q - количество утилизированной теплоты, Гкал/ч; b_т - удельный расход топлива на выработку 1 Гкал теплоты, кг/Гкал.

Экономические показатели деятельности предприятий в текущем году t после реализации разработанных технологий определяются по формуле

, (7)

где - цена 1 т условного топлива, руб.; - снижение топливопотребления, т у. т.; - цена 1 кВт·ч электрической энергии, руб.; - снижение потребления электроэнергии предприятием от сторонней энергосистемы, кВт·ч; - снижение выплат штрафов предприятием за загрязнение окружающей среды, руб.; - снижение затрат на обслуживание вентиляционного и газоочистного оборудования, руб.; D_t - экономия денежных средств предприятием за счет государственных льгот и дотаций, стимулирующих энергосберегающие решения, руб.; - эксплуатационные затраты, руб.; - капиталовложения, включая амортизационные отчисления, руб.

Капиталовложения в схему подачи загрязненного воздуха в топки котлоагрегатов теплоэнергетических установок К_инв, руб., в формуле (7) определяются из выражения

, (8)

где З_возд - затраты на дополнительные воздуховоды, необходимые для соединения системы вентиляции производственных цехов и всасывающих патрубков дутьевых вентиляторов теплогенерирующей установки, руб.; З_фас - затраты на фасонные части к воздуховодам, руб.; З_опор - затраты на опоры под воздуховоды, руб.; З_т.и. - затраты на тепловую изоляцию воздуховодов, проложенных на открытом воздухе, руб.; З_монт - затраты на монтаж дополнительных воздуховодов к котлам, руб.

Для оценки экономической эффективности разработанных решений применены метод определения срока окупаемости (Т_р), интегральные методы расчета чистого дисконтированного дохода (NPV) и индекса рентабельности (PI).

Экономические показатели технологии вентиляции цеха по производству линолеума предприятия ООО «Стройпластмасс-СП» и цеха цветного литья предприятия ОАО «Волжские моторы» дутьевыми вентиляторами котлов теплоэнергетических установок предприятий приведены в табл. 1.

Таблица 1. Экономические показатели технологии подачи загрязненного воздуха производственных цехов Ульяновских предприятий в котлоагрегаты теплогенерирующих установок

предприятие показатели	ООО «Стройпластмасс-СП»	ОАО «Волжские моторы»
Экономия условного топлива, ДВ, кг/ч	28,8	48,5
Экономия условного топлива, Эгтопл, т/год	257,5	122,0
Экономия газообразного топлива, Эгаз, тыс. м3/год	225,3	106,8
Снижение мощности электродвигателей, ДN, кВт	12,0	19,1
Экономия электроэнергии, Эгээ, тыс. кВт·ч/год	104,0	48,7
Экономия условного топлива в денежном эквиваленте¤, Э?топл, руб./ч	43,0	72,4
Экономия электроэнергии в денежном эквиваленте¤, Э?ээ, руб./ч	35,6	56,4
Экономия топливо- и энергоресурсов в денежном эквиваленте, Э?, руб./ч	78,6	128,8
Экономия топливо- и энергоресурсов в денежном эквиваленте, Э, тыс. руб./год	693,1	327,0
Капиталовложения, Кинв, тыс. руб.	350,0	250,0
Чистый дисконтированный доход NPV, тыс. руб.	3647,6	1636,1
Индекс рентабельности инвестиций PI	11,4	7,5
Срок окупаемости, Тр, мес.	6,0	8,0

^*Примечание: Стоимость 1 кВт·ч и 1 кг у. т. принята на 1 ноября 2007 г.

Высокий индекс рентабельности инвестиций для Ульяновских предприятий (табл. 1) показывает несомненную эффективность внедрения на них разработанных технологий подачи загрязненного воздуха производственных цехов в топки котлоагрегатов теплогенерирующих установок.

При реализации разработанных решений на тепловых электростанциях повышение экономичности работы котлоагрегатов ТЭЦ, оцениваемое по повышению за счет утилизации в топках котлов теплоты, внесенной с загрязненным воздухом, определяется по формуле

, (9)

где Q_п - количество полезно использованной в котлоагрегатах теплоты, кДж/ч; В - расход условного топлива на котлы до внедрения новых технологий, кг/ч; - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Q_в - теплота, внесенная в топку с загрязненным воздухом, кДж/ч.

Снижение топливопотребления энергетическими котлами ТЭЦ , кг/ч, составляет

, (10)

где D - расход острого пара, кг/ч; D_пр - расход продувочной воды, кг/ч; i_п - энтальпия острого пара, кДж/кг; i_пв - энтальпия питательной воды, кДж/кг; i_кв - энтальпия котловой (продувочной) воды, кДж/кг; - КПД брутто котлов после реализации новых решений; N_ДВ - дополнительная мощность дутьевых вентиляторов, необходимая для преодоления сопротивления тракта подачи загрязненного воздуха в топки котлов, кВт; b_э - удельный расход топлива на выработку 1 кВт·ч электрической энергии, кг/кВт·ч.

Результаты расчета энергетических показателей парогенератора ТГМ-96Б в зависимости от температуры загрязненного воздуха и его доли в общем объеме воздуха, подаваемого для осуществления процессов горения топлива, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчета энергетических показателей парогенератора ТГМ-96Б при работе на номинальной нагрузке

Расход загрязненного воздуха, L, м3/ч	Температура загрязненного воздуха, tв, °С	Расход дутьевого воздуха, Lв, м3/ч	Теплота воздуха Qв, кВт	Доп. затраты мощности дутьевых вентиляторов NДВ, кВт	Экономия топлива *, кг у. т./ч
1	2	3	4	5	6
95040	20	386000	998,36	11,8	127,79
308800		386000	2099,05	38,3	255,26
386000		386000	2591,00	48,0	312,85
95040	30	386000	1323,10	11,6	167,75
308800		386000	3058,09	37,5	373,28
386000	30	386000	3726,50	47,0	452,60
95040	40	386000	1594,13	11,2	201,14
308800		386000	3953,22	36,4	483,56
386000		386000	4832,76	45,6	588,90

*Примечание: Удельный расход топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии принят 0,292 кг/кВт·ч

Из табл. 2 следует, что при подаче в паровой котел ТГМ-96Б загрязненного воздуха с температурой 40єС в количестве, достаточном для осуществления процессов горения, годовая экономия условного топлива составит более 5000 т (3,2 г/кВт·ч).

Расчеты показали, что повышение температуры дутьевого воздуха оказывает несущественное влияние на температуру дымовых газов котла. Повышение температуры уходящих газов при увеличении температуры воздуха перед воздухоподогревателем на 5°С не превышает 0,5°С.

Выполнена оценка целесообразности и эффективности разработанной в диссертации технологии транспорта загрязненного городского воздуха через подземные каналы теплотрассы в топки котлоагрегатов ТЭЦ для его термического обезвреживания на примере Ульяновской ТЭЦ-1.

Экономическая эффективность реализации новой технологии обусловлена снижением расхода топлива на котлы вследствие утилизации в них нормативных тепловыделений от сетевых трубопроводов и паропроводов, расположенных в каналах теплотрассы. В тоже время необходимы дополнительные затраты электрической энергии на привод дутьевых вентиляторов для преодоления аэродинамического сопротивления подземных каналов тепловых сетей.

Максимальное количество воздуха, которое можно транспортировать через подземные каналы теплотрассы в холодный период года без их переохлаждения L_max, м³/ч, определяется по формуле

, (11)

где Q - нормативные теплопотери от сетевых трубопроводов и паропроводов, кВт (табл. 3); °С - минимально допустимая температура воздуха в канале; °С - температура воздуха наиболее холодной пятидневки в г. Ульяновске; - средняя массовая теплоемкость воздуха, кДж/(кг·°С); с - плотность воздуха, кг/м³.

Результаты расчета энергетической эффективности технологии подачи загрязненного воздуха автомагистралей через подземные каналы теплотрассы в топки котлоагрегатов Ульяновской ТЭЦ-1 представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты расчета энергетической эффективности технологии транспорта загрязненного воздуха автомагистралей через каналы теплотрассы в топки котлов УТЭЦ-1

Тип каналов теплотрасс	l*, м	S*, м2	Lmax, м3/ч	Lд*, м3/ч	Q*, кВт (Гкал/ч)	NДВ, кВт	, кг у. т./ч
непроходные	800	1,6	59285	46080	790,4 (0,68)	27,6	97,6
проходные	1000	3,3	175125	95040	2334,8 (2,01)	47,1	281,6
Итого	-	-	234410	141120	3125,2 (2,69)	74,7	379,2

*Примечание: l - длина каналов теплотрассы; S - площадь поперечного сечения канала, свободного для прохода воздуха; L_д - действительный расход воздуха, проходящий через каналы теплотрассы на утилизацию в топки котлов; Q - нормативные теплопотери изолированными трубопроводами в каналах.

Установлено, что применение новой технологии транспорта загазованного городского воздуха через подземные каналы теплотрассы дутьевыми вентиляторами в топки котлов Ульяновской ТЭЦ-1 позволяет утилизировать в котлах теплоту, выделяющуюся с поверхности теплопроводов и паропроводов. Вследствие того, что расход загрязненного воздуха меньше расхода воздуха, необходимого для горения топлива, целесообразно оставить у дутьевых вентиляторов воздуховоды забора атмосферного воздуха. Мощность, потребляемая дутьевыми вентиляторами котлоагрегатов станции, возрастет на 27,6 кВт при транспорте воздуха через непроходные каналы теплотрассы и на 47,1 кВт - через проходные каналы (табл. 3). Запас мощности двигателя одного дутьевого вентилятора ВДН-26-IIУ котла ТГМ-96Б Ульяновской ТЭЦ-1 при работе на номинальной нагрузке составляет 35 кВт (каждый парогенератор ТГМ-96Б обслуживают два дутьевых вентилятора). Годовая экономия условного топлива на энергетические котлы УТЭЦ-1 при реализации разработанной в диссертации технологии составляет более 3000 т (1,9 г/кВт·ч).

На Ульяновской ТЭЦ-1 технология транспорта загрязненного городского воздуха через подземные каналы теплотрассы и его утилизации в топках паровых котлов ТГМ-96Б принята к промышленному внедрению.

Таким образом, реализация разработанных решений на ТЭЦ и промышленных предприятиях вносит существенный вклад в решение задач как очистки вентиляционных выбросов, так и экономии топливно-энергетических ресурсов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе выполнен комплекс научно обоснованных технологических разработок, позволяющих эффективно использовать оборудование ТЭЦ и промышленных котельных для транспорта и термического обезвреживания загрязненного воздуха производственных цехов и автомагистралей городов.

Выполнено экспериментальное исследование новых технологий в промышленных условиях, в результате которого установлено:

2.1. Температура газовоздушных выбросов, отходящих от технологического оборудования, на несколько десятков градусов превышает температуру окружающей среды, что обеспечивает при их утилизации в топках котлов теплогенерирующих установок значительную экономию топлива.

2.2. Концентрация кислорода в загрязненном воздухе производственного цеха находится в пределах 20,9 %, что является достаточным для применения этого воздуха в качестве окислителя в процессах горения топлива в котлоагрегатах.

2.3. В большинстве случаев в вентиляционном воздухе содержатся вредные вещества, не предусмотренные проектом, и концентрации этих веществ превышают ПДК. Вследствие этого утилизация загрязненного воздуха в теплоэнергетической установке дает ощутимый экологический эффект.

2.4. На основании корреляционного анализа результатов промышленного эксперимента установлена взаимосвязь между параметрами вентиляционного воздуха цеха по производству линолеума и температурой пара, подаваемого в технологическое оборудование, в том числе связь между температурой пара, подаваемого в производственное оборудование, и концентрацией оксидов азота в вытяжном воздухе.

При сжигании в топках котлов ТЭЦ и промышленных котельных большинства органических соединений - загрязнителей вентиляционных выбросов достижимо их полное окисление; котлоагрегаты при использовании разработанных технологий должны работать с достаточным избытком воздуха.

Выполнено технико-экономическое исследование разработанных технологий применительно к Ульяновской ТЭЦ-1 и предприятиям Ульяновской области. Установлено, что при реализации разработанных технических решений предприятия получат значительные энергосберегающий и экономический эффекты, при этом срок окупаемости новых технологий не превышает 1 года. На ТЭЦ годовая экономия условного топлива составляет более 3000 т (1,9 г/кВт·ч) на котлоагрегат паропроизводительностью 480 т/ч.

Разработан ряд технических решений, позволяющих обеспечить надежность и экономичность технологий утилизации промышленных выбросов с помощью дутьевых вентиляторов котлов теплоэнергетических установок в различных производственных условиях. Новизна разработок защищена 25 патентами на изобретения Российской Федерации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Марченко, А.В. Резервы энергосбережения и повышения экологической эффективности в системах промышленной вентиляции [Текст] / А.В. Марченко, В.И. Шарапов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. ? 2007. ? № 3-4. - С. 58-67.

2. Марченко, А.В. Использование дутьевых вентиляторов котлов в системах вентиляции промышленных объектов [Текст] / А.В. Марченко, В.И. Шарапов // Промышленная энергетика. ? 2007. ? № 9. - С. 53-55.

3. Шарапов, В.И. Повышение эколого-энергетической эффективности систем вентиляции промышленных предприятий [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко, А.А. Артемов // Известия Академии Промышленной Экологии. ? 2005. ? № 2. - С. 30-34.

4. Шарапов, В.И. Регенерация теплоты и утилизация загрязнителей промышленных вентиляционных выбросов [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко // Инженерные системы. «АВОК Северо-Запад». Тематический выпуск «Реконструкция и эксплуатация». ? 2006. ? № 1 (26). - С. 36-41.

5. Шарапов, В.И. Обезвреживание загрязненного воздуха промышленных предприятий и городов [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко: Монография; Ульян. гос. техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 333 с.

6. Марченко, А.В. Экологические и экономические показатели усовершенствованной технологии промышленной вентиляции [Текст] / А.В. Марченко, В.И. Шарапов // Матер. докл. V Школы-семинара молод. ученых и спец. акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». - Казань: Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, 2006. - С. 409-412.

7. Марченко, А.В. Технико-экономическое исследование экологически эффективной технологии промышленной вентиляции [Текст] / А.В. Марченко, В.И. Шарапов // Матер. докл. Пятой Российской науч.-техн. конф. «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности». Том 2; Ульян. гос. техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - С. 254-262.

8. Марченко, А.В. Оценка перспектив реализации экологически и энергетически эффективных технологий вентиляции промышленных объектов [Текст] / А.В. Марченко // Сб. тр. Всероссийской науч.-техн. конф. «Наука - производство - технологии - экология» в 9 т. Том 9; Вят. гос. ун-т. - Киров: Изд-во ВятГУ, 2007. - С. 36-40.

9. Марченко, А.В. Экспериментальное исследование параметров вытяжного воздуха цеха по производству линолеума [Текст] / А.В. Марченко, А.А. Асташенков, В.И. Шарапов // Теплоэнергетика и теплоснабжение: сб. науч. тр. науч.-исслед. лаб. «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ. Выпуск 4; Ульян. гос. техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - С. 197-218.

10. Шарапов, В.И. Автомагистрали XXI века [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко // Матер. докл. II Международной науч.-практ. конф. «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье»; Белгор. гос. техн. ун-т. - Белгород: БГТУ, 2004. ? № 8. ? Часть VI.- С. 31-33.

11. Патент № 2220377 (RU) МПК⁷ F 23L 15/00. Способ работы теплогенерирующей установки [Текст] / В.И. Шарапов, В.А. Мишин, В.М. Николаев, М.И. Сагиров, А.В. Дзябченко (Марченко) - Бюллетень изобретений, 2003. ? № 36.

12. Патент № 2230992 (RU) МПК⁷ F 24D 1/00. Способ работы системы теплоснабжения [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Дзябченко (Марченко), М.И. Сагиров - Бюллетень изобретений, 2004. ? № 17.

13. Патент № 2244216 (RU) МПК⁷ F 23L 15/00. Способ работы промышленно-отопительной теплогенерирующей установки [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Дзябченко (Марченко) - Бюллетень изобретений, 2005. ? № 1.

14. Патент № 2253074 (RU) МПК⁷ F 24F 7/06. Способ работы системы вентиляции промышленного предприятия [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Дзябченко (Марченко), М.И. Сагиров - Бюллетень изобретений, 2005. ? № 15.

15. Патент № 2276757 (RU) МПК⁷ F 24F 7/06. Способ вентиляции промышленного предприятия [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко, А.А. Артемов - Бюллетень изобретений, 2006. ? № 14.

16. Патент № 2293927 (RU) МПК⁷ F 24F 7/00. Способ вентиляции промышленного предприятия [Текст] / В.И. Шарапов, А.А. Артемов, А.В. Марченко - Бюллетень изобретений, 2007. ? № 5.

17. Патент № 2293928 (RU) МПК⁷ F 24F 7/00. Способ вентиляции промышленного предприятия [Текст] / В.И. Шарапов, А.А. Артемов, А.В. Марченко - Бюллетень изобретений, 2007. ? № 5.

18. Патент № 2297576 (RU) МПК⁷ F 23L 15/00. Теплогенерирующая установка [Текст] / В.И. Шарапов, А.В. Марченко - Бюллетень изобретений, 2007. ? № 11.

19. Патент № 2309335 (RU) МПК⁷ F 24F 7/00. Способ вентиляции промышленного объекта [Текст] / В.И. Шарапов, А.А. Артемов, А.В. Марченко - Бюллетень изобретений, 2007. ? № 30.

20. Патент № 2309337 (RU) МПК⁷ F 24F 7/06. Способ вентиляции промышленного объекта [Текст] / В.И. Шарапов, А.А. Артемов, А.В. Марченко - Бюллетень изобретений, 2007. ? № 30.

Размещено на Allbest.ru

...