Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов

Беляев, Евгений Николаевич

Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Беляев, Евгений Николаевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов"

На правах рукописи

БЕЛЯЕВ Евгений Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОВЫХ ВЫБРОСОВ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДПР 20 <0

Барнаул 2010

004600895

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете

имени И.И. Ползунова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сеначин Павел Кондратьевич кандидат технических наук Кисляк Сергей Марксинович

Научный консультант:

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Саломатов Владимир Васильевич кандидат технических наук, доцент Логвиненко Владимир Васильевич

Ведущая организация:

ООО НИЦ ПО «Бийскэнергомаш» (г. Барнаул)

Защита состоится «29» апреля 2010 г. в 12-30 часов на заседании

техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ. E-mail: D21200403(fl'mail.rii, тел/факс (3852)260516.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 29 » марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Е. Свистула

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе рассматриваются некоторые проблемы использования низкосортных топлив и вторичных энергоресурсов (ВЭР) в промышленной энергетике, в том числе новые перспективные технологии сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности, проблемы разработки эффективных золоуловителей центробежного типа и эффективности утилизации ВЭР.

Актуальность работы. Общемировая тенденция к увеличению цен на углеводородные топлива подталкивает потребителей к поиску более дешевых энергоносителей и эффективных методов энергосбережения.

Среди новых угольных технологий большой интерес представляют технологии водоугольных суспензий (ВУС), возникшие в 50-60 годах прошлого века с появлением технологий гидротранспорта угля. Развитие технологий ВУС в настоящее время привело к технологиям водоугольного топлива (ВУТ) - искусственных композиционных жидких топлив (ИКЖТ) и ВУТ с навигационными схемами получения (КаВУТ). Разработке технологии получения ВУТ, предназначенного для непосредственного сжигания топке котлов малой мощности, посвящен первый раздел работы.

Несмотря на то, что процесс сжигания ВУТ довольно легко реализуется на практике, из-за присутствия радикальных реакций с участием воды, и обычно протекает эффективно, однако не достаточно полно с точки зрения выгорания углеродной массы. Известно, что сжигание ВУТ, полученного из низкосортных, например, бурых углей и отходов углеобогащения, в котлах малой мощности обычно сопровождается значительным механическим и химическим недожегом (до 10-20 %). Поэтому при сжигании ВУТ необходимым условием организации эффективной работы котла является улавливание частиц золового уноса с целью возврата в топку. Среди известных золоуловителей наиболее простыми по конструкции и надежными в эксплуатации являются золоуловители центробежного типа с взаимодействующими закрученными двухфазными потоками. Совершенствованию золоуловителей этого типа посвящен второй раздел работы.

В настоящее время проблемы энергоэффективности и энергосбережения приобретают характер планетарного масштаба, в связи с набирающими ускорение процессами глобального потепления, вызванными, в том числе, антропогенными выбросами в атмосферу парниковых газов, которые образуются при сжигании различных видов топлив при производстве тепловой и электрической энергии. Поэтому оптимизация и снижение энергопотребления развитыми странами, включая Россию, является насущной проблемой. Среди энергосберегающих технологий важное место имеют технологии утилизации тепловой энергии. Утилизация тепла сбросных газов в котлах малой мощности и в различных технологических процессах является энергоэффективным мероприятием, способным принести весомый экономический и экологический эффект. Технико-экономической оценке эффективности утилизации тепловых выбросов посвящен третий раздел работы.

Таким образом, основной целью работы является развитие технологий производства и сжигания ВУТ, полученных из низкосортных топлив, в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов.

• Разработка технологии получения и сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

• Исследование и совершенствование золоуловителей центробежного типа для возврата уносов.

• Технико-экономическая оценка эффективности утилизации сбросной теплоты в котлах малой мощности и других объектах.

Для достижения этих целей решались следующие задачи.

• Анализ существующих технологий получения и сжигания водо-угольного топлива и проведение исследований по их совершенствованию.

• Разработка устройства для получения водоугольного топлива, обладающего комбинированными свойствами, для котлов малой мощности.

• Исследование аэродинамики двухфазного потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного типа.

• Разработка экономико-математической модели и методики технико-экономической оценки эффективности рекуператоров сбросной теплоты в многоступенчатых схемах утилизации.

и9\/ииОСЗ иЛОЫОиЭ ^ппплм/ршю г>т тплгчтшт тд ттп ^оппгглЛ

• а■ |«и■ иммпиим ишииушмшу ^1 г^ у.

• Форкамерная горелка-диспергатор для получения и непосредственного сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

• Результаты исследования аэродинамики потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного типа.

Практическая значимость.

• Разработана конструкция и технология изготовления форкамер-ной горелки-диспергатора для получения и сжигания ВУТ.

• Разработан золоуловитель центробежного типа с взаимодействующими потоками компактной конструкции, обладающий высокой эффективностью улавливания.

• Разработана методика технико-экономической оценки эффективности рекуператоров сбросной теплоты в многоступенчатых схемах утилизации и обобщен опыт соискателя по внедрению технологий утилизации ВЭР на промышленных предприятиях.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных данных и современных мировых достижений в рассматриваемой области, проведением модельных и натурных исследований с применением современных экспериментальных методов.

в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2007), II Всероссийской научно-техн. конф. «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2007), II Всероссийской научно-практ. конф. с междунар. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики - ЭЭТПЭ-2008» (Барнаул, 2008), Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009), 67-й научно-техн. конф. студентов, аспирантов и проф.-преп. состава АлтГТУ (Барнаул, 2009), VI-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (Барнаул, 2009).

Получен диплом лауреата конкурса 2009 года по энергетике и энергосбережению Ассоциации городов Сибири и Дальнего Востока за коммерческий проект «Комплекс машин и технология для производства водоугольного топлива».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК, 3 статьи в периодических изданиях и тематических сборниках, 5 докладов и 2 тезиса докладов на конференциях различного уровня, 2 публикации в Интернет-ресурсах, 2 патента и учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 192 страницы, 114 рисунков, 34 таблицы и 93 цитированных источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показаны ее научное и практическое значения, изложены основные положения, выносимые на защиту. 1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ И ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

В конце XX века технологии водоугольного топлива (ВУТ) наибольшее распространение получили в Японии, Китае и России (рисунок 1). Основными аппаратами по производству ВУТ в традиционных технологиях являются шаровые барабанные мельницы (ШБМ) или стержневые мельницы мокрого помола, имеющие высокие показатели металлоемкости и низкий энергетический КПД на единицу продукции (90-250 кВтч/т и более).

Полученное традиционной технологией ВУТ есть двухфазная водно-дисперсная система со средним размером угольных частиц 50-100 мкм. Получение более мелкодисперсных частиц путем размола угля связано с большими энергетическими затратами. Основной недостаток ВУТ - низкая стабильность (устойчивость), обычно не превышающая одного-двух месяцев, из-за недостаточной прочности системы «жидкость-твердая фаза», даже при наличии фиксирующих добавок - пластификаторов в количестве 1-3 %.

Рисунок 1 -Производство ВУТ в различных странах (тыс. тонн) в 1983-1995 гг.

Рисунок 2 -

Принципиальная схема технологической линии производства ИКЖТ Российской компании ЗАО «Компомаш-ТЭК»:

1- угольный бункер;

2- питатель-дозатор;

3- дробилка; 4- дисперга-тор; 5- миксер; 6- кавитатор;

7- буферный бак;

8- бак готового ИКЖТ. А-уголь; В- вода; С- технологические добавки

С целью повышения устойчивости ВУТ в настоящее время используют методы механоактивации компонентов смеси на специальных аппаратах (ка-витаторах). С помощью этой технологии может быть получено активированное топливо - ИКЖТ и КаВУТ со сроком хранения более года (рисунок 2).

При такой технологии получается значительное количество частиц ультрадисперсной фракции 5-10 мкм. По данным компании ЗАО «Компомаш-ТЭК» имеем тонкость дисперсной фракции порядка 1 -3 мкм и меньше. Энергопотребление в кавитаторах при помоле углей порядка 10 кВтч/т, то есть дезынтеграторы являются менее энергоемкими машинами.

В современных технологиях производства ВУТ обращает на себя внимание большой удельный износ металла кавитаторов ¿'=0,117 кг/т. Такой большой износ вызван тем, что в обычно применяемых схемах кавитатор нагружен несвойственной ему функцией размола твердых частиц с твердостью 4-5 единиц по шкале Мооса, в то время как кавитатор в схеме нужен, в первую очередь, для образования физико-химической топливной системы. Более рационально вместо дробленки с размерами частиц до 7 мм и воды на вход кавитаторов подавать смесь из тонкодисперсной угольной пыли 10-500 мкм и воды. Такой подход применен в установках ЗАО НПО «Сибэкотехника» (г. Новокузнецк).

Кавитатор, в сущности являющийся кавитационным насосом, работает следующим образом. В результате механических эффектов, обусловленных быстрым вращением ротора специальной конструкции в жидкой среде обра-

1580 1600

1600 Г"

1400

1200'

1000

800

600 400

400 2С0 П 300

200 0 30 п 100 о 1 1......1 ^

* ^ 4Р ч* ^ # # 5 ^ ^

сЕГ 8 -м-*

зуется множество мелких газовых пузырьков (паров жидкости), которые являются неустойчивыми состояниями системы и по истечению некоторого времени индукции исчезают (схлапываются) с образованием в жидкости ударных волн высокого давления. Последние воздействуют на взвешанные в жидкости (воде) угольные частицы, разрушают их и электризуют - наводят на них заряд статического электричества, вызванный трением и разрушением частиц. При этом происходит механоактивация как жидкой, так и твердой фазы топлива, которая, по-видимому, заключается в образовании двойного электрического слоя на поверхности частиц твердой фазы, являющейся диэлектриком. Второй электрический слой состоит из диполей жидкой фазы, которые образуют сложные конгломераты. Таким образом, около каждой частицы угля существует мощное дипольное окружение из жидкой фазы, причем эти диполи, возможно, образуют длинные цепи. В результате наличия сил отталкивания одноименных зарядов ВУТ становится устойчивым, не расслаивается, сохраняя реологические свойства в течение длительного времени.

Совместно с ООО «Радекс» (г. Барнаул) соискателем были проведены испытания оборудования по приготовлению ВУТ без использования пластификаторов и промежуточных емкостей перекачивания. В этой технологической схеме, в основном, подобной традиционным, после предварительного измельчения ВУС попадала в замкнутый контур (рисунок 2, элементы 5, 6 и 7) с кавитатором-диспергатором и буферной накопительной емкостью, га которой периодически производился отбор готового продукта. За основной экспериментальный параметр было принято количество проходов через кави-татор-диспергатор (кавитационный насос) системы «Петракова». В результате исследований были получены суспензии ВУТ высокой стабильности.

Размер частиц определяли ситовым методом. Данные представлены в виде распределения дифференциального остатка, который аналогичен плотности функции распределения массы частиц по размерам (рисунок 3). Последние восемь проходов были усреднены и обработаны с помощью распределения Розина-Раммлера-Беннета (рисунок 4).

По результатам экспериментов принципиально неожида1шым результатом было выделение метана при длительном (более полугода) хранении ВУТ в закрытой емкости. Газ определяли на хроматографе ЛХМ-80 [54-56]. Пробу отбирали шприцом непосредственно из бутылки через пробку (получено содержание метана 9% об.). В таблице 1 приведены результаты термогравиметрического анализа приборе В-70 фирмы Яе1егат (скорость нагрева и'гап1=10°С/мин; максимальная температура ?тах=1037°С; вес навески РШт=35,2 мг). На кривой потери массы можно выделить несколько участков.

1) Температура от ?1=46°С до г2=Ю8°С. Потеря массы (А/>1=8,Змг -23,5%) связана с испарение не связанной с наполнителем воды.

2) Температура от ¿2=Ю8°С до /3=192°С. Потеря массы (А/,2=2,6мг -7,3%) связана с испарением и десорбцией сорбированной воды (химически и физически связанной на поверхности частиц наполнителя).

3) Температура от /3=192°С до /4=362°С. Потери массы нет.

4) Температура от /4-362°С до ?5=553°С. Интенсивная потеря массы (А/>з=5,4мг - 15,2%) связана с окислением материала наполнителя.

5) Температура от /5=5530С до ?тах=1037°С. Скорость окисления наполнителя уменьшается до полного выгорания углерода (ЛРи=8,8мг - 24,9 %).

После окончания эксперимента вес несгораемого остатка Рост=10,1 мг и составлял 28,6% от исходного веса навески. Цвет остатка светло-красный. Параллельно с термогравиометрией навески образца № 8 прокаливались в муфельной печи при температуре 700°С в течение 4-х часов.

Остаток на сите К, %

ч -

—

ч N

-о-1 ГфОХОД

-о-2 гроход -й-3 гроход -х- А гроход -ж-5 гроход -о- 6 проход -+-7 проход

— 8 гроход

— 9 проход -о-10 гроход

О 100 200 300 400 500 600 700 й, мкм

Рисунок 3 - Распределение дифференциального остатка на сите

|.д(1.д|100/Я)|

1 1,25 1.5 1.75

2,25 2,5 2.75

иц<>)

Рисунок 4 - Результаты ситового анализа в двойной логарифмической системе координат

Таблица 1 - Данные термогравиометрического анализа

№ СС Р, мг ДР, мг ДР, %

0 20 35,2 0 0

1 46 35,2 0 0

2 108 26,9 8,3 23,6

3 192 24,3 2,6 7,4

4 362 24,3 0 0

5 553 18,9 5,4 15,3

тах 1037 10,1 8,8 25,0

Несгоревший остаток представлял собой однородный светло-красный порошок. Вес остатка РЖТ=Ъ,5 г и составляет 35% от исходной навески. Полученные несгораемые остатки анализировались рентгеновским микроанализатором с дисперсией по энергии фирмы 1лпк-860 серия II. Несгораемый остаток содержал следующие элементы: 57 (51-63 %), 51 (1,7-2,5 %), Са (12,916,5 %), К (9,5-15,3 %), Лг (13,1 -16,0 %).

Поскольку существующие технологии получения ВУТ достаточно сложны, в некоторых случаях, а именно при непосредственном сжигании приготовленного ВУТ, можно значительно упростить технологический процесс, который будем проводить в два этапа. На первом этапе сырой уголь после дробления измельчается на барабанной шаровой, стержневой или другой мельнице (сухого или мокрого помола) до среднего размера частиц по-

рядка 500 мкм (но не более 13-тн мм). На втором этапе измельченный уголь смешивается с водой, дополнительно размалывается и распыливается с помощью устройства, которое можно назвать форкамерной горелкой-диспергатором. На рисунке 5 приведены продольный и поперечный разрезы устройства. Устройство для приготовления водоугольной топливной смеси, содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2. В корпусе 1, на торцевой части вала 3 электродвигателя (на рисунке 5 не показан), установлена рабочая камера с возможностью вращения вокруг центральной оси. Она образована закрепленными на её днище 4, выполненном в виде диска, кольцевой перфорированной ситовой вставкой 5, установленной на опорном колесе 6, и разделена на внутреннюю и внешнюю полости перфорированной обечайкой 7, расположенной коаксиально ситовой вставке 5.

На внешней стороне крышки 2 установлены штуцеры 11 и 12 для подвода в рабочую камеру воды и/или пара На внутренней стороне крышки 2 закреплены отбойники-завихрители 13 с прижимными элементами 14, расположенные во внешней полости рабочей камеры, и отбойные элементы 15, расположенные во внутренней полости рабочей камеры. Отводной патрубок 16 готовой топливной смеси тангенциально подсоединен к корпусу 1 и снабжен патрубком 17 подвода газообразного окислителя (дутьевого воздуха). К выходу узла отвода 16 подсоединен вихревой распылитель топливной смеси с формирователем факела 18. Устройство может содержать металлоулавлива-тель 19, установленный в узле загрузки 8.

Исходный материал - уголь в виде смеси пыли и крошки или ВУС, с добавлением при необходимости нефтепродуктов или других добавок, подают через узел загрузки 8 во внутреннюю полость рабочей камеры, которая приводится во вращение посредством вала 3 электродвигателя. Одновременно через штуцер 11 туда же подают жидкую фазу - воду и/или через штуцер 12 -горячий пар.

При вращении цилиндрической рабочей камеры компоненты смеси, поступившие во внутреннюю полость рабочей камеры, перемешиваются под действием центробежных сил, образуя смесь. Смесь прижимается к внутренней стенке перфорированной обечайки 7 и распределяется по ней, при этом она тормозится отбойными элементами 15, образуя вихревой поток, обеспечивающий интенсивное перемешивание и аэрирование. По мере достижения частицами смеси размера менее перфорации обечайки 7 она выводится (выдавливается) через перфорацшо во внешнюю полость рабочей камеры, где происходит тонкое измельчение частиц.

При создании опытных образцов устройства возникла необходимость в разработке технологии изготовления (метода механической обработки отверстий ротора для уменьшения абразивного износа), что отражено в диссертации и соответствующих публикациях по теме работы [3-7].

Рисунок 5 - Форкамерная горелка-дислергатор для получения и сжигания ВУТ

На базе ООО «ВАГА» совместно с ЗАО ПО «Бийскэнергомаш» при участии соискателя были проведены испытания опытно-промышленного образца РСМ.Ф-0,5 (горелки-диспергатора) - диспергирующего распыляющего устройства на экспериментальной установке - стенде (рисунок 6).

Согласно литературным данным, форма кривой для исходного угля, ко-ТОрйЯ liMSST МШШМуМ II IIS imlvST ЯрКО БЫриЖСННЫХ МаКСИМуМОВ, СООТБСТСТБу-ет продуктам измельчения на щековой дробилке.

Форма кривой измельченного продукта - левосторонне асимметричная кривая - соответствует полутонкому помолу в дезинтеграторах, шаровых и трубчатых мельницах. Результаты гранулометрического ситового анализа представлены на рисунке 7. После проведения соответствующих вычислений, получаем значения параметров распределения С = - 3,97; а = 1,49; <5е = 262 мкм. Кроме характерного размера <5е часто пользуются характерным размером частиц ¿so- Построив распределение интегрального остатка на ситах К(Б) (рисунок 8), получим ¿so = 160 мкм. Структура угольных частиц определялась на растровом микроскопе типа JSM-840.

Как следует из полученных результатов испытаний при заданных параметрах настройки внутренней конфигурации рабочих элементов (ситовая обечайка с продольной перфорацией в 0,5 мм и углах наклона завихрителей в 15° и 90° соответственно) устройство устойчиво работало с производительностью 0,3 т/ч при размере измельчённых частиц угля < 90 мкм (при исходном размере <13 мм) и при удельных затратах 25 кВт.ч/т. После наработки 100 часов (с перерывами) с производством и сжиганием ВУТ из бурого угля го-релка-диспергатор была разобрана для осмотра, при этом на ней не было обнаружено существенных повреждений рабочих поверхностей.

Испытания показали, что предложенное устройство позволяет одновременно измельчать исходный уголь, производить ВУТ и распылять её в топку котла с помощью воздуха, подаваемого в заданной стехиометрии. Установка

может быть рекомендована для применения в системах углеподготовки и сжигания угольной топливной смеси в виде ВУТ в котлах малой мощности. Основные технические характеристики форкамерной горелки-диспергатора (типа ФГР-В) приведены в таблице 2.

Вид АН!

I : < г- -

& :

Рисунок 6 -

Установка для сжигания водо-угольной смеси: вверху - вид сбоку; внизу - фронтальный вид

Дифференциальный ситовой остаток, */•

750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Размер чаетмц, мкм

Рисунок 7 -

диаграмма распределения частиц угля по размерам

|_д(1_д(100/Г7 )>

1,5 1,75 2 2,25 2.5 2,75 3

1-в('<>

Рисунок 8 -

Распределение интегрального остатка в двойной логарифмической сетке координат

Таблица 2 - Основные технические характеристики ФГР-В

Расход воздуха, мЗ/ч 1000

Давление воздуха в коллекторах:

- концентраторах - камер I и II ступеней, мм. вод. ст. 250

- вихревого кольцевого распылителя, МПа 0,1-0,15

Расход энергоносителя (жидкого топлива), кг/ч ДО 20

Расход топливной смеси, т/ч 1,5

Габариты, м 0,5x0,5x1,0

Вес, кг 250

2 РАЗРАБОТКА ЗОЛОУЛОВИТЕЛЕИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

Одним из методов исследований в области теплоэнергетики является экспериментальное изотермическое моделирование аэродинамики двухфазных потоков в камере сгорания (топке) котла или другом его элементе. Моделирование аэродинамики проводилось по следующим критериям подобия:

А = Ъ = = //, (1)

Ьр] V V

где ж и Ь — абсолютная скорость и характерный размер потока; р, и V- плотность и кинематическая вязкость среды; р2 и <5- плотность и диаметр частицы; g- ускорение силы тяжести; ¡л- концентрация частиц в жидкости или газе.

Система описывает движение монодисперсного потока, но мы имеем дело с полидисперсными материалами. Поэтому обозначим через М с соответствующим индексом отношение сходных величин в модели и объекте:

М, =

_ ьмод

м =

ит.д.

(2)

об п'м

При автомоделыюсти газового потока, равенстве концентраций частиц объекта и модели Ми = 1 из условия равенства критериев А, Не' и Рг получим три уравнения для определения масштабов модели (с учетом, что /ъ » Р\)'-

Ма М5 Р 2 °0 _ |

Ми

= 1,

м,

■ = 1.

(3)

'у "Ч

В эти три уравнения входят шесть масштабов - три из них выбираем произвольно. При изотермическом моделировании на воздухе масштабы параметров газа М

р и Му заданы, тогда остальные масштабы определятся Л2/з г .. Л"'/3

М,

м,,мР2

М8л =

Р\

Рг

'МуМР2 4

и»

Р\

1/3

откуда для топочных газов получим масштабы моделирования

м,. = 0,317(мрг }!ъ , мб[> = 0,607^ )-'/3 , Мк = 0,56з(л/я2 )'/3 . (4)

Проведены исследования аэродинамики потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного тина.

Золоуловителей с тангенциальным входом (сечение 300><600мм и высотой - 600мм), содержащий две ячейки: без вытеснителей потока; с вытеснителями потока; с раскруткой выходящего потока; с взаимодействием закрученных входящих потоков. Золоуловителей с осевыми закручивателями потока: с карманным закручивателем; с безударным закручивателем лопаточного типа; с плоским закручивателем лопаточного типа; с упрощенной конструщией карманного закручивателя; с несимметричным вводом потока и уменьшенным числом каналов вывода.

Характеристики и основные параметры наиболее эффективной и компактной конструкции центробежного золоуловителя приведены в выводах по работе. Моделирование проводилось на двух материалах: кварцевом песке, имеющим большой размер частиц (д50 =200 мкм), и золовом уносе (351, =30-60 мкм), имеющем меньшую плотность частиц. Поле скоростей потока измерялось пневмометрическими зондами. Кроме трубки Прандтля в опытах использовалась трубка ВТИ диаметром 16 мм, позволявшая регистрировать динамический напор в двух направлениях без перестановки самой трубки.

Исследование аэродинамики и эффективности улавливания дают представление о характере движения запыленного потока в разработанном уловителе, который сводится к следующему.

Пройдя направляющий аппарат, запыленный поток приобретает вращательное движете, центр которого совпадает с осями выхлопных труб уловителя. Установка вытеснителей потока увеличивает скорость его закрутки. Вращающийся поток одновременно обладает опускным движением. У дна уловителя опускное движение потока сменяется подъемным, которое происходит по внешней поверхности выхлопных труб до входа в них. Частицы, вошедшие с потоком воздуха, силами инерции отбрасываются к стенкам уловителя. Часть из них попадает во входные щели улавливающих карманов. Внутри карманов наблюдается образование вторичных вихревых потоков. За счет этого некоторые частицы теряют скорость и оседают. Другие частицы проскакивают через улавливающие карманы в выходные щели и вновь попадают в поток. Наибольшее количество частиц скапливается в придонной области (50 мм) уловителя. В этой области и происходит наиболее интенсивная сепарация частиц в улавливающих карманах. Во вращающихся потоках происходит интенсивный обмен частицами. Это проявляется в том, что когда материал вводится в одну из ячеек, он сразу же перераспределяется между двумя ячейками, причем довольно равномерно. Это обстоятельство делает устойчивым такой уловитель к неравномерной запыленности на входе, в отличие от изолированных друг от друга циклонных элементов. Кроме того взаимодействие закрученных потоков увеличивает эффективность устройства. Испытанный уловитель является сложной аэродинамической системой. Это проявилось в нетривиальной зависимости сопротивления и эффективности улавливания ;/ от величины заглубления выхлопных труб а и скорости потока wcp. В общем случае зависимости давления от скорости оказались неквадратичными. Характер сепарации частиц сильно зависит от фракционного состава материала.

Имеется возможность значительно понизить сопротивление уловителя путем установки в выхлопные трубы раскручивающих устройств. Однако это приводит к снижению эффективности улавливания.

По результатам испытаний одинаково эффективны как тангенциальный, так и осевой вход. Среди осевых направляющих аппаратов предпочтете следует отдать карманному закручивателю потока, так как он имеет наименьшее сопротивление при той же эффективности. Кроме того, он более простой в изготовлении, и характеристики уловителя практически не изменяются при модификации входных карманов закручивателя.

Взаимодействие закрученных потоков приводит не только к перераспределению частиц, но и выравниванию скорости потоков. Экспериментально проверена возможность вывода материала из одного улавливающего кармана. Это позволяет значительно сократить число выводящих устройств.

Разработанный уловитель имеет эффективность, достаточную для улавливания частиц, образующихся при сжигании ВУТ, и может устанавливаться до низкотемпературных поверхностей нагрева в силу своей компактности и небольшого аэродинамического сопротивления (таблица 3).

Таблица 3 - Геометрические и аэродинамические характеристики циклонов

Марка циклона Отношение высоты к поперечному размеру H/D Коэффициент сопротивления при скорости 3 м/с

Циклоны ВЦНИИОТ 5 -

Циклон ОЭКДМ 2,95 -

Циклон СНОТ 2,85 -

Циклон ЦКТИ 2,8 -

Циклон ЦН11-ЦН24 3,31-4,56 -

ЦН-11 - 250

ЦН-15 - 163

ЦН-15У - 170

СДК-ЦН-33 - 600

СК-ЦН-34 - 1150

СК-ЦН-34М - 2800

Прямоточный циклон ЦКТИ 1,67 -

Циклон Меркушева 4,62 -

Разработанный уловитель центробежного типа 1,5-2,0 180-220

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

Приблизительно половина всей тепловой и электрической энергии, расходуемой в промышленности, выбрасывается в виде отходящего тепла в воздушный и водный бассейны. По ценности отходящая энергия может классифицироваться применительно к трем диапазонам: высокотемпературный -выше 650°С; среднетемпературный - 230-650°С; низкотемпературный - менее 230°С. Высокотемпературное и среднетемпературное отходящее тепло используется для производства технологического пара, выработки электроэнергии, сушки, подогрева воздуха, подаваемого в горелки или для ответственных технологических нужд. Низкотемпературное тепло может быть использовано для отопления зданий, подогрева воды и воздуха.

Экономико-математическая модель и алгоритм расчета эффективности рекуперативного утилизатора сбросной теплоты в многоступенчатых схемах утилизации. Основные положения модели состоят в следующем.

1. Вводятся исходные данные для года начала проекта: инфляция, процент кредита, налоговая ставка, заемные инвестиции, срок службы объекта.

2. Вводятся исходные данные для первого года начала эксплуатации объекта: инфляция, процент кредита, налоговая ставка, тариф на тепловую энергию, норматив амортизационных отчислений, численность дополнительного штата, средняя зарплата одного работника, цена топлива, удельный расход топлива, мощность оборудования и число часов его использования.

3. Рассчитывается количество и стоимость произведенной за год тепловой энергии.

4. Рассчитывается эксплуатационные затраты на топливо и дополнительные штаты.

5. Рассчитывается налогооблагаемая прибыль.

6. Рассчитывается балансовая прибыль.

7. Рассчитывается чистая бухгалтерская прибыль при условии максимально короткого срока выплаты кредита (вся прибыль после трех лет с начала проекта направляется на выплату кредита для скорейшего его погашения).

8. Вводятся исходные данные для каждого последующего года эксплуатации объекта вплоть до окончания срока службы: тариф на тепловую и электрическую энергию; средняя зарплата работника штатного персонала; цена топлива (с учетом инфляции); удельный расход топлива; индекс инфляции; процентная кредитная ставка; процентная налоговая ставка; норматив амортизационных отчислений; численность штатов дополнительного персонала.

9. Рассчитывается коэффициент дисконтирования, выплата кредита с нарастающим итогом, чистая бухгалтерская прибыль с нарастающим итогом для каждого года эксплуатации объекта.

10.Рассчитывается срок окупаемости проекта, внутренняя норма прибыли и рентабельность.

Рассмотрим последовательную многоступенчатую (двухступенчатую) схему рекуператора сбросной теплоты (рисунок 9).

Рисунок 9 - Расчетная схема двухступенчатого рекуператора:

Л- высокотемпературная ступень; В- низкотемпературная ступень

Для оптимального разбиения утилизатора по ступеням рекуперации используется следующее условие минимизации функционала

Ф = ЦСкРк =CaFa + CßFß = min, (5)

где С/( - удельные стоимости поверхностей нагрева первой (СА , площадью FÄ) и второй (Сц, площадью FB) ступеней утилизатора.

Экономико-математическая модель, кроме (5), включает: - уравнения теплового баланса, теплопередачи (в виде формул для площади поверхностей) и температурных напоров для каждой ступени утилизатора

Qa ={J*a\ -Ai^a =cG{t*A1-tA\), (6)

QB={J*B\-JB2)rlA=cG(tB2-tBX), (7)

FA=QABp/(kAЛ'Т), (8)

FB=QBBp/(kBAtf), (9)

к. -

{А2)~(вА2 ~1А\)

1п

■ ч\

1вВ\ ~1В\)

1п

влу * ~'А2

вА2 ~*Л\

~1В2

вВ2 -/Й1

(10)

(11)

Здесь О- тепловосприятие рекуператора, кДж/кг (топлива); в- температура греющих газов, °С; /- температура нагреваемого теплоносителя, °С; ц- коэффициент сохранения теплоты рекуператора; J- энтальпия греющих газов, кДж/кг (топлива); с- удельная теплоемкость нагреваемого теплоносителя, кДж/(кг-К); (?- массовый расход нагреваемого теплоносителя, кг/с (звездочкой отмечены величины, имеющие технологические ограничения).

Дополнительно в модель входят экономико-математические условия (неравенства и равенства)

ЧДС = П-К> 0, (12)

п = Iя/

1 + 1

1 + г

К-

Цл11^!

(13)

(14)

Здесь Пг номинальная (в ценах базового периода) прибыль от инвестиций, получаемая в у'-м году; /■- номинальная годовая процентная ставка; /'- годовая степень инфляции; К- размер инвестиций в ценах базового периода; ЧДС- чистая дисконтированная стоимость проекта утилизации.

В модели используются, полученные в работе, эмпирические зависимости (точность аппроксимации Я2 =0,93-0,99)

Сстш = 23670/,'-0,3464 ^

С7г =15420^:°'2934,

сг= 682,7^°'2178

(15)

(16) (17)

и интерполяционная формула для скорости сернокислой коррозии поверхностей нагрева стальных утилизаторов (18)

<?кор = "3,73• ю-10/6 + 2,45 • 10~7/5 - 6,52 ю-5/4 + 0,00898/3

- 0,672/ +25,8/-396

Для расчета срока окупаемости г проекта используется уравнение

1+/

= К.

(19)

На основе модели (5)-(18) разработана программа (численное Ехсе1-приложение) «Инвестиции в утилизацию ВЭР».

Из приведеншк в работе расчетных данных следует, что по удельной стоимости преимущество имеют калориферы, кроме того, они наиболее ком-

пактны. Единственной проблемой этих утилизаторов является ограничение по максимальной температуре (180-190°С) и недолговечность из-за возможной сернокислой коррозии. С технической точки зрения наиболее важно выполнить анализ второй низкотемпературной ступени утилизатора, так как данная ступень работает в наиболее тяжелых условиях, связанных, прежде всего, с низким температурным напором.

Далее в работе обобщен опыт соискателя по внедрения технологий утилизации ВЭР (сбросной теплоты и АБгазов) на различных промышленных предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Анализ существующих технологий получения водоугольного топлива показал, что, несмотря на ряд имеющихся эффективных технологий, в настоящее время отсутствуют простые комбинированные схемы и устройства производства и сжигания ВУТ. Получены новые данные о методах производства и свойствах ВУТ с высокой стабильностью водоугольной суспензии.

2 Разработана конструкция и технология изготовления форкамерной го-релки-диспергатора для получения и распыливания ВУТ и проведены исследования по его опытному сжиганию, показавшие эффективность устройства.

3. Проведены исследования аэродинамики потока и эффективности улавливания золоуловителей центробежного типа (с тангенциальным входом и с осевыми закручивателями потока). Для прямоточного уловителя с вертикальным входом фракционная эффективность улавливания составила: для мелких частиц (650 = 30 мкм) были получены следующие значения эффективности: 52,0 % - уловитель с тангенциальным входом; 45,5 % - уловитель с упрощенным карманным закручивателем; 42,1 % - уловитель с лопаточным безударным закручивателем).

4. Определены основные параметры наиболее эффективной и компактной конструкции центробежного золоуловителя:

- отношение ширины ячейки к ее высоте с/Ь=0,5;

- отношение диаметра выхлопных труб к ширине ячейки с1/с=0,6;

- отношение заглубления выхлопных труб к их диаметру аМ=1,1;

- отношение входного сечения к сечению уловителя при тангенциальном входе 8вх/8/л=0,2;

- отношение выходного сечения карманов закручивателя к сечению уловителя 8вых/8уп=0,27;

- отношение выходного сечения карманов к их входному сечению =0,77-0,80.

5. Разработаны методика технико-экономического анализа, экономико-математическая модель и программное приложение для расчета эффективности многоступенчатых рекуперативных утилизаторов теплоты.

6. Обобщен опыт соискателя по внедрению технологий утилизации ВЭР на ряде промышленных предприятий России.

Результаты исследования были использованы:

• при разработке проекта утилизации уходящих газов кузнечной печи Барнаульского завода механических прессов;

• при разработка проекта утилизации тепловых выбросов сушильной печи предприятия ООО «СибТрансСтрой» (г. Новоалтайск, Алтайского края);

• при проектировании и проведении пуско-наладочных работ по сжиганию АБгазов на котельной Сафоновского битумного завода (г. Сафоново, Смоленской обл.).

Основные результаты опубликованы в работах: статьи в изданиях, рекомендованных ВАК -

1. Беляев, E.H. Исследование модели прямоточного батарейного циклона со взаимодействующими потоками / E.H. Беляев, С.М Кисляк II Ползунов-ский вестник,- 2009,- № 1-2.- С. 293-297.

публикации в других изданиях -

2. Беляев, E.H. Возможности и перспективы применения водоугольного топлива / E.H. Беляев, Г.М. Фокин, М.А. Шарапов, П.К. Сеначин // III Семинар вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике: Тезисы докладов / Ин-т теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН, АлтГТУ им. И.И.Ползунова, г.Барнаул, 18-20 сентября 2003 г.- Новосибирск: ИТ СО РАН, 2003. С. 54.

3. Беляев, В.Н. Управление отклонением формы поверхности деталей накатыванием / В.Н. Беляев, E.H. Беляев, А.М.Фирсов, А.Ф. Шатохин // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе / Материалы 5-ой Всерос. научно-техн. конф.- Новосибирск, 28 марта 2007 г.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007,- С. 17-20.

4. Беккер, Д.В. Разработка комбинированного инструмента для обеспечения качества обрабатываемых отверстий / Д.В. Беккер, В.Н. Беляев, E.H. Беляев, A.M. Фирсов II Управление качеством образования, продукции и окружающей среды / Материалы 2-ой Всерос. научно-техн. конф - Бийск, 5-6 июля 2007 г.- Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2007,- С. 171-172.

5. Фирсов, A.M. Обработка отверстий раскатыванием / A.M. Фирсов, В.Н. Беляев, E.H. Беляев II Обработка металлов- 2007.- № 1 (34).- С. 16-17.

6. Беккер, A.B. Инструмент для совмещенного резания и поверхностного пластического деформирования I A.B. Беккер, В.Н. Беляев, E.H. Беляев, A.M. Фирсов // Патент на полезную модель РФ № 66264, 10.09.2007, МПК В24В39/02.

7. Беляев, E.H. Способ комбинированной обработки деталей / E.H. Беляев, В.Н. Беляев // Патент на изобретение РФ № 2355826, 20.05.2009, МПК C25D5/22.

8. Беляев, E.H. Технологии производства и сжигания водоугольного топлива I E.H. Беляев, С.М. Кисляк, П.К. Сеначин И Проблемы совершенствования энергетических установок: Сб. статей / Под ред. A.A. Мельберт / Российский союз научных и инженерных организаций, АлтГТУ им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008,- С. 95-99.

9. Беляев, E.H. К оценке эффективности утилизации теплоты сушильной камеры ООО «СибТрансСтрой» / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, П.К. Сеначин, М.Ю Хлутчин. II Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008): Матер. II Всерос. научно-практ. конф. с междунар.

участием /1-4 октября 2008, АлтГТУ им. И.И.Ползунова, г. Барнаул. - Барнаул: ОАО «Алтайский Дом печати», 2008,- С. 183-185.

10. Беляев, E.H. Утилизация тепла уходящих АБ-газов с выработкой насыщенного пара / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, П.К. Сеначин // Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008): Матер. II Всерос. научно-практ. конф. с междунар. участием / 1-4 октября 2008, АлтГТУ им. И.И.Ползунова, г. Барнаул. - Барнаул: ОАО «Алтайский Дом печати»,

2008,- С. 304-307.

11. Беляев, E.H. Мельница-горелка для сжигания дисперсного топлива в котлах малой мощности / E.H. Беляев, E.H. Жирнов, С.М. Кисляк// Всероссийский семинар кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике: Тезисы докладов / Ин-т теплофизики СО РАН, Сибирский Федеральный ун-т, 13-15 мая

2009, г. Красноярск,- Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2009.- С. 12.

12. Беляев, E.H. Технология сжигания водоугольного топлива и ее современное использование / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, П.К. Сеначин // Научное творчество студентов и сотрудников Автотранспортного факультета: Сборник тезисов и докл. 67-й научно-техн. конф. студентов, аспирантов и проф.-преп. состава АлтГТУ. Ч. 2,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009.- С. 37-41.

13. Беляев, E.H. Особенности сжигания водоугольного топлива в котлах небольшой мощности / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, А.П. Наумов // Vl-я Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», 23-24 апреля 2009. Сборник тезисов докладов. Изд-во АлтГТУ, г. Барнаул (электронное издание).

14. Беляев, E.H. Основные технические решения по утилизации теплоты отходящих газов нагревательной печи кузнечного цеха / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, А.П. Наумов // Vl-я Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», 23-24 апреля 2009. Сборник тезисов докладов. Изд-во АлтГТУ, г. Барнаул (электронное издание).

15. Беляев, E.H. Выбор условий и масштабов физического моделирования аэродинамики прямоточного батарейного циклона / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, Е.М. Пузырев, П.К. Сеначин // Проблемы совершенствования энергетических установок: Сб. статей / Под ред. А.Л. Новоселова / Российский союз научных и инженерных организаций, АлтГТУ им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010,- С. 4-8.

16. Беляев, E.H. Эффективность утилизации вторичных энергетических ресурсов: Учебное пособие / E.H. Беляев, С.М. Кисляк, П.К. Сеначин; под ред. П.К. Сеначина / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010,- 80 с.

Подписано в печать 29.03.2010. Формат 60*84 1/16. Печать - цифровая.

Усл.п.л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 154/2010. Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензия на полиграфическую деятельность № 28-35 от 15.07.97.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Беляев, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

1.1 Общая характеристика процессов сжигания углей и ВУТ

1.2 Существующие способы и технологии получения водоугольного топлива

1.3 Технология получения водоугольного топлива

1.4 Форкамерная горелка-диспергатор для получения и распыливания водоугольного топлива

1.5 Метод обработки поверхности ротора форкамерной горелки-диспергатора

1.6 Установка для сжигания водоугольного топлива

1.7 Расширенные выводы по 1-му разделу

2 РАЗРАБОТКА ЗОЛОУЛОВИТЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

2.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов

Выбор условий моделирования

Описание экспериментальной установки

Методика проведения опытов и регистрации данных

2.2 Исследование аэродинамики потока и эффективности улавливания уловителя с тангенциальным входом 75 Исследование уловителя без вытеснителей потока 75 Исследование уловителя с вытеснителями потока

Исследование влияния взаимодействия закрученных потоков на аэродинамику и эффективность улавливания

Испытание уловителя с раскруткой выходящего потока

2.3 Исследование аэродинамики и эффективности работы золоуловителя с осевыми закручивателями потока 95 Испытание уловителя с карманным закручивателем 95 Испытание уловителя с безударным закручивателем лопаточного типа 100 Несимметричный ввод потока в уловитель и уменьшение числа каналов вывода частиц 102 Испытание уловителя с плоским закручивателем лопаточного типа 103 Испытание упрощенной конструкции золоуловителя с закручивателем карманного типа

2.4 Исследование фракционной эффективности улавливания

2.5 Пример расчета прямоточного уловителя с вертикальным входом для котла КЕ

2.6 Выводы по 2-му разделу

3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

3.1 Способы и оборудование для утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) 112 Рекуператоры и регенераторы 118 Котлы-утилизаторы и тепловые трубы 123 Тепловые насосы 125 Схемы использования ВЭР

3.2 Методика расчета многоступенчатых утилизаторов тепловых выбросов

3.3 Методика оценки эффективности утилизации тепловых выбросов. Математическая модель и алгоритм исследования экономических показателей утилизаторов

3.4 Расчет эффективности утилизации теплоты сушильной камеры ООО «СибТрансСтрой» и основные технические решения

3.5 Утилизация теплоты уходящих газов металлургической печи кузнечного цеха Барнаульского завода мехпрессов

3.6 Утилизация тепла уходящих АБгазов с выработкой насыщенного пара

3.7 Выводы по 3-му разделу

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка технологии получения и сжигания водоугольного топлива в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов"

В работе рассматриваются некоторые проблемы использования низкосортных топлив и вторичных энергоресурсов (ВЭР) в промышленной энергетике, в том числе новые перспективные технологии сжигания водо-уголъного топлива в котлах малой мощности, проблемы разработки эффективных золоуловителей центробежного типа и проблемы эффективности утилизации ВЭР.

Актуальность работы. Использования низкосортных топлив и вторичных энергоресурсов в промышленной энергетике является важной народнохозяйственной задачей для многих регионов России. Проблемы энергоэффективности и энергосбережения, а также экологические проблемы в последнее время выходят на передний план научно-технических проблем современности. Интерес к технологиям данного класса обусловлен осознанием неизбежной смены технологического уклада мировой энергетики, связанной с переходом на малоуглеродные и неуглеродные энергетические технологии, которая, как ожидается, начнется в 2025-2030 годах [1-8].

В последние три десятилетия прошлого столетия мировой энергетический кризис приобрел необратимый характер, связанный с окончанием эры «дешевой нефти», поскольку к 2000 году уже была израсходована значительная часть традиционных энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их извлечения [9-12]:

- 87 % мировых запасов нефти;

- 73 % мировых запасов природного газа и

- 2 % мировых запасов угля.

Несмотря на то, что ряд ведущих индустриальных стран, в том числе США, провозгласили возврат энергетики к «эре угля», однако, этот переход на основе технологий середины прошлого столетия невозможен по причинам технологического, экологического и экономического характера, поскольку качество топлива, имеющегося в наличии, часто не соответствует современным требованиям.

Среди новых угольных технологий большой интерес представляют технологии водоуголъного топлива — водоугольных суспензий (ВУС), а также, разработанных на основе ВУС, водоугольных топлив (ВУТ) и искусственных композиционных жидких топлив (ИКЖТ), возникшие в 50-60 годах прошлого века с появлением технологий гидротранспорта угля. То есть, необходимость сжигания обводненной угольной мелочи привела к разработке технологий приготовления ВУС, ВУТ и ИКЖТ и разработке методов их сжигания [9, 13, 14]. Совершенствованию технологий сжигания угольной пыли и водоугольного топлива посвящен первый раздел настоящей работы.

При разработке технологии сжигания твердых топлив необходимым условием организации эффективной работы топок является улавливание частиц золового уноса с целью возврата в топку (при наличии большого механического недожога) или предотвращения экологического вреда (с использованием уловленной золы, например, в строительных технологиях). Проблема борьбы с золовым уносом, несмотря на ее древность, до сих пор остается окончательно нерешенной для большинства используемых в настоящее время технологий сжигания твердого топлива [15-17].

Выбросы вредных веществ с продуктами сгорания электрическими станциями и предприятиями промэнергетики составляют порядка 20% от всех источников загрязнений воздушного бассейна. Среди этих загрязнений основными являются выбросы частиц золового уноса. Используемые в настоящее время конструкции золоуловителей еще не достигли вершины своего совершенства. По мнению авторов, особенно перспективными, простыми по конструкции и надежными в эксплуатации являются золоуловители центробежного типа с взаимодействующими закрученными двухфазными потоками. Совершенствованию золоуловителей этого типа посвящен второй раздел настоящей работы.

Среди энергосберегающих технологий важное место имеют технологии утилизации и преобразования тепловой энергии. Большую экономию можно получить при утилизации тепловой энергии на предприятиях промэнергетики и других промышленных объектах [18-20]. Утилизация безвозвратно теряемой тепловой энергии — вторичных энергетических ресурсов может сэкономить до 50 % первичных энергетических ресурсов (исходного топлива).

Среди основных причин необходимости утилизации тепловой энергии можно отметить следующие:

- экономическая - затраты на тепловую энергию становятся все более высокими и утилизация отходящего тепла может значительно сократить общие издержки;

- обеспеченность тепловой энергией — использование легкодоступного отходящего тепла, выбрасываемого в атмосферу, позволяет существенно снизить потребности предприятия в тепловой энергии;

- сбереэ!сение природных ресурсов - утилизация тепла уменьшает потребность предприятий в дефицитных видах топлива и сохраняет природные энергоресурсы;

- экологическая - утилизация сбросной теплоты способствует снижению негативного воздействие на природную среду.

Технико-экономической оценке эффективности утилизации вторичных энергетических ресурсов, наиболее перспективным способам, используемому оборудованию и методам расчета, а также описанию опыта утилизации сбросной теплоты на различных объектах промэнергетики, полученного при участии авторов, посвящен третий раздел настоящей работы.

Таким образом, ОСНОВНОЙ целью работы является развитие технологий производства и сжигания ВУТ, полученных из низкосортных топ-лив, в котлах малой мощности с утилизацией тепловых выбросов. развитие существующих методов использования низкосортных топ-лив и вторичных энергоресурсов в промышленной энергетике.

• Разработка технологии получения и сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

• Исследование и совершенствование золоуловителей центробежного типа для возврата уносов.

Для достижения этих целей решались следующие задачи.

• Разработка устройства для получения водоуголыюго топлива, обладающего комбинированными свойствами, для котлов малой мощности.

Научная новизна (положения, выносимые на защиту).

• Форкамерная горелка-диспергатор для получения и непосредственного сжигания ВУТ в котлах малой мощности.

Практическая значимость.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется использованием достоверных результатов и современных мировых достижений в рассматриваемой области исследований, проведением модельных и натурных экспериментальных исследований с применением современных экспериментальных методов.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на конференциях различного уровня: III Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Барнаул, 2003), V Всероссийской научно-техн. конф. «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2007), II Всероссийской научно-техн. конф. «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск, 2007), II Всероссийской научно-практ. конф. с междунар. участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики - ЭЭТПЭ-2008» (Барнаул,

2008), Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009), 67-й научно-техн. конф. АлтГТУ (Барнаул,

2009), У1-Й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь», (Барнаул, 2009).

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ).

Научный руководитель - Почетный работник ВПО России, профессор АлтГТУ им. И.И. Ползунова, заведующий лабораторией НИИ СО РАН-АлтГТУ, д.т.н., профессор Сеначин П.К.

Научный консультант - доцент АлтГТУ им. И.И. Ползунова, к.т.н. Кисляк С.М.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Результаты исследования были использованы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Беляев, Евгений Николаевич, Барнаул

1. Энергетика XX1.века: Условия развития, технологии, прогнозы / JI.C. Беляев, A.B. Лагерев, В.В. Посекалин и др.; Отв. ред. И.И. Воропай. -Новосибирск: Наука, 2004. - 386 с.

2. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия 2050: стратегия инновационного прорыва. - М.: ЗАО «Изд-во Экономика», 2005. - 624 с.

3. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию / Беляев JI.C., Марченко О.В., Филиппов С.П. и др. Новосибирск: Наука, 2000. - 269 с.

4. Demirbas A. Hydrogen production via pirolytic degradation of agricultural residues // Energy Sources, 2005. Vol. 27(8). P. 769-775.

5. Kreeith F., West R.E. Fallacies of a hydrogen economy // Proc. of IV Inter. Mech. Engineer Congress, 13-19 Nov. 2004, Anaheim, CA. / Paper No. IMECE2004-59980.

6. Кейко A.B., Свищев Д.А., Козлов A.H. Газификация низкосортного твердого топлива: уровень и направления развития технологии. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. - 66 с.

7. Рыжков А.Ф. Перспективы развития кооперационных энергоисточников и газогенераторные технологии // Проблемы развития централизованного теплоснабжения: Материалы междунар. научно-практич. конф., г. Самара, 21-22 апреля 2004 г. Самара, 2004. - С. 125-130.

8. Дъяков и др. Макроэкологические аспекты развития теплоэнергетики России // Теплоэнергетика,- 1996.- № 2.- С.29- 33.

9. И.Щеглов А.Г. Влияние научно-технического прогресса на повышение эффективности производства электроэнергии и тепла // Теплоэнергетика -1993,-№3.- С. 6-13.

10. Справочник по пыле-и золоулавливанию / М.И. Биргер, А.Ю. Вальдберг, Б.И. Мягков и др.; под общ. ред. A.A. Русанова,- М: Энергоатом-издат, 1983.-312 с.

11. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М.: Изд-во «Наука», 1977. - 344 с.

12. Бурдуков А.П., Смирнов Н.П. Вихревые системы очистки промышленных выбросов // очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих отходы и мусор: Сборник научно-технических статей. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 1999. - 238 с.

13. Мезенцев А.П. Эффективность применения утилизаторов теплоты в огнетехнических агрегатах- JL: Недра, 1987.- 127 с.

14. Повышение эффективности использования энергии в промышленности Дании / Под ред. А.М. Мастепанова, Ю.М. Когана.- М.: Минтопэнерго РФ, 1999.- 245 с.

15. Бушуев В.В., Громов Б.Н. и др. Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий // Теплоэнергетика 1997.- № 11.- С. 8-15.

16. Фирсов A.M., Беляев В.Н., Беляев E.H. Обработка отверстий раскатыванием// Обработка металлов 2007.-№ 1 (34).- С. 16-17.

17. Беккер A.B., Беляев В.Н., Беляев E.H., Фирсов A.M. Инструмент для совмещенного резания и поверхностного пластического деформирования // Патент на полезную модель РФ № 66264, 10.09.2007, МПК В24В39/02.

18. Беляев E.H., Беляев В.Н. Способ комбинированной обработки деталей // Патент на изобретение РФ № 2355826, 20.05.2009, МПК C25D5/22.

19. Беляев E.H., Кисляк С.М. Исследование модели прямоточного батарейного циклона со взаимодействующими потоками // Ползуновский вестник.- 2009.- № 1-2.- С. 293-297.

20. Водоугольное топливо. Анализ результатов исследования характеристик ВУТ, полученного на ОПУ ООО «Енисейский ЦБК» ОАО «Новоси-бирсктеплоэнергопроект».- (На правах рукописи).- Новосибирск, 2004.- 26 с.

21. Хинт И.А. Основы производства силикатных изделий.- M.-JL: Изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1962.- 600 с.

22. Евтушенко Е.А. Разработка композиционного топлива из торфа и низкосортных углей для использования в промышленной энергетике // Диссертация . кандидата технических наук / НГТУ, Новосибирск, 2003,- 143 с.

23. Кулагин В.А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации // Автореферат диссертации . доктора технических наук / КГТУ, Красноярск, 2004.- 47 с.

24. Авакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов.- Новосибирск: Изд-во «Наука». Сибирское отделение, 1986.- 305 с.

25. Патент РФ № 2214448, C10L1/32, 2003 г. / Электронный ресурс. Роспатент. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. М.: Роспатент, 2009. - Режим доступа: http://wwwl.fips.ru - Загл. с экрана.

26. Петраков А.Д. Способ получения энергии и резонансный насос-теплогенератор // Патент РФ 2142604 CI (RU).- Заявл. 26.01.1998. Опубл.1012.1999.- 24 с.

27. Петраков А.Д., Санников С.Т., Яковлев О.П. Роторный насос-теплогенератор // Патент РФ 2159901 С2 (RU).- Заявл. 07.08.1998. Опубл.2711.2000.- 12 с.

28. Проскуряков Ю.Г Упрочняюще-калибрующие методы обработки. М., «Машиностроение», 1965.

29. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. JL, «Машиностроение», 1970.

30. Шнейдер Ю.Г. Выбор схемы, метода, конструкции инструмента и режима чистовой обработки давлением. JL, 1965.

31. Одинцов А.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пла-сти-| ческим деформированием. Справочник. М.: Машиностроение, 1987.

32. Беляев В.Н., Фирсов A.M. Комбинированный инструмент для резания и поверхностного пластического деформирования. Патент РФ №50458.

33. Патент на изобретение РФ №2283747. Способ обработки прерывистых поверхностей поверхностно-пластическим деформированием /A.M. Фирсов, В.Е. Васильев, В.Н. Беляев // Опуб. в Б.И., 20.09.2006. № 26.

34. Фирсов A.M., Беляев В.Н. Обработка прерывистых поверхностей методом поверхностного пластического деформирования // Упрочняющие технологии и покрытия. Научно-технический и производственный журнал. -Новосибирск, 2006. №6

35. Rosin Р., Rammler Е. //Koll. Z.- 1954. Bd. 67. Н. 1,- S. 16-26

36. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пыл ей и измельченных материалов. М.: Химия, 1974. - 280 с.

37. ГОСТ 14920-79. Газ сухой. Метод определения компонентного состава

38. ОСТ 39-237-89 Метод определения углеводородного и неорганического состава нефтяного газа

39. Физико-химические методы анализа./Под ред. Алесковского В.В. — Л.: Химия, 1988. -376 с.

40. Исследование топочных процессов и разработка рекомендаций по проектированию котлов с циркулирующем слоем. Отчет по НИР. НГТП «ЭНЭКО», Барнаул 1991.

41. A.C. СССР №1766468 Al М.к.и. В01Д 45/12, В 04 ^7/00. Опубл. 07.10.92 Бюл. №37. Батарейный циклон. Авторы: Пузырев Б.М., Сидоров А.М., Лемеш В.Н.

42. Зверев Н.И. Критерии подобия для механических пылеуловителей // Труды совещания по очистке промышленных газов. М.: Металлургиздат, 1941.

43. Зверев Н.И. Моделирование движения полидисперсной пыли // Теплоэнергетика, 1957, №7, С. 35-38.

44. Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. — М.: Энергия, 1973, 296 с.

45. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова и др.- М.: Энергия, 1973,- 269 с.

46. Кисляк, С.М. Выбор условий экспериментального моделирования аэродинамики топок с кипящим слоем // Ползуновский альманах, 2001, №3. -С. 248-250.

47. Конструктивные особенности и опыт эксплуатации котлов с топками ЦКС. Обзор НПО ЦКТИ. Ленинград, 1990.

48. Пузырев Е.М. Исследование топочных процессов и разработка котлов для низкотемпературного сжигания горючих отходов и местных топлив // Автореферат дис. на соиск. . д.т.н. / АлтГТУ им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 2003.-41 с.

49. Кисляк С.М. Разработка уловителей и систем возврата уноса в котлах с низкотемпературным кипящим слоем // Дис. на соиск. к.т.н. / АлтГТУ им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 2004.

50. Трембовля В.И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок-М.: Энергия, 1997.- 296 с.

51. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение, 1976, 504 с.

52. Руководство по разработке энергетического паспорта потребителя энергоресурсов производственного назначения. Сб.З. М.: Москоское агенство по энегосбережению, 1997.

53. Новгородский Е.Е., Широков В.А., Шанин Б.В. Комплексное энерготехнологическое использование газа и охрана воздушного бассейна. М.: Дело, 1997. 386 с.

54. Шанин Б.В., Новгородский Е.Е., Широков В.А., Пужайло А.Ф. Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании природного газа. Учебн. пособие. Н. Новгород: НГАСУ, 1998, 384 с.

55. Мезенцев А.П. Эффективность применения утилизаторов теплоты в огнетехнических агрегатах. Л.: Недра, 1987. -127 с

56. Повышение эффективности использования энергии в промышленности Дании / Под ред. А.М. Мастепанова и Ю.М. Когана. М.: Минтопэнерго РФ, 1999, 245 с.

57. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогид-равлическим расчетам. Под общ. Ред. П.Л. Кириллолва. М.: Энергоэтомиз-дат, 1984. -298 с.

58. Селиверстов В.М., Браславский М.И. Экономия топлива на речном флоте. М.: Транспорт, 1983, 231 с.

59. Бушуев В.В., Громов Б.Н. и др. Научно-технические и организационно-экономические проблемы внедрения энергосберегающих технологий // Теплоэнергетика, 1997, № 11, С. 8-15.

60. Четыркин Е.М. Методы финансовых и коммерческих расчетов. М.: Дело ЛТД, 1995.- 320 с.

61. Инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений в развитие энергетического хозяйства. М.: Энергия, 1973.

62. Лекомцева Ю.Г. Методические особенности анализа рентабельности инвестиций в энергетику // Промышленная энергетика, 1996, № 12.

63. Стоянова Е.С. Финансовый менеджмент в условиях инфляции. -М.: Перспектива, 1995.

64. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки: Учебн. для ВУЗов. -М.: Стройиздат, 1986. 559 с.

65. Методика определения потребностей в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения, Госстрой России, Москва 2001.

66. Оборудование для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Каталог продукции Новосибирского энергомашиностроительного завода «Тайра». 4.2. 2008.

67. Беляев E.H., Кисляк С.М., Сеначин П.К. Эффективность утилизации вторичных энергетических ресурсов: Учебное пособие / Под ред. П.К. Сена-чина / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2010.- 64 с.