CC BY
78
------------------------------------ © В.Д. Катин, В.И. Вавилов,
2007
УДК 621.182. (035.5)
В.Д. Катин, В.И. Вавилов
МАЛООТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
~П числе приоритетных задач по стабилизации и развитию
-Я-М топливно-энергетического комплекса страны является создание и внедрение энергосберегающих установок и устройств на базе экологически чистых и малоотходных технологий для предприятий железнодорожного транспорта. В этой связи проблема экологии для стационарной теплоэнергетики отрасли становится наиболее острой и актуальной в современных условиях. В нашей стране промышленными предприятиями в воздушный бассейн ежегодно выбрасывается до 100 млн. тонн токсичных и агрессивных веществ, включая около 400 тыс. тонн от стационарных источников загрязнения, в основном, котельных установок предприятий ОАО «РЖД» [1, 2]. Распределение выбросов различных вредных веществ котельными (%) по предприятиям железнодорожного транспорта приведено в табл. 1 [2].
Именно поэтому действующий федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды» регламентирует комплекс вопросов о сокращении вредных выбросов в атмосферу и устанавливает ответственность за недопустимое загрязнение воздуха.
Несомненно, что проблема загрязнения атмосферного воздуха связана со сжиганием топлива в котлоагрегатах, на долю которых приходится до 90 % всех вредных выбросов. На предприятиях железнодорожного транспорта насчитывается около 18 тыс. паровых и водогрейных котлов, работающих на всех видах топлива: жидком, газообразном и твердом. В котельных ряда предприятий наряду с современными котлами типа ДЕ, Е-1/9 эксплуатируются малоэкономичные и устаревшие конструкции Ревокато-ва, Шухова, Шухова-Берли-на и др. [3].
Таблица 1
Распределение выбросов загрязняющих веществ (%) на предприятиях железнодорожного транспорта
Наименование предприятий Оксиды азота Оксиды серы Сажистые частицы Оксид углерода
Дистанции гражданских 37,1 63,1 37,8 30,0
сооружении
Локомотивные депо 41,1 15,6 20,7 28,9
Вагонные депо 7,9 4,0 10,4 10,4
Заводы по ремонту под- 10,3 11,4 20,2 25,0
вижного состава
Другие 3,3 5,9 10,9 5,7
Во многих котельных установлены разнотипные котельные агрегаты, а в некоторых эксплуатируются одновременно и водогрейные, и паровые, котлы. Характерной особенностью стационарных теплоэнергетических установок, эксплуатируемых на объектах железнодорожного транспорта, следует считать небольшую по сравнению с другими промышленными предприятиями единичную тепловую мощность и паропроизводительность (от 1 до 10 т/ч). В равной мере на предприятиях железнодорожного транспорта применяются котлоагрегаты паропроизводительностью до 1 т/ч (тепловой мощностью от 0,1 до 1,5 МВт), среди которых преобладают секционные отопительные заводы «Энергия», «Универсал» и др. работающие в основном на твердом топливе. Согласно ГОСТ 10617 - 83 «Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,1 до 3,15 МВт. Общие технические условия» для предприятий выпускаются:
- котлы на твердом топливе с ручными топками теплопроизво-дительностью от 0,1 до 0,8 МВт с КПД не менее 60-75 %;
- котлы на твердом топливе с механическими и полумеханиче-скими топками тепловой мощностью от 0,63 до 3,15 МВт с КПД не менее 70-79 %, при этом нижний предел соответствует котлоагрегатам, работающим на буром угле, верхний - на антраците.
В то же время содержание оксида углерода по объему в сухих уходящих газах в пересчете на коэффициент избытка воздуха, равный 1, не должно превышать 0,3 % для котлов с механическими топками.
Таблица 2
Потребление котельно-печного и дизельного топлива
Показатель 2000 г. 2005 г. 2010 г.
Расход дизельного
топлива, млн т у.т. 13,65 13,61 13,59
Расход котельно-
печного топлива,
млн т у.т. 14,47 15,18 15,54
Потребности топливно-энергетических ресурсов для железнодорожного транспорта определены на основе Отраслевой научнотехнической программы по экономии топлива и энергии на период 2000-2010 гг. и приведены в табл. 2.
В связи с наблюдаемой тенденцией увеличения расхода котельно-печного топлива в стационарной теплоэнергетике, особое значение приобретает решение вопросов повышения экологической безопасности эксплуатации котлоагрегатов, так как длительное время научно-технические разработки в области топочно-горелочных устройств были ориентированы в основном на повышение их КПД без учета сопутствующих вредных выбросов в атмосферу.
Это касается прежде всего предприятий Дальневосточной, Забайкальской, Сахалинской железных дорог, в регионах которых экологическая обстановка резко ухудшается. По данным исследований ряда предприятий Дальнего Востока установлено, что котлы, работающие на твердом (местном, низкосортном) топливе и реже -на жидком топливе, имеют низкие эксплуатационные и экологические показатели, обусловленные повышенной их влажностью, а также высоким содержанием в их составе золы и серы. Это не только затрудняет топочный процесс, но и вызывает загрязнение воздушного бассейна твердыми частицами (оксидами серы и азота, оксидом углерода), выбрасываемыми вместе с продуктами сгорания. Причем, согласно результатам расчетных и опытных исследований на долю твердых веществ приходится до 40-52 %, оксида углерода - 20 - 47 %, оксидов серы - до 6-8 % и оксидов азота - до 3
- 6 % [3].
Таким образом, проведенный авторами анализ показывает, что котельный парк большинства предприятий железнодорожного транспорта в Дальневосточном регионе находится в
Таблица 3
Экологическая эффективность теплотехнических методов
Возможные пределы снижения образования NОх при различных методах, %
Снижение избытка воздуха в топке & Двухсту- пенчатое сжигание топлива Рециркуляция дымовых газов в топку Ступенчатое горение при малых а Рециркуляция дымовых газов при малых а Впрыск влаги в зону горения
25 35 33 60 55 10
технически сложном состоянии, до сих пор применяются устаревшие, несовершенные методы сжигания топлива (на простых колосниковых решетках с ручным обслуживанием). В подобных условиях сжигание топлива в котлоагрегатах приводит к его перерасходу и, как следствие, к повышенному уровню загрязнения воздушного бассейна.
В связи с этим основными задачами, стоящими перед специалистами предприятий отрасли, аспирантами и учеными транспортных вузов в целях повышения экологической безопасности работы котельных являются внедрение малоотходных технологий сжигания топлива, а также разработка новых и модернизация действующих котлоагрегатов.
В табл. 3 приведены наиболее апробированные в теплоэнергетике методы уменьшения выбросов токсичных оксидов азота из котлов, работающих на твердом топливе (угле) [1].
Выбор приоритетных методов сокращения выбросов NОх и сопутствующих вредных веществ из котлов должен определяться в каждом конкретном случае не только техникоэкономическими соображениями, но и конструктивными особенностями самих котельных агрегатов.
Авторами данной работы были реконструированы водогрейные котлы типа КВС с паспортной теплопроизводительностью 1,5 Гкал/ч, хотя фактическая тепловая мощность котла КВС-1,5 составляла 0,4 Гкал/ч. С 2000 года по настоящее время на предприятии ГУП ЖКХ Алданского Улуса Республика Саха (Якутия) успешно эксплуатируются водогрейные котлы «Алданец-1» конструкции В.И. Вавилова [4].
Расчетные и фактические параметры котла «Алданец-1» следующие:
- мощность котла расчетная Q = 0,95 Гкал/ч;
- мощность котла фактическая Q = 0,84 Гкал/ч;
- площадь нагрева общая F = 85 кв.м.;
- вес (масса) котла Р=2,3 т (изготовлены из простой водогазопроводной трубы d=57 мм). Кроме того, в конструкции нет гнутых фасонных частей поверхностей нагрева, что немаловажно в стоимостной оценке котла.
В период с 2000 по 2004 годы эксплуатация котлов «Алданец-1» показала, что они зарекомендовали себя с положительной стороны и весьма пригодны к надежной работе в условиях Крайнего Севера [4].
Более того, стоимость котлов “Алданец-1” в несколько раз ниже стоимости котлов марки КВС. В связи с этим, стальные водогрейные котлы “Алданец-1” отвечают современным техникоэкономическим и экологическим требованиям.
В настоящее время авторами оформлена и подана заявка на предполагаемое изобретение усовершенствованной конструкции водогрейного котла “Универсал” малой тепловой мощности, нашедшего распространение в котельных предприятий ОАО “РЖД”. Общим недостатком действующих котлов типа “Универсал”, как показал опыт эксплуатации, является неполнота слоевого сжигания твердого топлива (угля) в топке вследствие неравномерного распределения воздуха, подаваемого на горение. Целью изобретения являлось повышение эффективности и полноты сжигания твердого топлива.
Признаками, отличающими заявляемый водогрейный котел от известных, является выполнение колосниковой решетки из подвижных и неподвижных элементов, причем подвижные эле-менты соединены с кривошипным механизмом, осуществляющим их вертикальное перемещение.
Благодаря указанным отличительным признакам у предлагаемого авторами водогрейного котла увеличивается коэффициент полезного действия за счет повышения полноты сгорания твердого топлива вследствие равномерного распределения воздуха в зоне горения. Новый водогрейный котел работает следующим образом. Уголь, попадая на колосниковую решетку, подвергается сортировке: более крупные фракции твердого топлива скатываются в ниши, созданные опущенными подвижными элементами колосниковой
решетки, а мелкая фракция угля, хуже пропускающая воздух, остается на неподвижных элементах. Топливо подвергается воздействию высокой температуры и теплоты, выделяемой раскаленным зажигательным поясом. Воздух, проникает через отверстие в элементах колосниковой решетки, распределяется между частицами твердого топлива, причем его распределение в нишах, образованных опущенными подвижными элементами, не затруднено наличием большого количества мелкой фракции. Топливо начинает гореть, выделяя лучистую энергию и образуя топочные газы, нагретые до высокой температуры. За счет равномерного распределения воздуха в зоне горения и приподнятого положения мелкой фракции угля, находящейся на неподвижных элементах, происходит более полное сгорание твердого топлива. Лучистая энергия и топочные газы, нагретые до высокой температуры, передают энергию стальным трубам, образующим топочные экраны, по которым циркулирует нагретая вода. Далее топочные газы направляются в газоход, где проходят через конвективные пакеты стальных труб, по которым циркулирует вода, подаваемая в топочные экраны, за счет теплоты газов, нагревая ее. Далее охлажденные топочные газы направляются в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу. После полного сгорания топлива при помощи кривошипного механизма осуществляется подъем подвижных элементов колосниковой решетки для удаления золы и шлака.
Новая конструкция водогрейного котла позволяет более эффективно осуществлять нагрев воды за счет более полного сгорания топлива, что уменьшает его недожог и, следовательно, сокращает выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Итак, применение новых малоотходных технологий эксплуатации котлоагрегата позволяет существенно снизить вредные выбросы без дорогостоящих мероприятий по очистке уходящих дымовых газов от газообразных и твердых примесей.
Таким образом, приоритетными путями повышения экологической безопасности котельных установок на предприятиях железнодорожного транспорта в современных условиях становятся модернизация и усовершенствование традиционных методов сжигания твердого топлива (угля), внедрение которых, как показывает практика, не потребует больших затрат. Более того, приведенные в данной работе способы сокращения вредных выбросов в атмосфе-
ру из угольных котлов на один-два порядка дешевле по стоимости, чем традиционные мероприятия по очистке дымовых газов.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительностью. - М.: Энергоатомиздат, 1999. - 489 с.
2. Катин В.Д., Вавилов В.И. Повышение экологической эффективности эксплуатации котельных установок предприятий железнодорожного транспорта //Труды 44-ой Всероссийской науч.-практ. конф. “Современные технологии -железнодорожному транспорту и промышленности”. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С.22-24.
3. Катин В.Д. Экологические проблемы сжигания топлива в котельных установках предприятий железнодорожного транспорта и перспективы их решения //Наука и техника транспорта. - М.: РГОТУПС, 2004. - № 2. -С.6-11.
4. Вавилов В.И., Катин В.Д. Модернизация действующих котлоагрегатов с целью оптимизации горения и сокращения вредных выбросов в атмосферный воздух //Труды Региональной науч.-техн. конф. ДВГУПС. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - Т.2. - С. 163-166. ЕШ
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Катин В.Д. - доктор технических наук, профессор Вавилов В.И. - аспирант
Дальневосточный государственный университет путей сообщения.
