Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения дожигающего топлива в мусоросжигательных котельных агрегатах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 626.12

М. С. ШЕРСТОБИТОВ Е. М. РЕЗАНОВ В. М. ЛЕБЕДЕВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ГОРЕНИЯ ДОЖИГАЮЩЕГО ТОПЛИВА В МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ

Предложен алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения дожигающего топлива в мусоросжигательных котельных агрегатах, исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на воздухоподогреватель и дожигающее топливо. Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма, позволяющего снизить удельный расход дожигающего топлива, повысить коэффициент полезного действия мусоросжигательных агрегатов. Ключевые слова: эффективность, затраты, тепловая энергия, теплопередача, дожигающее топливо, котлоагрегат.

Федеральный закон РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» от 23 ноября 2009 года предусматривает, в том числе, использование твердых бытовых отходов (ТБО) для производства тепловой и электрической энергии [1—4].

Однако показатель энергетической эффективности процессов отечественных комплексов мусоросжигательных заводов в настоящее время невысокий (60 — 65 %), коэффициент полезного действия агрегатов составляет 70 — 75 % [1]. Это обусловлено низким уровнем использования теплоты отходящих газов и затратами на дожигающее топливо.

Дожигающее топливо в мусоросжигательных агрегатах применяется для повышения температуры горения с целью экологически безопасной утилизации твердых бытовых отходов. Затраты данного вида топлива в энергетическом балансе агрегатов составляют 20-40 % [2].

Эффективность утилизации ТБО термическим способом, обоснована и принята целесообразной как отечественными, так и зарубежными научно-исследовательскими организациями и промышленными предприятиями [3].

Состав и калорийность бытовых отходов сопоставимы с низкосортными углями. Элементарный состав и низшая теплота сгорания твердых топлив и ТБО г. Омска представлены в табл. 1 [4].

Экономичность использования дожигающего топлива в мусоросжигательных котельных агрегатах повышается при сочетании мероприятий по обеспечению полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с утилизацией теплоты уходящих газов. Высокотемпературный подогрев воздуха в воздухоподогревателе — одно из основных мероприятий по повышению тепловой эффективности котельных

агрегатов, позволяющее повысить КПД, снизить удельный расход дожигающего топлива (рис. 1). Однако это ведет к увеличению затрат на теплоутили-зирующие устройства, поэтому целесообразно получить оптимальную температуру подогрева воздуха, идущего для горения дожигающего топлива в мусоросжигательном котлоагрегате.

Сравнительная эффективность инноваций, согласно положениям методики экономической эффективности капитальных вложений, является основной количественной оценкой при выборе оптимального варианта. Приведенные издержки представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли

[5] руб.:

И = Б + а'К,

(1)

где К — капитальные вложения, руб.; Б — себестоимость единицы продукции, руб., а — коэффициент приведения дисконтирования, определяется из выражения:

1

(1+г) 1 +(1+ г) 2 +...+(1+ г) п

(2)

где г — норма дисконта.

Основные эксплуатационные издержки Ит при сжигании дожигающего топлива в мусоросжигательных агрегатах, применяемых для получения тепловой энергии, включают: подачу дутьевого воздуха для горения ТБО и дожигающего топлива, подачу отходов и природного газа. Соответственно выражению (1) примет вид, руб.:

И =(Б т + Б ам + Б в)+а-К, (3)

где Б т — годовые затраты на дожигающее топливо,

Таблица 1

Элементный состав и низшая теплота сгорания на рабочую массу некоторых низкокалорийных твердых топлив г. Омска

Вид топлива Элементарный состав, % Низшая теплота сгорания, МДж/кг

СР нР ОР НР БР АР 0р ° н.тбо

Торф 24,7 2,6 15,2 1,1 0,1 6,3 50 8,11

Дрова 30,3 3,6 25,1 0,4 — 0,6 40 10,2

Сортированные ТБО 18,74 2,31 14,30 0,70 0,10 10,74 55,38 5,60

Несортированные ТБО 15,97 1,95 12,13 0,6 0,08 22,26 47 4,94

Элементарный состав ТБО для г. Омска рассчитан из морфологического состава [4].

уТБО ^ТБО

V1

I

V7

К пп эк ВЗП1 V ух ВЗП2

с

Vх

Vх

Рис. 1. Схема материальных потоков котлоагрегата для сжигания твердых бытовых отходов и дожигающего топлива

руб.; Б ам — годовые отчисления на амортизацию, руб.; Б в — годовые затраты на подачу дутьевого воздуха для горения дожигающего топлива, руб.

Б„ = С -В.

(4)

где Ст — удельная годовая стоимость дожигающего топлива, руб/с/м3; Вт — расход дожигающего топлива, м3/с.

Ст = Рг -т , (5)

где Рг — полная расчетная стоимость 1 м3 дожигающего топлива (природного газа), р./м3; т — время работы воздухоподогревателя в течение года, с;

5 ам = П-К , (6)

где П — норма амортизационных отчислений в год.

Кр = Рр -Н+СТд. -Ъ-ДНТ.д.-И, (7)

где Рр — капиталовложения в сооружение 1 м2 поверхности нагрева воздухоподогревателя, руб./м2; С т. д. — стоимость тягодутьевых машин, руб./Вт; Ъ — коэффициент запаса, включающий резерв по расходу и давлению тягодутьевых машин и мощности электродвигателя; ДН т. д. — мощность, затрачиваемая на обслуживание 1 м2 поверхности нагрева воздухоподогревателя (на преодоление воздушного сопротивления), Вт/м2; Н — поверхность нагрева воздухоподогревателя, определяется по выражению [6], м2:

Н = -

В - п - Ут -(С " -1" - С' -1' ) твввввв

(8)

где ^ в — коэффициент, учитывающий потери воздуха в воздухоподогревателе; Увт — количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества дожигающего топлива, м3/м3; С'в ,1 в — средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, Дж/(м3,К); °С; к — коэффи-

циент теплопередачи, Вт/(м2К); вД 1 — поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; 3 — средний температурный напор, °С.

Б в = Сэ -т-ДНт.д.-И,

(9)

где Сэ — стоимость электроэнергии, руб./(Втс).

Величины отчислений на реновацию, капитальный и текущий ремонт принимаются пропорционально капитальным вложениям.

Подставим в (3) выражения (4) — (7), получим выражение для величины суммарных дисконтированных издержек на воздухоподогреватель и расход дожигающего топлива в мусоросжигательном котло-агрегате:

Ит = Ст -Вт + Ср -н,

(10)

Ср = Рр -(Рн + П)+ДНт.д. -[Ъ-Ст.д. -(а + П)+Сэ -т], (11)

где Ср — годовая стоимость 1 м2 поверхности нагрева воздухоподогревателя, руб./м2.

Значение оптимальной температуры подогрева воздуха для конкретной температуры уходящих газов можно найти, исходя из минимума суммарных дисконтированных издержек на воздухоподогреватель и дожигающее топливо Ит (10), при приравнивании к нулю частных производных функции по оптимизируемому параметру:

дИт

д 1 в

-=0

Ст ^+Ср -—= 0 т д 1" р д 1" .

(12)

(13)

Выражение по расходу дожигающего топлива в мусоросжигательном агрегате, применяемого для получения пара, получим из уравнений теплового и материального балансов котла [7; 8]:

О +0 +0 = О +0 +0 +0 +0 +0 (14)

^х ^т ^п ^ух ^х.н. ^м.н. ^охл мшл '

к-в д 1 -3

Рис. 2. Блок-схема алгоритма определения оптимальной температуры подогрева воздуха для горения дожигающего топлива

где О х — химическая теплота сжигаемых топлив, Вт; О в — теплота, вносимая подогретым воздухом, Вт; О — тепло, вносимое с топливами, Вт; О — тепло,

т ' ' ' ^ п '

полученное в котлоагрегате, Вт; О ух — потери теплоты с уходящими продуктами сгорания топлив, Вт; О хн — потери теплоты от химической неполноты сгорания топлив, Вт; О мн — потери теплоты от механической неполноты сгорания топлив, Вт; О охл — потери теплоты от наружного охлаждения, Вт; О шл — потери тепла со шлаком, Вт.

О х = Вт

(15)

Охн =23600

Ср

СО

100 (СО2 +СО)

-•В„

(19)

где Ср — содержание углерода в отходах, %; СО — содержание оксида углерода в продуктах сгорания, %; СО 2 — содержание диоксида углерода в продуктах сгорания, %.

(20)

)•Г» _ -V

тбо ^ н.тбо '

где Р — доля потерь от механической неполноты сгорания.

где Втбо — расход твердых бытовых отходов (ТБО), кг/с; Он тбо — низшая теплота сгорания ТБО, Дж/кг; О н т — низшая теплота сгорания дожигающего топлива, Дж/м3.

О = в б -Стб° -1 тб° • V*

^ в тбо в в в

+ В т -С вв -1 вв -V

(16)

где Свб<э ,1 тбс> — средняя объемная теплоемкость и температура подогретого воздуха, необходимого для сжигания ТБО, Дж/(кг'К), °С; V в*3 — количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества ТБО, м3/кг; Св ,1 в — средняя объемная теплоемкость и температура подогретого воздуха, необходимого для сжигания дожигающего топлива, Дж/(кг'К), °С.

О = В б -С' б -1' б + В

т тбо т.тбо т.тбо т

-С' -1 \

(17)

где С 'т. тбо ,1 'т. тбо — соответственно средняя объемная теплоемкость и температура твердых бытовых отходов, Дж/(кг'К); °С; С'т.т ,1 'т.т — соответственно средняя объемная теплоемкость и температура дожигающего топлива, Дж/(м3,К); °С.

О = (В б - ^бс

^ ух V тбо ух

(18)

где V 5Гсо — действительный объем продуктов сгорания ТБО, м3/кг; V — действительный объем продуктов сгорания дожигающего топлива, м3/м3; Сух ,1 ух — соответственно средняя объемная теплоемкость и температура уходящих газов из котельного агрегата, Дж/(м3,К); °С.

О охл =

(4-0,3 -Б+0,0097-Б2 -0,0001-Б3 )Вт 100

где Б —паропроизводительность котла, кг/ч.

О шл =-

-(с1)шл - Ар Вт 100

, (21)

(22)

где а шл — доля золы отходов, приходящаяся на шлак; (с1)шл — энтальния шлака, Дж/кг; А Р — содержание золы в отходах, %.

На основании полученных выражений разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха на выходе из воздухоподогревателя для конкретной температуры уходящих газов, выходящих из экономайзера мусоросжигательного котельного агрегата. Блок-схема полученного алгоритма представлена на рис. 2.

Проведенные расчетные исследования показали, что значение оптимальной температуры подогрева воздуха 1 в опт определенное из уравнения (12), отвечает минимуму целевой функции (рис. 3).

Реализация разработанного алгоритма применительно к условиям г. Омска (несортированные ТБО) и параметрам мусоросжигательного котлоагрегата: производительностью 10000 кг/ч, температурой пара 250 °С, давлением пара 1,4 МПа, использующего в качестве дожигающего топлива природный газ с О нт =34,5 МДж/м3, =4,25 р./м3, т=8760 ч/год, получили следующие результаты: 1" =480 °С;

И,

= 1,168-107 руб./год. Удельный расход дожига-

О р б + В -О р

^ н.тбо ^ ^ тт

т

н.т

+В -V )-С -1

т ух ух

ухух

6 РУ^ год

14

и

13

12

II

11

/

II ,=f(1 о "X /

/

1 1 1

100 150 200 250 300 350 400 450 t'r500 550 600 UC 700

Е.ОШ

Рис. 3. Зависимость дисконтированных затрат по воздухоподогревателю и дожигающему топливу от температуры подогрева воздуха

ющего топлива уменьшился на 12%, коэффициент полезного действия увеличился на 2,6 %. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 0,98 млн рублей в год.

Таким образом, полученные результаты подтверждают целесообразность использования предложенных разработок при проектировании и эксплуатации мусоросжигательных котельных агрегатов.

Библиографический список

1. Тугов, А. Н. Исследование процессов и технологий энергетической утилизации бытовых отходов для разработки отечественной ТЭС на ТБО [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / А. Н. Тугов. - М., 2012. - 349 с.

2. Шубов, Л. Я. Технологии отходов (Технологические процессы в сервисе) [Текст] / Л. Я. Шубов, М. Е. Ставровский, Д. В. Шехирев. - М. : МГУС, 2006. - 410 с.

3. Шерстобитов, М. С. Твердые бытовые отходы: проблемы и пути утилизации [Текст] / М. С. Шерстобитов,

B. М. Лебедев // Промышленная энергетика. - 2010. - № 4. -

C. 60-64.

4. Колесников, С. Н. О проектах утилизации твердых бытовых отходов в Омске [ Текст] / С. Н. Колесников // Вестник ЖКХ Омской области. - 2003. - № 4 (6). - С. 45-50.

5. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобре-

тений и рационализаторских предложений [от 14 февраля 1977 г. № 48/16/13/3] [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.lawmix.ru/sssr/11190 (дата обращения: 20.01.2015).

6. Резанов, Е. М. Повышение эффективности работы термических печей [Текст] / Е. М. Резанов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2010. -№ 3 (93). - С. 144-148.

7. Санитарная очистка и уборка населенных мест : справочник / А. Н. Мирный [и др.] ; под ред. А. Н. Мирного. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1990. - 413 с.

8. Тепловой расчет котлов (нормативный метод) [Текст] / Г. М. Каган [и др.]. - СПб. : НПО ЦКТИ, 1998. - 260 с.

ШЕРСТОБИТОВ Михаил Сергеевич, преподаватель кафедры «Теплоэнергетика».

РЕЗАНОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». ЛЕБЕДЕВ Виталий Матвеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 05.05.2015 г. © М. С. Шерстобитов, Е. М. Резанов, В. М. Лебедев

Книжная полка

Кудинов, А. А. Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование : учеб. пособие для вузов по направлению подготовки 13.03.01 (140100) «Теплоэнергетика и теплотехника»/ А. А. Кудинов. - М. : ИНФРА-М, 2015. - 323 c. - ISBN 978-5-16-004731-7.

Изложены основы теории повышения тепловой экономичности электростанций за счет применения пара высоких и сверхвысоких параметров, комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, регенеративного подогрева питательной воды, промежуточного перегрева пара, использования газотурбинных и парогазовых установок. Описаны принципиальные тепловые схемы современных ТЭС, освещены вопросы выбора основного и вспомогательного оборудования, расчета тепловых схем, компоновки главного здания, технического водоснабжения и подготовки добавочной воды, топливного хозяйства и очистки уходящих газов. Для студентов энергетических вузов и специальностей.