авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование процессов и технологий энергетической утилизации бытовых отходов для разработки отечественной тэс на тбо

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТУГОВ Андрей Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УТИЛИЗАЦИИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ТЭС НА ТБО Специальность: 05.14.14 – “Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе "Всероссийский дваж ды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно исследовательский институт" (ОАО "ВТИ").

Официальные оппоненты:

Григорьев Константин Анатольевич – доктор техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Реакторо- и парогенераторостроение» Санкт-Петербургского госу дарственного политехнического университета;

Зайченко Виктор Михайлович – доктор техн. наук, старший научный сотруд ник, заведующий лабораторией «Проблем энергосбережения» Объединенного института высоких температур РАН;

Ходаков Юрий Степанович – доктор химических наук, старший научный со трудник.

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образова тельное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»)

Защита состоится " 1 " ноября 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертаци онного совета Д.222.001.01 при ОАО "Всероссийский дважды ордена Трудово го Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО "ВТИ") по а д р е с у :115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО "ВТИ".

Автореферат разослан " " ………………. 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.222.001.01, кандидат технических наук П. А. Березинец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одно из ключевых направлений долгосрочной энергетической политики Рос сийской Федерации связано с использованием возобновляемых источников для производства электрической энергии. Установлены целевые показатели исполь зования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сфере электроэнергети ки: предусматривается увеличение их доли в общем энергобалансе страны с 0,9 % в 2011 г. до 2,5 % к 2015 г. и до 4,5 % к 2020 г., что составит около 80 млрд кВтч выработки электроэнергии с использованием ВИЭ в 2020 г. при 8,5 млрд кВтч в настоящее время.

Как показывает мировой опыт, самым доступным и одним из наиболее эко номически целесообразных возобновляемых источников энергии являются твердые бытовые отходы (ТБО), сжигаемые на тепловых электростанциях ТЭС (ТЭС на ТБО). ТБО – это топливо, которое по теплоте сгорания сопоставимо с торфом и некоторыми марками бурых углей, образуется в местах, где электро энергия наиболее востребована, т. е. в крупных городах, и имеет гарантирован ное предсказуемое возобновление, пока существует человечество. Работа ТЭС на ТБО не зависит от природных условий (в отличие, например, от солнечных или ветровых установок), географического расположения (по сравнению с гео термальными и приливными электростанциями), и в результате ее эксплуата ции, помимо выработки энергии, решается важная социальная задача – утили зируются образующиеся в процессе жизнедеятельности человека бытовые от ходы.

В России до недавнего времени предприятия для сжигания отходов находи лись вне сферы интересов энергетиков. Переработкой ТБО занимались комму нальные службы, которые в первую очередь решали проблему санитарной очи стки городов от образующихся отходов. Выделяющуюся в процессе сжигания энергию использовали для покрытия собственных теплофикационных нужд и, в лучшем случае, отпускали излишки в тепловые городские сети.

В отличие от России за рубежом в настоящее время значительная часть пред приятий для сжигания отходов принадлежит ведущим энергетическим компа ниям, и интерес энергетиков к этому источнику энергии продолжает возрастать.

ТБО уже давно и практически во всех промышленно развитых странах рас сматриваются как один из перспективных возобновляемых источников получе ния электроэнергии. В результате утилизации ТБО только в Европе уже сейчас ежегодно вырабатывается более 28 млрд кВтч электроэнергии и примерно 70 млрд кВтч тепловой энергии. Это позволяет экономить 7…38 млн тонн ор ганического топлива и, кроме того, предотвращать до 37 млн тонн в год выбро сы парниковых газов (в пересчете на СО2), которые могли бы выделиться в ви де метана при полигонном захоронении отходов. Повсеместно ведется строи тельство новых ТЭС на ТБО, причем, как правило, со значительной долей ка питальных вложений со стороны энергетических компаний.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальных задач технического, экономического и технологического характера, обеспечивающих создание и широкое внедрение в условиях России тепловых электростанций на основе широкодоступного ВИЭ – ТБО.

Цель – на основе полученных результатов лабораторных и промышленных исследований разработать технологические основы экологически безопасного метода энергетической утилизации ТБО для создания отечественной ТЭС на ТБО с учетом мирового опыта, перспективных направлений в развитии россий ской электроэнергетики и современного состояния отечественного машино строения в России.

Направления исследования 1. Аналитический обзор существующего положения в области энергетиче ского использования ТБО в России и за рубежом.



2. Исследование теплотехнических характеристик ТБО, отдельных состав ляющих компонентов и их минеральной части.

3. Экспериментальное исследование процессов термической утилизации ТБО на действующих в России установках.

4. Разработка теоретических положений и экспериментальное исследование принципиально новой для России технологии сжигания ТБО в вихревом кипя щем слое.

5. Повышение эффективности преобразования энергии ТБО в электрическую и тепловую энергии.

6. Лабораторные и полупромышленные исследования коррозионной стойко сти различных марок сталей в обоснование повышения параметров пара энер гоустановок.

7. Экспериментальное обоснование эффективности применения технологии очистки образующихся при сжигании ТБО дымовых газов с применением по лусухого метода.

8. Расчетно-экспериментальный анализ твердых остатков, образующихся при сжигании ТБО, и выбор метода их дальнейшей утилизации.

9. Обоснование основных технико-экономических показателей современной отечественной ТЭС на ТБО.

10. Разработка профиля отечественной ТЭС на ТБО.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов и выводов В работе использованы апробированные методы исследования и сертифи цированные в России методики измерений. Решения поставленных задач ба зируются на экспериментальных данных и общепринятых теоретических по ложениях теплотехники и математического моделирования. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием извест ных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теорети ческих результатов с данными лабораторного эксперимента и промышлен ных испытаний, результатами многолетней эксплуатации технологического оборудования, а также результатами исследований других авторов.

На защиту выносятся:

1) методика и результаты определения характеристик и свойств ТБО, кото рые необходимы при проектировании ТЭС на ТБО, проведении наладочных ра бот и составлении режимных карт на действующих объектах;

2) методика проведения и результаты испытаний на энерготехнологических установках, основным топливом которых являются ТБО;

3) результаты практического освоения принципиально новой для России тех нологии сжигания ТБО в вихревом кипящем слое;

4) экспериментальные данные по коррозионной стойкости материалов труб для пароперегревательных поверхностей нагрева котлов, сжигающих ТБО;

5) результаты исследования эффективности сухого и полусухого методов очистки газообразных продуктов сгорания от токсичных составляющих, обра зующихся при сжигании отечественных ТБО;

6) профиль и технико-экономические показатели перспективной отечествен ной ТЭС на ТБО.

Научная новизна Впервые в России выполнены комплексные систематические исследования процессов и технологий, обеспечивающие экологически безопасное использо вание ТБО на ТЭС и обосновавшие возможность широкого использования в РФ электростанций, основным топливом которых являются ТБО.

Разработана, протестирована и принята в виде стандарта предприятия мето дика определения теплотехнических характеристик ТБО, необходимых для вы бора и эффективной эксплуатации технологического оборудования предпри ятий для термической переработки ТБО.

Разработана методика проведения испытаний на энерготехнологических ус тановках, основным топливом которых являются ТБО. С ее помощью выполне ны экспериментальные исследования процессов термической переработки ТБО на нескольких действующих в России установках. Проведено освоение прин ципиально новой для России технологии сжигания ТБО в вихревом кипящем слое. Определены пути повышения эффективности преобразования энергии ТБО в электрическую и тепловую.

Получены и обобщены экспериментальные данные по коррозионной стойко сти материалов труб для пароперегревательных поверхностей нагрева котлов, сжигающих ТБО, на основании которых определены приоритетные марки ста лей для этих поверхностей при проектировании отечественных котлов.

Установлено и исследовано влияние минеральной части ТБО на связывание в газоходах котла газообразных соединений серы, хлора и фтора, образующихся в процессе сжигания, содержание которых в уходящих газах нормируется при родоохранными органами.

Впервые в России на промышленных установках проведены эксперимен тальные исследования эффективности различных технологий очистки газооб разных продуктов сгорания, образующихся при сжигании отечественных ТБО, от вредных веществ, включая полихлорированные дибензо-пара-диоксины (ПХДД) и полихлорированные дибензофураны (ПХДФ).

Новизна технических решений подтверждается пятью патентами РФ.

Практическая полезность Разработанные методические указания по проведению испытаний на уста новках для сжигания ТБО и методика определения их теплотехнических харак теристик позволяют получить данные для составления режимных карт, оценить эффективность работы и разработать рекомендации по улучшению дальнейшей эксплуатации подобных установок.

Расчетно-аналитические и экспериментально полученные результаты иссле дований на котельном и газоочистном оборудовании составляют методологиче скую основу для проектирования отечественных современных ТЭС на ТБО.

Реализация результатов работы Результаты работы использованы:

- при проведении пусконаладочных испытаний на Череповецком заводе для комплексной переработки ТБО и Московском спецзаводе (МСЗ) № 4;

- в виде проектно-конструкторской документации по реконструкции МСЗ № 2 и 4 с целью повышения их производительности;

- в технических предложениях по созданию отечественных типовых энерго технологических комплексов для термической переработки ТБО с выработкой тепловой и электрической энергии (ТЭС на ТБО), разработанных по контракту с Правительством Москвы.

Апробация работы Результаты, представленные в диссертации, получены в ходе выполнения до говорных и инновационных работ в рамках научно-исследовательских про грамм РАО «ЕЭС России», Правительства Москвы, Минобрнауки России. Ма териалы исследования докладывались и получили положительную оценку на Научно-технической конференции «Развитие технологий подготовки и сжига ния топлива на электростанциях» (Москва, 1996);

Международной конферен ции «Информационные средства и технологии» (Москва, 2001);

2-й Всероссий ской конференции «Процессы, технологии и оборудование для переработки от ходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов» (Самара, 2003);

2-й Международной конференции «Энергия из биомассы» (Киев, 2004);

2-й Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбе режение – теория и практика» (Москва, 2004);

Международном семинаре «Ев ропейский Союз-Россия. Совместная программа исследований в области био энергетики» (Москва, 2004);

4-м и 5-м Международных конгрессах по управле нию отходами (ВэйстТэк) (Москва, 2005, 2007);

V Международной научно технической конференции «Повышение эффективности производства электро энергии» (Новочеркасск, 2005);

VII Всероссийской научно-практической кон ференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красно ярск, 2006);

4-й научно-практической конференции «Минеральная часть топли ва, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 2007);

с 3-й по 7-ю Международных научно-практических конференциях «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011);

на 3-й Международной научно-практической конференции «Актуальные про блемы энергетики» (Екатеринбург, 2007);

9-th Int. Conf. on CFB «Circulating Flu idized Bed Technology IX» in conjunction with 4-th Int. VGB Workshop «Operating Experience with Fluidized Bed Firing Systems» (Hamburg, Germany, 2008);

Меж дународном семинаре «Сотрудничество в области энергетических технологий:

глобальные вызовы и согласованные действия» (Москва, 2008);

3-й Междуна родной конференции «Альтернативные источники энергии для больших горо дов – 2008» (Москва, 2008);

2-й научно-практической конференции «Комплекс ное использование вторичных ресурсов и отходов» (Санкт-Петербург, 2009);

Научно-практической конференции «ЗАО «Энергомаш (Белгород)» –70 лет в энергетике» (Белгород, 2009);

Круглом столе «Использование возобновляемых источников энергии в ЖКХ» в программе 5-й специализированной отраслевой выставки «ЖКХ-2010: технологии, инновации, новое качество» (Москва, 2010);

круглом столе «Перспективы получения тепловой и электрической энергии при утилизации твердых бытовых отходов в условиях мегаполиса» в рамках VIII Международного форума «Топливно-энергетический комплекс Украины: на стоящее и будущее» (Киев, 2010);

Международной конференции Waste to Business Solutions «Перспективы производства и потребления альтернативного топлива из отходов в России» (Москва, 2010);

Конференции Международной ассоциации по твердым отходам (ISWA) «Передовые технологии переработки и захоронения отходов: ориентиры применения и критерии выбора» (Москва, 2011);

5-й научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы» (Челябинск, 2011);

ХХII Международной конференции «Проблемы экологии и эксплуата ции объектов энергетики» (Ялта, 2012). По теме диссертации делались сообще ния и доклады на научно-технических советах ВТИ в 1996–2012 гг.

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 77 научных работ, в том числе 26 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, одна монография и пять патентов РФ.

Структура и объем Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, 3 приложений, из ложена на 349 страницах машинописного текста, включающих 112 рисунков, 92 таблицы и библиографический список из 229 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отмечены научная новизна, практическая значимость полученных ре зультатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современного мирового состояния в облас ти использования ТБО в качестве возобновляемого источника энергии и дано понятие о ТЭС на ТБО.

Показано, что за рубежом практически на всех современных предприятиях выделяемая в процессе термической переработки ТБО энергия обязательно преобразуется в тепловую для отпуска потребителю или для дальнейшей выра ботки электроэнергии. Европейским законодательством предложена формула оценки энергоэффективности (Э) таких предприятий, которую применительно к российским условиям можно представить следующим образом:

E ( E f Ei ) Э p 0,97 ( Ew Ei ), где Е р – энергия, отпущенная потребителю в виде тепла или электроэнергии, ГДж/год. Эта величина умножается на коэффициент 1,1 при отпуске тепла и на 2,6 при выработке электроэнергии;

E f – теплота дополнительного топлива, за траченного на производство энергии, ГДж/год;

Ew – энергия, содержащаяся в перерабатываемых отходах, рассчитанная с учетом их теплоты сгорания, ГДж/год;

Ei – импортируемая энергия, получаемая от внешнего поставщика, ГДж/год, исключая Ew и E f ;

0,97 – коэффициент, учитывающий тепловые поте ри с золошлаками и в окружающую среду.

На современных предприятиях с экономической и экологической точек зрени ях энергетическая эффективность процесса составляет 0,60 0,65 (60 65 %).

Если предприятие, удовлетворяющее этому требованию, специализируется на отпуске электроэнергии внешнему потребителю (или на комбинированном отпуске тепловой и электрической энергии), его можно считать ТЭС на ТБО.

Вырабатывать электроэнергию за счет термической утилизации ТБО становит ся экономически целесообразным, если доходы от продажи электроэнергии по крывают расходы, связанные с дополнительными капитальными и эксплуата ционными затратами на приобретение, установку и обслуживание основного и вспомогательного электрогенерирующего оборудования. Для каждой конкрет ной страны с учетом сложившихся в ней тарифов на покупку электроэнергии, а также законодательства и налогообложения, производство электроэнергии на предприятиях, сжигающих ТБО, становится прибыльным, если годовой отпуск электрической энергии превышает некоторое пороговое значение. В России, например, как показывают выполненные в работе оценочные расчеты, сейчас этот предел находится на уровне 100 тыс. МВтч в год (установленная электри ческая мощность должна быть не менее 15 МВт).

Данные о количестве таких пред приятий за рубежом иллюстриру ются на рис. 1.

Практически все такие ТЭС на ТБО принадлежат ведущим миро вым энергетическим компаниям.

Решающими факторами, опреде ляющими электрическую мощность ТЭС на ТБО, являются прогнози руемый расход поступающих на пе реработку отходов и их свойства.

Рис. 1 Общее количество предприятий для (Электрическая мощность обычных термической переработки ТБО (1), включая ТЭС ТЭС, на которых сжигают органи ческое топливо, как правило, выби- на ТБО (2 установленная электрическая мощ ность более 15 МВт), в Германии, Франции и рается исходя из потребности ре- США гиона в электроэнергии).

Количество поступающих ТБО, зависит от ряда факторов к которым в пер вую очередь относятся численность населения, удельный объем накопления ТБО в конкретном регионе, а также политика региональных властей в области обращения с отходами с учетом наметившихся мировых тенденций в сфере управления ТБО, таких, например, как раздельный сбор и сортировка.

Адекватная оценка указанных факторов в настоящее время и на перспективу позволила разработать типовой мощностной ряд (по количеству перерабаты ваемых отходов) для отечественных ТЭС на ТБО: 180, 360 и 540 тыс. тонн ТБО в год. С учетом результатов экспериментально-аналитического изучения тепло технических свойств ТБО была определена установленная электрическая мощ ность этих ТЭС: 12, 24 и 36 МВт.

Важным этапом создания ТЭС на ТБО является разработка и обоснование принципиальных технических и технологических решений, позволяющих мак симально эффективно преобразовать энергетический потенциал ТБО в элек трическую энергию с наименьшим воздействием на окружающую среду и с оп тимальными показателями по надежности и экономичности.





Первоочередная задача в этом направлении выбор метода и технологии термической переработки ТБО, которые наиболее технически приемлемы и экономически обоснованы для ТЭС на ТБО в российских условиях. К техноло гиям термической переработки ТБО, прошедшим промышленную апробацию, относятся: сжигание на механических колосниковых решетках в слоевых топ ках (в настоящее время во всем мире эксплуатируется более 2 тыс. установок), сжигание в кипящем слое (около 200 установок), сжигание в барабанных печах (примерно 20 установок), комбинированные методы с использованием процес сов пиролиза и газификации, в том числе с плазматронами. Некоторые техноло гии находятся на стадии освоения (лабораторных, стендовых и полупромыш ленных исследований).

По результатам анализа, проведенного с использованием разработанных тех нических, технологических, экологических и социально-экономических крите риев, показано, что для российских ТЭС на ТБО сжигание в слоевых топках практически несортированных ТБО с минимальной их подготовкой является наиболее целесообразным и экономически обоснованным способом термиче ской утилизации ТБО как в настоящее время, так и на обозримую перспективу.

Ключевой задачей в процессе создания отечественной ТЭС на ТБО является разработка основных путей повышения эффективности электростанции на всех стадиях, начиная от подготовки ТБО к сжиганию и заканчивая очисткой и пе реработкой образующихся твердых и газообразных продуктов сгорания. С це лью комплексного решения этой задачи сформулированы основные направле ния исследований, результаты которых представлены в последующих главах.

Для получения исходных данных и проектирования типовой отечественной ТЭС на ТБО необходимо:

сформировать концепцию топливообеспечения ТЭС на основе экспери ментальных исследований свойств ТБО и их минеральной части;

разработать и апробировать технологию эффективного сжигания ТБО на основе обобщения результатов экспериментального сжигания ТБО на дейст вующем оборудовании;

обосновать основные пути повышения энергетической эффективности па росилового оборудования ТЭС на ТБО;

обосновать и экспериментально апробировать на действующих установках технологию очистки газообразных продуктов сгорания ТБО (с учетом отечест венной специфики);

исследовать характеристики и свойства золошлаковых остатков и твердых продуктов газоочистки, образующихся при сжигании ТБО, и разработать реко мендации по их переработке и утилизации.

Во второй главе выполнено экспериментальное определение и анализ теп лотехнических свойств ТБО и их минеральной части.

ТБО представляют собой многокомпонентную гетерогенную смесь материа лов с различным элементным составом, удельной теплотой сгорания и мине ральной частью, а также фракционным и гранулометрическим составом. Ос новные горючие компоненты этой смеси известны – это пищевые и бумажные отходы, пластик, текстиль, кожа, древесина. Однако, даже зная удельные весо вые показатели этих компонентов в общей массе смеси, определить интеграль ные теплотехнические характеристики ТБО, используя принятый в теплотехни ке метод расчета, практически невозможно. Трудность заключается в том, что содержание влаги в каждом из перечисленных компонентов зависит от сезона, природных условий, места и метода сбора, культуры населения и т. д. и меняет ся в достаточно широком диапазоне. Кроме того, смесь горючих отходов забал ластирована камнями, металлом, стеклом и другими негорючими материалами.

В этой связи была специально разработана и прошла промышленную апро бацию новая оригинальная методика определения основных теплотехнических характеристик ТБО, наиболее приспособленная для прикладного использования на энергоустановках, сжигающих ТБО.

Суть методики состоит в том, что отобранная представительная проба ТБО предварительно путем просеивания через грохот с размером ячеек 5050 мм разделяется на мелкую и крупную фракции. Последняя сортируется по компо нентным группам на бумагу, текстиль, пластмассу, металл, другие неорганиче ские материалы и пищевые отходы. Определяется массовая доля K nr каждой из этих компонентных групп, включая долю мелкой фракции. Далее в лаборатор ных условиях измеряется влажность ( Wtnr ) и зольность на сухую массу ( And ) этих компонентных групп, а затем рассчитываются интегральные значения удельной теплоты сгорания ( Qir ), влажности (Wt r ) и зольности ( Ar ) в целом для ТБО по формулам:

Qir K nr (1 Wtnr 100 )(1 And 100 ) Qin 0,02442 ( K nr Wtnr ) ;

daf K A (100 W ) 1 ( K W ) r d r r r Wt ( K W ) ;

A r r r r n n tn n tn K (100 W ), n tn r r n tn где Qin – низшая удельная теплота сгорания на сухую беззольную массу (при daf нимается по табл. 1).

Таблица Низшая удельная теплота сгорания на сухую беззольную массу основных компонентных групп ТБО, МДж/кг Пищевые Мелкие отходы Бумага Текстиль Пластмасса отходы (менее 50 мм) 16,9 22,6 27,4 18,2 20, Значения, приведенные в табл. 1, получены путем определения в лаборато рии ВТИ удельной теплоты сгорания для каждого вида отходов, входящих в со став компонентной группы, и последующего усреднения полученных величин для группы в целом. При определении теплоты сгорания мелкой фракции (ме нее 50 мм) усреднение проводили по фракциям: менее 2,5 мм;

2,5…20 мм и 20…50 мм, на которые дополнительно разделяли общую мелкую фракцию, и для каждой из них определяли удельную теплоту сгорания. Для металла и не органических материалов удельная теплота сгорания принималась равной нулю.

Разработанная методика прошла апробацию на Московском спецзаводе № (МСЗ № 2), где с ее использованием было проведено несклько опытов по опре делению теплоты сгорания, влажности и зольности ТБО, поступающих на сжи гание. Полученные данные сравнивались с результатами балансовых тепловых испытаний, выполненных в то же время. Разница в значениях, определенных обоими способами, не превысила 6,6 % средней величины.

В дальнейшем оформленную в виде стандарта организации (СТО ВТИ 44.0012011) методику применяли для получения исходных данных по ТБО, которые использовались для проектирования нового и реконструкции сущест вующего оборудования для сжигания ТБО, а также для разработки и система тического обновления режимных карт действующих установок московских заводов.

С применением методики были определены усредненные морфологический состав и характеристики ТБО, образующихся в настоящее время в столице. По лученные результаты по морфологическому составу ТБО г. Москвы приведены в табл. 2, в которую для сравнения помещены еще обобщенные справочные данные и результаты, полученные Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова (АКХ) в последние годы.

Таблица Морфологический состав ТБО г. Москвы, % Результаты экспериментального определения Справочные Компоненты, % данные по разработанной по методике АКХ* методике Бумажные отходы 40…45 19,7/18, 16… Дерево 1…2 0,88/0, Пищевые отходы 26…30 5… 18/7, 4,26/4,26** Текстиль 4… 2,5…5, Кожа, резина 0,5…1 0,81/0, Металл 3,5…5,5 1,8… 1,83/1, Стекло 2…3 7… 16,82/14, (в основном стекло) Камни 0,5…1 0,98/0, 14,21/12,68*** Пластмасса 5…6 15… Кости 1…2 – 32…38***** Прочее 1…3 12,1/6, 5…7**** 10,41****/ Отсев (мелкая фракция) В числителе – общее содержание, в знаменателе – отходы более 50 мм.

Включая памперсы.

Суммарная с ПЭТФ.

Отсев 15 мм.

Отсев 50 мм.

Анализ таблицы показывает, что общее количество отходов с размером фракций менее 50 мм, определенные АКХ, составляет 31,83 %, что хорошо со гласуется с результатами, полученными в процессе выполнения работы.

В процессе опытов определена общая влажность ТБО, которая в зависимости от времени года, атмосферных условий и особенностей сбора меняется от 32 до 44 %, и зольность (на сухую массу), значение которой варьируется в пределах 40…50 %.

Теплота сгорания на рабочую массу исследованных проб находилась в пре делах 5,8…7,6 МДж/кг, иногда повышаясь почти до 8,4 МДж/кг, и зависела, в основном, от влажности ТБО. При тех колебаниях морфологического состава ТБО, указаных в табл. 2, теплота сгорания горючей части ТБО менялась в не больших пределах: 21,1…22,2 МДж/кг. Элементный состав горючей массы: Cdaf – 55…57,5 %;

Нdaf – 7,2…7,6 %;

Odaf – 32,4…35,3 %;

Ndaf – 1,0…1,2 %;

Sdaf – 0,7…1,25 %, Cldaf – 0,77…1,0 %.

Минеральная часть исходных ТБО содержит (%): SiO2 – 57,9…76,4;

TiO2 – 0,4…0,6;

Al2O3 – 3,7…5,0;

Fe2O3 – 1,3…2,2;

CaO – 8,1…14,0;

MgO – 0,8…1,1;

K2O – 1,1…1,5;

Na2O – 2,0…4,9;

SO3 – 2,7…6,2;

P2O5 – 0,9…4,4;

Cl – 1,3…1,6;

микроэлементы – 0,5…0,6.

В третьей главе обобщены результаты исследований наиболее целесообраз ных для российских условий технологий термической переработки ТБО: слое вого сжигания на механической колосниковой решетке и сжигания в вихревом кипящем слое. Исследования выполнены в процессе испытаний на вновь вве денных в эксплуатацию предприятиях: Московских спецзаводах № 2 и 4.

МСЗ № 2, на котором реализовано слоевое сжигание отходов на механиче ской колосниковой обратно-переталкивающей решетке, был пущен в эксплуа тацию в 1999…2000 гг. В его состав входят три турбины П-1,2-13/6 Калужского турбинного завода и три энерготехнологические установки для термической переработки ТБО, основным оборудованием которых являются топка, котел утилизатор и многоступенчатая система газоочистки с использованием карба мида, щелочного реагента и активированного угля.

На рис. 2 представлена схема технологического процесса переработки ТБО на МСЗ № 2.

1 – приемное отделение для ТБО;

2 – приемный бункер;

3 – котлоагрегат;

4 – узел пода чи активированного угля;

5 – абсорбер;

6 – рукавный фильтр;

7 – бункер шлака;

8 – бун кер золы Рис. 2 Схема процесса термической переработки ТБО на Московском спецзаводе № (показана одна энерготехнологическая установка) Специфика технологических процессов на МСЗ № 2 и вообще на установках, сжигающих ТБО, по сравнению с традиционными котлами обусловлена необ ходимостью сжигать ТБО с широким диапазоном изменения удельной теплоты сгорания;

обязательной выдержкой газообразных продуктов сгорания при тем пературе более 850 C в течение не менее 2 с для разложения ПХДД/ПХДФ, ко торые могут образовываться при горении ТБО;

ограничением их температуры на входе в конвективные поверхности (не более 750 C) по условиям миними зации шлакования этих поверхностей;

поддержанием оптимальной для работы системы газоочистки температуры дымовых газов на выходе из котла.

Принимая во внимание вышеуказанные особенности были разработаны ме тодические указания по проведению испытаний, апробированые на МСЗ № 2.

Для определения тепловой эффективности проводились балансовые испытания, суть которых заключается в сведении теплового баланса сжигательного и ути лизационного оборудования на основе измеренных параметров. Тепловая мощ ность установки, т. е. теплота, отведенная рабочей средой (водой и/или паром), и потери с уходящими газами, химической неполнотой сгорания и с теплом шлака определяются принятыми в теплоэнергетике методами.

Для оценки потерь тепла от механической неполноты сгорания Q4 (кДж/ч), принимая во внимание специфичные свойства образующихся золошлаковых остатков (см. гл.6), была предложена формула:

100 Wшл 19600mм (1 Aмd ) 32700mс (Сшл,с 0,22Сшл,с ) 32700BзСун, r Q4 Bшл 2/ где Вшл и Вз – расходы шлака и золы, кг/ч;

mм, mс – удельные массовые доли мягкой и силикатной частей шлака;

A м – зольность мягкой части, определяе d мая при исследованиях потерь при прокаливании;

Сшл, с и Сун – содержание го рючих в силикатной части шлака и золе-уносе на сухую массу, определяемые термогравиметрическим методом;

Wшл – влажность шлака, %.

r Потери тепла от наружного охлаждения Q5 (кДж/ч), которые для установок, сжигающих ТБО, особенно небольшой производительности, могут достигать 10 % и выше, предложено определять по формуле:

Q5 3,6 q5, в ( S в 1,075 S г ), где Sв, Sг – площади вертикальной и горизонтальной наружных поверхностей котла, м2;

q5,в – удельный тепловой поток через вертикальную наружную по верхность, Вт/м2, вычисляемый по формуле:

/ 3 ) 5,39 10 8 (Tсm (Tсm T ) 4 ), q5, в 0,043( Pr 3 T 1 4 2 где – теплопроводность, Вт/(мК);

Pr – число Прандтля;

– кинематическая вязкость, м2/с. Величины, Pr, определяются по средней величине между температурой наружной поверхности котла (Тсm) и окружающего воздуха (Токр).

Температурный перепад (T) вычисляется, как:

T = Тсm Токр.

Для вертикальных поверхностей нагрева котла с характерным линейным размером L больше 3 м и для горизонтальных поверхностей с L 0,3 м величи на q5,в может определяться из рис. 3 по температуре наружной поверхности (Тсm) и температурному перепаду между этой температурой и температурой ок ружающей среды (T). Для вертикальных поверхностей характерным линей ным размером является высота. Для горизонтальной плоской поверхности, об ращенной вверх, характерный линейный размер равен отношению площади по верхности к периметру.

С использованием разработанной методики на энерготехнологических установках МСЗ № 2 были выпол нены испытания, в результате кото рых установлено, что КПД котель ного агрегата соответствует совре менным мировым показателям для таких установок и достигает 75 %.

Анализ результатов газовых из мерений показал, что выбранные в процессе наладочных испытаний режимы термической переработки Рис. 3 Удельные тепловые потери от наруж ТБО позволяют обеспечить после ного охлаждения вертикальных поверхностей на дополнительной газоочистки эколо- грева с высотой более 3 м и Pr более 0, гически приемлемые выбросы вредных веществ в атмосферу. Содержание остаточных горючих веществ, по которым судят о качестве процесса сжигания, соответствует требуемым норма тивам. Таким образом, термическая утилизация отечественных ТБО с исполь зованием технологии слоевого сжигания на механической колосниковой ре шетке происходит с соблюдением всех современных мировых требований и нормативов, в том числе, установленных природоохранными и санитарными органами Москвы.

Требуемые показатели были достигнуты и на МСЗ № 4, где осваивалась прин ципиально новая для России технология сжигания топлива в вихревом кипящем слое. Однако для их достижения потребовалось выполнить наладочные и иссле довательские работы, позволившие решить проблемы, изложенные ниже.

В состав МСЗ № 4 входят две турбины Калужского турбинного завода элек трической мощностью 6 МВт каждая и три энерготехнологические установки для термической переработки твердых бытовых отходов с использованием тех нологии сжигания в вихревом кипящем слое (рис. 4).

Суть этой технологии заключается в том, что в нижней части топки, в кото рой происходит основное горение отходов, за счет соответствующей подачи воздуха, формы решетки и конструкции топки формируются парные вихревые зоны – так называемый вихревой кипящий слой. Для удаления шлака исполь зуют контур внешней циркуляции материала слоя, состоящий из водоохлаж даемых шнеков выгрузки, вибросита, из которого крупная зола слоя (шлак) от водится из установки, а мелкая зола с помощью горизонтального шнека и эле ватора поступает в перепускной бункер и возвращается в топку.

1 – топка с кипящим слоем;

2 – котел-утилизатор;

3 – циклон;

4 – распылительный аб сорбер;

5 – узел подачи реагентов;

6 – рукавный фильтр;

7, 8 – газовые горелки;

9 – бункер песка;

10 – перепускной бункер;

11 – элеватор;

12 – шнеки выгрузки;

13 – вибросито;

14 – шлаковый транспортер;

15…18 – бункеры твердых остатков;

19, 20 – бункеры реагентов;

21 – резервуар для приготовления известкового молока;

22 – дымосос рециркуляции дымовых газов (не используется);

23 – дымосос;

24…26 – вентиляторы воздуха;

27 – турбоагрегат;

28 – дымовая труба.

Рис. 4 Схема энергетической утилизации ТБО на МСЗ № Кроме топки, в состав каждой энерготехнологической установки входят рас положенные за ней последовательно по ходу газов котел-утилизатор, циклон, абсорбер, в котором распыливают известковое молоко, узел подачи реагентов для улавливания диоксинов, фуранов и ртути, рукавный фильтр и дымосос.

Основной объем исследований на МСЗ № 4 был направлен на изучение про цессов, протекающих в зоне кипящего слоя, и оценку влияния ключевых фак торов на надежность работы топки.

Установлено, что в отличие от сжигания на колосниковой решетке, при сжи гании отходов в вихревом кипящем слое любые нарушения:

в распределении или расходе первичного (ожижающего) воздуха;

в работе контура внешней циркуляции материала слоя;

связанные с выбегом температуры слоя за установленные пределы;

вызванные попаданием и накоплением крупных материалов (с размерами более 50 мм), в первую очередь металлических фрагментов, в слое, могут вызвать его шлакование, которое приводит к продолжительному остано ву всей энерготехнологической установки.

В результате специально проведенных опытов с различным распределением первичного воздуха по зонам воздухораспределительной решетки удалось обеспечить наличие выраженных парных вихревых зон в слое и улучшить пе ремешивание ТБО и выгрузку материала слоя. Дальнейшие исследования, связанные с варьированием расхода первичного воздуха, выявили закономер ности влияния этого расхода на тепловыделение в нижней части топки и рост за счет этого температуры слоя, эффективность реализованного двухступенчатого сжигания, потери наполнителя слоя (песка) с уносом. По их результатам был определен диапазон возможных отклонений расхода первичного воздуха от но минального и разработаны рекомендации по корректирующим мероприятиям в случае возможных технологических нарушений.

Значительный объем выполненных исследований был направлен на обеспе чение надежной работы контура внешней циркуляции материала слоя. Удалось установить экспериментальное соотношение между производительностью ус тановки, зольностью отходов и частотой вращения шнеков выгрузки. Напри мер, при сжигании 16 т/ч отходов с зольностью примерно 30 % оптимальная частота вращения этих шнеков должна составлять 13…14 об/мин. (рис. 5).

В этом случае из топки выгружается около 20 т/ч материала: примерно 3…4 т/ч в виде шлака (золы слоя) выводится наружу, а остальной материал (более 80 %) возвращается в слой.

Рис. 5 Зависимость расхода выгрузки инертного материала из топки от скорости враще ния шнеков Определены тепловые потери, связанные с циркуляцией материала слоя (рис. 6), снижающие тепловую эффективность установки (КПД) примерно на 2 %.

Большой объем исследовательских работ был выполнен для определения до пустимых температур в зоне кипящего слоя и оценки эффективности возмож ных мероприятий по регулированию этих температур.

Установлено, что при температуре выше 700 С велика вероятность шлако вания слоя и интенсивного образования отложений на стенах топки, а сжигание отходов при температуре менее 550 С происходит с неполным сгоранием от дельных компонентов ТБО, что в конечном итоге вызывает завал пода топки непрогоревшими отходами.

Исследована возможность регу лирования температуры слоя путем сжигания дополнительного топли 26…34 % ва в специальных горелках (см.

32…48 % поз. 7, рис. 4), размещенных в зоне кипящего слоя и первоначально предназначенных для растопки топки и поддержания температур ного режима при отключении по 17…23 % дачи ТБО (например, во время очи стки вибросит).

5…8 % 4…6 % Основная проблема использова ния таких горелок для регулирова ния температуры слоя заключалась Рис. 6 Структура тепловых потерь в конту- в том, что при работе на низких на ре внешней циркуляции материала слоя (Общие грузках с течением времени проис тепловые потери в контуре составляют ходит интенсивное шлакование и 0,37…0,54 МВт) забивание нижней части их амбра зур (рис. 7). Это приводит к отклонению факела горелки вверх и препятствует разогреву слоя до нужной температуры. В ряде случаев приходилось останав ливать всю установку для расшлаковки амбразур горелок.

Выполненное численное моделирование процесса взаимодействия факела в го релке и восходящего потока материала вихревого кипя щего слоя показало, что дей ствительно при малых на грузках горелки в нижней части амбразуры формиру ется рециркуляционная зона, в которую попадают части цы из топки и сепарируются на нижний скат амбразуры горелки. Механизм форми рования зоны связан в ос Рис. 7 Шлакование амбразур горелок, новном с отрывом факела от расположенных в районе кипящего слоя нижней стенки горелки.

На рис. 8 показано поле скоростей в горелке при умеренной (характерной для режимов поддержания температуры слоя) производительности горелки. На нем отчетливо видна зона рециркуляции в устье горелки.

По результатам численного моделиро вания разработан проект реконструкции амбразуры горелки, который был реали зован на всех трех установках. В ходе последующей эксплуатации шлакование амбразур горелок наблюдалось сущест венно реже.

Еще одним важным итогом исследо ваний технологии сжигания в вихревом кипящем слое является полученная ко личественная оценка образующихся зо лошлаковых остатков и их перераспре Рис. 8 Изоповерхность скорости в го деление между шлаком (золой слоя) и релке (U = 0). Расход газа на горелку состав золой-уноса по тракту установки ляет 10 % максимального (рис. 9).

Рис. 9 Результаты балансовых опытов по определению доли образующихся шлака (золы слоя) и золы-уноса и ее улавливанию по тракту установки, % Установлено, что в отличие от колосникового сжигания при сжигании в вих ревом кипящем слое уносится в 2,0…3,5 раза больше золы, и соответственно доля золы-уноса составляет 20…30 % общего количества золошлаковых остат ков, бльшая ее часть оседает в котле-утилизаторе и циклоне (более 85 % обще го количества летучей золы).

Эти обстоятельства учитывались при сведении теплового баланса и анализе результатов тепловых испытаний и при разработке мероприятий, связанных с дальнейшим использованием золошлаковых остатков.

По результатам исследований были разработаны новые и внесены изменения в имевшиеся алгоритмы управления процессом сжигания, что значительно по высило надежность работы топки и в целом всей энерготехнологической уста новки МСЗ № 4.

В процессе работы показана принципиальная возможность увеличения про изводительности МСЗ № 2 и 4, что в дальнейшем позволило подготовить и принять Постановления Правительства Москвы и выполнить проекты реконст рукции этих заводов с увеличением производительности МСЗ № 2 со 130 до 180 тыс. тонн в год и МСЗ № 4 с 250 до 280 тыс. тонн в год.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований в обоснование возможности увеличения энергетической эффективности ТЭС на ТБО за счет повышения параметров пара. Показано, поскольку КПД современ ных котлов близок к своему предельному значению, этот путь является наибо лее действенным для достижения цели.

На большинстве ТЭС на ТБО параметры пара находятся на уровне 1,3…4,0 МПа, 320…420 С. Столь низкие по сравнению с традиционными энергоустановками параметры пара обусловлены чрезвычайно высокой корро зионной агрессивностью продуктов сгорания ТБО по отношению к металлу труб пароперегревателя.

Анализ возможностей показал, что в этих условиях задача повышения пара метров пара может решаться путем:

- дополнительного перегрева пара за счет использования выносного паропе регревателя, установленного, например, в другом котле, сжигающем традици онное органическое топливо, или в котле-утилизаторе ПГУ;

- применения защитных покрытий на трубах пароперегревателя;

- использования топливных присадок, снижающих коррозионную активность продуктов сгорания;

- применения коррозионно-стойкого материала для поверхностей нагрева па роперегревателя.

Выполнена оценка эффективности и возможности реализации на котлах оте чественных ТЭС на ТБО перечисленных выше путей и установлено, что наибо лее целесообразным является последний.

Выбор приоритетных сталей осуществлялся на основании результатов экспе риментальных стендовых исследований и ресурсных промышленных испыта ний, выполненных Зеликовым Е. Н. под руководством соискателя. Для иссле дования были выбраны следующие марки котельных сталей: Сталь 20, 09Г2С, 15ГС, 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ, ДИ82, ДИ59, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 16Mo3 и Р235GH. (Из двух последних изготовляют трубы пароперегревателей для зару бежных котлов, сжигающих ТБО). Исследования в таком объеме в России про водились впервые.

На экспериментальном стенде коррозионно-агрессивные условия моделиро вались путем поддержания заданного состава газовой среды и нанесением на поверхность образцов золовых отложений, отобранных на МСЗ № 4. Для оцен ки коррозионной стойкости для всех сталей был выбран весовой метод (опре деление потери массы образцов в процессе испытаний). Для некоторых образ цов применялся также метод непосредственного измерения глубины коррозии.

Результатами стендовых испытаний установлено, что в газовой среде с со держанием HCl до 300 мг/м3 при температуре поверхности металла 450 С (без отложений) скорость высокотемпературной газовой коррозии значительно воз растает (до 35 раз) по сравнению со скоростью коррозии на воздухе в анало гичных температурных условиях. Наличие на поверхности металла хлорсодер жащих отложений резко увеличивает скорость коррозии (от 3 до 15 раз) по сравнению со скоростью коррозии в газовой среде с таким же содержанием HCl, но без отложений.

В интервале 100…300 ч продолжительность испытаний практически не влия ет на скорость общей коррозии для всех исследованных марок сталей, за ис ключением стали Ди 59. При этом скорость общей коррозии углеродистых (Сталь 20), перлитных и мартенситно-ферритных (09Г2С, 15ГС, 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ, ДИ 82, 16Мо3 и Р235GH) сталей значительно выше, чем сталей ау стенитного класса (08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, ДИ 59) (рис. 10).

Рис. 10 Влияние продолжительности испытаний на скорость общей коррозии (мм/г) по результатам стендовых испытаний в газовой среде (t = 440...450 С;

СO2 = 11,8 %, СH2O = 16,8 %;

, СHCl = 273,2 мг/м3;

под слоем отложений с содержанием хлоридов CClm = 10,8 %) Визуальный осмотр образцов после испытаний показал, что на поверхности углеродистых, перлитных и мартенситно-ферритных сталей оксидная пленка полностью отсутствует. На поверхности образцов из аустенитных сталей ок сидная пленка в той или иной мере частично сохраняется. Тем не менее, про слеживается тенденция ее безвозвратного разрушения, что вызывает увеличе ние скорости общей коррозии. В интервале 100…300 ч наиболее наглядно это проявляется для стали ДИ 59 (рис. 10).

Исходя из того, что на поверхности образцов оксидная пленка полностью от сутствует или, в конце концов, будет разрушена, и с учетом того, что продукты коррозии имеют рыхлую неоднородную структуру, сделано предположение, что скорость коррозионных процессов определяется в большей мере интенсив ностью физико-химических реакций. Тогда кинетический закон протекания рассматриваемой коррозии для всех исследованных сталей должен быть близок к линейному. Это предположение подтверждают результаты промышленных ресурсных испытаний, которые были выполнены на котле-утилизаторе МСЗ № 4. Образцы сталей были установлены в зоне температур 450...500 С и 250...300 С.

Результаты промышленных испытаний также показали, что как и в зарубеж ных исследованиях, при температуре металла до 450 С не прослеживается од нозначной связи между уровнем легирования и коррозионной стойкостью ко тельных сталей (рис. 11).

Рис. 11 Результаты промышленных коррозионных испытаний котельных сталей дли тельностью 1700 ч при температуре поверхности металла 450 и 250 С При температуре поверхности металла 450 С скорость коррозии высоколе гированных аустенитных сталей (12Х18Н12Т, 08Х18Н10Т, ДИ59) находится в диапазоне 1,77…3,48 мм/год, а для перлитных, углеродистых и мартенситно ферритных сталей – 1,41…4,04 мм/год. При температуре поверхности металла 250 С скорость коррозии: для высоколегированных аустенитных сталей – 0,12…0,26 мм/год;

для перлитных, углеродистых и мартенситно-ферритных – 0,1…0,18 мм/год.

На основании анализа и обобщения результатов стендовых и промышленных ресурсных испытаний предложена количественная зависимость глубины корро зии от температуры поверхности металла и продолжительности эксплуатации S = f(T, ). Для расчета такой характеристики применялся параметрический метод, основанный на законе Аррениуса:

Q, RT S K 0e n где S – глубина коррозии;

n – показатель параболы в кинетическом законе окисления;

K0 – константа, характеризующая данную сталь и коррозионную среду;

Q – кажущаяся энергия активации процесса, Дж/моль;

T – абсолютная температура, К;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК);

– про должительность, ч.

По результатам обработки полученных экспериментальных данных эта зави симость S = f(T, ) была преобразована в следующий вид:

b ln( S ) a ln( ), T где a, b – эмпирические константы, значения которых приведены в табл. 3.

Таблица Эмпирические константы для определения глубины коррозии котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО Марка стали a b Сталь 20 0,68 09Г2С – 1,02 15ГС – 1,31 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ – 0,87 ДИ 82 (10Х9МФБ-Ш) – 2,14 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т – 2,04 16Мо3 – 0,78 Р235GH – 1,1 Полученная зависимость позволяет в первом приближении оценивать ресурс и межремонтный период пароперегревателя котлов, сжигающих ТБО среднего состава (см. гл. 2), в диапазоне температур наружной поверхности трубы 250...500 С. Это в свою очередь позволит снизить внеплановые остановы котлов по причине выхода из строя труб пароперегревателей, а также выбрать марку стали для поверхностей нагрева в процессе проектирования новых котлов.

Представлены также практические рекомендации по проектированию паро перегревателей для работы в среде продуктов сгорания ТБО, которые в сочета нии с надлежащим выбором материала дают возможность повысить параметры пара до мирового уровня и увеличить срок службы пароперегревателя. К тако вым относятся: использование многоступенчатой компоновки пароперегрева теля с выбором марки котельной стали для каждой из ступеней;

создание кон струкции котла, обеспечивающей возможность замены ресурсоопределяющей ступени пароперегревателя в рамках текущего ремонта с минимальными затра тами;

использование новых средств очистки от отложений (например, ультра звуковой) и т. д.

В пятой главе приводятся результаты исследований в обоснование техниче ских решений, принятых по системе очистки газообразных продуктов сгорания ТБО от вредных выбросов.

Защита атмосферного воздуха – одна из наиболее актуальных задач, решение которой, как показывает мировой опыт, во многом определяет перспективы развития электростанций, использующих ТБО в качестве топлива. Как правило, нормативы по выбросам для ТЭС на ТБО более жесткие, чем принятые, напри мер, в России для электростанций, работающих на органическом твердом топ ливе (табл. 4).

Таблица Нормативные выбросы загрязняющих веществ с уходящими газами* энергетиче ских установок, сжигающих ТБО и органическое твердое топливо, мг/м Установки, сжигающие ТБО Энергетические Наименование установки для сжига средне- средне ния твердых топлив*** суточные получасовые Твердые частицы 10 30 100... Монооксид углерода 50 100 200... Оксиды азота (NOx) 200 400 200... Оксиды серы (SOх) 50 200 800... Хлористый водород Не нормируется 10 Фтористый водород То же 1 Тяжелые металлы: Среднее по пробам Ртуть (Hg) 0, // Кадмий, талий: Cd, Tl 0, Суммарно другие:

0, (Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V) // ПХДД/ПХДФ** 0,1 нг ЭТ/м Величины приведены для сухих газов, приведенных к стандартным условиям (температура – 273,15 К, давление – 101,3 кПа, концентрация О2 – 11 %).

В пересчете на токсичный эквивалент 2, 3, 7, 8 – ТХДД (ЭТ).

ГОСТ 5083195, в пересчете на = 2,0 для котлов паропроизводительностью до 320 т/ч.

Результаты выполненного аналитического обзора существующих методов и технологий очистки газообразных продуктов сгорания ТБО показывают, что практически невозможно организовать одновременное снижение выбросов всех основных регламентируемых показателей вредных веществ в рамках какого либо одного метода или на одной технологической стадии. Поэтому на совре менных установках проблема защиты атмосферного воздуха решается ком плексно, путем внедрения нескольких природоохранных методов и мероприя тий, реализуемых на разных стадиях технологического процесса термической переработки ТБО.

Очевидно, что выбор газоочистного оборудования определяется составом дымовых газов на выходе из котла, которые в свою очередь зависят как от ха рактеристик самих отходов и организации их сжигания в топке, так и от про цессов, происходящих при охлаждении дымовых газов при их прохождении че рез котел-утилизатор. Поэтому важно знать не только содержание, например, серы, хлора и других веществ в исходных ТБО (такие данные для отходов г. Москвы приведены во второй главе диссертации), но и оценить связывание этих веществ в топке и котле-утилизаторе.

С этой целью на МСЗ № 2 и 4 были выполнены исследования динамики вы вода соединений Cl, S и F по тракту: топка – котел-утилизатор – газоочистное оборудование. По данным испытаний и результатам выполненных расчетов ус тановлено, что за счет содержания в минеральной части ТБО таких элементов, как кальций, калий и натрий, в топке и котле-утилизаторе связываются практи чески вся сера, по крайней мере, 20…26 % хлора и 27…29 % фтора (табл. 5).

Таблица Результаты расчёта выхода серы, хлора и фтора с твердыми и газообразными продуктами термической переработки ТБО (в % от исходного содержания) МСЗ №2 МСЗ № Показатель Ноябрь-декабрь Март 11/XII 17/III 26/VII 1999 г. 2006 г. 2003 г. 2004 г. 2004 г.

Выход серы:

со шлаком из топки 84,6…86,9 76,5 68,6 40,7 62, с уловленной золой-уноса 1,5…3,2 9,7 24,8 46,3 21, с золой РФ и абсорбера 11,6…12,2 13,8 6,6 10,9 16, с уходящими дымовыми газами – – 0,03 0,05 2, Выход хлора:

со шлаком из топки 18,3…21,6 14,7 17,5 25,9 12, с уловленной золой-уноса 2,0…5,8 5,7 27,5 35,4 с золой РФ и абсорбера 74,6…75,5 78,3 33,1 28,5 71, с уходящими дымовыми газами 0,9…1,3 1,3 21,9 10,2 1, Выход фтора:

со шлаком из топки 27,2…28,2 24, с уловленной золой-уноса 0,3…0,8 Не определялся 1, с золой РФ и абсорбера 2,4…3,0 2, с уходящими дымовыми газами 68,5…69,6 71, Таким образом, можно утверждать, что на выходе из котла в газовой фазе со держится не более 15 % соединений привнесенной с ТБО серы (SO2), примерно 80 % хлора (HCl) и 75 % фтора (HF). В этом случае предельные расчетные кон центрации регламентируемых «кислых» газов (SO2, HCL, HF) для отечествен ных ТБО не превысят соответственно 220, 300 и 15 мг/м3.

Практическая ценность полученных данных заключается в том, что при та ких исходных концентрациях SO2, HCl и HF в дымовых газах после котла для дальнейшего снижения содержания этих «кислых» газов был предложен сорб ционный метод: ввод реагента (соединений кальция или бикарбоната натрия) либо непосредственно в газоход в сухом распыленном виде, либо в абсорбер в виде известкового молока до полного его испарения, в обоих случаях с после дующей фильтрацией твердых частиц в рукавном фильтре. В отличие от мокро го метода, который в ряде случаях применяется на зарубежных ТЭС, сжигаю щих ТБО, очистка дымовых газов с использованием сорбционного метода на много дешевле и не приводит к образованию жидких стоков.

На начальном этапе в обоснование предлагаемого метода была проведена се рия опытов по исследованию процессов сухой сорбции на небольшой энерго технологической установке Череповецкого завода для комплексной переработ ки ТБО (производительностью 1,5 т/ч). В качестве сорбента были использованы бикарбонат натрия и оксид кальция (последний в свою очередь является отхо дом металлургического комбината). В результате были достигнуты среднесу точные концентрации HCl и SO2 в дымовых газах на уровне 12…14 мг/м3 и 30…35 мг/м3, приемлемом, по крайней мере, для небольших (1…5 т/ч по ТБО) установок. Недостатком метода сухой сорбции является низкая степень исполь зования сорбента (около 10 %). Это было учтено при проектировании газоочи стки завода «Термоэкология» в г. Челябинске, которая включает в себя циклон, увлажнитель, узел подачи в дымовые газы измельченного сухого реагента и ро торный зернисто-волокнистый фильтр – все оборудование отечественной по ставки. В системе применена рециркуляция золы роторного фильтра, в которой содержится значительное количество непрореагировавшего гидрооксида каль ция. Зола подмешивается к свежему сорбенту, и тем самым повышается сте пень его использования. (На технологию получено свидетельство на полезную модель).

Эффективность применения полусухого метода для связывания «кислых» га зов (смешение в распылительном абсорбере дымовых газов с известковым мо локом до полного его испарения) исследовалась на МСЗ № 4. В результате ис пытаний показано, что концентрация «кислых» газов гарантировано снижается до нормируемых значений во всем диапазоне изменения содержания SO2, HCl и HF на входе в газоочистку.

Основная проблема, с которой пришлось столкнуться при использовании по лусухого метода на МСЗ № 4, – рост отложений на стенках распылительного абсорбера, их обрушение и, как следствие, останов всей энерготехнологической установки для их удаления. Расчетная скорость роста этих отложений составля ла примерно 0,5 мм/ч, то есть в абсорбере за месяц его работы образовывались отложения толщиной до 300 мм и общей массой до 25…35 т. С использованием математического моделирования установлено, что основная причина этого свя зана с тем, что поток газов отбрасывается к стенке абсорбера и вдоль нее опус кается вниз к выходному газоходу (рис. 12, а).

а) б) Рис. 12 Распределение дымовых газов в абсорбере при существующей (а) и реконст руированной (б) форме патрубка входа дымовых газов Чтобы улучшить распределение дымовых газов на входе в абсорбер и тем самым уменьшить рост отложений, разработаны рекомендации по реконструк ции ввода дымовых газов в абсорбер путем изменения угла наклона лопаток.

Выполнение входа дымовых газов в абсорбер в виде диффузора, расширяюще гося под углом 6, с направляющими лопатками, расположенными под углом 70, существенно улучшает равномерность распределения дымовых газов в аб сорбере (рис. 12, б) и замедляет процесс образования отложений на его стенках.

Рассматриваются также вопросы образования NOх и способы их подавления.

Показано, что на современных установках при сжигании твердых бытовых от ходов в основном образуются топливные NOх, количество которых в первую очередь зависит от содержания азота в исходных ТБО (в отходах г. Москвы Nr = 0,3…0,4 %).

За счет топочных мероприятий, например, на МСЗ № 4 путем перераспреде ления вторичного воздуха, удается обеспечить концентрацию NOх в дымовых газах на уровне 180…200 мг/м3, что удовлетворяет современным мировым тре бованиям. Если в силу каких-то причин, например из-за большой фоновой кон центрации NOх в зоне размещения ТЭС, требуется дополнительное снижение их эмиссии, то применяют методы селективного восстановления NOх.

За рубежом наибольшее распространение на котлах, сжигающих ТБО, полу чили технологии селективного некаталитического восстановления NOх (СНКВ).

Это объясняется тем, что в этих котлах имеется зона, в которой дымовые газы выдерживаются в течение 2 с и более при температуре 850…900 С (для дест рукции ПХДД/ПХДФ). Эти условия (температура и время) являются оптималь ными для применения технологии СНКВ. Многолетний опыт эксплуатации системы СНКВ, установленной на МСЗ № 2, показал возможность очистки ды мовых газов от NOх с эффективностью 60…70 %.

Большое внимание в работе уделяется образованию при сжигании ТБО ПХДД/ПХДФ и методам снижения их концентрации в газообразных продуктах сжигания до регламентируемых значений. Известно, что за счет упомянутой выше высокотемпературной выдержки дымовых газов в первом газоходе котла достигается практически требуемая нормативная концентрация. Однако на ста дии охлаждения дымовых газов в конвективных газоходах котла под влиянием каталитических составляющих летучей золы, например хлоридов металлов, происходит образование так называемых вторичных диоксинов и фуранов.

Снижение концентрации этих веществ в продуктах сгорания ТБО проводят уже в системе газоочистки.

Следует отметить, что в дымовых газах после котла диоксины и фураны со держатся в виде тончайших твёрдых аэрозолей (например, температура плавле ния тетра-ХДД составляет 305 С), поэтому примерно 95 % образовавшихся при сжигании ТБО диоксинов и фуранов покидают котёл, адсорбируясь на ле тучей золе. Посредством комбинации адсорбционного метода, связывающего остающиеся в газовой фазе ПХДД/ПХДФ (например, за счёт распыления акти вированного угля перед рукавным фильтром), и эффективного улавливания твёрдых частиц в рукавном фильтре удаётся добиться требуемой очистки ды мовых газов от диоксинов и фуранов. В рамках работы эффективность этого метода в российских условиях была исследована на установке в г. Череповце одновременно с испытаниями по определению эффективности улавливания «кислых» газов с применением сухой сорбции.

Результаты определения концентраций ПХДД/ПХДФ в газообразных про дуктах сгорания ТБО, которое выполняла аккредитованная организация ОЦПИ НПО «Тайфун» (г. Обнинск), представлены в табл. 6.

Анализ данных табл. 6 показывает, что степень улавливания из дымовых (уходящих) газов ПХДД (особенно тетра- и пента-ХДД) достигает практически 100 %. Степень улавливания ПХДФ несколько меньше, но общая концентрация диоксинов и фуранов после газоочистки составила менее 0,07 нг/м3, что даже для такой небольшой установки вполне удовлетворяет требуемым мировым нормативам.

Полученные положительные результаты позволили с уверенностью прогно зировать эффективность предложенного метода для более крупных установок, где процесс перемешивания активированного угля с дымовыми газами намного эффективнее и время контакта угля с диоксинами и фуранами значительно больше. Это подтвердили измерения концентраций этих веществ в дымовых га зах, выполненные Российским научно-исследовательским центром чрезвычай ных ситуаций МЗ РФ на МСЗ № 2 и 4.

По результатам выполненных экспериментально-расчетных исследований для очистки образующихся при сжигании ТБО дымовых газов была предложе на многоступенчатая система, сочетающая в себе лучшие отечественные и за рубежные технологии, реализованные как на стадии сжигания, так и за котлом.

Она позволяет получить даже более низкие показатели, чем приведенные в табл. 4. Описание схемы и оборудования для отечественной ТЭС на ТБО при водится в седьмой главе.

Таблица Результаты определения концентрации токсичных ПХДД/ПХДФ в дымовых газах на Череповецком заводе для комплексной переработки ТБО Дымовые газы Эквивалент до очистки после очистки Определяемый токсичности компонент Концентрация (ЭТ) пг/м3 в ЭТ, пг/м3 пг/м3 в ЭТ, пг/м – – 2378-ТХДД 1,0 11,5 11, – – 12378-ПеХДД 0,5 55,2 27, – – 123478-ГкХДД 0,1 142 14, – – 123678-ГкХДД 0,1 265 26, – – 123789-ГкХДД 0,1 290 29, 1234678-ГпХДД 0,01 1397 13,97 87,8 0, ОХДД 0,001 1168 1,168 160 0, 2378-ТХДФ 0,1 287 28,7 34,5 3, 12378-ПеХДФ 0,05 58,0 2,9 33,7 1, 23478-ПеХДФ 0,5 331 165,5 91,9 45, 123478-ГкХДФ 0,1 341 34,1 101 10, 123678-ГкХДФ 0,1 204 20,4 31,8 3, – – – – 123789-ГкХДФ 0, – – 234678-ГкХДФ 0,1 331 33, 1234678-ГпХДФ 0,01 537 5,37 191 1, – – 1234789-ГпХДФ 0,01 87 0, ОХДФ 0,001 195 0,195 297 0, Суммарная концентрация в ЭТ 415,07 67, * Другие ПХДД/Ф 0 12121 0 734 Другие ТХДД, ТХДФ, ПеХДД, ПеХДФ, ГхХДД, ГхХДД, ГпХДД и ГпХДФ, имеющие эквивалент токсич ности, равный нулю.

В шестой главе рассказывается об исследовании образующихся при сжига нии ТБО твердых остатков и разработке рекомендаций по их дальнейшей ути лизации, которые возможно реализовать на территории ТЭС, работающей на ТБО.

В процессе термической переработки ТБО образуются три основных вида твердых остатков: шлак, выгружаемый из топочного устройства (до 90 % по массе от всех твердых остатков);

зола-уноса, уловленная в котле и в золоулав ливающих аппаратах системы газоочистки до ввода реагентов в поток дымовых газов (10…30 кг/т ТБО);

и так называемые продукты газоочистки – смесь твер дых продуктов реакций, остатков реагентов и мелкофракционной остаточной летучей золы (25…35 кг/т ТБО).

В ходе работы выполнен анализ вещественного и фракционного (грануло метрического) состава шлака, а также элементного состава его силикатной час ти. Установлено, что состав шлака во многом зависит от вида сжигаемых ТБО и способа сжигания. При слоевом сжигании на колосниковой решетке (МСЗ № 2) вещественный состав шлака состоит из силикатной части – 79,2…83,8 %, ме таллических включений – 14,6…20,8 % и мягкой части (несгоревший картон, полиэтилен, текстиль) – 0…0,8 %. В случае сжигания отходов в вихревом ки пящем слое с предварительным измельчением ТБО и удалением металла на стадии их подготовки в шлаке практически отсутствуют органические и метал лические включения.

Результаты определения фракционного состава, приведенные в табл. 7, пока зывают, что шлак МСЗ № 2 является грубодисперсным материалом. Так, 39…44 % его имеют размеры свыше 10 мм, 37…43 % – от 1 до 10 мм и только 16…17 % – от 1 до 0,05 мм. Шлак МСЗ № 4 (зола слоя) имеет более однород ную структуру (за счет специфичных условий его удаления с просеиванием и рециркуляцией материала слоя).

Таблица Гранулометрический состав шлака и золы уноса МСЗ, сжигающих ТБО, масс. % Шлак Зола-уноса Размер ячейки сит, МСЗ № мкм МСЗ № 2 МСЗ № 2 МСЗ № (зола слоя) 38,7…43,8 27,6…30,3 – – 80,7…81,6 52,8…83,8 2,2…3,1 0…0, 84,2…85,5 85,6…95,5 9,1…10,0 0…0, 88,2…89,2 Не определяли 24,7…26,6 0…5, 90,3…91,1 98,7…99,0 40,3…42,9 Не определяли 92,0…93,3 60,7…63,1 44,3…51, 200 99, 93,3…94,4 Не определяли 70,7…73,2 Не определяли 95,0…95,8 То же 81,1…84 71,6…80, // 96,4…97,1 88,4…90,6 78,9…90, // 97,5…97,8 91,4…93,8 81,0…95, Дно 100,0 100,0 100,0 100, Таблица Элементный состав твердых остатков МСЗ, сжигающих ТБО, масс. % Шлак Зола-уноса Продукты га МСЗ № Элементы зоочистки МСЗ № 4 МСЗ № 2 МСЗ № МСЗ № 2 (после МСЗ № (зола слоя) (после КУ) (после КУ) циклона) 49,7…62 81…85,3 29…43,2 54,9…77 19…34,7 2,6…29, SiO 0,3…0,6 0,2…0,4 0,9…2,6 0,6…0,8 1,1…1,4 0,4…2, TiO 3,2…11,8 1,4…2,5 7,2…13,6 4,5…11,1 9,2…11,9 0,8…13, Al2O 1,1…5,0 0,9…2,0 1,5…5,9 0,7…2,4 2,0…2,8 0,4…2, Fe2O 12,5…19 5,2…6,8 13,8…37 10,8…19 23,7…33 20,5…59, CaO 1,5…2,3 0,5…0,7 1,5…2,5 0,5…1,3 2,0…2,9 0,7…5, MgO 0,7…2,0 0,5…0,8 0,5…4,5 0,9…1,4 1,6…2,2 2,1…12, K2O 0,5…10,6 3,3…4,5 2,2…6,5 1,3…2,1 2,5…3,1 1,2…14, Na2O 2,1…4,9 1,2…5,2 4,5…8,6 1,2…6,5 5,5…7,6 1,85…12, SO 1,3…6,7 0,6…4,3 2,1…6,5 0,5…2,1 2,9…3,6 0,5…3, P2O 0,2…2,3 0,2…0,5 0,8…2,7 0,3…1,4 2,7…4,2 4,6…18, Cl Данные по элементному составу силикатной части шлака МСЗ № 2 (сжига ние на обратно-переталкивающей решетке) и золы слоя МСЗ № 4 (сжигание в вихревом кипящем слое) представлены в табл. 8.

Обобщены также данные по свойствам золы-уноса, которые как и для шлака, зависят от состава отходов и способа их сжигания. Гранулометрический и эле ментный состав золы по результатам исследований, проведенных на МСЗ № 2 и 4, представлен в табл. 7 и 8.

Содержание микроэлементов во всех твердых продуктах сгорания ТБО (шлак, зола) колеблется в пределах, 6000…8100 мг/кг (табл. 9).

Превалирующими элементами являются цинк, свинец, медь, марганец, хром и стронций, суммарная доля которых составляет 93…95 % общего содержания микроэлементов. Заметно обогащение золы кадмием, хромом, ртутью, сурьмой и марганцем по сравнению со шлаком.

Таблица Пределы колебаний содержания микроэлементов в твердых остатках МСЗ, сжигающих ТБО, мг/кг Шлак Зола-уноса Продукты газо МСЗ № Элементы МСЗ № 4 МСЗ № 2 МСЗ № очистки МСЗ № 2 (после (зола слоя) (после КУ) (после КУ) МСЗ № циклона) Ртуть (Hg) 0…0,1 – – 0…1, 0,3 0…0, Кадмий (Cd) 0…5,6 – – 58… 50 Свинец (Pb) 1655…2701 215…379 146…1100 502…816 1200…2300 1380… Кобальт (Co) 6,7…33 7…17 8…34 13…37 6… Хром (Cr) 179…181 99…140 470…870 191…304 480…690 260… Марганец (Mn) 332…593 180…410 800…1000 362…1240 501… Никель (Ni) 26…60 13…26 47…61 34…79 90…120 64… Мышьяк (As) 4…12 3…12 2,5…10 3…8,5 5… Сурьма (Sb) 26…44 – – 120…190 140… Медь (Cu) 925…2290 529…669 370…580 1290…2760 2600…3200 1800… Ванадий (V) 15…16 8…19 20…27 13…16 23…32 10… Цинк (Zn) 1267…4000 547…1130 1369…3180 2175…3970 7900…13100 4500… Стронций (Sr) 350…672 130…337 410…530 260…470 470…900 230… С использованием полученных данных была выполнена оценка класса опас ности шлака и золы-уноса для окружающей среды, которая показала, что эти отходы в соответствии с действующими нормативами относятся к 4 или даже к 5 классу опасности. Это позволяет рассмотреть возможность их дальнейшей переработки с получением товарной продукции, в том числе на территории ТЭС.

За рубежом в зависимости от свойств ТБО, способа сжигания, конкретных местных условий, потребителя товарного продукта и т. д. на предприятиях, сжигающих твердые бытовые отходы, выбирают ту или иную технологию ути лизации шлака и золы-уноса (далее золошлаковых остатков – ЗШО) или в неко торых случаях даже разрабатывают новую. Вместе с тем требования к качеству ЗШО для их дальнейшего использования в основном сведены к следующему:

Доля горючих веществ (содержание несгоревшего углеродистого остатка) не должна превышать 5 % от сухой массы.

В случае вымывания водой максимально допустимое количество раство ренных в воде веществ должно составлять не более 2 % от сухой массы ЗШО.

Выполнение нормативов по содержанию горючих веществ в золошлаковых остатках является определяющим. Следует сказать, что согласно европейским нормативам, их содержание в ЗШО более 5 % существенно ограничивает не только возможность их дальнейшей утилизации, но и вызывает значительные проблемы с вывозом золошлаковых остатков на захоронение.

В этой связи в работе большое внимание уделено определению истинного содержания горючих веществ в ЗШО и предложена оригинальная методика их оценки. Дело в том, что, как показали предварительные испытания на дейст вующем оборудовании, принятый в отечественной теплоэнергетике способ оп ределения горючих веществ по потерям массы при прокаливании (П.п.п.) для золошлаковых остатков ТБО дает заведомо завышенные результаты.

Установлено, что значительная часть этих потерь связана с удалением гигро скопической и кристаллогидратной влаги, а также с разложением карбонатов кальция с выделением СО2. В табл. 10 показана структура П.п.п. силикатной части шлака (меньше 3 мм), наиболее проблемной и оказывающей определяю щее влияние на общее значение этих потерь.

Таблица Структура П.п.п. силикатной части шлака МСЗ №2, % Наименование 17.05.02 13.09.02 21.03.06 22.03.06 23.03. П.п.п. из-за дегидратации алю 2,5 2,6 1,14 1,07 0, мосиликатов и Са(ОН) П.п.п за счет разложения CaСО3 2,9 8,0 1,53 1,43 1, П.п.п. за счет выгорания горю 2,4 5,4 0,38 0,71 0, чих веществ Общие П.п.п. 7,8 16,0 3,05 3,21 2, Из табл. 10 следует, что П.п.п. за счет выгорания горючих веществ (органи ческой части и коксового остатка) составляют только 12…34 % общих потерь, а среднее содержание горючих веществ в шлаке МСЗ № 2 - менее 2 %.

В качестве иллюстрации на рис. 13 показана термограмма для случая с мак симальным из всех полученных значений П.п.п. (16 %, режим 13.09.02 г.

в табл. 10), из которой видно, что П.п.п., связанные с выгоранием горючих ве ществ, даже в этом случае составляют всего лишь около 5 %.

П.п.п. в пробах ЗШО, образующихся при сжигании ТБО в вихревом кипящем слое, оказались очень низкими. Как показали исследования на МСЗ № 4 в 2003…2004 гг., в шлаке (крупной фракции золы слоя, отводимой из топки) они не обнаружены, в мелкой фракции и циркулирующем материале составляют всего 0,65 и 0,34 % соответственно.

Содержание горючих в золе-уноса по обеим технологиям сжигания также незначительно и не превышает 2 %.

Несмотря на то, что при сжигании ТБО в топках с колосниковыми решетками П.п.п. золы-уноса довольно значитель ны (14…25,6 %), тем не менее основ ные потери связаны с удалением воды при дегидратации Ca(OH)2 и алюмоси ликатов, а также удалением CO2 из карбоната кальция. В табл. 11 для при мера приведена расшифровка П.п.п.

пробы золы, отобранной на МСЗ № 2 в 2006 г.

В золе-уноса, уловленной в котле утилизаторе и циклоне, при сжигании 1 – температура, 2 – дифференциальный термический анализ;

3 – изменение массы об ТБО в вихревом кипящем слое (МСЗ № 4) П.п.п. также малы и составляют разца примерно 1,3 %.

Рис. 13 Термограмма для определения Таким образом, показано, что ЗШО, структуры потерь при прокаливании силикатной образующиеся при сжигании ТБО с части шлака (менее 3 мм), 13.09.2002 г.

использованием как технологии слое вого колосникового сжигания, так и технологии вихревого кипящего слоя, удовлетворяют требованиям по содержанию горючих и пригодны для дальней шей утилизации.

Для снижения содержания легко растворимых компонентов в ЗШО в работе рассмотрены два основных метода: цементация ЗШО с использованием различ ных связующих и их переплавка.

Метод цементации основан на склон Таблица ности золошлаковых остатков от сжи- Структура П.п.п. золы уноса МСЗ № гания ТБО к самоотвердеванию. Однако Наименование %, масс.

лабораторные испытания показали, что П.п.п. из-за дегидратации прочность отвердевшей смеси недоста- алюмосиликатов и Са(ОН)2 9, точна для самостоятельного использо- П.п.п за счет разложения 14, вания, например, в строительной инду- CaСО стрии. Для усиления композиции в П.п.п. за счет выгорания го 1, рючих веществ ЗШО добавлялся цемент с получением Общие П.п.п. 25, шлакоблоков непосредственно на тер ритории ТЭС. На образцах, изготовлен ных с добавлением песка и цемента марки 400, исследовалось влияние на вы щелачивание микроэлементов, для которых существуют ПДК в почве по под вижным формам, т. е. марганца, меди, хрома, свинца, кобальта и никеля. С ис пользованием полученных закономерностей миграций тяжелых металлов из образцов бетонных изделий проведены расчеты, которые показали, что содер жание тяжелых металлов в подвижных формах в образцах бетонов значительно ниже (в 2…20 раз) ПДК подвижных форм этих элементов в почве.

Метод переплавки основывается на преобразовании ЗШО путем нагрева до температуры, превышающей температуру плавления, равную приблизительно 1200 С, в стеклообразный гранулированный материал, удовлетворяющий всем условиям не только для получения, например, щебня для отсыпки дорог, но и для промышленного использования в стройиндустрии. Целесообразность ис пользования переработки ЗШО по методу переплавки на территории ТЭС должна определяться на стадии технико-экономического обоснования.

Твердые продукты газоочистки представляют собой более проблемный по сравнению с ЗШО вид остатков от термической переработки ТБО. По степени опасности продукты газоочистки, как правило, относятся к 3-му классу опасно сти для окружающей природной среды и требуют более глубокую по сравне нию с ЗШО переработку. В этой связи, а также, учитывая то, что твердых про дуктов газоочистки образуется в разы меньше, чем, например, шлака, перера ботку продуктов газоочистки на территории ТЭС осуществлять экономически нецелесообразно. Эта операция должна осуществляться на специализирован ных предприятиях, на которые будут свозиться аналогичные отходы с других объектов (и не только сжигающих ТБО) и централизованно перерабатываться с утилизацией ценных компонентов, содержащихся в продуктах газоочистки.

Таким образом, в главах 5 и 6 диссертации показано, что все основные про блемы, связанные с воздействием на окружающую среду ТЭС, работающих на ТБО, технически решаемы. Разумный подход к их практической реализации делает современную ТЭС на ТБО экологически безопасным предприятием.

В седьмой главе на основании результатов выполненных исследований, а также с учетом зарубежного опыта и современных мировых тенденций в об ласти термической утилизации отходов, разработаны принципиальные техни ческие решения для реализации современной полномасштабной отечественной ТЭС на ТБО с установленной электрической мощностью 24 МВт, предназна ченной для широкого применения. Только в России целесообразен уже на пер вом этапе ввод в эксплуатацию, по крайней мере, 34 таких ТЭС в 22 городах.

По структуре ТЭС на ТБО представляет собой современное предприятие с завершенным технологическим процессом термической переработки отходов и традиционным паросиловым циклом для выработки электроэнергии. Кроме ко тельно-топочного отделения, основу которого составляют котельный агрегат, газоочистное и вспомогательное оборудование, в состав такой ТЭС входят:

энергетический комплекс, предназначенный для выработки тепловой и электрической энергии;

приемное отделение с весовой, помещением для разгрузки мусоровозов и приемным бункером ТБО (аналог топливно-транспортного хозяйства угольной ТЭС);

водоподготовительная установка с коррекционной обработкой воды;

отделение сбора, временного хранения и переработки твердых остатков от сжигания;

система мониторинга газовых выбросов;

административно-бытовой корпус, склады, стоянки и другие помещения для инженерного обеспечения ТЭС (ГРП, компрессорная, очистные сооруже ния и т. д.).

Обоснована единичная производительность энерготехнологической установ ки по сжигаемым отходам, которая для отечественных ТЭС на ТБО составляет примерно 180 тыс. тонн ТБО в год (примерное годовое количество отходов, об разующихся в городах с населением 350…400 тыс. чел.). Для типовой ТЭС электрической мощностью 24 МВт, на которой предполагается размещение двух таких энерготехнологических установок, разработан технологический рег ламент процесса термической утилизации ТБО с выработкой электроэнергии.

Показано, что для ритмичной работы такой ТЭС требуется ежедневная дос тавка отходов в количестве примерно 1000 т, разгрузка которых осуществляет ся в специальный бункер, обеспечивающий трехсуточный запас топлива.

Для подготовки ТБО к сжиганию предложен оригинальный алгоритм управ ления размещением бытовых отходов в этом бункере, разработанный в резуль тате математического моделирования, суть которого состоит в том, что ТБО распределяются в бункере в виде «бегущей волны», перемещающейся вдоль длинной стороны бункера. Это позволяет разделять отходы по времени их по ступления и выдержки, а также обеспечивать хорошее перемешивание ТБО пе ред загрузкой в котел. Стандартное отклонение теплоты сгорания ТБО в каж дой порции загружаемых отходов от среднего значения в бункере составляет в зависимости от наполнения бункера от 4,3 до 11 %.

Для проектируемой энерготехнологической установки разработана диаграм ма мощности, которая приведена на рис. 14.

Видно, что энерготехнологическая установка способна утилизировать ТБО в широком диапазоне изменения удельной теплоты сгорания, в том числе, с уче том современной тенденции ее увеличения (вплоть до 9500 кДж/кг) без сниже ния проектной производительности установки. Использование ТБО с низкой теплотой сгорания обеспечивается за счет сжигания дополнительного топлива в газовых горелках, а также подогрева дутьевого воздуха при необходимости до 300 С в газовом воздухоподогревателе оригинальной конструкции.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.