Разработка и исследование энергетических схем предприятий по термической переработке отходов с парогазовым циклом энергопроизводства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Щепилло, Леонид Валерьевич

• Щепилло, Леонид Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щепилло, Леонид Валерьевич

Ведение.

Глава 1. Проблемы повышения энергетической эффективности предприятий по термической переработке отходов.

1.1. Предпосылки и задача повышения эффективности энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

1.2. Твёрдые бытовые отходы как энергетическое топливо.

1.3. Энергетическая переработка отходов.

1.4. Анализ исследований применения энергопроизводств МСЗ в системах тепло- и энергоснабжения.

1.5. Научно-методический подход к задаче создания энергоэффективного предприятия на базе заводов по термической переработке отходов.

1.6.0собенности основных технологий термической переработки отходов.

1.6.1.Определение рациональных технологий термической переработки отходов для создания энергоэффективных мусоросжигательных заводов.

1.7,Основные способы утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

1.8. Способы повышения эффективности утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

Глава 2. Разработка методики анализа эффективности энергопроизводящих предприятий по термической переработке отходов.

2.1. Теоретические основы моделирования процессов энергетической переработки отходов.

2.2. Программная реализация методики.

2.2.1. Разработка компьютерной системы «Waste to Energy» для моделирования энергетических схем мусоросжигательных заводов.

2.2.2. Выбор и обоснование физико-математических моделей элементов энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

2.2.2.1. Исходные уравнения.

2.2.2.2. Математические модели элементов энергетических комплексов МСЗ.

2.2.2.3. Математическое моделирование установок энергетических систем МСЗ.

2.2.2.4. Методика определения эффективности энергоиспользования отходов при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии на мусоросжигательных заводах.

2.2.2.5. Методика определения основных показателей эффективности энергопроизводящих установок мусоросжигательных заводов.

Глава 3. Экспериментальные и численные исследования показателей эффективности энергопроизводств предприятий термической переработки отходов.

3.1. Экспериментальное исследование процессов газообразования и показателей энергетической эффективности паровой турбины действующего предприятия по термической переработке отходов (на примере МСЗ №4).

3.1.1. Описание экспериментальной схемы.

3.1.2. Исследование процессов газообразования при термической переработке отходов.

3.1.3. Экспериментальное исследование энергетической характеристики паротурбинного оборудования МСЗ №4.

3.1.3.1. Методика измерения энергетической эффективности паротурбинного агрегата при различных режимах эксплуатации.

3.2. Численное исследование процессов газообразования и основных показателей энергетической эффективности МСЗ №4.

3.2.1. Расчетная технологическая схема.

3.2.1.1. Методика численного эксперимента.

3.3. Численное исследование процессов газообразования предприятия по термической переработке отходов (на примере реактора - газификатора отходов ИХФ РАН).

3.3.1. Расчетная технологическая схема.

3.3.2. Методика численного эксперимента.

3.4. Анализ применимости расчётных моделей для оценки параметров отходящих топочных газов и эффективности энергопредприятий заводов по термической переработке отходов.

Глава 4. Разработка и моделирование перспективных схем энергопредприятий МСЗ с применением парогазовых энергетических установок.

4.1. Исследование основных показателей эффективности парогазовой энергетической установки реактора термической переработки отходов.

4.1.1. Моделирование схемы энергопредприятия МСЗ с ПГУКУ на базе реактора термической переработки с вихревым кипящем слоем.

4.1.2. Моделирование технологической схемы энергопроизводящего комплекса МСЗ с ПГУКУ на базе реактора-газификатора органических отходов.

4.2. Расчетно - теоретический анализ переспективных схем энергопроизводств мусоросжигательных заводов.

4.3. Определение граничных параметров газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий термической переработки отходов.

4.4. Исследование зависимости эффективности газотурбинной установки энергопроизводящего комплекса МСЗ от параметров рабочего тела.

4.5. Определение области рационального использования энергетических газотурбинных установок в технологиях утилизации тепла на мусоросжигательных заводах.

4.6. Инженерная методика определения эффективности энергопроизводящих комплексов предприятий по термической переработке отходов.

4.7. Разработка перспективных схем производства электрической и тепловой энергии на базе предприятий по термической переработке отходов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование энергетических схем предприятий по термической переработке отходов с парогазовым циклом энергопроизводства»

Актуальность проблемы. Среди задач, связанных с решением проблемы охраны природы и рационального использования ее ресурсов, одной из важнейших является повышение энергетической эффективности действующих производств, в том числе предприятий по термической переработке твёрдых бытовых отходов и промышленных отходов (ТБО и ТПО).

Эффективность схем производства энергии на предприятиях по термической переработке отходов на сегодняшний день сравнительно низка, что обусловлено: низким уровнем энергоиспользования тепла отходящих топочных газов в процессах термической переработки отходов; применением устаревших технических решений и морально устаревшего оборудования при формировании энергопроизводящих систем мусоросжигательных заводов (МСЗ).

Но главными причинами такого положения являются: отсутствие комплексного системного подхода к проблеме повышения эффективности выработки электрической и тепловой энергии на базе коммунальных предприятий по термической переработке отходов.

Основными способами решения вышеназванных проблем являются: проведение комплексного анализа эффективности производства энергии на заводах по термической переработке отходов; определение возможности и рациональных условий использования ТБО в качестве топлива для выработки электрической и тепловой энергии на предприятиях коммунального сектора; оптимизация процессов термической переработки отходов, с позиций их энергетической эффективности; постановка и решение задач совершенствования энергетических схем МСЗ;

- разработка способов повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на МСЗ с использованием парогазовых циклов энергопроизводства; нахождение области рационального использования теплофикационных газотурбинных установок в технологиях энергетической переработки отходов; создание математических моделей энергопроизводящих комплексов МСЗ и проведение схемно - параметрической оптимизации энергетических систем МСЗ.

Как следует из опыта большой энергетики, многие проблемы утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки отходов могут быть решены в случае применения парогазовых установок (ПТУ), комбинирующих газотурбинный и паровой цикл в системах утилизации тепла отходящих топочных газов (ОТГ) МСЗ.

Также известно, что применение пиролизного режима переработки и газификации отходов на предприятиях по термической переработке отходов позволяет существенно снизить количество газовых выбросов и освободить их от пыли (золы), соединений серы, а также избежать образования оксидов азота и диоксинов. В результате чего значительно уменьшаются затраты на предотвращение вредных выбросов в окружающую среду.

На основании вышеизложенного актуальной является задача разработки новых, для мусоросжигательных заводов, схем энергопроизводства с использованием бинарных парогазовых циклов, а также разработки научных основ проектирования энергопроизводящих комплексов МСЗ и создания методик расчёта основных показателей энергетической эффективности на основе системных математических моделей мусоросжигательных заводов.

Использование теплофикационных парогазовых установок позволяет повысить основные показатели энергетической эффективности МСЗ более чем в 2,3 раза и снизить, по сравнению с паротурбинными установками МСЗ, удель ный расход топлива на производство электроэнергии, удельную металлоёмкость и капвложения.

Цель работы.

1) Разработка способа утилизации тепла отходящих топочных газов пиролиз-ных реакторов термической переработки органических отходов на основе парогазового цикла, позволяющего более чем в 2,3 раза повысить эффективность энергопроизводящих комплексов мусоросжигательных заводов.

2) Создание, апробация и исследование системы математических моделей описывающей технологическую схему энергопроизводств предприятий по термической переработке отходов.

3) Разработка инженерной методики определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

4) Создание и исследование прикладного компьютерного программного комплекса для моделирования и расчёта технологических схем производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

Методы исследования.

В диссертации использованы следующие методы исследования: автоматизированный сбор и программная обработка информации по проблемам проектирования схем энергопроизводств на базе предприятий по термической переработке отходов; проведение опытно - промышленного эксперимента в условиях действующего производства и обработка экспериментальных данных по оценке эффективности схем производства электрической и тепловой энергии на действующих предприятиях по термической переработке отходов; математическое моделирование и численное исследование технологических процессов термической переработки отходов с утилизацией тепла отходящих топочных газов в парогазовых установках МСЗ.

Научная новизна.

1. Разработан и исследован способ утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере пиролизных реакторов термической переработки органических отходов) с применением парогазовой энергетической установки.

2. Разработана система математических моделей энергопроизводящего комплекса на основе парогазового энергетического цикла (на примере МСЗ).

3. Разработана инженерная методика расчета эффективности энергетических установок утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ).

Практическая значимость работы.

1) Разработан способ утилизации тепла отходящих газов мусоросжигательных заводов на основе пиролизного режима термической переработки отходов с применением парогазового цикла, позволяющий повысить эффективность энергопроизводства мусоросжигательных предприятий до 42 45 %%;

2) Разработана математическая модель энергопроизводящего комплекса МСЗ, позволяющая проводить анализ физико - химических процессов термической переработки отходов и процессов, протекающих в элементах технологических схем как на стадии проектирования, так и при эксплуатации

Разработана инженерная методика расчёта показателей эффективности энергетических парогазовых установок мусоросжигательных заводов;

4) Разработана систем номограмм для определения энергетической эффективности систем утилизации тепла отходящих топочных газов (на примере МСЗ);

5) Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой тепловой и электрической энергии.

Автор защищает: 1) способ утилизации тепла отходящих топочных газов мусоросжигательных заводов, реализуемый путем перевода печей в пиролизный режим термической переработки отходов, а системы утилизации тепла отходящих топочных газов с пароводяного на парогазовый цикл; 2) систему математических моделей энергетических установок предприятий по термической переработке отходов; 3) инженерную методику определения энергетической эффективности энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов и результаты её экспериментальной апробации на действующем МСЗ №4 (г. Москва); 4) результаты численного исследования эффективности энергопроизводства при применении способа утилизации ОТТ МСЗ основанного на парогазовом цикле (на примере шахтного реактора - газификатора отходов ФГУП ММПП «Салют» и печи сжигания отходов с вихревым кипящим слоем МСЗ №4 г. Москвы).

Достоверность представленных научных результатов обеспечивается:

1) использованием фундаментальных законов при построении математической модели расчёта теплофикационных установок на базе предприятий по термической переработке отходов; 2) использованием апробированных в научной практике методов технико-экономических расчётов в энергетике, а также методов расчёта тепло- и массообмена; 3) использованием экспериментальных данных разных авторов, полученных на основе стандартизованных методов исследования; 4) не более чем 10 %-ой разницей результатов собственных экс-перментальных исследований автора и результатов расчёта теплофизических параметров и основных показателей энергетической эффективности энергопроизводств действующих предприятий по термической переработке отходов.

В рамках поставленных задач были выполнены следующие работы:

1. Разработан комплексный научно - методический подход к задаче формирования эффективного энергопроизводящего предприятия на базе заводов по термической переработке отходов производства и потребления, учитывающий: морфологический состав и основные теплотехнические показатели отходов; особенности технологий термической переработки отходов и утилизации тепла отходящих топочных газов.

Проанализировано влияние температурного режима переработки отходов на энергетическую эффективность малой ТЭЦ на базе предприятия по термической переработке отходов и обоснован его выбор для целей создания энергоэффективного предприятия на базе МСЗ. Проведена оценка выбранного термического режима переработки отходов с позиций экологической безопасности.

Предложены способы повышения эффективности утилизации тепла от сжигания отходов на мусоросжигательных заводах путём применения бинарных парогазовых циклов при формировании энергосистем мусоросжигательных заводов.

Разработана схема энергоэффективного предприятия по термической переработке отходов, состоящая в том, что процесс термической переработки отходов организован в режиме пиролиза для создания в потоке отходящих топочных газов, веществ способных реагировать при окислении с выделением тепла, а процесс производства электрической и тепловой энергии организован на основе бинарного парогазового цикла с котлом - утилизатором, в котором рабочим телом газотурбинного агрегата являются отходящие топочные газы реактора термической переработки органических отходов.

2. Разработана инженерная методика определения эффективности энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов.

3. Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей, пригодная для проведения согласованных технологических расчётов энергопроизводящих установок предприятий по термической переработке отходов, разработаны алгоритм и программа для моделирования схем производства электрической и тепловой энергии и оценки основных показателей энергетической эффективности МСЗ.

4. Для действующих технологических схем заводов по термической переработке отходов (газификация и сжигание в печи кипящего слоя) смоделированы энегопроизводящие предприятия на основе парогазовых циклов энергопроизводства. Показано, что применение парогазового цикла в технологии утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов повышает коэффициент полезного действия теплофикационного цикла МСЗ, в среднем, на 25 %. Разработана и экспериментально апробирована система номограмм для определения энергетических показателей и показателей тепловой экономичности энергетических установок МСЗ с ПГУ от параметров рабочего тела, в том числе, от температур отходящих топочных газов реакторов по термической переработке отходов на входе и выходе из газовой турбины. Определены граничные параметры и области рационального использования теплофикационной газотурбинной установки в технологиях утилизации тепла отходящих топочных газов предприятий по термической переработке отходов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Международной конференции «Инженерная защита окружающей среды» (г. Москва,

2002 г.); 6-ом, 7-ом Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (г. Москва, 2002, 2003 гг.); Научно-практической конференции «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство» (Москва,

2003 г.); Круглом столе РАН «Экология города» (Москва 2004 г.), Международном конгрессе ВЭЙСТЭК (Москва, 2003 г.), Международном конгрессе ЭТЭВК-2003 (Ялта 2003 г.), 6-ой научно-практической конференции «Экологическая безопасность московской области» (Мытищи, 2004).

По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей и тезисы 3 докладов; получено два положительных решения на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.

Результаты работы использованы при разработке перспективных схем энергопроизводства на проектируемых МСЗ ГУЛ «Экотехпром» в соответствии с Постановлением Правительства Москвы №164 от 23.03.04 г.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Щепилло, Леонид Валерьевич

Выводы.

1) Разработан способ утилизации тепла отходящих топочных газов реакторов термической переработки органических отходов, позволяющий повысить эффективность энергопроизводящих комплексов на их основе до 52 - 55 %% путем применения пиролизного режима термической переработки отходов и утилизации тепла ОТГ в парогазовом энергетическом цикле.

2) Разработана и экспериментально апробирована на действующем производстве (МСЗ №4 г. Москва) система математических моделей пригодная для технологических расчетов энергопроизводящих комплексов МСЗ с парогазовыми циклами энергопроизводства. Разработаны алгоритм и программа для моделирования схем энергопроизводств МСЗ и расчета основных показателей их энергетической эффективности. Показано: отклонение основных характеристик полученных экспериментальным и расчетным путем не превышают 10-^-12 %%.

3) Разработана инженерная методика определения основных показателей эффективности парогазовых энергетических установок в системе производства электрической и тепловой энергии предприятий по термической переработке отходов, а также получена на её основе система номограмм для определения зависимостей энергетической эффективности и показателей тепловой экономичности систем утилизации тепла ОТГ от параметров рабочего тела (на примере мусоросжигательных заводов).

4) Создан пакет прикладного компьютерного программного обеспечения для проектирования и расчёта технологических схем МСЗ с выработкой энергии; предложен ряд принципиальных энергетических схем утилизации тепла ОТГ в парогазовом цикле (на примере МСЗ №4 г. Москва и реактора - газификатора отходов г. Москва). Показана возможность повышения их энергетической эффективности более чем в 2,3 раза путем реализации парогазового цикла утилизации тепла отходящих газов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щепилло, Леонид Валерьевич, 2005 год

1. Авцинов А.Ф., Бородулин А.В., Моделирование процессов газодинамики и теплообмена в шахте доменной печи // Сталь, 1996. № 8. - с. 4 - 9.

2. Алътшулер B.C. Новые процессы газификации твердого топлива. М.: Недра, 1976. - 279 с.

3. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. -М.: Высшая школа, 1975.

4. Анисимов А.В. Совершенствование механизма природопользования в современных условиях (на примере твердых бытовых отходов). Ростов на Дону: «Издательство Рост, ун-та», 2002. - 186 с.

5. Анисимов А. С. Парогазовые технологии в системах теплоэнергоснабжения: Учеб. пособие. Омск: Оме. гос. ун-т путей сообщ., 2003.

6. Аристархов Д.В. Разработка научных и методических основ экологически эффективных паротермических технологий переработки и рециклинга органических отходов для строительства: Автореф. дис. . д-ра техн. Наук. М., 2002. -20 с.

7. Арсеньев JI. В., Рисс В., Черников В. А. Комбинированные установки с паровыми и газовыми турбинами: Учеб. пособие; С.-Петерб. гос. техн. ун-т. -СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 1996.

8. Арсеньев J1. В., Тырышкин В. Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Д.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1982.

9. Асланян Г. С., Иванов П. П., Мунвез С. С. Программы расчета состава, термодинамических и переносных свойств многокомпонентных химически реагирующих гетерогенных систем. М.: Науч. об-ние "ИВТАН", 1994.

10. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим слоем. Л.: Химия, 1968.

11. Безлепкин В. П. Парогазовые и паротурбинные установки электростанций. -СПб: Изд-во СПб ГТУ, 1997.

12. Белосельский Б. С. Внутрицикловая газификация твердого топлива на электростанциях с получением экологически чистого газа: Учеб. пособие по курсу "Энергет. топливо и процессы горения". М.: Изд-во МЭИ, 1996.

13. Белоусенко И.В., Лезнов А.С., Гольдштейн А.Д. и др. Технические и экономические аспекты создания и использования парогазовых установок на базе газотурбинных двигателей мощностью до 25 МВТ. М.: ИРЦ Газпром, 2001.14