Введение 12
Г лава 1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы 22
1.1 Современное состояние потребления топливных ресурсов в России 22
1.2 Современное состояние вопроса автономного теплоснабжения в России 23
1.2.1 Методы использования и переработки сырья в энергоносители 24
1.3 Современное состояние малой энергетики в России 26
1.4 Тенденция внедрения когенерационных установок в Российское
энергообеспечение 27
Выводы по главе 1 29
Глава 2 Обоснование и выбор методов исследования, средств и способов решения поставленных задач 30
2.1 Исследование выбранного направления НИР 30
2.2 Обоснование выбранного направления НИР 30
2.3 Основные задачи и способы исследования в рамках НИР 32
2.4 Исходные материалы для проведения НИР 32
2.4.1 Исходное сырье для переработки 32
2.4.3 Конверсия органического топлива 34
Вывод по главе 2 34
Г лава 5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 35
5.1 Введение 35
5.2 Базовые критерии эффективности 35
5.3 Анализ отечественного и зарубежного рынка топливных ресурсов 36
5.4 Краткое сравнение синтез-газа и угля, как энергетического топлива 37
5.5 Оценка стоимости доставки угля 38
5.5.1 Оценка доставки автотранспортом 38
5.5.2 Оценка доставки речным транспортом 39
5.6 Капитальные и эксплуатационные расходы
5.7 Амортизационные отчисления 41
Вывод по главе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение» 43
Список публикаций студента 44
Купить

Запасы традиционных ископаемых топлив отнюдь не безграничны и, хотя разведанных месторождений должно хватить ещё на многие десятилетия, в некоторых регионах нашей планеты и даже в нашей богатой природными ресурсами стране они начинают истощаться. Большинство легкодоступных залежей давно эксплуатируются, а освоение новых будет требовать всё больших и больших финансовых и трудовых затрат. В связи с этим возникает необходимость широкого применения возобновляемых источников органических топлив. Наиболее распространённым и доступным видом такого сырья является торф [1].
Торф - это полезное ископаемое растительного происхождения. Образуется в результате естественного отмирания и неполного распада болотных растений под воздействием биохимических процессов в условиях повышенной влажности и недостатка кислорода.
Прямое сжигание торфа происходит при довольно высоких температурах, порядка 1300 °С. При этом, в окружающую среду выделяются различные вредные вещества, загрязняющих атмосферу и прилегающие территории. Высокая температура горения налагает соответствующие требования к конструкции различных теплогенераторов и котлов.
Актуальным является поиск новых принципов получения тепловой энергии, которые повысят эффективность использования местных ресурсов низкосортных ресурсов и, вместе с этим, могут привести к улучшению экологической обстановки.
Одним из решений данной проблемы может быть низкотемпературная конверсия торфа. Данный процесс переработки осуществляется в присутствии катализаторов. Добавка катализаторов повышает эффективность процесса термической переработки низкосортного сырья, за счет увеличения выхода горючих газов с высокой теплотой сгорания.
Преимуществом переработки торфа перед углями является то, что он подвергается различным химическим превращениям при относительно невысоких температурах. Именно этот фактор позволяет применять низкотемпературную конверсию и другие методы для получения синтез-газа и других полезных химических продуктов.
Горючий газ, как топливо, имеет несомненные преимущества перед прямым сжиганием торфа и других видов биомассы. Он, подобно природному газу, может быть передан на большое расстояние по трубопроводам и в баллонах; его удобно использовать в быту для приготовления пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых установках.
Работа в области относительно низких температур позволяет снизить затраты и потери энергии при переработке, что значительно повышает рентабельность.
Более чем за сто лет своего развития российская система теплофикации (когенерации) и централизованного теплоснабжения (ЦТ) стала самой большой в мире [2]. Под теплофикацией понимается процесс централизованного обеспечения потребителей тепловой энергией, полученной на ТЭЦ по комбинированному способу выработки тепловой и электрической энергии. Под ЦТ понимается теплоснабжение потребителей от источников тепла через общую тепловую сеть. Теплофикация занимает весомое место в энергетическом комплексе страны. Более половины электрической мощности всех тепловых электростанций приходится на ТЭЦ общего пользования, которые производят свыше 30 % всей электроэнергии в стране и покрывают треть спроса на тепловую энергию. На сегодняшний день система теплоснабжения страны состоит из почти 50 тыс. локальных систем теплоснабжения, которая обслуживается 17 тыс. предприятиями теплоснабжения. Система, которая уже давно сложилась для отопления многоэтажных жилых домов, имеет название как система ЦТ [3].
Основные источники тепла в такой системе ЦТ это котельные (различных форм собственности) и теплофикационные энергоблоки на теплоэлектростанциях (ТЭЦ, как правило, в составе генерирующих компаний).
Производство тепловой энергии в России характеризуется следующими данными [4]:
- централизованные источники производят около 74 %;
- децентрализованные источники производят 26 % тепла России.
Не смотря на высокие показатели развития когенерации России, всё же существуют проблемы, связанные с тем, что огромные территории страны не охвачены централизованным энергоснабжением из-за сопутствующих проблем с обеспечением таких территорий топливными ресурсами. При этом довольно часто такие районы обладают запасами местных низкосортных топлив, но, к сожалению, для их потребления требуются соответствующие технические устройства, которые могли бы работать перерабатывать данное топливо с выработкой как тепловой, так и электрической энергии.
Богатые источники нефти и газа истощаются - всё это приводит к увеличению доли твёрдого топлива в топливном балансе. Также, как и приводит к развитию производственных работ по углю и других новых продуктов, которые затрагивают как газообразные топлива, так и синтетические жидкие. В связи с этим 80-90-е годы - это период нового значительного увеличения доли угля в топливно-энергетическом балансе, включая и осуществление нового много тоннажного технологического процесса переработки твёрдого топлива.
Большая часть процессов термической переработки топлив включает в себя производства по переработке топлив. Такое производство сформировалось в результате длительного технического и аппаратурного решения, которое отличается не только относительными благоприятными расходами, но и энергетическими и экологическими показателями.
Огромные запасы торфа в России, обладающие разнообразные свойства ставит перед исследователями задачу поиска путей оптимального использования их энергохимического потенциала, что, в свою очередь, определяет круг научных исследований, направленных на процессы переработки торфа топливного и нетопленого назначения.
Одним из наиболее масштабных направлений является энерготехнологическая переработка топлив. Сущность ее заключается в термической переработке твёрдого топлива, при которой получаемый горючий твердый остаток сжигается в соответствующих агрегатах, а парогазовые продукты находят применение в различных технологических процессах [5]. Остающаяся при сгорании твердого остатка минеральная часть используется при получении строительных и других материалов. В таком процессе исключаются вредные выбросы в окружающую среду.
По конечным температурам нагревания различают низкотемпературную, (450-550 °С), среднетемпературную (650-750 °С) и высокотемпературную (950-1100 °С) переработку топлива [6].
Под термической переработкой торфа - пиролиз, следует понимать такие процессы, в которых происходят нагревание торфа в отсутствии каких- либо реагентов. Под термической переработкой понимают зачастую и газификацию торфа, хотя при этом используются и дополнительные реагенты, чаше всего окислители, но иногда и водород или метан.
Конверсия торфа позволяет решить множество проблем, которые можно разделить на следующие:
Экологические. Пиролиз торфа практически безотходная процедура, которая не сопровождается загрязнением окружающей среды. Таким образом, использование торфяного газа в целях отопления позволит сократить выброс в земную атмосферу более вредных веществ, образующихся в результате горения иных видов топлива.
Ресурсосбережение. Информация, имеющаяся у ученых сегодня, подтверждает, что количество мировых запасов нефти, газа и угля неумолимо уменьшается. И пополнить эти не восполняемые природные ресурсы просто невозможно. А торф является восполняемым природным ресурсом, поэтому его использование позволит сберечь нефтяные и угольные запасы.
Социальные. Развитие данной технология пиролиза торфа позволит создавать энергетические установки различной мощности в любом из уголков нашей необъятной страны. А для их обслуживания будут необходимы люди для постоянной работы. Таким образом, развитие данного направления может дать толчок к развитию малых производств в любых отдалённых районах.
В зависимости от температуры выбираются сопутствующие материалы для оборудований, технических агрегатов и т.п., а, соответственно, и материальные затраты с ростом температурных условий, в которых будет работать то или иное оборудование, увеличиваются, увеличивая за собой долю экстремальных условий при работе персонала с техническим оборудованием [7].
Актуальность темы. Актуальность рассматриваемой в исследовании технологии конверсии заключается в том, что газификатор для получения синтез-газа в качестве рабочего тела использует пар, осуществляя при этом низкотемпературную конверсию. Такой процесс переработки позволяет получить газ более высокого качества, с большей удельной теплотой сгорания, за счёт уменьшения процента негорючих компонентов в конечном продукте. Использование таких технологий на практике и их внедрение в эксплуатацию может привести к росту эффективности производства энергии и в некоторых случаях обеспечит экономические преимущества. Внедрение таких процессов требует значительной экспериментальной и аналитической проработки, что и обеспечивается в данном исследовании.
В развитии Российской энергетики, в том числе и в малой энергетике, следует уделять внимание на существующие проблемы в области генерации тепловой энергии для автономных децентрализованных потребителей. Как показывает практика, данная проблема заключаются в удалённости от транспортных схем, что значительно увеличивает стоимость доставки топливных ресурсов.
Внедрение таких установок, преобразующих низкосортное сырьё в качественное газообразное топливо, позволит обеспечить надёжное энергоснабжение многих удалённых и труднодоступных регионов нашей страны. Зачастую именно в таких удалённых районах имеются запасы местных низкосортных топлив, которые можно использовать в качестве энергоносителя [8].
В разработку теории строения и технической химии торфа существенный вклад внесли ученые Института горючих ископаемых (ИГИ), среди которых ведущее положение занимали Г.Л. Стадников, Л.М. Сапожников, Н.М. Караваев, А.Б. Чернышев, А.З. Юровский, А.В. Лазовой, В.И. Касаточкин, С.М. Григорьев, Т.А. Кухаренко, И.В. Еремин [9].
Такие установки разрабатываются во всём мире из-за большого их спроса, особенно в малой распределительной энергетике; одну из них смоделировали и разработали сотрудники кафедры ПГС и ПГУ в НИ ТПУ.
Выполненные экспериментальные исследования [9] показали результаты по получению высококонцентрированного водородсодержащего газа в области низких температур, при различных условиях протекания процесса конверсии и различном составе топлива.
Выше обозначенные актуальные научно-технические проблемы термодинамического, теплофизического и теплотехнического характера определили в целом комплексный характер настоящего диссертационного исследования.
Целью магистерской диссертации является: Вариативный расчёт процесса конверсии низкосортного органического топлива с использованием программы, основанной на экспериментальных данных. В процессе исследования проводились: моделирование конверсии торфа при различных условиях протекания процесса и составе топлива с последующей оценкой и анализом свойств получаемых газообразных продуктов.
В процессе исследования были решены следующие задачи:
- изучение возможности программного продукта «Расчет режимных параметров когенерациронной установки», разработанного сотрудниками кафедры ПГС и ПГУ в НИ ТПУ;
- исследование доверительного интервала температур;
- выполнение моделирования конверсии торфа при помощи программного продукта, построение зависимостей, отображающих влияние условий протекания процесса, на состав и теплоту сгорания синтез-газа;
- выполнение оценки результатов низкотемпературной конверсии торфа и выработка рекомендаций, для дальнейшей научно исследовательской работы, опираясь на результаты, полученные в процессе выполнения ВКР.
Объект исследования и предмет: объектом исследования является технология конверсии торфа в горючий газ. Предметом исследования является программный продукт для ЭВМ synthes_calc3.1 (расчет режимных параметров когенерационной установки).
Научная и практическая новизна. Новизна результатов настоящей научной исследовательской работы заключается в следующем:
- по результатам исследования и моделирования конверсии торфа при помощи программного продукта построены зависимости, наглядно отображающие влияние температуры процесса переработки и состава торфа, на состав получаемого в результате конверсии горючего газа и его теплоты сгорания;
- применение процесса конверсии для получения горючего газа, позволит решить проблему теплоснабжения отдаленных районов, в которых сжигание привозных топлив экономически не целесообразно, но имеются неисчерпаемые запасы местных низкосортных топлив;
- использование разработанной программы, относительно модели изучаемой когенерационной установки (КУ) [10], дает возможность получать результаты переработки таких топлив, как: торф, древесина, бурый уголь с разными входными данными, на основе конверсии органического сырья. Опираясь на результаты, можно определить оптимальную температуру процесса переработки и оптимальный состав исходного топлива, которое подвергается переработке. Полученные результаты и выработанные рекомендации послужат исходными данными для дальнейшей работы в данной области.
Достоверность. Достоверность результатов обеспечивалась применением апробированных и оригинальных авторских методик исследования, повторяемостью результатов.
Практическая значимость результатов ВКР. Результаты настоящей исследовательской диссертации могут быть использованы для анализа работы (входных и выходных параметров) когенерационной установки и получения синтез-газа из низкосортного топлива, с необходимой теплотой сгорания, который в дальнейшем будет использоваться в области малой энергетики для автономного теплоснабжения.
Реализация и апробация работы. В ходе научной исследовательской работы промежуточные результаты ВКР были апробированы на III Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы».
Во введении обозначена рассматриваемая проблема и методы её решения, обоснована актуальность выбранной темы, определена цель и задачи исследования, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе содержится краткая и наиболее важная информация о состоянии решаемой проблеме децентрализованного теплоснабжения с использованием местных видов топлив; выполнен общий обзор и анализ современного состояния и перспектив развития автономного энергообеспечения с использованием когенерационных установок в России;
определены мировые тенденции развития и области перспективных научных исследований.
Во второй главе содержатся исходные материалы, предоставленные руководителем настоящей ВКР, также данные, полученные при прохождении научной исследовательской практики. В этой же главе сделано обоснование выбора направления НИР, и представлена постановка задач исследования.
В третьей главе рассматриваются возможности программного продукта, исследуется доверительный интервал температур процесса переработки. Выполняется моделирование конверсии торфа. Содержатся основные таблицы, графики диссертации. В ней раскрывается содержательный характер научной работы, проведённой непосредственно автором.
В четвертой главе проводятся оценка результатов конверсии торфа; вырабатываются рекомендации к дальнейшему использованию программы.
В пятой главе используются и показываются базовые знания в области финансового менеджмента, в том числе определена возможная экономическая эффективность использования синтез-газа в энергетике. Составлена оценочная таблица использования природного газа, синтез-газа и торфа. Сделан вывод о рентабельности использования синтез-газа.
В шестой главе произведён анализ экологической безопасности используемой энергоустановки; выбраны способы обеспечения безопасных и комфортных условий рабочей зоны для сотрудников. Выполнен анализ источников опасных и вредных факторов; оценен риск заражения окружающей природной среды вредными и опасными веществами.
В заключении дана общая характеристика итогов проведённой работы и представлены выводы по результатам диссертации.
Личный вклад. Выполнен анализ литературных источников. Изучены возможности программного продукта. На основе экспериментальных данных построены зависимости, наглядно отражающие влияние температуры процесса переработки и характеристик торфа, на состав и свойства получаемого в результате конверсии горючего газа.

Купить