Помощь студентам в учебе
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ жидких топлив ИЗ ОТХОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ НА ТЭС
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ
ТОПЛИВ И ОТХОДОВ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ НА ТЭС 17
1.1. Проблемы сжигания твердых топлив на ТЭС 17
1.2. Отходы углеобогащения и нефтепереработки - основные компоненты
перспективных суспензионных топлив 20
1.3. Перспективные экологические решения для минимизации влияния ТЭС на
окружающую среду 23
Выводы по первой главе 35
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 37
2.1. Исследование основных экологических характеристик сжигания
композиционных жидких топлив 37
2.2. Выбор оптимального состава КЖТ 42
2.3. Технико-экономическое обоснование перехода на перспективные
суспензии 45
2.4. Вычисление комплексного параметра эффективности применения
КЖТ 53
Выводы по второй главе 59
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 60
3.1. Результаты экспериментальных исследований экологических
характеристик сжигания композиционных жидких топлив 60
3.2. Критериальное обоснование выбора оптимального состава КЖТ 72
3.3. Результаты технико-экономического обоснования перехода на
перспективные суспензии 83
3.4. Относительные показатели для сравнения КЖТ с углем, мазутом и
природным газом 100
3.5 Перспективы сжигания индустриальных отходов, аккумулированных на территориях типичных заброшенных индустриальных регионов, в составе
КЖТ 140
3.6. Рекомендации по использованию полученных результатов 136
Выводы по третьей главе 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ОБОЗНАЧЕНИЯ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение 1 166
Приложение 2 169
Приложение 3 171
Приложение 4 172
Приложение 5 173
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ
ТОПЛИВ И ОТХОДОВ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ НА ТЭС 17
1.1. Проблемы сжигания твердых топлив на ТЭС 17
1.2. Отходы углеобогащения и нефтепереработки - основные компоненты
перспективных суспензионных топлив 20
1.3. Перспективные экологические решения для минимизации влияния ТЭС на
окружающую среду 23
Выводы по первой главе 35
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 37
2.1. Исследование основных экологических характеристик сжигания
композиционных жидких топлив 37
2.2. Выбор оптимального состава КЖТ 42
2.3. Технико-экономическое обоснование перехода на перспективные
суспензии 45
2.4. Вычисление комплексного параметра эффективности применения
КЖТ 53
Выводы по второй главе 59
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 60
3.1. Результаты экспериментальных исследований экологических
характеристик сжигания композиционных жидких топлив 60
3.2. Критериальное обоснование выбора оптимального состава КЖТ 72
3.3. Результаты технико-экономического обоснования перехода на
перспективные суспензии 83
3.4. Относительные показатели для сравнения КЖТ с углем, мазутом и
природным газом 100
3.5 Перспективы сжигания индустриальных отходов, аккумулированных на территориях типичных заброшенных индустриальных регионов, в составе
КЖТ 140
3.6. Рекомендации по использованию полученных результатов 136
Выводы по третьей главе 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ОБОЗНАЧЕНИЯ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение 1 166
Приложение 2 169
Приложение 3 171
Приложение 4 172
Приложение 5 173
Энергетические предприятия несут наибольшую ответственность за ускоряющийся процесс ухудшения экологической обстановки в мире. Несмотря на активное использование газа, нефти и урана, доля угля в мировом производстве электроэнергии высока и составляет около [1-3] 30 % [1-3]. Наблюдается интенсивный рост объемов потребления угля энергетическими предприятиями, что обуславливается возрастанием спроса на недорогую тепловую и электрическую энергию [4]. Например, в Китае к концу 2019 года общая установленная мощность электростанций, работающих на угле, превысила 1000 ГВт. При этом из 3,5 млрд. тонн добываемого угля 50 % использовано для выработки электроэнергии [2,5,6]. Индия занимает пятое место в мире по выработке электроэнергии (345 ГВт). Доля угольных электростанций в энергетическом секторе этой страны составляет 57 % [7-10].
В государствах с развитой угольной теплоэнергетикой (Китай, Индия, Япония, Россия, Австралия и др.) ежегодно регистрируется высокий уровень загрязнения атмосферы. Это обусловлено тем, что в процессе сжигания угля образуется не только энергия, но и опасные вещества [11-13]: антропогенные выбросы (COx, NOx, SOx); золошлаковые отходы (ЗШО); летучая зола с высоким содержанием тяжелых металлов (As, Cr, Ba, Sr, Zn, Pb, Mo и др.); вода, загрязненная токсичными элементами и радионуклидами.
Мировому научному сообществу хорошо известно влияние, оказываемое на окружающую среду перечисленными отходами [13-15]. В частности, оксиды серы и азота, соединяясь с атмосферной влагой, окисляются, образуя слабые растворы серной и азотистой кислот, которые являются причиной выпадения кислотных дождей [16,17]. Повышение концентрации оксидов азота способствует разрушению озонового слоя атмосферы, который защищает землю от ультрафиолетового космического излучения [13]. Помимо этого оказывают существенное влияние [18] содержащиеся в продуктах сгорания фтор, хлор и их производные, токсичные и канцерогенные микроэлементы, канцерогенные углеводороды. Глобальными факторами воздействия предприятий энергетики на окружающую среду являются не только выбросы рассмотренных выше оксидов, но и углекислого газа и паров воды, способствующих развитию парникового эффекта и нарушению природно-климатических условий [13,14,19].
Во многих развитых государствах разработке соответствующих технологий для уменьшения концентраций выбросов загрязняющих веществ в атмосферу энергетическими предприятиями и повышения жизненного уровня населения уделяется значительное внимание [20-22]. Зачастую на промышленно развитые страны оказывается давление с требованием снижения выбросов или стабилизации темпов прироста последних. Тем не менее около 45 % мировых выбросов СО2 образуется преимущественно за счет сжигания угля. При этом лидерами [14] по этому показателю являются США, Китай, Индия, Евросоюз, Россия. В Китае из 100 % выбросов частиц золы 70 % являются результатом деятельности угольных энергетических предприятий [18,23]. Аналогично обстоит дело с выбросами диоксида серы (SO2) - 90 %, оксидов азота (NOx) - 67 %, диоксида углерода (CO2) - 70 % [18,24].
Большие объемы опасных антропогенных выбросов ведут не только к серьезным экологическим последствиям, но также оказывают негативное влияние на здоровье людей [13]. Например, ежегодно в Индии угольными электростанциями выбрасывается в окружающую среду более 110 тыс. тонн твердых частиц золы, 43 млн. тонн SO2 и 1,2 млн. тонн NOx [25]. Индия быстрыми темпами обгоняет Китай по выбросам оксидов серу в атмосферу [26]. Угольные электростанции ответственные за 58% из общих выбросов SO2. Загрязнение воздуха вследствие работы угольных электростанций вызвало увеличение частоты респираторных заболеваний. Зафиксировано около 75 % случаев преждевременной смерти от сердечно-сосудистых заболеваний у людей в возрасте 30 лет и старше, проживающих вблизи электростанций. В общей сложности случаев преждевременной смерти насчитывается от 80000 до 115000 [7,27].
Из известных [18,20,28] путей минимизации концентраций антропогенных выбросов угольной теплоэнергетики наиболее перспективным считается применение водоугольных (ВУТ) [29-31] и органоводоугольных (ОВУТ) [32-35] топлив на основе отходов углеобогащения (в частности, фильтр-кеков) и отходов нефтепереработки (отработанных индустриальных и бытовых масел, фусов, смол и др.).
Аккумулируемые запасы фильтр-кеков (влажных высокозольных отходов обогащения угля) на сегодняшний день составляют несколько десятков миллионов тонн в год [36]. В последнее время в России, Китае и Индии обсуждаются вопросы вовлечения в энергетику фильтр-кеков каменных углей [30,36]. В фильтр-кеках концентрация угля, как правило, составляет 40-60 %. Поэтому увлажненные фильтр-кеки (в таком виде они получаются и хранятся на обогатительных фабриках) представляют уже готовые к использованию суспензии водоугольного топлива [36].
ВУТ имеет ряд недостатков, так как оно существенно уступает углю по энергетическим показателям (меньше теплота сгорания). К тому же, возникает ряд других проблем, связанных с расслоением (выпадением твердых частиц в осадок - седиментацией) суспензии, что затрудняет транспортировку композиций ВУТ трубопроводным транспортом, их длительное хранение и последующее сжигание [36].
Для предотвращения расслоения суспензии в нее добавляют жидкие горючие пластификаторы и получают так называемые органоводоугольные топлива [36]. В целом такие виды топлив принято называть композиционными жидкими (КЖТ). В качестве жидких горючих компонентов применяются отходы нефтяного происхождения, отложения, образующиеся при очистке нефтепроводов и резервуаров, отработанные масла различных энергоустановок, турбин, двигателей, трансформаторов, объемы которых исчисляются миллионами тонн в год [36,37].
Согласно [37] в мире уже накоплено более 1 млрд. тонн нефтешламов и ежегодно образуется еще 60 млн. тонн. Жидкие нефтепродукты, попадая в водоемы, почву, подземные воды, наносят огромный ущерб окружающей среде [38]. Сжигание типичных жидких горючих отходов в исходном состоянии требует довольно больших ресурсов, однако в составе КЖТ нефтешламы могут эффективно (с точки зрения энергетических и экономических характеристик) использоваться для интенсификации зажигания топливного состава, а также для улучшения его реологических характеристик.
Таким образом, применение КЖТ является достаточно перспективным решением нескольких проблем: утилизация перечисленных отходов угле- и нефтепереработки; сокращение темпов добычи угля и разработки новых месторождений; сокращение концентраций антропогенных выбросов в окружающую среду, расширение сырьевой базы для изготовления топлив из отходов и соответствующих остатков.
За последние 50 лет созданы фундаментальные основы технологии промышленного приготовления и сжигания КЖТ в топках энергетических котлоагрегатов. Разработаны физические, математические, прогностические математические модели, экспериментальные методики, методы, алгоритмы численного моделирования, получены зависимости интегральных характеристик от основных параметров процесса, сформулированы теоретические следствия и практические рекомендации. Можно выделить ряд ученых, которые сделали значительный вклад в развитие технологий КЖТ: Wang H., Jianzhong L., Kefa C., Bo Y., Zhang G., Kijo-Kleczkowska A., Sahoo B.K., Meikap B.C., Мурко В.И., Пузырев E.M., Делягин Г.Н., Осинцев К.В., Ходаков Г.С., Бурдуков А.П., Баранова М.П., Алексеенко С.В., Соломитов В.В., Мальцев Л.И., Кравченко И.В., Кравченко А.И., Богомолов А.Р., Кузнецов Г.В., Сыродой С.В. Исследованием КЖТ, имеющих в своем составе помимо угля жидкие горючие компоненты (такие как мазут, керосин, индустриальные масла, водонефтяные эмульсии и др.) занимались Mohapatra S.K., Manwwani P., Kim S.H., Sakai T., Svoboda K., Liu J., Lee C.H., Татарникова E.B., Чернецкий М.Ю., Дектерев A.A., Патраков Ю.Ф., Овчинников Ю.В., Лиштван И.И., Богомолов А.Р., Шевырев С.А., Стрижак П.А., Глушков Д.О., Вершинина К.Ю., Валиуллин Т.Р., Няшина Г.С., Шабардин Д.П.
В мире уже проведены опыты по применению суспензионных топлив в качестве альтернативного топлива взамен угля на энергетических объектах.
Значительный вклад в развитие таких технологий внесли ученые из Китая и Японии [39-42], которые провели совместную работу по приготовлению водоугольного топлива и его дальнейшей транспортировке морскими танкерами до электростанции в Накосо, Япония (энергоблок 600 МВт) [40,41]. В Китае КЖТ широко используется в котлах белее 20 теплоэлектростанций, более 300 промышленных печей и сотнях печей для сушки и обжига [42]. Исследования ученых университета штата Пенсильвании (США) подтвердили экологическую эффективность КЖТ (снижение выбросов оксидов серы и азота) [43]. В России успешным считается опыт, заключающийся в транспортировке КЖТ из г. Белово и его сжигании на Новосибирской ТЭЦ-5 [44]. Также проведена опытная эксплуатация котлов при сжигании КЖТ на основе кеков каменных углей на станции Барзас, Кемеровская область [36].
К настоящему времени достаточно хорошо изучены процессы зажигания и горения водоугольных и органоводоугольных суспензий [45-48], вопросы приготовления и сжигания подобных топлив и их реологические характеристики [49-51], а также экологические характеристики [32,52,53]. Результаты научных исследований [32,45-53] дают основание полагать, что КЖТ являются достойной альтернативой углю в качестве основного топлива на ТЭС. К сожалению, позиции энергетиков, экологов и населения по вопросам использования КЖТ вместо угля расходятся вследствие разных интересов (экологических, экономических и энергетических). Как следствие, результаты исследований, перечисленных в работах [32,45-53], достаточно редко доходят до практического использования.
Перспективы дальнейшего развития использования водоугольных и органоводоугольных топлив весьма обширны. Применение КЖТ в энергетическом секторе может служить основой эффективной (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и техникоэкономических показателей) замены угля, мазута и природного газа на многих ТЭС с достаточно малыми капитальными затратами и с сохранением на требуемом уровне вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим значительный интерес для развития теплоэнергетики представляет проведение комплексного анализа перспектив применения КЖТ не только с энергетической, экологической и технико-экономической точек зрения.
Целью работы является технико-экономическое обоснование использования композиционных жидких топлив из отходов нефтепереработки и углеобогащения на ТЭС с учетом энергетических и экологических параметров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики технико-экономического обоснования
целесообразности сжигания КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки на ТЭС, учитывающей экологические, энергетические и экономические характеристики сжигания КЖТ.
2. Разработка методики экспериментальных исследований процессов горения КЖТ с целью определения концентраций основных антропогенных выбросов.
3. Исследование экологических характеристик наиболее перспективных КЖТ с целью анализа необходимых концентраций и свойств компонентов для приготовления топливных суспензий.
4. Установление по результатам экспериментальных исследований экологических характеристик сжигания (концентраций выбросов оксидов азота NOx и серы SOx) КЖТ из отходов обогащения типичных марок каменных углей.
5. Проведение технико-экономического обоснования перспективности
применения КЖТ на тепловых электрических станциях большой, средней и малой мощностей.
6. Разработка эффективных (по сравнению с пылевидным углем, мазутом и газом) схем приготовления, хранения и использования КЖТ на ТЭС.
7. Разработка рекомендаций по применению КЖТ на ТЭС с разной мощностью, основным и растопочным топливами.
Научная новизна работы. Разработан подход к проведению комплексного технико-экономического обоснования эффективности (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и технике-
экономических характеристик) применения КЖТ на тепловых электрических станциях и котельных взамен традиционных топлив, отличающийся от известных учетом наиболее значимых энергетических, экологических и техникоэкономических характеристик используемых топлив. Учтены особенности типичных схем систем топливных хозяйств ТЭС, работающих на угле, мазуте и газе и проведено их преобразование с целью применения КЖТ в качестве основного топлива. Разработанная схема системы топливного хозяйства является универсальной с точки зрения возможности использования КЖТ разного состава на ТЭС. Определены относительные показатели эффективности (с точки зрения основных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) КЖТ с учетом группы значимых параметров (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технико-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива;
пожаровзрывобезопасность).
Практическая значимость. Выполненные исследования позволили получить экспериментальную информационную базу данных для сравнительного анализа основных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик сжигания перспективных КЖТ вместо углей, мазута и газа. Получены результаты прогностического расчета перевода трех типичных объектов теплоэнергетики (с различными тепловой и электрической мощностями, видом и объемом используемого топлива) с традиционного топлива на нескольких перспективных (с точки зрения энергетики, экономики и экологии) суспензий. Установлены экономические затраты, связанные с переходом на КЖТ, и возможные последствия. При этом в зависимости от приоритетов и требований по антропогенным выбросам, стоимости топлива и энергетическим характеристикам можно варьировать концентрацию и тип компонентов КЖТ. База веществ и материалов для приготовления композиционных жидких топлив очень широкая: фильтр-кеки, шламы, фусы, смолы, отработанные масла и др.
Результаты диссертационных исследований используются при выполнении инвестиционного проекта, направленного на создание первого в России опытно - промышленного участка подготовки и сжигания органоводоугольного топлива с применением промышленных и бытовых отходов.
Степень достоверности результатов экспериментальных и теоретических исследований подтверждается выполненными оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных условиях, использованием современных высокоточных оптических методов и программно-аппаратных комплексов.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационные исследования горения частиц композиционных жидких топлив выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-10003), а также Гранта Президента РФ (проект № МД-314.2019.8) и проекта ВИУ-ИШФВП- 60/2019 в рамках программы развития Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки, техники и технологий в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.) «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития («Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе», «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»), так как применение КЖТ вместо угля позволяет существенно снизить антропогенные выбросы, эффективно утилизировать многочисленные индустриальные отходы, повысить технике-экономические характеристики сжигания низкосортных угольных топлив.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Новый подход к технико-экономическому обоснованию использования КЖТ на ТЭС в качестве основного и/или дополнительного топлива, отличающийся от известных учетом основных экологических, энергетических и экономических характеристик и базирующийся на частичной модернизации систем топливоприготовления и топливоподачи на станции.
2. Проведенные оценки основных вложений показали, что модернизация котлов
ТЭС, работающих на угле, мазуте и газе, при переходе к сжиганию КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки может окупиться в течение 1-3 лет. Сравнение результатов исследований для котлов с разной
производительностью показали, что чем больше расход топлива в энергетических установках и объемы вырабатываемой энергии, тем меньше срок окупаемости перехода на КЖТ.
3. Относительные показатели эффективности КЖТ в качестве основного топлива ТЭС с учетом группы энергетических, экологических и экономических показателей (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технико-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива; пожаровзрывобезопасность) в 2-10 раз выше по сравнению с углем и мазутом.
4. Максимальную относительную эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) технологий КЖТ на ТЭС можно получить при масштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных твердых горючих компонентов.
Личный вклад автора состоит в формулировке задач диссертационных исследований, планировании экспериментов, разработке методик, проведении опытов и технико-экономического обоснования, обработке результатов экспериментальных и теоретических исследований, апробации последних, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении экспериментальных данных, разработке рекомендаций использования результатов исследований, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2016, 2017), Международных научных конференциях «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2016, 2017, 2019), Международном научном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2016, 2017, 2018), Международных форумах«Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2016, 2017), XXXIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2017), II Международной конференции «Рациональное природопользование: традиции и инновации» (Москва, 2017), X Всероссийской научной молодежной конференции «Арктика и ее освоение» (Томск, 2017), IX Международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск, 2017), Международной научной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2017), VII Международном семинаре «Проблемные вопросы тепломассообмена при фазовых превращениях и многофазных течениях в современных аппаратах химической технологии и энергетическом оборудовании» (Новосибирск, 2018), «XXXIV Сибирском теплофизическом семинаре» (Новосибирск, 2018), Седьмой российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2018), Российско - Казахстанском симпозиуме «Углехимия и экология Кузбасса» (Кемерово, 2018), «XXXVI Сибирском теплофизическом семинаре» (Новосибирск, 2020), XVI Всероссийской школе-конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2020).
Публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 19 статьях, в том числе 6 - в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Известия вузов. Проблемы энергетики», «Безопасность жизнедеятельности», «Химическое и нефтегазовое машиностроение», «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», «Кокс и химия». Опубликованы 13 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of Hazardous Materials» (ИФ=9.04, Q1), «Energy Conversion and Management» (ИФ=8.21, Q1), «Environmental Pollution» (ИФ=6.79, Q1), «Journal of Cleaner Production» (ИФ=7.25, Q), «Science of the Total Environment» (ИФ=6.55, Q1), «Applied Thermal Engineering» (ИФ=4.73, Q1), «Waste and Biomass Valorization» (ИФ=2.85, Q2), «EPJ Web of Conferences», «AIP Conference Proceedings», «MATEC Web of Conferences».
Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 181 наименование, содержит 26 рисунков, 40 таблиц, 175 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены практическая значимость, научная новизна полученных результатов и личный вклад автора диссертации.
В первой главе проанализировано современное состояние проблемы сжигания твердых, жидких и суспензионных топлив на тепловых электрических станциях. Определены перспективные экологические решения для минимизации влияния ТЭС на окружающую среду. Особое внимание уделено угольным ТЭС. Определены основные достижения в области исследований КЖТ, а также проблемы, сдерживающие развитие технологий КЖТ (особенно при внедрении подобного топлива в производство тепловой и электрической энергии на ТЭС).
Во второй главе приведено описание использованного в диссертационном исследовании стенда и разработанных методик регистрации концентраций выбросов NOx и SOx при сжигании угля и КЖТ на базе отходов углеобогащения (фильтр-кеков пяти распространенных как в России, так и за рубежом марок «Г», «Д», «К», «СС», «Т») и горючих жидкостей (мазута, отработанного турбинного масла). На рис. 2 приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие снижение выбросов NOx и SOx при сжигании КЖТ по сравнению с углем. Также приведено описание разработанных методик проведения технико-экономического обоснования (ТЭО) эффективности применения КЖТ взамен традиционного топлива на типичных объектах энергетики (котельной и двух ТЭС), работающих на разных видах топлива (твердом, жидком, газовом), с учетом экологических, энергетических и экономических характеристик изучаемых топлив. Выполнено преобразование типичных схем систем топливных хозяйств котельной и ТЭС, работающих на твердом (уголь), жидком (мазут) и газовом (природный газ) топливах для использования КЖТ.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований, послужившие основанием для формулирования второго, третьего и четвертого защищаемых положений. В частности, для развития второго защищаемого положения диссертации введен в рассмотрение относительный показатель эффективности (с точки зрения наиболее важных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) использования КЖТ в качестве основного на ТЭС с учетом группы значимых параметров (теплота сгорания, расход топлива, антропогенные выбросы, зольный остаток, максимальная температура горения, минимальные температуры зажигания, времена задержки инициирования горения, экономические затраты, пожаровзрывобезопасность):
/отн=[У1-еотн]+[У2-Сотн]+[уз 'Э-NOx отн'Э-SQx отн] + [У4 '^отн]+[У5 '^отн]+[Уб Ротн]+
+ [У7 '^отн], где Yi - весовые коэффициенты (в первом приближении можно роль всех перечисленных факторов считать равнозначной, тогда yi=1, i=1...n, где п - количество учитываемых факторов).
Для развития третьего защищаемого положения диссертации рассчитаны затраты на технологические изменения на ТЭС и котельных при переходе на КЖТ. Показано, что они окупаются в течение 1-3 лет. В качестве типичных объектов энергетики выбраны небольшая котельная и две тепловые электрические станции.
Для развития четвертого защищаемого положения диссертации спрогнозирована относительная эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и технике-экономических характеристик) технологий КЖТ на ТЭС при широкомасштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных угольных компонентов топлив. На примере сжигания одиночной капли КЖТ определены основные приоритеты для обеспечения перспективности компонентов и суспензий в целом: стоимость, время задержки зажигания, минимальная достаточная температура окислителя, длительность процесса горения, теплота сгорания КЖТ. Методика выбора оптимального (с точки зрения энергетических и экономических показателей) состава КЖТ основывалась на четырех принципах: минимизация стоимости суспензионной композиции; максимизация теплоты сгорания; максимизация длительности процесса горения; минимизация времени задержки зажигания (инерционности начальной стадии горения).
В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
В государствах с развитой угольной теплоэнергетикой (Китай, Индия, Япония, Россия, Австралия и др.) ежегодно регистрируется высокий уровень загрязнения атмосферы. Это обусловлено тем, что в процессе сжигания угля образуется не только энергия, но и опасные вещества [11-13]: антропогенные выбросы (COx, NOx, SOx); золошлаковые отходы (ЗШО); летучая зола с высоким содержанием тяжелых металлов (As, Cr, Ba, Sr, Zn, Pb, Mo и др.); вода, загрязненная токсичными элементами и радионуклидами.
Мировому научному сообществу хорошо известно влияние, оказываемое на окружающую среду перечисленными отходами [13-15]. В частности, оксиды серы и азота, соединяясь с атмосферной влагой, окисляются, образуя слабые растворы серной и азотистой кислот, которые являются причиной выпадения кислотных дождей [16,17]. Повышение концентрации оксидов азота способствует разрушению озонового слоя атмосферы, который защищает землю от ультрафиолетового космического излучения [13]. Помимо этого оказывают существенное влияние [18] содержащиеся в продуктах сгорания фтор, хлор и их производные, токсичные и канцерогенные микроэлементы, канцерогенные углеводороды. Глобальными факторами воздействия предприятий энергетики на окружающую среду являются не только выбросы рассмотренных выше оксидов, но и углекислого газа и паров воды, способствующих развитию парникового эффекта и нарушению природно-климатических условий [13,14,19].
Во многих развитых государствах разработке соответствующих технологий для уменьшения концентраций выбросов загрязняющих веществ в атмосферу энергетическими предприятиями и повышения жизненного уровня населения уделяется значительное внимание [20-22]. Зачастую на промышленно развитые страны оказывается давление с требованием снижения выбросов или стабилизации темпов прироста последних. Тем не менее около 45 % мировых выбросов СО2 образуется преимущественно за счет сжигания угля. При этом лидерами [14] по этому показателю являются США, Китай, Индия, Евросоюз, Россия. В Китае из 100 % выбросов частиц золы 70 % являются результатом деятельности угольных энергетических предприятий [18,23]. Аналогично обстоит дело с выбросами диоксида серы (SO2) - 90 %, оксидов азота (NOx) - 67 %, диоксида углерода (CO2) - 70 % [18,24].
Большие объемы опасных антропогенных выбросов ведут не только к серьезным экологическим последствиям, но также оказывают негативное влияние на здоровье людей [13]. Например, ежегодно в Индии угольными электростанциями выбрасывается в окружающую среду более 110 тыс. тонн твердых частиц золы, 43 млн. тонн SO2 и 1,2 млн. тонн NOx [25]. Индия быстрыми темпами обгоняет Китай по выбросам оксидов серу в атмосферу [26]. Угольные электростанции ответственные за 58% из общих выбросов SO2. Загрязнение воздуха вследствие работы угольных электростанций вызвало увеличение частоты респираторных заболеваний. Зафиксировано около 75 % случаев преждевременной смерти от сердечно-сосудистых заболеваний у людей в возрасте 30 лет и старше, проживающих вблизи электростанций. В общей сложности случаев преждевременной смерти насчитывается от 80000 до 115000 [7,27].
Из известных [18,20,28] путей минимизации концентраций антропогенных выбросов угольной теплоэнергетики наиболее перспективным считается применение водоугольных (ВУТ) [29-31] и органоводоугольных (ОВУТ) [32-35] топлив на основе отходов углеобогащения (в частности, фильтр-кеков) и отходов нефтепереработки (отработанных индустриальных и бытовых масел, фусов, смол и др.).
Аккумулируемые запасы фильтр-кеков (влажных высокозольных отходов обогащения угля) на сегодняшний день составляют несколько десятков миллионов тонн в год [36]. В последнее время в России, Китае и Индии обсуждаются вопросы вовлечения в энергетику фильтр-кеков каменных углей [30,36]. В фильтр-кеках концентрация угля, как правило, составляет 40-60 %. Поэтому увлажненные фильтр-кеки (в таком виде они получаются и хранятся на обогатительных фабриках) представляют уже готовые к использованию суспензии водоугольного топлива [36].
ВУТ имеет ряд недостатков, так как оно существенно уступает углю по энергетическим показателям (меньше теплота сгорания). К тому же, возникает ряд других проблем, связанных с расслоением (выпадением твердых частиц в осадок - седиментацией) суспензии, что затрудняет транспортировку композиций ВУТ трубопроводным транспортом, их длительное хранение и последующее сжигание [36].
Для предотвращения расслоения суспензии в нее добавляют жидкие горючие пластификаторы и получают так называемые органоводоугольные топлива [36]. В целом такие виды топлив принято называть композиционными жидкими (КЖТ). В качестве жидких горючих компонентов применяются отходы нефтяного происхождения, отложения, образующиеся при очистке нефтепроводов и резервуаров, отработанные масла различных энергоустановок, турбин, двигателей, трансформаторов, объемы которых исчисляются миллионами тонн в год [36,37].
Согласно [37] в мире уже накоплено более 1 млрд. тонн нефтешламов и ежегодно образуется еще 60 млн. тонн. Жидкие нефтепродукты, попадая в водоемы, почву, подземные воды, наносят огромный ущерб окружающей среде [38]. Сжигание типичных жидких горючих отходов в исходном состоянии требует довольно больших ресурсов, однако в составе КЖТ нефтешламы могут эффективно (с точки зрения энергетических и экономических характеристик) использоваться для интенсификации зажигания топливного состава, а также для улучшения его реологических характеристик.
Таким образом, применение КЖТ является достаточно перспективным решением нескольких проблем: утилизация перечисленных отходов угле- и нефтепереработки; сокращение темпов добычи угля и разработки новых месторождений; сокращение концентраций антропогенных выбросов в окружающую среду, расширение сырьевой базы для изготовления топлив из отходов и соответствующих остатков.
За последние 50 лет созданы фундаментальные основы технологии промышленного приготовления и сжигания КЖТ в топках энергетических котлоагрегатов. Разработаны физические, математические, прогностические математические модели, экспериментальные методики, методы, алгоритмы численного моделирования, получены зависимости интегральных характеристик от основных параметров процесса, сформулированы теоретические следствия и практические рекомендации. Можно выделить ряд ученых, которые сделали значительный вклад в развитие технологий КЖТ: Wang H., Jianzhong L., Kefa C., Bo Y., Zhang G., Kijo-Kleczkowska A., Sahoo B.K., Meikap B.C., Мурко В.И., Пузырев E.M., Делягин Г.Н., Осинцев К.В., Ходаков Г.С., Бурдуков А.П., Баранова М.П., Алексеенко С.В., Соломитов В.В., Мальцев Л.И., Кравченко И.В., Кравченко А.И., Богомолов А.Р., Кузнецов Г.В., Сыродой С.В. Исследованием КЖТ, имеющих в своем составе помимо угля жидкие горючие компоненты (такие как мазут, керосин, индустриальные масла, водонефтяные эмульсии и др.) занимались Mohapatra S.K., Manwwani P., Kim S.H., Sakai T., Svoboda K., Liu J., Lee C.H., Татарникова E.B., Чернецкий М.Ю., Дектерев A.A., Патраков Ю.Ф., Овчинников Ю.В., Лиштван И.И., Богомолов А.Р., Шевырев С.А., Стрижак П.А., Глушков Д.О., Вершинина К.Ю., Валиуллин Т.Р., Няшина Г.С., Шабардин Д.П.
В мире уже проведены опыты по применению суспензионных топлив в качестве альтернативного топлива взамен угля на энергетических объектах.
Значительный вклад в развитие таких технологий внесли ученые из Китая и Японии [39-42], которые провели совместную работу по приготовлению водоугольного топлива и его дальнейшей транспортировке морскими танкерами до электростанции в Накосо, Япония (энергоблок 600 МВт) [40,41]. В Китае КЖТ широко используется в котлах белее 20 теплоэлектростанций, более 300 промышленных печей и сотнях печей для сушки и обжига [42]. Исследования ученых университета штата Пенсильвании (США) подтвердили экологическую эффективность КЖТ (снижение выбросов оксидов серы и азота) [43]. В России успешным считается опыт, заключающийся в транспортировке КЖТ из г. Белово и его сжигании на Новосибирской ТЭЦ-5 [44]. Также проведена опытная эксплуатация котлов при сжигании КЖТ на основе кеков каменных углей на станции Барзас, Кемеровская область [36].
К настоящему времени достаточно хорошо изучены процессы зажигания и горения водоугольных и органоводоугольных суспензий [45-48], вопросы приготовления и сжигания подобных топлив и их реологические характеристики [49-51], а также экологические характеристики [32,52,53]. Результаты научных исследований [32,45-53] дают основание полагать, что КЖТ являются достойной альтернативой углю в качестве основного топлива на ТЭС. К сожалению, позиции энергетиков, экологов и населения по вопросам использования КЖТ вместо угля расходятся вследствие разных интересов (экологических, экономических и энергетических). Как следствие, результаты исследований, перечисленных в работах [32,45-53], достаточно редко доходят до практического использования.
Перспективы дальнейшего развития использования водоугольных и органоводоугольных топлив весьма обширны. Применение КЖТ в энергетическом секторе может служить основой эффективной (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и техникоэкономических показателей) замены угля, мазута и природного газа на многих ТЭС с достаточно малыми капитальными затратами и с сохранением на требуемом уровне вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим значительный интерес для развития теплоэнергетики представляет проведение комплексного анализа перспектив применения КЖТ не только с энергетической, экологической и технико-экономической точек зрения.
Целью работы является технико-экономическое обоснование использования композиционных жидких топлив из отходов нефтепереработки и углеобогащения на ТЭС с учетом энергетических и экологических параметров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики технико-экономического обоснования
целесообразности сжигания КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки на ТЭС, учитывающей экологические, энергетические и экономические характеристики сжигания КЖТ.
2. Разработка методики экспериментальных исследований процессов горения КЖТ с целью определения концентраций основных антропогенных выбросов.
3. Исследование экологических характеристик наиболее перспективных КЖТ с целью анализа необходимых концентраций и свойств компонентов для приготовления топливных суспензий.
4. Установление по результатам экспериментальных исследований экологических характеристик сжигания (концентраций выбросов оксидов азота NOx и серы SOx) КЖТ из отходов обогащения типичных марок каменных углей.
5. Проведение технико-экономического обоснования перспективности
применения КЖТ на тепловых электрических станциях большой, средней и малой мощностей.
6. Разработка эффективных (по сравнению с пылевидным углем, мазутом и газом) схем приготовления, хранения и использования КЖТ на ТЭС.
7. Разработка рекомендаций по применению КЖТ на ТЭС с разной мощностью, основным и растопочным топливами.
Научная новизна работы. Разработан подход к проведению комплексного технико-экономического обоснования эффективности (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и технике-
экономических характеристик) применения КЖТ на тепловых электрических станциях и котельных взамен традиционных топлив, отличающийся от известных учетом наиболее значимых энергетических, экологических и техникоэкономических характеристик используемых топлив. Учтены особенности типичных схем систем топливных хозяйств ТЭС, работающих на угле, мазуте и газе и проведено их преобразование с целью применения КЖТ в качестве основного топлива. Разработанная схема системы топливного хозяйства является универсальной с точки зрения возможности использования КЖТ разного состава на ТЭС. Определены относительные показатели эффективности (с точки зрения основных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) КЖТ с учетом группы значимых параметров (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технико-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива;
пожаровзрывобезопасность).
Практическая значимость. Выполненные исследования позволили получить экспериментальную информационную базу данных для сравнительного анализа основных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик сжигания перспективных КЖТ вместо углей, мазута и газа. Получены результаты прогностического расчета перевода трех типичных объектов теплоэнергетики (с различными тепловой и электрической мощностями, видом и объемом используемого топлива) с традиционного топлива на нескольких перспективных (с точки зрения энергетики, экономики и экологии) суспензий. Установлены экономические затраты, связанные с переходом на КЖТ, и возможные последствия. При этом в зависимости от приоритетов и требований по антропогенным выбросам, стоимости топлива и энергетическим характеристикам можно варьировать концентрацию и тип компонентов КЖТ. База веществ и материалов для приготовления композиционных жидких топлив очень широкая: фильтр-кеки, шламы, фусы, смолы, отработанные масла и др.
Результаты диссертационных исследований используются при выполнении инвестиционного проекта, направленного на создание первого в России опытно - промышленного участка подготовки и сжигания органоводоугольного топлива с применением промышленных и бытовых отходов.
Степень достоверности результатов экспериментальных и теоретических исследований подтверждается выполненными оценками систематических и случайных погрешностей результатов измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных условиях, использованием современных высокоточных оптических методов и программно-аппаратных комплексов.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационные исследования горения частиц композиционных жидких топлив выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-10003), а также Гранта Президента РФ (проект № МД-314.2019.8) и проекта ВИУ-ИШФВП- 60/2019 в рамках программы развития Национального исследовательского Томского политехнического университета. Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки, техники и технологий в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.) «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий федерального уровня, получивших высокий рейтинг по показателям состояния и перспективам развития («Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе», «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии»), так как применение КЖТ вместо угля позволяет существенно снизить антропогенные выбросы, эффективно утилизировать многочисленные индустриальные отходы, повысить технике-экономические характеристики сжигания низкосортных угольных топлив.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Новый подход к технико-экономическому обоснованию использования КЖТ на ТЭС в качестве основного и/или дополнительного топлива, отличающийся от известных учетом основных экологических, энергетических и экономических характеристик и базирующийся на частичной модернизации систем топливоприготовления и топливоподачи на станции.
2. Проведенные оценки основных вложений показали, что модернизация котлов
ТЭС, работающих на угле, мазуте и газе, при переходе к сжиганию КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки может окупиться в течение 1-3 лет. Сравнение результатов исследований для котлов с разной
производительностью показали, что чем больше расход топлива в энергетических установках и объемы вырабатываемой энергии, тем меньше срок окупаемости перехода на КЖТ.
3. Относительные показатели эффективности КЖТ в качестве основного топлива ТЭС с учетом группы энергетических, экологических и экономических показателей (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технико-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива; пожаровзрывобезопасность) в 2-10 раз выше по сравнению с углем и мазутом.
4. Максимальную относительную эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) технологий КЖТ на ТЭС можно получить при масштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных твердых горючих компонентов.
Личный вклад автора состоит в формулировке задач диссертационных исследований, планировании экспериментов, разработке методик, проведении опытов и технико-экономического обоснования, обработке результатов экспериментальных и теоретических исследований, апробации последних, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении экспериментальных данных, разработке рекомендаций использования результатов исследований, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2016, 2017), Международных научных конференциях «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2016, 2017, 2019), Международном научном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2016, 2017, 2018), Международных форумах«Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2016, 2017), XXXIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2017), II Международной конференции «Рациональное природопользование: традиции и инновации» (Москва, 2017), X Всероссийской научной молодежной конференции «Арктика и ее освоение» (Томск, 2017), IX Международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск, 2017), Международной научной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2017), VII Международном семинаре «Проблемные вопросы тепломассообмена при фазовых превращениях и многофазных течениях в современных аппаратах химической технологии и энергетическом оборудовании» (Новосибирск, 2018), «XXXIV Сибирском теплофизическом семинаре» (Новосибирск, 2018), Седьмой российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2018), Российско - Казахстанском симпозиуме «Углехимия и экология Кузбасса» (Кемерово, 2018), «XXXVI Сибирском теплофизическом семинаре» (Новосибирск, 2020), XVI Всероссийской школе-конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2020).
Публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 19 статьях, в том числе 6 - в рецензируемых журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Известия вузов. Проблемы энергетики», «Безопасность жизнедеятельности», «Химическое и нефтегазовое машиностроение», «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», «Кокс и химия». Опубликованы 13 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of Hazardous Materials» (ИФ=9.04, Q1), «Energy Conversion and Management» (ИФ=8.21, Q1), «Environmental Pollution» (ИФ=6.79, Q1), «Journal of Cleaner Production» (ИФ=7.25, Q), «Science of the Total Environment» (ИФ=6.55, Q1), «Applied Thermal Engineering» (ИФ=4.73, Q1), «Waste and Biomass Valorization» (ИФ=2.85, Q2), «EPJ Web of Conferences», «AIP Conference Proceedings», «MATEC Web of Conferences».
Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 181 наименование, содержит 26 рисунков, 40 таблиц, 175 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены практическая значимость, научная новизна полученных результатов и личный вклад автора диссертации.
В первой главе проанализировано современное состояние проблемы сжигания твердых, жидких и суспензионных топлив на тепловых электрических станциях. Определены перспективные экологические решения для минимизации влияния ТЭС на окружающую среду. Особое внимание уделено угольным ТЭС. Определены основные достижения в области исследований КЖТ, а также проблемы, сдерживающие развитие технологий КЖТ (особенно при внедрении подобного топлива в производство тепловой и электрической энергии на ТЭС).
Во второй главе приведено описание использованного в диссертационном исследовании стенда и разработанных методик регистрации концентраций выбросов NOx и SOx при сжигании угля и КЖТ на базе отходов углеобогащения (фильтр-кеков пяти распространенных как в России, так и за рубежом марок «Г», «Д», «К», «СС», «Т») и горючих жидкостей (мазута, отработанного турбинного масла). На рис. 2 приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие снижение выбросов NOx и SOx при сжигании КЖТ по сравнению с углем. Также приведено описание разработанных методик проведения технико-экономического обоснования (ТЭО) эффективности применения КЖТ взамен традиционного топлива на типичных объектах энергетики (котельной и двух ТЭС), работающих на разных видах топлива (твердом, жидком, газовом), с учетом экологических, энергетических и экономических характеристик изучаемых топлив. Выполнено преобразование типичных схем систем топливных хозяйств котельной и ТЭС, работающих на твердом (уголь), жидком (мазут) и газовом (природный газ) топливах для использования КЖТ.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований, послужившие основанием для формулирования второго, третьего и четвертого защищаемых положений. В частности, для развития второго защищаемого положения диссертации введен в рассмотрение относительный показатель эффективности (с точки зрения наиболее важных экологических, энергетических и технико-экономических характеристик) использования КЖТ в качестве основного на ТЭС с учетом группы значимых параметров (теплота сгорания, расход топлива, антропогенные выбросы, зольный остаток, максимальная температура горения, минимальные температуры зажигания, времена задержки инициирования горения, экономические затраты, пожаровзрывобезопасность):
/отн=[У1-еотн]+[У2-Сотн]+[уз 'Э-NOx отн'Э-SQx отн] + [У4 '^отн]+[У5 '^отн]+[Уб Ротн]+
+ [У7 '^отн], где Yi - весовые коэффициенты (в первом приближении можно роль всех перечисленных факторов считать равнозначной, тогда yi=1, i=1...n, где п - количество учитываемых факторов).
Для развития третьего защищаемого положения диссертации рассчитаны затраты на технологические изменения на ТЭС и котельных при переходе на КЖТ. Показано, что они окупаются в течение 1-3 лет. В качестве типичных объектов энергетики выбраны небольшая котельная и две тепловые электрические станции.
Для развития четвертого защищаемого положения диссертации спрогнозирована относительная эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и технике-экономических характеристик) технологий КЖТ на ТЭС при широкомасштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных угольных компонентов топлив. На примере сжигания одиночной капли КЖТ определены основные приоритеты для обеспечения перспективности компонентов и суспензий в целом: стоимость, время задержки зажигания, минимальная достаточная температура окислителя, длительность процесса горения, теплота сгорания КЖТ. Методика выбора оптимального (с точки зрения энергетических и экономических показателей) состава КЖТ основывалась на четырех принципах: минимизация стоимости суспензионной композиции; максимизация теплоты сгорания; максимизация длительности процесса горения; минимизация времени задержки зажигания (инерционности начальной стадии горения).
В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
В заключении работы можно сформулировать основные выводы и отметить определяющие результаты:
1. Разработан подход к проведению комплексного технико-экономического обоснование применения композиционных жидких топлив на ТЭС и котельных в качестве основного и/или дополнительного топлива, отличающийся от известных учетом наиболее значимых энергетических, экологических и экономических характеристик используемых топлив.
2. Определены относительные показатели эффективности КЖТ с учетом
группы основных индикаторов (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технике-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива;
пожаровзрывобезопасность). Показано, что для КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки данные коэффициенты могут быть в 2-10 раз выше по сравнению с углем и мазутом.
3. Выполненные исследования позволили получить экспериментальную информационную базу данных для сравнительного анализа экологических, энергетических и технико-экономических характеристик сжигания перспективных композиционных жидких топлив вместо углей разного качества.
4. Выполненные технико-экономические расчеты позволили установить, что КЖТ на основе отходов угле- и нефтепереработки существенно выгоднее с точки зрения экономики по сравнению с углями даже самого высокого сорта. При этом в зависимости от приоритетов и требований по антропогенным выбросам, стоимости топлива и энергетическим индикаторам можно варьировать концентрацию и тип компонентов КЖТ. База веществ и материалов для приготовления суспензий очень широкая: фильтр-кеки, шламы, фусы, смолы, отработанные масла и др.
5. Основные преимущества КЖТ по сравнению с углем заключаются в
существенно меньших антропогенных выбросах и зольном остатке, малой стоимости компонентов, положительных технико-экономических
показателях хранения, транспортировки и сжигания, более высокой пожаровзрывобезопасности. Значения соответствующих относительных показателей можно уменьшить в несколько раз не только при оптимизации компонентного состава топливных суспензий, но и при рациональном выборе температурного режима горения.
6. В представленном обобщенном комплексном параметре эффективности суспензий в зависимости от целевых индикаторов весовые коэффициенты yi можно изменять в диапазоне от 0 до 1 при анализе преимуществ и недостатков использования КЖТ вместо угля с учетом повышенных требований, например, к экологии и менее жестких требований по стоимости топлива, теплоте сгорания и расходе топливных композиций.
7. Технологические изменения на ТЭС и котельных при переходе на КЖТ окупаются в течение 1-3 лет. Чем больше расход топлива в энергетических установках и объемы вырабатываемой энергии, тем меньше срок окупаемости перехода на КЖТ.
8. Максимальную относительную эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и техникоэкономических характеристик) технологий сжигания КЖТ на ТЭС можно получить при широкомасштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных угольных компонентов топлив. Объемы ежегодного образования таких отходов составляют 10-12 % от объемов рядового угля.
9. Переход угольных ТЭС с традиционного топлива на КЖТ позволит решить несколько глобальных проблем человечества. Первая - утилизация широкого класса отходов угле- и нефтепереработки. Это позволит не только утилизировать уже накопленные отходы (объемы составляют: отходы углеобогащения более 800 млн. тонн, отходы нефтепереработки более 1 млрд. тонн), но также предотвратить накопление вновь образующихся отходов. Вторая - снижение концентраций антропогенных выбросов предприятиями угольной энергетики (SOx на 40 %, NOx на 20 %), что подразумевает снижение негативного воздействия на окружающую среду, доли заболеваемости и смертности, вызванной плохим состоянием окружающего воздуха. Третья - рациональное использование природных ресурсов не только с целью сохранения природы, но и самих природных ресурсов, которые понадобятся для жизни следующим поколениям.
1. Разработан подход к проведению комплексного технико-экономического обоснование применения композиционных жидких топлив на ТЭС и котельных в качестве основного и/или дополнительного топлива, отличающийся от известных учетом наиболее значимых энергетических, экологических и экономических характеристик используемых топлив.
2. Определены относительные показатели эффективности КЖТ с учетом
группы основных индикаторов (теплота сгорания и расход топлива; антропогенные выбросы и зольный остаток; максимальная температура горения; минимальные температуры зажигания; времена задержки инициирования горения; стоимость компонентов; технике-экономические показатели хранения, транспортировки и сжигания топлива;
пожаровзрывобезопасность). Показано, что для КЖТ из отходов углеобогащения и нефтепереработки данные коэффициенты могут быть в 2-10 раз выше по сравнению с углем и мазутом.
3. Выполненные исследования позволили получить экспериментальную информационную базу данных для сравнительного анализа экологических, энергетических и технико-экономических характеристик сжигания перспективных композиционных жидких топлив вместо углей разного качества.
4. Выполненные технико-экономические расчеты позволили установить, что КЖТ на основе отходов угле- и нефтепереработки существенно выгоднее с точки зрения экономики по сравнению с углями даже самого высокого сорта. При этом в зависимости от приоритетов и требований по антропогенным выбросам, стоимости топлива и энергетическим индикаторам можно варьировать концентрацию и тип компонентов КЖТ. База веществ и материалов для приготовления суспензий очень широкая: фильтр-кеки, шламы, фусы, смолы, отработанные масла и др.
5. Основные преимущества КЖТ по сравнению с углем заключаются в
существенно меньших антропогенных выбросах и зольном остатке, малой стоимости компонентов, положительных технико-экономических
показателях хранения, транспортировки и сжигания, более высокой пожаровзрывобезопасности. Значения соответствующих относительных показателей можно уменьшить в несколько раз не только при оптимизации компонентного состава топливных суспензий, но и при рациональном выборе температурного режима горения.
6. В представленном обобщенном комплексном параметре эффективности суспензий в зависимости от целевых индикаторов весовые коэффициенты yi можно изменять в диапазоне от 0 до 1 при анализе преимуществ и недостатков использования КЖТ вместо угля с учетом повышенных требований, например, к экологии и менее жестких требований по стоимости топлива, теплоте сгорания и расходе топливных композиций.
7. Технологические изменения на ТЭС и котельных при переходе на КЖТ окупаются в течение 1-3 лет. Чем больше расход топлива в энергетических установках и объемы вырабатываемой энергии, тем меньше срок окупаемости перехода на КЖТ.
8. Максимальную относительную эффективность (с точки зрения наиболее важных для ТЭС основных экологических, энергетических и техникоэкономических характеристик) технологий сжигания КЖТ на ТЭС можно получить при широкомасштабном вовлечении отходов углеобогащения (шламов, кеков, промпродукта) в качестве основных угольных компонентов топлив. Объемы ежегодного образования таких отходов составляют 10-12 % от объемов рядового угля.
9. Переход угольных ТЭС с традиционного топлива на КЖТ позволит решить несколько глобальных проблем человечества. Первая - утилизация широкого класса отходов угле- и нефтепереработки. Это позволит не только утилизировать уже накопленные отходы (объемы составляют: отходы углеобогащения более 800 млн. тонн, отходы нефтепереработки более 1 млрд. тонн), но также предотвратить накопление вновь образующихся отходов. Вторая - снижение концентраций антропогенных выбросов предприятиями угольной энергетики (SOx на 40 %, NOx на 20 %), что подразумевает снижение негативного воздействия на окружающую среду, доли заболеваемости и смертности, вызванной плохим состоянием окружающего воздуха. Третья - рациональное использование природных ресурсов не только с целью сохранения природы, но и самих природных ресурсов, которые понадобятся для жизни следующим поколениям.
