Помощь студентам в учебе
ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ СЖИГАНИЯ УГЛЯ ТАЛОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ В ТОПКАХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ТАЛОВСКОЕ УГОЛЬНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 12
1.1 Таловское месторождение как объект угледобычи 12
1.2 Т еплотехнические и физико-химические свойства угля Т аловского
месторождения как энергетического топлива 14
1.3 Обзор разработок по технологиям использования таловского угля 16
1.4 Опыт сжигания низкосортных углей в котлах электрических станций 21
1.5 Обоснование задач исследования 25
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
2.1 Характеристика объектов исследования 28
2.2 Выбор программного продукта 36
2.3 Апробация модели численного исследования 40
2.4 Определяющие принципы исследования 46
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
3.1 Топливо - таловский уголь в исходном виде 50
3.2 Топливо - смесь таловского и кузнецкого углей 65
3.3 Т опливо - смесь полукокса таловского угля и натурального кузнецкого
угля 72
3.4 Результаты тепловых поверочных расчетов 79
3.5 Г енерация оксидов азота и выбросы с дымовыми газами 83
ГЛАВА 4. УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАЛОВСКОГО УГЛЯ 91
4.1 Сжигание в исходном (натуральном) виде 91
4.2 Сжигание в смеси с кузнецким углем 93
4.3 Сжигание полукокса в смеси с кузнецким углем 94
4.4 Рекомендации по использованию таловского угля 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106
Приложение I. Распределение горючих полезных ископаемых на территории Томской области 129
Приложение II. Основные технические данные котлоагрегатов 130
Приложение III. Описание используемой математической модели 132
Приложение IV. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания таловского угля в исходном виде 143
Приложение V. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания смеси таловского и кузнецкого углей 153
Приложение VI. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания смеси полукокса таловского угля и кузнецкого угля 162
Приложение VII. Материалы по использованию результатов 171
ГЛАВА 1. ТАЛОВСКОЕ УГОЛЬНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 12
1.1 Таловское месторождение как объект угледобычи 12
1.2 Т еплотехнические и физико-химические свойства угля Т аловского
месторождения как энергетического топлива 14
1.3 Обзор разработок по технологиям использования таловского угля 16
1.4 Опыт сжигания низкосортных углей в котлах электрических станций 21
1.5 Обоснование задач исследования 25
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
2.1 Характеристика объектов исследования 28
2.2 Выбор программного продукта 36
2.3 Апробация модели численного исследования 40
2.4 Определяющие принципы исследования 46
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
3.1 Топливо - таловский уголь в исходном виде 50
3.2 Топливо - смесь таловского и кузнецкого углей 65
3.3 Т опливо - смесь полукокса таловского угля и натурального кузнецкого
угля 72
3.4 Результаты тепловых поверочных расчетов 79
3.5 Г енерация оксидов азота и выбросы с дымовыми газами 83
ГЛАВА 4. УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАЛОВСКОГО УГЛЯ 91
4.1 Сжигание в исходном (натуральном) виде 91
4.2 Сжигание в смеси с кузнецким углем 93
4.3 Сжигание полукокса в смеси с кузнецким углем 94
4.4 Рекомендации по использованию таловского угля 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106
Приложение I. Распределение горючих полезных ископаемых на территории Томской области 129
Приложение II. Основные технические данные котлоагрегатов 130
Приложение III. Описание используемой математической модели 132
Приложение IV. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания таловского угля в исходном виде 143
Приложение V. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания смеси таловского и кузнецкого углей 153
Приложение VI. Результаты численного исследования топочной камеры котла
БКЗ-220-100-4 для сжигания смеси полукокса таловского угля и кузнецкого угля 162
Приложение VII. Материалы по использованию результатов 171
Обсуждаемый как ориентир для современного технологического уклада [1, 2] принцип равномерного использования всех освоенных видов энергии и топлива не подтверждает свою состоятельность прежде всего потому, что нетрадиционная энергетика оказалась неспособной удовлетворять потребности производства с его мощностью и требуемыми ресурсами. При этом доля атомной энергетики в мире (в целом) и в РФ в общем производстве электричества не превышает 20 %, что связано с технологической сложностью строительства и обеспечением безопасной эксплуатации атомных электростанций (АЭС), а также проблемами дальнейшего обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом. Немаловажно то, что энергоблоки АЭС могут работать только на определенной, установленной проектом, мощности. Для обеспечения маневренности энергосистемы в случаях колебаний потребления электроэнергии, как правило, используются мощности тепловых электростанций (ТЭС). Таким образом, традиционная энергетика с ее энергетическими машинами выполняет основную роль в экономике практически любой страны [3, 4]. Так, общая доля тепловых электростанций в установленной мощности ЕЭС России на 01.02.2022 г. составила 66,14 %, из них на угле - 16,07 % [5], в то время как в Германии и США доля угольной генерации составляет 31 % и 37 % соответственно, в Китае и Индии - 67 % и 75 % [6]. Угли Кузнецкого, Канско-Ачинского и Экибастузского
бассейнов составляют основную долю потребляемого на ТЭС России твердого топлива, при этом 90 % общей структуры потребления угля приходится на низкокачественные марки [7].
Утвердившиеся в современном периоде тренды глобальной трансформации развития энергетики, основанные на декарбонизации, децентрализации и цифровизации, ставят перед угольной генерацией новые вызовы. К таковым относятся: ужесточение экологических требований к выбросам (оксиды серы, оксиды азота, тяжелые металлы и др.) и снижение выбросов углекислого газа - так называемого «углеродного следа» (как путь борьбы с изменением климата). Следствием этого является усиление межтопливной конкуренции с природным газом и устремление к возрастанию роли возобновляемых источников энергии. Однако реалии показывают, что эти надежды и прогнозы не оправдываются в полной мере - более существенное влияние имеет возможность использования собственных ресурсов традиционного, в том числе угольного топлива.
На сегодняшний день, по мнению экспертов [6], развитие угольной генерации в России зависит от таких факторов, как: стоимость электроэнергии, произведенной с помощью угля и с помощью других источников энергии; влияние на окружающую среду; энергетическая безопасность - надежное и бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией; региональное экономическое развитие - с учетом влияния на смежные сферы деятельности; уровень состояния и развития технологий; отношение населения. В соответствии с Доктриной энергетической безопасности [8] и Энергетической стратегией Российской Федерации до 2035 года [9] в числе приоритетных задач наряду с достижением показателей экологичности определено рациональное использование местных топливно-энергетических ресурсов.
В свете этого Т омская область имеет свои особенности. С одной стороны, обширное по номенклатуре разнообразие топливно-энергетических ресурсов, способное удовлетворить нужды большой и промышленной энергетики, муниципальных и частных хозяйств, коммунально-бытового и агропромышленного комплексов. С другой стороны, низкая вовлеченность этих местных ресурсов в реальное использование и доминирование внешних источников энергоресурсов, которые являются проблемными факторами при рациональном формировании топливно-энергетического баланса.
Спектр топливных ресурсов Т омской области, охватывая практически все виды как ископаемых, так и возобновляемых источников [10], превышает настоящие объемы потребления, а по разведанным и прогнозируемым запасам даже выходит за региональное значение. Тем не менее наиболее востребованным и масштабно используемым является привозной каменный уголь Кузнецкого бассейна при наличии квотируемой для энергетики доли углеводородного сырья в виде природного газа.
Исходя из этого, определяющими факторами для энергетической безопасности региона являются взаимное территориальное расположение центров производства и потребления энергетических ресурсов, их транспортная доступность, а также альтернативы целевого использования и доля природного газа в топливно-энергетическом балансе.
С учетом изложенных соображений, а также с точки зрения технической готовности теплоэнергетических объектов региона, а в дальнейшем и поддержания маневренности по условиям потребляемого топлива целесообразно рассматривать томский бурый уголь в качестве альтернативного топлива для обеспечения региональной энергетической безопасности. Т ем более, что на территории региона геологи выделяют более сотни локальных проявлений бурых углей. Среди них по ряду параметров выделяется бурый уголь Таловского месторождения, расположенного в густонаселенной части области в 25 км от административного центра и в 10-15 км от других крупных потенциальных потребителей.
В последние десятилетия различными вопросами изучения таловских углей, а именно определением технологических и теплотехнических свойств, прогнозами масштабов и направлений использования, оценками условий залегания угольных пластов и технологическими подходами к разработке месторождения занимались такие томские исследователи как Архипов В.С., Заворин А.С., Казаков А.В., Карякин С.К., Ласовская О.А., Маслов С.Г., Паровинчак М. С., Прокопенко П.Н. и другие. Ими создан существенный задел как база для дальнейших работ по освоению таловского угля. Т ем не менее в настоящее время отсутствуют в полном объеме необходимые данные об условиях и параметрах процессов сжигания угля применительно к действующим в регионе энергетическим установкам, о возможных ограничениях в их работе, обусловленных качественными характеристиками топлива. Совокупность пока недостающих в этой части сведений позволит выработать подходы к энергетическому использованию таловского угля в регионе, исключающие значительные и затратные технические мероприятия с установленным оборудованием, что соответствует концепции энергетической безопасности.
Изложенное выше свидетельствует об актуальности исследования аспектов использования угля Т аловского месторождения как местного топлива с учетом его состояния перед сжиганием и возможностей действующего энергетического оборудования. Актуальность тематической направленности исследований подтверждается её соответствием приоритетному направлению развития науки, техники и технологий в Российской Федерации (п.8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и критическим технологиям в Российской Федерации (п. 27 «Технологии энергоэффективного производства и
преобразования энергии на органическом топливе»).
Цель диссертационной работы - обоснование выбора наиболее эффективного способа вовлечения в энергетическое использование таловского угля как местного топлива с учетом вариантов предварительной подготовки.
Задачи исследования:
выполнить анализ работ по исследованиям угля Т аловского месторождения и по энергетическому сжиганию подобных топлив;
провести численные исследования сжигания таловского угля в топочной камере пылеугольного котла исходя из условий его использования как местного топлива;
дать оценку влияния параметров топлива на процессы, протекающие в топочной камере пылеугольного котла;
провести сравнительную оценку технологических вариантов сжигания топлива применительно к топочным процессам исходя из минимизации затрат на реконструкцию;
предложить рекомендации по использованию таловского угля в качестве энергетического топлива.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 2.4.5 «Энергетические системы и комплексы» в части пункта 2 - «Математическое моделирование,
численные и натурные исследования физико-химических и рабочих процессов, протекающих в энергетических системах и установках на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии, их основном и вспомогательном оборудовании и общем технологическом цикле производства электрической и тепловой энергии» и в части пункта 3 - «Разработка,
исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий и оборудования для производства электрической и тепловой энергии, использования органического и альтернативных топлив, и возобновляемых видов энергии, водоподготовки и водно-химических режимов, способов снижения негативного воздействия на окружающую среду, повышения надежности и ресурса элементов энергетических систем, комплексов и входящих в них энергетических установок».
Научная новизна:
1. Впервые получены параметры процессов факельного сжигания таловского угля в широком диапазоне его теплотехнических характеристик и соотношений в составе топливных смесей.
2. Получены новые данные по качественным характеристикам таловского угля, допустимым по условиям топочных процессов в камерных топках с твердым шлакоудалением.
3. Получены новые данные, позволяющие рекомендовать долю
таловского угля и его полукокса в смеси с кузнецким углем марки Д.
4. Выявлены прогнозируемые особенности формирования вредных выбросов с дымовыми газами при использовании таловского угля в исходном виде и в составе топливных композиций.
Практическая значимость.
Выполненные исследования дополняют информационную базу данных, необходимых для разработки проектных решений по использованию угля Т аловского месторождения и подобных ему местных углей в энергетике.
Результаты численного моделирования топочных процессов котлов БКЗ - 220-100-4 и БКЗ-210-140Ф могут быть использованы при наладке и управлении режимами работы котла с твердым шлакоудалением при сжигании таловского угля.
Установлены ограничения по условиям работы топочного устройства и возможного превышения нормативов вредных выбросов для всех технологических вариантов подготовки топлива.
Предложены рекомендации по использованию таловского угля в энергетической сфере региона, включая как объекты централизованной электро- и теплогенерации, так и источники распределённого теплоснабжения.
Методические подходы, примененные в исследованиях, используются в учебном процессе по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение» в Т омском политехническом университете (лабораторный практикум по дисциплине «Современные проблемы науки и производства в энергетическом машиностроении» и выполнение выпускных квалификационных работ).
Связь работы с научными программами и грантами. Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 1838-00775 «Исследование и совершенствование схем сжигания полидисперсных твердых топлив с наличием закрученных соосных двухфазных потоков» и проекта Национального исследовательского Томского политехнического университета № ПИШ-НИР-2023-011 «Комплексное развитие энергетических систем и технологий распределенной энергетики» .
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты численного моделирования топочных процессов котла Томской ГРЭС-2 при использовании угля Таловского месторождения в диапазоне влажности исходного рабочего состояния угля от 20 % до 50 % и его доли от 0,1 до 0,9 в составе выбранных к исследованию топливных смесей.
2. Прогнозная оценка выбросов с дымовыми газами оксидов азота, твердых частиц и оксида серы применительно к исследованным вариантам использования таловского угля.
3. Рекомендации по использованию таловского угля в условиях его использования в регионе как местного топлива: с ограничением по балластным составляющим в исходном виде и в доле до 0,3 в составе топливных композиций.
Достоверность результатов обеспечивается применением
апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованностью с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами расчетов, выполненных по нормативному методу теплового расчета котлов.
Личный вклад состоит в подготовке, планировании, проведении вычислительных экспериментов и расчетов, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, написании статей, подготовке докладов и выступлении на конференциях, формулировке защищаемых положений и выводов.
В постановке задачи исследований, обсуждении методики исследований и полученных результатов участвовал научный руководитель д.т.н. Заворин А.С., а также к.т.н. Гиль А.В. в вопросах методического обеспечения численных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
1. XIV Международный студенческий научно-технический семинар «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Т омск, 2012 г.);
2. XVIII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2012 г.);
3. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS) (г. Томск, 2014 г.);
4. III Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2015 г.);
5. XXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых « Современные техника и технологии» (г. Т омск, 2015 г.);
6. Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (г. Новосибирск, 2015 г. и 2018 г.);
7. Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.);
8. XI Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2016 г.);
9. XI Международный форум по стратегическим технологиям IFOST (г. Новосибирск, 2016 г.);
10. Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития новых технологий в энергетике России» (г. Москва, 2016 г.);
11. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск,
2018 г.);
12. Всероссийская научная конференция с международным участием «XI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (г. Санкт-Петербург,
2019 г.);
13. Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения» (г. Томск, 2021 г.);
14. Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 80летнему юбилею института Энергомашиностроения и механики МЭИ (г. Москва, 2023 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе 4 статьи в журналах, индексируемых базой «Scopus» и рекомендованных ВАК РФ: Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесуров, Журнал Сибирского федерального университета. Т ехника и технологии, 15 работ в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, семи приложений и списка литературы, включающего 169 наименований. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 10 таблиц в основной части, 83 рисунка и 1 таблицу в приложениях.
бассейнов составляют основную долю потребляемого на ТЭС России твердого топлива, при этом 90 % общей структуры потребления угля приходится на низкокачественные марки [7].
Утвердившиеся в современном периоде тренды глобальной трансформации развития энергетики, основанные на декарбонизации, децентрализации и цифровизации, ставят перед угольной генерацией новые вызовы. К таковым относятся: ужесточение экологических требований к выбросам (оксиды серы, оксиды азота, тяжелые металлы и др.) и снижение выбросов углекислого газа - так называемого «углеродного следа» (как путь борьбы с изменением климата). Следствием этого является усиление межтопливной конкуренции с природным газом и устремление к возрастанию роли возобновляемых источников энергии. Однако реалии показывают, что эти надежды и прогнозы не оправдываются в полной мере - более существенное влияние имеет возможность использования собственных ресурсов традиционного, в том числе угольного топлива.
На сегодняшний день, по мнению экспертов [6], развитие угольной генерации в России зависит от таких факторов, как: стоимость электроэнергии, произведенной с помощью угля и с помощью других источников энергии; влияние на окружающую среду; энергетическая безопасность - надежное и бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией; региональное экономическое развитие - с учетом влияния на смежные сферы деятельности; уровень состояния и развития технологий; отношение населения. В соответствии с Доктриной энергетической безопасности [8] и Энергетической стратегией Российской Федерации до 2035 года [9] в числе приоритетных задач наряду с достижением показателей экологичности определено рациональное использование местных топливно-энергетических ресурсов.
В свете этого Т омская область имеет свои особенности. С одной стороны, обширное по номенклатуре разнообразие топливно-энергетических ресурсов, способное удовлетворить нужды большой и промышленной энергетики, муниципальных и частных хозяйств, коммунально-бытового и агропромышленного комплексов. С другой стороны, низкая вовлеченность этих местных ресурсов в реальное использование и доминирование внешних источников энергоресурсов, которые являются проблемными факторами при рациональном формировании топливно-энергетического баланса.
Спектр топливных ресурсов Т омской области, охватывая практически все виды как ископаемых, так и возобновляемых источников [10], превышает настоящие объемы потребления, а по разведанным и прогнозируемым запасам даже выходит за региональное значение. Тем не менее наиболее востребованным и масштабно используемым является привозной каменный уголь Кузнецкого бассейна при наличии квотируемой для энергетики доли углеводородного сырья в виде природного газа.
Исходя из этого, определяющими факторами для энергетической безопасности региона являются взаимное территориальное расположение центров производства и потребления энергетических ресурсов, их транспортная доступность, а также альтернативы целевого использования и доля природного газа в топливно-энергетическом балансе.
С учетом изложенных соображений, а также с точки зрения технической готовности теплоэнергетических объектов региона, а в дальнейшем и поддержания маневренности по условиям потребляемого топлива целесообразно рассматривать томский бурый уголь в качестве альтернативного топлива для обеспечения региональной энергетической безопасности. Т ем более, что на территории региона геологи выделяют более сотни локальных проявлений бурых углей. Среди них по ряду параметров выделяется бурый уголь Таловского месторождения, расположенного в густонаселенной части области в 25 км от административного центра и в 10-15 км от других крупных потенциальных потребителей.
В последние десятилетия различными вопросами изучения таловских углей, а именно определением технологических и теплотехнических свойств, прогнозами масштабов и направлений использования, оценками условий залегания угольных пластов и технологическими подходами к разработке месторождения занимались такие томские исследователи как Архипов В.С., Заворин А.С., Казаков А.В., Карякин С.К., Ласовская О.А., Маслов С.Г., Паровинчак М. С., Прокопенко П.Н. и другие. Ими создан существенный задел как база для дальнейших работ по освоению таловского угля. Т ем не менее в настоящее время отсутствуют в полном объеме необходимые данные об условиях и параметрах процессов сжигания угля применительно к действующим в регионе энергетическим установкам, о возможных ограничениях в их работе, обусловленных качественными характеристиками топлива. Совокупность пока недостающих в этой части сведений позволит выработать подходы к энергетическому использованию таловского угля в регионе, исключающие значительные и затратные технические мероприятия с установленным оборудованием, что соответствует концепции энергетической безопасности.
Изложенное выше свидетельствует об актуальности исследования аспектов использования угля Т аловского месторождения как местного топлива с учетом его состояния перед сжиганием и возможностей действующего энергетического оборудования. Актуальность тематической направленности исследований подтверждается её соответствием приоритетному направлению развития науки, техники и технологий в Российской Федерации (п.8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и критическим технологиям в Российской Федерации (п. 27 «Технологии энергоэффективного производства и
преобразования энергии на органическом топливе»).
Цель диссертационной работы - обоснование выбора наиболее эффективного способа вовлечения в энергетическое использование таловского угля как местного топлива с учетом вариантов предварительной подготовки.
Задачи исследования:
выполнить анализ работ по исследованиям угля Т аловского месторождения и по энергетическому сжиганию подобных топлив;
провести численные исследования сжигания таловского угля в топочной камере пылеугольного котла исходя из условий его использования как местного топлива;
дать оценку влияния параметров топлива на процессы, протекающие в топочной камере пылеугольного котла;
провести сравнительную оценку технологических вариантов сжигания топлива применительно к топочным процессам исходя из минимизации затрат на реконструкцию;
предложить рекомендации по использованию таловского угля в качестве энергетического топлива.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 2.4.5 «Энергетические системы и комплексы» в части пункта 2 - «Математическое моделирование,
численные и натурные исследования физико-химических и рабочих процессов, протекающих в энергетических системах и установках на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии, их основном и вспомогательном оборудовании и общем технологическом цикле производства электрической и тепловой энергии» и в части пункта 3 - «Разработка,
исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий и оборудования для производства электрической и тепловой энергии, использования органического и альтернативных топлив, и возобновляемых видов энергии, водоподготовки и водно-химических режимов, способов снижения негативного воздействия на окружающую среду, повышения надежности и ресурса элементов энергетических систем, комплексов и входящих в них энергетических установок».
Научная новизна:
1. Впервые получены параметры процессов факельного сжигания таловского угля в широком диапазоне его теплотехнических характеристик и соотношений в составе топливных смесей.
2. Получены новые данные по качественным характеристикам таловского угля, допустимым по условиям топочных процессов в камерных топках с твердым шлакоудалением.
3. Получены новые данные, позволяющие рекомендовать долю
таловского угля и его полукокса в смеси с кузнецким углем марки Д.
4. Выявлены прогнозируемые особенности формирования вредных выбросов с дымовыми газами при использовании таловского угля в исходном виде и в составе топливных композиций.
Практическая значимость.
Выполненные исследования дополняют информационную базу данных, необходимых для разработки проектных решений по использованию угля Т аловского месторождения и подобных ему местных углей в энергетике.
Результаты численного моделирования топочных процессов котлов БКЗ - 220-100-4 и БКЗ-210-140Ф могут быть использованы при наладке и управлении режимами работы котла с твердым шлакоудалением при сжигании таловского угля.
Установлены ограничения по условиям работы топочного устройства и возможного превышения нормативов вредных выбросов для всех технологических вариантов подготовки топлива.
Предложены рекомендации по использованию таловского угля в энергетической сфере региона, включая как объекты централизованной электро- и теплогенерации, так и источники распределённого теплоснабжения.
Методические подходы, примененные в исследованиях, используются в учебном процессе по направлению 13.04.03 «Энергетическое машиностроение» в Т омском политехническом университете (лабораторный практикум по дисциплине «Современные проблемы науки и производства в энергетическом машиностроении» и выполнение выпускных квалификационных работ).
Связь работы с научными программами и грантами. Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 1838-00775 «Исследование и совершенствование схем сжигания полидисперсных твердых топлив с наличием закрученных соосных двухфазных потоков» и проекта Национального исследовательского Томского политехнического университета № ПИШ-НИР-2023-011 «Комплексное развитие энергетических систем и технологий распределенной энергетики» .
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты численного моделирования топочных процессов котла Томской ГРЭС-2 при использовании угля Таловского месторождения в диапазоне влажности исходного рабочего состояния угля от 20 % до 50 % и его доли от 0,1 до 0,9 в составе выбранных к исследованию топливных смесей.
2. Прогнозная оценка выбросов с дымовыми газами оксидов азота, твердых частиц и оксида серы применительно к исследованным вариантам использования таловского угля.
3. Рекомендации по использованию таловского угля в условиях его использования в регионе как местного топлива: с ограничением по балластным составляющим в исходном виде и в доле до 0,3 в составе топливных композиций.
Достоверность результатов обеспечивается применением
апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованностью с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами расчетов, выполненных по нормативному методу теплового расчета котлов.
Личный вклад состоит в подготовке, планировании, проведении вычислительных экспериментов и расчетов, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, написании статей, подготовке докладов и выступлении на конференциях, формулировке защищаемых положений и выводов.
В постановке задачи исследований, обсуждении методики исследований и полученных результатов участвовал научный руководитель д.т.н. Заворин А.С., а также к.т.н. Гиль А.В. в вопросах методического обеспечения численных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
1. XIV Международный студенческий научно-технический семинар «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Т омск, 2012 г.);
2. XVIII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2012 г.);
3. International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS) (г. Томск, 2014 г.);
4. III Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2015 г.);
5. XXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых « Современные техника и технологии» (г. Т омск, 2015 г.);
6. Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (г. Новосибирск, 2015 г. и 2018 г.);
7. Научный форум с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.);
8. XI Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2016 г.);
9. XI Международный форум по стратегическим технологиям IFOST (г. Новосибирск, 2016 г.);
10. Международная научно-техническая конференция «Перспективы развития новых технологий в энергетике России» (г. Москва, 2016 г.);
11. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск,
2018 г.);
12. Всероссийская научная конференция с международным участием «XI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (г. Санкт-Петербург,
2019 г.);
13. Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения» (г. Томск, 2021 г.);
14. Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 80летнему юбилею института Энергомашиностроения и механики МЭИ (г. Москва, 2023 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе 4 статьи в журналах, индексируемых базой «Scopus» и рекомендованных ВАК РФ: Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесуров, Журнал Сибирского федерального университета. Т ехника и технологии, 15 работ в материалах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, семи приложений и списка литературы, включающего 169 наименований. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 10 таблиц в основной части, 83 рисунка и 1 таблицу в приложениях.
Данная работа посвящена исследованию возможностей вовлечения в энергетическое использование бурого угля Таловского месторождения путем сжигания в топочных устройствах котлов. В этом аспекте настоящие исследования представляют собой продолжающий этап в ряду с выполненными ранее в Т омском политехническом университете работами по использованию в энергетике угля данного месторождения.
Систематизация опубликованных материалов по оценке запасов и теплотехнических свойств, подтвердившая целесообразность использования таловского угля как местного топлива с ограниченными возможностями для дальнего транспортирования, позволила выделить в качестве приоритетного принципа предназначенность для обеспечения региональн ой энергетической безопасности. На этой основе и с учетом анализа опыта сжигания подобных низкосортных топлив в котлах тепловых электростанций сформулирована цель диссертационной работы и определены объекты исследования - котлы, установленные на одном из наиболее крупных энергетических предприятий региона. Основным объектом является пылеугольный котел БКЗ-220-100-4 с встречным на боковых стенах расположением горелок, работающий на каменном угле Кузнецкого бассейна. Объектом сравнительной оценки результатов исследования принят котел БКЗ-210- 140Ф с угловым расположением прямоточных горелок, скомпонованных по тангенциальной схеме, спроектированный на сжигание бурого угля.
В соответствии с поставленной целью и задачами, направленными на ее достижение, рассмотрены различные технологические варианты использования таловского угля как топлива: в виде исходного угля во всем диапазоне влажности рабочей массы; в виде полукокса, получаемого в результате низкотемпературной паротепловой конверсии; в виде смесей в широком диапазоне соотношений с углем, поставленным извне в регион.
Основой проведенных исследований для всех рассмотренных вариантов явилось численное моделирование топочных процессов в пакете прикладных программ FIRE 3D и анализ получаемых параметров топочной среды, влияющих на экономичность сжигания и надежность работы поверхностей нагрева, а также на условия генерации вредных выбросов. Для верификации результатов использовались экспериментальные данные режимно-наладочных испытаний, проводившихся специализированными организациями для тех же объектов исследования, что и в настоящей работе. Расширению информационного поля при обсуждении результатов и обосновании подходов к промежуточным и итоговым выводам способствовали выполненные для всех рассмотренных вариантов поверочные тепловые расчеты на основе нормативных методов, а также расчеты вредных выбросов по действующим отраслевым нормативно -техническим и методическим материалам.
Совокупность вышеуказанных подходов позволила обосновать оптимальную величину влажности таловского угля для варианта его сжигания в исходном виде и оптимальные соотношения для вариантов использования в составе топливных смесей.
Итоговым этапом исследования согласно поставленным задачам проведена выработка рекомендаций по использованию таловского угля в энергетической сфере региона, включая как объекты централизованной электро- и теплогенерации, так и источники распределённого теплоснабжения. При этом приняты во внимание также результаты исследований других авторов, в частности, оценка технической реализуемости конверсионных технологий с получением продуктов, транспортабельных в пределах региона.
По результатам диссертационной работы сформулированы следующие выводы и рекомендации.
1. Выполнен анализ ранее проведенных и опубликованных исследований, имеющих отношение к освоению Таловского буроугольного месторождения, и на его основе уточнены направления и варианты для проработки вопроса о вовлечении таловского угля в энергетическое использование как элемента энергетической безопасности региона.
2. С использованием численного моделирования и апробированных расчетных методик выполнен анализ параметров процессов сжигания таловского угля в объеме камерной топки применительно к действующему котлу Т омской ГРЭС-2 в широком диапазоне теплотехнических характеристик исходного рабочего состояния угля и его соотношений в составе выбранных к исследованию топливных смесей, в результате которого выявлены ограничения по условиям работы топочного устройства и возможного превышения нормативов вредных выбросов.
3. Использование таловского угля в котлах тепловых электростанций при сжигании в камерных топках с твердым шлакоудалением допустимо по условиям топочных процессов в следующих вариантах:
в исходном виде - с ограничением по балластным составляющим W[ < 25 % и Ad < 25 %;
в смеси с кузнецким углем марки Д в исходном виде и в виде полукокса - при доле не более 0,3.
При реализации этих вариантов в случае складирования таловского угля на ТЭС необходимо выполнение установленных нормативных требований по предотвращению самовозгорания.
4. Расчетные значения выбросов оксида серы с дымовыми газами значительно ниже нормативных во всем диапазоне теплотехнических характеристик таловского угля и его соотношений с другими компонентами в составе топливных смесей.
5. Выбросы оксидов азота расчетным путем прогнозируются в пределах нормативов при сжигании таловского угля как монотоплива. Превышение нормативных значений ожидаемо при сжигании смесей на основе кузнецкого угля: при доле таловского угля до 0,3 и во всем диапазоне соотношений с полукоксом таловского угля.
6. По выбросам твердых частиц с дымовыми газами имеет место тенденция к возрастанию и превышению нормативных значений при увеличении зольности таловского угля и его доли в смеси, в том числе в виде полукокса. Для исследованной котельной установки поддержание выбросов частиц ниже нормативного уровня возможно в смеси с кузнецким углем не более 0,3 и в виде полукокса при доле не более 0,2. Кардинальным решением для данной котельной установки является замена золоуловителей на более эффективные.
7. Наиболее перспективным путем вовлечения угля Таловского месторождения в энергетическое использование в регионе является получение транспортабельного твердого топлива по известным технологиям полукоксования и брикетирования для преимущественного использования в сфере распределенных источников теплоснабжения.
Систематизация опубликованных материалов по оценке запасов и теплотехнических свойств, подтвердившая целесообразность использования таловского угля как местного топлива с ограниченными возможностями для дальнего транспортирования, позволила выделить в качестве приоритетного принципа предназначенность для обеспечения региональн ой энергетической безопасности. На этой основе и с учетом анализа опыта сжигания подобных низкосортных топлив в котлах тепловых электростанций сформулирована цель диссертационной работы и определены объекты исследования - котлы, установленные на одном из наиболее крупных энергетических предприятий региона. Основным объектом является пылеугольный котел БКЗ-220-100-4 с встречным на боковых стенах расположением горелок, работающий на каменном угле Кузнецкого бассейна. Объектом сравнительной оценки результатов исследования принят котел БКЗ-210- 140Ф с угловым расположением прямоточных горелок, скомпонованных по тангенциальной схеме, спроектированный на сжигание бурого угля.
В соответствии с поставленной целью и задачами, направленными на ее достижение, рассмотрены различные технологические варианты использования таловского угля как топлива: в виде исходного угля во всем диапазоне влажности рабочей массы; в виде полукокса, получаемого в результате низкотемпературной паротепловой конверсии; в виде смесей в широком диапазоне соотношений с углем, поставленным извне в регион.
Основой проведенных исследований для всех рассмотренных вариантов явилось численное моделирование топочных процессов в пакете прикладных программ FIRE 3D и анализ получаемых параметров топочной среды, влияющих на экономичность сжигания и надежность работы поверхностей нагрева, а также на условия генерации вредных выбросов. Для верификации результатов использовались экспериментальные данные режимно-наладочных испытаний, проводившихся специализированными организациями для тех же объектов исследования, что и в настоящей работе. Расширению информационного поля при обсуждении результатов и обосновании подходов к промежуточным и итоговым выводам способствовали выполненные для всех рассмотренных вариантов поверочные тепловые расчеты на основе нормативных методов, а также расчеты вредных выбросов по действующим отраслевым нормативно -техническим и методическим материалам.
Совокупность вышеуказанных подходов позволила обосновать оптимальную величину влажности таловского угля для варианта его сжигания в исходном виде и оптимальные соотношения для вариантов использования в составе топливных смесей.
Итоговым этапом исследования согласно поставленным задачам проведена выработка рекомендаций по использованию таловского угля в энергетической сфере региона, включая как объекты централизованной электро- и теплогенерации, так и источники распределённого теплоснабжения. При этом приняты во внимание также результаты исследований других авторов, в частности, оценка технической реализуемости конверсионных технологий с получением продуктов, транспортабельных в пределах региона.
По результатам диссертационной работы сформулированы следующие выводы и рекомендации.
1. Выполнен анализ ранее проведенных и опубликованных исследований, имеющих отношение к освоению Таловского буроугольного месторождения, и на его основе уточнены направления и варианты для проработки вопроса о вовлечении таловского угля в энергетическое использование как элемента энергетической безопасности региона.
2. С использованием численного моделирования и апробированных расчетных методик выполнен анализ параметров процессов сжигания таловского угля в объеме камерной топки применительно к действующему котлу Т омской ГРЭС-2 в широком диапазоне теплотехнических характеристик исходного рабочего состояния угля и его соотношений в составе выбранных к исследованию топливных смесей, в результате которого выявлены ограничения по условиям работы топочного устройства и возможного превышения нормативов вредных выбросов.
3. Использование таловского угля в котлах тепловых электростанций при сжигании в камерных топках с твердым шлакоудалением допустимо по условиям топочных процессов в следующих вариантах:
в исходном виде - с ограничением по балластным составляющим W[ < 25 % и Ad < 25 %;
в смеси с кузнецким углем марки Д в исходном виде и в виде полукокса - при доле не более 0,3.
При реализации этих вариантов в случае складирования таловского угля на ТЭС необходимо выполнение установленных нормативных требований по предотвращению самовозгорания.
4. Расчетные значения выбросов оксида серы с дымовыми газами значительно ниже нормативных во всем диапазоне теплотехнических характеристик таловского угля и его соотношений с другими компонентами в составе топливных смесей.
5. Выбросы оксидов азота расчетным путем прогнозируются в пределах нормативов при сжигании таловского угля как монотоплива. Превышение нормативных значений ожидаемо при сжигании смесей на основе кузнецкого угля: при доле таловского угля до 0,3 и во всем диапазоне соотношений с полукоксом таловского угля.
6. По выбросам твердых частиц с дымовыми газами имеет место тенденция к возрастанию и превышению нормативных значений при увеличении зольности таловского угля и его доли в смеси, в том числе в виде полукокса. Для исследованной котельной установки поддержание выбросов частиц ниже нормативного уровня возможно в смеси с кузнецким углем не более 0,3 и в виде полукокса при доле не более 0,2. Кардинальным решением для данной котельной установки является замена золоуловителей на более эффективные.
7. Наиболее перспективным путем вовлечения угля Таловского месторождения в энергетическое использование в регионе является получение транспортабельного твердого топлива по известным технологиям полукоксования и брикетирования для преимущественного использования в сфере распределенных источников теплоснабжения.
