Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

В настоящее время проблема охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов приобрела глобальный масштаб для всего человечества. И особое место в решении этой проблемы занимает вопрос экологически безопасной утилизации отходов производства. Современное состояние окружающей среды и перспектива дальнейшего увеличения использования низкокачественных углей уже сейчас заставляют шире использовать виды топлив и технологии производства энергии, которые в наибольшей степени отвечают экологическим требованиям. Это относится, прежде всего, к утилизации отходов производства, нетрадиционным и возобновляющимся источникам энергии.

Для Северо-Востока Европейской части РФ угли Печорского бассейна являются основным источником относительно дешевого твердого топлива. Однако сжигание интинского угля в топках котлов, работающих по схеме прямоточного факела, сопровождается интенсивным шлакованием поверхностей нагрева (ПН), что приводит к недовыработке станциями тепловой и электрической энергии. Вследствие этого, вопрос повышения эффективности сжигания углей Печорского бассейна и сильношлакующих углей ряда других месторождений страны имеет большое народнохозяйственное значение.

Архангельская область включена в список наиболее загрязненных регионов России. В то же время регион является крупнейшим в Европе производителем лесной продукции, а соответственно обладает и большими запасами некондиционных отходов от лесопромышленного комплекса (ЛПК) и микробиологической промышленности (гидролизный лигнин). С экологической и экономической точек зрения наиболее целесообразно использовать их в качестве энергетического топлива.

Древесина является самым древним видом топлива, однако проблема эффективного сжигания древесных отходов до сих пор остается актуальной во всем мире. Это связано в основном с тем, что отходы переработки биомассы относятся к трудносжигаемым топливам ввиду высокой влажности и крайне неоднородного фракционного состава. Поэтому необходимо проводить работы по дальнейшему совершенствованию организации топочного процесса утилизационных котлоагрегатов.

Анализируя топливный баланс Архангельской области, следует отметить, что доля различных видов топлива с учётом их теплотворной способности составляет: топочный мазут - 33,7 %; каменный уголь - 31,8 %; природный газ - 28 %; биотопливо (дрова, отходы деревообработки и торф) - 6,5 %.

Значительным резервом в топливно-энергетическом балансе Архангельской области являются её леса, которые занимают около 40% территории. В настоящее время объём лесозаготовок в области достиг 12...13 млн.м3/год, а загрузка производственных мощностей ЛПК составила примерно 66 %. При переработке древесины на предприятиях ЛПК образуется от 2,9...4,0 млн.пл.м3/год древесных отходов в виде коры, опилок, отсевов щепы. Данные отходы сосредоточены в местах переработки древесины, в городах и посёлках области, их энергетический потенциал составляет 18,4...25,2 млн.ГДж/год. При заготовке древесины в лесах остаётся от 3,5 до 5,0 млн.пл. м3/год древесных отходов в виде веток, сучьев, древесной зелени и вершин, которые традиционно не используются, вызывая загрязнение лесов, повышая их пожароопасность и способствуя размножению вредителей. Кроме этого, при санитарных рубках леса, расчистке придорожных полос и линий электропередач образуется ещё около 0,5 млн.пл.м3/год биотоплива.

Таким образом, суммарный годовой объём древесных отходов, образующихся в области, составляет 6,9...9,5 млн.пл.м3/год, а их энергетический потенциал 44...60,3 млн.ГДж/год. В настоящее время в качестве топлива используется только около 1 млн. пл.м3/год древесных отходов. Учитывая, что ЛПК области имеет тенденцию стабильного развития, а также наличие незагруженных мощностей, объём заготовок древесины будет увеличиваться до 23...24 млн.пл.м3/год, что вызовет значительное увеличение и объёмов отходов, образующихся при заготовке и переработке древесины.

Сравнение энергетического потенциала неиспользуемых древесных отходов и годовых потребностей области в тепловой энергии позволяет считать задачу преимущественного обеспечения региона тепловой энергией за счёт сжигания отходов вполне реальной при условии перестройки системы лесопользования.

Перспективными направлениями широкого вовлечения древесных отходов в энергетический комплекс региона являются:

1.Строительство мини-ТЭЦ на древесных отходах. При этом возможны различные технологические схемы реализации данного направления, требующего значительных капитальных затрат, но позволяющего производить более дешёвую тепловую и электрическую энергию, а также обеспечивающему энергонезависимость предприятия от внешних источников энергии.

2. Модернизация существующих теплогенерирующих установок, работающих на древесных отходах. В настоящее время в области реализованы одиннадцать различных технологических схем энергетического использования древесных отходов. Они имеют разную степень апробации и большинство из них обладает значительным резервом повышения технико-экономических и экологических показателей работы.

3. Перевод котлоагрегатов, работающих на жидком или газообразном топливе, на сжигание горючего газа, полученного при термической переработке древесных отходов в газогенераторных установках.

4. Получение высококачественного экологически чистого топлива путём гранулирования или брикетирования древесных отходов и замена каменного угля в муниципальных котельных гранулами или брикетами. Реализация данного направления позволит значительно повысить технико-экономические показатели работы котельных и обеспечит существенное улучшение экологической обстановки в регионе, однако требует значительных начальных капитальных затрат.

5. Увеличение энергетического использования древесных отходов путем модернизации котлоагрегатов ТЭЦ блок-станций предприятий целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности на низкоэмиссионные схемы сжигания с активной аэродинамикой топочного объема. К данным схемам, прежде всего, следует отнести НТВ-технологию сжигания топлива, схему кипящего слоя, а также слое-вихревую схему.

6. Перевод котлоагрегатов, работающих на жидком или газообразном топливе, на сжигание отходов лесопиления путем применения высокофорсированных малогабаритных предтопков.

Успешное энергетическое использование отходов, образующихся при переработке древесного сырья, а также огромных запасов лигнина, накопленных в отвалах гидролизных заводов (более 14 млн.т) возможно только на основе надежного и отвечающего современным требованиям теплогенерирующего и вспомогательного оборудования, предназначенного для работы на этом виде низкокачественного топлива.

Ужесточение нормативов выбросов вредных веществ (ВВ) требует качественно нового подхода к проблеме их снижения за счет освоения новых технологий сжигания, широкого вовлечения в топливный баланс региона отходов переработки биомассы, разработки и внедрения эффективных систем очистки. Энергетическое использование древесных отходов открывает большие дополнительные возможности в плане охраны окружающей среды и создания экологически чистых производств. Реализация программы комплексного энергетического использования, образующихся древесных отходов, позволит обеспечить экономию до 2 млн.т.у.т./год и уменьшить выбросы сернистого газа не менее чем на 50 тыс.т/год, а также снизит выбросы оксидов азота и летучей золы. Важными социальными аспектами энергетического использования отходов переработки биомассы являются: создание новых рабочих мест в сопутствующих производствах, повышение комфортности проживания, а также усиление энергозащищенности региона.

Комплекс исследований, выполненных в ходе промышленного освоения НТВ-технологии для сжигания каменных углей и биотоплив, позволил: - разработать технические предложения по модернизации котлов БКЗ-220-100 и ПК-10 на НТВ-сжигание дробленых углей Печорского бассейна с повышением их номинальной производительности на 23...30% и экологических показателей с запасом на их ужесточение в будущем; - модульно-блочный принцип построения котлов при их модернизации создает предпосылки для разработки серии котлоагрегатов для сжигания дробленых углей на базе единичного модуля с Dпп=100...105 т/ч; - отработать оптимальную схему реализации метода инжекции сорбента в топку НТВ-котла, позволившую значительно повысить эффективность использования сорбента.

Разработаны и внедрены на семи котлоагрегатах новые низкоэмиссионные схемы сжигания биотоплив (неоднородного фракционного состава с влажностью до 65%): слое-вихревые и факельно-вихревая, обеспечившие комплексное повышение экономических и экологических показателей, а также производительности котлов на 20...30%. Выполненный комплекс работ по повышению эффективности сжигания биотоплив позволил: - получить суммарный экономический эффект более 20 млн.руб/год; - значительно снизить валовые выбросы ВВ (NOx на 98 т/год, SO2 на 800 т/год, твердых частиц на 1100 т/год, парниковых газов O2) на 45000 т/год), что оказало существенное влияние на экологическую ситуацию в регионе.

Разработаны технические решения по организации ступенчатого сжигания мазута в котлоагрегатах ТГМ-84Б с применением рециркуляции дымовых газов на пониженных нагрузках, позволяющие повысить КПД брутто ~ на 2% (при Dпп 0,7Dном), снизить эмиссию NOx на 30%, повысить надежность работы регенеративных воздухоподогревателей по условиям низкотемпературной сернокислотной коррозии и уменьшить затраты при переводе котлов на сжигание газа.

Основой для реализации программы развития топливно-энергетического комплекса области и выбора ключевых демонстрационных зон для внедрения пилотных проектов должна стать система энергоаудита (ЭА), основанная на планировании энергосбережения. Для развития системы ЭА разработан универсальный программно-методический комплекс (ПМК), позволивший осуществить комплексный подход к оценке эффективности работы теплоэнергетического оборудования с учетом экономических и экологических факторов, а также параметров надежности. ПМК повысил оперативность и точность определения составляющих теплового баланса теплогенерирующих установок, работающих как на одном виде топлива, так и на их смеси; обеспечил расчет теплообмена и горения; анализ работы газовых и воздушных трактов; обработку результатов теплотехнического и гранулометрического анализов топлив и их очаговых остатков; оценивает надежность работы ПН с позиции низкотемпературной сернокислотной коррозии и техническое состояние оборудования по результатам вибродиагностики. Реализация комплексного подхода к расчетам генерации NOx и теплообмена в топке с учетом фактических характеристик рабочей среды и режимных факторов позволила предложить уточненную методику расчета NOx, прошедшую тестирование при проведении испытаний установок, работающих на разных видах топлива с различными схемами сжигания.