Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией

Установлены зоны экономической эффективности применения технологии предварительной подготовки твердого топлива переводом его в газообразное состояние пароплазменной газификацией и традиционной технологии прямого сжигания, пределы и динамика их расширения в зависимости от степени утилизации тепла...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Булат, А.Ф., Холявченко, Л.Т., Давыдов, С.Л., Опарин, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2017
Назва видання:	Доповіді НАН України
Теми:	Енергетика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126557
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией / А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 4. — С. 33-41. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-126557
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1265572017-11-27T03:02:57Z Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией Булат, А.Ф. Холявченко, Л.Т. Давыдов, С.Л. Опарин, С.А. Енергетика Установлены зоны экономической эффективности применения технологии предварительной подготовки твердого топлива переводом его в газообразное состояние пароплазменной газификацией и традиционной технологии прямого сжигания, пределы и динамика их расширения в зависимости от степени утилизации тепла генерируемых газов, цен на топливо и электроэнергию. Сравнительной оценкой установленных параметров показано, что технология подготовки угля пароплазменной газификацией дает экономию в потреблении и переработке первичного сырьевого ресурса на 40—45 %. Прямой экономический эффект от применения этой технологии может быть достигнут при определенном уровне цен на электроэнергию, уголь и степени утилизации вторичного тепла. При этом вредные выбросы в окружающую среду станут на порядок ниже допустимых европейских стандартов. Приведен ряд дополнительных преимуществ «новой» технологии. Встановлені зони економічної ефективності застосування технології попередньої підготовки твердого палива переведенням його в газоподібний стан пароплазмовою газифікацією і традиційної технології прямого спалювання, межі та динаміка їх розширення в залежності від степені утилізації тепла генеруючих газів, цін на паливо і електроенергію. При порівняльній оцінці встановлених параметрів показано, що технологія підготовки вугілля пароплазмовою газифікацією дає економію у споживанні та переробці первинного сировинного ресурсу на 40—45 %. Прямого економічного ефекту від застосування цієї технології можна досягнути при певних рівнях цін на електроенергію, вугілля і ступені утилізації вторинного тепла. При цьому шкідливі викиди в навколишнє середовище стануть на порядок нижчими від допустимих європейських стандартів. Наведено ряд додаткових переваг «нової» технології. We establish the zones of economic efficiency of the application of the technology of preliminary preparation of solid fuel with its transfer into the gaseous state by the steam-plasma gasification and traditional technologies of direct combustion, the boundaries and the dynamics of their expansion depending on the degree of heat recovery gas generation and the prices of fuel and electricity. By a comparative evaluation of the established parameters, it is shown that the preparation technology of coal by the steam-plasma gasification provides savings in the consumption and processing of a primary raw resource by 40—45 %. The direct economic effect from the use of this technology can be achieved at certain levels of prices of electricity and coal and waste heat recycling. The harmful emissions will be well below acceptable European standards. A number of additional benefits of the "new" technology are given. 2017 Article Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией / А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 4. — С. 33-41. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2017.04.033 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126557 517.58/.5892 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Енергетика Енергетика
spellingShingle	Енергетика Енергетика Булат, А.Ф. Холявченко, Л.Т. Давыдов, С.Л. Опарин, С.А. Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией Доповіді НАН України
description	Установлены зоны экономической эффективности применения технологии предварительной подготовки твердого топлива переводом его в газообразное состояние пароплазменной газификацией и традиционной технологии прямого сжигания, пределы и динамика их расширения в зависимости от степени утилизации тепла генерируемых газов, цен на топливо и электроэнергию. Сравнительной оценкой установленных параметров показано, что технология подготовки угля пароплазменной газификацией дает экономию в потреблении и переработке первичного сырьевого ресурса на 40—45 %. Прямой экономический эффект от применения этой технологии может быть достигнут при определенном уровне цен на электроэнергию, уголь и степени утилизации вторичного тепла. При этом вредные выбросы в окружающую среду станут на порядок ниже допустимых европейских стандартов. Приведен ряд дополнительных преимуществ «новой» технологии.
format	Article
author	Булат, А.Ф. Холявченко, Л.Т. Давыдов, С.Л. Опарин, С.А.
author_facet	Булат, А.Ф. Холявченко, Л.Т. Давыдов, С.Л. Опарин, С.А.
author_sort	Булат, А.Ф.
title	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
title_short	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
title_full	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
title_fullStr	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
title_full_unstemmed	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
title_sort	оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Енергетика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126557
citation_txt	Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией / А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 4. — С. 33-41. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT bulataf ocenkaékonomičeskojiékologičeskojéffektivnostizameŝeniâtehnologiiprâmogosžiganiâtverdogotoplivaparoplazmennojgazifikaciej AT holâvčenkolt ocenkaékonomičeskojiékologičeskojéffektivnostizameŝeniâtehnologiiprâmogosžiganiâtverdogotoplivaparoplazmennojgazifikaciej AT davydovsl ocenkaékonomičeskojiékologičeskojéffektivnostizameŝeniâtehnologiiprâmogosžiganiâtverdogotoplivaparoplazmennojgazifikaciej AT oparinsa ocenkaékonomičeskojiékologičeskojéffektivnostizameŝeniâtehnologiiprâmogosžiganiâtverdogotoplivaparoplazmennojgazifikaciej
first_indexed	2025-07-09T05:15:37Z
last_indexed	2025-07-09T05:15:37Z
_version_	1837145144024891392
fulltext	33ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 4 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ Украина импортирует 60—70 млрд м3 природного газа, практически весь необходимый объ- ем нефти и нефтепродуктов, попадая таким образом в энергозависимость от условий по- ставок и цен на эти продукты на мировом рынке. Не менее важная проблема – низкая энер- гоэффективность предприятий, особенно ориентированных на экспорт (металлургическая и химическая отрасли). По оценкам Международной экономической ассоциации (МЭА) экономика Украины относится к одной из наиболее энергозатратных в Европе, где энерго- емкость ВВП выше, чем в богатой энергоресурсами России в 1,5—2 раза и в 3 раза, чем в ЕС. В этих условиях разработка источников энергии альтернативных нефти и газу для Украи- ны, где их запасы практически исчерпаны или же добыча ограничена геологией залегания, имеет актуальный характер. Наиболее близкой альтернативой нефти и газу является уголь. В недрах Украины на- ходится около 34 млрд т. доказанных его запасов, размещенных практически равномерно во всех регионах и рассматривается в качестве одного из основных и перспективных энер- doi: https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.04.033 УДК 517.58/.5892 А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепр E-mail: oparinsa@mail.ru Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией Представлено академиком НАН Украины А.Ф. Булатом Установлены зоны экономической эффективности применения технологии предварительной подготовки твердого топлива переводом его в газообразное состояние пароплазменной газификацией и традиционной технологии прямого сжигания, пределы и динамика их расширения в зависимости от степени утилизации тепла генерируемых газов, цен на топливо и электроэнергию. Сравнительной оценкой установленных па- раметров показано, что технология подготовки угля пароплазменной газификацией дает экономию в по- треблении и переработке первичного сырьевого ресурса на 40—45 %. Прямой экономический эффект от применения этой технологии может быть достигнут при определенном уровне цен на электроэнергию, уголь и степени утилизации вторичного тепла. При этом вредные выбросы в окружающую среду станут на порядок ниже допустимых европейских стандартов. Приведен ряд дополнительных преимуществ «новой» технологии. Ключевые слова: твердое топливо, прямое сжигание, пароплазменная газификация, теплопроизводитель- ность, себестоимость, утилизация, экология. © А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин, 2017 ЕНЕРГЕТИКА 34 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 4 А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин горесурсов. При нынешних темпах потребления его достаточно на 200—250 лет, в то время как природного газа и нефти в мире едва ли хватит на ближайшие 40—60 лет. Но уголь, при прямом его сжигании, из-за высокого уровня загрязнения окружающей среды и вы- сокой эмиссии СО2 является «грязным» энергетическим сырьем [1]. В этом случае в по- лезный продукт вовлекается всего 20—30 % природного вещества (углерода), остальное выбрасывается в окружающую среду в виде пыли, неиспользованной энергии отходящих газов, золы, нанося ей непоправимый ущерб. Построенная на принципе одноцелевого его использования, технология прямого сжигания изначально обречена на многие недостатки, которые заключаются в: использовании громоздких и дорогостоящих систем обогащения топливоподготовки и подачи; неизбежном механическом «недожоге» (10—20 %) углерода; необходимости обустройства систем золо- и шлакоудаления, дорогих и небезопасных мест захоронения миллионов тонн твердых и жидких отходов; строительстве дорогостоящих систем газоочистки от пыли, оксидов и токсичных соединений [1]. Все это связано с боль- шими материальными и трудовыми затратами. Технологии прямого сжигания экологиче- ски вредны из-за выбросов в окружающую среду токсичных веществ и газа, превышающих установленные нормы. Очевидно, что на их смену должны прийти новые многоцелевые, безотходные, энергосберегающие, экологически чистые технологии перевода «грязного» энергетического сырья в газ. Одним из путей замещения технологии прямого сжигания является предварительная подготовка твердого топлива переводом его в газообразное состояние пароплазменным спо- собом с последующим использованием газа в теплоэнергетике без изменения существую- щей ее инфраструктуры. Способ характерный протеканием процессов в режиме 2—5·103 К температур, что обеспечивает высокие скорость и производительность химического про- цесса в непрерывном потоке, широкий диапазон регулирования параметров и глубокую степень его автоматизации. Пароплазменная газификация позволяет довести степень пере- работки углерода в конденсированной фазе до 98—99 %, снизить объемы добычи и пере- работки топлива на 40—45 %, избежать процессов специального производства окислителя (кислорода), совмещая его производство из воды в едином процессе газификации; сокра- тить капитальные затраты, связанные с дорогостоящим функциональным оборудованием его производства [2, 3]. Технология («новая») универсальна к исходной среде и селективна по выходу конечного продукта, который при обоснованных режимах термохимических пре- вращений, на 98—99 % представлен синтез-газом [3, 4]. Исходя из этого, следует установить экономическую и экологическую эффективность замещения технологии прямого сжигания твердого топлива на технологию предварительного перевода его в газообразное состояние пароплазменным способом в зависимости от степени утилизации тепла генерируемых га- зов, цены на топливо и энергию, вводимую в процессах термопревращений. Оценка экономической эффективности выполнена на базе угля марки АШ-1, как наи- более распространенного в промышленной теплоэнергетике, результатах термодинамиче- ского и физического моделирования процессов пароплазменной газификации [2, 3]. В качестве базы сравнения принята традиционная технология производства тепла пря- мым сжиганием углей («базовая») указанной марки в котлах ТПП-210 общей теплопроиз- водительностью Q = 540 Гкал/ч. Котел состоит из двух автономных блоков Qб = 270 Гкал/ч, расход угля каждого б у 62,4 т/чG = [5]. В дальнейших расчетах воспользуемся показателями 35ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 4 Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого ... для одного блока. Исходя из стоимости угля (Цу) (на момент расчета 1365 грн/т), опреде- ляем «базовую» стоимость 1 Гкал тепла при прямом его сжигании без капитальных и опе- рационных затрат ⋅ ⋅= = = б у уб б Ц 62,4 1365 315,5 270 G С Q грн/Гкал. Удельная базовая теплопроизводительность 1 тонны угля ( б удQ ): б б уд б у 270 4,3362,4 QQ G = = = Гкал/т. Определим стоимость 1 Гкал тепла, полученного по «новой» технологии. Допускаем, что газ, произведенный таким способом, будет использован в энергетических целях для получе- ния единицы тепла (Гкал) на том же оборудовании (котле), не предполагающем каких-либо затрат на его модернизацию. Установлено [2], что оптимальная температура процесса паро- вой газификации угля составляет (1,8—2) · 103 К, при которой наблюдаются максимальный выход газа кV = 2,86 Н·м3/кг угля и наибольшая его калорийность Q с.г. = 11,6 МДж/м3, а удельные энергозатраты процесса пароплазменной газификации составляют m удω = = 3,16 кВт·ч/кг угля [6]. Общее тепло пароплазменной газификации угля (конверсии) ( п п кQ .- ) состоит из коли- чества тепла, содержащегося в генерируемых (отходящих) газах ( о.г кQ ) при Tг = (1,7÷1,8)× ×103 К, и тепла от сжигания этих газов ( горQ ): п п о.г к к горQ Q Q= +.- , (1) о.г о.г б к уд уQ G= ω , (2) = б гор с.г у кQ Q G V , (3) где ωо.г уд – удельный показатель количества тепла в отходящих газах при пароплазменной газификации 1 кг угля. Значение ωо.г уд рассчитано, исходя из энтальпии элементов, состав- ляющих отходящие газы, при температуре 2000 К, ωо.г уд = 2,1 кВт·ч/кг угля = 2,1 ·3,6 МДж/ кг угля = 7,56 МДж/ кг угля [6]. При термопревращениях «базового» количества угля б уG = 62,4 т/ч/ о.г кQ равно о.г кQ = 7,56·106·62,4·103 = 471,7·109 Дж/ч = 9471,7 10 4,19 ⋅ = 112,6 Гкал/ч. Получаем горQ = 11,6·106·62,4·103·2,86 = 2070·109 Дж/ч = 494,1 Гкал/ч. Тогда, согласно формуле (1), теплопроизводительность продуктов пароплазменной га- зификации 62,4 т/ч угля п п кQ .- = 112,6 + 494,1 = 606,7 Гкал/ч. Удельная теплопроизводитель- ность составит: п§п п§п уд уд у 606,7 9,7262,4 Q Q G= = = Гкал/т. При прямом сжигании угля этот показатель равен б удQ = 4,33 Гкал/т, что в 2,24 раза меньше и объясняется механическим недожогом угля, составляющем 20—22 %, использова- нием воздуха в качестве окислителя и низкой температурой превращений угля при прямом 36 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 4 А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин его сжигании. Для достижения базовой теплопроизводительности (Qб = 270 Гкал/ч) по «но- вой» технологии угля достаточно в количестве: п§п п§п у б уд 270 9,72 27,8G Q Q= = = т/ч. Тогда экономия угля составит: = − =п.§п б п.§п э.у у у( ) 34,6G G G т/ч, или в денежном выраже- нии за год 283,9 млн грн при указанной цене на уголь. Однако процесс газификации сопро- вождается затратами в потреблении электроэнергии для поддержания реакций в аллотер- мических процессах газификации и на получение окислителя из воды. С учетом этих затрат стоимость 1 Гкал ( п.§п т§лаC ) будет состоять из двух составляющих: стоимости угля, переведен- ного в газовое состояние, ( п п уC - ) и затрат на электроэнергию: ( п.§п эл.эC ): = +п.§п п.§п п.§п т§ла у эл.эC C C . (4) Стоимость 1Гкал тепла по углю ⋅ ⋅= = =у уп.§п у б Ц 27,8 1365 140,5 270 G C Q грн/Гкал. Расход электроэнергии ( п.§пЭл. ) на газификацию 27,8 т/ч угля составит: = ω ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅п.§п т п.§п 3 3 уд уЭл. 3,16 27,8 10 87,8 10G кВт·ч. Тогда, стоимость 1Гкал по электроэнергии ⋅ ⋅ ⋅= = = п.§п 3 п.§п эл.э эл.э б Эл. Ц 87,8 10 0,9 292,7 270 C Q грн/Гкал, где э эЦ - — цена электроэнергии, э эЦ - = 0,9 грн/ кВт·ч. Согласно формуле (4), стоимость 1 Гкал тепла в целом составит = + =п.§п т§ла 140,5 292,7C 433,16= грн/Гкал, что на 37—38 % выше базовой. Таким образом, производство 1Гкал тепла с подготовкой угля пароплазменной газифи- кацией, может обеспечить 45—50 % экономию первичного сырьевого ресурса (угля). Одна- ко потребление электроэнергии на газификацию и получение окислителя поглощает эту экономию, а итоговая стоимость 1Гкал на 37—38 % выше, чем при прямом сжигании угля. Рассмотрим некоторые пути снижения стоимостных показателей процесса пароплаз- менной подготовки угля. Так если тепло отходящих газов о.г кQ максимально утилизируется (регенерируется) в процесс газификации путем подогрева твердого топлива и окислителя или утилизируется другим способом. В этом случае учитываем теплопроизводительность только от сжигания газа ( горQ ) генерируемого из 62,4 т угля ( горQ = 494,1 Гкал/ч (см. фор- мулу (3)). С регенерацией тепла отходящих газов удельная теплопроизводительность = = =горп§п(р) (уд) у 494,1 7,92 62,4б Q Q G Гкал/т. В этом случае количество угля, необходимого для обеспечения базовой теплопроизводи- тельности бQ = 270 Гкал/ч, будет: п§п(р) б у п§п(р) (уд) 270 34,1 7,92 Q Q Q = = = т/ч. Экономия угля составит 28,3 т/ч, что на 45 % меньше базовых расходов. 37ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 4 Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого ... Если утилизировать тепло отходящих газов о.г кQ в процессе газификации, удельные мас- совые ( т(р) удω ) и удельные объемные ( т(р) удω ) энергозатраты можно определить по формуле: т(р) т о.г. уд уд уд р( )ω = ω − ω Δω ; V(р) т(р) уд уд к/Vω = ω , (5) где ωо.г уд — удельная массовая энергия отходящих газов при газификации угля (см. формулу (2)); рΔω — степень утилизации тепла или доля энергии отходящих газов, возвращенная в процесс газификации (задается в %). Определяем стоимость 1 Гкал, полученной по «новой» технологии с учетом регенери- рованного тепла ( п.§п т§лаC ). Для этого необходимо определить стоимость генерируемого газа ( п п (р) с.гC - ), которая состоит из затрат на энергию для термических превращений массы угля и стоимости этой массы угля: п п (р) с.гC - п§п(р) т(р) п§п(р) у э§э уд у уЦ ЦG G= ω + . Тогда п.§п т§лаC п п (р) с.г б C Q = - , а эффективность (Э, грн/Гкал) от замещения технологий определится по формуле: б п п т ла т лаЭ C C= − - - - . Экономический анализ замещения технологии прямого сжигания углей иллюстрирует- ся зонами экономической эффективности использования сравниваемых технологий в зави- симости от степени утилизации вторичного тепла, динамики цен на уголь и электроэнергию (см. рис. а и б). Очевидно (рис., а), что зона экономической эффективности применения «новой» тех- нологии расширяется с увеличением цены твердого топлива, степени утилизации вторич- ного тепла и заметно снижается с увеличением цены на электроэнергию (рис., б). Так, при стоимости угля 1500 грн/т (рис., а) стоимость 1Гкал будет меньше «базовой» при р 86Δω > %, а, например, при 4000 грн/т экономическая эффективность «новой» технологии будет равна 60 грн/Гкал даже без учета степени утилизации. Более динамично на колебани- Экономическая эффективность замещения технологии прямого сжигания угля технологией подготовки топли- ва пароплазменной газификацией: а — Цэ-э = 0,9 грн/кВт·ч; б — Цу = 2000 грн/т 38 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 4 А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин ях эффективности «новой» технологии сказывается изменение стоимости электроэнергии. При стоимости угля 2000 грн/т и электроэнергии 0,7 грн/кВт·ч (рис., б) экономический эф- фект «новой» технологии возможен при р 40Δω %� , при 1,1 грн/кВт·ч — когда р 80Δω > % . При стоимости электроэнергии 1,5 грн/кВт·ч, даже при 100 % утилизации вторичного теп- ла (рис., б), экономический эффект совсем отсутствует. Таким образом, установлены зоны экономической эффективности применения техно- логии прямого сжигания и технологии предварительной подготовки твердого топлива пе- реводом его в газообразное состояние пароплазменной газификацией. Показана динамика изменения этих зон в зависимости от степени утилизации тепла отходящих газов, цен на топливо и электроэнергию. Установлено, что в теплоэнергетике пароплазменная подготов- ка угля может дать экономию в переработке первичного сырьевого ресурса на 40—45 %, но экономическая ее эффективность в значительной степени зависит от стоимости окислите- ля, энергии, вводимой в процессах аллотермических превращений и степени утилизации тепла генерируемых газов. Однако, рассматривая проблему в аспекте энергетической и экологической безопас- ности, экономическая целесообразность сравниваемых технологий может стать не опре- деляющей, когда дополнительно решаются определенные проблемы. Применением паро- плазменных технологий в полной мере решаются проблемы экологической безопасности, Концентрация газов, в том числе вредных выбросов, в технологиях термопревращений твердого топлива Показатель Технология термических превращений Сжигание [7] Автотермическая [8] Аллотермическая плазменнная [2] Окислитель воздух О2 + пар воздух пар Выход газа, Vк, м3 — 1,8—2,1 3,0—4,0 2,6—3,2 Газовая фаза Вредн. выброс, мг/м3 Продукты термопревращений, % Выбросы химические соединения нормы ЕС фактические значения химические соединения Vк, % % от Vк мг/м3 Пыль <10 16 Н2 35—45 30—31 54—60 6 НCl <10 35 CO 20—40 34,1 35—40 0,3 NOx <400 362 C Н4 0—10 0 0 0—110 CO2 <50 48 CO2 13—27 28 0,3 2—10 SO2 <50 65 N2 — 20—30 0 20 Pb <0,1 0,19 Н2+ CO 57—85 65,1 95—99 0,02 Тяжелые металлы <0,1 0,1 Пыль, смолы — Пыль — 0,01 Диоксин, фураны <0,1 0,5 — — — — 0,001 Зольный остаток Высоко- реакционный Мало реакционнный Нейтральный Нейтральный Атмосферные выбросы Высокие Средние Низкие Очень низкие 39ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 4 Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого ... остро стоящие при прямом сжигании твердого топлива. Уголь, твердые бытовые отходы в экологическом плане являются «грязным» источником энергии и прямое их сжигание неиз- бежно сопровождается выбросами в окружающую среду большого количества токсичных и вредных соединений (сернистые соединения, оксиды азота, диоксины, фураны, зола). Кон- центрации их выбросов в окружающую среду значительно превышают допустимые нормы (таблица). Полная замена газа и нефти в мировой экономике прямым сжиганием угля усу- губляет проблему и может угрожать человечеству тяжелыми экологическими последствия- ми. Приведение окружающей среды к требованиям европейских стандартов трудоемкое и дорогостоящее мероприятие. Широкоизвестные автотермические технологии перевода твердого топлива в газовое состояние [1, 8], в определенной мере, решают экологические проблемы, снижая вредные выбросы в окружающую среду. Однако 13—30 % газовой фазы (см. таблицу) составляет СО2, что вытекает из основы автотермических технологий — сжигания части газифицируе- мого топлива для поддержания реакций термопревращений. Из-за сравнительно низкой температуры термопревращений (800—1800 К), недостаточ- ной для полной деструкции вредных и токсичных соединений, в окружающую среду могут попадать смолы, мазут, пыль, ароматические углеводороды, высокореакционные зольные остатки. Применение воздуха в качестве окислительной среды на 50—60 % наполняют газо- вую фазу балластным азотом. Высокотемпературные третьего поколения аллотермические пароплазменные техноло- гии подготовки угля, отличающиеся большой концентрацией энергии в единице объема реакционного пространства (102—103) Вт/см2 и высокой температурой (2—5)·103 К, могут на порядок и больше снизить концентрацию вредных соединений (см. таблицу) и привести их в нормы, ниже европейских стандартов. В условиях этих технологий среды различных физико-химических характеристик перерабатываются путем деструкции их химических элементов. Сюда могут относиться угли различной степени метаморфизма, твердые бытовые от- ходы, токсичные и вредные органические соединения. Побочные составляющие, двуокись углерода, сероводород и другие вредные соединения в газовой фазе при оптимальном соот- ношении углерода и окислителя не превышают 1,5—2 % объема газовой фазы или проявля- ются в следах. Зольные остатки, химически нейтральные из-за отсутствия в них углерода, пригодны к использованию в строительной индустрии или подлежат безвредному захоронению (см. таблицу). Высокотемпературные пароплазменные превращения органических сред универ- сальны к составляющим исходного сырья, реагируя только на углерод и остро селективны к ингредиентам выходного (полезного) продукта. Газовая фаза здесь на 98—99 % состоит из синтез-газа (СО + Н2). Универсальные свойства к исходному сырью, строгая селективность по выходному продукту «новой» технологии, позволяют полностью решить проблему деба- ланса разведанных, добываемых и используемых углей в энергетике, химическом синтезе и в металлургии прямого восстановления железа. Применение пароплазменной технологии термопревращений перспективно экономией исходного сырья за счет перехода в конечный продукт высокоэнтальпийного водорода из состава окислительной среды. За счет этого объ- емный выход газовой фазы повышается на 40—45 % и ее калорийность в 2—2,5 раза (доходя 40 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 4 А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давыдов, С.А. Опарин до 11,5—12 МДж/м3). При реализации плазмохимических процессов в потоке, где в реак- ционном пространстве температура составляет 2000—5000 К, а скорость термопревраще- ний возрастает на несколько порядков и где генерация окислительной среды совмещена во времени и пространстве с термопревращениями углерода, оборудование отличается малы- ми габаритами и металлоемкостью. Это снижает капитальные затраты, которые в автотер- мических технологиях служат сдерживающим фактором их дальнейшего распространения. Плазмохимический реактор (модуль) является независимым источником тепловой энер- гии, что позволяет в широком диапазоне управлять процессом, максимально автоматизиро- вать его и заметно снизить операционные затраты технологии теплопроизводства. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Жуков М.Ф. Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмо-химическая переработка угля. Мо- сква: Наука, 1990. 200 с. 2. Булат А.Ф., Алымов Б.Д., Холявченко Л.Т., Давыдов С.Л. Комплексная переработка водоугольного то- плива при его плазменной газификации. Геотехн. механика. 2010. Вып. 81. С. 20—27. 3. Давыдов С.Л. Пароплазменная переработка дисперсной системы вода-уголь. Геотехн. механика. 2012. Вып. 98. С. 10—18. 4. Рутберг Ф. Плазменные технологии для возобновляемой энергетики. Балтийский горизонт. 2013. № 4 (12). С. 6—9. 5. Плазменная газификация отходов с использованием пароводяной плазмы. URL: http://plazarium.com. 6. Шагелова С.Л., Шницер И.Н. Сжигание твердого топлива в топках парогенераторов. Ленинград: Энер- гия, 1976. 172 с. 7. Опарин С.А., Холявченко Л.Т., Давыдов С.Л. Критерии оценки и методика расчета технико-экономи че- ских показателей плазменной газификации углеродсодержащих сред. Вопросы химии и хим. технологии. 2016. 3 (107). С. 70—76. 8. Тютюнников Ю.Б., Шептовицкий М.С., Шульга И.В. Газификация твердых топлив. Харьков : ХИЭИ, 1994. 64 с. Поступило в редакцию 30.12.2016 REFERENCES 1. Zhukov, M. F., Kalinenko, R. A., Levitskiy, A. A. & Polak, L. S. (1990). Plasma-chemical processing of coal. Moscow: Nauka (in Russian). 2. Bulat, A. F., Alymov, B. D., Holyavchenko, L. T. & Davydov, S. L. (2009). Complex Recycling of Cool-Water Fuel in the Course of Plasma Gasification, Iss. 81, pp. 20-27 (in Russian). 3. Davydov, S. L. (2012). Steam-plasma conversion of water coal dispersion system, Iss. 98, pp. 10-18 (in Russian). 4. Rutberg, F. (2013). Plasma technology for renewable energy. Baltiskiy gorizont, No. 4 (12), pp. 6-9 (in Russian). 5. Plasma gasification of wastes with the use of steam-water plasma. Available at http://plazarium.com/. 6. Shagelova, S. L. & Shnitser, I. N. (1976). Combustion of solid fuel in the furnaces of steam generators. Leningrad: Energiya (in Russian). 7. Oparin, S. A., Holyavchenko, L. T. & Davydov, S. L. (2016). Performance characteristics of plasma gasification of carbon-containing media: evaluation criteria and computational procedure. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, 3 (107), pp. 70-76 (in Russian). 8. Tyutyunnikov, Yu. B., Sheptovitskiy, M. S. & Shulga, I. V. (1994). Gasification of solid fuels. Kharkоv: KhIEI (in Russian). Received 30.12.2016 41ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 4 Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого ... А.Ф. Булат, Л.Т. Холявченко, С.Л. Давидов, С.О. Опарін Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпро E-mail: oparinsa@mail.ru ОЦІНКА ЕКОНОМІЧНОЇ ТА ЕКОЛОГІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАМІЩЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПРЯМОГО СПАЛЮВАННЯ ТВЕРДОГО ПАЛИВА ПАРОПЛАЗМОВОЮ ГАЗИФІКАЦІЄЮ Встановлені зони економічної ефективності застосування технології попередньої підготовки твердого па- лива переведенням його в газоподібний стан пароплазмовою газифікацією і традиційної технології прямо- го спалювання, межі та динаміка їх розширення в залежності від степені утилізації тепла генеруючих газів, цін на паливо і електроенергію. При порівняльній оцінці встановлених параметрів показано, що техноло- гія підготовки вугілля пароплазмовою газифікацією дає економію у споживанні та переробці первинного сировинного ресурсу на 40—45 %. Прямого економічного ефекту від застосування цієї технології можна досягнути при певних рівнях цін на електроенергію, вугілля і ступені утилізації вторинного тепла. При цьому шкідливі викиди в навколишнє середовище стануть на порядок нижчими від допустимих європей- ських стандартів. Наведено ряд додаткових переваг «нової» технології. Ключові слова: тверде паливо, пряме спалювання, пароплазмова газифікація, теплопродуктивність, собі- вартість, утилізація, екологія. A.F. Bulat, L.T. Holyavchenko, S.L. Davydov, S.A. Oparin M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics of the NAS of Ukraine, Dnipro E-mail: oparinsa@mail.ru EVALUATION OF THE ECONOMIC ENVIRONMENTAL EFFICIENCY OF THE REPLACEMENT OF TECHNOLOGIES OF DIRECT COMBUSTION OF A SOLID FUEL BY THE STREAM-PLASMA GASIFICATION We establish the zones of economic efficiency of the application of the technology of preliminary preparation of solid fuel with its transfer into the gaseous state by the steam-plasma gasification and traditional technologies of direct combustion, the boundaries and the dynamics of their expansion depending on the degree of heat recovery gas generation and the prices of fuel and electricity. By a comparative evaluation of the established parameters, it is shown that the preparation technology of coal by the steam-plasma gasification provides savings in the con- sumption and processing of a primary raw resource by 40—45 %. The direct economic effect from the use of this technology can be achieved at certain levels of prices of electricity and coal and waste heat recycling. The harm- ful emissions will be well below acceptable European standards. A number of additional benefits of the "new" technology are given. Keywords: solid fuel, direct combustion, steam-plasma gasification, heat production, prime cost, recycling, ecology.

Оценка экономической и экологической эффективности замещения технологии прямого сжигания твердого топлива пароплазменной газификацией

Репозитарії

Схожі ресурси