Диверсификация источников энергии в сельском хозяйстве Сибири

Введение . Для повышения производительности труда и роста доходов населения требуется более интенсивное снабжение энергией. Поэтому энергетическая политика и технология для сельских районов должны способствовать использованию сочетания рентабельных источников энергии, работающих на местных ископаемых видах топлива, и возобновляемых источниках энергии. Достижение устойчивого развития сельских районов самым тесным образом связано со структурами спроса на энергию и ее предложения, осуществлением и стимулированием процесса экологически безопасной перестройки системы энергоснабжения сельских хозяйств. Это предполагает переход к диверсифицированным и структурированным источникам энергии путем обеспечения альтернативных новых и возобновляемых источников энергии. Необходимо также активизировать исследования и разработки по диверсификации источников и мероприятия по энергосбережению энергии, принимая во внимание необходимость эффективного использования энергии и разработки экологически безопасных технологий.

Цель исследований : демонстрация возможности использования в качестве источника получения энергии местных доступных и недорогих ресурсов.

Объекты, методы и результаты исследований. Одна из разработанных и применяемых технологий – это получение суспензионных водоугольных топлив (ВУТ). Данная технология позволяет создавать эффективные и надежные системы производства качественной тепловой энергии в непосредственной близости от локальных потребителей с учетом их конкретных запросов. Инвестиционная привлекательность обусловлена компактностью и высокой экологичностью. Использование ВУТ позволяет решить ряд вопросов, связанных с транспортировкой угля в ряде случаев более экономичным видом транспорта – трубопроводным. При этом исключаются потери, связанные с ухудшением качества топлива: процессами окисления, выветривания, пыления, смерзания и т. п., и это тоже важный элемент энерго- и ресурсосбережения при транспортировке энергоносителей, при создании или модернизации энергетических систем и комплексов. Свойства ВУТ зависят от природы угля, которая меняется в зависимости от степени метаморфизма. Другим направлением использования местного сырья является эффективное применение углей низкой степени метаморфизма – бурых углей. Данные угли привлекательны относительной дешевизной и возможностью надежных поставок на длительный период, что может решить ряд проблем, связанных с развитием энергетики городов и регионов Сибири.

Для эффективного сжигания таких топлив требуется разработка специальных технологий и технических средств. В этом случае успешно применяется технология низкотемпературного вихревого сжигания в адиабатических камерах сгорания, которые либо встраиваются в топочное пространство существующих или вновь разрабатываемых котлов, либо устанавливаются рядом с действующим котлоагрегатом [1–3].

При этом, конструкции топочных камер должны учитывать не только низкую реакционную способность ВУТ, но и то, что при распылении ВУТ длина факела достигает 2,5 м и более, а время нахождения частиц твердой фазы ВУТ в камере сгорания составляет от 1 до 4 с. Опыт работы с теплогенераторами показал, что при тепловой мощности более 2,0 (3,0) МВт топочная камера встраивается в топочное пространство котла без увеличения его размеров. При тепловой мощности менее 2,0 (3,0) МВт требуется установка отдельно стоящей (выносной) топочной камеры [4].

Ниже представлены результаты работы экспериментальных и промышленных котлов на суспензионном водоугольном топливе и местных бурых углях.

Предприятием ЗАО «НПП “Сибэкотехника”» разработаны и испытаны конструкции вихревых топочных камер сжигания различной мощности (табл. 1).

Характеристика работы теплогенераторов

Таблица 1

Показатель	Технологический комплекс
	Котельная ш. «Заречная», г. Ленинск-Кузнецкий	Теплогенератор в СибИМЭ СО, п. Краснообск Новосибирской обл.	Котельная Хилари Ассетс, г. Темиртау, Казахстан	Котельная в г. Черепаново, Новосибирская обл.
Теплопроизводительность, Гкал/ч	0,50÷0,58	0,25	0,55÷0,58	0,5
Расход топлива, л/ч	120÷130	55	130÷140	110÷220
Температура в топке, 0С	950÷1000	950	900÷980	950÷1050

В процессе опробования и эксплуатации указанных теплогенераторов использовались ВУТ с характеристиками, представленными в таблице 2.

В качестве исходного сырья использовался как угольный концентрат (теплогенератор в СибИМЭ СО, п. Краснообск Новосибирской обл.), так и угольные шламы.

Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных теплогенераторов показали, что даже при низких значениях низшей теплоты сгорания (2 500 ккал/кг) ВУТ из различных марок углей возможно получение значения КПД более 80 %. При этом себестоимость 1 Гкал снижается на 30–300 % по сравнению со сжиганием угля или жидкого нефтяного топлива.

Характеристика топлива, сжигаемого в теплогенераторах

Таблица 2

Показатель	Технологический комплекс
	Котельная ш. «Заречная», г. Ленинск-Кузнецкий	Теплогенератор в СибИМЭ СО, п. Краснообск Новосибирской обл.	Котельная Хиллари Ассетс, г. Темиртау, Казахстан	Котельная в г. Черепано-во, Новосибирская обл.
Влага общая, %	40÷42	42÷43	36÷37	38÷43
Зольность (на сухое), %	26÷29	8,2÷8,5	43÷44	30÷45
Выход летучих, %	41,1÷43,6	42,3÷43,1	19,8÷20,2	6÷42
Размер частиц, мкм	0÷500	0÷500	0÷500	0÷500

На рисунке представлена диаграмма затрат на топливную составляющую при производстве 1 Гкал тепловой энергии при использовании различных видов топлива.

На территории Красноярского края существует достаточно много разного масштаба буроугольных месторождений. Бурые угли из-за низкой степени метаморфизма теряют энергетические свойства при хранении, отличаются и невысокой низшей теплотой сгорания.

Затраты на топливо при производстве 1 Гкал тепловой энергии

В настоящее время в г. Барнауле создан котельный завод (ООО «ПроЭнергоМаш») по производству специализированных котлов с вихревой системой сжигания «Торнадо», позволяющих эффективно сжигать местные, в том числе забалластированные, топлива.

Для определения возможности работы котла КВ-1,2-105 ШпВТ с топкой «Торнадо» производства ООО «ПроЭнергоМаш» на буром угле разреза «Чулымский» (Красноярский край) были проведены специальные испытания. Уголь имел следующие характеристики: влажность – 43,2 %; зольность – 11,3 %; низшая теплота сгорания – 2 820 ккал/кг; насыпная плотность – 868 кг/м3.

Результаты испытаний представлены в таблице 3. Следует отметить, что относительно низкие температуры воды на выходе из котла обусловлены тем, что испытания проводились в осенний период при температуре наружного воздуха +1–0 °С.

В процессе испытаний в подобранных расчетных стационарных режимах было определено следующее:

– котел устойчиво работает на нерасчетном топливе, средняя температура слоя 1000–1100 °С;

– возможно устойчивое горение в топочной камере на режимах от 100 до 25 % нагрузки и ручном регулировании;

– унос из топочной камеры мелкий, незначительный, видимые дымовые выбросы из дымовой трубы отсутствуют;

– коэффициент избытка воздуха за котлом 1,4–1,6;

– температура за котлом не превышает 120 °С.

Результаты испытаний

Таблица 3

Параметр	Числовое значение
	Диапазон	Среднее
Температура воды на входе в котел, °С	34–65	48
Температура воды на выходе из котла, °С	до 70	–
Давление воды, МПа	0,44–0,54	0,5
Общее количество выработанного тепла, Гкал	–	0,350
Температура уходящих газов, °С	41–87	64
Температура горячего слоя над решеткой в топке на колоснике, °С	1000–1100	1050
Разрежение в топке, мм.вод.ст.	1,5–3,0	2,4
Состав дымовых газов за котлом: CO 2 , % О 2 , % СО, мг/м3 NO, мг/м3 SO 2 , мг/м3	14 13 185 110 320
Коэффициент избытка воздуха за котлом	–	1,6
Теплота сгорания топлива	–	2820

Примечание. Контрольные условия сжигания: масса поданного угля – 150 кг; количество шла- ка – 17,5; количество уноса – 1,5 кг.

Выводы . Проведенные исследования показали, что технология получения и использования суспензионных водоугольных топлив вполне может быть успешно применена в сельском хозяйстве Сибири, поскольку угольные месторождения и предприятия по углепереработке распределены равномерно по всей территории Сибири.

Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных теплогенераторов показали, что даже при низких значениях низшей теплоты сгорания (2 500 ккал/кг) ВУТ из различных марок углей Красноярского края возможно получение значения КПД более 80 % при снижении себестоимости 1 Гкал минимум от 30 до 300 % по сравнению со сжиганием угля или жидкого нефтяного топлива.

Применение технологии низкотемпературного вихревого сжигания в адиабатических камерах сгорания имеет инвестиционную привлекательность, обусловленую компактностью с высокими показателями надежности и высокой экологичностью.