Расчет ТЭЦ на Свалочном и природном газе

Аннотация

 

Исследование  влияния полигонов ТБО на окружающую среду и экологию в этих районов. Сакцентировано внимание на вопросах получения свалочного газа с полигонов  ТБО, а также способы его применения в энергетике. Произведены расчеты получения тепловой энергии при сжигании свалочного газа в котельном агрегате, а также произведены экономические расчеты по постройке ТЭЦ, работающей на смеси природного и свалочного газа.

 

Annotation

The research of Solid Waste Diposal on environment and ecology situation in this area. Attention is enphasised on problems of gaining landfill gas from the SWD, and application it in power systems. Calculations for heat energy by burning landfill gas in the boiler unit, as well as economic calculations are made for construction of CHP plants running on mixture of landfill gas and natural gas.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Нынешняя ситуация обращения с землёй, стихийное  загрязнение больших территорий разнообразными промышленными и бытовыми, твёрдыми и жидкими отходами достигло в нашей стране угрожающих масштабов. В связи с этим необходимо в ближайшем будущем создать специальную технологию массовой очистки городских, сельских территорий, а также земельных угодий, полей, лесозащитных полос и посадок, обочин дорог от несанкционированных свалок различного мусора. Это позволит противостоять тенденциям опасного накопления мусора, его стихийного сжигания, самовозгорания, попадания огромных количеств образующихся токсических веществ в атмосферу, реки и водоёмы.

Особенно трудной проблемой  являются твёрдые бытовые отходы (ТБО), которые представляют собой  крайне нестабильную неконтролируемую смесь бумаги, картона, пищевых остатков, пластмассы, резины, стекла, строительного мусора, металлов, батареек и другого. Предварительная сортировка ТБО городским населением и коммунальными службами в России практически не проводится. Механическая сортировка ТБО технически сложна и пока не находит широкого применения. Прямая переработка или сжигание огромных количеств отходов технически весьма проблематична, экологически опасна и экономически неэффективна. Поэтому потребуется неотложное решение проблемы ТБО при обеспечении наиболее экономически и экологически эффективного их использования и переработки с получением полезной продукции.

С точки зрения глобальной экологии важным фактором является и то, что основной состовляющей свалочного газа является метан, который в свою очередь является одним из парниковых газов. Потенциальное влияние метана на глобальное изменение климата в 23-25 раза больше влияния CO₂. Поэтому захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Но метан является горючим газом, а значит может использоваться в двигателях внутреннего сгорания и теплоэнергетике.

Таким образом  свалочный газ может стать  альтернативой природному газу, запасы которого постепенно из года в год  истощаются. Выделения свалочного газа напротив, растут с каждым годом, так как растет количество полигонов и территорий отведенных под захоронение ТБО. В виду того, что территории полгонов ТБО прилегают к чертам города, есть возможность сэкономить на транспортировке газа, по сравнению с природным, месторождения которого находятся в местах весьма отдаленных. Также важным фактором является и то, что месторождения природного газа залегают на глубине свыше 1000м. Так, например, в Уренгое природный газ добывают с глубины в 6000м. Скважины из которых выкачивают свалочный газ не превышают 60м, то есть высоты складирования ТБО на полигоне.

Утилизация  биогаза весьма перспективна для  России, так как около 97 % из 30 млн. т ежегодно образующихся отходов захоранивается на полигонах и организованных свалках. В России эксплуатируется более 1300 полигонов ТБО. Ежегодная эмиссия метана со свалок России оценивается в размере 1,1 млрд. м3 (788 тыс. т), что почти в два раза превышает современное его потребление в мире.

И один из способов утилизации свалочного газа это использование  его в промышленной теплоэнергетике, а именно как топливо для котлов на ТЭЦ.      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. РАСЧЁТ ТЭЦ, РАБОТАЮЩЕЙ НА СВАЛОЧНОМ ГАЗЕ, ПОЛУЧЕННОМ НА ТОРБЕЕВСКОМ ПОЛИГОНЕ

2.1 Исходные данные по используемым ресурсам свалочного газа

По данным на 2009 г. на Торбеевском полигоне Московской области (рядом с селом Некрасовка) захоронено 4 млн. тонн ТБО, весь полигон занимает территорию площадью 12,8 га (28 000 м²). Высота захоронений составляет порядка 60 м. Плотность бытовых отходов захороненных на полигоне принимается равной 0,5 т/м³. По литературным данным известно, что с одной тонны ТБО, захороненных на свалке, образуется 100-200 м³  свалочного газа, в котором содержится до 60% метана. В зависимости от содержания метана низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет 18-27,2 МДж/м³ (примерно 0,5-0,8 от теплотворной способности природного газа). Важно, каким способом мы проводим выкачивание свалочного газа, а также в зависимости от глубины скважины в среднем с одной скважины можно получить от 50 до 250 м³/час.

В работе поставлены следующие  задачи:

1. Определить ежегодную  и часовую эмиссию метана со  свалки в Торбеево.

2. Проанализировать возможность  замещения части топлива (природного газа) в энергетических котлах разрабатываемой ТЭС для выработки тепловой и электрической энергии для энергообеспечения новых строящихся близлежащих жилых кварталов и населённых пунктов.

3. Рассчитать котлоагрегат с высокими энергетическими параметрами, работающий на смеси топлив – биогазе со свалки ТБО и природном газе и другое теплообменное оборудование для выработки тепловой и электрической энергии.

 Так как на Торбеевском полигоне не применятся механическое уплотнение, для выделения биогаза нет других специальных условий, часть биогаза уже в виде эмиссии попала в атмосферу, то в расчетных данных будем использовать цифру 150 м³/т_ТБО. В расчётах принимается, что полигон открыт для приеема бытовых отходов, хотя по документам закрыт. А это дополнительно 100 тыс. т в год, значит 100 м³ * 100 10³ = 10 * 10⁶ м³  свалочного газа в год дополнительно. Период эмиссии метана со свалки принят равным 50 лет, выход биогаза равномерный в течение всех 50-ти лет.

Таким образом, из 4 млн. тонн ТБО за 50 лет можно получить 600 млн. м³ биогаза, т.е. 12 млн. м³ в год или 1370 м³/час (0,38 м³/с) плюс с эмиссия свалочного газа с новых бытовых отходов, что состовлят дополнительно 10 млн м³ , а за 50 лет 500 млн м³  дополнительно. Теплота сгорания биогаза принимается равной 25 МДж/м³.

 

2.2 Обоснование выбора типоразмера котла для ТЭС и турбины.

Рисунок 2.1 Зона ответственности ТЭЦ

Считаем, что  ТЭС будет обеспечивать западные районы г. Люберцы, г. Железнодорожный, А также Торбеево, Некрасовка, и др. небольшие населенные пункты общей численностью около 190 тыс. жителей.

Описание оборудования разрабатываемой ТЭС. Подобран котел ТГМП-314-А, который используется на больших ГРЭС и ТЭС. Получил широкое распространение из-за того, что котёл надежен в работе и экономичен. ТГМП-314-А предназначен для работы в блоке с турбинами К-300-240 (конденсационная турбина без отбора пара; давление пара перед турбиной 240 кгс/см², мощность N=300 МВт) и Т-250/300-240 (теплофикационная турбина с отбором пара N=250 МВт, без отбора пара N=300 МВт, давление пара перед турбиной 240 кгс/см²).

 

2.3 Компоновка котла, особенности его конструкции и работы. Схема компоновки.

Прямоточный котел (ПК) – паровой котел, в котором  полное превращение воды в пар происходит за время однократного прохождения воды через поверхность нагрева (разомкнутая гидравлическая система). Отличительной особенностью прямоточных котлов является отсутствие четкой фиксации экономайзерной и пароперегревательной зон (из-за отсутствия барабана). ПК работают на докритическом и сверхкритическом давлении. Проектируемый котел работает на сверхкритическом давлении.

Прямоточный котел  типа ТГМП-314-А спроектирован и  изготовлен на Таганрогском котельном заводе и рассчитан на сжигание жидкого и газообразного топлива.

Котел имеет  П-образный профиль. П-образная компоновка – наиболее распространенная. В подъемной шахте располагается призматическая топочная камера, в опускной – конвективные поверхности нагрева. Ее преимущество – тягодутьевые машины устанавливают на нулевой отметке, что исключает вибрационные нагрузки на каркас котла. Недостатки компоновки: в связи с разворотом на возникают неравномерности омывания поверхности нагрева продуктами сгорания и концентрации золы по сечению конвективной шахты.

Топка котла  призматическая и экранирована НРЧ, СРЧ, ВРЧ. Верх топки экранирован фронтовым топочным экраном и панелями экранов боковых стенок. Горелки расположены встречно в два яруса. Движение среды в экранах одноходовое. В горизонтальном газоходе и на входе в конвективную шахту расположен перегреватель сверхкритического давления. Он состоит из последовательно расположенных в газовом тракте двухрядных ширм и пакета конвективного пароперегревателя. Тракт низкого давления пара состоит из двух пакетов промпароперегревателя. В опускном газоходе находится экономайзер. С котлом работают два регенеративных воздухоподогревателя 9,8 м.

 

Рисунок 2.2. Схема прямоточного котла типа ТГМП-314-А

В ПК вода с помощью  питательного насоса подается в экономайзер, откуда поступает в панели, расположенные  в топке. В выходной части панелей вода превращается в пар и начинается перегрев воды. В ПК отсутствует барабан и опускные трубы, что снижает удельный расход металла, т.е. удешевляет конструкцию котла. Существенный недостаток ПК заключается в том, что, попадающие в котел с питательной водой соли, либо отлагаются на стенках змеевиков, либо вместе с паром поступают в паровые турбины, где оседают на лопатках рабочего колеса,  и снижают КПД турбины. Поэтому к качеству питательной воды для ПК предъявляются повышенные требования. Другой недостаток – увеличенный расход энергии на привод питательного насоса.

 

 

 

 

э

 

2.4 Расчет горения свалочного газа в котлоагрегате ТГМП-314

2.4.1. Состав  свалочного биогаза

Свалочный газ состоит  из примерно 50 % метана CH₄ и 50 %  диоксида углерода CO₂, включая небольшие примеси H₂S и органических веществ.

Таблица 2.1. Процентное соотношение компонентов в свалочном газе

Компонент	%
Метан	54,996
Углерода диоксид	42,825
Толуол	0,688
Аммиак	0,522
Ксилол	0,424
Углерода оксид	0,258
Азот	0,115
Фенол	0,001
Этилбензол	0,077
Ангидрид сернистый	0,071
Сероводород	0,022

 

Реакции образования свалочного газа:

1:   

2:   

2.4.2. Исходные данные

Рассматривается вариант  сжигания только свалочного газа в  котлоагрегате ТГМП-314-А для определения требуемого расхода биогаза со свалки.

Паропроизводительность  Д₀= 1000 т/ч; 

Давление острого  пара Р₀=25 МПа;

Температура перегретого  пара t₀=545 ⁰C;

Температура питательной  воды tпв = 215 °С

Теплота сгорания свалочного газ Q_н^р  = 25 000 КДж/ м³. Состав газа по элементам (округляем для удобства вычислений) ниже в таблице 2.2.

 

 

 

Таблица 2.2. Процентное округлённое соотношение компонентов в свалочном газе

, ккал/м3      (кДж/ м3)	CH4, %	H2S, %	H2, %	O2, %	N2, %	CO2, %	CO, %	, кг/м3
5998 (25 000)	55	0.6	0	0	1,5	42.9	0	0,712

 

2.4.3. Расчёт котлоагрегата при сжигании биогагаза

1.Теоретическое  количество воздуха для полного  сгорания газообразного топлива (при a=1):

V⁰=0,0476×[å(m+n/4)×C_mH_n+0,5×(CO+H₂)+1,5×H₂S-O₂]=

=0,0476×[(1+4/4)×55+0,5×(0+0) +1,5×0,6-0]= 5,27 м³/ м³

2. Теоретические  минимальные объёмы продуктов  сгорания при полном сгорании топлива с a=1:

теоретический объём азота:

=0,79×V⁰+0,01×N₂=0,79×5,27+0,01×1,5= 4,1783 м³/ м³,

теоретический объём трёхатомных  газов:

=0,01·(åm×C_mH_n+CO₂+CO+H₂S)=0,01×(1×55+42,9+0+0,6)= 0,985 м³/м³

теоретический объём водяных  паров:

=0,01×(å × C_mH_n+H₂S+H₂+0,124×d_г+1,41×V⁰)=

=0,01×(2×55+0,6+0,124×0+1,41×5, 27) = 1,18 м³/м³

При избытке воздуха a>1 (принимаем a=1,05):