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):

объём водяных паров:

= +0,0161×(a-1)×V⁰=1,18+0,0161×(1,05-1)×5,27 = 1,22 м³/м³,

объём дымовых газов:

V_г= + + +(a-1)×V⁰=0,985+4,1783+1,22+(1,05-1)×5,27=

=9,0183 м³/м³,

Объёмные доли трёхатомных газов и водяных  паров соответственно:

= /V_г             = /V_г

Суммарная объёмная доля: r_п= + .

G_г=1-А^Р/100 + 1,306×a×V⁰, кг/кг – масса дымовых газов.

Результаты  расчётов по пункту 2.6  сведём в таблицу 2.3

Таблица 2.3. Расчет объёмов отходящих газов по газоходам котлоагрегата

Обозначения величин	V0  =	5,270	м3/м3		VRO2=		0,985	м3/м3
	VN20 =	4,178	м3/м3		VH2O0=		1,22	м3/м3
	топка и фестон	паропере-греватель 2ст		паропере-греватель 1ст		водяной экономайзер		воздухоподо-греватель
Коэффициент избытка воздуха за газоходом α”	1,05	1,08		1,11		1,13		1,16
Средний коэффициент избытка воздуха α	1,050	1,065		1,095		1,120		1,145
Суммарный присос воздуха       (α-1)V0	0,2635	0,34255		0,50065		0,6324		0,76415
Удельный выход водяных паров VH2O=VH2O0+ 0,0161(α-1)V0	1,2242	1,2255		1,2281		1,2302		1,2323
Удельный выход  газов              VГ= VRO2+ VN20+ VH2O+(α-1)V0	6,6510	6,7314		6,8920		7,0259		7,1598
rRO2= VRO2/VГ	0,1481	0,1463		0,1429		0,1402		0,1376
rH2O= VH2O/VГ	0,1834	0,1812		0,1770		0,1736		0,1704
Объемные доли трехатомных газов              rП=rRO2+rH2O	0,3315	0,3276		0,3199		0,3138		0,3080

 

 

Таблица 2.4. Расчет энтальпии продуктов сгорания в ккал/м³°С

t°С	ккал/м3°С
	CCO2	СN2	CВ	CH2O
2200	0,5848	0,3571	0,3691	0,4779
2000	0,5785	0,3541	0,3660	0,4688
1800	0,5712	0,3508	0,3622	0,4589
1600	0,5626	0,3470	0,3588	0,4481
1400	0,5526	0,3427	0,3543	0,4366
1200	0,5407	0,3378	0,3492	0,4244
1100	0,5338	0,3352	0,3464	0,4180
1000	0,5263	0,3324	0,3430	0,4115
900	0,5181	0,3295	0,3400	0,4050
800	0,5090	0,3265	0,3375	0,3984
700	0,4988	0,3233	0,3343	0,3920
600	0,4875	0,3201	0,3300	0,3857
500	0,4750	0,3171	0,3260	0,3797
400	0,4609	0,3144	0,3225	0,3739
300	0,4449	0,3121	0,3207	0,3684
200	0,4269	0,3104	0,3180	0,3636
100	0,4061	0,3095	0,3160	0,3595

Таблица 2.4.5 Расчет энтальпии продуктов сгорания в системе СИ

t°С	кДж/м3°С				МДж/м3
	CCO2	СN2	CВ	CH2O	Hг	Hв
2200	2,4484	1,4951	1,5453	2,0009	32,8703	26,3135
2000	2,4221	1,4825	1,5324	1,9628	29,5465	23,7211
1800	2,3915	1,4687	1,5166	1,9213	26,2586	21,1286
1600	2,3555	1,4528	1,5020	1,8761	23,0059	18,6009
1400	2,3136	1,4348	1,4833	1,8280	19,8044	16,0733
1200	2,2638	1,4143	1,4619	1,7769	16,6629	13,5780
1100	2,2349	1,4034	1,4502	1,7501	15,1207	12,3466
1000	2,2035	1,3917	1,4361	1,7229	13,5983	11,1152
900	2,1692	1,3796	1,4235	1,6957	12,1009	9,9162
800	2,1311	1,3670	1,4130	1,6680	10,6288	8,7496
700	2,0884	1,3536	1,3996	1,6412	9,1832	7,5830
600	2,0411	1,3402	1,3816	1,6148	7,7691	6,4164
500	1,9887	1,3276	1,3649	1,5897	6,3907	5,2822
400	1,9297	1,3163	1,3502	1,5654	5,0472	4,1804
300	1,8627	1,3067	1,3426	1,5424	3,7381	3,1174
200	1,7873	1,2996	1,3314	1,5223	2,4633	2,0610
100	1,7003	1,2958	1,3230	1,5052	1,2189	1,0240

 

Нг(t)= t*(V_RO2*C_CO2(t)+V_N2⁰*C_N2(t)+V_H2O⁰*C_H2O(t))

Нв(t) = t*V⁰*C_В(t)

Действ. энтальпия продуктов сгорания: H_Г=H_Г⁰+(α”-1)H_В⁰

Изменение энтальпии  ПГ по t: ΔH_Г(i) = H_Г(i)-H_Г(i+1) 

Таблица 2.4.6  (H-t) таблица

Темп-ра t, °С	Теоретич. Количество
			За газоходами элементов парогенераторов					МДж/кг.т.
	HГ0	HВ0	αТ''=1,05		αПП''(II)=1,08		αПП''(I)=1,11
	МДж/кг	МДж/кг	HГ	ΔHГ	HГ	ΔHГ	HГ		ΔHГ
2200	32,8703	26,3135	34,1860		34,9754		35,7648
2000	29,5465	23,7211	30,7325	3,4535	31,4442	3,5313	32,1558		3,6090
1800	26,2586	21,1286	27,3150	3,4175	27,9489	3,4953	28,5828		3,5730
1600	23,0059	18,6009	23,9359	3,3791	24,4939	3,4550	25,0520		3,5308
1400	19,8044	16,0733	20,6081	3,3279	21,0903	3,4037	21,5725		3,4795
1200	16,6629	13,5780	17,3418	3,2663	17,7491	3,3412	18,1564		3,4160
1100	15,1207	12,3466	15,7380	1,6038	16,1084	1,6407	16,4788		1,6777
1000	13,5983	11,1152	14,1541	1,5839	14,4875	1,6209	14,8210		1,6578
900	12,1009	9,9162	12,5967	1,5574	12,8942	1,5933	13,1917		1,6293
800	10,6288	8,7496	11,0663	1,5304	11,3288	1,5654	11,5912		1,6004
700	9,1832	7,5830	9,5624	1,5039	9,7898	1,5389	10,0173		1,5739
600	7,7691	6,4164	8,0900	1,4724	8,2824	1,5074	8,4749		1,5424
500	6,3907	5,2822	6,6548	1,4351	6,8133	1,4692	6,9717		1,5032
400	5,0472	4,1804	5,2562	1,3986	5,3816	1,4317	5,5070		1,4647
300	3,7381	3,1174	3,8940	1,3622	3,9875	1,3941	4,0810		1,4260
200	2,4633	2,0610	2,5663	1,3276	2,6282	1,3593	2,6900		1,3910
100	1,2189	1,0240	1,2701	1,2963	1,3008	1,3274	1,3315		1,3585

 

 

 

Таблица 2.6.  (H-t) таблица (продолжение)

αЭК''=1,13		αВП"=1,16
HГ	ΔHГ	HГ	ΔHГ
36,2911		37,0805
32,6302	3,6609	33,3418	3,7387
29,0053	3,6249	29,6392	3,7027
25,4240	3,5813	25,9820	3,6572
21,8939	3,5301	22,3761	3,6059
18,4280	3,4659	18,8353	3,5408
16,7257	1,7023	17,0961	1,7392
15,0433	1,6825	15,3767	1,7194
13,3900	1,6533	13,6875	1,6893
11,7662	1,6237	12,0287	1,6587
10,1690	1,5972	10,3965	1,6322
8,6033	1,5657	8,7958	1,6007
7,0774	1,5259	7,2359	1,5599
5,5906	1,4868	5,7160	1,5198
4,1434	1,4473	4,2369	1,4791
2,7312	1,4121	2,7930	1,4438
1,3520	1,3792	1,3827	1,4103

 

Таблица 2.4.7 Расчет теплового баланса и расхода топлива

Наименование	Обозначе-ние	Ед. изм.	Расчетные формулы  или способ определения	Расчет
Располагаемое тепло топлива	QРР	кДж/м3	QРР=QНР	25000
Температура уходящих газов	tУГ	°С	Принята	120
Энтальпия уходящих газов	HУГ	кДж/м3	H100 + (H200 - H100)/100*30 = 1485,1 + (2999,1 - 1485,1)/100*30	1939,3
Энтальпия теоретически необходимого холодного воздуха  при tХВ=30°С.	HХВ0	кДж/м3	H0 + (H100-H0)/100*30 = 0 + 1024,0/100*30	307,2
Потери тепла  от механического недожога	q4	%	Для газового топлива	0
Потери тепла  с уходящими газами	q2	%	(HУГ-αУГHХВ0)(100-q4)/QРР = (1939,3-1,33*307,2)(100-0)/25000	6,123
Потери тепла  от химического недожега	q3	%	По таблице XX (приложение таблица1)	0
Потеря тепла  от наружного охлаждения	q5	%	Приложение  рис.1	0,2
Сумма тепловых потерь	q∑	%	q2 + q3 + q4 + q5 = 6,123+ 0 + 0 + 0,2	6,323
КПД котла	η	%	100-q∑=100-6,323	93,676
Энтальпия перегретого  пара	iПП	кДж/кг	по таблицам XXVI(Приложение таблица 2)	3321
Давление питательной  воды	PПВ	МПа	1,1*1,065РПП	29,288
Энтальпия питательной  воды	iПВ	кДж/кг	по таблицам XXIV (тепловой расчет котлов, нормативный метод, Санкт-Петербург, 3е издание)	634,35
Полезно использованное тепло	QПОЛ	кВт	D(iПП-iПВ) = 1000*1000/3600*(3321-634,7)	746291,6
Расход топлива	B1	м3/с	100QПОЛ/(QРРη) = 100*746291,6/(25000*93,676)	31,86
Расчетный расход топлива	BP1	м3/с	B*(100-q4)/100 = 1,330*(100-0)/100	31,86
Расход топлива	B	м3/ч	В1*3600	114720,94
Расчетный расход топлива	BP	м3/ч	ВР1*3600	114720,94