Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геотехнологическое обоснование энергоэффективного производства и использования торфяного топлива

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Геотехнологическое обоснование энергоэффективного производства и использования торфяного топлива"

На правах рукописи

Сорокин Роман Николаевич

ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТОРФЯНОГО ТОПЛИВА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ПАР 2015 005560823

Екатеринбург - 2015

005560823

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Гревцев Николай Васильевич.

Официальные оппоненты: Михайлов Александр Викторович,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»», профессор кафедры машиностроения;

Мисников Олег Степанович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой геотехнологии и торфяного производства.

Ведущая организация - ФГАРУ ВПО «Национальный

исследовательский технологическии университет «МИСиС»»

Чятпита диссертации состоится 23 апреля 2015 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, д. 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте http://science.ursmu.ru/traineeship/dissertaciormy-sovety.html ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 2 марта 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор ~ В. К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетической стратегией РФ ЭС - 2030 повышение энергоэффективности рассматривается как главное направление развития экономики страны, резервом которого является нереализованный потенциал организационного и технологического энергосбережения, восстановление цикла фундаментальных и прикладных научных исследований, опытно-конструкторских работ по организации серийного производства импортозамещающего оборудования.

Энергоэффективное и ресурсно-инновационное развитие предусматривает разработку новых технологических процессов, соответствующих критериям наилучших доступных технологий в аспектах комплексного воздействия на окружающую среду и экономической целесообразности их внедрения и обеспечивающих снижение издержек, повышение производительности при добыче и глубокой переработке топливных ресурсов.

Окускованное торфяное топливо — брикеты и гранулы по экономическим параметрам, энергетическим и потребительским свойствам в сегодняшних условиях составляют конкуренцию привозным видам топлива, закупаемым регионами, - мазуту, печному топливу и углю. Требования к качественным показателям торфяного топлива обеспечиваются проведением

энерготехнологических операций, в ходе которых свойства торфа регулируются энергозатратными воздействиями во взаимосвязи с технологическими приемами.

Тема работы, связанная с установлением закономерностей изменения энергоэффективности процессов полевой добычи торфяного сырья и его термомеханической переработки и обоснованием технологических и технических разработок получения энергоплотного окускованного торфяного топлива, является актуальной.

Тема диссертации соответствует паспорту специальности 25.00.22 -Геотехнология (подземная, открытая и строительная), п. 4 - «Создание и научное обоснование технологии разработки природных и техногенных месторождений твердых полезных ископаемых».

Объект исследования. Технология добычи торфяного сырья и его термомеханическая переработка для использования в качестве топлива.

Предмет исследования. Режимы энерготехнологических операций добычи и термомеханической переработки торфяного сырья при получении топлива.

Цель работы. Установление закономерностей изменения энергоэффективности процессов добычи и термомеханической переработки торфяного сырья и на их основе обоснование технологических и технических разработок, направленных на повышение эффективности производства торфяных топливных брикетов и гранул.

Идея работы. Проведение пооперационного анализа добычи и термомеханической переработки торфяного сырья на основе сквозного энергоэкологического мониторинга воздействий на окружающую среду, сведенного к

единому комплексному показателю - технологическому топливно-экологическому числу (ТТЭЧ).

Задачи исследования.

1. Исследовать закономерности изменения энергоэффективности процессо добычи и термомеханической переработки торфяного сырья при производств энергоплотного торфяного топлива.

2. Обосновать алгоритмы и критерии системной оценки технологической энергоэкологической эффективности производства и потребления торфяно энергошютного топлива.

3. Разработать технические и технологические решения, направленные н повышение эффективности производства энергоплотного окускованного торфяно топлива.

4. Провести испытания и внедрение технологических и техничесю разработок с оценкой эффективности производства и применения в распределению энергетике окускованного торфяного топлива.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовалс комплексный подход: системный и энергоэкологический анализ; обобщени отечественного и зарубежного опыта; методы регрессионного анализа, теори подобия, линейного программирования. Исследования проводились в лабораторнь и производственных условиях, опытно-промышленная проверка разработаны! технических и технологических решений осуществлялась при проектировании пуске и отладке новых технологических процессов. Выявленные закономерност базируются на фундаментальных положениях физико-химической механики тепломассопереноса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выбор энергоэффективных параметров технологических процессо добычи торфяного сырья и его термомеханической переработки для использован в качестве окускованного топлива обеспечивается минимизацией удельных затра энергии и негативных воздействий на окружающую среду, характеризуемъ единым комплексным показателем - технологическим топпивно-экологичеаа числом.

2. Эффективность технических и технологических разработок п совершенствованию производства торфяного окускованного топпив обеспечивается рациональным управлением параметрами сушки торфяного сыр -и применением технологических операций, знергоэффективность которь оценивается максимумом отношения приращения энергоплотности получаемог топлива к технологическому топливному числу данной операции.

Научная новизна.

- Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективност применения сквозного энергоэкологического анализа режимов производств окускованного торфяного топлива, учитывающего энергозатраты и воздействие н окружающую природную среду путем минимизации технологического топливног и технологического экологического чисел.

- Дано научное обоснование алгоритмам и параметрам функционирования рациональной системы управления энерготехнологическими процессами производства торфяных брикетов и гранул.

Практическая ценность работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований положены в основу создания энергоэффекгивной хнологической схемы автоматизированного модульного комплекса торфяного оплива — брикетов и гранул.

Внедрение результатов работы. Разработанные и научно обоснованные ехнологические и технические решения по производству энергоплотного кускованного торфяного топлива, новые методы и методики системной оценки ффективности производства и использования торфяного топлива внедрены в ромышленность (ООО «Мезиновское торфопредриятие», ООО «Уральская орфяная компания»), в научно-исследовательскую и проектную практику (ООО (Институт местных видов топлива - Уралгипроторф», ООО «НЕСЕН Инжиниринг») в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный шверситет».

Достоверность результатов и выводов в диссертации. Обеспечивается омплексным подходом, использованием апробированных математических методов, овторяемостью, воспроизводимостью и надежностью экспериментов, оответствием экспериментальных данных известным и выдвигаемым еоретическим положениям, прошедшим проверку практикой, а также проведением онтрольных испытаний эксплуатационных показателей и использованием в юмышленных условиях новых видов энергоплотного окускованного торфяного оплива.

Личный вклад автора. Личное участие состоит в постановке и разработке сновной идеи и темы диссертации, в разработке программы теоретических и кспериментальных исследований, разработке методик, создании способов фавления основными процессами производства торфяных брикетов. Автором ыполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведения еоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы окладывались и обсуждались: на Международных научно-практических онференциях «Уральская горная школа - регионам», проводимых в рамках ральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург - 2008 - 2014 гг.); Международной конференции «Биоэнергетика» (г. Москва - 2012 г.); Весеннем иотопливном конгрессе (г. Санкт-Петербург - 2012-2013 гг.); на II Международном оруме «БИО Киров-2014»; на конференции «Энергия из биомассы: котельные и ЭЦ на биотопливе, производство пеллет, брикетов, биогаза в России» в рамках II оссийского международного энергетического форума (г. С.-Петербург-2014 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных аботах, в том числе в 3 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, пределенных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, етырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 136

источников, и трех приложений. Объем работы — 160 страниц машинописного текста, в том числе 35 рисунков и 35 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы идея и цель исследования, отражена научная новизна, практическая ценность и апробация результатов работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния производства торфяного топлива в России и технического уровня оборудования по сушке фрезерного торфа. С учетом актуальности и создавшейся экономической ситуации при решении вопросов рационального освоения местных торфяных ресурсов и техногенного сырья, необходимости применения новых технологичесга процессов, максимального использования отечественного оборудования, снижения удельных показателей использования топлива, энергии и сырья, а также постоянн возрастающих требований к охране окружающей среды горнодобывающи производств, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе на основе системного и энергоэкологического анализ сформулированы принципы выбора параметров ресурсосберегающей природоохранной, энергоэффективной технологии производства торфяног окускованного топлива с учетом свойств торфяного сырья, его композиций минимизации затрат всех видов энергии.

В третьей главе приведены результаты исследования энергоэффективност полевого производства фрезерного торфяного сырья и энергоэффективнос процессов его термомеханической переработки в энергоплотное окускованно топливо.

В четвертой главе приведены материалы по обоснованию эффективное предлагаемых технологических и технических разработок по производству использованию энергоплотного окускованного торфяного топлива, результат определения его эксплуатационных показателей и эффективности ег использования в распределенной энергетике.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

В приложениях приведены материалы по обоснованию экономическо эффективности предлагаемой технологии и оборудования, а также документы подтверждающие факт внедрения результатов исследований в практику.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выбор энергоэффективных параметров технологических процессе добычи торфяного сырья и его термомеханической переработки дл использования в качестве окускованного топлива обеспечивается минимизацие удельных затрат энергии и негативных воздействий на окружающую сред характеризуемых единым комплексным показателем - технологичесм топливно-экологическим числом.

Усовершенствование существующих и разработка новых технологических процессов на современном этапе развития науки и техники требуют дальнейшего детального исследования энергоэффекгивности процессов, протекающих при добыче, переработке и обезвоживании торфа. Управление свойствами торфяных систем осуществляется энерготехнологическими способами, при которых свойства дисперсных материалов регулируются энергозатратными воздействиями во взаимосвязи с технологическими приемами.

Управление энергосбережением и снижением негативных воздействий на окружающую среду при модернизации и создании новых энерготехнологических процессов целесообразно оценивать методом сквозного энергоэкологического анализа (СЭЭА), который позволяет оценивать эффективность производства энергоемкой продукции и находит широкое применение в металлургии.

В диссертации впервые предлагается поэтапную оценку эффективности добычи и переработки торфяного сырья проводить методом сквозного энергоэкологического анализа, представляющего комплекс математических моделей, алгоритмов и программных средств, что обуславливает учет всех материальных и энергетических потоков в форме технологических топливных чисел (ТТЧ) -универсального показателя всех форм энергопотребления, выражаемого в килограммах условного топлива на единицу продукции. Энергозатраты, связанные с возмещением экологического ущерба, приведенные к единице выпускаемой продукции, определяются с помощью технологических экологических чисел (ТЭЧ). В общем случае ТЭЧ определяется как

С О'

С п* к '

г:;: г >-'н у г

где тп - удельная приведенная масса вредных выбросов в условных тоннах на тонну продукции (т у. выбр./т прод); Свв - плата природопользователя за загрязнение окружающей среды; Спр г. - цена природного газа; бРН Пр г - низшая рабочая теплота сгорания природного газа; ÇPH.yT. - низшая рабочая теплота сгорания условного топлива.

Для удобства расчетов за стоимость топлива принята цена природного газа, т.е. использован «газовый» эквивалент. В результате величина измерения ТЭЧ - кг у. т./т продукции. В связи с принятым единообразием величин ТТ1! и ТЭЧ в одинаковых условных единицах для проведения комплексного СЭЭА введено понятие технологического топливно-экологического числа (ТТЭЧ):

ТТЭЧ = ТТЧ + ТЭЧ. (2)

ТТЭЧ является итоговой оценкой энергоэкологических затрат для производства продукции в кг у.т/т продукции.

В рамках метода СЭЭА предложена иерархическая восходящая структура ТТЧ и ТЭЧ добычи, переработки и использования торфяного топлива (рисунок 1).

Расчет ТТЧ на всех ступенях восходящей иерархии представляет разветвленный алгоритм со ступенчато повторяющимися циклами. Для торфяной промышленности представление продукции в топливных единицах имеет большое значение, так как добыча и переработка торфа находятся в начале технологической

7

цепи генерации тепловой и электрической энергии и ее дальнейшего использования в распределенной энергетике. Кроме того, единицы условного топлива традиционно используются в экономике металлургии и энергетики, позволяют оценивать рациональное использование топливных ресурсов.

Рисунок 1. Иерархическая восходящая структура ТТЧ и ТЭЧ добычи, переработки и использования торфяного топлива

Технологическое топливное число цикла добычи фрезерного торфа ТТЧяоб в общем виде представляет сумму топливных чисел предыдущих переделов технологической цепи (осушения ТСЧ^ и подготовки ТТЧП0Д ) и учитывает расход всех видов топлива на выполнение технологических операций внутри цикла: естественной сушки ТТЧ^ , фрезерования ТТЧфр, ворошения ТТЧвор, валкования ТТЧВШ„ уборки ТТЧу5 и штабелирования ТТЧ^:

ТТЧдое =ттч«уц, +ттч„01 +ТГЧсуи +ТТЧфр + ТГЧ., +ТТЧ„„ +ТТЧ,, + ТГЧ„. (3)

Систему производства и потребления торфяного топлива предложено представлять в виде полного графа производства. Под системной моделью предлагается понимать модель, построенную по методологии системного анализа, т.е. для которой установлена иерархия целей и ее структура, выполнена декомпозиция на отдельные подсистемы, определены критерии однофакторной и многофакторной оптимизации внутри подсистем и их взаимосвязь в системе в целом (рисунок 2).

Рисунок 2. Структура системной модели производства и потребления торфяного

топлива

Системный анализ проводился в следующей последовательности: ресурсы -технология - потребление, включая подсистемы: «сырьевые ресурсы», «добыча торфяного сырья и его переработка», «потребление торфяного топлива и анализ рынка».

На основе системного анализа сформулированы принципы выбора технологических способов производства энергоплотного торфяного топлива:

Первый принцип - выбор технологических способов производства торфяного энергоплотного топлива - выполняется на базе системного и энергоэкологического анализа основных трансформационных процессов добычи и переработки торфяного сырья, с учетом технологических и экологических аспектов производства и потребления готовой продукции.

Второй принцип - отношение содержания гуминовых кислот (ГК) к содержанию легкогидролизуемых веществ (ЛГ) в органической части торфа -определяет прочность брикетов и гранул. Сбалансированный подбор свойств торфяного сырья осуществляется на основе математической модели многокомпонентной шихты, позволяющей оптимизировать состав шихты с использованием метода линейного программирования.

Основной целью выбора состава композиционных брикетов и энерготехнологических операций производства торфяного топлива является обеспечение заданных качественных показателей готовой продукции.

При этом формирование свойств композиционного торфяного топлива обусловлено свойствами отдельных компонентов, их количественным соотношением, а также содержанием влаги в смеси и характером воздействий, которым смесь подвергается в процессе переработки.

Между составом смеси и характером операций есть причинно-следственная связь. Так, смесь с определенной качественной характеристикой может быть переработана с использованием определенных энерготехнологических методов.

При определении оптимального состава топливных брикетов и гранул критерием оптимизации принята теплота сгорания. Максимальное значение теплоты сгорания достигается шихтованием двух или более видов торфа с различными качественными свойствами или шихтованием торфа с углеродистыми наполнителями при ограничениях по условию брикетируемости или качеству готовой продукции:

гсххх + сгхг — -» шах; «11*1 + «12*2 ^ 10; «21*1 + «22*2 ^ 0.5;

. «31*1 + «32*2 ^ 0,5;

«41*1 + «42*2 ^ 0,5; '

«51*1 + «52*2 ^ 1-2; + х2 = 1;

V > 0; х2 > 0,

где с| и сг- соответственно теплота сгорания торфа и углеродистого наполнителя (в случае брикетирования шихты из двух видов торфа с различными качественными показателями; Г - теплота сгорания композиционной шихты; йц. аг\ -соответственно зольность на сухое вещество торфа и углеродистого наполнителя; «21, «22, «31, «32, «41, ап — соответственно процентное содержание в золе торфа и углеродистого наполнителя железа, кальция, алюминия; а5], а52 - соответственно отношение содержания гуминовых кислот к содержанию легкогидролизуемых веществ в торфе первого и второго видов; х^ х2 — соответственно содержание торфа и углеродистого наполнителя в составе брикета.

В качестве углеродистых наполнителей могут использоваться отсевы каменного и бурого угля, мелкий кокс, отсев древесного угля, отходы графитации угольных стержней, отходы электродного производства и др. Результаты компоновки композитов проведены таблице 1.

Третий принцип - выбор энергоэффективной технологии производства торфяного топлива - выполняется на основе минимизации технологического топливного числа ТТЧ, представляющего затраты всех видов энергии во всех переделах технологического процесса и выраженного в килограммах условного топлива на единицу продукции.

При определении оптимального состава топливных брикетов и гранул в качестве критерия оптимизации принята теплота сгорания.

Компоненты Влагосодержание, Зольность, Состав золы, % Теплота Состав Теплота

кг/кг % сгорания, МДж/кг брикета, % сгорания смеси, МДж/кг

А1 Ие Са

Торф 1,2 6,5 0,34 0,62 2,28 13,0 53,85 19,47

Каменный 0,149 15 9,26 10,11 1,9 27,0 46,15

уголь

Торф 1,2 6,5 0,34 0,62 2,28 13,0 57,98 19,33

Антрацит 0,062 6,2 11,43 9,38 3,68 28,1 42,02

\

Четвертый принцип - комплексная оценка технологической и эколого-экономической целесообразности производства и использования торфяного топлива - выполняется поэтапно на стадиях выбора технологии разработки сырья, процесса термомеханической переработки и потребления новых видов торфяного топлива с использованием в качестве критериев оптимизации технологического топливно-экологического числа ТТЭЧ. Выбор альтернативных вариантов технологий осуществляется на основе технологического графа.

Исследования энергоэффективности производства фрезерного торфа проведены на основе анализа уравнений теплового и материального балансов. На процесс сушки торфа в естественных условиях влияет большое число факторов, среди которых солнечная радиация, представляющая собой основной источник тепловой энергии. Управление процессом сушки фрезерного торфа в естественных условиях сводится к управлению перераспределением поступившей в него тепловой энергии, т. е. величиной радиационного баланса.

Установленные количественные значения технологических топливных чисел, естественной сушки ТТЧсуш в зависимости от начальной влажности торфа меняются в широком диапазоне от 190 до 290 кг у.т/т, в то время как сумма ТТЧ всех технологических операций в цикле добычи фрезерного торфа составляет порядка 2,2 кг у.т/т (рисунок 3).

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований положены в основу создания технологии и оборудования для производства торфяных брикетов и гранул, их эффективного использования в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве.

На основе комплексного анализа результатов экспериментальных исследований обоснованы исходные данные для системы автоматизированного управления модульным торфобрикетным заводом.

Уравнение топливного баланса торфобрикетного комплекса (10) включает параметры, измеряемые в кг у.т/т, и представляет соответствующие ТТЧ. Следовательно, уравнение топливного баланса можно представить в виде:

ТТЧС +ТТЧ, +ТТЧ, =ьбг +ттч5СТ11 +ТТЧпот, (5)

где ТТЧС - торфяного сырья; ТТЧт - генерации тепла расходуемого на сушку торфа; ТТЧ, - генерации электрической энергии на брикетирование; Ь6р — количество

условного топлива, эквивалентное брикету; ТТЧ30т„ — генерации электрической энергии, отпущенной ТЭЦ во внешнюю электрическую сеть; ТТЧпот - удельных потерь топлива при брикетировании.

310 290 270

"1250 g 230

Э —

210 190 170 ISO

75 76 77 78 79 80 81 82 83

Влажность. %

Рисунок 3. Зависимость ТТЧ естественной сушки в цикле производства фрезерного торфа от начальной влажности

На основе проведенных исследований получены зависимости ТТЧ от влажности исходного торфяного сырья (таблица 2) и разработан алгоритм выбора энергоэффективной технологии полевой добычи и термомеханической переработки торфяного сырья (рисунок 4).

Таблица 2. Влияние влажности на ТТЧ

Зависимость ТТЧ от влажности Вид зависимости R2

ТТЧЭ - генерации электрической энергии на брикетирование у = 0,0024^-0,051х+17,33 7 0,9985

ТТЧт- генерации тепла на сушку торфа у = 0,256.хМ5,535*4-275,77 0,9925

ТТЧс — торфяного сырья у = - 0,0643^+3,4643^518,57 0,9981

ТТЧ,.™. - генерации электрической энергии, отпущенной ТЭЦ во внешнюю сеть у = - 0,0003^+0,0182x4-0,6176 0,9938

У = = 0,552 ;е0,0766»

-

-ТТЧ cyi ики- Экспоне нциалы «я (ТТЧ сушки)

Расчет ТЭЧ добычи торфа с учетом:

1. Сбросов фошеяых вод

2. Захрязненнк аттюсферхх

3. Размещена* отходов

^ Конец

Рисунок 4. Блок-схема выбора энергоэффективной технологии добычи и термомеханической переработки торфяного сырья

Таким образом, приведенные выше материалы, по сквозному энергоэкологическому анализу энерготехнологических операций производства торфяного топлива, разработанная системная модель, обоснованные принципы выбора состава и технологии производства и потребления торфяного топлива, результаты исследования энергоэффективности производства фрезерного торфа и энергоэффективности процессов термомеханической переработки торфа являются доказательством первого научного положения.

2. Эффективность технических и технологических разработок по совершенствованию производства торфяного окускованного топлива обеспечивается рациональным управлением параметрами сушки торфяного сырья и применением технологических операций, энергоэффективность которых оценивается максимумом отношения приращения энергоплотности получаемого топлива к технологическому топливному числу данной операции.

На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований энерготехнологических процессов термомеханической переработки: генерации

Выбор рацшшазьнон технология добыта ТЭЧцнкл—чшп

тепловой энергии при сжигании фрезерного торфа и его сушки в барабанной сушилке - обоснована технологическая схема модульного завода производства брикетов и гранул. Сформулированы требования к технологическому оборудованию, проведена комплектация завода серийным технологическим оборудованием, разработана конструкция нестандартного оборудования, внедрена автоматизированная система управления технологическими операциями, учитывающая возможные изменения качественных показателей сырья.

В соответствии с технологией брикетирования, комплекс БКТ-3000 представляет собой блочно-модульную конструкцию и состоит: из блока оперативного складирования и подачи, блока распределения и дозирования, блока генерации теплоносителя, блока безопасности и подготовки теплоносителя, блока сушки, блока очистки отработанного теплоносителя, блока прессования, блока автоматики и управления.

Основным инструментом управления БКТ-3000 является персональный компьютер с установленной исполнительной средой Indusoft Web Studio.

Мнемосхема предоставляет оператору, наблюдающему за технологическим процессом, графический интерфейс для наглядного динамического отображения хода технологического процесса. На рисунке 5 представлена упрощенная схема расположения технологического оборудования на объекте БКТ-3000, с кнопками управления, дисплеями, отображающими текущий ток и частоту питающей сети мотор-редукторов, показания датчиков температуры, давления, разряжения, влажности, индикаторы концевых выключателей и датчиков уровня, статус работы линий. В стандартном режиме комплекс может работать автоматически.

Рисунок 5. Интерфейс системы управления брикетным комплексом

В технологическую схему комплекса дополнительно включается блок производства топливных гранул по энергоэффективной инновационной технологии с производительностью до 1,5 т/ч. Блок предназначен для измельчения торфяного брикета и получения гранул заданного размера. На одну тонну гранул, получаемых путем измельчения брикетов, расходуется 2,4-2,6 кВт-ч электроэнергии. Диаметр ячеек фильтрующей сетки варьируется от 1,6 до 80 мм в зависимости от требуемых размеров измельченной фракции и перерабатываемого сырья.

На основе опытно-промышленной эксплуатации барабанной сушилки установлена зависимость ТТЧ искусственной сушки фрезерного торфа при постоянном расходе сырья на генерацию тепла

ТТЧисксуш = 0,32и'2 - 22,0$}# + 447,9; Я2 = 0,9991; при постоянной температуре агента сушки

ТТЧисксуш = -0Д81У2 + 20,03^ - 431,1; Я2 = 0,9935.

В зависимости от режима система управления регулирует подачу топлива и воздуха в теплогенератор. В зависимости от режима регулируется два параметра: положение заслонки вентилятора первичного воздуха и интервал подачи топлива в теплогенератор. Процесс горения в твердотопливных топках, работающих на фрезерном торфе, зависит от качества топлива и достаточно сложно поддается процессу управления. Эффективность работы комплекса определяется рациональным управлением процессами генерации тепловой энергии для сушки фрезерного торфа. Основными параметрами, которые напрямую влияют на производительность линии, является температура на входе в сушильную камеру, определяющая энергозатраты на сушку торфа. Функциональная модель процесса сушки фрезерного торфа при производстве брикетов и гранул представлена на рисунке 6. Исходным сырьем является фрезерный торф, основные параметры которого — влажность и>ь зольность Ас и плотность насыпной массы р) - являются главными возмущающими воздействиями процессов горения и сушки.

Рисунок 6. Функциональная модель управления технологическими процессами

брикетного комплекса

Энергоэффективность предлагаемой схемы обусловлена снижением удельных затрат на электроэнергию ТТЧЭ 9,60 кг у.т / т (для данной технологии), в то время как для существующих технологий ТТЧЭ составляет 12,3 кг у.т /т. Наличие в схеме

15

управления персонального компьютера обеспечивает возможность вывода оперативной информации в виде таблиц и графиков.

Проведенные комплексные исследования позволили определить основные эксплуатационные показатели торфяного топлива, получаемого с использованием разработанного оборудования, и выполнить оценку энергоэффективности предлагаемых технологических операций производства брикетов и гранул. Результаты исследований приведены в таблице 3 и на рисунке 7.

Таблица 3. Эксплуатационные показатели торфяного топлива

Наименование показателя Единица Значения

измерения

Характеристика брикета 78

Диаметр мм

Длина мм 35-80

Влажность брикетов % 16

Плотность кг/м3 920-1095

Прочность брикета на сжатие МПа 25,7

Низшая теплота сгорания МДж/кг 17.2

Насыпная плотность кг/м3 750

Энергоплотность МВт-ч/м3 3,583

Энергоплотность кг у.т. / м3 439,8

Отношение приращение энергоплотности к ТТЧ 3,07

Характеристика гранул

Длина/ср мм 22,14

Высота Аср мм 7,15

Плотность гранул кг/м3 920-1095

Насыпная плотность кг/м3 790

Низшая теплота сгорания МДж/кг 17,2

Энергоплотность МВт-ч/м3 3,774

Энергоплотность кг у.т/м3 463,2

Отношение приращение энергоплотаости к ТТЧ 3,29

Брикеты - 439,8 кг у.т/м3 Гранулы - 463,2 кг у.т/м3

~~ <}ттчпвр

Фрезерный торф -119„6 кг у.т/м3

| Осушенная залежь - 75,9 кг у.т/м3 ТТЧрс <}ТТЧ

под_

| Неосушенная залежь - 53,3 кг у.т/м3

I- ______ ______:______:_

Рисунок 7. Изменение энергоплотности торфа в процессе добычи и термомеханической переработки

Рисунок 8. Зависимость энергоплотности (а) и насыпной плотности (б) фрезерного

торфа от влажности

♦ ♦

♦

У = 0,0248т+0,: R2 = 0,9984 812

И» 940 9 SO 1020 1060 1100

Плотность, кгЛ|3

Рисунок 9. Зависимость прочности на сжатие от плотности брикетов

В производственных условиях проведены сравнительные испытания по сжиганию каменного угля и торфяных брикетов на отопительных котельных, расположенных во Владимирской области - г. Юрьев-Польский, в Свердловской области - с. Шогринское, в Тверской области - пос. Молоково. В ходе проведения испытаний проводились измерения массы загружаемого топлива и определялись параметры котлоагрегата.

Качественные показатели угля и торфяных брикетов определены в аттестованной лаборатории физико-химических и технологических исследований Испытательного центра ФГУП «ВУХИН» и исследовательской лаборатории «IN COLAB SERVICES RUSSIA S.C .». Результаты производственных испытаний сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Сводная таблица результатов сравнительных испытаний по сжиганию каменного угля и торфяного брикета

Параметры Каменный уголь Торфяной брикет

Масса топлива, загруженного в топку котла, кг 1506,6 1447,9

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 18,86 17,18

Выработанная тепловая энергия за время проведения испытаний, кВтч (Гкал) 3632,2 (3,12) 4220,0 (3,63)

Масса золы и шлака, кг (%) 282,0(18,72) 86,9 (6,00)

Средняя часовая мощность котла, кВт 403,6 468,9

КПД котла по обратному балансу, % 35,33 61,08

Потери теплоты с уходящими газами, % 39,87 30,65

Потери теплоты с химическим недожогом, % 22,75 6,50

Потери теплоты в окружающую среду, % 2,05 1,77

Средняя температура отходящих газов, °С 88,36 92,90

Коэффициент избытка воздуха а 10,10 7,47

Масса топлива для выработки 1 Гкал тепла, кг 482,3 399,0

Стоимость 1 Гкал выработанного тепла, руб. 1403,55 1216,95

Стоимость топлива, руб. 2910 3050

Расход условного топлива на 1 Гкал, кг у.т/Гкал 404,33 233,88

Расход натурального топлива на 1 Гкал, кг/Гкап 503,08 396,98

Таким образом, проведенные -испытания показали, что сжигание торфяного брикета на котле с П-образным расположением экранных труб эффективнее с точки зрения выработанного и отданного потребителю количества теплоты и экономичнее с точки зрения расхода топлива и стоимости 1 Гкал выработанной тепловой энергии.

Таким образом, приведенные выше материалы по обоснованию эффективности предлагаемых разработок по производству и использованию торфяного топлива, включающие схемы технологии и автоматизированного управления модульного завода по производству брикетов и гранул, результаты определения качественных показателей торфяного топлива и эффективности его использования, а также результаты внедрения, являются доказательством второго научного положения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе выполненных исследований изложены новые научно обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие создание энергосберегающей технологической схемы автоматизированного модульного комплекса по производству окускованного торфяного топлива за счет сбалансированного подбора исходного сырья, рационального выбора энерготехнологических операций и способов регулирования процесса сушки, что

18

имеет существенное значение для развития топливно-энергетического комплекса страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан алгоритм поэтапной оценки энергоэффективности добычи и переработки торфяного сырья с учетом материальных и энергетических потоков на основе сквозного анализа энергоемкости трансформационных процессов переработки путем минимизации технологического топливного числа ТТЧ, представляющего затраты всех видов энергии во всех переделах технологического процесса и выраженного в килограммах условного топлива на единицу продукции.

2. Теоретически обоснован метод оценки энергоэффектипности технологических операций получения торфяного топлива отношением приращения энергоплотности получаемого топлива к технологическому топливному числу операции. Для предлагаемой технологии отношение приращения энергоплотности к ТТЧ производства брикета составило 3,07, а при производстве гранул - 3,29. Энергоэффективность схемы автоматизированного модульного комплекса за счет снижения удельных затрат на электроэнергию в пересчете на ТТЧЭ составляет 9,60 кг у.т/т, по сравнению с ТТЧЭ существующих технологий - 12,3 кг у.т/т.

3. При производстве композиционного топлива сбалансированный подбор свойств торфяного сырья и наполнителя осуществляется на основе математической модели многокомпонентной шихты, позволяющей оптимизировать состав шихты с использованием метода линейного программирования, а система производства и потребления торфяного топлива представляется в виде полного графа производства при расчете технологического топливно-экологического числа ТТЭЧ продукции, представляющего сумму двух чисел: технологического топливного числа ТТЧ и технологического экологического числа ТЭЧ.

4. Разработаны методика и алгоритм расчета ТТЧ на основе анализа теплового и материального балансов цикла полевого производства фрезерного торфа.

5. Обоснована принципиальная энергоэффективная технологическая схема модульного брикетного комплекса и автоматизированная система управления технологическими операциями производства брикетов и гранул. Установлена зависимость ТТЧ искусственной сушки от влажности фрезерного торфа при двух режимах управления: при постоянном расходе сырья на генерацию тепла и при постоянной температуре агента сушки.

6. Разработана инновационная технология измельчения брикетов для производства топливных гранул производительностью до 1,5 т/ч и удельной энергоемкостью 2,4-2,6 кВт-ч.

7. Опытно-промышленными испытаниями доказана экономическая эффективность использования окускованного торфяного топлива с точки зрения выработанного и отданного потребителю количества теплоты, расхода топлива и стоимости выработанной тепловой энергии.

8. Результаты научно-исследовательских разработок внедрены в учебный процесс подготовки специалистов, в практику проектирования и в промышленное производство.

Основные результаты работы опубликованы в 10 научных статьях, в том числе:

в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК при Минобрнауки России:

1. Гревцев Н.В., Сорокин Р.Н., Шампаров А.Г. Эффективность использования торфяных брикетов на предприятиях коммунальной энергетики // Естественные и технические науки. 2014. № 2. С. 247-251.

2. Системный подход при оптимизации технологии торфяных композиционных материалов/ КВ. Гревцев, Б.Б. Зобнин, Р.Н. Сорокин, А.Г. Шампаров II Естественные и технические науки. 2014. № 5. С. 68-73.

3. Гревцев Н.В., Сорокин Р.Н., Шампаров А.Г. Эффективность энергетического использования торфяного биотоплива // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2014. № 6. С. 33-39.

в других Изданиях:

4. Сорокин Р.Н. Разработка и реализация региональных программ по развитию потребления местных топливно-энергетических ресурсов (торфа) - один из реальных путей развития торфяной отрасли II Торф и Бизнес. 2009. №1(15). С. 24.

5. Мальцев Г.В., Сорокин Р.Н, Технологии создания эффективного топлива на основе торфа // Сборник докладов Уральской международной практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ 2011. С. 574.

6. Сорокин Р. Я, Гревцев Н. В., Лебзин М. С. Инновационные технологии производства топливных брикетов // Сборник докладов Уральской международной практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург' Изд-во УГГУ, 2014. С. 210.

7. Лазарева Т. Ю., Мочалова О. С., Сорокин Р. Н. Целесообразность перевода угольных котельных Свердловской области на местные виды торфяного топлива // Сборник докладов Уральской международной практической конференции «Уральская горная школа - регионам». Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 214.

8. Гревцев Н.В., Сорокин Р.Н., Олейникова Л.Н. Опыт и перспективы создания региональных биоэнергетических кластеров // Экономические, социальные и экологические проблемы горной промышленности Урала: сб. науч. ст. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 134-139.

9. Расчет технологических топливно-экономических чисел цикла производства фрезерного торфа/ Н.В. Гревцев, Р.Н. Сорокин, Л.Н. Олейникова, О. С. Егошина II Экономические, социальные и экологические проблемы горной промышленности Урала: сб. науч. ст. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 139-146.

10. Оптимизация состава торфяного топлива с использованием метода линейного программирования / Н.В. Гревцев, Р.Н. Сорокин, М.С. Лебзин, Т.Ю. Лазарева И Экономические, социальные и экологические проблемы горной промышленности Урала: сб. науч. ст. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 147-151.

Подписано в печать 12.02.2015 г. Формат 60x84 '/1б. Бумага офисная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ

320144, г. Екатеринбург; ул. Куйбышева, 30 ФГЪОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УТТУ