Юрий Почанин – Энергетика и экология (страница 10)

Характерными особенностями ИГКЦ являются:

–улучшение эффективности конверсии (или уменьшение затрат на генерацию) с 33–37% в последовательных распыленных системах паровых турбин на сгорании угля до 38–45% на энергостанциях комбинированного цикла;

–экологические выгоды (высокая эффективность станций комбинированного цикла компенсирует неизбежные потери эффективности, которые имеют место при конвертировании угля в газ).

Основные элементы, составляющие систему ИГКЦ, показаны на рис. 3.1. Это газификатор, теплообменник, очистка газа и блок генерации мощности комбинированного цикла. ИГКЦ разрешает проблемы с выбросами SO2 и решает их большую часть с NOx, источниками кислотных дождей, которые влияют на разрушение экосистем в лесах, насаждениях, реках и лугах. Выбросы SO2 и NOx преобразовываются во вторичные выбросы в виде сульфатов и нитратов, которые в комбинации с водой могут образовывать кислоты, выпадающие в качестве дождей и иных осадков. Газификация угля (в диапазоне от 1 300 до 2 400°C) в системах ИГКЦ приводит к производству синтетического газа, почти полностью состоящего из СО и H2 и известного как синтез-газ. Синтез-газ охлаждается в охладителе (обычно в теплообменнике), и с помощью выделенного тепла получается обычный насыщенный пар, используемый для генерации электроэнергии.

Рис.3.1. Схема станции интегрированного газификационного комбинированного цикла

Холодный газ очищается (десульфуризуется) в подсистеме очистки и заново нагревается в том же теплообменнике. Чистый сингаз при температуре около 1100°C направляется на высокоэффективную газовую турбину комбинированного цикла для производства электроэнергии. Тепло в выходном газе от газовой турбины (примерно 500°C) нагревается в парогенераторе для получения перегретого пара, который используется для генерирования дополнительной электроэнергии в паровой турбине (комбинированный цикл).

На рис.3.2 показана концепция будущих интегрированных предприятий. Такие предприятия имеют модульную конструкцию с переработкой продуктов выбросов в воздух или твердых отходов.

Рис.3.2. Схема интегрированного энергетического предприятия, основанного на переработке угля

Газификация угля также открывает возможности для совместного производства электроэнергии и химических продуктов. ИГКЦ является только первым шагом к методологии процесса использования угля, который ведет к «интегрированным энергетическим предприятиям», очистке угля и ресурсов или «многоэнергетичности», способности преобразования синтетического газа из угля в широкое разнообразие химических продуктов, таких как сера, дополнительно к производству электроэнергии. Тепло, отходящее от станции, может использоваться для отопления или промышленных надобностей.

Тепловые нормы (топливо/электроэнергия) станций с хорошо распыляемым углем равны примерно 9 300 БТЕ/ кВтч (британских тепловых единиц на киловатт-час), что эквивалентно 37% эффективности теплопреобразования. Затраты на модули десульфуризации дымовых газов составляют примерно 40% общих затрат новой угольной станции и потребляют 2–4% общей произведенной энергии.

Исследования EPRI показали, что ИГКЦ может достичь нормы тепла до 8 200 БТЕ/кВтч, или 42% эффективности. Ожидается, что новая линия интегрированных газификационных энергостанций, включая модифицированные газовые турбины, достигнет эффективности намного выше сегодняшнего уровня в 37% – а именно 60% в 2021г. В табл. 3.1 представлены оценки затрат технологических режимов генерации электроэнергии. Режимы генерации, основанные на газификации, располагают большим потенциалом сокращения выделяемых в воздух капель выбросов, чем модули десульфуризациидымовых газов или сжижаемого пластового сгорания, и минимизируют количество твердых отходов. Станции, основанные на процессе газификации угля, аналогичном ИГКЦ, производят выбросов намного меньше, чем это возможно на текущем поколении угольных станций. Как сказано выше, сера может быть выделена химически из синтетического газа в элементарной форме и затем осаждена в твердой фазе. Образование оксидов азота исключено во время сжигания с насыщением сингаза водяным паром под давлением с уменьшением температуры пламени. Выбросы SОx и NOx существенно уменьшены – с 4 до 1 фунта/МВтч. Даже в сравнении с иными конкурирующими технологиями чистого угля, такими как технология сжиженного пластового сгорания (и технология распыленного сжигания угля), ИГКЦ дает намного меньше твердых отходов.

Таблица 3.1 Оценки затрат технологических режимов генерации электроэнергии

Произведенные методом ИГКЦ твердые отходы весят лишь 2 фунта/МВт (в системах распыления, основанных на угле, – 6 фунтов). Более того, производится инертный шлак, который может использоваться как конструкционные материалы. Потребление воды меньше, чем на обычных угольных станциях, так как две трети энергии вырабатываются системой газовой турбины, которая не требует охлажденной воды для конденсации пара. Энергостанции ИГКЦ, работающие на угле, дороже станций комбинированного цикла на газе, но дешевле систем на распыленном угле. После первоначального успеха ИГКЦ проекта станции Cool Water на 100 МВт (Калифорния, США) некоторые электростанции решили принять эту технологию как часть программ расширения генерации электроэнергии.

Комбинированный цикл комплексной газификации каменного угля олицетворяет собой новое поколение угольных электростанций, которые в техническом отношении и в плане экологической безопасности значительно превосходят обычные электростанции, работающие на каменном угле. Это объясняется их способностью газифицировать каменный уголь, снижая уровни выбросов оксидов серы, окиси азота, макрочастиц и ртути до сгорания. Электростанции, применяющие комбинированный цикл комплексной газификации, также значительно сокращают выбросы углекислого газа и могут быть дополнительно настроены на улавливание углерода, что устранит потребность в очистке.

3.3. Направления развития безуглеродной энергетики

Электроэнергетика является той отраслью техники, где широкое использование явления сверхпроводимости и криогенной техники оказывается многообещающим и особенно плодотворным.

3.3.1. Использование сверхпроводимости в энергетике

Необычный мир низких температур постоянно привлекает внимание исследователей из самых различных областей знаний и является источником новых идей и открытий.

Явления, эффекты и свойства, проявляющиеся в низкотемпературной области, открывают перед учеными и инженерами широкий круг новых возможностей. Достижения низких и сверхнизких температур ценно для нас тем, что в этих условиях мы встречаемся с новыми явлениями и фактами, которые помогают проникать в суть строения материи, позволяют использовать новые методы исследования; наконец, низкие температуры являются важным инструментом технического прогресса, особенно в области новой техники. Задачи, стоящие перед энергетикой, не могут решаться только за счет увеличения числа и единичной мощности электроэнергетических объектов. Особенное значение в этих условиях приобретает поиск новых, более перспективных физических принципов производства, передачи и потребления электроэнергии. обоснованию зон применения таких устройств и т.д. Кроме того, при высоких уровнях потребления становится огромной реактивная мощность, которую должны вырабатывать ее источники. При малых нагрузках, особенно кабельной сети, из-за преобладания емкостных токов затрудняется регулирование напряжения сети. Все более усложняется проблема управления, контроля и устойчивости электрических систем при авариях, а также проблема покрытия пиковых нагрузок.

Использование явления сверхпроводимости стало возможным в результате открытий и достижений в области физики твердого тела и низких температур. На его основе создаются сильные магнитные поля в больших объемах практически без потерь мощности.

Сверхпроводимостью называется квантовое явление, заключающееся в том, что некоторые материалы при доведении их температуры до определенной критической начинают проявлять нулевое электрическое сопротивление. Перешедший в сверхпроводящее состояние проводник начинает проявлять то, что называется эффектом Мейснера, когда магнитное поле из его объема полностью вытесняется наружу, рис.3.3.

Рис.3.3. Схема для наглядности перехода проводника в сверхпроводящее состояние

В период с 1986 по 1993 годы был открыт целый ряд высокотемпературных сверхпроводников, то есть таких, которые переходят в сверхпроводящее состояние уже не при столь низких температурах как температура кипения жидкого гелия (4,2К), а при температуре кипения жидкого азота (77 К). На сегодняшний день ученым известно уже несколько сотен элементов, сплавов и керамик, способных вести себя подобным образом. Большое значение получили такие сверхпроводящие сплавы как ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово, из которых технически несложно получить стабильные тонкие сверхпроводящие нити и многожильные проводники. Существенное уменьшение электрического сопротивления очень чистых металлов (алюминия, меди, бериллия, натрия) с понижением температуры, главное – сохранение некоторыми сплавами сверхпроводимости в сильных магнитных полях при больших плотностях тока создали принципиальные возможности для применения глубокого холода в новых сферах, из которых наиболее важное значение имеют электротехника и электроника.