6.5. Инновационные технологии в сфере угольной генерации

Особенностью развития энергетики на современном уровне является резкое ужесточение экологических требований, переход на высокоэффективные и ресурсосберегающие энергетические технологии и попытки поиска альтернативных (без использования традиционного органического топлива) источников энергии. Тем не менее, уголь создает сейчас основной вклад в мировое производство электроэнергии ― более 40 %.

На фоне высоких цен на нефть и газ интерес к углю как к альтернативному энергоносителю в мире только растет. Учитывая, что по выполненным оценкам угля хватит еще более чем на 200 лет, становится ясно, что уголь сохраняет и продолжит сохранять лидирующее положение в удовлетворении быстро растущих потребностей мирового энергетического рынка. Согласно прогнозам Департамента энергетики США, после 2020 г. уголь вообще станет наиболее быстро растущим топливом для электростанций, заметно обгоняя газ.

Столь исключительная позиция угля в энергетике накладывает на угольные технологии исключительно высокие требования с точки зрения экологии. Особую важность приобретает проблема существенного сокращения, по отношению к существующему уровню, объемов эмиссии метана (CH₄) и углекислого газа (CO₂), возникающих в результате добычи и использования угля. Теплоэнергетика без СО₂ (а более точно ― вообще без вредных выбросов) таким образом является главной мировой тенденцией в этом направлении технологического развития.

Выделяют две стратегии технологического развития теплоэнергетики с учетом экологических требований по ограничению выбросов СО₂.

Первая стратегия рассчитана на ближайшее будущее и касается повышения эффективности ТЭС и соответствующего снижения выбросов. Вторая стратегия более радикальна, рассчитана на более дальнюю перспективу и связана с секвестированием СО₂, т.е. его извлечением и захоронением.

Пылеугольные энергоблоки с суперсверхкритическими параметрами пара ССКП

Как считает сейчас большинство экспертов, рост угольной энергетики в ближайшие пятнадцать-двадцать лет будет покрываться в основном за счет ввода энергоблоков с котлами с традиционным факельным сжиганием угля.

На пылеугольные станции приходится примерно 97 % мировых мощностей всех угольных электростанций. При этом лучшие на сегодняшний день угольные станции на сверхкритических параметрах СКП ― 565 °С, 25 МПа ― имеют КПД 4547 %. В отрасли прилагаются большие усилия по увеличению КПД до 5055 % (т.е. на 20 % выше средней эффективности, равной сейчас 35 %), так как это нужно для сохранения конкурентоспособности и обеспечения более высоких экологических стандартов.

Росту экономичности и снижению металлоемкости энергетического оборудования способствует увеличение единичной мощности блока и повышение рабочей температуры и давления пара. Тенденции развития турбостроения во всем мире указывают на неизбежность перехода к суперсверхритическим параметрам ССКП.

В рамках энергопрограммы «Thermie» страны Евросоюза намерены создать к 2015 году угольный энергоблок мощностью 400–1000 МВт на параметры пара 37,5 МПа и 700–720 °C с КПД около 55 %. К 2030 году предполагается достижение КПД нетто 55 % при температурах пара до 800 °C.

Предполагается, что капитальные затраты на станции с ССКП параметрами пара могут быть на 12–15 % выше, чем при докритических параметрах, но при этом такая станция может оставаться конкурентоспособной, за счет снижения уровня издержек на ней на 13–16 % благодаря экономии топлива и уменьшению объемов отработанных газов. Учитывая, что ССКП еще находятся на относительно ранней стадии разработки, неопределенность стоимости производства, затрат на строительство и новые материалы говорит о возможности изменения приведенных выше цифр.

Проблемы на пути совершенствования паросиловых циклов со сверхкритическими и суперсверхкритическими параметрами пара связаны с ограничениями в смежной отрасли ― металлургии. Для перехода к суперсверхкритическим параметрам пара нужны новые виды специальных жаропрочных сталей. На сегодняшний день производства таких материалов с приемлемым уровнем затрат не существует. Имеющиеся легированные стали могут использоваться при температуре до 600 °С. Другие материалы, такие как ферритовая (ferritic, до 650 °С) и аустенитная (austenitic, до 700 °С) сталь, на которых были сконцентрированы исследования в 90-ых годах, не дали удовлетворительного результата. Никелевые сплавы, первоначально предназначавшиеся для газовых турбин, могут выдерживать температуры до 750 °С, но стоимость их производства значительно превышает стоимость ферритовой и аустенитной стали.

Совершенствование технологии сжигания угля в кипящем слое

Традиционное камерное сжигание угольной пыли на ТЭС не всегда подходит для угля с высоким содержанием золы и серы. Более эффективно в этом случае сжигание в кипящем слое при атмосферном давлении.

Сжигание в кипящем слое — развитие слоевого способа сжигания твердого топлива. В слоевой топке топливо сгорает на решетке, из-под которой подается воздух. По технологии сжигания в кипящем слое топливо также набрасывается топливоподатчиками на решетку. Но при этом скорость воздуха, подаваемого из-под решетки, подбирается таким образом, чтобы динамические силы поддерживали уголь, размельченный до определенного размера частиц (но не до пылевидного состояния) во взвешенном состоянии. При этом обеспечивается более активный контакт угольных частиц с воздухом, что дает преимущество с точки зрения скорости выгорания. Тепло используется для выработки пара в паросиловом цикле, таком же, как в пылеугольных котлах.

Температура кипящего слоя ― 760–870 °C ― за счет более равномерного тепловыделения по объему камеры значительно ниже, чем в топках пылеугольных котлов (более 1200 °C в центре горящего факела обычной ТЭС).

Существуют два основных варианта данной технологии: сжигание в пузырьковом кипящем слое и в циркулирующем кипящем слое ЦКС, причем последний вариант используется в энергетике более широко.

В первом варианте используется плотный слой и низкая скорость ожижения, благодаря чему уменьшается эрозия поверхности теплообменников, находящихся в кипящем слое.

В варианте ЦКС скорость ожижения больше, в результате чего происходит унос смеси из камеры сгорания. Твердые фракции отделяют от дымовых газов, улавливая с помощью различных систем, например, циклонов, и возвращают в кипящий слой. Поскольку это происходит многократно (до 150 раз), отсюда и название ― циркулирующий кипящий слой.

Перспективный вариант ЦКС, особенно эффективный в целях улавливания CO₂, связан с заменой воздуха кислородом. В этом варианте твердые фракции охлаждаются перед возвращением в кипящий слой, в результате улучшается регулирование температуры в камере сгорания, может быть значительно уменьшена рециркуляции топочных газов, что, в свою очередь, приводит к снижению капитальных и эксплуатационных затрат.

КПД крупных установок ЦКС находится примерно на том же уровне, что и у пылеугольных станций, при сопоставимой мощности и одинаковом топливе.

Преимуществами технологии ЦКС перед обычной ТЭС считаются:

1) Высокая экологическая чистота ―  основное преимущество ― связанная с возможностью непосредственной очистки продуктов сгорания в самой камере. В первую очередь это касается двуокиси серы (SO₂), которая образуется в результате окисления содержащейся в угле серы. Большая ее часть связывается подаваемым в кипящий слой сорбентом (известняком или доломитом). Известняк в топке сначала превращается в известь, которая затем, вступая в реакцию с оксидами серы, образует сульфат кальция ― гипс. Степень связывания серы очень велика (достигает величины более 90 %), и остаточное содержание оксидов серы в дымовых газах не превышает 200–400 миллиграммов на кубометр, что ниже нормативного значения. Это позволяет снизить плату за загрязнение атмосферы. Кроме того, не требуется установка оборудования сероочистки.

Кроме того, поскольку в циркулирующем кипящем слое происходит низкотемпературный процесс сжигания, то образуется мало термических оксидов азота NO_x.

2)  Возможность, благодаря многократной циркуляции, использования любых углей: тощих, с нестабильными параметрами, в любой пересортице. Кроме того снижаются требования к степени подготовки топлива. Если пылеугольные котлы требуют очень тонкого измельчения, то здесь можно ограничиться топливом более крупного помола с размером частиц, например, 3 мм вместо 5–6 мк. Это приводит к отказу в системах пылеприготовления от использования углеразмольных мельниц и применению более простых угледробильных установок.

3)  Надежная работа в диапазоне нагрузок от 20 до 100 %.

Основным недостатком ЦКС является сложность сооружения котлов большой тепловой мощности ― топливо сжигается не в объеме, а в слое, поэтому большая мощность требует больших площадей. Существующие мощные станции ЦКС занимают значительную площадь.

Широкое внедрение технологии КС в ближайшем будущем представляется реально осуществимым, поскольку применяемые для ее реализации методы, включая производство кислорода и удаление CO₂ из дымовых газов, уже сейчас коммерчески доступны.

Эффективность ЦКС (до 44 %) может быть увеличена благодаря переходу к сверхкритическим циклам или использованию псевдожидких слоев под давлением. При этом уходящие из камеры сгорания газы направляются в турбину при умеренной температуре (примерно 850 °C), а дополнительная энергия получается за счет расширения газов. В цикле производится также регенерация тепла уходящих газов.