35. Нетрадиционные технологии энергетического использования каменного угля

Нетрадиционные технологии использования невозобновляемых и возобновляемых источников энергии

К нетрадиционным технологиям в первую очередь следует отнести водородную энергетику. Она интересна прежде всего тем, что применяется водород, который имеет теплотворную способность в 2,5 раза выше, чем природный газ, и запасы его неограничены, он экологичен, единственный продукт сгорания - это вода. И еще очень важно, что его можно применять в топливных элементах, где осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую.

К водородной энергетике как таковой следует отнести:

• крупномасштабное производство водорода из ископаемых и возобновляемых источников энергии;

• производство топливных элементов и энергоустановок на их основе;

• хранение и транспортировку водорода;

• использование водорода для получения энергии в промышленности, на транспорте, в быту;

• водородную безопасность.

В основном водород получают путем конверсии природного газа. В Институте теплофизики СО РАН разработан новый струйный плазмохимический метод конверсии. По заказу «Лукойла» сейчас осуществляется проект по конверсии природного газа в водород, и изготавливается установка мощностью 250 кубометров в час.

В связи с увеличением роли угля в энергетике и экономике встает вопрос о существовании повышения эффективности использования угля. Особое внимание планируется уделять глубокой переработке угля, когда генерируется не только энергия, но еще и производятся ценные химические продукты. Одним из главных направлений переработки является газификация угля, в числе целей которой - получение синтез-газа или водорода для водородной энергетики. В СССР в 1958 г. действовали 2500 газогенераторов общей производительностью 15 млн т угля в год. В последующие годы из-за преобладающей роли природного газа все эти установки перестали функционировать. И только в последнее время опять наблюдается рост интереса к газификации с приоритетом установок внутрицикловой газификации назначение которых - производство электроэнергии. При этом реализуется обычно бинарный цикл - горючий газ сжигается в газовой турбине, а продукты сгорания подаются в паровой котел. Что касается газогенератора как такового, то имеется достаточное количество отработанных схем, из которых наиболее известными являются газификаторы Винклера (с кипящим слоем), Лурги (с повышенным давлением в слое), Копперса-Тотцека (с пылеугольным потоком) и Тексако (на водоугольной суспензии). Заметим, что 15 лет назад была провозглашена Федеральная программа «Экологически чистая энергетика», ряд проектов которой был связан в газификацией угля. Только лишь один проект Березовской ГРЭС-2 предполагал сооружение 8 парогазовых установок общей мощностью 8 ГВт! А это почти столько, сколько сегодня получают в мире всего электроэнергии за счет внутрицикловой газификации. К сожалению, по известным причинам упомянутая программа даже не была начата.

В Сибири имеется ряд перспективных разработок по газификации угля. В частности, развиваются технологии слоевой и плазменно-паровой газификации. В последнем случае (рис. 4) получается очень чистый синтез-газ с высоким содержанием водорода - до 50%.

Говоря о водородной энергетике, отметим, что кроме методов производства водорода и его использования в топливных элементах необходимо по-прежнему уделять внимание и способам прямого сжигания водорода в энергетических установках и двигателях. Так, новый подход к использованию водорода в энергетике заключается в дожигании водорода вместе с паром. В результате достигаются более высокие параметры пара и, соответственно, более высокий КПД турбины - до 55%. Чрезвычайно перспективное направление - применение как паровых, так и газовых турбин в малой энергетике. В России имеется огромное количество котельных, которые предназначены для теплоснабжения, но в то же время вырабатывают пар с высокими параметрами (давление до 39 атмосфер). Такой пар можно использовать для выработки электроэнергии в паровых противодавленческих турбинах. Оцениваемый потенциал составляет 25 тыс. МВт (12% от установленной мощности в РАО «ЕЭС России»). Причем расход топлива на генерацию электричества оказывается в 2 раза ниже, чем в РАО «ЕЭС». Сейчас на котельной ННЦ СО РАН реализуется проект с установкой противодавленческой турбины мощностью 6 МВт.

Оригинальная нетрадиционная технология использования угля, предложенная в ИТ СО РАН, состоит в том, чтобы сжигать его в виде пыли ультратонкого помола (микроуголь). В текущем отопительном сезоне планируется перевести газомазутный котел мощностью 4 МВт на сжигание микроугля (на Бийском котельном заводе). Еще более оригинальным является предложение сжигать уголь с помолом до 5 мкм в газотурбинных установках.

В Институте катализа СО РАН успешно развивается другое направление - каталитическое сжигание разнообразных топлив. Особенности такого подхода весьма привлекательны: низкие температуры горения, малые габариты установок, пониженные выбросы вредных веществ.

36 Ресурсы, технологии заготовки и сжигания торфа.

Среди других многочисленных полезных ископаемых, которыми богата наша планета, заметную роль играют торфяные месторождения, распространенные почти на всей земной поверхности и в разных типологических сочетаниях встречающиеся в пределах всех климатических зон. торфяные месторождения встречаются почти во всех странах мира. Не отмечены они в районах стран с засушливым климатом или в арктических областях, хотя и есть данные о погребенных торфяных залежах на Шпицбергене, в Гренландии и на некоторых приантарктических островах.

Наибольшее число торфяных месторождений на земном шаре находится в Северном полушарии, в зоне умеренного климата. Остальная часть земного шара менее благоприятна для торфообразования.

Наиболее интенсивное торфонакопление характерно для Северной Европы, Западной Сибири (России) и Северной Америки

(США, Канада), а также для некоторых тропических стран, главным образом бассейна р. Конго (Заир, Руанда и др.).

По данным Международного торфяного общества (IPS, 1995) торфяные ресурсы в мире составляют более 400 млн. гектаров, но из них только чуть более 305 млн. гектаров находится в разработке в странах, добывающих торф. Торф на топливо и для сельского хозяйства добывают уже длительное время в 23 странах мира.

Наибольшие запасы торфа сосредоточены в двух странах: Россия - 150 млн. га; и Канаде - 170 млн. га. Наиболее крупными производителями торфяной продукции в мире сегодня являются Финляндия, Канада, Германия, Ирландия, Прибалтийские страны и Россия.

Технологии заготовки торфа.

Процесс фрезерования.

Первым этапом в получении торфа является фрезерование. Тонкий верхний слой срезается, гранулируется, измельчается и оставляется на поле до высыхания. 

Боронование

Боронование позволяет высушивать нижние слои. Борона разрезает верхний сухой слой и ускоряет процесс высыхания на 20-30% даже в плохую погоду.

Известно, что торф подразделяется на верховой, низинный и промежуточный. Наиболее пригоден верховой торф, так как он обладает приемлемыми показателями зольности (обычно 5-8%). Низинный торф может иметь зольность до 40%. Но даже верховой торф из разных месторождений обладает различными свойствами. Обязательно провести эксперименты, чтобы определить фактическую зольность и теплотворную способность топлива, полученного из торфа добытого в том или ином месте.

Торф обычно имеет начальную влажность до 90%. На этапе заготовки он по технологии должен некоторое время находится в гуртах, где ворошится и в итоге достигается естественным образом влажность 40-45%.

Сушат торф обычно в специально для этого предназначенныхсушильных барабанах. После чего из него можно изготавливать брикеты или топливные гранулы. Отметим, что речь мы ведем не о традиционной технологии прессования торфа, используемой с советских времен, в результате которой получаются брикеты высокой влажности, малоэффективные при сжигании и транспортировке. Речь идет о брикетах (или гранулах), получаемых на современном оборудовании, влажностью 6-8% и теплоотдачей 17,5-19 МДж/кг (в завис. от торфа).

Такое топливо может эффективно использоваться в частных и муниципальных котельных вместо каменного угля, а также торфяные гранулы и брикеты являются ценным сырьем при производстве некоторых сортов активированного угля.

Технологии сжигания торфа

Сжигание пылевидного топлива

Технология сжигания пылевидного топлива обычно используется в больших котельных. Котлы используют систему прямого горения. Подача на плоскую решетку происходит через дно посредством шнека. Одна часть горячего воздуха продувается через диффузор горящего топлива; другая часть воздуха продувается через тангенциальные сопла, вызывая вращение воздуха в печи.

Сжигание на колосниковой решетке.

Колосниковые решетки подразделяются на стационарные и механические. Стационарные решетки, например, плоские решетки, наклонные решетки и ступенчатые решетки, используются только в небольших котлах. Стационарная наклонная решетка состоит из наклонно расположенных железных элементов, которые обычно охлаждаются. Во многих случаях последняя секция наклонной решетки подвижна для облегчения удаления золы. Ввиду водяного охлаждения решетки, можно дополнительно использовать предварительно нагретый воздух. Существует два различных типа подвижных решеток, которые используются для сжигания фрезерного торфа: цепные решетки и подвижные наклонные решетки. 

Сжигание в псевдоожиженном слое

В этой системе инертный материал (главным образом песок) составляет рабочий слой на решетке в топочном пространстве. Горячий воздух продувается через сопла в решетке. Этот воздух вызывает барботирующее движение в рабочем слое. Торф подается на барботирующий слой или в него с помощью пневматических или механических устройств.  

Применение технологии сжигания в псевдоожиженном слое позволяет использовать топливо с различным уровнем влажности, с различной теплотой сгорания и объемной массой, а также избежать трудностей в процессе горения, вызванных изменениями данных параметров.  Использование плотного слоя песка с высокой теплоемкостью оказалось хорошим решением проблемы плавности горения. Температура горения обычно такая низкая, что зола не начинает плавиться. Зола удаляется через топочные газы или непосредственно из рабочего слоя.

Сжигание в циркулирующем слое

В котлоагрегатах с циркулирующим слоем инертный материал на решетке мельче по сравнению с применяемым в котлах с псевдоожиженным слоем. В результате продувания воздуха через плиту решетки, этот пылевидный инертный материал начинает подниматься. При усилении подачи воздуха  наиболее мелкие частицы начинают отрываться от рабочего слоя. Наконец, гомогенность рабочего слоя нарушается. Пыль становится гуще у дна топочного пространства и в этой части процесс горения и теплопроводность наиболее эффективны. Мельчайшие частицы выносятся из топочного пространства вместе с топочными газами. Для возвращения этой части рабочего слоя обратно в топочное пространство используется циклонный сепаратор. Со дна циклона пыль перетекает, частично благодаря силе тяжести, частично благодаря воздушному потоку, обратно в топочную камеру.

При сжигании торфа пылевидное топливо состоит из мелкой торфяной пыли. В зависимости от содержания торфяной золы, ее необходимо удалять или добавлять в камеру сгорания. Гранулометрия частиц, используемых в этом типе рабочего слоя обычно меньше 0,3 мм. Температура горения обычно такая же, как и при сжигании в псевдоожиженном слое.