Майбутнє теплових електростанцій на вугільному паливі

Є такі конструктивні рішення, на основі яких можна модернізувати існуючі та будувати нові теплові електростанції, забезпечуючи при цьому зниження вартості виробництва електроенергії і зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище

РИЧАРД Е. БОЛЗХАЙЗЕР, КУРТ Е. Ігер
"У світі науки" (Scientific American) №11 1987

Для того щоб оцінити значення досягнень в технології спалювання вугілля, розглянемо коротко роботу звичайної теплової електростанції на вугільному паливі. Вугілля спалюється в топці парового котла, що представляє собою величезну камеру з трубами всередині, в яких вода перетворюється в пар. Перед подачею в топку вугілля подрібнюється в пил, за рахунок чого досягається майже така ж повнота згоряння, як і при спалюванні горючих газів. Великий паровий котел споживає щогодини в середньому 500 т пилоподібного вугілля і генерує 2,9 млн. Кг пара, що досить для виробництва 1 млн. Квт-ч електричної енергії. За той же час котел викидає в атмосферу близько 100000 м3 газів.
Генерований пар проходить через пароперегрівача, де його темпе¬ратура і тиск збільшуються, і потім надходить в турбіну високого тиску. Механічна енергія обертання турбіни перетвориться електрогенератором в електричну енергію. Для того щоб отримати більш високий ККД перетворення енергії, пар з турбіни зазвичай повертається в котел для вторинного перегріву і потім призводить в рух одну або дві турбіни низького тиску і тільки після цього вони вбирають шляхом охолодження; конденсат повертається в цикл котла.
Устаткування теплової електростанції включає механізми подачі палива, котли, турбіни, генератори, а також складні системи охолодження, очищення димових газів і видалення золи. Всі ці основні і допоміжні системи розраховуються так, щоб працювати з високою надійністю протягом 40 або більше років при навантаженнях, які можуть змінюватися від 20% встановленої потужності станції до максимальної. Капітальні витрати на обладнання типовою теплової електростанції потужністю 1000 МВт, як правило, перевищують 1 млрд. Дол.

Ефективність, з якою тепло, звільнене при спалюванні вугілля, може бути перетворено в електрику, до 1900 року становила лише 5%, але у 1967 р досягла 40%. Іншими словами, за період близько 70 років питоме споживання вугілля на одиницю виробленої електричної енергії скоротилося у вісім разів. Відповідно відбувалося і зниження вартості 1 кВт встановленої потужності теплових електростанцій: якщо в 1920 році вона становила 350 дол. (В цінах 1967 г.), то в 1967 р знизилася до 130 дол. Ціна електроенергії, що відпускається також впала за той же період з 25 центів до 2 центів за 1 кВт-чаї.
Однак починаючи з 60-х років темпи прогресу стали падати. Ця тенденція, очевидно, пояснюється тим, що традиційні теплові електростанції досягли межі своєї досконалості, що визначається законами термодинаміки і властивостями матеріалів, з яких виготовляються котли та турбіни. З початку 70-х років ці технічні фактори посилилися новими економічними та організаційними причинами. Зокрема, різко зросли капітальні витрати, темпи зростання попиту на електроенергію сповільнилися, посилилися вимоги до захисту навколишнього середовища від шкідливих викидів і подовжилися терміни реалізації проектів будівництва електростанцій. В результаті вартість виробництва електроенергії з вугілля, що мала багаторічну тенденцію щодо зниження, різко зросла. Дійсно, 1 кВт електроенергії, виробленої новими тепловими електростанціями, варто тепер більше, ніж в 1920 р (в порівнянних цінах).

Демонстраційна СТАНЦІЯ "Cool Water" фірми Southern California Edison щодня переробляє 1000 т кам'яного вугілля, отримуючи згоряє без відходів газ.
Відпрацьовані гази приводять в обертання газову турбіну електрогенератора. Відпрацьоване тепло вихлопних газів використовується для виробництва водяної пари, що обертає парову турбіну іншого електрогенератора.
На фотографії видно два вугільних бункера (в центрі). Праворуч від них газифікаційна установка, система охолодження газів і електрогенеруючих обладнання.

В останні 20 років на вартість теплових електростанцій на вугільному паливі найбільший вплив надавали посилилися вимоги до видалення газоподібних,
рідких і твердих відходів. На системи газоочистки і золовидалення сучасних теплових електростанцій тепер припадає 40% капітальних витрат і 35% експлуатаційних витрат. З технічної та економічної точок зору найбільш значним елементом системи контролю викидів є установка для де-сульфурізаціі димових газів, часто звана системою мокрого (скрубберного) пиловловлювання. Мокрий пиловловлювач (скрубер) затримує оксиди сірки, що є основним які забруднюють речовиною, що утворюється при згорянні вугілля.
Ідея мокрого пиловловлювання проста, але на практиці виявляється важко здійсненною і дорогої. Лужний речовина, зазвичай вапно або вапняк, змішується з водою, і розчин розпорошується в потоці димових газів. Вміщені в димових газах оксиди сірки абсорбуються частками лугу і випадають з розчину у вигляді інертного сульфіту або сульфату кальцію (гіпсу). Гіпс може бути легко видалений або, якщо він досить чистий, може знайти збут як будівельний матеріал. У більш складних і дорогих скрубберних системах гіпсовий осад може перетворюватися в сірчану кислоту або елементарну сірку - цінніші хімічні продукти. З 1978 р установка скрубберов є обов'язковою на всіх споруджуваних теплових електростанціях на пиловугільного палива. В результаті цього в енерге¬тіческой промисловості США зараз більше скрубберних установок, ніж в усьому іншому світі.

СПАЛЮВАННЯ ВУГІЛЛЯ В псевдозріджених ШАРІ зменшує потребу в допоміжних установках з очищення викидів електростанції.
Псевдоожіженниі шар суміші вугілля і вапняку створюється в топці котла повітряним потоком, в якому тверді частинки перемішуються і знаходяться в підвішеному стані, т. Е. Поводяться так само, як в киплячій рідини.
Турбулентне перемішування забезпечує повноту згоряння вугілля; при цьому частки вапняку реагують з оксидами сірки та вловлюють близько 90% цих оксидів. Оскільки нагрівальні грубі котла безпосередньо стосуються киплячого шару палива, генерація пара відбувається з більшою ефективністю, ніж в звичайних парових котлах, що працюють на подрібненому вугіллі.
Крім того, температура палаючого вугілля в киплячому шарі нижче, що запобігає плавлення котельного шлаку і зменшує утворення оксидів азоту.

ГАЗИФІКАЦІЯ ВУГІЛЛЯ може бути здійснена нагріванням суміші вугілля і води в атмосфері кисню. Продуктом процесу є газ, що складається в основному з окису вуглецю і водню. Після того як газ буде охолоджений, очищений від твердих частинок і звільнений від сірки, його можна використовувати як паливо для газових турбін, а потім для виробництва водяної пари для парової турбіни (комбінований цикл).
Станція з комбінованим циклом викидає в атмосферу менше забруднюючих речовин, ніж звичайна теплова станція на вугіллі.