ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УГОЛЬНЫХ МИНИ-ТЭС И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.311

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УГОЛЬНЫХ МИНИ-ТЭС И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

О.В. Афанасьева, Г.Р. Мингалеева

Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, ул. Лобачевского 2/31, г. Казань, Россия, 420111 Тел.: (843)238-86-38; факс: (843)236-31-02; e-mail: eccolga@mail.ru

В данной работе приводятся результаты расчетов по определению термодинамической эффективности и экологических показателей 3-х схем мини-ТЭС, использующих в качестве топлива уголь. Определение показателей эффективности проводится посредством термодинамического анализа, где в качестве критерия эффективности используется эксергетиче-ский коэффициент полезного действия. Экологические показатели выражаются концентрацией оксидов азота, серы, углерода и золы, образующейся при газификации угля.

ECOLOGICAL INDICATORS OF COAL MINI THERMOELECTRIC POWER STATIONS AND THEIR EFFICIENCY ESTIMATION

O.V. Afanasjeva, G.R. Mingaleeva

Research Center for Power Engineering Problems of Russian Academy of Sciences

In the given work results of calculations by definition of thermodynamic performance and ecological indicators of 3 schemes of mini-thermoelectric power stations, using coal as a fuel are performed. Definition of indicators of performance is held by means of the thermodynamic analysis where an exergic coefficient of efficiency is used as criterion of performance. Ecological indicators are expressed by concentration of oxides of nitrogen, sulfur, carbon and the ashes formed at gasification of coal.

Афанасьева Ольга Валерьевна

Сведения об авторе: аспирант Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.

Образование: инженер, факультет пищевой инженерии Казанского Государственного технологического университета им. Кирова (2006 г.).

Область научных интересов: малая энергетика, теплоэнергетические системы, термодинамический анализ, газификация, энергосбережение, экология.

Публикации: 14 публикаций.

Мингалеева Гузель Рашидовна

Сведения об авторе: канд. техн. наук, зав. лабораторией Моделирования систем производства энергии Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.

Образование: инженер-физик, факультет двигателей летательных аппаратов Казанского Государственного технического университета им. Туполева (1992 г.).

Область научных интересов: энергетика, системы подготовки твердого топлива, химическая термодинамика.

Публикации: 62 публикации, включая 1 монографию, 1 патент, статьи в центральных рецензируемых журналах и сборниках докладов научных российских и международных конференций.

Введение

Производство тепловой и электрической энергии на основе использования твердого топлива приводит к увеличению объемов вредных выбросов, поступающих в атмосферу. Главную опасность представляют выбросы таких веществ, как диоксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, твердые частицы, которые и определяют общий уровень загрязнения большей части промышленно развитых территорий.

В настоящее время все большую популярность получают малые теплоэлектростанции - мини-ТЭС, которые интегрируются в действующую технологическую схему предприятия либо переоборудуются из ранее эксплуатируемых промышленных котельных. Однако для ТЭС малой мощности ввиду своей близости к потребителям нормативы по выбросам должны быть более жесткими, так как выбросы электростанции накладываются на выбросы промышленного предприятия.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 л~1

© Научно-технический центр «TATA», 2008 ^ '

Внедрение в структуру угольной мини-ТЭС экологически чистых технологий переработки топлива (пиролиз, газификация), а также нетрадиционных технологий его сжигания (в кипящем слое, в виде водо-угольных суспензий) позволит существенно снизить поступление продуктов сгорания топлива в атмосферу и достигнуть их соответствия нормативам, установленным не только в нашей стране, но и в Европе.

В рамках представленной работы предлагается определить наиболее оптимальные параметры функционирования угольных мини-ТЭС с точки зрения совершенства протекающих процессов с использованием методов термодинамического анализа, а также экологических показателей.

Теоретическая часть

В настоящее время в литературе встречается незначительное количество разработок, касающихся угольных мини-ТЭС. Это можно объяснить в первую очередь экологическими проблемами, которые возникают при сжигании угля.

Теплоэнергетику без угля представить довольно трудно, поэтому первоочередной задачей при использовании твердого топлива является повышение эффективности его сжигания с одновременным уменьшением негативного экологического эффекта на окружающую среду.

Работа мини-ТЭС основана на принципе когене-рации - возможности комбинированной выработки тепловой и электрической энергии из одного первичного источника энергии. Для потребителей это особенно важно, так как большая часть тепла, которая при работе традиционных электростанций сбрасывалась в атмосферу, в данном случае может быть эффективно использована для удовлетворения нужд теплоснабжения предприятия. Еще одним положительным моментом строительства угольных мини-ТЭС является возможность получения побочных продуктов (кокса, смолы, жидких топлив), реализация которых существенно повышает эффективность использования угля в качестве топлива.

Одним из негативных побочных продуктов, который образуется при сжигании угля и также может быть использован в дальнейшем, является углекислый газ. В условиях глобального потепления проблемы, связанные с утилизацией С02, особенно актуальны. Во многих странах ведется активный поиск способов дальнейшего использования углекислого газа, поступающего от угольных станций, и наметились определенные решения в данном направлении, в частности, захоронение С02 в нефтяные, газовые и угольные месторождения, а также использование его для получения метанола в химической промышленности. Зола и шлак, которые в значительном количестве образуются при сжигании угля, также могут быть эффективно применены в дорожном строительстве, производстве стройматериалов и в других отраслях промышленности, о чем свидетельствует положительный опыт многих стран.

Классическая схема использования угля в теплоэнергетике, включающая такие этапы, как разгрузку, сушку, дробление и сжигание в котлах, не нашла применения в условиях мини-ТЭС. В представленных в литературе схемах малых электростанций выработка тепловой и электрической энергии осуществляется главным образом на базе газотурбинных установок (ГТУ) и дизель-генераторов, работающих на генераторном газе, получаемом из угля [1-3]. С учетом рассмотренных схем структуру угольной мини-ТЭС можно представить в виде нескольких блоков: блок подготовки топлива - сушка, измельчение, газификация; блок основного оборудования - выработка тепловой и электрической энергии; блок получения побочных продуктов.

Как уже упоминалось, в данной работе оценка эффективности работы угольных мини-ТЭС будет осуществляться по результатам расчетов термодинамической эффективности и экологических показателей.

Термодинамическая эффективность мини-ТЭС, работающих на угле

Термодинамический анализ является одним из известных методов, применяемых для определения эффективности процессов, происходящих в технологических системах. Он позволяет получить разностороннюю и подробную информацию об энергетических превращениях как в самой рассматриваемой системе и ее частях, так и о взаимодействиях системы с равновесной средой и проходящими в этой среде процессами [4].

При проведении термодинамического анализа предлагается использовать эксергетический метод, при котором определяется эксергия материальных, тепловых и эксергетических потоков, характеризующих взаимодействие исследуемой системы с окружающей средой. Эксергетическая эффективность как отдельных аппаратов, так и схем в целом оценивается посредством термодинамического коэффициента полезного действия (КПД).

Как отмечается авторами работ [5, 6], доля топлива, являющегося одним из основных энергоносителей, в приходной части энергобаланса велика. Поэтому от выбора базовой энергетической характеристики топлива зависят многие параметры расчета технологических схем. Однако в настоящее время эффективность энергетических процессов оценивается при помощи КПД, в котором учитывается низшая теплота сгорания, что приводит к его завышенным значениям. При использовании эксергетическо-го метода для расчета применяется понятие эксергии, определяемой как максимальная работа, которую может совершить система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Стоит отметить, что эксергия учитывает химический состав топлива и связи между его составляющими [7]. Поэтому расчет КПД с использованием эксергии позволяет учесть всю потенциальную энергию, сконцентрированную в топливе, и получить более корректные значения КПД.

Экологические показатели угольной мини-ТЭС

Как упоминалось выше, оценка экологических показателей является неотъемлемым этапом при анализе энергетических объектов, в том числе работающих на твердом топливе. Помимо углерода и водорода, уголь содержит в своем составе азот и серу, которые при взаимодействии с кислородом образуют вредные оксиды.

Так, появление оксидов азота в продуктах сгорания связано с окислением как азота, содержащегося в топливе, так и азота из атмосферного воздуха. Значительного снижения оксидов азота, согласно многим работам [8, 9], можно достигнуть предварительной газификацией топлива на паровоздушном дутье.

Сера, содержащаяся в угле, практически не может окисляться в восстановительной среде процессов газификации. Связываясь с водородом и кальций-магнийсодержащими соединениями золы топлива или сорбента, вводимого с углем в процессе газификации в кипящем слое, она выводится с золой в виде сульфатов кальция и магния.

Поэтому необходимым этапом как при проектировании, так и в процессе эксплуатации действующих энергетических объектов является оценка выбросов, поступающих в окружающую среду, и соответствие их нормативам.

В настоящее время не разработано методик для расчета выбросов от объектов малой мощности в окружающую среду. Поэтому расчет проведен по следующим методикам: «Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час» и «Методические указания по расчету валового выброса

двуокиси углерода в атмосферу из котлов тепловых электростанций и котельных». Существуют отдельные методики для определения вредных выбросов от ГТУ и дизель-генераторов, но в них не учитывается, что в качестве топлива используется низкокалорийный генераторный газ, полученный из угля.

Практическая часть

Для удобства проведения расчетов исследуемые схемы угольных мини-ТЭС разделены на блоки в соответствии с назначением протекающих в них процессов.

Мини-ТЭС с пиролизом угля и газификацией полукокса представлена на рис. 1 [1]. Блок подготовки топлива I включает в себя дробление, сушку угля, пиролиз и газификацию полученного полукокса. Электрическая и тепловая энергия вырабатывается во II блоке, который состоит из газовой турбины, котла-утилизатора и паровой турбины. Получение активированного угля как побочного продукта происходит в III блоке.

Схема угольной мини-ТЭС с аккумулированием тепловой энергии представлена на рис. 2 [2]. Она состоит из следующих блоков: I блок подготовки топлива, в котором происходит получение генераторного газа; основное оборудование II блока производства представлено газовой турбиной, паровым котлом и паровой турбиной; в III блоке происходит аккумулирование тепловой энергии.

Принципиальная схема угольной мини-ТЭС с дизель-генератором, работающим на полученном в газификаторе генераторном газе, представлена на рис. 3 [3].

I

воздух охлаждающая вода

_ииролизный газ

III

уголь -

ВОДЯНОЙ -

пар

воздух

тяжелая фракция смолы!

блок подготовки топлива

зола сушильный сетевая агент вода

легкая

фракция

смолы

электроэнергия

газ активации

блок производства тепловой и электрической энергии_

воздух -

ВОДЯМОЙ-

пар

генераторный газ парогазовая смесь

блок получения активированного угля

полукокс

Рис. 1. Мини-ТЭС с пиролизом угля Fig. 1. Mini-thermoelectric power station with pyrolysis of coal

активированным уголь

Рис. 2. Мини-ТЭС с аккумулированием тепловой энергии Fig. 2. Mini-thermoelectric power station with accumulation of thermal energy

,¿AiULS

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

49

В I блоке по аналогии с предыдущей схемой происходит подготовка угля и получение генераторного газа, который в последующем поступает в блок II, состоящий из дизель-генератора и водогрейного котла.

Электрическая мощность рассматриваемых мини-ТЭС составляет 8 МВт, 1,2 МВт и 0,24 МВт соответ-

ственно.

Ранее в работе [10] была определена эксергетиче-ская эффективность рассматриваемых мини-ТЭС. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Эксергетическая эффективность угольных мини-ТЭС, %

Table 1

Exergic efficiency of coal mini-thermoelectric power stations, %

Нумерация блоков Мини-ТЭС с пиролизом Мини-ТЭС с аккумулированием тепловой энергии Мини-ТЭС с дизель-генератором

I 82 80 79

II 49 37 24

III 52 93 -

Вся схема 35,0 7,4 23,3

Существующие методики оценки вредных веществ, образующихся при сжигании твердого топлива, не предусматривают тот факт, что сжигаться мо-

Рис. 3. Угольная мини-ТЭС с дизель-генератором Fig. 3. Coal mini-thermoelectric power station with diesel engine-generator

жет не сам уголь, а генераторный газ, получаемый из него. Иначе говоря, при определении выбросов не учитывается ступенчатый процесс подготовки топлива для ГТУ, а количество вредных веществ при этом изменяется, и значительно. Ведь образование вредных оксидов в продуктах сгорания определяется не только на основании состава топлива (как, например, диоксид серы), но и зависит от технологических, конструктивных и режимных условий сжигания топлива (оксиды азота, оксид серы) [11]. Однако с учетом действующих на данный момент методик расчет выбросов проводится для угля, и, несмотря на то, что значения эти завышены, это не является недостатком расчета. Полученные максимальные показатели позволяют увидеть наиболее полную картину, так сказать, «крайний» вариант, и уже в дальнейшем могут способствовать разработке мероприятий, позволяющих снизить эти значения до минимальных.

Результаты экологической оценки угольных ми-ни-ТЭС сведены в табл. 2.

Экологические показатели угольных мини-ТЭС Ecological indicators of coal mini-thermoelectric power stations

Таблица 2 Table 2

Показатели Наименование выбросов

NO, SO2 CO CO2 Зола из газогенератора Зола из котла-утилизатора

Мини-ТЭС с пиролизом угля

Концентрация, мг/нм3 при а = 1,4 300,83 198,30 674,23 79379,46 - 24,07

Массовый выброс, г/с 2,24 1,48 5,02 591,13 18,65 0,10

Массовый выброс на единицу производимой энергии, г/МДж 0,28 0,18 0,63 73,89 2,33 0,01

Мини-ТЭС с аккумулированием тепловой энергии

Концентрация, мг/нм3 при а = 1,4 379,96 613,94 1034,06 251627,69 -

Массовый выброс, г/с 4,08 6,75 11,10 2700,12 85,20

Массовый выброс на единицу производимой энергии, г/МДж 3,05 5,07 8,31 2021,05 63,78

Мини-ТЭС с дизель-генератором

Концентрация, мг/нм3 при а = 1,4 414,52 628,61 1052,92 250693,76 -

Массовый выброс, г/с 5,35 8,11 13,58 3246,05 102,43

Массовый выброс на единицу производимой энергии, г/МДж 3,22 4,89 8,18 1955,45 61,71

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

В дальнейшем планируется разработка методики, включающей в себя следующие этапы:

- анализ технологической схемы угольной мини-ТЭС, выявление ее иерархической организации с разбиением на блоки и установлением внешних и внутренних связей в системах;

- тепловой и аэродинамический расчет;

- оценка термодинамической эффективности;

- расчет экологических показателей;

- оценка резервов повышения термодинамической эффективности и улучшения экологических показателей;

- технико-экономический анализ предлагаемых решений;

- создание нормативной документации по проектированию угольных мини-ТЭС.

Заключение

В результате исследования определены эксерге-тические и экологические показатели мини-ТЭС, работающих на угле. Согласно расчетам по определению термодинамической эффективности, существенного повышения КПД в условия мини-ТЭС можно достичь производством побочных продуктов из угля и увеличением доли выработки электрической энергии. Что касается экологических показателей, то полученные значения для оксидов азота и серы соответствуют нормативам по концентрации в продуктах сгорания, в то время как для оксидов углерода превышают в разы. Более низкие значения по выбросам для первой схемы объясняются тем, что расчет проводился для полукокса, полученного в процессе пиролиза из угля и имеющего высокую теплотворную способность, в то время как для двух оставшихся схем в качестве топлива использовался уголь. Конечно же, важную роль играет и мощность мини-ТЭС, и, как видно из результатов, с увеличением мощности концентрация вредных оксидов в продуктах сгорания и массовый выброс на единицу производимой энергии уменьшаются. Однако в данной работе целью ставилось не столько получение зависимости вредных выбросов от мощности, сколько определение последовательности расчета эксергети-ческих и экологических показателей для разработки общей методики расчета и проектирования угольных мини-ТЭС.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант № 08-08-00233) и ФАНИ (госконтракт № 02.516.11.6040).

Список литературы

1. Блохин А.И., Карев А.Н. Угольные мини-ТЭС с внутрицикловым пиролизом топлива // Электрические станции. 2005. № 7. С. 25-33.

2. Боровков В.М., Зысин Л.В. Основные направления развития мини-ТЭЦ на основе современных парогазовых технологий // Известия АН. Энергетика. 2001. № 1. С. 100-105.

3. Данилевич Я.Б., Боченинский В.П. Малая тепловая электростанция с парогазовой установкой // Известия АН. Энергетика. 1996. № 4. С. 68-71.

4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эк-сергетический метод и его приложения. М.: Энерго-атомиздат, 1988.

5. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Расчет химической энергии и эксергии технических топлив // Известия АН. Энергетика. 1994. № 1. С. 106-115.

6. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Оценка энергетического потенциала топлив по их химической энергии и эксергии // Известия вузов. Энергетика. 1994. № 1. С. 95-98.

7. Шаргут Я., Петела Р.М. Эксергия. М.: Энергия, 1968.

8. Прутковский Е.Н., Позгалев Г.И., Гольдштейн

A.Д., Грибов В.Б. Экологическая и тепловая эффективность модернизации ТЭС с установкой оборудования газификации твердого топлива // Труды ЦКТИ. 1997. № 1. С. 155-166.

9. Тумановский А.Г., Котлер В.Р. Перспективы решения экологических проблем тепловых электростанций // Теплоэнергетика. 2007. № 6. С. 5-11.

10. Афанасьева О.В. Сравнительный анализ термодинамической эффективности угольных мини-ТЭС различных типов // Материалы докладов школы-семинара молодых ученых и специалистов им.

B.Е. Алемасова. Казань, Россия, 2008. С. 362-365.

11. Росляков П.В., Изюмов М.А. Экологически чистые технологии использования угля на ТЭС. Учеб. пособие. М.: Издательство МЭИ, 2003.

Ж

•и: -

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (64) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

51