CC BY
83
4. Базаров, И.Г1. Заблуждения и ошибки в термодинамике |TeKCTj : Изд. 2-е, иепр. / И.П. Базаров,- М.: Едиториал УРСС, 2003,- 120 е.- ISBN 5-354-00391-1
5. Эбелинг, В. Физика процессов эволюции |TeKCTj : пер. с нем. / В. Эбелинг, А. Энгель, Р. Файстель,- М.: Эдиториал УРСС, 2001,- 328 е.- ISBN 5-8360-0233-9
6. Бриллюэн, Л. Наука и теория информации |TeKCTj : пер. с англ. / J1. Бриллюэн.— М.: Государственное изд-во физ.-мат. литературы, 1960.
7. Батухтин, А. Г. Использование тепловых насосов для повышения тепловой мощности и эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения |Текст| / А. Г. Батухтин //
Научно-технические ведомости СПБГПУ.— 2010.— №2,- С. 28-33.
8. Басс, М.С. Упрощенная методика расчета нормативов удельных расходов топлива в отопительных котельных применительно к условиям Забайкальского края [Текст] / М.С. Басс, А.Г. Батухтин, С.А. 'Гребу не к их,— Промышленная энергетика.— 2009. М> 9.- С. 37-41.
9. Батухтин, А.Г. Методы повышения эффективности функционирования современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии [Текст] / А.Г. Батухтин, М.С. Басс, С.Г. Батухтин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.— 2009. № 2,- С. 199-202.
УДК 662.76
A.C. Алешина
ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ НА РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЕ
Будущее тепловых электростанций многие специалисты связывают с возможностями переработки твердых топлив в жидкие (методом гидрогенизации) и газообразные (путем газификации). Газификация позволяет не только осуществить экологически чистое двухстадийное сжигание низкокачественных твердых топлив, но и использовать горячие продукты сгорания генераторного газа непосредственно для привода газовых турбин, дизельных двигателей и двигателей внешнего сгорания (двигатели Стерлинга). К примеру отработанные дымовые газы после газовой турбины могут быть утилизированы в паровом или водогрейном котле, а полученный пар использован для привода паровой турбины. Такой комбинированный парогазовый цикл является в настоящее время самым термодинамически эффективным, его коэффициент полезного действия по выработке электроэнергии может достигать 45 %. Как известно, КПД существующих паротурбинных электростанций не превышает 39 %.
К 2000 году в развитых странах проведена разработка национальных программ по использованию одного из самых перспективных направлений в возобновляемой энергетике — газификации биомассы для выработки электроэнергии. Так-
же разрабатываются программы по переходу на технологию «чистый уголь», т. е. газификацию угля с последующим сжиганием горючего газа в газовых турбинах большой мощности. Ведется строительство крупных и малых электростанций с газификацией угля и биомассы. В итоге в энергетическом балансе развивающихся и развитых стран растет доля электроэнергии, полученной по технологии газификации.
В статье рассмотрены работающие в мировой энергетике станции, которые реализуют технологию газификации.
Газогенераторная электростанция «Babcock & Wilcox Volund»
Электростанция «Babcock & Wilcox Volund» — первая электростанция большой мощности в Дании, использующая процесс газификации биомассы для снабжения тепло- и электроэнергией районных потребителей (рис. 1). Станция мощностью 5 МВт по топливу построенная в 1993 году была рассчитана на выработку только тепловой энергии. Основное топливо — древесная щепа. КПД установки составляет около 30 %.
В 2000 году станция переведена на совместную выработку тепловой и электрической энер-
Утилизатор тепловой энергии дымовыл газов дизеля
1)ак-аккуму1Я1ир тепловой энергии
Рис. 1. Электростанция фирмы «Babeoek & Wilcox Volund» с комбинированной выработкой 1,5 МВт электрической и 2 МВт тепловой энергии
гии. Мощность по топливу снижена до 3,5 МВт, при этом выработка тепловой энергии обеспечивается на уровне 2 МВт, а электрической — 1,5 МВт. В процессе эксплуатации отмечено, что установка может работать на пониженных нагрузках без существенного снижения КПД, что является ее преимуществом при работе в летнее время. Основное оборудование станции: слоевой газогенератор мощностью 3,5 МВт, работающий по прямому процессу;
котел, в котором сжигается генераторный газ; два газодизельных двигателя австрийской фирмы «1епЬас11ег» электрической мощностью 648 и 768 кВт;
система очистки генераторного газа, состоящая из охладителя и электрофильтра;
бак-накопитель, в который поступают нерастворимые в воде смолы, отделенные от генераторного газа в системе очистки;
котел для утилизации смол; бак-аккумулятор тепловой энергии. Перед подачей топлива в газогенератор осуществляется сушка древесины с начальной влажности 40—50 % до 23 %. Характеристика получаемого генераторного газа приведена в табл. 1 [3].
В 2007 году подобная станция пущена в эксплуатацию в Японии. Топливом служит щепа вишневого дерева. Расход топлива — 60 т/день.
Электростанция «The Kymijarvi Power Plant»
Пример установки, разработанной на основе газогенераторов с циркулирующим кипящим слоем, — станция The Kymijarvi Power Plant, построенная в 1998 году в г. Лахти (Финляндия) (рис. 2). Особенностью установки является совместное использование двух видов топлив в котле — угля и генераторного газа.
Таблица 1
Усредненная характеристика получаемого генераторного газа
Состав генераторного газ а, % об.
Н2 СО СО2 О2 СН# n2
19,01 22,83 11,91 0,17 5,34 40,73 6,59
Станция вырабатывает 167 МВт электрической и 240 МВт тепловой энергии. Газогенератор атмосферного давления с циркулирующим кипящим слоем был присоединен к существовавшему котлу паропроизводительностыо 125 кг/с. Вырабатывается пар двух уровней давления: 540 °С / 17 МПа и 540 °С /4 МПа.
Преимуществом такого газогенератора и одновременно главной отличительной особенностью является то, что газогенератор перерабатывает топливо без сушки. Влажность загружаемого топлива может достигать 60 %. Мощность газогенераторов находится в диапазоне 40—70 МВт в зависимости от влажности и теплоты сгорания исходного топлива.
В газогенераторе топливо переводится в горючий газ при температуре 850 °С и атмосферном давлении. Состав получаемого низкокалорийного генераторного газа представлен в табл. 2.
Полученный горячий генераторный газ очищается в совмещенном с газогенератором циклоне. Далее, немного охлаждаясь в теплообменнике, он поступает в энергетический котел, где сжигается в двух газовых горелках, расположенных непосредственно под угольными. Нагреваемый в теплообменнике за счет теплоты горячего генераторного газа воздух подается на газификацию. Генераторный газ замещает примерно 15 % угля, потребляемого котлом.
Гирелки для юнератирнш и газа
Рис. 2. Электростанция в г. Лахти (The Kymijarvi Power Plant)
Таблица 2
Характеристика получаемого генераторного газа
Состав генераторного газа, % (об.)
СО Н2 СпНт С02 12 Н20 е;, щ;ж/нм3
4,6 5,9 3,4 12,9 40,2 33 2,0-2,5
При сжигании топлива в газогенераторе большая часть образовавшейся золы направляется вместе с горючим газом в угольный котел. Другие виды потенциального топлива, такие как промышленные и муниципальные отходы, могут содержать большое количество хлоридов, щелочных металлов и других активных компонентов, которые приводят к коррозии и шлакованию котла. Поэтому их использование в газогенераторе очень ограничено.
Электростанция с газогенераторами под давлением и парогазовым циклом
Шведские энергетические компании «Бус!-кгай» и «АЫйгот» ввели в эксплуатацию демонстрационную ТЭЦ, схема которой показана на рис. 3.
ТЭЦ работает по парогазовому циклу на древесных отходах, имеет выходную электрическую мощность 6 МВт и тепловую мощность 9 МВт.
Подсушенная и измельченная древесина, находящаяся в герметичном баке под давлением, подается питателем в газогенератор циркулирующего кипящего слоя, где перерабатывается
о
в низкокалорийный газ (5 МДжДг). Температура внутри газогенератора находится на уровне 950—1000 °С, давление — 2,2 МПа. В качестве газифицирующего агента используется воздух.
После предварительного охлаждения в водяном теплообменнике до температуры 350—400 "С генераторный газ очищается от пылевидных частиц и остаточных смол в высокотемпературном керамическом фильтре. Затем чистый газ подается в камеру сгорания газовой турбины, электрическая мощность которой составляет 4,1 МВт. Продукты сгорания от газовой турбины подаются в паровой котел, где вырабатывается пар с давлением 4,0 МПа и температурой 470 °С. Да-
Газогенератор
г\ ~
Подача топлива
Испаритель
Фильтр горячего | газа
Газоохладитель
Воздух
Бустерный компрессор
Дымовая труба
Газовая турбина
Дизельное топливо
Паровой котел
Внешние потребители
Рис. 3. ТЭЦ компаний «БусЛшт» и «АЬшгот» с парогазовым циклом на древесных отходах
Топливо
Рис. 4. Схема парогазовой установки с газогенератором слоевого типа
лее продукты сгорания газа выбрасываются в атмосферу а водяной пар приводит в действие паровую турбину мощностью 2 МВт. Тепловая энергия отработанного пара используется для теплоснабжения внешних потребителей.
За весь экспериментальный период газогенератор проработал более 85 тыс. час., турбина на генераторном газе — более 3600 час. На демонстрационной ТЭЦ были достигнуты высокие технические показатели, что позволило участникам проекта приступить к разработке коммерческой ТЭЦ электрической мощностью 120 МВт.
Газогенераторная электростанция на базе слоевого газогенератора, разработанного в СПбГПУ
В состав установки (рис. 4) входит следующее основное оборудование:
четыре однотипных газогенератора слоевого типа, созданные на базе разработок СПбГПУ
и НТЦ «Энерготехнология», тепловой мощностью по 4,5 МВт каждый, которые позволяют получить газ с теплотой сгорания 3,84 МДж/кг
о
и плотностью р = 1,171 кг/м ; производительность одного газогенератора по газу составляет 1,1 кг/с;
газотурбинная установка (ГТУ) Taurus-60 фирмы Solar (США) электрической мощностью 5,4 МВт, КПД ГТУ на генераторном газе — 32 %;
дожимной компрессор со степенью повышения давления ^ = 11,5;
паротурбинная установка, содержащая двухцилиндровую паровую турбину, конденсатор, конденсатный насос;
деаэрационная установка повышенного давления (0,69 МПа) с подогревом деаэрируемого конденсата;
одно- и двухконтурный котлы-утилизаторы. Расчеты показали, что КПД разработанной установки составляет 34,2 % [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Review of Finnish biomass gasification techno- 2. Сергеев, B.B. Нетрадиционные и возобнов-
logies: ОРЕТ Report 4 [TckctJ / Espoo: Technical ляемые источники энергии. Проектирование и Research Centre of Finland, 2002.— 21 p. расчет газогенераторных установок при использо-
вании биомассы [Текст]: учеб. пособие / В.В. Сергеев, A.A. Калютик, В.Н. Моршин, J1.П. Стешен-ков.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2004.— 60 с.
3. Зысин, Л.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Часть 1: Возобновляемые источники энергии [Текст]: учеб. пособие /
Л.В. Зысин, В.В. Сергеев.— СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2008.— 192 с.
4. Алешина, A.C. Газогенераторная парогазовая установка с высоконапорным котом-утилизатором [Текст] / A.C. Алешина, В.В. Сергеев // Теплоэнергетика,- 2011,- №3,- С. 78-80.
УДК 504.06:621.181:622.61 2
А.А. Тринченко
СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ СТУПЕНЧАТОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА
Выбирая способ снижения выбросов оксидов азота при проектировании паровых котлов, необходимо оценивать их эффективность при работе котла, влияние того или иного способа на КПД установки, сравнивать затраты при внедрении новых технологий.
Наиболее перспективные способы, направленные на снижение вредных выбросов, — технологические, реализуемые на стадии сжигания топлива. Они не требуют значительного увеличения капитальных затрат, а так же сравнительно просты в реализации. Одним из самых эффективных среди них можно считать ступенчатое
Зона догорания:
а = ар
Зона восстановления:
10-25 % топлива, а"„ »0,85-0,98
Основная зона горения: 75-90 % топлива, а} ~ 1
Рис. 1. Схема организации трехступенчатого сжигания
сжигание, сущность которых заключается в ступенчатой (по ярусам горелок) подаче топлива и воздуха в топку. На рис. 1 показана схема трехступенчатого сжигания.
В нижней зоне топки (зона 1) сжигается основная масса топлива (примерно 90 %) при избытке воздуха (— ~ 1), благодаря чему в нижнем ярусе топливо сгорает при недостатке окислителя, что способствует снижению генерации топливной составляющей NOx. На выходе из зоны 1 (зона активного горения) организуется зона 11, в которую подается вторичное топливо (около 10 %) с таким расчетом, чтобы суммарный избыток воздуха в этой зоне составлял —j ~ 0,9— 0,95. В результате этого в зоне 11 образуется восстановительная газовая среда с продуктами химического и механического недожога топлива. В восстановительной среде на углероде кокса вторичного топлива происходит разложение выходящих из зоны 1 оксидов азота с образованием молекулярного азота по реакции
2C+2NO = 2CO+N2. (1)
В зону Ш подается третичный воздух для дожигания продуктов химического и механического недожога топлива в верхней части топки. Ступенчатая подачатоплива позволяет дополнительно несколько уменьшить максимальные температуры в топке, что снижает генерацию термических оксидов азота.
Разработанная методика расчета количества разложившихся оксидов азота на поверхности горящих коксовых частиц основана на диффузионно-кинетической теории горения [1] иучи-
