Производство электроэнергии и тепла из угля

  1. Рис. 1. Схема системы отопления
  2. Рис. 2. Принципиальная схема комбинированного производства электрической энергии и тепла
  3. Рис. 3. Современные и будущие технологии преобразования угля в электрическую и тепловую энергию

Уголь является слишком ценным сырьем, чтобы просто сжечь его. Это, однако, энергетическое сырье, которое распространено в политически стабильных регионах. Поэтому до появления энергии от синтеза ядер легких элементов, которая, по всей вероятности, позволит эффективно превращать уголь в ценные химические продукты, уголь остается одним из основных энергетических ресурсов. Уголь содержит ряд элементов, которые, сжигаясь в атмосфере кислорода, дают энергию для окружающей среды. Посредством ряда термодинамических преобразований, технически используемых в энергетических устройствах, можно преобразовать эту энергию в полезную тепловую и электрическую энергию.

Производство полезного тепла осуществляется двумя основными способами. Первым из них является прямой обогрев помещений с использованием маломощных печей. Нагревание осуществляется путем передачи энергии, выделяемой при сжигании угля из печи в окружающую среду. Этот метод реализован в устройствах с низким энергопотреблением. В более широком диапазоне мощности, в отопительных и отопительных котлах, выработка полезного тепла осуществляется путем нагрева рабочей среды. Рабочий фактор затем отправляется получателю. Благодаря доступности, не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, а наиболее часто используемой теплоносителем является вода или пар. Типичными параметрами воды в используемых в настоящее время системах отопления являются температура подачи - до 130 oC и температура возврата - от 50 oC. На рисунке 1 схематично показана типовая схема теплосети (источник: http://mpec.przemysl.pl/ ).

Рис. 1. Схема системы отопления

В энергетическом приборе потенциал использования угля для выработки электроэнергии можно определить как эффективность чистого производства. Это отношение сгенерированной электрической мощности N, за вычетом мощности, используемой для удовлетворения собственных потребностей установок Npw в отношении потока химической энергии угля, передаваемого устройству. Определяется зависимостью 1.

(1)

это массовый расход угля в кг / с, его теплотворная способность. Во многих странах теплота сгорания используется вместо теплотворной способности. Максимальная теоретическая эффективность выработки электроэнергии зависит от температуры верхнего источника T2 и нижнего источника T 1. Он описывает эффективность идеального цикла Карно.

, (2)

Зависимость (2) указывает на предел возможности энергетического использования угля. Чем больше разница между T 1 и T 2, тем выше теоретическая эффективность выработки электроэнергии. При анализе новых способов использования энергии угля следует помнить, что верхняя температура T 2 ограничена температурой сгорания угля. Это, в свою очередь, является результатом состава угля и метода сжигания. Современная угольная энергия основана на циклах, в которых угольная энергия передается воде / пару. Важным ограничением этих цепей являются приемлемые термодинамические параметры, обеспечивающие длительную эксплуатацию котлов. Содержание кислотных компонентов, риск коррозии или доступность и эффективность работы хладагента в низкотемпературной части цикла является ограничением степени охлаждения выхлопных газов. Поэтому мы ищем такие методы повышения КПД, которые позволяют повысить температуру циркулирующей среды и правильно охлаждать выхлопные газы. Максимальные параметры пара, используемые в настоящее время, составляют 640 oC и около 300 бар. Для угля с температурой сгорания 1800 oC эффективность идеального цикла согласно уравнению (2) составляет ηc, max = 86%. Существующие паровые контуры позволяют достичь максимальной эффективности реального цикла до 46%. Дальнейшее повышение эффективности требует правильной комбинации нескольких цепей или сокращения цикла изменений. Необходимость получить экономический оптимум между инвестициями и эксплуатационными расходами означает, что котел должен работать в течение 250 и более тысяч часов. Для продления срока годности материалов используются более низкие параметры, чем максимально достижимые. Как видите, эффективность производства - не единственный фактор, определяющий выбор технологии конверсии угля.

Комбинируя выработку полезного тепла и электроэнергии в соответствующей конфигурации теплообменников, пароотводов и ступеней турбины, получается комбинированное производство тепла и электроэнергии . Он реализован в широком диапазоне мощностей. В меньшем масштабе ассоциация обнаруживается в когенерационных системах (например, в двигателях внутреннего сгорания с сетевой системой водяного отопления, использующей охлаждение двигателя и выхлопных газов).
В более широком масштабе ассоциация используется на теплоэлектростанциях. Схема принципа комбинированного производства представлена ​​на рисунке 2 (источник: www.pracowniaregister.pl )

Рис. 2. Принципиальная схема комбинированного производства электрической энергии и тепла

В целом в угольной энергетике преобладает тенденция к внедрению крупногабаритного оборудования. Это объясняется более высокой эффективностью производства. Поэтому чаще всего в отношении когенерации устройства планируются в масштабе от нескольких десятков МВт (мегаватт) до нескольких сотен МВт.
В последние годы все больше внимания исследователей и эксплуататоров уделяется так называемой «малой когенерации».

Среди множества технологий, используемых для преобразования химической энергии угля в электричество и полезное тепло, можно выделить несколько наиболее важных. Это разделение показано на рисунке 3. Они были разделены на те, которые нашли широкое применение в промышленности, и те, которые могут быть разработаны в будущем или были разработаны в прошлом и ожидают соответствующих технологий материалов и методов работы.

Они были разделены на те, которые нашли широкое применение в промышленности, и те, которые могут быть разработаны в будущем или были разработаны в прошлом и ожидают соответствующих технологий материалов и методов работы

Рис. 3. Современные и будущие технологии преобразования угля в электрическую и тепловую энергию

Основные направления развития энергетической технологии использования угля можно резюмировать следующим образом: для производства тепла или комбинированной выработки электроэнергии и тепла - направление действий заключается в повышении эффективности сгорания и эффективности использования полезного тепла. Значительные изменения последовательно усиливаются за счет повышения теплоизоляции перегородок отапливаемых зданий - приемников тепла. Последующее снижение требуемых температур теплоносителя позволяет все больше и больше расходовать энергию. В результате, для контуров пара это увеличивает возможности использования энергии, до сих пор безвозвратно потерянной в цикле конденсации.

В области производства электроэнергии, в частности , основаны важные ориентированные на будущее технологии. сокращение цикла изменений (генераторы МГД, топливные элементы). Интересной проблемой и огромной проблемой для материаловедения является технология газовой турбины, работающей на угле. В настоящее время основные исследовательские усилия направлены на улучшение функционирования существующих энергетических установок. Цель состоит в том, чтобы поднять верхнюю температуру парового цикла в цикле Ренкина (так называемый перегрев пара), сочетая удаление CO2 из выхлопных газов с его эффективным использованием в химии или добыче углеводородов путем использования CO2 в качестве газового поршня и, таким образом, повышения давления в резервуаре. Мы ищем новые, дешевые в производстве и соединении материалы для элементов котла. С точки зрения снижения более низкой температуры циркуляции сочетание необходимости обеспечить низкие выбросы от сжигания угля с повышенной эффективностью приводит к внедрению систем охлаждения выхлопных газов с восстановлением энтальпии конденсации влаги.